Географическая картина мира и ее экологическая составляющая

Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Менеджмент и коммерция»
С.А. Шлюндт
Географическая картина мира
и ее экологическая составляющая
Екатеринбург
2007
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Менеджмент и коммерция»
С.А. Шлюндт
Географическая картина мира
и ее экологическая составляющая
Учебно-методическое пособие для студентов факультета
«Экономики и управления»
Екатеринбург
2007
УДК 91:574:167/168
Ш 68
С.А. Шлюндт. Географическая картина мира и ее экологическая составляющая: учеб.-метод. пособие. – Екатеринбург: УрГУПС, 2007. – 92 с.
В учебно-методическом пособии подробно раскрыты особенности частнонаучной географической картины мира. Работа дополняет содержание лекционного курса по дисциплине «Концепции современного естествознания».
Пособие предназначено студентам всех форм обучения для подготовки к
семинарским занятиям и экзамену по дисциплине «Концепции современного естествознания».
Рекомендовано к изданию научно-методической комиссией факультета
«Экономики и управления».
Автор
С.А. Шлюндт, доц. каф. «Менеджмент и коммерция», канд. геогр. наук (УрГУПС).
Рецензент
О.Р. Ильясов, проф. каф. БЖД, зам. декана ФУПП, д-р биол. наук (УрГУПС).
© Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2007
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ГЕОСФЕРНЫХ
ОБОЛОЧЕК.......................................................................................................
1.1. Происхождение литосферы .............................................................
1.2. Происхождение атмосферы .............................................................
1.3. Происхождение гидросферы............................................................
1.4. Происхождение биосферы...............................................................
2. ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА ЗЕМЛИ. МАГНИТОСФЕРА..........
2.1. Основы учения о географической оболочке...................................
2.2. Понятие о геокомпонентах...............................................................
2.3. Границы географической оболочки и её дифференциация..........
2.4. Магнитосфера и гравитационное поле Земли................................
3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ
ОБОЛОЧКЕ.......................................................................................................
3.1. Круговороты вещества и энергии - основа целостности
географической оболоки.................................................................................
3.2. Общие представления о почве и почвенном покрове.
Экологические функции педосферы..............................................................
4. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ГИДРОСФЕРЫ И АТМОСФЕРЫ...............
4.1. Общая характеристика гидросферы и её функций........................
4.2. Общая характеристика атмосферы и её функций..........................
5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ГЕОГРАФИЧКСКОЙ ОБОЛОЧКИ................................................................
5.1. Ресурсная функция географической оболочки..............................
5.2.Общая характеристика антропогенных воздействий на компоненты географической оболочки....................................................................
5.3. Проблемы современного природопользования..............................
6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МИРА, СВЯЗАННЫЕ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ.........
6.1. Экологический кризис и экологические катастрофы....................
6.2. Основные причины экологического кризиса.................................
7. ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ................................
8. ТЕСТЫ..........................................................................................................
9. ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ......................................................
10. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................
3
4
4
16
16
17
21
21
22
23
26
32
32
43
46
46
50
55
55
59
64
66
66
68
71
81
87
89
1. КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ
ГЕОСФЕРНЫХ ОБОЛОЧЕК
Земля является одной из планет Солнечной системы. Удаленность ее от
Солнца составляет 150 млн км. Обращение Земли вокруг Солнца имеет период,
равный 365,25 средних солнечных суток. Средний радиус Земли, принимаемой
за шар, равен, примерно, 6371 км, ее масса – 5976 · 1021 т, площадь поверхности
- 510 млн км2, средняя плотность 5518 кг/м3. В настоящее время известно, что
планета Земля состоит из ряда оболочек или сфер, различных по химическому
составу и распределению плотности вещества. Эти оболочки называются
гeoсферами [15].
1.1. Происхождение литосферы
Считают, что Вселенная возникла в результате огромного взрыва, названного Большим Взрывом (biq banq). В первые доли секунды после Взрыва установилось определенное отношение вещества и излучения, а затем относительное содержание водорода (Н), дейтерия (D) и гелия (Не). Процессы образования
и переработки этих газов внутри звезд привели к появлению более тяжелых
элементов. Такие тяжелые элементы, как железо (Fе), могли возникнуть в ядрах
звезд, которые в свою очередь производили гораздо более тяжелые элементы.
Принято считать, что процесс образования звезд привел к характерному
относительному содержанию элементов в космосе. Водород и гелий содержатся
во Вселенной в наибольшем количестве как реликты самых ранних мгновений
образования элементов. Литий (Li), бериллий (Ве) и бор (В) содержатся в небольшом количестве в связи с их малой устойчивостью внутри звезд. Углерод
(С), кислород (О), азот (N) образовались в результате продуктивного циклического процесса в звездах и содержатся во Вселенной в относительно большом
количестве. Кремний проявляет довольно высокую устойчивость к фотодиссоциации в звездах, а потому доминирует в окружающем нас мире минералов.
По одной из гипотез планеты солнечной системы образовались из дискообразного облака горячих газов, остатков взрыва сверхновой звезды. Сконденсировавшиеся пары образовали твердые частицы, объединение которых привело к образованию небольших тел, планетезималей. В результате срастания последних возникли внутренние планеты.
Когда молодая Земля выросла до современной массы, она нагрелась за
счет радиоактивного распада нестабильных изотопов и улавливания кинетической энергии, выделяющейся в результате столкновения планетезималей. В
процессе нагрева Земли происходило плавление железа (Fе) и никеля (Ni), высокая плотность которых позволила им погрузиться в центр планеты, образовав
ядро. Последующий процесс охлаждения способствовал затвердеванию оставшегося материала в виде мантии.
Состав и свойства верхней части земной коры относительно хорошо изучены. Наиболее распространены в ней следующие химические элементы, %:
4
кислород - 47,0, кремний - 29,5, алюминий - 8,05, железо - 4,65, кальций - 2,96,
натрий - 2,50, калий - 2,50, магний - 1,87, прочие - 0,93. Земная кора имеет толщину 5-10 км под дном океана и 70-80 км в горных районах (соответственно
выделяют океанический и материковый типы земной коры) [1].
Из химических элементов образуются природные соединения минералов,
а они в свою очередь слагают горные породы.
Минерал – химическое соединение, образовавшееся в земной коре в результате природных процессов и обладающее определенным химическим составом и физическими свойствами. Всего в земной коре насчитывается около
3000 минералов, но основных породообразующих — около 50. Минералы —
обычно твердые вещества, но встречаются также жидкие (вода, нефть, ртуть и
др.) и газообразные (метан, сероводород и др.).
Горная порода — природное сочетание минералов, образующее самостоятельное тело в земной коре. Горные породы по происхождению делятся на
три группы: магматические, осадочные и метаморфические. Около 90% земной
коры составляют магматические и метаморфические породы, остальные 10%
приходятся на долю осадочных. Вместе с тем осадочные породы покрывают
около 75% площади земной поверхности.
Магматические (изверженные) горные породы образуются в результате
внедрения магмы по разломам из мантии в земную кору. В случае, когда магма
медленно остывает на большой глубине, образуются интрузивные (глубинные)
горные породы, имеющие кристаллическую структуру. К этой группе относятся
такие породы, как гранит, селенит, дунит. Эффузивные (излившиеся) породы
образуются из магмы, излившейся на поверхность. Это базальт, андезит, липарит. Застывание магмы происходит быстро, поэтому минералы не успевают
выкристаллизоваться; они обычно представляют собой однородную стекловидную массу.
Осадочные горные породы образуются в поверхностной части земной коры в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород и формируются под воздействием внешних сил. По происхождению осадочные горные породы подразделяются на неорганические (обломочные) и органические.
Обломочные породы образуются в результате выветривания, переотложения водой, льдом или ветром продуктов разрушения ранее возникших горных пород. Обломочные породы бывают рыхлые (алевриты, песок, щебень и др.),
сцементированные (алеврит, песчаник и др.), обломочно-глинистые (морена).
Органические породы образуются в результате накопления остатков животных, растений и продуктов их жизнедеятельности. Они, как правило, накапливаются на дне океанов, морей и озер. К этой группе относятся известняки,
доломиты, мел, торф, ископаемые угли, нефть, горючий газ и пр. Большинство
осадочных горных, пород имеет слоистое строение, указывающее на накопление их в водной среде.
Метаморфические горные породы возникают в результате глубокого изменения различных осадочных и магматических пород под влиянием высокой
5
температуры, давления, горячих водных растворов и газов. Так, например, известняк преобразуется в мрамор, песчаник – в кварцит, гранит – в гнейс. Считают, что среди метаморфических пород больше всего гнейсов (65% объема),
амфиболитов (17%), кристаллических сланцев (15%).
В процессе метаморфизации горных пород образуются разнообразные
полезные ископаемые: железные и полиметаллические руды, драгоценные камни, графит, мрамор, кварцит.
Широко известна модель внутреннего строения Земли (деления ее на ядро, мантию и земную кору), разработанная сейсмологами Г. Джеффрисом и Б.
Гутенбергом в первой половине ХХ в. Решающим фактором при этом оказалось
обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн
внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км.
Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно
над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним – 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра. Соответственно радиус ядра составляет 3471 км.
Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича,
выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем в 1909 г. Этот раздел отделяет земную кору от мантии. Под континентом глубина раздела мантии, т. е. подошвы земной коры, составляет первые десятки километров, тогда как
под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км.
В середине ХХ столетия появились новые представления о более подробном глубинном строении Земли. Оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию – на нижнюю и верхнюю. Эта модель, начало которой положил австралийский сейсмолог К. Буллен в начале 40-х гг., используется в настоящее время.
Внутреннее ядро, имеющее радиус 1225 км, твердое и обладает большой
плотностью, равной 12,5 г/см3. Внешнее ядро жидкое, его плотность 10 г/см3.
На границе ядра и мантии отмечается резкий скачок не только в скорости распространения продольных волн, но и в плотности. В мантии плотность снижается до 5,5 г/см3 [16].
Границей нижней и верхней мантий в рассматриваемой схеме служит
сейсмический раздел, лежащий на глубине 670 км. Таким образом, нижняя
мантия, заключенная между глубинами 670 и 2900 км, простирается по радиусу
Земли на 2230 км. Верхняя мантия имеет хорошо фиксирующийся внутренний
сейсмический раздел, проходящий на глубине 410 км. На этом разделе, также
как и на нижней границе верхней мантии, происходят существенные минеральные преобразования. Верхнюю часть верхней мантии вместе с земной корой
выделяют как литосферу, являющуюся верхней твердой оболочкой Земли.
Таковы основы представлений о строении Земли, сложившихся к настоящему времени. Возраст Земли по современным представлениям составляет
около 4,6 млрд лет.
События геологического прошлого Земли, в их хронологической последовательности, отражены в единой международной геохронологической шкале
(табл. 1). Основные временные подразделения шкалы – эры. Геологическая эра –
6
наиболее крупная единица геохронологической шкалы. Она соответствует времени, в течение которого сформировалась группа горных пород. Эра подразделяется на периоды.
Для каждой эры характерен свой этап развития земной коры и органического мира. Название эры отражает время и характер существовавшей тогда
жизни: архейская (древнейшая жизнь), протерозойская (времена простой ранней жизни), палеозойская (эра древней жизни), мезозойская (эра средней жизни) и кайнозойская (эра новой жизни).
Геологический период — подразделение геохронологической шкалы, соответствующее времени образования горных пород, составляющих геологическую систему. Период подразделяется на эпохи. Названия периодов происходят
или от названия горных пород, характерных для этого времени (например каменноугольный период), или от той местности, в которой исследованы горные
породы (например, пермский период назван по исторической области, находящейся в предгорьях Урала). Периоды ордовик и силур названы так в честь
древних племен, обитавших на территории Великобритании.
В геологической истории Земли выделяют несколько крупных циклов горообразования – складчатостей. Они охватывают десятки миллионов лет, на
протяжении которых происходило формирование крупных горных систем [6].
Таблица 1
Геохронологическая шкала
КАЙНОЗОЙСКАЯ (KZ)
около 70 млн лет
Эры, в
млн лет
Основные
этапы развития жизни
Господство
покрытосемянных.
Расцвет
фауны млекопитающих.
Существование природных
зон, близких к современным, при
неоднократных
смещениях
границ
Периоды
(млн лет)
и их индексы
Четвертичный,
или антропогеновый,
(2 млн
лет) (Q)
Неогеновый
(26 млн
лет) (N)
Палеогеновый (41
млн лет)
Главнейшие геологические события. Облик земной поверхности
Общее поднятие территории. Неоднократные оледенения. Появление человека.
Возникновение молодых гор в областях
кайнозойской складчатости. Возрождение гор в областях всех древних складчатостей. Господство покрытосемянных (цветковых) растений.
Разрушение мезозойских гор. Широкое
распространение цветковых растений.
Развитие птиц и млекопитающих.
7
Наиболее
характерные
полезные
ископаемые
Торф, россыпные месторождения золота,
алмазов,
драгоценных камней
Бурый
уголь,
нефть, янтарь
Фосфориты,
бурый
уголь, бокситы
МЕЗОЗОЙСКАЯ (MZ)
165 млн лет
ПАЛЕОЗОЙСКАЯ (PZ) 330 млн лет
ПРОТЕРОАРХЕЙЗОЙСКАЯ
СКАЯ более
около 2000
1800 млн лет
млн лет
Расцвет голосемянных и гигантских
рептилий.
Появление
лиственных
древесных
пород, птиц
и млекопитающих.
Расцвет
папоротников и других споровых растений. Время
рыб и земноводных.
Появление
на Земле
животных
и растений.
Зарождение
жизни в воде. Время
бактерий и
водорослей.
Окончание табл. 1
Возникновение молодых гор в областях
Нефть, гоМеловой мезозойской складчатости. Вымирание рючие сланцы, мел,
гигантских пресмыкающихся (репти(70 млн
уголь, фослий). Развитие птиц и млекопитающих.
лет) К
фориты
Образование современных океанов.
Каменный
Юрский
Жаркий, влажный климат. Расцвет репуголь,
(50 млн
тилий. Господство голосемянных раснефть, фослет) J
тений. Появление примитивных птиц.
фориты
Наибольшее за всю историю Земли отКаменная
Триасоступление моря и поднятие материков.
соль
вый
Разрушение домезозойских гор. Об(40 млн
ширные пустыни. Первые млекопилет) Т
тающие.
Возникновение молодых гор в областях Каменная и
Пермский
герцинской складчатости. Сухой кликалийная
(45 млн
мат. Возникновение голосемянных рассоль, гипс
лет) Р
тений.
Каменно- Широкое распространение заболоченОбилие угля
угольный
ных низменностей. Жаркий, влажный
и нефти
карбон
климат. Развитие лесов из древовидных
(65 млн
папоротников, хвощей и плаунов. Перлет) С
вые рептилии. Расцвет земноводных.
ДевонУменьшение площади морей. Жаркий
Соли, нефть
ский
климат. Первые пустыни. Появление
(55 млн
земноводных. Многочисленны рыбы.
лет) D
Силурий- Возникновение молодых гор в областях
ский (35
каледонской складчатости. Первые намлн лет) S
земные растения.
Ордовик- Уменьшение площади морских бассейский
нов. Появление первых наземных бес(60 млн
позвоночных животных.
лет) О
Кембрий- Возникновение молодых гор в областях
Каменная
ский
байкальской складчатости. Затопление
соль, гипс,
(70 млн
обширных пространств морями. Расцвет
фосфориты
лет) Э
морских беспозвоночных животных.
Начало байкальской складчатости.
Огромные
Мощный вулканизм. Время бактерий и
запасы жеPR
водорослей.
лезных руд,
слюда, графит
Древнейшие складчатости.
Железные
Напряженная вулканическая деятельруды
ность.
Время
примитивных
одноклеAR
точных бактерий.
8
Нет единой теории, которая объясняла бы все закономерности в геологической истории Земли, из-за отсутствия сведений о процессах происходящих в
мантии. Наиболее популярные гипотезы делят на две группы: фиксистские и
мобилистские. Первые объясняют развитие Земли, не привлекая для этого
представления о горизонтальном перемещении материковых блоков литосферы
(контракционная, расширяющейся Земли, пульсационная, глубинной дифференциации); вторые связывают причину геологического развития Земли с горизонтальным перемещением пластин литосферы (дрейфа материков, глобальной
тектоники плит, горячих точек).
Фиксистские гипотезы
Контракционная гипотеза была выдвинута в 30-х гг. прошлого столетия. Идея вытекает из представления Канта-Лапласа о первоначальном огненно-жидком состоянии вещества Земли. По мере его охлаждения образуется
твердая кора, которая в дальнейшем трескается в связи с уменьшением объема
остывающих недр. Около 100 лет эта гипотеза была одной из ведущих у геологов,
но начиная с момента появления идей О.Ю.Шмидта об изначально холодном состоянии Земли контракционная гипотеза практически была всеми отвергнута.
Гипотезу расширяющейся Земли сформулировал О.Х. Хильгенберг в
1933 г. Сторонники этой гипотезы предполагают, что в докембрии объем нашей
планеты был в несколько раз меньше современного. Хильгенберг доказывал,
что еще в каменно-угольный период диаметр земного шара составлял 69% современного, т.е. последние 350 млн лет поверхность Земли увеличилась почти
вдвое. В результате произошли разрыв коры и образование океанов. Но исследования последних лет показали, что земная кора в основном испытывает сжатие, а не растяжение и с пермского периода радиус Земли практически не изменился. Кроме того, сторонники рассматриваемой гипотезы не могут удовлетворительно объяснить механизм расширения недр планеты.
Пульсационная гипотеза объединяет элементы контракции и расширения Земли и рассматривает развитие планеты как чередование эпох расширения
и сжатия. Впервые эта мысль была высказана в 1902 г., а окончательное оформление гипотеза получила в трудах М.А. Усова и В.А. Обручева (1940). В представлении Обручева в недрах Земли периодически накапливалась энергия, которая вызывала расплавление недр и фазовые переходы вещества, что в свою
очередь приводило к увеличению объема планеты. Происходило растяжение
коры, ее стабильные участки «трескались», возникали блоки, ограниченные
разломами, активизировались магматические процессы. Интенсивное выделение тепла вело к остыванию недр и сокращению объема планеты за счет перехода материала из жидкого состояния в твердое. Сжатие коры сопровождалось
существенными горизонтальными движениями, возникали горы, складчатые
породы. Поверхность Земли практически повсеместно вновь покрывалась толстой корой, которая предохраняла недра от остывания. Постепенно происходило накопление тепла, что влекло новый разогрев вещества планеты и его расширение; цикл развития повторялся. Пульсационная гипотеза очень диалектически целостна. Но она не объясняет происхождение материков и океанов, со9
мнителен и предлагаемый механизм расширения и сжатия недр, не учитывает
гипотеза и взаимосвязь объема и форм планеты и т.д. Но эти недостатки являются результатом недоработанности гипотезы и не отвергают ее в принципе.
Гипотеза глубинной дифференциации основана на представлении о разделении вещества недр Земли и перемещении более мягких компонентов вверх,
что вызывает поднятие отдельных блоков литосферы. Идея была высказана
М.В. Ломоносовым и Дж. Геттоном. В представлении голландца Р. Ван Беммелена причиной поднятий литосферы служит накопление под ней легких кислых
магматических продуктов глубинной дифференциации вещества Земли. Автор
считает, что наиболее крупные поднятия образуются на границе мантии и ядра,
при этом происходят разуплотнение и расширение материала. Формирование
горных областей он объясняет гравитационным соскальзыванием пластичных
осадочных толщ со склонов растущего крупного поднятия литосферы. Автор
допускает горизонтальное перемещение пластин земной коры только под влиянием гравитационного соскальзывания.
В.В. Белоусов считает, что основные процессы глубинной дифференциации вещества Земли происходят в астеносфере. Расплавленный продукт дифференциации базальтового состава собирается в крупные тела (астенолиты) и,
обладая меньшей плотностью, прорывается к поверхности планеты. Как правило, астенолиты продвигаются вдоль глубинных разломов, что часто сопровождается излиянием базальтовых лав. Астеналиты проплавляют континентальную
кору, вызывая образование океанических впадин. Согласно взглядам В.В. Белоусова, континентальная кора уничтожается за счет перехода «базальтового»
слоя в ультраосновной мантийный материал, а «гранитного» слоя – в базальтовые породы. Происходит процесс базификации коры, т.е. изменение состава
коры из-за поступления в него основного и ультраосновного материала из мантии. Однако, по мнению Е.Н. Люстиха, таким образом невозможно уничтожить
базальтовый слой коры, так как увелечение в нем тяжелого вещества мантии не
приведет к утяжелению базальтов и переходу их в мантийную субстанцию.
Образование горно-складчатой области В.В. Белоусов связывает с региональным метаморфизмом пород. Он полностью отвергает возможность сколько-нибудь значительных горизонтальных смещений пластин литосферы. Это
противоречит целому ряду установленных фактов. Спорно утверждение автора
о молодости всех известных океанов.
Ротационная гипотеза. Авторы ее видят причину геотектогенеза не во
внутренних силах Земли, а во внешних, астрономических факторах. Изменение
скорости вращения земного шара меняет ее форму: при замедлении вращения
Земля принимает более шарообразную форму, а при ускорении вращения – эллипсоидальную. Сильнее всего деформации проявляются в зоне 35-х параллелей северного и южного полушарий. Здесь происходит раскол коры и заложение различных структур, ориентированных перпендикулярно к существующей
оси вращения планеты. Авторы допускают изменение положения оси во времени, в связи с чем менялось и положение указанных параллелей, названных критическими. Причиной, влияющей на изменение скорости вращения Земли, мо10
жет быть притяжение ее Солнцем и Луной. Сторонники ротационной гипотезы
игнорируют внутренние силы. Земли, играющие важную роль в процессах тектогенеза. Это делает гипотезу несостоятельной, но следует признать, что изменение формы планеты под влиянием ускорения или уменьшения угловой скорости вращения может повлиять на деформацию коры.
Мобилистские гипотезы
Гипотеза дрейфа материков как научная концепция была высказана в
начале ХХ в. А. Вегенером. Он обратил внимание на то, что из материков без
больших зазоров можно составить единый континент. Положив в основу гипотезу изостазии, он предложил, что относительно тонкая первичная гранитная
кора под действием приливных сил, направленных с востока на запад, и центробежных сил, стягивающих кору к экватору, в PZ собралась в единый континент Пангею. Начиная с Mz эти же силы раскололи Пангею на отдельные материки, и они стали расплываться. Обе Америки отделились от Европы и Африки; между ними образовался Атлантический океан. Двигаясь на запад, Америки
сминали свой передний край, в результате чего образовались Кордильеры и
Анды. Африка откололась от Азии, одновременно разворачивая южной конечностью по часовой стрелке. Откололись и начали двигаться на юг Австралия и
Антарктида. Центробежные силы в экваториальной зоне сжали континент к экватору, что привело к образованию мощных субширотных горных цепей, наиболее высокими из которых являются Гималаи. Островные дуги (Алеутская,
Курильская, Японская, Филиппинская, Больших и Малых Зондских островов у
восточного побережья Азии; Антильских и Сандвичевых островов у восточного
побережья Америки) представляют собой оставшиеся осколки материков, двигающихся на запад. В конце неогена материки заняли свое современное положение.
