Беломестных В.Н., Теслева Е.П., Чинахов Д.А. Основы современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

111

относительного возраста пород введены термины: эра (чрезвычайно

продолжительный промежуток времени, сотни млн. лет), период, эпоха,

век, время (табл. 12).

Таблица 12

Геохронологическая шкала

ЭРЫ ПЕРИОДЫ преобладающие формы жизни возраст

млн. лет

Человек

Кайно-

зойская

Четвертичный (ан-

тропоген)

Неоген

Палеоген

МЛЕКОПИТАЮЩИЕ

Мезо

зой-

ская

Мел

Юра

Триас

ПРЕСМЫКАЮЩИЕСЯ

АММОНИТЫ

“ВЕК” ЗЕМНОВОДНЫХ

“ВЕК” РЫБ

Палеозой-

ская

Пермь

Карбон

Девон

Силур

Ордовик

Кембрий

БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ

с жестким скелетом

Венд Бесскелетные беспозвоночные

Позд-

ний

Рифей

Протерозой-

ская

Ран

ний

ОДНОКЛЕТОЧНЫЕ

Первые

ОДНОКЛЕТОЧНЫЕ(?)

Архей-

ская

Древнейшие времена в истории Земли, начинающиеся образовани-

ем первых осадочных пород, называют архейской эрой. В образованиях

архейской эры присутствуют углерод в виде гранита и мощные слои из-

вестняка, скорее всего, образовавшиеся из органического известкового

ила. Это дает основание считать, что в архее (нижнем из двух подразде-

лений докембрийского периода) уже

появилась жизнь. Начало архей-

ской эры отстоит от нас не менее, чем на 2 млрд. лет. Именно в это вре-

мя началось формирование жизни на Земле.

Следующий отрезок времени, в течение которого образовались

осадочные породы, не так сильно измененные, как архейские, и содер-

жащие уже явные остатки растений и животных, называют

протеро-

зойской (ранней) эрой. Эта эра имела продолжительность не менее 600

млн. лет.

После протерозойской эры начинается палеозойская эра, эра древ-

ней жизни, уже содержащая многочисленные остатки разнообразной и

1,8

250

354

417

540

600

2500

4000

112

быстро развивающейся жизни. Они позволяют делить эту эру на перио-

ды кембрийский, силурский, девонский, каменноугольный и пермский.

В кембрийском периоде жизнь сосредотачивалась в воде, суша

представляла собой пустыни. Появились ракообразные, из растений

господствовали водоросли. Силурский период заканчивает господство

морской жизни. Появляются первые сухопутные животные (скорпионы)

и растения. Девонский период отличается значительным

распростране-

нием наземных растений. Во время каменноугольного периода возникло

необычайное разнообразие наземных растений, образовались огромные

леса, создавшие мощные и многочисленные пласты каменного угля.

Пермский период характеризуется, в противоположность каменно-

угольному, сухим и холодным климатом, вызвавшим обширное оледе-

нение в южном полушарии, развитие пустынь, сокращение морей, обра-

зование мощных отложений солей

в северном полушарии.

Палеозойская эра имела продолжительность не менее 300 млн лет.

Следующая эра, мезозойская, делится на периоды триасовый, юр-

ский и меловой. Она отличается сильным развитием пресмыкающихся,

моллюсков, хвойных растений.

Триасовый период был временем относительного спокойствия зем-

ной коры. В конце периода появились первые млекопитающие. Юрский

период характеризуется развитием горообразовательных

процессов,

распространением земной флоры. По запасам угля он стоит на втором

месте после каменноугольного. Пресмыкающиеся достигли господства

на суше и в морях. Появились первые птицы. Меловой период характе-

рен дальнейшим усилением горообразования. Появились первые лист-

венные деревья.

Мезозойская эра имеет продолжительность не менее 100 млн. лет.

