Мантия Земли - оболочка «твёрдой» Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли. Занимает 83 % Земли (без атмосферы) по объёму и 67 % по массе.
От земной коры её отделяет Мохоровичича поверхность, на которой скорость продольных сейсмических волн при переходе из коры в мантию земли возрастает скачком с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/сек; от ядра Земли мантию отделяет поверхность (на глубине около 2900 км), на которой скорость сейсмических волн падает с 13,6 до 8,1 км/сек. Мантия Земли делится на нижнюю и верхнюю мантию. Последняя, в свою очередь, делится (сверху вниз) на субстрат, слой Гутенберга (слой пониженных скоростей сейсмических волн) и слой Голицына (иногда называется средней мантией). У подошвы мантия Земли выделяется слой толщиной менее 100 км, в котором скорости сейсмических волн не растут с глубиной или даже слегка понижаются.
Предполагается, что мантия Земли слагается теми химическими элементами, которые во время образования Земли находились в твёрдом состоянии или входили в состав твёрдых химических соединений. Из этих элементов преобладают: О, Si, Mg, Fe. Согласно современным представлениям, состав мантии Земли считается близким к составу каменных метеоритов. Из каменных метеоритов наиболее близкий к мантия Земли состав имеют хондриты. Предполагают, что непосредственными образцами вещества мантии являются обломки пород среди базальтовой лавы, вынесенные на поверхность Земли; их находят также вместе с алмазами в трубках взрыва. Считают также, что обломки пород, поднятые драгой со дна рифтов Срединно-океанических хребтов, представляют собой вещество мантии.
Характерной чертой мантия Земли являются, по-видимому, фазовые переходы. Экспериментально установлено, что в оливине под большим давлением изменяется структура кристаллической решётки, появляется более плотная упаковка атомов, так что объём минерала заметно уменьшается. В кварце такой фазовый переход наблюдается дважды по мере роста давления; самая плотная модификация на 65 °C плотнее обычного кварца. Такие фазовые переходы считаются главной причиной того, что в слое Голицына скорости сейсмических волн очень быстро возрастают с глубиной.
Верхняя мантия одна из оболочек земного шара, непосредственно подстилающая земную кору. Отделена от последней Мохоровичича поверхностью, находящейся под материками на глубине от 20 до 80 км (в среднем 35 км) и под океанами на глубине 11-15 км от поверхности воды. Скорость распространения сейсмических волн (используемая в качестве косвенного метода изучения внутреннего строения Земли) возрастает при переходе от земной коры к верхней мантиискачкообразно приблизительно с 7 до 8 км/сек.Верхняя мантияпредполагается на глубине 900 км (при делении мантии на верхнюю и нижнюю) и на глубине 400 км (при делении её на верхнюю, среднюю и нижнюю). Зона в пределах глубин 400-900 км называется Голицына слоем. Верхняя мантиясложена, вероятно, гранатовыми перидотитами с примесью в верхней части Эклогита.
Эклогит - метаморфическая горная порода состоящая из пироксена с высоким содержанием кварца и рутила (минерал, содержащий примесь железа, олова, ниобия и тантала ТіО 2 - 60 % титана и 40 % кислорода).
Важная особенность строения верхней мантии- наличие зоны пониженных скоростей сейсмических волн. Имеются различия в строении верхней мантиипод разными тектоническими зонами, например под геосинклиналями и платформами. В верхней мантии развиваются процессы, являющиеся источником тектонических, магматических и метаморфических явлений в земной коре. Во многих тектонических гипотезах верхней мантии отводится важная роль; например, предполагается, что земная кора образовалась путём выплавления из вещества верхней мантии, что тектонические движения связаны с движениями в верхней мантии и др. Образцы самой верхней части мантии Земли состоят преимущественно из пород ультраосновного (перидотит и пироксенит) и основного (эклогит) состава. Обычно считается, что мантия Земли почти полностью сложена оливином [(Mg, Fe) 2 SiO 4 ], в котором сильно преобладает магниевая компонента (форстерит), но с глубиной, быть может, возрастает доля железной составной части (фаялита). Австралийский петрограф Рингвуд предполагает, что мантия Земли сложена гипотетической породой, которую он назвал пиролитом и которая по составу соответствует смеси из 3 частей периодита и 1 части базальта. Теоретические расчёты показывают, что в нижней мантии Земли минералы должны распадаться на окислы. К началу 70-х годов 20 века появились также данные, указывающие на наличие в мантии Земли горизонтальных неоднородностей.
Несомненно, что земная кора выделилась из мантии Земли; процесс дифференциации мантия Земли продолжается и сейчас. Есть предположение, что и земное ядро разрастается за счёт мантии Земли. Процессы в земной коре и мантия Земли тесно связаны; в частности, энергия для тектонических движений земной коры, по-видимому, поступает из мантии Земли.
Нижняя мантия Земли - составная часть мантии Земли, распространяющаяся от глубин 660 (граница с верхней мантией) до 2900 км. Расчетное давление в нижней мантии составляет 24-136 ГПа и вещество нижней мантии недоступно для прямого изучения.
В нижней мантии существует слой (слой D), в которой скорость сейсмических волн аномально низка и имеет горизонтальные и вертикальные неоднородности. Предполагается, что он образован восходящим проникновением Fe и Ni в силикаты, которые расплавляются этими потоками. Это чрезвычайно важно, так как некоторые исследователи полагают, что части субдукционной плиты накапливаются на 660 км от границы, и они становятся экспоненциально более тяжелыми и опускаются на ядро и накапливаются в слое D.
Земная кора - самая верхняя из твёрдых оболочек Земли. Нижней границей земной коры считается поверхность раздела, при прохождении которой сверху вниз продольные сейсмические волны скачком увеличивают скорость с 6,7-7,6 км/сек до 7,9-8,2 км/сек (см. Мохоровичича поверхность). Это служит признаком смены менее упругого материала более упругим и более плотным. Слой верхней мантии, подстилающий земной коры, часто называется субстратом. Вместе с земной коры он составляет литосферу. Земная кора различна на материках и под океаном. Материковая земная кора обычно имеет толщину 35-45 км, в областях горных стран - до 70 км. Верхнюю часть материковой земной коры составляет прерывистый осадочный слой, состоящий из разновозрастных неизмененных или слабоизменённых осадочных и вулканических горных пород. Слои нередко смяты в складки, разорваны и смещены по разрыву. В некоторых местах (на щитах) осадочная оболочка отсутствует. Вся остальная толща материковой земной коры разделяется по скоростям сейсмических волн на 2 части с условными названиями: для верхней части - «гранитный» слой (скорость продольных волн до 6,4 км/сек), для нижней -«базальтовый» слой (6,4-7,6 км/сек). По-видимому, «гранитный» слой сложен гранитами и гнейсами, а «базальтовый» слой - базальтами, Габбро и очень сильно метаморфизованными осадочными породами в различных соотношениях. Эти 2 слоя часто разделены Конрада поверхностью, при переходе которой скорости сейсмических волн возрастают скачком. По-видимому, в земной коре с глубиной уменьшается содержание кремнезёма и возрастает содержание окислов железа и магния; ещё в большей степени это имеет место при переходе от земной коры к субстрату.