Еще более удивительным, чем сходство береговых очертаний Атлантического океана, явилось установленное А. Вегенером сходство геологического
строения континентов, разделенных тысячами километров. Так, при совмещении карт Южной Африки и Америки отмечается совпадение их строения по целому ряду геологических признаков. Капские горы на юге Африки продолжаются в сходных с ними по строению и составу складчатых горах вблизи БуэносАйреса, близки в геологическом отношении гнейсовое плато в Африке и плоскогорье в Бразилии и т.д. При более длительном изучении обнаруживается
сходство в составе одновозрастных пород. Эти и другие геологические факты
легли в основу гипотезы А.Вегенера.
Предложенную гипотезу горизонтального дрейфа континентов А. Вегенер пытался обосновать палеонтологическими и палеоклиматическими данными. Однако некоторые из этих данных оказались спорными, а самое главное –
не выдержал критики механизм перемещения континентальных глыб, предложенный А. Вегенером. По его мнению, распад Пангеи и дрейф континентов
обусловлены приливными силами лунно-солнечного притяжения и ротационными силами вращения Земли, под действием которых более легкие гранитные
континентальные глыбы начали скользить по поверхности базальта, постепенно
удаляясь друг от друга. Однако расчеты показали, что эти силы недостаточны
11
для такого перемещения континентальных глыб. Позже, в 1937 г., представления А.Вегенера были развиты в гипотезе А.Дю Тайта. По этой гипотезе, учитывающей новые палеоклиматические и палеонтологические данные, допускалось
существование не одного, а двух первичных материков – Лавразии в северном
полушарии и Гондваны в южном. Для гипотезы А.Дю Тайта характерна детальная обоснованность геологическими данными. Более изучена геологическая история Гондваны. В пределах Гондваны детально прослежены положения
палеоклиматических зон, области верхнепалеозойского оледенения, единые зоны формирования хемогенных пород, каменного угля. В результате распада
Гондваны в мезозойско-кайнозойское время произошло обособление современных континентов Южного полушария и Индостана, при столкновении которого
с Азией образовались Гималаи. Эти гипотезы имели много недостатков и вскоре были практически забыты.
В начале 60-х гг. произошло возрождение идеи дрейфа материков в виде
концепции глобальной тектоники плит, которая учла ряд новых открытий и
претендовала на роль теории, объясняющей тектонические процессы, происходящие в земной коре, на более высоком научном уровне, чем учение о геосинклиналях.
Основными геологическими данными, используемыми концепцией тектоники плит, являются:
1) расположение гигантских подвижных зон – срединноокеанических
хребтов (СОХ), осевая часть которых занята глубокими рифтовыми долинами;
2) соответствие этим хребтам в океанах областей аномально высокого теплового потока;
3) параллельное расположение по обе стороны СОХ полосовых магнитных аномалий с разным знаком намагниченности пород;
4) уменьшение мощности осадочного слоя в океанах от окраины к СОХ,
изменение в этом же направлении возраста подошвы осадочного слоя;
5) материалы о земной коре и верхней части мантии, физические характеристики которой позволяют допустить возможность скольжения по ней жидкой
литосферы;
6) образование зоной высокой сейсмичности и современного вулканизма
на поверхности Земли сложной сети узких поясов, связанных с сверхглубинными разломами, разделяющими земную кору и верхнюю часть мантии на несколько блоков – литосферных плит (Тихоокеанскую, Евроазиатскую, Американскую, Африканскую, Индийскую, Антарктическую).
Восходящие мантийные потоки, достигая астеносферы, будут вызывать
астеносферные течения, т.е. горизонтальное движение вещества в сравнительно
маловязком слое мантии. Учитывая, что под океанами мощность астеносферы
намного больше, а вязкость в тысячи раз меньше, чем под континентами, вертикальные потоки существуют только в средней и нижней мантии, а в астеносфере возникнут преимущественно горизонтальные течения. Из-за того что
мощность астеносферного слоя под континентами существенно сокращается,
горизонтальные составляющие конвенционного потока будут возникать в более
12
глубоких горизонтах мантии. В связи с этим скорости дрейфа континентальных
или смешанных континентально-океанических плит значительно меньше, чем у
чисто океанических плит.
В соответствии с представлениями сторонников «новой глобальной тектоники» литосфера Земли состоит из 6 крупных и большого числа мелких жестких плит, «плавающих» по астеносфере, границами литосферных плит являются сверхглубинные разломы, которые в одних случаях совпадают с рифтовыми долинами в осевой части СОХ, в других – с глубоководными желобами,
являющимися поверхностным выражением зон землетрясений, называемых зонами Заварицкого-Беньофа.
В рифтовых долинах СОХ постоянно происходит процесс растяжения и
раздвигания плит. Через трещины извергается базальтовая лава, которая застывает в форме мощных даек. Последние рассматриваются в качестве своеобразных «клиньев», распирающих смежные литосферные плиты и смещающих их в
разные стороны по горизонтали.
Дальнейший процесс расширения приводит к формированию новых вертикальных клиньев базальтов – нарождающейся океанской коры, а ранее образованная молодая кора сдвигается в стороны. Границы плит, с которыми связано их раздвигание и рождение новой коры, называются зонами спрединга, а сам
процесс раздвигания – спредингом.
В результате возникновения новой, убыточной коры в зонах спрединга
литосферные плиты смещаются в стороны от СОХ к окраинам океанов и здесь
подвигаются под соединение континентальные литосферные плиты. Погружение океанской плиты под континентальную происходит по зонам ЗаварицкогоБеньофа. Подвигаясь под соседнюю, каждая плита погружается в астеносферу,
и тем самым устраняется избыток коры. При поддвиге происходят разогревание
краев плит, плавление литосферы, активный андезитовый вулканизм, высокая
сейсмическая активность. Слои осадочного слоя как бы «соскабливаются» с
плиты, погружающейся в астеносферу, и сминаются на приокеанском борту
глубоководного желоба.
В настоящее время скорость спрединга в различных рифтовых зонах Мирового океана неодинакова. Максимальна она в юго-восточной части Тихого
океана (о-в Пасхи). Медленнее всего процесс спрединга протекает сейчас в
Красном море.
Границы плит, где происходит погружение одной плиты под другую и их
плавление, называются зонами субдукции, а процесс поддвигания – субдукцией. Он сопровождается мощными землетрясениями, поэтому рассматриваемые
границы литосферных плит характеризуются концентрацией глубоководных
землетрясений.
Пока в глубоководных желобах идет процесс поглощения океанической
литосферы, столкновения плит не происходит. Если же в зону субдукции вместе с океанической плитой придвигается континент, островная дуга или крупные массивы подводных гор, которые не могут поглотиться зоной субдукции,
то происходит их блокировка и дальнейший поддвиг невозможен. Возникает
13
лобовое столкновение литосферных плит, при котором может произойти надвигание океанических пластин на края континентальных плит. Этот процесс
получил название обдукции.
Движущими силами, которые приводят к горизонтальным перемещениям
плит, их растяжению и погружению, считают силы, возникающие в результате
тепловых конвекционных течений в астеносфере. Восходящие течения двух
встречных циркулярных потоков приводят к раздвиганию плит (спредингу),
нисходящие – к поддвиганию плит (субдукции). Для зон спрединга характерны
СОХ, а для зон субдукции – островные дуги и глубоководные желоба.
Неонобилизм об учении о геосинклиналях. С позиции концепции глобальной тектоники плит геосинклиналь – это область столкновения литосферных плит, где происходит формирование новой континентальной коры за счет
процессов переплавления океанической литосферы, заглубляющейся в мантию
Земли. В этой области (область субдукции) океаническая кора, которая сформировалась в рифтовых долинах океанов испытывает обезвоживание, магматическую переработку, метаморфизм и деформацию. При застывании кислых
масс в недрах образуются гранитные интрузии, которые создают фундамент
островных дуг и активных окраин континентов. Результатом является нарастание континентальной коры и образование континентов.
Концепция движения литосферных плит удачно объясняет некоторые
особенности строения современных океанов, но она не учитывает длительной
истории развития земной коры. Ее большое положительное значение в том, что
она привлекает внимание геологов к глобальным вопросам соотношения материковых и океанских структур и заставляет с этих позиций углублять учение о
геосинклиналях.
Новые концепции в геотектонике. На симпозиуме была представлена
фундаментальная работа А. Мейергофа «Модель глобальной тектоники». Мейергоф считает, что линейные структуры, параллельные осевым зонам этих
хребтов (разломы, трещины, дайки), могли быть сформированы только в результате движений, параллельных хребту, а не перпендикулярных ему. Причиной движений, параллельных СОХ, авторы считают движение полужидкой магмы по волновым каналам, которые повсеместно выявлены геофизическими методами под осевыми зонами СОХ.
Если скорость движения магмы мала и оно происходит беспрепятственно,
то течение будет ламинарным. Но когда скорость увеличивается и появляется
препятствие, ламинарное течение сменяется турбулентным. При этом в магме
формируются вихри и водовороты, которые отражаются в структурах морского
дна. Примером вихрей автор считает зоны поперечных трансформных разломов, которые образуются там, где напряжение, возникающее при движении
магмы, превышает прочность литосферы. Так как эти напряжения направлены
перпендикулярно хребту, то возникающие при этом разломы также направлены
вкрест простирания хребта.
Автор считает, что установленный им факт образования линейных структур СОХ в результате движений, параллельных хребту, а не перпендикулярных
14
ему, свидетельствует о несостоятельности таких аспектов плитотектоники, как
спрединг; генерация новой океанической коры в осевых зонах СОХ, удревнение возраста коры при удалении от них, происхождение линейных магнитных
аномалий, субдукция в желобах и др. Этот вывод автор считает крахом плитотектоники.
Офиолитовые пояса. В концепции тектоники плит важная роль отводится офиолитовым поясам, которые рассматриваются как шовные зоны на месте
«закрывающихся» палеоокеанов. М. Бхат и А. Дьюби, изучив одну из зон, пришли к выводу, что развитые в ней офиолиты сходны с офиолитами, обнажающимися в зонах разломов континентальной коры, и не имеют никакого отношения к зонам спрединга.
П. Лоумэн на примере Анд доказал, что процессы, постумируемые плитотектоникой (спрединг, субдукция и трансформные разломы), не могут быть тем
механизмом, посредством которого была сформирована континентальная кора,
по следующим причинам.
1. Различие в тектонических стилях между архейскими гранитно зеленокаменными и протерозойскими и более поздними террейнами свидетельствует,
что континентальная земная кора была сформирована еще до начала процессов, постулируемых плитотектоникой.
2. Вдоль тихоокеанских границ Южно-Американской и СевероАмериканской плит, которые являются классическими конвергентными границами, наблюдается развитие докембрийских и палеозойских континентальных
пород и нет никаких признаков бокового наращивания новообразованной континентальной коры, выделившейся из мантии в результате плитотектонических
процессов.
3. Континентальная кора по своим фундаментальным характеристикам аналогична коре других планет, где ее генерация возможна при наличии жидкой магмы и длительной тектонической активности. Однако кора Луны и, вероятно, Марса была сформирована в результате изначальной глобальной дифференциации
процессами, отличными от тектоники плит. Следовательно, такая дифференциация, возможно, имела место и на Земле, т.е. образование континентальной коры в
результате отделения от мантии большого количества сиалического материала не
является результатом процессов, постулируемой тектоникой плит.
С. Гаи, анализируя связь направлений смещений звеньев СОХ с общим
направлением этих хребтов и трансформных разломов, приходит к выводу о
том, что наблюдающаяся закономерность не может быть объяснена с позиции
плитотектоники, т.е. развитием зубчатого разлома вдоль зоны спрединга. Основываясь на экспериментах, автор считает, что трансформные разломы возникают вдоль механически ослабленных плоскостей, параллельных течению магмы
в спрединговой зоне.
Палеогеография и проблема дрейфа континентов. Важным свидетельством против плитотектоники является доказательство стабильности положения материков в прошлом.
15
К. Тейхерт, основываясь на результатах изучения ископаемых фаун и
флор мелового и третисного перодов Арктики и Антарктиды, сделал вывод, что
палеонтологические данные противоречат палеомагнитным измерениям. Палеоклиматические условия, установленные по палеонтологическим данным,
могут быть объяснены только глобальными температурными изменениями. Об
этом, в частности, свидетельствует тот факт, что незадолго до плейстоценового
оледенения лесная растительность распространилась в пределах всей Арктики,
а в раннем мелу леса были на западе Антарктиды.
По данным Ч. Смайли распределение наземных растений в позднем палеозое и мезозое также не подтверждает дрейф континентов или смещение полюсов.
Анализ этих факторов показывает, что Новогвинейско-Австралийский
блок должен был всегда находиться на своем современном месте, вблизи ЮгоВосточной Азии, Индия – около Азии и Малайзии, а Северная Америка не изменила своего положения.
К. Сторитведт считает, что Индийский полуостров был тесно связан с
Азией, но в первоначальном положении его восточный край был ориентирован
вдоль современной Гималайской дуги. В раннем палеоцене после позднемеловой тектономагматической фазы полуостров испытал вращение на 135о, перестыковавшись с Азией и заняв нынешнее положение, т.е. Индия всегда имела
прямые связи с остальной Азией, а не располагалась вблизи южных материков
Гондваны, как это утверждается плитотектоникой.
1.2. Происхождение атмосферы
В результате извержения вулканов, сопровождавших образование земной
коры, из мантии дегазировались летучие элементы. Когда поверхностные температуры Земли стали достаточно низкими и гравитационные притяжения достаточно сильными, появились условия для удержания некоторых газов вблизи
Земли. Так образовалась атмосфера. Считают, что первоначально атмосфера
состояла из диоксида углерода (СО2), азота (N2) и небольшого количества водорода и паров воды. Эволюция в сторону современной кислородной атмосферы
не происходила до тех пор, пока не начала развиваться жизнь.
1.3. Происхождение гидросферы
Источник воды при образовании гидросферы до сих пор неясен. Имеется
предположение, что вода на нашей планете появилась в результате бомбардирования прото-Земли кометами, обогащенными водяными парами. Как бы это
ни происходило, но когда поверхность Земли остыла до 100 оС, водяные пары,
дегазирующиеся из мантии, могли сконденсироваться. По существованию погруженных в воду осадочных пород известно, что океаны образовались около 4
млрд лет назад.
Наблюдения показывают, что наибольшее количество водяных паров
проникает из атмосферы в космос. Это связано сих конденсацией при низких
16
температурах на высоте около 15 км. В то же время малое количество воды дегазируется из мантии. Из этих наблюдений можно предположить, что после основной фазы дегазации общий объем воды на земной поверхности мало изменился в течение геологического времени.
1.4. Происхождение биосферы
Наиболее вероятные предположения относительно происхождения жизни
на Земле ведут к тому, что жизнь началась в океанах около 4,2-3,8 млрд лет тому назад. Но в этой гипотезе отсутствуют данные об ископаемых. Древнейшие
из известных ископаемых - это бактерии из пород, возраст которых примерно
3,5 млрд лет. В породах этого возраста найдены свидетельства о протекающем
метаболизме с использованием солнечной энергии для синтеза органического
вещества. Самыми первыми при зарождении жизни реакциями были, вероятно,
реакции с участием серы (S), которая поступала из вулканических выходов:
СО2(г) + 2H2S(г) = СН2О(тв.) + 2S(тв.) + Н2О(ж).
Наконец были достигнуты условия для фотохимического разложения воды:
Н2О(ж) + СО2(г) = СН2О(тв.) + О2(г).
Образование кислорода в процессе фотосинтеза имело важные последствия. Вначале кислород интенсивно расходовался в процессе окисления минералов и восстановителей. Затем, когда скорость образования кислорода превысила его потребление, последний начал постепенно накапливаться в атмосфере.
Первичная биосфера была вынуждена приспосабливаться к отравляющему действию собственного побочного продукта. Это приспособление осуществлялось
через развитие новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни на современной Земле. Постепенно возникла атмосфера современного химического состава, которая тесно связана с возникновением и развитием жизни на Земле. По сути, современная атмосфера является
продуктом деятельности живых организмов.
А. И. Опариным (1924) и Дж. Холдейном (1929) была разработана гипотеза, которая легла в основу научных представлений о происхождении жизни.
Согласно этой гипотезе, возникновение жизни рассматривается как результат
деятельности эволюции углеродных соединений. В рамках этой эволюции различают четыре этапа, три из которых называются химической эволюцией.
На первом этапе химической эволюции из газов вторичной атмосферы
под воздействием потоков энергии (УФ-излучения, ионизирующего излучения
от Солнца, электрических разрядов) мог идти синтез таких веществ, как этилен
(С2Н4), этан (С2Н6), мочевина (NH2CONH2), формальдегид (СН2О), синильная
кислота (HCN). Простейшим первым веществом, которое появилось при формировании планет и звезд, был метан. Согласно гипотезе астрофизика Т. Гоул17
да, метан один из основных компонентов, участвовавших в образовании нашей
планеты. При воздействии жесткого излучения из метана образовался формальдегид:
hv
СН4(г) Æ СН2О(тв.)
Соединение метана с аммиаком атмосферы привело к образованию синильной
кислоты:
СН4(г) + NН3(г) Æ HCN(г)
Последующее превращение этих веществ привело к появлению на планете мономеров, а затем и простейших полимеров. Поскольку процессы окисления в атмосфере еще не происходили, воды древнего океана могли обогащаться
такими соединениями, как сахара, карбоновые и аминокислоты, пуриновые и
пиримидиновые основания, липиды, образуя так называемый «первичный
бульон».
Так, например, из формальдегида и синильной кислоты были синтезированы аминокислоты:
СН2О + HCN Æ H2N-CH2-COOH — глицин.
На втором этапе химической эволюции произошло образование биополимеров – первичных белков и нуклеиновых кислот, между которыми начались
процессы взаимодействия:
nH2N -СН2-СООН Æ -NH-(CH2-CO-NH )n – белок.
Первичный белок способствовал размножению молекул нуклеиновой кислоты, а нуклеиновая кислота начала кодировать подходящие для нее белки. На
этом этапе белки и нуклеиновые кислоты нужны были одновременно для поддержания и протекания каталитического циклического процесса, ответственного за создание строительных белков.
Третий этап химической эволюции характеризуется образованием фазовообособленных систем органических веществ, которые отделены от внешней
среды мембранами. Высокомолекулярные органические соединения способны
образовывать устойчивые коллоидные растворы, имеющие тенденцию давать
сгустки, подобные водным растворам желатина. Такие сгустки, называемые
коацерватами, обладают адсорбционной способностью к различным веществам.
В коацерваты могут осмотически поступать химические соединения из окружающей среды, в них может идти синтез новых соединений.
Считают, что такие обособленные системы молекул, способные взаимодействовать с внешней средой, явились предшественниками настоящих клеточных организмов. Вначале им не нужны были ферменты для построения органи18
ческих строительных блоков, поскольку последние они получали из «первичного бульона».
По мере того, как биологические процессы начали преобладать над химическими, «первичный бульон» обеднялся органическими веществами. В таких
условиях селективным преимуществом для зарождающихся организмов стало
обладание плазматической мембраной, через которую они осуществляли обмен
вещества с окружающей средой.
Биологическая эволюция завершилась появлением примитивных организмов, обладающих свойствами живого вещества. Этот период считается началом четвертого, завершающего этапа истории происхождения жизни на Земле. Обеднение «первичного бульона» способствовало созданию и развитию
ферментных систем, контролирующих самостоятельный синтез жизненно важных веществ, а также появлению генетического кода, который создал условия
воспроизводства себе подобных и наследования последующими поколениями
свойств предыдущих.
Первыми живыми были гетеротрофные организмы, которые использовали в качестве источника энергии готовые органические питательные вещества.
По мере уменьшения органического вещества в окружающей среде появились
организмы, способные синтезировать питательные вещества из минеральных
соединений. Такие организмы получили название автотрофные.
Предполагается, что первыми появились организмы хемотрофы, способные использовать энергию химических процессов, в том числе и окислительных. Окислительные процессы, протекающие за счет кислорода, вырабатываемого самими организмами, сопровождались выделением энергии, необходимой
организмам для существования.
Последующим и основным в настоящее время способом получения энергии стало использование солнечного света. Первым шагом на этом пути была,
по-видимому, простая фотохимическая реакция, которая в дальнейшем привела
к возникновению фотосинтеза – процесса, в котором используется световая
энергия для синтеза органических соединений из диоксида углерода и воды с
выделением кислорода. Фотосинтез, возникнув примерно 2,5 млрд лет назад,
привел к активному образованию органического вещества и свободного кислорода. Кислород со временем претерпел в стратосфере фотохимические реакции,
которые привели к образованию озона (ОЗ), защищающего живое вещество
Земли от жесткого ультрафиолетового излучения.
На основе синтеза органического вещества смог возникнуть круговорот
веществ между автотрофными и зависящими от них гетеротрофными организмами.
Уменьшение содержания одних элементов и увеличение концентрации
других, изменение состава поверхностных слоев Земли, изменение атмосферы
нашей планеты стали с тех пор процессом, который определялся развитием условий жизни, т.е. биогенным процессом.
19
В настоящее время жизнь, зародившаяся на Земле абиогенным путем,
продолжает воспроизводиться только биогенно, т.е. живое происходит только
от живого [55].
Сегодня установлено, что жизнь может существовать только в форме гигантской системы, которая называется биосферой (рис.1) Развитие живого вещества и биосферы связано между собой и подчиняется определенным законам.
Рис. 1. Строение биосферы: I – пределы жизни в биосфере; II – схематический разрез почвы:
А0 – лесная подстилка; А1 – гумусовый горизонт; А2 – горизонт вымывания (подзолистый);
В – горизонт вымывания (иллювиальный); С – подстилающая порода
20
2. ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА ЗЕМЛИ. МАГНИТОСФЕРА
2.1. Основы учения о географической оболочке
Все геосферы являются единым связанным комплексом, большая часть
которого расположена в пределах географической оболочки (ГО).
Начало формирования учения о географической оболочке Земли восходит
к XIX в. В 1875 г. знаменитый австрийский геолог Эдуард Зюсс в качестве оболочек Земли выделил литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу. Выделение геосфер – предпосылка для установления их взаимосвязей и формирования
учения о географической оболочке.
Представление о географической оболочке Земли было выдвинуто в
1910г. русским метеорологом П.И. Броуновым, определившим ее как «наружную оболочку Земли».
Однако основоположником учения о географической оболочке Земли по
праву считается академик Андрей Александрович Григорьев – географтеоретик, один из создателей Института географии академии наук. В 30-х гг. в
работе «Опыт аналитической характеристики состава и строения физикогеографической оболочки земного шара» он пришел к выводу о том, что земная
поверхность представляет качественно особую физико-географическую оболочку, характеризующуюся активным взаимодействием входящих в нее сфер,
возникновением и развитием именно в ней органической жизни, наличием в
ней сложного, но единого физико-географического процесса. А. А. Григорьев
показал, что в основе генетического разнообразия физико-географической оболочки лежат прежде всего различия в количестве тепла и влаги, получаемых
земной поверхностью. Он также выделил три основных исторических этапа
развития этой оболочки - неорганический, биосферный и антропосферный.
Идеи А. А. Григорьева не сразу встретили понимание и поддержку в ученом
мире. Примечательно, что они были признаны сначала представителями астрономии,
геохимии, геофизики, математики, а уже затем географами. Несмотря на это соратники и единомышленники А. А. Григорьева, среди которых можно назвать академиков М. И. Будыко, И. П. Герасимова, С. В. Калесника, В. М. Котлякова, а также Д. Л.
Арманда, И. М. Забелина, В. С. Преображенского и многих других видных физикогеографов, продолжали разработку этого учения. Так, С. В. Калесник предложил
именовать физико-географическую оболочку Григорьева просто географической
оболочкой, что важно прежде всего с позиций признания той роли, которую играет в
структуре природной оболочки Земли человек и его деятельность.