За ней следует кайнозойская эра,

или эра новой жизни, начавшаяся

около 70 млн. лет назад. Она делится на два периода – третичный и

четвертичный. В течение этой эры земная поверхность, распределение

материков и океанов, возвышенностей и низменностей дошли до совре-

менного состояния. Место пресмыкающихся, господствовавших в мезо-

зойской эре, заняли млекопитающие и птицы. Во время третичного пе-

риода

рельеф Земли приблизился к современному виду. Первую эпоху

оледенения относят к этому времени. Четвертичный период, продол-

жающийся и в настоящее время, характеризовался сменами похолода-

ния и потепления (три ледниковых эпохи). В середине четвертичного

периода появился человек!

Эволюция земной коры и эволюция живого на ней взаимосвязаны и

взаимозависимы. На весь ход

миграции химических элементов, струк-

туру коры все сильнее влияло живое вещество.

113

Лекция 15. ЛАНДШАФТНАЯ ОБОЛОЧКА

Мудрый человек сливается с природой,

Поэтому ничто не может ему повредить!

Притчи человечества. “Даосская традиция”.

Ландшафтная оболочка является зоной наиболее активной деятель-

ности живого вещества и важнейшей подсистемой геосферы. Ее толщи-

на не превышает нескольких сотен метров. Характер солнечно-земных

связей и рельеф поверхности определяют зональность распределения

животного и растительного мира, пригодность отдельных ее областей к

проживанию и производственной деятельности человека. Геосфера (или

географическая оболочка),

в свою очередь – это глобальный природный

комплекс Земли, представляющий собой тонкий слой (50 – 60 км) на

границе литосферы, гидросферы и атмосферы и включающий биосферу.

Это область наиболее интенсивного взаимодействия всех сфер Земли. В

геосфере существует и развивается человечество. Благодаря живому

веществу и производственной деятельности человека в ней более интен-

сивно, чем в других

оболочках, идут процессы обмена веществом, энер-

гией и информацией. Хрупкое подвижное равновесие геосферы под-

держивают естественные круговороты. Но в последние два столетия в

них активно встраиваются техногенные циклы, что в значительной ме-

ре смещает природное равновесие в сторону неустойчивости.

Верхней границей литосферы, граничащей с атмосферой, является

почва – особое образование, сформировавшееся

из продуктов жизне-

деятельности и разложения организмов, изменения под действием жи-

вых организмов, солнечного тепла, ветра и воды горных пород.

Почву можно изучать с точки зрения геологии как инертный неор-

ганический материал, не подверженный изменениям. И только в 1870 г.

основоположник учения о почвах В.В. Докучаев доказал, что почва по-

стоянно изменяется и развивается, в ее активной зоне идут физические,

химические и биологические процессы. Образование почвы и развитие

растительного покрова и животного мира неразрывно и взаимно обу-

словлены. Почва – самостоятельное природное тело, образующееся из

поверхностных (“дневных”) слоев разнообразных горных пород под со-

вместным влиянием воды, воздуха, различных организмов (живых и

мертвых

). Докучаев выделил пять главных почвообразующих факторов:

климат, геологическая основа (материнская горная порода), топография

(рельеф местности), биологические факторы (главным образом расти-

тельность и микроорганизмы) и время (продолжительность процесса

почвообразования).

Основное и специфическое свойство, отличающее почву от горной

114

породы – плодородие. Почва обеспечивает необходимыми условиями

произрастающие на ней растения и обитающих в ней животных. Есте-

ственное плодородие почвы определяют природные запасы минераль-

ных и питательных веществ и естественный гидротермический режим.

Искусственное плодородие почвы определяется внесением удобрений

и проведением комплекса агротехнических мероприятий. Эффектив-

ное плодородие определяется как совокупность естественного и

искус-

ственного, реализуемого при получении урожая. Эффективность плодо-

родия зависит от уровня развития науки и техники.

В состав почвы входят четыре компонента. Минеральная основа

(до 60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воз-

дух (до 25%) и вода (до 35%). Кроме того, есть и биотический компо-

нент, организмы, населяющие почву. Минеральный скелет почвы

обра-

зовался из материнской породы в результате ее выветривания. В соот-

ветствии с международной классификацией, классы почв различаются

по размеру частиц (табл. 13).