Океаническая земная кора имеет толщину 5-10 км (вместе с толщей воды - 9-12 км). Она разделяется на три слоя: под тонким (менее 1 км) слоем морских осадков лежит «второй» слой со скоростями продольных сейсмических волн 4-6 км/сек; его толщина 1-2,5 км. Вероятно, он сложен серпентинитом и базальтом, быть может, с прослоями осадков. Нижний, «океанический», слой толщиной в среднем около 5 км имеет скорости прохождения сейсмических волн 6,4-7,0 км/сек; вероятно, он сложен габбро. Толщина слоя осадков на дне океана изменчива, местами их нет совсем. В переходной зоне от материка к океану наблюдается земная кора промежуточного типа.
Земная кора подвержена постоянным движениям и изменениям. В её необратимом развитии подвижные области - геосинклинали - превращаются путём длительных преобразований в относительно спокойные области – платформы. Существует ряд тектонических гипотез, объясняющих процесс развития геосинклиналей и платформ, материков и океанов и причины развития земной коры в целом. Несомненно, что главные причины развития земной коры лежат в более глубоких недрах Земли; поэтому изучение взаимодействия земной коры и верхней мантии представляет особенный интерес.
Земная кора близка к состоянию изостазии (равновесию): чем тяжелее, т. е. толще или плотнее какой-либо участок земной коры, тем глубже он погружен в субстрат. Тектонические силы нарушают изостазию, но когда они слабеют, земной коры возвращается к равновесию.
Рисунок 25 - Земная кора
Ядро Земли - центральная геосфера радиусом около 3470 км. Существование ядра Земли установлено в 1897 немецким сейсмологом Э. Вихертом, глубина залегания (2900 км) определена в 1910 американским геофизиком Б. Гутенбергом. О составе ядра Земли и его происхождении единого мнения нет. Возможно, оно состоит из железа (с примесью никеля, серы, кремния или других элементов) или его окислов, которые под действием высокого давления приобретают металлические свойства. Существуют мнения, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже (впервые высказано норвежским геофизиком В. М. Гольдшмидтом в 1922) либо железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке (немецкий учёный А. Эйкен, 1944, американский учёный Э. Орован и советский учёный А. П. Виноградов, 60-70-е гг.).
Мохоровичича поверхность - граница раздела между земной корой и мантией Земли.Мохоровичича поверхность установлена по сейсмическим данным: скорость продольных сейсмических волн при переходе (сверху вниз) через Мохоровичича поверхность возрастает скачком с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/сек, а поперечных - с 3,6-4,2 до 4,4-4,7 км/сек. Различные геофизические, геологические и др. данные указывают на то, что плотность вещества тоже возрастает скачком, предположительно, с 2,9-3 до 3,1-3,5 т/м 3 . Наиболее вероятно, что Мохоровичича поверхность разделяет слои разного химического состава. Мохоровичича поверхность названа по имени открывшего её А. Мохоровичича.
Из первых трех геосфер ведущая роль, несомненно, принадлежит земной коре, так как её общая масса многократно превосходит суммарную массу двух других оболочек. Поэтому данные об относительном содержании того или иного химического элемента в земной коре можно в значительной мере считать и отражающими его содержание в биосфере в целом.
Наружная твердая оболочка Земли - земная кора более чем на 99% сложена всего 9 основными элементами: O (47%), Si (29,5%), Al (8,05%), Fe (4,65%), Ca (2,96%), Na (2,50%), K (2,50%), Mg (1.87%), Ti (0,45%). В сумме – 99, 48%. Из них кислород является абсолютно преобладающим. Наглядно видно, сколько остаётся на все остальные элементы. Это – по массе, т.е в весовых процентах.
Есть и другой вариант оценки – по объёму (объёмные проценты). Вычисляется с учётом размеров атомных и ионных радиусов в конкретных минеральных соединениях, образуемых этими элементами. Содержания в земной коре наиболее распространённых элементов в объёмных процентах составляют (по В.М. Гольдшмидту): O – 93,77%, K – 2,14%, Na – 1,60%, Ca – 1,48%, Si – 0,86%, Al – 0,76%, Fe – 0,68%, Mg – 0,56%, Ti – 0,22%.
Очевидны достаточно существенные различия в распределении атомов химических элементов по весу и объему: в резком понижении относительного содержания Al и особенно Si (из-за малых размеров их атомов, а для кремния – в ещё большей мере ионов в его кислородных соединениях) ещё более явно подчеркивается ведущая роль кислорода в литосфере.
При этом выявлены «аномалии» в содержаниях некоторых элементов в литосфере:
«провал» в содержаниях наиболее лёгких элементов (Li, Be, B) – объясняется особенностями процесса нуклеосинтеза (преимущественное образование углерода в результате соединения сразу трёх ядер гелия); относительно высокие содержания элементов, являющихся продуктами радиоактивного распада (Pb, Bi, а также Ar среди инертных газов).
В условиях Земли аномально низки содержания еще двух элементов: H и He. Это связано с их «летучестью». Оба эти элемента – газы, и, к тому же, самые легкие. Поэтому атомарные водород и гелий имеют тенденцию перемещаться в верхние слои атмосферы, а оттуда, не удерживаясь земным тяготением, рассеиваются в космическом пространстве. Водород до сих пор не потерян полностью, так как большая его часть входит в состав химических соединений – воды, гидрооксидов, гидрокарбонатов, гидросиликатов, органических соединений и др. А гелий, являющийся инертным газом, постоянно образуется как продукт радиоактивного распада тяжелых атомов.
Таким образом, земная кора по существу является упаковкой анионов кислорода, связанных друг с другом кремнием и ионами металлов, т.е. она состоит почти исключительно из кислородных соединений, преимущественно, из силикатов алюминия, кальция, магния, натрия, калия и железа. При этом, как Вы уже знаете, в составе литосферы 86,5% приходится на чётные элементы.