В результате современное представление о сущности географической
оболочки можно выразить следующим образом.
Географическая оболочка – комплексная приповерхностная оболочка
Земли, в пределах которой соприкасаются, взаимодействуют и отчасти проникают друг в друга ряд частных геосфер: литосфера, атмосфера, гидросфера,
сферы почвенного покрова (педосфера), растительности и животного мира.
21
Географическая оболочка – это сложная, целостная, упорядоченная иерархическая система, отличающаяся от других оболочек Земли рядом свойств [41].
1. Одновременное и устойчивое существование веществ в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.
2. В пределах географической оболочки происходит непрерывное сложное взаимодействие: обмен веществом и энергией.
3. Физико-географические процессы в этой оболочке протекают под воздействием как экзогенных космических факторов – солнечной лучистой энергии, так и внутренних источников энергии Земли.
4. Все виды энергии, поступая в географическую оболочку, претерпевают
трансформацию и частично консервируются.
5. Вещество и энергия в ее пределах сильно дифференцированы.
6. Географическая оболочка – сфера возникновения, развития и активной деятельности живых организмов, в том числе высшей формы организации человека.
В настоящее время понятие географической оболочки широко используется современными географами. Следует, однако, отметить, что термин «географическая оболочка» происходит от названия науки и не несет никакой содержательной нагрузки. Поэтому предлагались различные наименования этой
оболочки:
Так, А. Г. Исаченко использует в своих работах термин эпигеосфера, что
в буквальном переводе означает «наружная земная оболочка».
В качестве синонимов этого термина в географических работах иногда
используются
- ландшафтная оболочка (Калесник);
- ландшафтная сфера (Ефремов, Арманд);
- эпигинема (Аболин);
- биогеносфера (Забелин) и др.
Все эти термины близки по смыслу, однако поскольку термин «географическая оболочка» получил более широкое распространение, его мы и будем использовать, тем более что именно термин «географическая оболочка» вошел в
школьные учебники физической географии [11].
2.2. Понятие о геокомпонентах
Важнейшие различия частных геосфер по агрегатному и химическому
составу, а также по формам организации живого вещества, обусловливают деление географической оболочки на компоненты, называемые также геокомпонентами, или природными компонентами.
Природные компоненты (геокомпоненты) – основные составные части
географической оболочки, представленные фрагментами частных геосфер. К
геокомпонентам географической оболочки относятся:
1) горные породы (вещественный состав и условия залегания) = геологическое строение и рельеф;
22
2) воздух = климат. Поскольку и рельеф, и климат (внешние проявления) играют важную роль в формировании и функционировании природных комплексов,
то за ними сохраняются права самостоятельных географических компонентов.
3) воды;
4) растительность;
5) почвы;
6) животный мир.
Целостность географической оболочки определяется взаимообусловленностью ее компонентов, непрерывным вещественно-энергетическим обменом
между ними, который по своей интенсивности значительно превосходит обмен
мeждy географической оболочкой в целом, с одной стороны, и открытым космосом и глубинными толщами планеты – с другой.
Функционирование географической оболочки осуществляется за счет
трех источников энергии:
1) энергии, поступающей на земную поверхность солнечной радиации;
2) энергии внутренних сил Земли (преимущественно энергии радиоактивного распада вещества, которая является причиной тектонических процессов);
3) энергии гравитационной, обусловливающей возможность миграции
вещества.
Основной является экзогенная энергия – лучистая энергия Солнца. Тепловой поток из глубин Земли эквивалентен лишь 0,02-0,03 % потока солнечной
энергии. Поглощенная солнечная радиация расходуется главным образом на нагревание поверхности Земли и океанов и на испарение влаги с поверхности Мирового океана и материков. Эти энергетические взаимодействия стимулируют
интенсивный круговорот веществ, который проявляется в подвижных средах –
воздушной и водной, посредством циркуляции воздушных и водных масс [42].
2.3. Границы географической оболочки и её дифференциация
Географическая оболочка имеет вертикальные границы. Границы ее нерезкие, расплывчатые – она открыта воздействиям как из космоса, так и из глубинных толщ планеты, в которые постепенно и переходит.
Верхние пределы географической оболочки проводят по тропопаузе – пограничному слою между тропосферой и стратосферой, лежащему в среднем на
высоте 10-15 км над уровнем Мирового океана. Ниже этой границы свойства
воздушной оболочки в значительной мере определяются влиянием подстилающей поверхности суши и Мирового океана, откуда поступают тепло и влага, а
также твердые частицы и живое вещество (бактерии, споры и пыльца растений
и др.).
Более спорны нижние границы географической оболочки – во всяком
случае они лежат не глубже 3-5 км, куда еще проникают газы атмосферы, вода
в жидком состоянии (правда, в виде очень горячих и сильно минерализованных
растворов) и некоторые бактерии.
23
Границы географической оболочки разными географами проводятся поразному. Так, В. И. Прокаев проводит границы географической оболочки там,
где взаимодействие частных неорганических геосфер и взаимопроникновение
соответствующих компонентов ослаблены настолько, что теряют существенное
значение. При этом критерием существенности указанного взаимодействия и
взаимопроникновения служит проявление такой всеобщей планетарной закономерности географической оболочки, как ее зональность, которая должна
быть выражена по всей толще оболочки. Этому критерию соответствуют следующие ее границы: верхняя совпадает с верхней границей тропосферы – тропопаузой (10-15 км от земной поверхности), нижняя – с подошвой зоны гипергенеза (0,1-1 км). При определении границ оболочки учет взаимодействия только неорганических геосфер и геокомпонентов связан с тем, что организмы сосредоточены в основном у земной поверхности. За ее пределами их биомасса,
взаимодействие с другими геокомпонентами и участие в обмене веществом и
энергией резко уменьшаются и уже не имеют существенного значения. Мощность географической оболочки составляет от 10-15 км на суше до 20-25 км в
Мировом океане [43].
Как видно, в состав географической оболочки полностью не входит ни
одна из частных геосфер, в том числе и биогенные (бактерии и их споры иногда
встречаются выше тропопаузы, а в нефтеносных водах литосферы бактерии обнаружены на глубинах до нескольких км).
В этой связи существенно сопоставить понятия «географическая оболочка» и «биосфера». По В.И. Вернадскому, биосфера – это общепланетарная оболочка, та область Земли, где существует или существовала жизнь и которая
подверглась и подвергается ее воздействию. Биосфера охватывает населенную
организмами верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы. Биосфера пронизывает частные геосферы. При этом живое вещество
в основном сосредоточено в зонах непосредственного контакта неорганических
сфер, образуя, по выражению В. И. Вернадского, «пленки жизни». Таких пленок три: на стыках атмосферы – литосферы, атмосферы – гидросферы, гидросферы (океаносферы) – литосферы. Конкретные линейные размеры биосферы
разными учеными оцениваются неодинаково. Тем не менее однозначно границы биосферы несколько шире, нежели границы географической оболочки.
Вертикальная и горизонтальная дифференциация географической оболочки.
Единицы вертикальной дифференциации – ярусы: атмосферный, литосферный,
ландшафтный. Единицы горизонтальной дифференциации оболочки – частные
регионы (геоморфологические, климатические, гидрологические, почвенные, геоботанические, зоогеографические) и геокомплексы (несколько типов). Вертикальные размеры геокомплексов. Понятие о геокомплексе в средней школе.
Географическая оболочка характеризуется сложной пространственной
дифференциацией. Пространственная дифференциация географической оболочки имеет двоякий характер: ее следует рассматривать как в вертикальном,
так и в горизонтальном направлении.
24
По вертикали строение географической оболочки имеет ярусный характер и выражается в расположении основных частных геосфер в соответствии с
плотностью слагающего их вещества.
Единицы вертикальной дифференциации представлены ярусами [36].
1. Нижний, или литосферный ярус.
2. Средний, ландшафтный.
3. Верхний, атмосферный.
Литосферный и атмосферный ярусы отличаются преобладанием одного
компонента и состоят преимущественно из горных пород и воздуха соответственно при меньшем участии других компонентов.
Наибольшей сложностью отличается ландшафтный ярус, где:
1) нет преобладания какого-либо одного компонента;
2) наблюдается прямое соприкосновение и активное взаимодействие литосферы, гидросферы и атмосферы;
3) сосредоточены основные механизмы трансформации вещества и энергии Земли, это своего рода «кухня» географической оболочки, непрерывно поглощающая и преобразующая солнечную энергию;
4) здесь интенсивно протекают процессы влагообмена, миграции химических элементов, разрушения горных пород, переноса и аккумуляции рыхлых
наносов, биологического синтеза и разложения - представлены компоненты,
которые отсутствуют в других ярусах, а именно: почвы и рельеф;
5) сосредоточена подавляющая часть биомассы (не менее 99 % живого
вещества Земли), и соответственно, во много раз больше интенсивность обмена
веществом и энергией между геокомпонентами;
6) специфические особенности географической оболочки выражены наиболее четко.
В состав ландшафтного яруса входят следующие компоненты: подпочвы –
материнские горные породы, почти не затронутые процессами почвообразования, собственно почвы, растительность, приземный слой воздуха, а также животный мир, населяющий эти компоненты. Мощность ландшафтного яруса незначительна: от нескольких метров в арктическом и субарктическом поясах до
нескольких десятков метров в субэкваториальном и экваториальном. Важнейший из ярусов географической оболочки.
Зональность географической оболочки обусловлена неодинаковым количеством поступающего на разные широты тепла. Зональным закономерностям
подвержены многие компоненты природных комплексов: климат, воды суши и
океана, процессы выветривания, некоторые формы рельефа, растительность,
почвы, животный мир.
В самом общем случае географическую оболочку можно разделить по
этому признаку на географические пояса. Их выделяют по температурному режиму и особенностям циркуляции атмосферы, почвенно-растительному покрову и особенностям животного мира.
Выделяют экваториальный, субэкваториальные, тропические, субтропические, умеренные, субарктический, арктический, субантарктический и антарк25
тический пояса. Географические пояса протягиваются преимущественно в широтном направлении и практически совпадают с климатическими поясами.
По соотношению тепла и влаги внутри поясов выделяют природные зоны.
Называют их по преобладающему типу растительности (тундра, степь, лес и
т.д.). Зоны не всегда имеют широтное простирание. Связано это с неоднородностью земной поверхности, а следовательно, и увлажнения в различных частях
материков. При этом некоторые зоны более характерны для внутренних частей
материков, а другие — для океанической периферии. Зональность Мирового
океана выражается в изменении таких свойств поверхностных вод, как температура, соленость, плотность, прозрачность, интенсивность волнения, а также в
составе животного и растительного мира.
Помимо этих закономерностей в горах наблюдается высотная поясность –
закономерная смена природных компонентов и природных комплексов с подъемом в горы от их подножия до вершин. Обусловлена она закономерным понижением температуры с высотой (в среднем 0,6 °С на каждые 100 м), а также
увеличением осадков до определенной высоты (до 2-3 км). Эта поясность имеет
много общего с горизонтальной зональностью, однако не тождественна ей.
2.4. Магнитосфера и гравитационное поле Земли
Земля окружена полем магнитных силовых линий, значительно более
сильным, чем межпланетное магнитное поле. Пространство, в котором величина магнитного поля, создаваемого Землей, больше, чем в межпланетном пространстве, называется геомагнитным полем или магнитосферой Земли.
Геомагнитное поле наглядно проявляется в воздействии на стрелку компаса, всегда стремящуюся расположиться вдоль силовых линий. Стрелка компаса указывает не на географические, а на магнитные полюса Земли, поэтому
она образует угол с направлением географического меридиана. Угол между
стрелкой и истинным направлением на север (направлением меридиана) называется магнитным склонением.
Склонение считается положительным, если стрелка отклоняется к востоку от меридиана, и отрицательным, если она отклоняется к западу.
Линии одинакового склонения – изогоны. Нулевая изогона (агоническая
линия) разделяет области восточного и западного склонений. Стрелка компаса
на ней показывает на географические полюсы.
Свободно перемещающаяся стрелка отклоняется от горизонтальной плоскости, образуя угол, называемый магнитным наклонением. Северный конец
стрелки в Северном полушарии наклонен вниз (положительное наклонение), в
Южном – приподнят вверх (отрицательное наклонение). Точки, в которых наклонение равно 90°, – магнитные полюсы. Принято называть северным магнитный полюс Северного полушария, южным – Южного полушария. Магнитные
полюсы не совпадают с географическими и постоянно перемещаются. Координаты магнитного полюса Северного полушария: современные 75° с. ш., 101° з. д.,
по данным 1904 г.- 70,5° с. ш. и 197,5° з. д. Координаты магнитного полюса
26
Южного полушария: современные 70° ю. ш., 140° в. д., по данным 1912 г. –
72,2о ю. ш. и 105,7° в. д.
Линии, соединяющие точки с одинаковым наклонением, – изоклины. Линия, на которой магнитное наклонение равно 0, – магнитный экватор.
Склонение и наклонение характеризуют направление магнитных силовых
линий в любом пункте в данный момент. Сила магнитного поля характеризуется его напряженностью. За единицу напряженности принимают обычно эрстед
(э), т. е. напряженность такого магнитного поля, которое на единицу магнитной
массы действует с силой в одну дину (1 э = 100 000 гамм). Напряженность магнитного поля Земли невелика: на магнитном экваторе 0,25-0,35 э, на магнитном
полюсе - 0,6-0,7. Линии равного напряжения магнитного поля – изодинамы.
Различают постоянное (главное) и переменное магнитные поля Земли.
Деление это условно. Первое вызвано магнетизмом самой планеты, второе - результат воздействия Солнца на него. Представление о состоянии постоянного
магнитного поля Земли дают «магнитные» нарты. Но так как все элементы земного магнетизма (склонение, наклонение, напряженность) непрерывно, хотя
очень медленно, меняются, карты сохраняют необходимую точность лишь в течение нескольких лет. Обычно «магнитная» карта приурочивается к середине
года, оканчивающегося на 0 или на 5, например на 1 июля 1960, 1965, 1970 гг. и
т. д. Пятилетний период, для которого «магнитная» карта действительна, называется магнитной эпохой.
Существующее распределение элементов земного магнетизма позволяет
сделать вывод о сходстве постоянного магнитного поля Земли с магнитным полем однородно намагниченного шара. Магнитные полюсы такого шара называются геомагнитными полюсами. Их современные координаты 78,6о с. ш. и
69,5о з. д. и 78,6о ю. ш. и 110,5о в.д. Отклонения реального магнитного поля от
поля однородно намагниченного шара образуют аномалии. Происхождение
магнитных аномалий различно: самые крупные (десятки тысяч квадратных километров) вызваны процессами, создающими главное магнитное поле. Такие
аномалии называют мировыми. Примером может быть крупнейшая ВосточноСибирская аномалия. Менее крупные аномалии, быстрее «затухающие» с высотой, связаны с залеганием в земной коре намагниченных пород, например Курская магнитная аномалия. Их называют локальными и региональными. Анализ
таких аномалий используется при поисках месторождений железной руды.
Постоянное (главное) геомагнитное поле непрерывно изменяется, причем
изменения касаются всех его элементов. Изменения средних годовых значений
геомагнитного поля называют вековыми вариациями (вековым ходом). Вековой
ход имеет тенденцию к периодичности.
Археомагнитные и особенно палеомагнитные методы исследования дали
возможность «заглянуть» в далекое прошлое постоянного геомагнитного поля.
Оказалось, что вековые вариации – особенность магнитного поля 3емли. Археомагнитный метод позволил установить, что вековые вариации для каждого
элемента магнитного поля свои. Так, период колебаний склонения около 1000
лет, напряженности, вероятно, около 10 000 лет. Палеомагнитные исследования
27
привели к выводу о возможном перемещении магнитных полюсов, но траектории этого перемещения, полученные при изучении пород, взятых на разных материках, очень различны. Объяснить это легче всего было бы дрейфом материков, а не перемещением полюсов.
Северный и южный магнитный полюсы, очевидно, неоднократно менялись местами (менялась полярность геомагнитного поля). Продолжительность
периодов, в течение которых сохранялась одна полярность, за последние 10-20
млн лет составляла, как предполагают, около 0,7 млн лет, раньше (300-500 млн
лет назад) – 5-10 млн лет.
Кроме изменений магнитного поля, вызванных внутренними причинами,
есть изменения, связанные с деятельностью Солнца. Они как бы накладываются
на постоянное геомагнитное поле, образуя переменное магнитное поле. Быстрые вариации магнитного поля имеют периоды от долей секунды до нескольких дней. Они регистрируются самопишущими приборами. К периодическим
быстрым вариациям относятся солнечно-суточные (период – солнечные сутки)
и лунно-суточные (период – половина лунных суток). Величина обеих вариаций зависит от широты места и от сезона (зимой амплитуда их меньше, чем летом). Есть много типов микропульсаций – колебаний с периодом не более нескольких секунд.
Среди нерегулярных возмущений геомагнитного поля наиболее известны
и интересны магнитные бури. Магнитные бури начинаются на всей Земле и
длятся обычно несколько дней. Сильные магнитные бури бывают примерно раз
в год, менее сильные – несколько раз в месяц. Замечена тенденция к 27 - дневной повторяемости. Причина магнитных бурь – воздействие корпускулярного
излучения Солнца, особенно сильное во время солнечных вспышек, на магнитное поле Земли. Магнитные бури сопровождаются полярными сияниями,
ухудшением радиосвязи на коротких волнах и другими явлениями. Механизм
возникновения магнитных бурь пока неясен.
Исследования магнитного поля при помощи ракет и спутников доказали,
что с удалением от Земли его неоднородности постепенно сглаживаются и оно
медленно убывает. На дневной стороне граница геомагнитного поля с магнитным полем межпланетного пространства – граница магнитосферы – довольно
резкая. Магнитосфера несимметрична. Форма ее обусловлена воздействием
солнечного ветра, который, наталкиваясь на препятствие в виде магнитного поля Земли, обтекает его. Но при этом на расстоянии 2-4 R от границы магнитосферы возникает ударная волна. Солнечная плазма, проходя через нее, уплотняется, замедляет движение и нагревается (кинетическая энергия переходит в
тепловую). Пространство между ударной волной и границей магнитосферы заполнено этой плазмой. Под ее давлением геомагнитное поле сжимается до тех
пор, пока это давление не уравновесится давлением магнитного поля. Чем
сильнее солнечный ветер, тем больше сжимается магнитосфера, и наоборот.
Поэтому размеры магнитосферы резко изменяются. При скорости солнечного
ветра 500 км/с граница магнитосферы на дневной стороне – на расстоянии около 10 R от центра Земли. На ночной стороне под влиянием солнечного ветра
28
магнитные силовые линии, идущие от полюсов, вытягиваются почти параллельно друг другу, образуя хвост магнитосферы. Диаметр хвоста около 40 R,
длина неизвестна (возможно, около 900 R или 5,6 млн км) [44].
Солнечная плазма если и просачивается в магнитосферу, то в очень малом количестве. Однако в магнитосфере есть нейтральные области, разделяющие силовые линии в наружной части дневной стороны и в хвосте, и в эти области горячая плазма может прорываться.
В магнитосферу проникают космические лучи (электроны, протоны, ядра
тяжелых элементов). Для заряженных частиц магнитосфера оказывается ловушкой. Попав в нее, частицы начинают двигаться вдоль магнитных силовых
линий («накручиваясь» на них) из полушария в полушарие до так называемых
зеркальных (отражающих) точек, туда и обратно миллиарды и миллионы раз.
При этом электроны смещаются вдоль параллелей (дрейфуют) к востоку, протоны – к западу. На путь от зеркальной точки в одном полушарии до зеркальной точки в другом затрачивается 0,1-10 с; дрейф вокруг Земли занимает от нескольких минут до нескольких суток Частицы, прочно удерживаемые магнитосферой, называют захваченной радиацией. Захваченная радиация образует в
магнитосфере область, называемую радиационным поясом. На экваторе внутренняя (нижняя) граница этой области расположена на высоте 600-1000 км,
внешняя (верхняя) – на высоте 35 000-50 000 км, на широтах ±65о область заканчивается кольцом – зоной наибольшей повторяемости полярных сияний. Радиационный пояс делят на внешний и внутренний, хотя четкой границы между
ними нет. Дело в том, что в распределении электронов есть два устойчивых
максимума (электронные пояса), разделенных минимумами. Максимум протонов – один, на высоте 3500 км. Он образует протонный пояс, заметно влияющий на магнитное поле Земли.
В областях расположения зеркальных точек (области изменения движения частиц на обратное) наблюдается их опускание до 100 км и ниже. Заряженные частицы выбывают («высыпаются») из области захваченной радиации.
Энергия их тратится на ионизацию и нагревание воздуха. Когда таких частичек
много и их поток энергии увеличивается до 3 эрг/см2 с, возникают слабые полярные сияния, при энергии 10 эрг/см2 с – сияния сильные. Известно, что в основном полярные сияния вызываются электронами.
Магнетизм Земли может быть обусловлен либо намагниченностью земного вещества, либо системами электрических токов. Намагниченным быть земное вещество не может из-за высокой температуры. Намагниченность земной
коры может создавать только локальные и региональные аномалии. В настоящее время считают, что причина земного магнетизма – электрические токи в
ядре. Причины перемещения вещества в ядре, обусловливающие эти токи, также неясны. Но с ними связаны и вековые вариации. Электрические токи, существующие на границе магнитосферы, во внешней части радиационного пояса, в
ионосфере, вызываемые внешними по отношению к Земле причинами, создают
все быстрые вариации в геомагнитном поле. Между всеми этими токами существуют связи, осложняющие магнитное поле Земли.
29
Величина геомагнитного поля в сотни раз меньше величины магнитного
поля, возникающего, например, около обыкновенного подковообразного магнита. Но геомагнитное поле имеет огромный объем, энергия же поля пропорциональна объему. Значение геомагнитного поля прежде всего в том, что оно
предохраняет от космических излучений поверхность Земли и все живущее на
ней. Несомненно, оно воздействует на все земные процессы, но мера и механизм этого воздействия еще неясны.
Известно, например, что под влиянием магнитного поля изменяются
свойства воды: вязкость, электропроводность, поверхностное натяжение. Возможно, именно поэтому очень чувствительна к воздействию магнитных полей
кровь. Есть уже много наблюдений над влиянием магнетизма на организмы, но
общих выводов пока еще нет.
Гравитационное1 поле Земли – одно из наиболее заметных по своему
воздействию на человека и окружающую его среду. О происхождении силы тяжести на Земле всем известно. Эта сила действует повсеместно и направлена по
отвесу. Всякое изменение в распределении масс или скорости вращения Земли
отражается на силе тяжести. Единица измерения силы тяжести – гал – ускорение, развиваемое массой в 1 г под действием силы в 1 дину2. Полное ускорение
равно приблизительно 981 галу. От полюсов к экватору напряженность гравитационного поля довольно равномерно уменьшается на 5,5 гала, т. е. на 0,6%
от полной силы. При удалении вверх от земной поверхности притяжение убывает, на расстоянии 40 000 нм над экватором оно равно 0.
Гравитационное поле, которое могло быть у Земли, если бы она имела
форму эллипсоида вращения с равномерным распределением масс, называется
нормальным. Разность между напряженностью нормального (теоретического) и
реального гравитационных полей – аномалия силы тяжести. Величина аномалий колеблется в пределах нескольких сотых миллигалов (всего≈0,05% полной
силы поля).