Наиболее распространенные элементы принято называть макроэлементами.
Элементы же, содержание которых составляет сотые доли процента и менее называются микроэлементами. Понятие это относительное, так как конкретный элемент может быть микроэлементом в одной среде, а в другой относиться к основным, т.е. макроэлементам (Например, Al в организмах –микроэлемент, а в литосфере - макроэлемент, железо в почвах – макроэлемент, а в живых организмах - микроэлемент).
Для обозначения величины содержания конкретного элемента в той или иной среде используется понятие «кларк». Этот термин связан с именем Ф.У. Кларка – американского геохимика, впервые предпринявшего на базе обширного аналитического материала вычисление средних содержаний химических элементов в различных типах горных пород и в литосфере в целом. В память о его вкладе А.Е. Ферсман в 1924 г. предложил именовать среднее содержание любого конкретного элемента в определённой вещественной среде кларком этого химического элемента. Единица измерения кларка – г/т (т.к. при низких величинах кларков многих элементов использовать процентные значения неудобно).
Наиболее сложной задачей является определение кларков для литосферы в целом, так как её строение очень.
Внутри горных пород деление силикатов производится на кислые и основные.
В кислых относительно повышены концентрации Li, Be, Rb, TR, Ba, Tl, Th, U, Ta.
В основных – Cr, Sc, Ni, V, Co, Pt.
Приведем порядок кларков различных элементов по В.Ф. Барабанову:
Более 10 000 г/т - O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.
1000-10 000 - Mn, Ti.
100-1000 - C, F, P, S, Cl, Rb, Sr, Zr, Ba.
10-100 - Pb, Th, Y, Nb, La, Ce, Nd, Li, B, N, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga.
1-10 - Eu, Dy, Ho, Er, Yb, Hf, Ta, W, Tl, U, Ge, As, Br, Mo, Sn, Sc, Pm, Sm, Be.
0,1-1,0 - Cd, Bi, In, Tu, I, Sb, Lu.
0,01-0,1 - Ar, Se, Ag, Hg.
0,001-0,01 - Re, Os, Ir, Ru, Rh, Pd, Te, Pt, He, Au.
По этой градации элементы, имеющие кларки выше 1000 г/т будут относиться к макроэлементам. Те, у которых кларки ниже – микроэлементы.
Учёт кларков безусловно необходим для правильного понимания закономерностей процессов миграции химических элементов. Различная распространённость элементов в природе имеет неизбежным следствием для многих из них наличие существенных различий в их поведении в лабораторных условиях и в природе. С уменьшением кларка снижается активная концентрация элемента, становится невозможным выпадение самостоятельной твёрдой фазы из водных растворов и других способов образования самостоятельных минеральных видов. Поэтому способность к самостоятельному минералообразованию зависит не только от химических свойств элемента, но и от его кларка.
Примеры: S и Se – химически полные аналоги, а их поведение в природных процессах различно. S – ведущий элемент многих природных процессов. Сероводород играет большую роль в химических процессах, происходящих в донных осадках и в глубинах земной коры, в формировании месторождений ряда металлов. Сера формирует самостоятельные минералы (сульфиды, сульфаты). Селеноводород существенной роли в природных процессах не играет. Селен находится в рассеянном состоянии как примесь в минералах, образуемых другими элементами. Аналогичны различия К и Cs, Si и Ge.
Одно из важнейших отличий геохимии от химии в том, что геохимия рассматривает только те химические взаимодействия, которые реализуются в конкретных природных условиях. Кроме того - учёт кларков (по крайней мере их порядков) в этом смысле является первоочередным требованием при любых геохимических построениях.
Существуют, и даже достаточно распространены самостоятельные минеральные фазы целого ряда элементов с низкими кларками. Причина в том, что в природе существуют механизмы, позволяющие обеспечивать формирование повышенных концентраций тех или иных элементов, в результате чего их содержание в каких-то участках могут многократно превышать кларковые. Поэтому кроме кларка элемента нужно учитывать и величину его концентрации в сравнении с кларковым содержанием.
Кларк концентрации – это соотношение содержания химического элемента в данном конкретном природном вещественном агрегате (горной породе и т.п.) к его кларку.
Примеры коэффициентов концентрации некоторых химических элементов в их рудных месторождениях: Al – 3,7; Mn – 350; Cu – 140; Sn – 250; Zn – 500; Au – 2000.
На этом основании элементы с низкими кларками подразделяются на две уже известные вам качественно различные группы. Те, для распределения которых не характерны высокие значениями КК, называются рассеянными (Rb, Ga, Re, Cd и др.). Способные формировать повышенные концентрации с высокими значениями КК – редкими (Sn, Be и др.).
Различиями в достигаемых величинах КК обусловлена разная роль тех или иных элементов в истории материально-технической деятельности человечества (с древности известные металлы с низкими кларками Au, Cu, Sn, Pb, Hg, Ag … - и более распространённые Al, Zr…).
Большую роль в процессах концентрации и рассеяния элементов в земной коре играет изоморфизм - свойство элементов замещать друг друга в структуре минерала. Изоморфизм – это способность близких по свойствам химических элементов замещать друг друга в переменных количествах в кристаллических решётках. Конечно, она свойственна не только микроэлементам. Но именно для них, в особенности для элементов рассеянных, она приобретает ведущее значение как основной фактор закономерности их распределения. Различают изоморфизм совершенный – когда взаимозаменяемые элементы могут замещать друг друга в любых соотношениях (ограничиваясь только соотношениями содержаний этих элементов в системе), и несовершенный – когда замещение возможно только до определённых пределов. Естественно, что чем ближе химические свойства, тем совершеннее изоморфизм.
Различают изоморфизм изовалентный и гетеровалентный.
Общность типа химической связи – то, что химики называют степенью ионности – ковалентности. Пример: хлориды и сульфиды – не изоморфны, а сульфаты с манганатами – изоморфны.
Механизм изовалентного изоморфизма. Однотипность химической формулы образуемых соединений и формируемой кристаллической решётки. То есть, если рубидий потенциально способен формировать соединения с теми же элементами, что и калий, и кристаллическая структура таких соединений однотипна, то атомы рубидия способны замещать атомы калия в его соединениях.
Подразделение химических элементов на макро- и микроэлементы, а последних – на редкие и рассеянные имеет большое значение, так как в природе далеко не все химические элементы образуют самостоятельные соединения. Это присуще главным образом элементам с высокими кларками, или с низкими, но способным локально формировать высокие концентрации (то есть редким).
Нахождение в природе в рассеянном состоянии и повсеместно (только в различных концентрациях) – это свойство всех химических элементов. Этот факт впервые констатировал В.И. Вернадский, и он получил название закона рассеяния химических элементов Вернадского. Но часть элементов способна кроме рассеянной формы нахождения присутствовать в природе и в другой форме – в форме химических соединений. А элементы с низкими концентрациями присутствуют только в рассеянной форме.
Механизм гетеровалентного изоморфизма несколько более сложен. Впервые на наличие такого типа изоморфизма обратил внимание в конце XIX в. Г. Чермак. Он доказал, что очень сложные химические формулы, получаемые для большинства минеральных соединений класса силикатов, являются таковыми именно по причине гетеровалентного изоморфизма, когда взаимно замещают друг друга целые группы атомов. Такой тип изоморфизма очень характерен именно для силикатных соединений.
Другими вариантами нахождения рассеянных атомов элементов в земной коре являются их локализация в дефектах кристаллической решетки, в её полостях, а также - в сорбированном состоянии на поверхности других частиц, в том числе, и коллоидных.
Антропогенное воздействие на природу в настоящее время проникает во все сферы , поэтому необходимо кратко рассмотреть характеристику отдельных оболочек Земли.
Земля состоит из ядра, мантии, земной коры, литосферы, гидросферы и . За счет воздействия живого вещества и деятельности человека возникли еще две оболочки - биосфера и ноосфера, включающая техносферу. Деятельность человека распространяется на , гидросферу, литосферу, биосферу и ноосферу. Кратко рассмотрим эти оболочки и характер воздействия деятельности человека на них.
Общая характеристика атмосферы
Внешняя газообразная оболочка Земли. Нижняя часть контактирует с литосферой или , а верхняя - с межпланетным пространством. состоит из трех частей:
1. Тропосфера (нижняя часть ) и ее высота над поверхностью составляет 15 км. Тропосфера состоит из , плотность которого с высотой уменьшается. Верхняя часть тропосферы контактирует с озоновым экраном - слоем озона толщиной 7-8 км.
Озоновый экран предотвращает попадание на поверхность Земли (литосферу, гидросферу) жесткого ультрафиолетового излучения или космического излучения с высокой энергией, которые губительны для всего живого. Нижние слои тропосферы - высотой до 5 км от уровня моря - являются воздушной средой обитания, при этом наиболее плотно заселены самые нижние слои - до 100 м от поверхности суши или . Самое большое воздействие от деятельности человека, имеющее наибольшее экологическое значение, испытывает тропосфера и особенно ее нижние слои.
2. Стратосфера - средний слой , пределом которого является высота в 100 км над уровнем моря. Стратосфера заполнена разреженным газом (азотом, водородом, гелием и т.д.). Она переходит в ионосферу.
3. Ионосфера - верхний слой , переходящий в межпланетное пространство. Ионосфера заполнена частицами, возникающими при распаде молекул, - ионами, электронами и т.д. В нижней части ионосферы возникает «северное сияние», которое наблюдается в районах, находящихся за Полярным кругом.
В экологическом отношении наибольшее значение имеет тропосфера.
Краткая характеристика литосферы и гидросферы
Поверхность Земли, находящаяся под тропосферой, неоднородна - часть ее занята водой, которая образует гидросферу, а часть является сушей, образующей литосферу.
Литосфера - внешняя твердая оболочка земного шара, образованная каменными породами (поэтому и название - «литое» - камень). Она состоит из двух слоев - верхнего, образованного осадочными породами с гранитом, и нижнего, образованного твердыми базальтовыми породами. Часть литосферы занята водой (), а часть является сушей, составляющей около 30% земной поверхности. Самый верхний слой суши (в большинстве своем) покрыт тонким слоем плодородной поверхности - почвой. Почва является одной из сред жизни, а литосфера - субстратом, на котором проживают различные организмы.
Гидросфера - водная оболочка земной поверхности, образованная совокупностью всех водоемов, имеющихся на Земле. Толщина гидросферы различна на разных участках, но средняя глубина океана составляет 3,8 км, а в отдельных впадинах - до 11 км. Гидросфера является источником воды для всех организмов, живущих на Земле, она является мощной геологической силой, осуществляющей круговорот воды и других веществ, «колыбелью жизни» и средой обитания водных организмов. Антропогенное воздействие на гидросферу также велико и будет рассмотрено ниже.
Общая характеристика биосферы и ноосферы
С момента появления жизни на Земле возникла новая, специфическая оболочка - биосфера. Термин «биосфера» был введен Э. Зюссом (1875).
Биосфера (сфера жизни) - та часть оболочек Земли, в которых живут различные организмы. Биосфера занимает часть (нижнюю часть тропосферы), литосферы (верхнюю часть, включая почву) и пронизывает всю гидросферу и верхнюю часть донной поверхности.
Биосферу можно определить и как геологическую оболочку, населенную живыми организмами.
Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для нормальной жизнедеятельности организмов. Верхняя часть биосферы ограничена интенсивностью ультрафиолетового излучения, а нижняя - высокой температурой (до 100°С). Споры бактерий встречаются на высоте 20 км над уровнем моря, а анаэробные бактерии обнаружены на глубине до 3 км от земной поверхности.
Известно, что образованы живым веществом. Концентрацией живого вещества характеризуется плотность биосферы. Установлено, что наибольшая плотность биосферы характерна для поверхности суши и океана на границе соприкосновения литосферы и гидросферы с атмосферой. Очень высока плотность жизни в почве.
Масса живого вещества по сравнению с массой земной коры и гидросферы мала, но играет огромную роль в процессах изменения земной коры.
Биосфера - это совокупность всех биогеоценозов, имеющихся на Земле, поэтому она считается высшей экосистемой Земли. В биосфере все взаимосвязано и взаимообусловлено. Генофонд всех организмов Земли обеспечивает относительную стабильность и возобновляемость биологических ресурсов планеты, если в природные экологические процессы не будет резкого вмешательства различных сил геологического или межпланетного характера. В настоящее время, как это было указано выше, антропогенные факторы воздействия на биосферу приняли характер геологической силы, что необходимо учитывать человечеству, если оно хочет выжить на Земле.