Аномалии силы тяжести вызываются как видимыми (рельеф), так и внутренними неравномерностями в распределении земных масс (структура, петрографический состав). Они являются суммарным отражением ряда особенностей
строения земной коры, но в конкретном месте те или иные особенности могут
преобладать. Следует отметить, что гравитационные аномалии, вызываемые
рельефом, значительно меньше, чем можно предполагать. Казалось бы, над горами должны быть положительные аномалии, над впадинами океанов — отрицательные. В действительности над океанами аномалии незначительны. Над
горами они могут быть резко выражены только в областях молодой складчатости. Объясняется это тем, что земная кора стремится к равновесию: избыток
масс на поверхности компенсируется недостатком их внизу. Это состояние
земной коры называется изостазией. Равновесие масс в земной коре постоянно
1
Gravitas (лат.) – тяжелый.
Дина – 105 ньютонов. Ньютон (Н и N) – сила, сообщающая телу массой в 1 кг ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы.
2
30
нарушается, возникают изостатические ее движения – поднятия и опускания,
сопровождаемые перетеканием масс в астеносфере.
Реальное гравитационное поле изображается с помощью изаномал3 на
гравиметрических картах. Эти карты могут быть детальными и осредненными,
показывающими лишь крупные аномалии [40].
Собственное гравитационное поле Земли не изолировано от влияния накладывающихся на него гравитационных полей других космических тел (например приливы).
Сила тяжести создает форму Земли, вызывает движения земной коры, ей
подчиняется перемещение массы воды и воздуха. Ее влияниё следует учитывать
при рассмотрении всех процессов, совершающихся в географической оболочке.
3
Изаномалы – линии одинакового отклонения действительного значения силы тяжести от теоретического.
31
3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ
ОБОЛОЧКЕ
3.1. Круговороты вещества и энергии – основа целостности
географической оболочки
В структуре географической оболочки принято выделять фитосферу и
зоосферу – сферы распространения растений и животных соответственно. Растения, животные и микроорганизмы представлены практически во всех сферах
географической оболочки: гидросфере, литосфере, атмосфере и педосфере
(почвенном покрове). Сфера их распространения получила название биосферы.
Учение о биосфере создано гениальным русским ученым Владимиром
Ивановичем Вернадским (1863-1945). Главным в учении В. И. Вернадского является установление закономерностей взаимодействия живой материи с неживой. Эти взаимодействия охватывают все потоки вещества и энергии, все геохимические процессы на Земле. В биосфере во времени постоянно протекают
два взаимосвязанных процесса преобразования вещества в природе — геологический и биологический круговороты, производящие и поддерживающие все
химические вещества и поддерживающие тепловой и энергетический балансы
нашей планеты [8].
Круговорот веществ в биосфере. Несоответствие в биосфере между наличием и доступностью химических элементов для живых организмов привело к
дефициту некоторых элементов и ограничению количества живого вещества на
Земле. Следствием этого было многократное использование химических элементов по типу круговоротов.
Круговорот веществ и превращение энергии обеспечивают динамическое
равновесие и устойчивость биосферы в целом и отдельных ее частей. При этом
в общем едином круговороте выделяют круговорот твердого вещества и воды,
происходящий в результате действия абиотических факторов (большой геологический круговорот), а также малый биотический круговорот веществ в твердой, жидкой и газообразной фазах, происходящий при участии живых организмов.
Большой геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч
или миллионов лет. Он заключается в следующем: горные породы подвергаются разрушению, выветриванию и в конечном счете смываются потоками воды в
Мировой океан. Здесь они откладываются на дне, образуя осадочные породы, и
лишь частично возвращаются на сушу с организмами, извлеченными из воды
человеком или другими животными. Установлено, что в Мировой океан ежегодно выносится 12 км3 минерального вещества, в результате чего с поверхности континентов в среднем снимается слой толщиной около 0,08 мм. При таких
темпах разрушения все континенты были бы уничтожены за 10-11 млн лет. Однако этого не происходит, так как в противовес процессу разрушения материков действует процесс подъема вещества из глубин земной мантии. Крупные
медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и под32
нятия морского дна, перемещение морей и океанов приводят к тому, что морские отложения возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
Малый биотический круговорот является частью большого. Скорость
протекания процессов здесь значительно выше. В единый биотический круговорот вовлечены все виды живых организмов, населяющих планету. Если рассматривать этот круговорот как единую замкнутую цепь, то любые растения,
животные, микроорганизмы составляют отдельные звенья этой цепи. Связь отдельных звеньев выражается в том, что вещество и энергия, приобретенные каждым предшествующим звеном, далее потребляются и перерабатываются в последующем звене. Это происходит до тех пор, пока остатки вещества не возвращаются к исходному звену.
Растения могут рассматриваться как сложные органические машины,
осуществляющие фотосинтез (процесс образования органического вещества с
использованием таких обязательных исходных компонентов, как вода и углекислый газ, и с выделением кислорода).
Часть химической энергии, аккумулированной земными растениями, усваивается травоядными животными, а затем плотоядными, поедающими травоядных. Остатки мертвого органического вещества, образующегося после смерти живых организмов или в процессе их жизнедеятельности (например опавшие
ветки, листья и т.д.), разрушаются деструкторами (прежде всего микроорганизмами), с определенной скоростью поступают в почву, воду, воздух и вновь
включаются в биотический круговорот. При этом часть вещества исключается
из биотического круговорота и с помощью геохимических процессов закрепляется в осадочных отложениях или переносится в океан.
Существуют определенные колебания темпов круговорота в различных
географических зонах и природных комплексах. Они определяются интенсивностью потока солнечной радиации, химическим составом атмосферы, периодическими изменениями наклона земной оси по отношению к Солнцу и т.д. Это
приводит к дифференциации регионов биосферы. Она характеризуется максимальным количеством биомассы живого вещества в тропических, экваториальных областях, большим разнообразием числа растительных и животных видов.
В пустынях и полупустынях биомасса и разнообразие видов, лимитированные
климатическими условиями, резко сокращаются, вновь увеличиваясь в умеренных широтах и уменьшаясь в приполярных зонах [9].
Рассмотрим циклы наиболее значимых биогенных элементов.
Цикл углерода. Углерод является одним из наиболее важных биогенных
элементов, его часто называют «основой жизни» в биосфере за его способность
образовывать многочисленные пространственные связи с другими химическими элементами и тем самым обеспечивать огромное разнообразие органических
веществ (рис.2).
Углерод, содержащийся в атмосфере в виде диоксида углерода (23,5 · 1011 т),
служит сырьем для фотосинтеза растений. Затем углерод с органическим веществом поступает к другим живым организмам. При дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики в почве выделяется углекислый
33
газ, в форме которого углерод и возвращается в атмосферу. Весь углекислый
газ атмосферы оборачивается в процессе фотосинтеза за 300 лет.
Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна
океанов (1,3 · 1016 т), в кристаллических породах (1,0 · 1016 т), в угле и нефти
(3,4 · 1013 т). Этот углерод принимает участие в большом геологическом круговороте. Относительно небольшие количества углерода содержатся в растительных тканях(5 · 1011 т) и в тканях животных (5 · 109 т). Этот углерод в процессе
малого биотического круговорота поддерживает газовый баланс биосферы и
жизнь в целом.
Антропогенное воздействие на цикл углерода связано со сжиганием топлива, выращиванием сельскохозяйственных растений и разведением домашних
животных. Последние по своей биомассе существенно превышают биомассу
диких животных и растений, что значительно меняет баланс углекислого газа в
биосфере.
С середины XIX в. содержание СО2 увеличилось на 22 % и продолжает
расти в основном за счет увеличения сжигания ископаемого топлива. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере способствует развитию парникового эффекта, что может привести к глобальным изменениям климата. И хотя
часть диоксида углерода поглощается биотой, его накопление в атмосфере в
последние десятилетия намного превышает возможности живых организмов
регулировать этот процесс [38].
Цикл кислорода. Кислород имеет биогенное происхождение. Вся масса
свободного кислорода Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и Мирового океана. Кислород является побочным продуктом процесса фотосинтеза. Скорость оборота кислорода (через процесс фотосинтеза) составляет около 2000 лет.
В настоящее время в атмосфере содержится около 1,2 · 1015 т кислорода, в
результате фотосинтеза ежегодно образуется 2,5 · 1011 т. Почти все это количество используется в процессах дыхания гетеротрофных организмов. Скорость
потребления кислорода в этих процессах составляет примерно 2,16 · 1010 т/год.
Значительная часть кислорода, выработанного в процессе фотосинтеза, отложилась в земной коре в виде различных оксидов и других соединений.
Другой источник кислорода в атмосфере – процесс фотодиссоциации молекул воды – мало влияет на баланс этого газа, так как таким путем ежегодно
образуется примерно 2 · 106 т.
Интенсивное сжигание органического топлива приводит к вмешательству
человека в интенсивность процесса круговорота кислорода. Ежегодное потребление кислорода на сжигание топлива в мире оценивается в 9 · 109 т, причем во
многих странах расходуется кислорода больше, чем выделяется растениями при
фотосинтезе. Это свидетельствует о нарушении баланса кислорода в атмосфере,
что может иметь серьезные экологические последствия.
34
Свет
Вулканическая деятельность
Фотосинтез, органическое
вещество растений
СО2
Органическое
вещество
животных
Высвобождение СО2 человеком
Океан
Н2СО3
Органическое
вещество почв
Рис. 4 коИзвестняки,
ралловые рифы
и др.
Захоронение («уход в геологию»)
Рис. 2. Схема кругооборота углерода
Цикл фосфора (рис.3). Фосфор – один из наиболее важных биогенных
элементов, он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем
переноса энергии в клетках аденозиндифосфорной (АДФ) и аденозинтрифосфорной (АТФ) кислот. Содержание фосфора в биомассе и земной коре 0,1 %.
Фосфор усваивается растениями из почвы в виде растворов, переходит далее по
пищевым цепям к животным и возвращается в почву в виде фосфатов.
Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные или осадочные породы. Содержащийся в них фосфор выщелачивается, растворяется в воде и выносится в Мировой океан, где отлагается в мелководных и
глубоководных осадках. Этот поток составляет примерно 1,4 · 107 т/год.
В пищевых цепях водных экосистем фосфор переходит от фитопланктона
к рыбам, а затем к морским птицам. Обратный вынос фосфора с продуктами
рыбного лова и жизнедеятельности птиц составляет значительно меньшую величину – примерно 1 · 105 т/год.
Цикл далеко не идеален и составляет слабое место в биосфере. Любое
воздействие на биогеохимический круговорот фосфора может привести к серьезным локальным последствиям.
Важнейшей формой влияния человека на круговорот фосфора является
производство и использование фосфорных удобрений и детергентов (синтети35
ческих моющих средств). Искусственное внесение фосфатных удобрений для
обеспечения роста растений составляет около 7 · 107 т/год, что сопоставимо с
естественным его вымыванием в Мировой океан. Избыток фосфорных удобрений вымывается в водоемы и исключается из круговорота. Правда, значительная часть фосфора возвращается на сушу в результате вылова рыбы, часть которого идет на удобрения, и с экскрементами птиц (гуано). Но оставшейся части фосфора вполне достаточно для нарушения естественного баланса веществ в
водоеме. Избыток фосфора в водоемах приводит к сильному росту синезеленых водорослей, вырабатывающих большое количество токсинов. Как
следствие этого, уменьшается количество растворенного в воде кислорода, нарушается нормальная жизнедеятельность водоема, происходит его заболачивание, гибнут птицы и животные, живущие в нем рыбы.
Фосфат – ионы
(РО2)
Ассимиляция
Фосфор в организмах
Минерализация органических веществ
Фосфатредуцирующие
бактерии
Фосфаты
Водные экосистемы
Высвобождение
человеком (удобрения), вынос животными
Тела
организмов
Осадки («уход в
геологию»)
Рис. 3. Схема круговорота фосфора
Цикл азота (рис.4). Круговорот азота в целом следует за углеродом, вместе с которым азот участвует в образовании белковых структур. Большая часть
биосферного азота содержится в атмосфере (3,3 · 1015 т). Это главный источник
азота для органических соединений. Переход его в доступные живым организмам формы может осуществляться разными способами. Например, электрические разряды при грозах способствуют синтезу оксидов азота, которые затем с
дождевыми водами попадают в почву в виде селитры или азотной кислоты и
усваиваются растениями.
Усваивать непосредственно атмосферный азот способны только некоторые виды организмов: сине-зеленые водоросли, бактерии. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализуется. Таким об36
разом, ежегодно в почву поступает до 25 кг азота на 1 га почвы (для сравнения:
путем фиксации азота разрядами молний – до 4-10 кг/га). Наиболее эффективная фиксация осуществляется бактериями, формирующими симбиоз с бобовыми растениями. Они способны фиксировать атмосферный азот и делать его доступным корням растений. Таким образом, в почве может накапливаться азота
до 150-400 кг/га. Общая фиксация азота всеми этими организмами составляет
109 т/год. Вынос азота в Мировой океан после разложения микроорганизмами
составляет около 109 т/год. Круговорот азота в биосфере – процесс медленный,
скорость его по некоторым оценкам составляет 108 лет.
Воздействие человека на цикл азота, во-первых, связано с производством
азотных удобрений. Искусственное внесение в почву азотсодержащих удобрений достигает 30 млн т/год. Воздействие их на экосистемы аналогично воздействию фосфора: большое количество азота в водоемах способствует усиленному росту сине-зеленых водорослей и последующему заболачиванию водоема.
Во-вторых, сжигание органического топлива на теплоэлектростанциях и
транспорте, в промышленных и бытовых печах приводит к выбросам большого
количества оксидов азота, которые способствуют образованию кислотных дождей, смога, а также, являясь сильными токсикантами, воздействуют на органы
дыхания через соответствующие кислоты, образующиеся на слизистых оболочках дыхательных путей [58].
Органический азот растений и животных (NH2)
Аммонификация
Мочевина
СО(NH2)2
Ион аммония
(NH4)
Аммиак (NH3)
Нитрификация
Продукция
растений и животных
Окись азота (N2О)
Нитриты (NО2)
Свободный азот
Нитрификация
Денитрификация
Нитраты (NО3)
Азотофиксирующие
организмы
Рис. 4. Схема круговорота азота
Цикл серы (рис.5). Содержание серы в живых организмах незначительно,
но она входит в состав белка и тем самым играет существенную роль в протекании биохимических процессов.
Основная часть серы зафиксирована в литосфере в виде различных соединений. Источником серы в геологическом прошлом служили продукты из37
вержения вулканов, содержащие SО2 и H2S. Растения усваивают раствор сульфатов в воде и включают ее в состав белков. Животные получают серу, входящую в состав готовых органических соединений, с пищей.
Круговорот серы также находится под влиянием антропогенной деятельности. В органическом топливе всегда, хотя и в малых количествах, содержится
сера, при сжигании которого она переходит в диоксид серы – токсичное для
живых организмов вещество. Диоксид серы может подавлять процесс фотосинтеза, а при взаимодействии с водой атмосферы образовывать сернистую кислоту, увеличивая кислотность осадков. Антропогенный источник серы в атмосфере составляет до 12,5 % ее общего содержания.
Рис.5. Схема круговорота серы
Круговорот воды в природе (рис.6). Вода – необходимое вещество в составе всех живых организмов. Как и биогенные элементы, вода в биосфере находится в процессе постоянной циркуляции. Круговорот воды происходит по
следующей схеме. Вода испаряется в атмосферу с водных поверхностей, из
почвы, путем транспирации (испарения с поверхности листьев растений). Поднимаясь в атмосферу и охлаждаясь, водяной пар конденсируется, образуя атмосферную влагу, которая переносится воздушными массами и выпадает вновь на
Землю в виде дождя, града или снега. Таким образом, в процессе круговорота
вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое [59].
Биосфера по В. И. Вернадскому – это наружная оболочка Земли, область
распространения жизни, включающая все живые организмы, а также всю неживую среду их обитания. После опубликованных работ В.И. Вернадского понятие о биосфере стало входить в науку как понятие о земной Природе, в котором
38
совокупность живых организмов есть лишь отражение более сложного целого.
Этим целым и является биосфера. В современном понимании она представляет
ВЛАГА С ОКЕАНА
АС
ОВ
ИМ
ОМ
ИО
Ограниченная территория
ОКЕАН
Рис.6. Схема круговорота воды:
ИО – испарение с океана; ИМ – испарение на материке;
ОВ – осадки внешние; ОМ – осадки материковые;
АС – атмосферный сток
собой глобальную открытую динамическую систему со свойством саморегуляции (гомеостаза). Гомеостаз – это способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамически относительное постоянство состава и свойств. Это явление наблюдается на всех уровнях биологической организации. Гомеостаз включает понятие саморегуляции, способности биологических систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном,
относительно постоянном уровне те или иные биологические показатели (физико-химические, физиологические, генетические и т. д.). Поэтому биосферу
рассматривают как кибернетическую централизованную систему, в которой
живое вещество играет роль ведущего центра в функционировании системы в
целом.
Согласно учению В. И. Вернадского о биосфере, ее пределы определены
прежде всего полем существования жизни, в котором условия позволяют организму давать потомство и увеличивать живую массу, в отличие от поля устойчивости жизни, в условиях которого организм имеет возможность только выжить [9].
Биосфера не обладает строгими границами. Сейчас допускается, что на континентах нижний предел биосферы достигает 2-3 км, а под океаном – 0,5-1,0 км от
их дна. Естественной верхней границей биосферы, по В. И. Вернадскому, служит
озоновый слой на высоте 23-25 км.
Биосфера как открытая система имеет свой «вход» и «выход». На ее входе — потоки солнечной энергии и вещества из земных глубин и космоса, на
выходе — вещество и энергия, поступающие обратно в космос и земные глубины. Главные потоки вещества связывают биосферу с литосферой. За счет движения земной коры поднимаются горы, образуются прогибы, действуют вулка39
ны. Благодаря этому в биосферу кроме вещества горных пород поступают газы
и жидкости. Поступившее вещество вовлекается в глобальный круговорот, который, согласно учению В. И. Вернадского, происходит по схеме.
Продолжительность пребывания вещества в биосфере зависит от многих
причин. Крупные обломки горных пород имеют наименее длительный срок
пребывания. Наиболее длительно удерживаются в активном круговороте биогенные элементы Н, N, С, О, Р [18].
Главными элементами биосферы являются живое вещество, почвы, гидросфера и тропосфера. Рассмотрим их краткую характеристику.
Живое вещество, по определению В. И. Вернадского, есть совокупность
всех организмов, населяющих Землю. Оно играет огромную роль в истории поведения атомов химических элементов. Живое вещество биосферы в основном
состоит из легких химических элементов: Si, С, Са, Mg, Cl, S, Ре, К, Na, О [20].
Живое вещество – мощная геологическая сила, приводящая атомы химических элементов в движение, включающая их в разнообразные биогеохимические круговороты и распространяющая их между различными природными
объектами. Ведущая роль живого вещества в геохимических процессах сформулирована в законе Вернадского: «Миграция химических элементов на земной
поверхности и в биосфере осуществляется ими при непосредственном участии
живого вещества (биогенная миграция) или она протекает в среде, геохимические особенности которой (кислород, диоксид углерода, сероводород и т. д.)
преимущественно обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет данную природную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение геологической истории» [8].
Живое вещество переводит солнечную энергию в химическую, способную
совершать огромную геохимическую работу. Биогенная миграция атомов химических элементов неразрывно связывает живые организмы с окружающей средой, а через трофические цепи и комплекс природных условий – друг с другом.
По современным оценкам сухая масса живого вещества составляет всего
лишь 2-3 трлн т, это в тысячу раз меньше массы тропосферы (4 · 1015 т), в 10
млн раз – земной коры (47 · 1019т) и в миллиард раз – массы Земли (5,98 · 1021 т).
Биосфера существует более 3,8 млрд лет. Обновление всего живого вещества Земли осуществляется в среднем за 8 лет. В Мировом океане вся его масса
обновляется за 33 дня, а фитомасса – каждый день. На суше этот процесс происходит примерно за 14 лет [24]. Если учесть обмен веществ организмов с окружающей средой, то можно прийти к выводу, что все химические элементы
земной коры были многократно использованы жизнью, а вся вода гидросферы
сотни тысяч раз входила в состав живого вещества.
Живое вещество довольно неравномерно распределено в биосфере. В
вертикальном срезе его основная масса образует три пленки жизни, которые
располагаются у границ разделов твердой, жидкой и газообразной фаз. Это
верхние (до 200 м) слои воды морей и океанов, их дно и поверхность суши.
Живое вещество создает отдельные сгущения жизни, распределение которых на
континенте подчиняется климатической зональности, а в морях и океанах – ха40
рактеру материковых окраин, течению и местоположению устьев рек, несущих
питательные вещества. В морских и океанских акваториях выделяют различные
сгущения жизни: прибрежные, саргассовые, рифтовые, апвеллинговые.
Самые удивительные сгущения жизни - рифтовые. Рифтовые зоны океанов представляют собой глубокие ущелья, располагающиеся вдоль осей срединно-океанических хребтов, которые характеризуются наличием горячих источников. Повышенный тепловой поток в рифтовых зонах связан с многочисленными, неглубоко залегающими магматическими очагами, из которых и происходит излияние базальтовой магмы, наращивающей океаническое дно.
Рифтовые сгущения жизни были открыты в конце 70-х г. ХХ в. на глубине 2500-2650 м. На пустынном дне Тихого океана были обнаружены белые и
черные конусы высотой до 50-70 м и диаметром 20-30 м. На вершине конуса
находится сооружение, напоминающее каменную трубу, из которой вырывается черная взвесь, похожая на клубы густого дыма. Такие образования назвали
«черными курильщиками» [29].
У действующих «курильщиков» температура взвеси, выходящей из отверстий труб, достигает 320 оС. Вблизи таких «курильщиков» обнаружена
обильная жизнь: бактериальные маты, представляющие собой скопления бактерий, прикрепленных к субстрату, и весьма необычные организмы в форме
крупных и длинных (1,5-2 м) трубок, получивших название вестиментиферы,
колышущиеся при движении воды, как щупальца животных. Эти организмы
являются большими трубчатыми червями (Riftia pachyptila). Вокруг конусовидных построек часто и в изобилии распространены очень крупные (до 25 см в
длину) матово-белые раковины двухстворчатых моллюсков-колиптоген
(Calyptogena magnifica), а также кольчатые черви (Alvinella pompejana), названные помпейскими, поскольку они непрерывно посыпаются, как пеплом, частицами серы из взвеси дымов «черных курильщиков» [29].
Таким образом, гидротермальные постройки на дне океанских рифов обрастают неповторимым сообществом организмов, приспособившихся к жизни в
экстремальных условиях высоких температур и большой концентрации густой
взвеси, поступающей из труб на вершинах построек. Открытие «черных курильщиков» было настоящей сенсацией не только для геологов, которые смогли наблюдать процессы образования месторождений сульфидов железа, свинца,
цинка и меди, считавшихся ранее эндогенными, связанными с магматизмом, но
и для микробиологов. На материках известны береговые, пойменные, озерные,
тропические и субтропические лесные сгущения жизни.
Живое вещество существует в виде огромного множества организмов
разнообразных форм и размеров, объединенных в системы различного уровня.
Традиционно выделяют следующие уровни организации жизни: особь (организм) — популяция — биоценоз (экосистема ) — биосфера.
Каждый отдельный организм является самостоятельной биологической
системой, взаимодействующей с внешними условиями (окружающей средой) и
с более крупными биологическими системами. Эволюционной единицей в системе живых организмов является вид. Он представляет собой совокупность
41
особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих
потомство, приспособленное к определенным условиям жизни. В настоящее
время на Земле существует более 2 млн видов организмов, из них на долю растений приходится около 500 тыс. видов, а на долю животных – более 1,5 млн.