С момента появления на Земле человека в природе возникли антропогенные факторы, действие которых усиливается с развитием цивилизации, и возникла новая специфическая оболочка Земли - ноосфера (сфера разумной жизни). Термин «ноосфера» впервые был введен Э. Леруа и Т. Я. де Шарденом (1927), а в России впервые в своих трудах использовал В. И. Вернадский (30-40-е гг. XX в.). В трактовке термина «ноосфера» различают два подхода:
1. «Ноосфера - это та часть биосферы, где реализуется хозяйственная деятельность человека». Автор этой концепции Л. Н. Гумилев (сын поэтессы А. Ахматовой и поэта Н. Гумилева). Эта точка зрения справедлива, если необходимо выделить в биосфере деятельность человека, показать ее отличие от деятельности других организмов. Такое понятие характеризует «узкий смысл» сущности ноосферы как оболочки Земли.
2. «Ноосфера - это биосфера, развитие которой направляется человеческим разумом». Данное понятие широко представлено в и является понятием в широком понимании сущности ноосферы, так как влияние человеческого разума на биосферу может носить как позитивный, так и негативный характер, причем последний очень часто преобладает. В состав ноосферы входит техносфера - часть ноосферы, связанная с производственной деятельностью человека.
На современном этапе развития цивилизации и численности народонаселения необходимо именно «разумно» влиять на Природу, оптимально воздействовать на нее с тем, чтобы приносить минимальный вред природным экологическим процессам, восстанавливать разрушенные или нарушенные биогеоценозы, да и на жизнедеятельность человека как составной части биосферы. Деятельность человека неизбежно вносит изменения в окружающий мир, но, учитывая возможные последствия, предвидя возможные негативные воздействия, необходимо сделать так, чтобы эти последствия были наименее разрушительными.
Краткая характеристика чрезвычайных ситуаций, возникающих на поверхности Земли, и их классификация
Важную роль в природных экологических процессах играют чрезвычайные ситуации, постоянно возникающие на поверхности Земли. Они разрушают местные биогеоценозы, и, если повторяются циклически, то в ряде случаев являются экологическими факторами, способствующими протеканию эволюционных процессов.
Ситуации, при которых затрудняется или становится невозможным нормальное функционирование большого количества людей или биогеоценоза в целом, называются чрезвычайными.
Понятие «чрезвычайные ситуации» в большей степени применимо к деятельности человека, но оно относится и к природным сообществам.
По происхождению чрезвычайные ситуации разделяют на природные и антропогенные (техногенные).
Природные чрезвычайные ситуации возникают в результате явлений природного характера. К ним относят наводнения, землетрясения, оползни, сели, ураганы, извержения и др. Рассмотрим некоторые явления, вызывающие чрезвычайные ситуации природного характера.
Это внезапное освобождение потенциальной энергии земных недр, приобретающее форму ударных волн и упругих колебаний (сейсмических волн).
Землетрясения возникают главным образом за счет подземных вулканических явлений, смещения пластов друг относительно друга, но могут иметь и техногенный характер и возникать за счет обвала выработок полезных ископаемых. При землетрясениях происходят смещения, колебания и вибрация горных пород от сейсмических волн и тектонических движений земной коры, что приводит к разрушению поверхности - появлению трещин, разломов и т. д., а также к возникновению пожаров, разрушению зданий.
Оползни - скользящее смещение пород вниз по уклону с наклонных поверхностей (гор, холмов, морских террас и т. д.) под действием силы тяжести.
При оползнях нарушается поверхность, гибнут биоценозы, разрушаются населенные пункты и т. д. Наибольший ущерб наносят очень глубокие оползни, глубина которых превышает 20 метров.
Вулканизмом (извержениями вулканов) называют совокупность явлений, связанных с движением магмы (расплавленной массы пород), горячих газов и паров воды, поднимающихся по каналам или трещинам земной коры.
Вулканизм является типичным природным явлением, вызывающим большие разрушения природных биогеоценозов, приносящим огромный ущерб хозяйственной деятельности человека, сильно загрязняющим прилегающего к вулканам региона. Извержения вулканов сопровождаются другими катастрофическими природными явлениями - пожарами, оползнями, наводнениями и др.
Сели - это кратковременные бурные паводки, несущие большое количество песка, гальки, крупного щебня и камней, имеющие характер грязекаменных потоков.
Сели характерны для горных районов и могут наносить значительный ущерб хозяйственной деятельности человека, служить причиной гибели различных животных и вызывать разрушение местных растительных сообществ.
Снежными лавинами называют обвалы снега, увлекающие за собой все новые и новые массы снега и других сыпучих материалов. Лавины бывают как природного, так и антропогенного происхождения. Они наносят большой ущерб хозяйственной деятельности человека, разрушая дороги, линии электропередач, вызывая гибель людей, животных и растительных сообществ.
Вышерассмотренные явления, являющиеся причиной возникновения чрезвычайных ситуаций, тесно связаны с литосферой. В гидросфере также возможны природные явления, создающие чрезвычайные ситуации. К ним относят наводнения и цунами.
Наводнения - это затопление водой местности в пределах речных долин, побережий озер, морей и океанов.
Если наводнения носят строго периодический характер (приливы, отливы), то в этом случае природные биогеоценозы приспособлены к ним как к среде обитания в определенных условиях. Но часто наводнения бывают неожиданными и связанными с отдельными непериодическими явлениями (избыточное выпадение снега зимой создает условия для возникновения обширных паводков, вызывающих затопление большой площади и т. д.). При наводнениях нарушаются почвенные покровы, может происходить заражение местности различными отходами за счет размыва их хранилищ, гибель животных, растений и людей, уничтожение населенных пунктов и т. д.
Гравитационные волны большой силы, возникающие на поверхности морей и океанов.
Цунами имеют природные и техногенные причины. К природным причинам относят землетрясения, моретрясения и подводные извержения вулканов, к техногенным - подводные ядерные взрывы.
Цунами вызывают гибель судов и аварии на них, что в свою очередь приводит к загрязнению природной среды, например, разрушение танкера, транспортирующего нефть, приведет к загрязнению огромной водной поверхности нефтяной пленкой, ядовитой для планктона и пеларгических форм животных (планктон - взвешенные мелкие организмы, живущие в поверхностном слое воды океана или другого водоема; пеларгические формы животных - животные, свободно перемещающиеся в толще воды за счет активного передвижения, например, акулы, киты, головоногие ; бентосные формы организмов - организмы, ведущие придонный образ жизни, например камбала, раки отшельники, иглокожие, прикрепленные к дну водоросли и др.). Цунами вызывают сильное перемешивание вод, перенос организмов в несвойственную им среду обитания и гибель.
В также происходят явления, вызывающие чрезвычайные ситуации. К ним относят ураганы, смерчи, различные виды бурь.
Ураганы - тропические и внетропические циклоны, у которых сильно понижено давление в центре, сопровождаются возникновением ветров, обладающих большой скоростью и разрушительной силой.
Различают слабые, сильные и экстремальные ураганы, которые вызывают появление ливней, морских волн и разрушение наземных объектов, гибель различных организмов.
Вихревые бури (шквалы) - атмосферные явления, связанные с возникновением сильных ветров, обладающих большой разрушительной силой и значительной территорией распространения. Различают снежные, пыльные и беспыльные бури. Шквалы вызывают перенесение верхних слоев почвы, их разрушение, гибель растений, животных, разрушение сооружений.
Смерчи (торнадо) - вихреобразная форма движения воздушных масс, сопровождающаяся возникновением воздушных воронок.
Сила смерчей велика, в области их движения наблюдается полное уничтожение почвы, гибнут животные, разрушаются постройки, предметы переносятся с одного места на другое, вызывая поражение объектов, находящихся там.
Кроме охарактеризованных выше природных явлений, приводящих к возникновению чрезвычайных ситуаций, существуют и другие явления, их вызывающие, причина которых - деятельность человека. К антропогенным чрезвычайным ситуациям относят:
1. Аварии на транспорте. При нарушении правил движения на различных магистралях (автомобильных, железнодорожных, речных, морских) происходит гибель транспортных средств, людей, животных и т. д. В природную среду попадают различные вещества, в том числе и те, которые приводят к гибели организмов всех царств (например, пестициды и др.). В результате аварий на транспорте возможно возникновение пожаров и попадание в газов (хлороводорода, аммиака, пожаро- и взрывоопасных веществ).
2. Аварии на крупных предприятиях. Нарушение технологических процессов, несоблюдение правил эксплуатации оборудования, несовершенство технологии могут служить причиной выброса в окружающую среду вредных соединений, вызывающих различные заболевания человека и животных, способствующих появлению мутаций в организмах растений и животных, а также привести к разрушениям зданий и возникновению пожаров. Наиболее опасны аварии на предприятиях, использующих . Большой вред наносят аварии на атомных электростанциях (АЭС), так как кроме обычных поражающих факторов (механические разрушения, выброс вредных веществ однократного действия, пожары) для аварий на АЭС характерно поражение местности радионуклидами, проникающей радиацией и радиус поражения в этом случае значительно превышает вероятность возникновения аварий на других предприятиях.
3. Пожары, охватывающие значительные территории лесов или торфяников. Как правило, такие пожары носят антропогенный характер из-за нарушения правил обращения с огнем, но могут иметь и природный характер, например за счет грозовых разрядов (молнии). Причиной подобных пожаров могут быть и нарушения в линиях электропередач. Пожары уничтожают на больших территориях природные сообщества организмов, наносят большой экономический ущерб хозяйственной деятельности человека.
Все охарактеризованные явления, нарушающие природные биогеоценозы, приносящие большой ущерб хозяйственной деятельности человека, требуют разработки и принятия мер по уменьшению их негативного воздействия, что реализуется при осуществлении природоохранных действий и борьбы с последствиями чрезвычайных ситуаций.
Земля имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер), – внутренних и внешних. К внутренним относится ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка земли – биосфера.
Классическое определение земных оболочек дал В.И. Вернадский: «… Более или менее правильные концентрические слои, охватывающие всю планету, меняющиеся с глубиной, в вертикальном разрезе планеты и отличающиеся друг от друга характерными для каждой, только ей свойственными особыми физическими, химическими и биологическими свойствами».
Литосфера (греч. «литос» – камень) – каменная оболочка Земли. Она состоит из земной коры и верхней части мантии (астеносферы). Земная кора состоит из огромных, плотно прилегающих друг к другу блоков (литосферные плиты), которые как бы «плавают» по поверхности мантии, медленно перемещаясь вместе с ней.
Поверхность литосферы отличается значительными неравномерностями, которые и определяют рельеф Земли. Наиболее крупными формами рельефа являются океанические впадины (обширные понижения, заполненные водой) и возвышающиеся массивы суши (континенты или материки) – Евразия, Африка, Австралия, Северная и Южная Америка, Антарктида.
Земная кора – важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, торф, нефть, газ, горючие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, пески, гравий и др.).
Гидросфера
(греч. «гидрор» – вода) – водная оболочка Земли, включающая все воды, находящиеся в жидком, твердом и газообразном состояниях. Гидросфера включает воды океанов, морей, подземные воды и поверхностные воды суши. Некоторое количество воды содержится в атмосфере и в живых организмах.
Свыше 96% объема гидросферы составляют моря и океаны, около 2% - подземные воды, около 2% - льды и снега, около 0,02% - поверхностные воды суши.
Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты, воздействует на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой и т.д.).
Атмосфера (греч. «атмос» – пар) – третья геосфера Земли, с которой связана биосфера, простирается над поверхностью литосферы и гидросферы и не имеет резкой верхней границы (до высоты 1000 км.), постепенно переходя в космическое пространство. Представляет собой газовую оболочку Земли, состоящую из азота (78,08% объема), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для процессов жизнедеятельности особенно важны: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества; диоксид углерода, используемый зелеными растениями в фотосинтезе; озон, создающий экран, защищающий земную поверхность от ультрафиолетового излучения. Атмосфера образовалась в результате мощной вулканической и горообразовательной деятельности, кислород появился значительно позднее как продукт фотосинтеза.
Обычно атмосферу представляют в виде совокупности слоев – тропосферы, стратосферы и ионосферы.
Тропосфера , заключающая в себе около 80% массы всей атмосферы и практически весь водяной пар, простирается до высоты приблизительно 9 км (на полюсах) – 17 км (на экваторе). Её роль особенно велика в формировании природной среды Земли. В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений. Над тропосферой простирается стратосфера , область холодного, разреженного воздуха толщиной приблизительно 20 км. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканическая пыль, а в прошлом и продукты ядерных взрывов в атмосфере. В нижней части стратосферы , простирающейся от верхней границы тропосферы до высоты около 50 км, располагается озоновый слой , для которого характерно повышенное содержание озона. Концентрация озона на высотах расположения озонового слоя 15–26 км более чем в 100 раз превышает его концентрацию у поверхности Земли. Озоновый слой отражает губительные для жизни космические излучения и ультрафиолетовые излучения Солнца. Выше стратосферы расположена мезосфера и ионосфера (термосфера ) – слой разреженного газа из ионизированных молекул и атомов и, наконец, экзосфера (внешняя оболочка).
Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, происходящими в литосфере и водной оболочке, показателем чего являются атмосферные явления: осадки, облака, туман, гроза, гололед, пыльная (песчаная) буря, шквал, метель, изморозь, роса, иней, обледенение, полярное сияние и др.
Практически все поверхностные (экзогенные) геологические процессы, обусловленные взаимодействием атмосферы, литосферы и гидросферы происходят, как правило, в биосфере.
Биосфера – внешняя оболочка Земли, в которую входят: часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы (до глубины 3 км). Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Крайних пределов биосферы достигают лишь низшие организмы – бактерии и представители царства вирусов. Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой) как и любая экосистема состоит из абиотической (воздуха, воды, горных пород) и биотической части или биоты , которая включает всю совокупность живых организмов, осуществляющих свою основную экосистемную функцию – биогенный ток атомов , благодаря своему питанию, дыханию, размножению. Тем самым они обеспечивают обмен веществом между всеми частями биосферы. Необходимыми условиями существования биосферы являются наличие воды в жидком состоянии и лучистой энергии Солнца.
Планета Земля состоит из литосферы (твердое тело), атмосферы (воздушная оболочка), гидросферы (водная оболочка) и биосферы (сфера распространения живых организмов). Между этими сферами Земли существует тесная взаимосвязь, обусловленная круговоротом веществ и энергии.
Литосфера. Земля представляет собой несколько сплюснутый у полюсов шар, или сфероид, с длиной окружности по экватору около 40 000 км.
В строении земного шара выделяют следующие оболочки, или геосферы: собственно литосферу (наружную каменную оболочку) мощностью около 50...120 км, мантию, простирающуюся до глубины 2900 км и ядро - от 2900 до 3680 км.
По наиболее распространенным химическим элементам, входящим в состав оболочки Земли, ее делят на верхнюю - сиаллитную, которая распространяется до глубины 60 км и имеет плотность 2,8...2,9 г/см, и симатическую, простирающуюся до глубины 1200 км и имеющую плотность 3,0...3,5 г/см 3 . Названия «сиаллитная» (сиал) и «симатическая» (сима) оболочки произошли от обозначений элементов Si (кремний), Аl (алюминий) и Mg (магний).
На глубине от 1200 до 2900 км находится промежуточная сфера, имеющая плотность 4,0...6,0 г/см 3 . Эту оболочку называют «рудной», так как в ней в большом количестве содержатся железо и другие тяжелые металлы.
Глубже 2900 км находится ядро земного шара радиусом около 3500 км. Ядро состоит в основном из никеля и железа и имеет большую плотность (10...12 г/см 3).
По физическим свойствам земная кора неоднородна, ее подразделяют на континентальный и океанический типы. Средняя мощность континентальной земной коры составляет 35...45 км, максимальная - до 75 км (под горными массивами). В верхней части ее залегают осадочные породы мощностью до 15 км. Эти породы образовались в течение длительных геологических периодов в результате смены морей сушей, изменения климата. Под осадочными породами располагается гранитный слой мощностью в среднем 20...40 км. Наибольшая мощность этого слоя в районах молодых гор, к периферии материка она уменьшается, а под океанами гранитный слой отсутствует. Под гранитным слоем находится базальтовый слой мощностью 15...35 км, он сложен базальтами и сходными с ними породами.
Океаническая земная кора имеет меньшую мощность, чем континентальная (от 5 до 15 км). Верхние слои (2...5 км) состоят из осадочных пород, а нижние (5... 10 км) - из базальта.
Материальной основой почвообразования служат осадочные породы, находящиеся на поверхности земной коры, небольшое участие в образовании почв принимают магматические и метаморфические породы.
Основную массу горных пород образуют кислород, кремний и алюминий (84,05 %). Если к этим трем элементам прибавить еще пять - железо, кальций, натрий, калий и магний, то в сумме они составят 98,87 % массы пород. На остальные 88 элементов приходится немногим более 1 % массы литосферы. Однако несмотря на малое содержание микро- и ультрамикроэлементов в породах и почвах, многие из них имеют большое значение для нормального роста и развития всех организмов. В настоящее время большое внимание уделяется содержанию в почве микроэлементов как в связи с их значением в питании растений, так и в связи с проблемами охраны почв от химического загрязнения. Состав элементов в почвах в основном зависит от их состава в горных породах. Однако содержание некоторых элементов в горных породах и образовавшихся на них почвах несколько изменяется. Это связано как с концентрацией элементов питания, так и с ходом почвообразовательного процесса, при котором происходит относительная убыль ряда оснований и кремнезема. Так, в почвах содержится больше, чем в литосфере, кислорода (соответственно 55 и 47 %), водорода (5 и 0,15 %), углерода (5 и 0,1 %), азота (0,1 и 0,023 %).
Атмосфера. Граница атмосферы проходит там, где сила земного притяжения компенсируется центробежной силой инерции, обусловленной вращением Земли. Над полюсами она расположена на высоте примерно 28 тыс. км, а над экватором - 42 тыс. км.
Атмосфера состоит из смеси различных газов: азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), аргона (0,93 %) и диоксида углерода (0,03 % по объему). В состав воздуха также входят в небольшом количестве гелий, неон, ксенон, криптон, водород, озон и др., которые в общей сложности составляют около 0,01 %. Кроме того, в воздухе содержатся водяные пары и некоторое количество пыли.
Атмосфера состоит из пяти основных оболочек: тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы, экзосферы.
Тропосфера - нижний слой атмосферы, имеет толщину над полюсами 8...10км, в умеренных широтах - 10...12 км, а в экваториальных широтах - 16...18 км. В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы. Здесь находится почти весь водяной пар атмосферы, формируются осадки и происходит горизонтальное и вертикальное перемещение воздуха.
Стратосфера распространяется от 8... 16 до 40...45 км. Она включает около 20 % атмосферы, водяной пар в ней почти отсутствует. В стратосфере имеется слой озона, который поглощает ультрафиолетовое излучение солнца и защищает от гибели живые организмы на Земле.
Мезосфера простирается на высоте от 40 до 80 км. Плотность воздуха в этом слое в 200 раз меньше, чем у земной поверхности.