Особи одного вида, заселяющие общие места обитания, связанные общностью генофонда, способные к саморегулированию и поддержанию определенной численности, образуют популяции. Популяции обладают всеми качествами самостоятельных биологических систем.
Система более высокого уровня в общей картине организации живого
вещества называется биоценозом. Это сообщество разных видов растений, животных и микроорганизмов, населяющих участок с более или менее однородными условиями. Растения, животные и микроорганизмы, входящие в биоценоз, связаны между собой теснее, чем даже особи одного вида. Биоценоз является продуктом естественного отбора, его существование возможно лишь при
наличии лучистой энергии Солнца и постоянного круговорота веществ.
Биогеоценоз — это макросистема еще более высокого ранга. Биогеоценоз
есть природная система, включающая популяции растений, животных и микроорганизмов, а также окружающую среду их обитания. На уровне биогеоценоза
происходят все процессы трансформации энергии и вещества в биосфере. [53]
Сообщества живых организмов и среды их обитания, объединенные в
единое функциональное целое, иначе называют экосистемой. Основные свойства экосистемы: наличие круговорота веществ, противостояние внешним воздействиям, производство биологической продукции. Глобальной экосистемой,
включающей в себя живое вещество планеты и среду его обитания, является
биосфера.
В. И. Вернадский назвал биосферой оболочку Земли, в пределах которой
сосредоточено все живое вещество планеты. В этом плане он различал газовую
(атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного
шара как составляющие биосферы, области распространения жизни. Состав,
структура и энергетика современной биосферы обусловлены не только настоящей, но и прошлой деятельностью живых организмов.
Живые организмы играли ведущую роль в развитии земной коры. Живое
вещество служит передаточным звеном между космосом и Землей, оно аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую), непрерывно обменивается веществом с косной (неживой) материей, обеспечивая образование нового
живого вещества и определяя тем самым эволюцию биосферы.
Наиболее химически и геологически активным в биосфере является живое вещество. При его участии образуются биогенные и биокосные вещества.
Живое вещество контролирует все основные химические превращения в биосфере. Вернадский писал: «Живое вещество охватывает всю биосферу, ее создает и изменяет, но по весу и объему оно составляет небольшую его часть... Но
42
геологически оно является самой большой силой в биосфере и определяет все
идущие в ней процессы и развивает огромную свободную энергию...» [9].
Суммарная биомасса живого вещества Земли всего лишь 2,4 · 1012 т сухого вещества, что составляет 10-ю часть массы Земли. Ежегодное воспроизводство биомассы составляет около 170 млрд т сухого вещества. Полная биомасса
растительных организмов в 2500 раз больше, чем у животных, но видовое разнообразие зоосферы в 6 раз богаче, чем фитосферы [24].
Все географические районы биосферы резко различаются по условиям,
определяющим распределение живых организмов. Основные среды жизни –
суша и океан – также существенно различаются по объему и составу обитающих в них организмов. На континентах преобладают растения, а в океане – животные, причем биомасса организмов океана ничтожно мала по сравнению с
биомассой наземных животных и растений.
Несмотря на малые размеры биоты, именно она определяет локальные
условия на поверхности земной коры: появление в атмосфере свободного кислорода, формирование почв и круговорот химических элементов в природе.
3.2. Общие представления о почве и почвенном покрове.
Экологические функции педосферы
Почвы, по определению В. В. Докучаева, – это наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и
различного рода организмов, живых и мертвых. Жизнь концентрируется в основном в поверхностном слое земной коры – в почве. Почвы представляют собой сложное образование, сформировавшееся в результате взаимодействия пород с органическим веществом, а именно: с растениями, остатками животных и
растительных организмов, разнообразными микроорганизмами – при определенных климатических условиях [22].
Таким образом, основными факторами почвообразования являются состав материнских горных пород, рельеф, климат, воды, живые организмы. В зависимости от сочетания этих факторов формируются разные почвы.
Гумус – органическое вещество почвы, в котором содержатся важнейшие
элементы питания растений. Благодаря деятельности микроорганизмов они перерабатываются в растворимые минеральные вещества и становятся доступными для растений. Плодородие в значительной степени зависит от процентного
содержания в почве гумуса.
Для каждого типа почв характерен свой почвенный профиль – набор однородных по цвету, составу и свойствам почвенных горизонтов. Самый верхний почвенный горизонт (А1) – горизонт накопления органического вещества,
образования гумуса, его называют гумусовым. В зависимости от количества
гумуса в горизонте цвет его меняется от светло-серого до черного.
В лесах, в условиях промывного режима, когда излишки почвенной влаги
свободно просачиваются в почву и вымывают из нее все, что может растворить
вода, ниже гумусового горизонта образуется горизонт вымывания (А2). Для не43
го характерен светлый белесый цвет, похожий на цвет золы, поэтому горизонт
называют подзолистым. Он беден минеральными и органическими веществами.
Ниже подзолистого горизонта расположен горизонт вмывания В. В нем
накапливается все, что вымывается из верхних горизонтов. Из-за обилия солей
железа и алюминия цвет его бурый или с красноватым оттенком.
Все вышеперечисленные горизонты залегают на горизонте С - материнской породе, слабо затронутой процессами почвообразования.
Великий русский ученый В.В. Докучаев в 1898 г. сформулировал закон
географической зональности, согласно которому природные компоненты и
природные комплексы закономерно изменяются по направлению от экватора к
полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством тепла поступающего на разные широты Земли, расстоянием между Солнцем и Землей,
формой и размером Земли; определенное значение имеет также и наклон земной оси к плоскости эклиптики. На Земле зональны климат, воды, рельеф, почвы, растительность и животный мир.
От экватора к полюсам последовательно сменяют друг друга следующие
типы почв: красно-желтые ферраллитные, красно-бурые, серо-бурые, красновато-бурые пустынные почвы, сероземы, черноземы, подзолистые почвы, дерново-подзолистые, тундрово-глеевые, арктических пустынь. В долинах рек образуются аллювиальные почвы. На закономерное распределение почв оказывают
влияние азональные факторы, поэтому почвенная карта Земли представляет
сложную мозаичную картину.
Почвы являются наиболее сложным биокосным телом биосферы, поскольку они располагаются на границе раздела трех сред: твердой, жидкой и газообразной. Они насыщены разнообразными живыми организмами, масса которых достигает 10 т/га. Соотношение трех фаз в почве - твердых минеральных
веществ, растворенных газов и воды – определяет основные физические свойства почвы как среды обитания живых организмов. Химические свойства, кроме того, сильно зависят от наличия органических веществ.
Органические вещества, содержащиеся в почве, включают в себя элементы образующиеся при разложении жиров, белков, углеводов, содержат: смолы,
клетчатку, эфирные масла. В процессах разложения органических веществ принимают участие микроорганизмы - деструкторы (бактерии; простейшие). Эти
организмы встречаются во всей толще почвы, которая может достигать нескольких метров [27].
В почве есть все необходимое для жизни, но нет света. Поэтому величайшим достижением эволюции живого вещества планеты стало появление
высших растений, использующих одновременно энергию почвы и солнечного
света.
Важнейшей функцией почв в биосфере является процесс ускорения биогеохимического круговорота веществ. Ежегодно образующаяся масса отмерших растений и животных полностью минерализуется за 200-500 лет. Солнечная энергия, аккумулированная в этой массе, активно участвует в разрушении
горных пород. На разрушенных горных породах развиваются почвы, которые
44
вовлекают в биогенный круговорот Р, Са, Si, S, Fe, К, Mg и другие химические
элементы.
Почвы участвуют в постоянном обмене веществом и энергией с атмосферой, гидросферой, живым веществом и литосферой. При этом они реагируют на
все изменения, происходящие в названных геосферах, и сами претерпевают изменения структуры и состава. Отсюда наблюдается процесс перехода одних типов почв в другие во времени. Почвы живут и дышат кислородом, выделяя СО2,
NНЗ, СН4, водяные пары и другие газы.
Почвы играют большую роль в изменении геохимической подвижности
атомов химических элементов. Чем больше биогенные значения минеральных
веществ и чем в большей степени они захватываются живущими организмами,
тем лучше они защищены от прямого выноса из почвы грунтовыми и поверхностными водами. Поэтому элементы высокой степени биогенности (Р, Са, К,
С, S, N) обладают относительно меньшей миграционной способностью, чем
элементы, не играющие существенной роли в химическом составе организмов
(Cl, Na, Mg) [31].
Многократные периодические процессы горообразования и глобальные
изменения климата планеты, происходившие в геологической истории, приводили к преобразованиям почвенного покрова континентов и общему изменению подвижности химических элементов.
Почвенный покров планеты Земля благодаря своим физико-химическим
свойствам выполняет ряд экологически значимых функций: аккумулятивную,
защитную, выделительную, регуляторную, средообразующую и др. В настоящее время функции педосферы рассматривают как геомембранную и геодермную, т.е. почвы – это «кожа» и защитная оболочка на планете Земля.
45
4. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ГИДРОСФЕРЫ И АТМОСФЕРЫ
4.1. Общая характеристика гидросферы и ее функций
Гидросфера — это водная оболочка Земли, объединяющая все воды нашей планеты: океанов, морей, озер, рек, ледников, подземных источников. Вода
находится на нашей планете в твердом, жидком и rазообразном состояниях.
Общая масса воды на Земле составляет 1,46 млрд км3. Сосредоточена она главным образом в океанах и морях. Объем вод Мирового океана составляет около
1,34 млрд км3, или примерно 95 % от общей массы воды. Доля пресных вод составляет 2,5 %, или 35 млн км3. Почти 70 % пресных вод заключено в покровных ледниках (Арктики, Антарктиды, Гренландии) и малодоступна для использования человеком. Общий объем льда на Земле — 27 млн км3. Подземные воды составляют 1,7 % от общих запасов воды, или 23,4 млн км3. На пресные поверхностные воды суши (озера, водохранилища, реки, болота, почвенные воды)
приходится 0,4 %, а на атмосферные – 0,01 % [33].
Благодаря непрерывному круговороту воды в природе постоянно происходит перенос влаги с океанов в атмосферу и обратно, а также на континенты и
сток речных вод. По расчетам М. И. Львовича, воды океанов возобновляются
благодаря круговороту воды каждые 2600 лет.
Океан, покрывая около 71 % поверхности Земли, имеет среднюю глубину
3,88 км. В водах Мирового океана растворено 5 · 1016 т солей, что определяет их
высокую соленость. Средняя соленость вод океанов составляет 35 г/л. В основном это соли хлоридов (88,64 %), сульфатов (10,80 %) и карбонатов (0,34 %).
В водах Мирового океана растворено значительное количество газов. Газовый состав верхнего слоя вод находится в динамическом равновесии с атмосферой. В Мировом океане равновесное количество растворенного СО2 составляет 140 · 1012 т, что в 60 раз превышает его содержание в атмосфере (2,6 · 1012
т), а О2 - всего 8 · 1012 т, что в130 раз меньше, чем в атмосфере. В одном литре
воды океана содержится, мл: N2 - 13; СО2 - 50; О2 - 8; Ar - 0,32.
Морская вода имеет слабощелочную реакцию и характеризуется практически постоянной величиной рН, равной 7,5-8,5. Ведущая роль в поддержании
постоянства щелочного характера морских вод принадлежит карбонатной системе Мирового океана.
Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные
воды), атмосферой (атмосферная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в виде биологической воды. Распределение водных масс в гидросфере Земли представлено в табл. 2 [35].
46
Таблица 2
Распределение водных масс в гидросфере Земли (по М.И. Львовичу, 1986)
Части гидросферы
Мировой океан
Подземные воды, всего
в том числе зоны актив ного водообмена
Ледники
Озера
Почвенная влага
Пары атмосферы
Речные воды
Вся гидросфера
Объем, тыс. км3
1 370 323
60 000
4 000
24 000
230
75
14
1,2
1454643,2
% от общего объема
94,2
4,12
0,27
1,65
0,016
0,005
0,001
0,0001
100,0
Природные воды находятся в сложных обратимых взаимоотношениях с
организмами, горными породами и атмосферой. Происходящий в природе круговорот воды обеспечивает жизнь на Земле. Континентальная ветвь круговорота воды состоит из многих местных круговоротов: вода, выпавшая на поверхность суши, многократно испаряется с ее поверхности, как и с поверхности рек,
озер, просачивается в почву, чтобы вновь испариться или попасть в реки и озера.
В водообмене на суше существенную роль играют растения, потребляющие воду из почв и испаряющие ее в атмосферу. Большая часть воды, попадающей в реки, возвращается в океан (44 тыс. км3 в год), и лишь 2 % речного
стока поступает в бессточные области, откуда вода может «эмигрировать»
лишь путем испарения и переноса воздушными потоками.
Значительны также подземный сток в Мировой океан и поступление в него воды при таянии ледников Арктики, Антарктиды и Гренландии. В среднем
за один год в океан поступает с суши столько воды, сколько выносится из океана на сушу воздушными потоками.
Вода играет исключительную роль на нашей планете. Огромно значение
воды для таких важных планетарных процессов, как возникновение и поддержание жизни на Земле, образование и регулирование климата, формирование
почвенного покрова и растительности.
Вода способна растворять в себе многие вещества. Под воздействием воды, воздуха и температур происходит разрушение горных пород. Вода извлекает из них растворимые составные части и вместе с взвешенными частицами переносит в реки, вдоль русла которых в течение веков образуются мощные залежи песка и глины. Меняя со временем свое русло, река обнажает эти залежи и
на них начинается образование почвы и развитие наземной растительности.
Другие составляющие горных пород вода выщелачивает и сортирует по
удельному весу. Таким образом, возникают залежи некоторых полезных ископаемых, например золота: его тяжелые частички оседают вместе с более крупными зернами песка сравнительно близко от мест разрушения горных пород,
образуя золотые россыпи.
47
Присутствующий в атмосфере водяной пар играет роль фильтра для солнечной радиации, а вода на земной поверхности, обладая высокой теплоемкостью, служит мощной буферной системой, смягчающей действие экстремальных температур.
Растворяя газы атмосферы и перенося их течениями на большие расстояния, океан выступает в роли регулятора состава воздуха. Особенно важна его
роль для СО2, которого океан содержит примерно в 60 раз больше, чем атмосфера [19].
Важнейшая роль воды на Земле состоит в том, что она является средой и
источником водорода для жизненных процессов. Практически все органические
вещества биосферы представляют собой продукт фотосинтеза, при котором
растения используют световую энергию для реакции взаимодействия СО2 с водой. Фотосинтез, протекающий с участием воды, является основным и единственным процессом, которому обязана вся жизнь нашей планеты.
Вода является источником кислорода, который выделяется в процессе
фотосинтеза в атмосферу. Вода необходима для биохимических и биофизических процессов, обеспечивающих возможность жизни на Земле. Вода составляет 89-90 % массы растений и 75 % массы животных. В организме человека вода
составляет 65 % его массы. Вода служит постоянным участником интенсивных
биологических процессов, протекающих в живом организме.
В настоящее время водная оболочка земли претерпела значительные изменения под влиянием хозяйственной деятельности человека. Это связано прежде всего с регулированием стока поверхностных вод.
Реки — важнейший источник энергии на Земле. С глубокой древности
люди пользовались водяным колесом: с его помощью приводились в движение
мельничные жернова, простейшие веялки и молотилки, закачивалась вода в
оросительные системы. Эти способы получения и использования энергии текущей воды либо не требовали никаких искусственных вторжений в жизнь реки, либо влияли на нее в минимальной степени: на небольших равнинных реках
для увеличения запасов воды и равномерного ее поступления строили плотины.
Выше плотин возникали пруды; весной они заполнялись водой, а в летнее и
осеннее маловодье постепенно отдавали весенние запасы нижележащему руслу,
не позволяя рекам пересохнуть. За счет перепада уровней воды в пруду и за
плотиной вращалось водяное колесо, крутились жернова и прочие механизмы.
Избыток воды из прудов отводился по каналам для орошения полей. На крупных реках плотин не строили.
Ситуация кардинально изменилась, когда наступила эра электричества: с
ХХ в. на реках стали появляться гидроэлектростанции. Очень скоро обнаружилась заманчивая перспектива — оказалось, что чем крупнее река, тем больше
силовых агрегатов можно поставить на одной электростанции, а чем выше
поднят уровень водохранилища относительно естественного уровня воды в реке, тем больше энергии можно получить с одного агрегата. А если учесть, что
вода вращает турбины без дополнительных затрат, то создается иллюзия предельной дешевизны гидроэлектроэнергии. В первой половине ХХ столетия на48
чалось наступление на реки. Плотинами были перекрыты многие реки Северной Америки, Африки, Европы; тогда же началось и продолжается до сих пор
строительство ГЭС на крупнейших реках бывшего СССР.
Кроме основных энергетических функций комплексы гидроэлектростанций выполняют немало других полезных для человека функций: задерживают
высокие половодья, снижая угрозу катастрофических наводнений, уменьшают
вероятность обмеления рек, спасая судоходство, обеспечивают орошение
больших площадей засушливых земель.
Однако вокруг гидроэлектростанций возник ряд негативных для человека
явлений. Для того чтобы понять эти явления и проблемы, рассмотрим естественную природу рек, их отличия друг от друга.
Реки бывают горные, полугорные и равнинные. Горные реки текут в
ущельях и имеют бурное и очень быстрое течение за счет больших перепадов
высот в горах. При этом они переносят наряду с массой мелких взвешенных
частиц гальку, крупные глыбы и валуны, а иногда, после сильных дождей, водный поток превращается в грязекаменную смесь — сель.
При выходе на равнину, в предгорьях, речные долины расширяются, бурное течение сменяется спокойным, масса крупных наносов оседает на дно, разделяя русло рек на множество рукавов — это полугорные реки.
Равнинные реки текут преимущественно по равнинам и в низкогорьях,
отличаются спокойным и плавным течением. В их руслах переносится, в основном, галька и песок, причем в значительно меньших количествах, чем горными реками.
Около половины равнинных рек протекают в рыхлых грунтах, легко поддающихся размыву, и поэтому здесь образуются широкие долины с поймой.
Пойменные берега этих рек могут размываться со скоростью до 10 м/год. Равнинные реки, врезанные в скальные породы, почти не имеют поймы, и к руслу
подходят скальные или глинистые неразмываемые берега. При строительстве
плотин на крупных равнинных широкопойменных реках для создания необходимого напора следует поднять уровень воды достаточно высоко. При этом на
сотни километров вверх по течению затапливаются пойменные земли, отличающиеся особой плодородностью.
Основной способ создания на реках водохранилищ (одного из главных
водохозяйственных ландшафтов) — сооружение плотин. Математические расчеты показывают, что чем меньше уклон реки, тем выше по течению распространяется действие подпора плотины. Поэтому водохранилища на горных и
равнинных реках сильно различаются по своим параметрам, а стало быть, и по
воздействию на окружающие геокомплексы. Если реки зарегулированы очень
сильно, то изменение природы происходит весьма существенное. Прежде всего
меняется сама река: сокращается ее долина (так, длина Волги после сооружения
каскада гидроузлов сократилась на 160, а Камы – на 307 км). Полностью преображается долина: в пределах водохранилищ затапливается пойма и террасы,
изменяется мезоклимат, почвы и растительность.
49
Плотины сооружаются не только на реках. Около 60% площади Нидерландов создано руками человека за историческое время. Первые, еще несовершенные плотины были построены в XI в., а в XVI-XVII вв. осушены многие
озера северной и южной Голландии, в результате чего существенно увеличилась территория этой страны. Отвоеванные у воды площади активно используются в промышленных и сельскохозяйственных целях.
Положительные стороны сооружения водохранилищ: дешевая электроэнергия, водный транспорт, ирригация, регулирование стока – снабжение водой населения, рекреация, лесосплав.
Отрицательные стороны сооружения водохранилищ: затопление целинных, сельскохозяйственных и лесных угодий, памятников культуры, водохранилища могут быть причиной землетрясений, трансформации берегов – обрушений, оползней, просадок, евтрофирования водоемов и др. [33].
4.2. Общая характеристика атмосферы и её функций
Атмосфера – газовая оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней вокруг
оси. Ее масса 5,5 · 1015т. За нижнюю границу атмосферы принимают поверхность
Земли, верхняя проходит примерно на высоте 1000 км. Воздух атмосферы –
смесь газов, в которой во взвешенном состоянии находятся жидкие и твердые
частицы.
В воздухе до высоты около 100 км содержится 78% азота, 21% кислорода,
около 1% инертных газов по объему. Каждый из газов атмосферы выполняет
свои особые функции. Без кислорода невозможно дыхание, горение, окислительные процессы. Азот играет роль разбавителя кислорода, регулирует скорость и напряженность биологических процессов. Углекислый газ играет роль
утеплителя Земли.
В воздухе также содержатся водяной пар и твердые частицы. Количество
водяного пара в атмосфере уменьшается с высотой. Около 99% его содержится
в нижнем слое (до 5 км). Водяной пар играет важную роль в тепло- и влагообороте на Земле, без него невозможна жизнь.
Атмосфера состоит из нескольких сфер — тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы ионосферы, между которыми располагаются
переходные слои — паузы. В слоях изменяется состав газовой фазы и ее температура. Тропосфера простирается до высоты 18 км над экватором и 8-9 км – над
полюсами. Стратосфера – от тропопаузы до высоты 50-55 км. В стратосфере
содержится около 20% воздуха. В ней почти нет облаков, происходит активная
горизонтальная циркуляция. Мезосфера простирается от стратопаузы до 80 км.
Температура в ней -80…-85 градусов. Термосфера – слой атмосферы от мезопаузы до 800 км. Температура в ней возрастает до 1500 градусов. Температура
внешнего, крайне разреженного слоя атмосферы — около 2000 градусов.
Тропосфера — это нижняя часть атмосферы, которая непосредственно
соприкасается с другими геосферами. В ней содержится 80 % всех газов общей
массой 5,27 · 1015 т. Она простирается до 16 км над уровнем моря в тропиках и
50
до 9 км – у полюсов. Воздух состоит из 78,08 % N2, 20,95 % О2, 0,93 % Ar, около 0,03 % СО2 и незначительного количества других газов [32].
Современная кислородная атмосфера почти целиком создана за счет процессов фотосинтеза. По данным, приведенным в табл. 3, можно представить
сравнительную значимость процессов биологического, фотохимического и химического окисления. Как видно из табл. 3, главный источник кислорода - континентальный и морской фотосинтез, а потребитель – аэробное дыхание.
Таблица 3
Баланс кислорода и eгo потоков в современных условиях, т/год (по Уолкеру)
Приход
Континентальный
фотосинтез
Морской фотосинтез
Фотолиз из оксида азота
Диссипация Н2 в космос
Расход
17
Аэробное дыхание
2,1 · 1017
Биологическая нитрификация
Микробное окисление СН4
Фотохимическое окисление СН4
Микробное окисление Н2S
Фотоокисление (СН3)2S
Реакция О3 с поверхностью
Окисление вулканических
Н2
СО
SО2
3,8 · 1016
7,2 · 1015
3,6 · 1015
6 · 1013
8 · 1013
7,7 · 1014
1,5 · 10
1,2 · 1017
11 · 1012
2 · 1011
Химическое выветривание
сульфидов
железа
Всего
2,7 · 1017
Сжигание топлива
Промышленная фиксация N2
Всего:
1,8 · 1013
5 · 1012
2 · 1013
1,2 · 1014
4 · 1016
1,1 · 1016
8,6 · 1013
2,7 · 1017
Отрицательный баланс кислорода восполняется благодаря захоронению
органического вещества и накоплению его в толщах горных пород.
Исходя из количества кислорода в атмосфере (1,2 · 1015 т) и его потоков
можно определить время его пребывания в атмосфере, которое составляет около 4000 лет. Длительность пребывания азота в атмосфере оценивается в 1 млн
лет, а СО2 – всего 5 лет.
В тропосфере наиболее интенсивно протекают тепловые процессы. Средняя температура воздуха у земной поверхности составляет 15 °С. С высотой она
уменьшается на 6,5 оС на каждый километр. Это связано с переносом тепла с
земной поверхности вверх путем турбулентного перемешивания и конвекции.
Температура тропосферы в значительной степени зависит от содержания паров
воды и СО2 в атмосфере.
51
В тропосфере происходят процессы испарения водяного пара и его конденсация, влияющие на образование облаков и осадков, поскольку в тропосфере содержится большая часть водяного пара.
Из всех газов, содержащихся в атмосфере, наибольшее значение для живых организмов имеют О2, СО2, ОЗ и водяной пар. Кислород используется в
процессах дыхания, окисления органического вещества и неорганических соединений. Углекислый газ расходуется в ходе синтеза растениями.
Водяной пар и СО2 резко влияют на потоки коротко— и длинноволнового
излучения в атмосфере и таким образом вносят большой вклад в парниковый
эффект – способность атмосферы пропускать солнечную энергию до подстилающей поверхности, но поглощать тепловое излучение подстилающей поверхности и нижележащих атмосферных слоев. Озон является своеобразным
фильтром, поглощающим преобладающую часть коротковолновой солнечной
радиации. Озон начинает образовываться в верхней части тропосферы, но наибольшая его концентрация наблюдается в стратосфере – на высоте 23-25 км.
Озоновый слой атмосферы рассматривается в качестве одного из основных
климатообразующих элементов атмосферы. В тропосфере происходят разные
метеорологические явления [31].
Погодой называют совокупность процессов, происходящих в тропосфере
в данное время над определенной территорией. Погода изменчива и многообразна. Изменения погоды бывают периодическими и непериодическими.
Климатом называют многолетний режим погоды, типичный в данной местности. Он обладает устойчивостью и постоянством, хотя ежегодно наблюдаются некоторые отклонения в климате. На формирование климата оказывают
влияние солнечная радиация, циркуляция атмосферы, подстилающая поверхность.
Климат зонален. В каждом полушарии выделяют семь климатических
поясов – основных и переходных. Главный признак пояса – господство тех или
иных типов воздушных масс. В основных поясах формирование климата происходит весь год под преобладающим воздействием одного типа. В переходных
поясах происходит сезонная смена воздушных масс.
Климатические пояса – самые крупные зональные подразделения земной
поверхности. В их пределах выделяют климатические области с разными типами климатов: материковым и океаническим, западных и восточных побережий
материков.
Экваториальный пояс. Это зона низкого давления, слабых ветров. Среднегодовая температура +24 ... +28 ºС, влажность воздуха высокая. Осадков много, увлажнение избыточное. Произрастают экваториальные вечнозеленые леса.
Субэкваториальный пояс. Летом муссон приносит экваторная воздушная масса, зимой приходит континентально тропический воздух, поэтому летом
жарко и влажно, зимой температура около +20 ºС, влажность низкая, осадки отсутствуют. В условиях такого климата, называемого муссонным, произрастают
листопадные леса и саванны.
Тропические пояса. Господствует континентально тропическая воздушная
масса. Летом температура около +30 ...+35 ºС, зимой +20 ºС. Суточная амплитуда
52
температуры (30 — 40 ºС) больше годовой (10 — 15°C). Осадков почти нет, увлажнение мало. Здесь расположены величайшие пустыни мира. На западных побережьях материков весь год преобладает морские воздушные массы, простираются береговые пустыни. На восточных побережьях, вдоль которых проходят теплые течения, увлажнение избыточно, зимняя температура держится на уровне
+20ºС. Произрастают вечнозеленые тропические леса.
В экваториальном, субэкваториальном и тропическом поясах, лежащих в
границах жаркого теплового пояса, главным признаком сезонных изменений
является не температура, а режим и количество осадков.
Субтропические пояса. Летом господствует тропический воздух, зимой –
умеренные воздушные массы. Материковый субтропический климат аридный, с
жарким и сухим летом (+30 ºС), прохладной (до +5 ºС) и влажной зимой. Здесь
расположены природные зоны полупустынь, пустынь, сухих степей. Климат западных побережий материков называется средиземноморским. Зима более влажная и теплая (до + 10 ºС), растительность – вечнозеленые жестколиственные леса
и кустарники. На восточных побережьях климат муссонный, летом здесь преобладают морские воздушные массы, жарко и влажно. Зимой относительно
прохладно (0 ... +5 °С) и сухо, так как с суши приходят континентальные воздушные массы. Растительность – переменно-влажные широколиственные и
смешанные леса.
Умеренные пояса характеризуются господством умеренных воздушных
масс в течение года, здесь возможны вторжения тропического воздуза летом и
арктических воздушных масс зимой. Континентальный умеренный климат развит
практически только в Северном полушарии. Летом температура на севере + 10º С
и на юге + 30 ºС, зимой от - 5 ºС на западе материков до - 25 ... - 30 ºС в центре материков. Характерна многолетняя мерзлота. Годовое количество осадков уменьшается при движении с запада на восток от 700-600 мм до 300-100 мм в Центральной Азии. Лето более влажное, чем зима.
На западных побережьях материков преобладает морской умеренный
климат с нежарким летом (+10º... + 17 °С), мягкой зимой (0 ... +5 ºС). Осадков
выпадает от 800 мм до 300 мм (на склонах гор).
На восточных побережьях в умеренном поясе образуется муссонный
климат. Лето теплое (+20 ºС) и влажное, зима холодная (– 10º... – 20 ºС) и сухая.
В Южном полушарии развит океанический климат с нежарким летом,
мягкой зимой и неустойчивой погодой.
Субарктический и субантарктический пояса характеризуются сезонной сменой воздушных масс; летом умеренными воздушными массами, зимой
арктическими воздушными массами. Морской или океанический субарктический климат характеризуется прохладным летом (0 ... + 5 ºС), мягкой (–10 ... –15 ºС)
зимой. Осадков выпадает до 500-600 мм.
Континентальный субарктический климат развит только в Северном полушарии и характеризуется прохладным (+ 10 ... + 12 ºС) и сырым летом и сухой холодной (– 40 ... –50 ºС) зимой. Природные зоны - тундра и лесотундра.
53
Арктический и антарктический пояса. В пределах этого климатического пояса преобладает континентальный климат, суровый и сухой. Океанический климат немного мягче [40].
Климат играет очень большую роль в жизни Земли. Климат создает условия для формирования органического мира. Климат определяет характер почвенного покрова, режим рек, озер, морей и т. д. Климат играет большую роль в
жизни людей.
54
5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ГЕОГРАФИЧКСКОЙ ОБОЛОЧКИ
5.1. Ресурсная функция географической оболочки
Совокупность естественных условий существования человеческого общества принято называть природной средой. Использование ее богатств является
основой материальной жизни и экономического развития общества. Все элементы природы, которые вовлекаются в производство для удовлетворения потребностей людей и составляют его сырьевую и энергетическую базу, называются природными ресурсами. Поскольку они зависят от уровня развития экономики и науки, общее их количество беспредельно.
Природные ресурсы по их использованию могут быть производственными, здравоохранительными, эстетическими, научными и др., а по принадлежности к тем или иным компонентам природы — водными, лесными, минеральными, энергетическими и т. п. [60].
По обеспечению общества в конкретный период его развития природные
ресурсы (ПР) делят на реальные и потенциальные. К реальным относятся ПР,
которые на данном этапе развития общества разведаны, их запасы количественно определены и активно используются. С развитием производства, ростом
научной мысли и глубины научных разработок, скорости их внедрения в практику реальные ресурсы меняются. Например, энергетические ресурсы существенно заменялись в процессе совершенствования той или иной отрасли деятельности человека. На первом этапе зарождения промышленных предприятий
(мануфактур) в качестве топлива широко использовали китовый жир. Развитие
мануфактур требовало активной добычи китов, и численность этих животных
резко сократилась. Слабая техническая вооруженность (отсутствие соответствующего флота) не могла обеспечить увеличения добычи китового жира. Возникла необходимость замены энергетического сырья. Топливом стал лес, что
привело к резкому сокращению площадей под лесной растительностью. Вырубка леса сделала этот ресурс неэкономичным, последовали открытия месторождений угля, затем газа.
На современном этапе развития общества одним из ведущих энергоресурсов является электроэнергия, производимая гидроэлектростанциями (60%),
хотя сохраняется огромная потребность и в энергетическом сырье недр земли
(угля, нефти, газа). Темпы роста промышленности, возникновение новых энергоемких отраслей стимулируют поиск иных энергоресурсов, которые могли бы
служить человечеству бесконечно (термоядерная энергетика, ветрогенераторы,
солнечная энергия).
Таким образом, энергетический кризис в истории человечества отмечался
несколько раз, но человек успешно решал эти проблемы.
К потенциальным природным ресурсам относятся те, которые на данном
этапе развития общества разведаны и количественно определены. Однако они
не используются в силу того, что государство в текущий период считает это не55
целесообразным по различным причинам или использование их сдерживается
слабой технической оснащенностью, отсутствием соответствующей технологии
переработки и т. д.[48].
Например, в каменном веке металл не был потенциальным природным
ресурсом, так как человек не знал технологию его получения, а в век бронзы
таким ресурсом была железная руда и т. д.
Потенциальные земельные ресурсы представлены на планете пустынными, горными, заболоченными, засоленными территориями, зоной вечной мерзлоты. Несмотря на большую потребность в пашне и земельных ресурсах люди
на современном этапе не в силах все эти земли освоить под сельское хозяйство
из-за того, что нужны крупные капиталовложения для устройства дренажа на
заболоченных землях, для промывки и укладки дрен на засоленных участках
или нельзя их обеспечить водой (пустыни), или не разработана технология обработки земель, например в зоне вечной мерзлоты, где короткий вегетационный
период, нужны противомерзлотные и тепловые мелиорации. В последнем случае земельные ресурсы как базис уже широко используются (строительство
промышленных зон, добыча полезных ископаемых). Потенциальными ПР являются ряд космических ресурсов — энергия солнца, морских приливов и отливов, энергия ветра и др.
По характеру использования природные ресурсы условно делят на исчерпаемые и неисчерпаемые. Исчерпаемые ресурсы могут обеспечивать потребности человеческого общества в течение лишь определенного периода времени,
что зависит от запасов природного ресурса и интенсивности его использования.
Самовосстановление их в природе невозможно. Создание человеком этих ресурсов исключено, так как последние возникли в результате депонирования (отложения в запас) химических элементов, которые не могли быть вовлечены
природой в биогеохимический цикл. Так регулировался (и регулируется) оптимальный уровень содержания химических элементов в биосфере.
Исчерпаемые ресурсы в свою очередь подразделяются на невозобновимые,
возобновимые и относительно возобновимые. Невозобновимые ресурсы — не
восстанавливаются или восстанавливаются значительно медленнее, чем идет их
использование человеком в обозримый период времени. К таким ресурсам принадлежит нефть, каменный уголь и другие полезные ископаемые. Использование этих ресурсов неизбежно приводит к их истощению. Следовательно, охрана
невозобновимых природных ресурсов заключается в их экономном, рациональном, комплексном использовании, предусматривающем возможно меньшие потери при их добыче и переработке, а также заменяемость этих ресурсов другими природными или искусственно созданными.
Возобновимые природные ресурсы при определенных естественных условиях по мере их использования могут постоянно восстанавливаться. К ним
относятся растительность и животный мир, ряд минеральных ресурсов, например, накапливающаяся в озерах соль, отложения торфа, а также отчасти почвы.
Однако для их восстановления и обеспечения расширенного воспроизводства
необходимо создание определенных условий. Восстановление возобновимых
56
ресурсов происходит с различной скоростью. Для образования 1 см гумусового
слоя почвы требуется 300-600 лет, восстановления вырубленного леса — десятки лет, популяции охотничьих животных — годы. Следовательно, темпы расходования возобновляемых ресурсов должны соответствовать темпам их восстановления, в противном случае возобновимые природные ресурсы могут стать невозобновимыми — почвы эродировать, виды животных и растений исчезнуть [46].
Следует иметь в виду, что многие природные ресурсы восстанавливаются
очень медленно, например, лес, почва, многие виды животных. Такие ресурсы
относят к относительно возобновимым. Они представлены природными ресурсами, для восстановления которых требуется несравненно больше времени, чем
продолжительность человеческой жизни. К этой группе можно отнести почвы,
подвергнутые водной, ветровой, пастбищной, ирригационной, промышленной
или другим видам эрозии. Известно, что для восстановления лишь верхнего пахотного слоя почвы требуется в природных условиях несколько тысяч лет. Относительно восстановим также лес больших возрастов. Например, секвойи могут достигать возраста нескольких тысяч лет (6 тыс. лет) и высоты более 100 м.
Этих гигантских деревьев вблизи Сан-Франциско в результате хищнической
рубки осталось считаное количество. Сейчас там организован заповедник площадью 424 акра, где растут секвойи, представленные от месячных сеянцев до
мощных, но единичных экземпляров. Толщина коры гигантов более 30 см, поэтому секвойи пожароустойчивы. Многие секвойи названы именами крупных
американских деятелей. Секвойя «генерал Шерман» имеет высоту 91 м, диаметр 20 м, весит 2 тыс. т. Чтобы перевезти лесоматериал, полученный от одного
ствола секвойи, требуется целый железнодорожный состав. 1 м3 «красной» древесины стоит 2 тыс. долл. Одного дерева хватит для постройки 45 однокомнатных домов. В деревьях таких размеров раньше делали гаражи, на дорогах прорубали в стволах проезды — своего рода туннели.
Кедр сибирский занимает в России миллионы гектаров, но его также следует отнести к относительно возобновимым ресурсам, ибо продолжительность
жизни дерева достигает 300 лет, т. е. равняется жизни нескольких поколений
людей.
Неисчерпаемые ресурсы. К ним условно могут быть отнесены космические, климатические и водные ресурсы.
Космические ресурсы, такие как солнечная радиация, энергия морских
приливов и подобные явления, практически неисчерпаемы, и охрана их (например Солнца) не может быть предметом охраны окружающей среды, так как
человечество не располагает такими возможностями. Однако поступление солнечной энергии на поверхность Земли зависит от состояния атмосферы, степени ее загрязненности — тех факторов, которыми может управлять человек.
Климатические ресурсы — тепло и влага атмосферы, воздух, энергия ветра — также практически неисчерпаемы. Однако состав атмосферы может значительно изменяться в результате загрязнения ее механическими примесями,
газами промышленности и транспорта, а также радиоактивными веществами.
57
Борьба за чистоту воздуха — одна из важнейших задач охраны этого природного ресурса.
Водные ресурсы для биосферы в целом неисчерпаемы, но запасы и качество пресной воды в различных частях Земли могут сильно изменяться. Недостаток ее в связи с обмелением рек и озер, а также загрязнением уже значителен.
Поэтому контроль за расходом и чистотой пресной воды обязателен. Практически неисчерпаемыми остаются воды Мирового океана, но им угрожает существенное загрязнение нефтью, радиоактивными и другими отходами, что изменяет условия существования населяющих их животных и растений [51].
Следовательно, необходимы количественный и качественный учет всех
природных ресурсов, постоянный контроль за их состоянием. Решающее значение имеет введение цены на землю, воду и другие природные ресурсы. В Законе «Об охране окружающей среды» (1992) предусмотрена плата за их использование.
Все элементы природной среды, которые на данном уровне развития
производительных сил влияют на жизнь и деятельность человеческого общества, но не участвуют в материальном производстве, называются природными условиями. Следует отметить, что среди географов нет единства в определении
понятий «природные условия» и «природные ресурсы». Некоторые ученые, например Д. Л. Арманд, очень широко трактуют термин «природные ресурсы»,
включая в них и те свойства природы, которые используются для удовлетворения духовных потребностей человека. Ю. Г. Саушкин, наоборот, к природным
ресурсам относит лишь элементы географической среды, которые могут быть
непосредственно использованы для производства энергии, продуктов питания,
служить сырьем для промышленности. С этой точки зрения, к природным ресурсам нельзя относить почвы, хотя так поступают многие. Отсутствие единого
взгляда на определение понятия «природные ресурсы» приводит к тому, что
одни и те же элементы или свойства природной среды нередко одни географы
относят к природным ресурсам, другие – к природным условиям. И это неслучайно, ибо здесь отражается условность приведенной классификации. Дело в
том, что в процессе исторического развития общества природные условия могут становиться одновременно и природными ресурсами. Так, например, воздух, до того как его газы стали использовать в технологических целях, относился к категории природных условий. Ныне же он является и природным ресурсом.
В прошлом, когда уровень развития экономики в мире был невысок, природа успевала восполнять большинство ресурсов, компенсировать ущерб, наносимый ей человеком. Так, на месте вырубок постепенно, медленно, но все же в
большинстве случаев восстанавливались леса; умеренные отловы рыбы пополнялись путем ее естественного размножения; грязные воды полностью разбавлялись чистыми водами рек, озер, морей и океанов.
В ХХ в. положение резко изменилось. Скорость потребления природных
ресурсов стала многократно превосходить возможности их естественного возобновления. Потребление природных ресурсов достигло гигантских величин.
58
В настоящее время на производственные и бытовые нужды ежегодно используется более 3,5 тыс. км3 воды, при сжигании топлива потребляется около 15
млрд т атмосферного кислорода, из земных недр извлекается около 100 млрд т
горных пород, выплавляется около 800 млн т различных металлов, при сельскохозяйственных и других работах перемещается около 4 тыс. км3 почвы и
грунта. Темпы использования природных ресурсов ныне соизмеримы с их запасами. Деятельность человека по своим размерам и масштабу сравнялась с размерами природных процессов. Это и дало основание известному русскому ученому В. И. Вернадскому назвать человека, величайшей геологической силой. В
последние годы стало очевидным, что природные ресурсы ограничены и некоторые из них могут быть полностью израсходованы в ближайшие десятилетия.
Следовательно, для предотвращения их полного исчерпания нужна специальная система мер по организации их рационального использования, по охране и
умножению.
Самочувствие и жизнедеятельность людей в значительной мере определяются состоянием окружающей природной среды – их среды обитания и производственной деятельности. Каждый биологический вид, включая человека, может существовать лишь при определенном ее состоянии (экологические факторы).
Таким образом, в деятельности людей природа выступает в качестве источника ресурсов – основы материального производства и одновременно в качестве среды обитания. При использовании природных ресурсов экономические и экологические цели должны совпадать, но само по себе это происходит в
крайне редких случаях. Все чаще интересы развития экономики противоречат
решению основной экологической задачи – сохранения оптимальных условий
среды жизни человека. Поэтому в процессе общественного производства на все
больших территориях и акваториях приходится применять специальные меры
по охране природы. Под охраной природы понимают систему мероприятий,
обеспечивающую рациональное использование всех природных ресурсов, воспроизводство восполнимых, а также сохранение благоприятных экологических
условий жизни человека, защиту от разрушения типичных, редких и исчезающих природных объектов [59].
5.2. Общая характеристика антропогенных воздействий
на компоненты географической оболочки
Все виды воздействия человека на природу и все изменения в природе,
вызванные этими воздействиями, относятся к числу антропогенных. Их следствия могут быть самыми разнообразными. Одни из них невелики по размерам и
охватывают ограниченное пространство. Например, плотины, сооруженные на
ручьях и малых реках, приводят к образованию запруд. В результате на небольшом отрезке реки поднимается уровень воды, а вслед за этим и уровень
грунтовых вод на прилежащих участках лугов. Другие антропогенные изменения захватывают более значительные регионы. Например, строительство оросительных систем в пустынях сопровождается возникновением оазисов на мес59
те песков. Некоторые антропогенные воздействия и их следствия могут охватить весь земной шар. Например, глобальные климатические изменения, как
считают некоторые ученые, произойдут в результате дальнейшего роста производства энергии за счет увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере.
Антропогенные изменения природных условий могут иметь как положительный, так и отрицательный характер. Например, распашка целинных земель
Западной Сибири и Северного Казахстана позволила резко увеличить биологическую продуктивность сухих степей. Теперь бывшая целина дает стране много
хлеба. Такую же роль сыграло осушение заболоченных земель в белорусском
Полесье, где значительно поднялись урожаи сельскохозяйственных культур.
Орошение земель юга Украины, Крыма и Северного Кавказа дало возможность
решить проблему обеспечения страны рисом. Орошение пустынь Средней Азии
позволило увеличить производство хлопка.
Однако одновременно антропогенные воздействия нередко приводят и к
отрицательным результатам. Так, рост промышленности и сельскохозяйственного производств до сих пор сопровождается интенсивными загрязнениями воды и воздуха. Рядом негативных явлений сопровождается развитие автотранспорта: автомобили уменьшают содержание кислорода в воздухе, загрязняют его
выхлопными газами и пылевыми выбросами. Наиболее ощутимы отрицательные воздействия человеческой деятельности на природную среду в городах.
В результате сосредоточения многочисленных предприятий, большого
числа энергетических установок и многих тысяч автомобилей воздух городов
отличается меньшей концентрацией кислорода и повышенным содержанием
углекислого газа. Поэтому жители больших городов испытывают скрытое кислородное голодание, накапливают в своих организмах вредные вещества, что
понижает их сопротивляемость к инфекциям, вызывает или обостряет сердечно-сосудистые и некоторые другие заболевания.
Антропогенные воздействия на природные комплексы привели к формированию географической среды. Географическая среда возникла в результате
длительной эволюции географической оболочки. Первоначально, в результате
развития органической жизни, географическая оболочка трансформировалась в
биосферу. Затем, в связи с появлением человеческого общества, в пределах
биосферы образовалась географическая среда. Географическая среда – это
часть биосферы, с которой человеческое общество связано непосредственно в
жизни и производственной деятельности. До второй половины ХХ в. воздействия человека на природу приводили к изменению природных условий на ограниченных пространствах. В настоящее время воздействие общества на биосферу приобрело глобальный характер. Поэтому уже большая ее часть превратилась в географическую среду. На земном шаре не осталось ни одного уголка,
где в той или иной степени не ощущалось бы влияние человека на природу. И в
самых глубоких дебрях Амазонии, и в ледниковых пустынях Антарктиды время
от времени выпадают радиоактивные осадки, образующиеся в результате ядерных испытаний; во многих районах происходят антропогенные изменения климатических условий, поверхностных и подземных вод, растительности, живот60
ного мира и т. д. С каждым годом все интенсивнее трансформируются не только отдельные компоненты географической среды, но и составляющие ее природные комплексы. Значительная часть природных территориальных и аквальных комплексов сменилась ныне их антропогенными модификациями. Поэтому
определение таких комплексов как «природные» не отражает в полной мере их
современного состояния, поскольку они обладают не только естественными
свойствами. но и рядом антропогенных. Эти качества привнесены в них целенаправленной деятельностью человека или же возникли в результате их следствий. Однако для таких комплексов в равной мере не подходит и определение
«антропогенные», так как они продолжают сохранять большинство естественных свойств и отличительных признаков природного происхождения. В настоящее время в качестве синонима понятий «природный территориальный
комплекс» (ПТК) и «природный аквальный комплекс» (ПАК) используется
термин «геосистема». Он был предложен академиком В. Б. Сочавой (1963),
чтобы подчеркнуть системный характер территориальных и аквальных комплексов географической среды [60].