Ионосфера располагается на высоте 80 км и состоит в основном из заряженных (ионизированных) атомов кислорода, заряженных молекул оксида азота и свободных электронов.
Экзосфера представляет собой внешние слои атмосферы и начинается с высоты 800...1000 км от поверхности Земли. Эти слои еще называют сферой рассеяния, так как здесь частицы газов движутся с большой скоростью и могут ускользать в космическое пространство.
Атмосфера - это один из незаменимых факторов жизни на Земле. Солнечные лучи, проходя через атмосферу, рассеиваются, а также частично поглощаются и отражаются. Особенно сильно поглощают тепловые лучи водяной пар и диоксид углерода. Под действием солнечной энергии происходит перемещение воздушных масс, формируется климат. Выпадающие из атмосферы осадки являются фактором почвообразования и источником жизни растительных и животных организмов. Содержащийся в атмосфере диоксид углерода в процессе фотосинтеза зеленых растений превращается в органическое вещество, а кислород служит для дыхания организмов и окислительных процессов, происходящих в них. Велико значение азота атмосферы, который улавливается азотофиксирующими микроорганизмами, служит элементом питания растений и участвует в образовании белковых веществ.
Под действием атмосферного воздуха происходят выветривание горных пород и минералов и почвообразовательные процессы.
Гидросфера. Большую часть поверхности земного шара занимает Мировой океан, который вместе с озерами, реками и другими водоемами, располагающимися на земной поверхности, занимает 5/8 ее площади. Все воды Земли, находящиеся в океанах, морях, реках, озерах, болотах, а также подземные воды составляют гидросферу. Из 510 млн км 2 поверхности Земли 361 млн. км 2 (71%) приходится на Мировой океан и только 149 млн. км 2 (29 %) - на сушу.
Поверхностные воды суши вместе с ледниковыми составляют около 25 млн км 3 , то есть в 55 раз меньше объема Мирового океана. В озерах сосредоточено около 280 тыс. км 3 воды, примерно половина приходится на пресные озера, а вторая половина - на озера с водами различной степени засоленности. В реках содержится всего лишь 1,2 тыс. км 3 , то есть менее 0,0001 % общего запаса воды.
Воды открытых водоемов находятся в постоянном круговороте, что связывает все части гидросферы с литосферой, атмосферой и биосферой.
Атмосферная влага активно участвует в водообмене, при объеме в 14 тыс. км 3 она образует 525 тыс. км 3 осадков, выпадающих на Землю, а смена всего объема атмосферной влаги происходит каждые 10 сут, или 36 раз в течение года.
Испарение воды и конденсация атмосферной влаги обеспечивают наличие пресной воды на Земле. С поверхности океанов ежегодно испаряется около 453 тыс. км 3 воды.
Без воды наша планета представляла бы собой голый каменный шар, лишенный почвы и растительности. Миллионы лет вода разрушала горные породы, превращая их в рухляк, а с появлением растительности и животных способствовала процессу почвообразования.
Биосфера. В состав биосферы входят поверхность суши, нижние слои атмосферы и вся гидросфера, в которых распространены живые организмы. Согласно учению В. И. Вернадского, под биосферой понимают оболочку Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены деятельностью живых организмов. В. И. Вернадский указывал, что «на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, поэтому более могущественной, чем живые организмы, взятые в целом». Жизнь в биосфере развивается в виде исключительного разнообразия организмов, населяющих почву, нижние слои атмосферы и гидросферу. Благодаря фотосинтезу зеленых растений в биосфере аккумулируется солнечная энергия в форме органических соединений. Вся совокупность живых организмов обеспечивает миграцию химических элементов в почвах, в атмосфере и гидросфере. Под действием живых организмов в почвах происходят газообмен, окислительные и восстановительные реакции. С газообменной функцией организмов связано происхождение атмосферы в целом. В процессе фотосинтеза в атмосфере произошло образование и накопление свободного кислорода.
Под влиянием деятельности организмов осуществляются выветривание горных пород и развитие почвообразовательных процессов. Почвенные бактерии участвуют в процессах десульфофикации и денитрификации с образованием сероводорода, сернистых соединений, оксида N(II), метана и водорода. Построение растительных тканей происходит благодаря избирательному поглощению биогенных элементов растениями. После отмирания растений эти элементы накапливаются в верхних горизонтах почвы.
В биосфере протекают два противоположных по своей направленности круговорота веществ и энергии.
Большой, или геологический, круговорот происходит под влиянием солнечной энергии. В круговорот воды вовлекаются химические элементы суши, которые поступают в реки, моря и океаны, где они откладываются вместе с осадочными породами. Это безвозвратная потеря из почвы важнейших элементов питания растений (азота, фосфора, калия, кальция, магния, серы), а также микроэлементов.
Малый, или биологический, круговорот происходит в системе почва - растения - почва, при этом из геологического круговорота изымаются элементы питания растений и сохраняются в гумусе. При биологическом круговороте происходят циклы, связанные с кислородом, углеродом, азотом, фосфором и водородом, которые непрерывно циркулируют в растениях и окружающей среде. Часть из них изымается из биологического круговорота и под действием геохимических процессов переходит в осадочные породы или переносится в океан. Задача земледелия заключается в создании таких агротехнических систем, в которых биогенные элементы не поступали бы в геологический круговорот, а закреплялись в биологическом круговороте, поддерживая почвенное плодородие.
Биосфера состоит из биоценозов, представляющих собой однородную территорию с однотипным растительным сообществом вместе с населяющим ее животным миром, включая микроорганизмы. Биогеоценоз характеризуется свойственными для него почвами, водным режимом, микроклиматом и рельефом. Естественный биогеоценоз относительно устойчив, для него характерна саморегулирующая способность. Виды, входящие в биогеоценоз, приспосабливаются друг к другу и окружающей среде. Это сложный относительно устойчивый механизм, способный путем саморегулирования противостоять изменениям в среде. Если изменения в биогеоценозах превышают их саморегулирующую способность, то может наступить необратимая деградация этой экологической системы.
Сельскохозяйственные земли являются искусственно организованными биогеоценозами (агробиоценозы). Эффективное и рациональное использование агробиоценозов, их устойчивость и продуктивность зависят от правильной организации территории, системы земледелия и других социально-экономических мероприятий. Для обеспечения оптимального воздействия на почвы и растения необходимо знать все взаимосвязи в биогеоценозе и не нарушать экологическое равновесие, сложившееся в нем.