Геосистемой (географической системой) называется закономерное сочетание взаимно связанных обменом веществ и энергии компонентов природы –
земной коры, воздуха, вод, почв, растительности и животных, образующих неразрывное единство на определенной территории или акватории. Глубокое и
разностороннее познание сложных взаимосвязей между компонентами внутри
геосистем является поэтому необходимой предпосылкой любого воздействия
на них со стороны человека (принцип комплексности).
Подавляющее большинство современных территориальных и аквальных
комплексов – геосистем – отражают в своих свойствах, внутренних и внешних
связях все более интенсивно протекающие процессы взаимодействия природы
и общества. Изучение этих вопросов применительно к геосистемам ныне составляет одну из центральных задач географической науки.
Однотипные воздействия человека в разных геосистемах могут приводить
к различным результатам. Например, какие изменения произойдут в результате
вырубки леса? На этот вопрос нельзя ответить однозначно, безотносительно к
определенному месту. Для прогнозирования следствий вырубки лесов надо
знать, о каких геосистемах идет речь. Так, сведение лесов по южной окраине
лесной зоны умеренного пояса сопровождается увеличением площади степей и
прерий. По северной окраине этой зоны, в избыточно влажных районах Канады, Сибири, севера Восточно-Европейской равнины, сведение лесов сопровождается расширением болот, а это приводит к дальнейшей гибели лесов и смещению тундровой зоны к югу.
Все геосистемы отличаются также и по своей устойчивости к антропогенным воздействиям. Как правило, геокомплексы экстремальных природных
зон тундр и пустынь – более уязвимы, чем геокомплексы лесной зоны. При прочих равных условиях наименее устойчивы мелкие и просто устроенные геосистемы. Наиболее устойчива сложно устроенная геосистема высшего порядка –
географическая среда.
61
В состав географической среды входят как естественные природные образования – материки, океаны, горы, реки, озера, леса, почвы, животные и т. д.,
так и измененные или созданные человеком – искусственные формы рельефа,
водохранилища, каналы, окультуренные почвы, лесополосы, оазисы и т. п. И те
и другие могут подвергаться антропогенным воздействиям. Например, загрязняющие вещества могут попадать как в реки, так и в каналы; пожары могут
уничтожать как естественные леса, так и лесополосы. Следовательно, охране
подлежат различные по своему происхождению геосистемы, как естественные,
так и антропогенные. Поскольку деятельность человеческого общества начала
оказывать ощутимое влияние на современное состояние географической среды
в целом, появилась потребность в разработке мер по ее охране в глобальном
масштабе.
Увеличение численности населения Земли, интенсивное развитие экономики сопровождаются быстрым ростом потребления природных ресурсов. Возникла реальная угроза полного исчерпания не только невосполнимых, но и ряда
восполнимых природных ресурсов. Их простое возобновление уже не в состоянии обеспечить растущие потребности человеческого общества. Поэтому появилась настоятельная необходимость не только в сохранении и восстановлении,
но и в расширенном воспроизводстве природных ресурсов, а также в улучшении естественных условий жизни человека. Решение этих вопросов достигается
преобразованием природы.
Преобразованием природы называется изменение естественных качеств
геосистем, направленное на достижение определенных, заранее поставленных
целей. Общей задачей преобразования природы является повышение продуктивности геосистем и улучшение экологических условий жизни человека. Например, в результате орошения пустынь формируются специфические геосистемы оазисов. Их биологическая продуктивность и экологические условия многократно превосходят соответствующие показатели пустынных ландшафтов.
Эту преобразующую роль человека в процессе воздействия на природу
особо подчеркивал Ф. Энгельс: «...животное только пользуется внешней природой и производит в ней изменения просто в силу своего присутствия; человек
же вносимыми им изменениями заставляет ее служить своим целям, господствует над ней».
Однако не всякое изменение природы является ее преобразованием. Так,
загрязнение воды и атмосферы, эвтрофикация водоемов, дефляция и эрозия
почв, смоги, истребление многих видов животных и растений – все антропогенные изменения подобного рода к категории преобразовательных, естественно, отнести нельзя. К ним относятся лишь те, которые направлены на оптимизацию взаимоотношения природы и общество.
В результате преобразования природы нередко возникают сложные
структуры географической среды – геотехнические системы (геотехсистемы).
Геотехнические системы состоят из природных геосистем и инженерных сооружений, органически и неразрывно связанных между собой. Естественные
качества сохраняются в них лишь частично, так как в значительной мере они
62
преобразованы с помощью технических сооружений. К числу геотехсистем относятся водохранилища с прилегающими к ним территориями, города, каналы,
орошаемые земли и т. п. При организации рационального использования геотехнических систем приходится в равной степени заботиться об охране как
природных, так и инженерных их частей. Например, если разрушить плотину,
исчезнет водохранилище. Для сохранения водохранилища необходимо заботиться не только о плотине, но и о природе на всей его водосборной площади.
Эрозия почв в бассейне реки может привести к полному или частичному заиливанию водохранилища. Поэтому меры по борьбе с эрозией сохраняют от разрушения не только почвы, но и водоемы.
В ходе преобразования природы происходит интенсивная трансформация
природных свойств геосистем, а в ряде случаев и их полная замена. Но любые природные комплексы всегда выполняют определенные функции, обеспечивая какоето звено в круговороте веществ и энергии в составе географической оболочки.
Экологические реалии заставляют употребить человека свой разум на поиски выхода из экологического кризиса. Глобальные экологические проблемы
должны решаться на основе разумной региональной экологической политики.
Общие принципы такой политики разработаны в Институте Сибири и Дальнего
Востока Сибирского отделения РАН.
В основу стратегии региональной экологической политики должно быть
положено современное представление о природных ландшафтах как о сложно
организованных целостных системах (гео-, экосистемах) разного уровня размерности со своими историей развития, путями и скоростью эволюции. Некоторые из них уникальны и, следовательно, имеют право на особый статус охраны. Большинство же природных систем своим разнообразием обеспечивает устойчивость процессов саморазвития биосферы. Поэтому природоохранная деятельность должна быть нацелена на сохранение природы в ее системной целостности, на восстановление и поддержание ее нормального функционирования.
С этой целью охрана отдельных компонентов природы – воды, воздуха, растительности, животного населения – должна рассматриваться не только как самостоятельная задача, но и в аспекте их принадлежности к тем или иным природным комплексам.
Эколого-географический подход учитывает особенности функционирования каждой пространственной ячейки географической оболочки. Глобальные
проекты преобразования природы всегда опасны, потому что не могут предусмотреть множество проблем, связанных с управлением процессами землепользования на местах. Системное исследование природных и природнохозяйственных комплексов делает необходимой территориальную дифференциацию природоохранных мероприятий, их характера, сроков и норм с учетом
особенностей географических условий территории. Методология охраны природы должна исходить из того, что природу следует охранять в процессе ее использования.
63
5.3. Проблемы современного природопользования
Прикладная наука, занимающаяся изучением проблем вовлечения природных ресурсов в хозяйственную деятельность человека, называется — природопользованием.
Многообразие направлений деятельности человека по извлечению полезных свойств природы условно сгруппировано в различные виды природопользования: ресурсное, отраслевое, территориальное. При изучении отраслевого и
ресурсного природопользования рассматриваются проблемы, связанные с изменением природной среды, которые возникают в результате использования
ресурсов в материальной и нематериальной сферах. К числу важнейших задач
этих видов природопользования относят разработку путей оптимизации использования природных ресурсов. Например, комплексное их использование и
воспроизводство на основе идеи ресурсных циклов. При этом ресурсные циклы
рассматриваются как цепь превращений вещества на всех стадиях – от добычи
до возвращения в природу и воспроизводства. Эти виды природопользования
тесно связаны между собой. Преимущественное развитие этих видов природопользования, в особенности отраслевого, привело к существенным противоречиям между объективно существующей целостностью земного окружения человека и сложившимся господством отраслевых интересов и подходов при использовании природных ресурсов. Отраслевые интересы могут иметь альтернативное сочетание, когда одно природопользование исключает другое. Например, закладка карьера обязательно уничтожает почвенный покров. Есть конкурентные сочетания, когда увеличение или уменьшение пользования одним ресурсом увеличивает или уменьшает в противоположную сторону использование другого ресурса. Например, сплошная рубка леса ухудшает рекреационные
возможности территории. Есть нейтральные сочетания, когда природопользования друг другу не мешают. Например, использование лесов для водоохраны
не мешает охотничьему хозяйству. И наконец, есть сочетание пользований, когда одно пользование позволяет увеличить другое пользование. Таково садоводство в рекреационной зоне.
Поэтому в современных условиях важен переход от многоотраслевого
суммарного использования ресурсов к их комплексной эксплуатации при условии сохранения условий для жизни человека.
Реализация этой идеи возможна на какой-то конкретной территории. Ведь
для каждой отдельной территории могут быть свои наиболее эффективные пути
использования ресурсов и условий природной среды. Эти проблемы изучает
территориальное природопользование. Индивидуальность природных комплексов не позволяет переносить технологию природопользования, успешно используемую на одной территории, на другую. При такой механической переброске эффект может быть отрицательным. Ситуация, а вместе с ней и подходы, технология должны меняться от места к месту. При разработке программ
территориального природопользования выделяют основные региональные составляющие – природно-ресурсный и производственный потенциалы.
64
Природно-ресурсный потенциал – это та часть природных ресурсов, которая может быть реально вовлечена в хозяйственную деятельность при данных
технических и социально-экономических возможностях общества с условием сохранения среды жизни человека. Экономически оцененный природно-ресурсный
потенциал входит в состав национального богатства. Природно-ресурсный потенциал является важнейшим понятием природопользования. Само понятие природопользования определяют через природно-ресурсный потенциал [46].
65
6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МИРА,
СВЯЗАННЫЕ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ
6.1. Экологический кризис и экологические катастрофы
Экологическая катастрофа представляет собой необратимый процесс в
биосфере, который проявляется в возникновении природной аномалии. Например, это длительные засухи, массовая гибель животных, происходящие в результате прямого или косвенного воздействия человека на биосферу, что часто
приводит к тяжелым экологическим последствиям.
В экологических катастрофах человек выступает как активной, так и пассивной, как правило, страдающей стороной. Но экологическим катастрофам
всегда предшествуют процессы, происходящие в биосфере и приводящие к нарушениям равновесия ее экосистем. Основным проявлением таких процессов
является экологический кризис.
В отличие от экологических катастроф экологический кризис следует
рассматривать как обратимый процесс, в котором человек выступает активно
действующей стороной. Таким образом, экологический кризис – это обратимое
изменение равновесного состояния природных комплексов. Он характеризуется
не столько усилением воздействия человека на природу, сколько резким увеличением влияния измененной людьми природы на общественное развитие. Его
проявление часто называют «эффектом бумеранга» [57].
Возникновение и развитие экологического кризиса может сопровождаться экологическими катаклизмами (бедствиями, стихийными явлениями), различными по масштабам и последствиям. И в этом процессе антропогенный
фактор играет важнейшую роль.
Главные приоритеты в устранении экологического кризиса направлены
на устранение противоречий между экономикой и экологией, на обеспечение
дальнейшего развития экономики с учетом требований экологической безопасности для обеспечения благоприятной и здоровой среды обитания людей на
нашей планете.
Отсюда следует, что экологический кризис распространяется на все
страны, вставшие на путь научно-технического прогресса, где сложилось противоречие между экономикой и экологией. При характеристике экологического
кризиса сегодня основной акцент необходимо делать на его общечеловеческую
природу, на защиту общечеловеческих ценностей.
Какое же понятие вкладывается сегодня в термин «экологический кризис»? В современной научной литературе и учебных пособиях дается разное
трактование понятия «экологический кризис».
Так, в словаре-справочнике Н. Ф. Реймерса под экологическим кризисом
понимается напряженное состояние взаимоотношений между человечеством и
природой, характеризующееся несоответствием развития производительных
сил и производственных отношений ресурсо-экологическим возможностям
биосферы или крупного ее подразделения.
66
В. Т. Протасов приводит следующее определение: «Экологический кризис – это критическое состояние окружающей среды, которое угрожает существованию человека, вызваннное расточительным использованием природных ресурсов и загрязнением окружающей среды».
В более широком эволюционном понимании экологический кризис — это
фазы развития биосферы, на которых происходит качественное обновление живого вещества. Суть разных определений экологического кризиса сводится к
одному понятию, а именно: под экологическим кризисом понимается та стадия
взаимодействия между обществом и природой, на которой до предела обостряются противоречия между экономикой и экологией, экономическими интересами Общества в потреблении и использовании природной среды и экологическими требованиями обеспечения качества окружающей природной среды.
По своей структуре экологический кризис подразделяется на две части:
естественную и социальную. Естественная часть экологического кризиса свидетельствует о наступлении разрушения окружающей человека природной среды, об образовании регионов с полностью или частично деградированной природной средой, не способной осуществлять обмен веществ и энергии.
В современной России, также как и в сопредельных с нею независимых
государствах, бывших союзных республиках, состояние окружающей природной среды можно охарактеризовать как экологический кризис. Деградация окружающей природной среды прежде всего отражается на здоровье человека и
состоянии его генетического фонда. Более 20 % территории России находится в
критическом экологическом состоянии.
Социальная часть экологического кризиса заключается в неспособности в
настоящее время государственных и общественных структур остановить деградацию окружающей природной среды, стабилизировать положение, оздоровить
окружающую природную среду и обеспечить проведение эффективных мер по
экологической безопасности общества. Социальная сторона экологического
кризиса проявляется в следующем:
– в недостаточно эффективной работе специальных органов по охране
окружающей природной среды. Прежде всего это относится к Государственному комитету РФ по охране окружающей природной среды и его территориальным органам, выполняющим до августа 2000 г. основные функции в управлении качеством природной среды, а также к специальным государственным
уполномоченным органам по охране и использованию природных богатств.
Принимаемые этими органами решения, разрабатываемые природоохранные
мероприятия не всегда способствуют положительному влиянию на экологическую обстановку в стране. В регионах эти недостатки усугубляются противостоянием представительных и исполнительных органов власти и местных органов самоуправления;
– в отсутствии возможностей у государства финансировать разработку
и реализацию природоохранных мероприятий в требуемом объеме;
– в неспособности правоохранительных органов обеспечить надежный
контроль и надзор за выполнением хозяйствующими субъектами природо67
охранных законодательств. Из года в год растет противоречие между количеством совершаемых экологических правонарушений и преступлений и количеством дел, которые принимаются к рассмотрению в судебном порядке. В работе
правоохранительных органов (МВД, прокуратуры, суда, арбитражного суда)
так называемые «экологические дела» занимают 5—10 % от общего количества
рассматриваемых дел;
– в массовом эколого-правовом нигилизме, т. е. в массовом неуважении
экологических требований, в нарушении или невыполнении их.
В зависимости от широты охвата территории выделяют «локальный» и
«глобальный» зимологические кризисы. Локальный экологический кризис выражается в местном повышении уровня химических, физических, радиационных, биологических загрязнений (ПДК) за счет индивидуальных источников загрязнения. Локальный экологический кризис может быть относительно легко
преодолен за счет организационных или технико-технологических методов и
средств минимизации воздействия техногенного источника.
Более серьезную опасность представляет глобальный экологический кризис, который является следствием совокупности хозяйственной деятельности
человеческой цивилизации и проявляется в ухудшении качества всех компонентов биосферы, а следовательно, представляет опасность для жизни человека
на Земле [61].
6.2. Основные причины экологического кризиса
К основным причинам, создающим предпосылки возникновения глобального экологического кризиса, следует отнести экономические, научнотехнические эколого-просветительские, культурно-нравственные.
Экономические причины связаны с высокой стоимостью очистных сооружений и других средств защиты окружающей природной среды от антропогенного воздействия, которая достигает 1/3 стоимости капиталовложений. Это
обстоятельство вынуждает хозяйственников и администраторов экономить
средства при строительстве новых и реконструкции существующих предприятий за счет природоохранных мероприятий. Издержки рыночной экономики,
связанной с погоней за прибылью, и плановой, отягощенной идеологическими
догмами, безусловно ведут к углублению экологического кризиса [60].
Научно-технические причины обусловлены отсутствием зачастую высокоэффективных технологических процессов и экобиозащитного оборудования
для улавливания, утилизации, обезвреживания и рекуперации различных техногенных выбросов и сбросов. Основная часть потока загрязнений, поступающих
в компоненты биосферы, связана не только со стремлением природопользователя получить максимальную прибыль, но и с объективно существующими научно-техническими трудностями. Сегодня лишь незначительная доля используемых в промышленности природных ресурсов, как растительных, так и минеральных, превращается в конечный целевой продукт. Большая их часть образует промышленные отходы, для полной утилизации которых требуется беско68
нечно большая сумма денежных средств. Поэтому на практике устанавливают
некоторый временно допустимый уровень загрязнений, который обеспечивается разумным уровнем затрат.
Низкий уровень экологических знаний людей, принимающих ответственные технические решения, приводит, как правило, к социально опасным для
общества последствиям. Многие из уже произошедших и, вероятно, будущих
катастроф связаны с экологическим невежеством технических руководителей и
исполнителей. Яркий тому пример — катастрофа продуктопровода, перекачивающего с северных месторождений широкую фракцию легких углеводородов,
способную в случае утечки образовывать взрывоопасную газовоздушную
смесь. Большой опыт строительства нефте- и газопроводов еще не гарантирует
успеха в строительстве продуктопровода, проектирование, монтаж и эксплуатация которого требует особых знаний и мер безопасности.
Низкий уровень экологической культуры людей является еще одной
причиной развивающегося экологического кризиса. Для сохранения природной
среды необходимо, чтобы каждый человек, соприкасающийся с промышленностью или сельскохозяйственным производством, с бытовыми химическими веществами, был не только экологически грамотен, но и осознавал ответственность за свои действия, которые приносят природе вред. К сожалению, нередко
можно видеть, как водитель ставит свой автомобиль в чистый ручей для мытья,
как матрос выливает ведро солярки за борт корабля, как рабочие в автохозяйствах сжигают старые автопокрышки, а сельские механизаторы равнодушно взирают на кучу рваных мешков с удобрениями, валяющихся среди поля.
Для России в прошлом была характерна еще одна причина возникновения
экологического кризиса, связанная с монополией государственной собственности на природные ресурсы и средства производства. Такая монополия исключала какие-либо экономические стимулы к охране окружающей природной среды
и рациональному природопользованию. Дело в том, что такая монополия давала возможность государству в одном лице через министерства и ведомства (отраслевой принцип организации экономики) осуществлять эксплуатацию природных ресурсов, государственный контроль за охраной природной среды и
меры уголовной, административной и гражданской ответственности за собственные экологические правонарушения и преступления. При такой постановке
природоресурсного и природоохранного дела меры контроля, надзора и ответственности не могли дать желаемого эффекта. Это привело к безраздельному
господству экономических потребностей общества над экологическими требованиями, что в конечном счете и переросло в экологический кризис.
В связи с тем, что под влиянием человеческой деятельности многие свойства географической оболочки претерпели значительные изменения, выделяют
новую оболочку земли — ноосферу.
Сам термин «ноосфера» возник в 1926 г. в Париже во время обсуждения
доклада В. И. Вернадского, где он излагал концепцию развития биосферы. Его
предложил французский исследователь Э. Леруа. Однозначное толкование этого термина отсутствует. Ноосфера — это новое, эволюционное состояние био69
сферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим
фактором ее развития. Впервые В. И. Вернадский употребил этот термин в
письме Б. Личкову, написанном 7 сентября 1936 г. в Карлсбаде. Он сообщал
своему другу: «Я принимаю идею Леруа о ноосфере. Он развил глубже мою
биосферу. Ноосфера создалась в эпоху, когда человеческая мысль охватила
биосферу и меняет все процессы по-новому, а в результате активная энергия
биосферы увеличивается». Публично В.И. Вернадский употребил термин «ноосфера» в 1937 г. в докладе «О значении радиогеологии для современной геологии», который он прочитал на проходившей в Москве ХVII сессии Международного геологического конгресса. Он писал: «Ноосфера – последнее из многих
состояний эволюции биосферы в геологической истории – состояние наших
дней. Ход этого процесса только начинает нами выясняться из изучения ее геологического прошлого в некоторых своих аспектах. Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное состояние биосферы, т.е. мы входим в ноосферу». В этой же статье В.И. Вернадский показал, что факторами последней
перестройки биосферы являются научная мысль и коллективный труд человечества, давно уже ставшего мощной геологической силой.
70
7. ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1. Рельеф – это __________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
2. Какое значение имеет рельеф для других компонентов природы? Для
жизни и деятельности человека? ( Покажите это на схемах.) ________________
____________________________________________________________________
Климат
РЕЛЬЕФ
________________________________________________________________________________
Строительство дорог
ВЛИЯНИЕ
РЕЛЬЕФА
НА ЖИЗНЬ
И ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
ЧЕЛОВЕКА
Вывод _____________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
3. Заполните последнюю колонку таблицы.
Геохронологическая таблица
Периоды
Кайнозойская
(KZ), около 70
млн лет
Четвертичный (Q), 2 млн лет
Складчатость
Альпийская
Эра
Неогеновый (N), 25 млн лет
Палеогеновый (Р), 41 млн лет
71
Главные события
Меловой (М), 70 млн лет
Мезозойская
Мезозойская
(MZ), 165 млн
лет
Юрский (J), 50 млн лет
Триасовый (Т), 40 млн лет
Герцинская
Пермский (Р), 45 млн лет
Каменноугольный (карбон)
(С), 65 млн лет
Девонский (D), 55 млн лет
Силурийский (S), 35 млн лет
Ордовинский (О), 60 млн лет
Каледонская
Палеозойская
(PZ), 330 млн
лет
Байкальская
Кембрийский (К), 70 млн лет
Протерозойская, PR
около 2000 млн
лет
AR
Архейская,
более 1800 млн
лет
4. Перечислите основные характеристики климата ___________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
5. Какой из климатических поясов занимает большую площадь?
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
В каком климатическом поясе вы живете?
____________________________________________________________________
6. Как изменяются климатические условия по поясам:
а) проследите за ходом изменения среднегодовых температур с севера на юг
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
б) определите наиболее и наименее увлажненные территории _______________
____________________________________________________________________
в) сделайте вывод о причинах изменения климатических условий ____________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
72
г) объясните влияние климатических условий на другие компоненты природы,
на жизнь и деятельность человека _______________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
д) как вы думаете, в каком поясе климатические условия наиболее благоприятные для жизни и деятельности человека? ________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
7. Заполните таблицу. Отметьте, какие из неблагоприятных климатических явлений характерны для вашей местности.
Явления
Основные районы
распространения
Причины
возникновения
Неблагоприятные
условия
Меры
борьбы
8. Определите, какие районы нашей планеты богаты водными ресурсами:
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
какие бедны водными ресурсами:
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
9. Продолжите перечень стихийных явлений, связанных с водой:
наводнения, цунами, сели, ________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
73
10. Главное свойство почвы ______________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
11. Какие почвы наиболее плодородны? ____________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
12. Какие типы почв преобладают на Земле? Почему? ________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
13. Заполните таблицу.
Виды мелиорации
Территории, где она проводится
Осушение
Орошение
Борьба с эрозией
Химизация
14. Какова роль растений в жизни природы? Продолжите ответ:
растительность защищает поверхность земли от разрушения внешними процессами,
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
15. Определите, какие из указанных ресурсов относятся к пищевым, кормовым, сырьевым. Что является основным ресурсом леса?
ЛЕСНЫЕ РЕСУРСЫ:
- грибы ___________________________________
- дрова ___________________________________
- ягоды ___________________________________
- орехи ___________________________________
- лиственные деревья _______________________
74
16. Вспомните причины, влияющие на размещение растительности, продолжите их перечень, укажите на самый главный фактор:
рельеф, особенности почв, _____________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
17. Деятельность человека может причинить большой вред растительности. Приведите примеры отрицательного влияния человеческой деятельности
на растительность
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
18. Природный территориальный комплекс – это ____________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
19. Существует огромное количество ПТК, разных по величине и сложности
ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА
(САМЫЙ КРУПНЫЙ И СЛОЖНЫЙ ПТК)
ОКЕАН, моря
ПТК дна
МАТЕРИК
ПТК шельфа
и т.д.
Природная
зона
Крупный район
и т.д.
Приведите примеры ПТК любой территории. Постарайтесь показать их
в виде схемы – от самого крупного до самого мелкого
75
20. Приведите примеры, подтверждающие изменения ПТК:
а) изменения в пространстве ___________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
б) изменения во времени (например сезонные) ____________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
21. Проанализируйте логическую схему изучения ПТК
Типичный внешний облик
Особенности сочетания компонентов
природы в данном ПТК
Причины особенностей ПТК
Условия работы и быта человека
в данном ПТК
Экологические проблемы
Выводы _______________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
22. Как изменяется зависимость человека от природы в условиях научнотехнического прогресса? Уменьшается или увеличивается? Аргументируйте
свой ответ
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
23. Докажите, что деление природных ресурсов на исчерпаемые и неисчерпаемые условно, что даже неисчерпаемые природные ресурсы могут быть
непригодны для использования
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
76
24. Природные ресурсы бывают
Минеральные
Климатические
Водные
Земельные
Почвенные
Биологические
Рекреационные
В колонке справа приведите конкретные примеры.
25. Заполните таблицу
Климатические условия
Географи- Температура
Территория
ческое
зимы
Осадки
Ветер
положение
и лета,
°С
Что
особенно
благоприятно
или неблагоприятно
Как осваивается
С комфортными,
наиболее
благоприятными условиями
С малоблагоприяными условиями
С экстремальными
условиями
Выводы _____________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
77
26. Заполните таблицу
Название
стихийных
природных явлений
Районы
распространения
Причины
Возможные меры
борьбы
Землетрясения
Вулканические
извержения
Цунами
Наводнения
Лавины, сели
Ураганы,
смерчи
Засухи
Выводы
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
27. Познакомьтесь с разными точками зрения на экологическую ситуацию в России
Точка зрения оптимиста: огромные просторы России, ее природный
потенциал, большие территории, не очень освоенные человеком, позволяют
считать экологическую ситуацию вполне благополучной.
Точка зрения пессимиста: вся Россия – зона экологического бедствия.
Как оцениваете экологическую ситуацию в нашей стране вы? Используйте справочные данные, карты атласа и учебник для заполнения таблицы «Оценка экологической ситуации» в стране, регионе, своем населенном пункте.
78
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
Оценка экологической ситуации
в мире
в России
в крупном природном
районе, где вы живете
28. Дайте в таблице примеры исчерпаемых и неисчерпаемых, возобновимых и невозобновимых природных ресурсов
Природные ресурсы
исчерпаемые
возобновимые
невозобновимые
79
неисчерпаемые
29. Укажите в таблице ранги (от максимума к минимуму, от 1 до 3) использования водных ресурсов в сферах жизнедеятельности и хозяйственной
деятельности
Использование водных ресурсов
Бытовые нужды населения
Промышленность
Сельское хозяйство
Ранги
30. Сделайте анализ влияния транспорта на компоненты окружающей
среды. Отметьте в таблице знаками характер влияния: «++» - сильное, «+» слабое, «-» - отсутствует
Характер влияния
Вид транспорта
железноавтотрубо- электрондорожный мобиль- водный проводный
ный
ный
1. Загрязнение атмосферного воздуха выхлопными газами
2. Загрязнение водного
бассейна:
а) выхлопными газами
б) продуктами транспортировки в результате
утечек и аварий
3. Нарушения:
а) рельефа
б) вод
в) растительности
80
8. ТЕСТЫ
по КСЕ к разделу «Географическая картина мира»
Выберите один правильный ответ
1. Земную кору от мантии отделяет:
а) зона гипергенеза;
б) абиссальная зона;
в) сейсмический раздел Мохоровичича;
г) ложбина пониженного давления.
2. Крупные жесткие блоки литосферы Земли, отделенные друг от друга
тектоническими разрывами по осевым линиям сейсмопоясов, носят название:
а) горные массивы;
б) континентальные выступы;
в) литосферные плиты;
г) впадины океанов.
3. Пример мобилистской гипотезы формирования литосферы Земли:
а) пульсационная гипотеза Усова, Обручева;
б) гипотеза дрейфа материков Вегенера;
в) гипотеза расширяющейся Земли Хильгенберга;
г) контракционная гипотеза.
4. Слой, состоящий преимущественно из тяжелых минералов, располагающийся между земной корой и ядром Земли, в котором происходит дифференциация вещества и с которым связаны тектонические явления, вулканизма и
т.п., называется:
а) мантия;
б) магма;
в) астеносфера;
г) литосфера.
5. Одна из оболочек Земли, имеющая массу около 0,005 · 1021, что составляет (%) около 10-6 массы Земли, связанная с ней силой тяжести и принимающая участие в ее суточном и годовом вращении, называется:
а) атмосфера;
б) литосфера;
в) гидросфера;
г) биосфера.
6. Слой газовой оболочки Земли, где концентрируется 4/5 массы воздуха,
почти весь водяной пар и развиваются погодные процессы, носит название:
а) тропосфера;
81
б) стратосфера;
в) мезосфера;
г) термосфера.
7. Эра, которая началась 67-70 млн лет назад и продолжается ныне, характеризующаяся интенсивными горообразовтельными движениями, приведшими к формированию крупнейших горных цепей в Европе, Азии, Америке,
называется:
а) кайнозойская;
б) палеозойская;
в) мезозойская;
г) архейская.
8. В водной оболочке планеты все формы водных масс переходят одна в
другую в результате процессов:
а) атмосферного переноса;
б) течений в мировом океане;
в) круговорота воды;
г) поверхностного стока и инфильтрации.
9. Одна из геосфер, физические свойства которой определяются магнитным
полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения, называется:
а) литосфера;
б) ионосфера;
в) магнитосфера;
г) ядро Земли.
10. Функцию геодермы и геомембраны планеты Земля выполняют:
а) почвы и почвенный покров;
б) осадочные горные породы;
в) растения, животные и микроорганизмы;
г) все перечисленные.
10. Наиболее крупным широтно-зональным подразделением географической оболочки является:
а) биоклиматическая провинция;
б) географический пояс;
в) географическая зона;
г) географическая подзона.
11. Главной причиной географической зональности выступают:
а) широтные изменения температурного режима и увлажнения;
б) особенности геологического строения территории;
82
в) изменения в растительном покрове и животном мире;
г) меняющиеся почвы.
12. Почвы и почвенный покров являются продуктом совокупного взаимодействия таких природных факторов как:
а) горные породы и рельеф;
б) климат, воды и породы;
в) растения, животные и микроорганизмы;
г) все перечисленные.
13. К неисчерпаемы ресурсам географической оболочки относятся:
а) климатические;
б) минеральные;
в) почвенные и территориальные;
г) биологические.
14. Какую долю в структуре водных ресурсов гидросферы составляют
суммарные запасы пресной воды:
а) менее 5%;
б) 5-10%;
в) 25-30%;
г) более 50%?
15. Какой критерий лежит в основе подразделения ресурсов на реальные
и потенциальные:
а) исчерпаемости и возобновимости;
б) изученности и доступности;
в) генетический (происхождения);
г) интегральный, учитывающий все названные?
16. Укажите правильную последовательность расположения геосфер в
направлении от периферии к центру Земли:
а) гидросфера, атмосфера, магнитосфера, литосфера, мантия, ядро;
б) мантия, ядро, магнитосфера, литосфера, гидросфера, атмосфера;
в) атмосфера, гидросфера, литосфера, магнитосфера, мантия, ядро;
г) магнитосфера, атмосфера, гидросфера, литосфера, мантия, ядро.
17. Залежи полезных ископаемых, образовавшиеся при осадконакоплении, носят название:
а) осадочных месторождений;
б) магматических месторождений;
в) техногенных месторождений;
г) литогенных месторождений.
83
18. Система территориального деления земной поверхности, основанная
на выявлении соподчиненных природных регионов, носит название:
а) картографирования;
б) экологического нормирования;
в) физико-географического районирования;
г) мониторинга.
19. Выберите пример энергетических ресурсов, космических по своему
происхождению и участвующих в постоянном круговороте вещества и энергии:
а) атмосферное электричество;
б) энергия атомного распада и спонтанных химических реакций;
в) энергия приливов и отливов;
г) геотермальная энергия.
20. Количество минерального сырья в недрах Земли или на ее поверхности, определяемое по данным геологической разведки, носит название:
а) материально-технического ресурса;
б) природного ресурса;
в) технического условия;
г) запасов полезного ископаемого.
21. Слой атмосферы, расположенный на высоте 10-50 км, задерживающий большую часть жесткого космического излучения, гибельного для всего
живого, называется:
а) озоносфера;
б) тропосфера;
в) экзосфера;
г) ойкумена.
22. Закономерное сочетание геокомпонентов, находящихся в сложном
взаимодействии и образующих единую неразрывную систему разных уровней
(от сложной оболочки до элементарного комплекса), носит название:
а) биогеоценоз;
б) экосистема;
в) геокомплекс (геосистема);
г) территориально-производственный комплекс.
23. Бризовая, циклоническая, муссонная – примеры циркуляции:
а) воздушных масс;
б) океанических водных масс;
в) веществ и энергии в экосистеме;
г) химических элементов в окружающей среде.
84
24. Степень прямого и косвенного воздействия хозяйственной деятельности человека на природную среду (географическую оболочку) в целом и отдельные ее компоненты носит название:
а) антропогенной нагрузки;
б) антропогенного ландшафта;
в) антропогенного фактора;
г) антропогеновой системы.
25. Система общественных и естественных наук, изучающих размещение
природных и производственных комплексов и их компонентов, называется:
а) география;
б) экология;
в) природопользование;
г) естествознание.
26. Какие положения не свидетельствуют о рациональности природопользования в добывающей промышленности:
а) масштабы рекультивации;
б) степень комплексности использования ресурса;
в) увеличение объемов добычи ресурса;
г) эффективность работы очистных сооружений?
27. Принципы: единства природы и общества; приоритета общечеловеческих ценностей; учета геосферной неоднородности; контроля на основе нормативов и критериев; в своей совокупности лежат в основе рационального природопользования:
а) ресурсного;
б) отраслевого;
в) территориального;
г) индивидуального.
28. Часть природных ресурсов, которая может быть реально вовлечена в
хозяйственную деятельность при существующих социально-экономических и
технических возможностях общества с условием сохранения природной среды,
носит название:
а) природно-ресурсный потенциал;
б) рациональное природопользование;
в) производственные условия;
г) валовый национальный продукт.
29. В глобальном балансе кислорода приходной статьей не является:
а) континентальный фотосинтез;
б) морской фотосинтез;
в) биологическая нитрификация и микробное окисление;
85
г) фотолиз из оксида азота.
30. Проблемой взаимосвязанного изучения путей вовлечения ресурсов в
хозяйственную деятельность человека и мер по восстановлению, преобразованию и охране природы занимается:
а) природоведение;
б) природопользование;
в) естествознание;
г) физическая и экономическая география.
I . Сформулируйте следующие законы:
1) закон необратимости взаимодействий в системе «человек – природа»:..
2) закон согласования строения и ритмики (функций) частей (подсистем):..
3) периодический закон географической зональности Григорьева-Будыко:…
4) закон ограниченности (исчерпаемости) природных ресурсов:…
5) закон неустранимости отходов:…
II. Сформулируйте следующие правила:
1) правило незамкнутости биогеохимических круговоротов:…
2) правило автоматического поддержания глобальной среды обитания:…
3) правило возникновения цепных реакций в результате «жесткого»
управления природой:…
III. Интерпретируйте теорию биполярности Л.С.Берга:…
86
9. ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ
Атмосфера – воздушная оболочка Земли.
Биогеоценоз – тип экосистемы, в котором биотическое ядро представлено не отдельным организмом, а биоценозом, т.е. совокупностью различных
организмов, тесно связанных между собой, а среда обитания представлена
косным веществом.
Биосфера – оболочка активной жизни организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферы и верхнюю часть литосферы.
Географическая оболочка – комплексная планетарная оболочка, эволюционно сформированная в слое взаимодействия и взаимопроникновения
литосферы, гидросферы и атмосферы под воздействием солнечной энергии и
организации жизни.
Геокомпоненты – составные части геосистемы (вода, почва, растительность, антропогенные объекты), объединенные в структурно - функциональное целое.
Геосферы – концентрические, сплошные или прерывистые оболочки,
образованные веществом Земли и различающиеся по химическому составу,
агрегатному состоянию, физическим и биологическим свойствам.
Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, расположенная
между атмосферой и литосферой.
Гравитационное поле Земли – силы тяжести, действующие на Земле.
Круговорот веществ – повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ, совершающиеся в пределах отдельных геосфер и между ними.
Ландшафт – один из типов геосистем, отличающийся однородностью
сочетаний и взаимосвязей, составляющих ландшафт компонентов.
Литосфера – верхняя «твердая» оболочка Земли. Включает земную
кору и верхнюю мантию Земли.
Магнитосфера – пространство, в котором величина магнитного поля,
создаваемого Землей, больше, чем в межпланетном пространстве.
Мантия – одна из земных оболочек (геосфер), расположенная между
земной корой и ядром земли.
Ноосфера – стадия развития биосферы, предполагающая рационализацию взаимоотношений человека, общества и естественной среды их обитания.
Педосфера – почвенная оболочка Земли.
Природные ресурсы – компоненты природной среды, которые используются или могут быть использованы при осуществлении хозяйственной и
иной деятельности в качестве источников энергии, продуктов производства и
имеют потребительскую ценность.
Природные условия – совокупность объектов, явлений и факторов природной среды, существенных для жизни и деятельности человеческого общества, но непосредственно в нее не вовлекаемых.
Природопользование – деятельность по использованию ресурсного,
энергетического и информационного потенциала природы для удовлетворе87
ния экономических, экологических, культурных интересов человека и его сохранению.
Экологическая катастрофа – ситуация в развитии эко- и геосистем, в
жизнедеятельности организмов, влекущая за собой их вымирание или мгновенную массовую гибель в пределах определенных территорий, обусловленная:
- стихийными процессами и явлениями;
- антропогенными действиями;
- природно-антропогенными причинами.
Экологические катастрофы имеют длительный отрицательный эффект,
приводящий к деградации части биосферы.
Экологический кризис – ухудшение состояния геосистем, как правило,
в результате расширения производственно-хозяйственной и социо - культурной деятельности.
88
10. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бондарев В.П. Основы минералогии и кристаллографии с элементами
петрографии: Учебник для пед. вузов – М.: Высш. шк ., 1986. – 287 с.
2. Гаврилов В.П. Общая и историческая геология и геология СССР:
Учебник для вузов. – М.: Недра, 1989. – 495 с.
3. Гвоздецкий Н.А. Основные проблемы физической географии. – М.:
Высш. шк., 1979. – 222 с.
4. Ершов В.В, Новиков А.А, Попова Г.Б. Основы геологии: Учебник для
вузов. – М.: Недра, 1986. – 310 с.
5. Мильничук В.С. Арабаджи М.С. Общая геология: Учебник для вузов.–
М.: Недра, 1989. – 333 с.
6. Павлинов В.Н., Кизевальтер Д.С, Лин Н.Г. Основы геологии: Учебник
для вузов. – М.: Недра, 1986. – 310 с.
7. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос,
1998. – 232 с.
8. Вернадский В.И. Химический состав живого вещества в связи с
химией земной коры. Биохимические очерки. – М.; Л.; 1940.
9. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её
окружение. – М.: Наука, 1987.– 261 с.
10. Войткевич Г.В., Бессонов О.А. Химическая эволюция земли. – М.:
Недра, 1986. – 212 с.
11. Гвоздецкий Н.А. Основные проблемы физической географии. – М.:
Высш. шк., 1979.– 222 с.
12. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. – М: Высш. шк., 1998.–413с.
13. Малиновский Ю.М. Недра – летопись биосферы. – М.: Недра, 1990.–160с.
14. Мильничук В.С. Арабаджи М.С. Общая геология: Учебник для вузов. –
М.: Недра, 1989. – 333 с.
15. Охрана окружающей природной сферы: Учебное пособие для техн.
вузов/ И.Н. Липунов, Л.В. Василенко, И.Г. Первова; Под ред. И.Н.Липунова .–
Екатеринбург: Урал.гос.лесотехн.акад. 2001. – 538 с.
16. Павлинов В.Н., Кизевальтер Д.С, Лин Н.Г. Основы геологии: Учебник
для вузов. – М.: Недра, 1986. – 310 с.
17. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос,
1998. – 232 с.
18. Химия окружающей среды/ Под ред. Дж.О.М. Бокриса. – М.: 1982. –671 с.
19. Биология охраны природы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 430 с.
20. Вернадский В.И. Химический состав живого вещества в связи с
химией земной коры. Биохимические очерки. – М.; Л.; 1940.
21. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её
окружение. – М.: Наука, 1987. – 261 с.
22. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. – М.: Высш. шк., 1998. – 413 с.
23. Малиновский Ю.М. Недра – летопись биосферы. – М.: Недра, 1990. – 160 с.
24. Одум Ю. Экология: В 2 т./ Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 328 с, 376 с.
89
25. Охрана окружающей природной сферы: Учеб. пособие для техн.
вузов/ И.Н. Липунов, Л.В. Василенко, И.Г. Первова; Под ред. И.Н.Липунова. –
Екатеринбург: Урал.гос.лесотехн.акад., 2001. – 538с.
26. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос,
1998. – 232 с.
27. Химия окружающей среды/ Под ред. Дж.О.М. Бокриса. – М.: Просвещение,
1982. – 671 с.
28. Львович М.И. Мировые водные ресурсы и их будущее. – М.: Мысль,
1974. – 446 с.
29. Небел Б. Наука об окружающей среде: как устроен мир: В 2 т. – М.:
Мир, 1993. – 760 с.
30. Неклюкова Н.П. Общее землеведение. – М.: Просвещение, 1967. – 253 с.
31. Ревель П., Ревель Ч. Среда нашего обитания: В 4 кн./Пер с англ. – М.:
Мир, 1995.
32. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос,
1998. – 232с.
33. Шахов И.С. Водные ресурсы и их рациональное использование: Учеб.
пособие. – Екатеринбург. УГТУ, 2000. – 289 с.
34. Шубаев Л.П. Общее землеведение: Учеб. пособие для студентовгеографов ун-тов и пед. ин-тов. – М.: Высш. шк., 1977. – 438 с.
35. Яковлев С.В., Прозоров И.В., Иванов Е.Н. и др. Рациональное
использование водных ресурсов. – М.: Высш. шк., 1991. – 289 с.
36. Капустин В.Г., Корнев И.Н. Свердловская область: природа,
население, хозяйство, экология. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та; Изд-во Дома
учителя, 1998. – 300 с.
37. Климатические и биологические последствия ядерной войны /
Отв.ред. Е.П. Велихов. – М.: Наука, 1987. – 288 с.
38. Кобак К.И. Биотические компоненты углеродного цикла. – Л.:
Гидрометеоиздат, 1988. – 248 с.
39. Миланова Е.В., Рябчиков А.М. Географические аспекты охраны
природы. – М.: Мысль, 1979. – 293 с.
40. Неклюкова Н.П. Общее землеведение. – М.: Просвещение, 1967. – 253 с.
41. Прокаев В. И. Основы ландшафтоведения и физико-географическое
районирование. Ч. 1. – Свердловск: Свердл. гос. пед. ин-т, 1973. – 120 с.
42. Прокаев В. И. Основы ландшафтоведения и физико-географическое
районирование. Ч. 2. – Свердловск: Свердл. гос. пед. ин-т, 1975. – 110 с.
43. Прокаев В. И. Физико-географическое районирование. – М.:
Просвещение, 1983. – 176 с.
44. Шубаев Л.П. Общее землеведение: Учеб. пособие для студентовгеографов ун-тов и пед. ин-тов. М.: Высш. шк., 1977. – 438 с.
45. Яблоков А.В, Остроумов С.А. Уровень охраны живой природы. – М.:
Наука, 1985. – 176 с.
46. Арустамов Э.А. Природопользование. –М.: Дашков и К°, 2000. – 284 с.
90
47. Воронцов А.П. Рациональное природопользование: Учеб. пособие. –
М.: ЭКСМОС, 2000. – 304 с.
48. Лотош В.Е. Экология природопользования. – Екатеринбург: УрГЭУ,
2000. – 240 с.
49. Охрана окружающей природной среды: Учеб. пособие для техн. вузов/
И.Н. Липунов, Л.В. Василенко. Екатеринбург: Урал.гос.лесотехн.акад., 2001. – 538 с.
50. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» 10 января 2002г.
№7-Ф3// Собрание законодательства Российской Федерации. №2. Опубл. 14
января 2002 г. ст. 133.
51. Шварц С.С. Экологические основы охраны биосферы // Вестник АН
СССР. – 1973. – №9 – С. 35-45.
52. Экологическое право РФ: Сборник нормативных актов по
использованию и охране природных ресурсов /Сост. И.А. Ермилев, В.И.
Решетников. – М.: Идит- М, 2003. – 218 с.
53. Экология: Учебник / В.Н. Большаков, В.В. Качак, Ю.Г. Ярошенко. –
М.: Логос, 2005.– 504 с.
54. Алаев Э.Б. Глобальные проблемы современности: методология их
географического изучения // Изв. АН СССР. Сер. Геогр. – 1989. – №2. – С.23-32.
55. Биосфера: эволоюция, пространство, время. – М.: Прогресс, 1988. – 464 с.
56. Григорьев А.А, Кондратьев К.Я. Экодинамика и геопатика. Т.2 :
Экологические катастрофы. – СПб., 2001. – 712 с.
57. Лисичкин Г.В. Экологический кризис и пути его преодоления //
Соросовский образовательный журнал. –1998. – №12. – С. 65-70.
58. Никаноров А.М, Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учеб. пособие. –
М.: ПРИОР, 2000. – 285 с.
59. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учеб.
пособие. – М.: ФИАР- ПРЕСС, 2001. – 320 с.
60. Хлебопрос Р.Т, ФЕТ А.И. Природа и общество: Модели катастроф. –
Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999. – 344 с.
61. Яншин А.Л., Мелуа А.И. Уроки экологических просчетов. – М.:
Мысль, 1991. – 429 с.
91
Светлана Александровна Шлюндт
Географическая картина мира
и ее экологическая составляющая
Учебно-методическое пособие для студентов факультета
«Экономики и управления»
Редактор И.М. Циклина
620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГУПС
Редакционно-издательский отдел
________________________________________________________________
Бумага писчая №1
Подписано в печать
Усл. печ. л. 6,0
Тираж 100 экз.
Формат 60х90 1/16
Заказ