Таблица 13

Классификация почв

Глина Ил Мелкий песок Крупный песок Гравий

0,002 мм 0,02 мм 0,2 мм 2 мм

Площадь поверхности 1 г глинистых минералов достигает 100 мм

Именно на этой поверхности сосредоточены основные запасы пита-

тельных веществ. Идеальная почва должна содержать примерно равные

количества песка и глины в сочетании с частицами промежуточных

размеров. В этом случае образуется пористая структура (суглинок). С

хозяйственной точки зрения почвы иногда относят к тяжелым (глины) и

легким (пески). Органическое вещество почвы образуется

в результате

жизнедеятельности живых организмов. Частично разложившиеся орга-

нические остатки носят название подстилки, конечный продукт разло-

жения получил название гумуса. Почвенный воздух, как и почвенная

вода, находится в порах между частицами почвы и определяет жизне-

деятельность почв, частей растений и микроорганизмов. Газ и вода в

почве антагонисты. Состав газовой среды почвы

сильно отличается от

состава атмосферы. Содержание углекислого газа > на один – два по-

рядка, кислород может почти отсутствовать (до 1%). Из почвы выделя-

ются СО

, Н

, метан, соединения азота, летучие органические соедине-

ния. Рассмотрим факторы образования почвы (рис. 28).

115

Климат и выветривание. Физическое и химическое разрушение

материнской породы под влиянием климата и, в меньшей мере, живых

организмов называется выветриванием. Наиболее важные факторы, вы-

зывающие выветривание, вода и тепловые колебания. Суточные коле-

бания температуры ведут к изменению линейных размеров горных по-

род и их разрушению. Если в трещинах камней есть

вода, то, замерзая,

она создает огромные усилия, разрушающие породу. Перемещение вет-

ром, водой, льдом мелких частиц ведет к эрозии незащищенных по-

верхностей. Химическое выветривание связано с действием биологиче-

ских и климатических факторов. Оно обычно ускоряется при повыше-

нии температуры. Вода действует как растворитель и реагент в процессе

разложения некоторых минералов. Особенно

подвержены эрозии поро-

ды, слабо растворимые в воде (мел, известняк, состоящие из карбоната

кальция). Эффективность воды как растворителя возрастает при раство-

рении в ней двуокиси углерода и образовании слабого раствора уголь-

ной кислоты. Некоторые растения (в частности – лишайники),

Рис.28. Факторы почвообразования

способные расти на скальных поверхностях, вносят свой вклад в их раз-

рушение. Температурный режим и осадки являются важнейшими кли-

матическими факторами, вызывающими выветривание. Если количест-

во осадков превышает испарение, в почве может начаться процесс вы-

щелачивания и заболачивания. В противном случае происходит иссу-

шение почвы, питательные вещества поднимаются в растворе

на по-

верхность, скудеет растительный покров. Это ведет к уменьшению об-

разования гумуса и падению плодородия почвы.

Материнская порода – определяет процессы почвообразования.

Из гранитов и базальтов при выветривании формируются силикаты и

Климат

Почва

Топография

Организмы

Материнская

Выветривание

Количество гумуса

и его природа

Химический состав

и размер частиц

Микроклимат

Минеральные

вещества

Вода

Устойчивость

к выветриванию

Выветривание

Влажность

Температура

Свет

Осадки, температура

Вымывание

Гидролиз

Мощность

слоя

Дренаж

116

глины. Осадочные породы приводят к формированию песчаников, мела

и известняка. Метаморфические породы наиболее слабо подвержены

выветриванию.

Топография. Влияние топографии связано с тем, что на разной вы-

соте, при различной крутизне и экспозиции (ориентации на части света)

склонов условия различны. Рельеф местности влияет на местный кли-

мат и дренаж. Дренаж обычно

лучше на склонах, а по направлению к

низине или дну долины он постепенно ухудшается. В случае постоянно-

го переувлажнения там может образоваться торф. Со склонов часть во-

ды стекает, смывая продукты выветривания, поэтому слой почвы на

склонах тоньше. Кроме того, почва медленно сползает вниз под дейст-

вием силы тяжести. Рельеф местности

, влияя на такие климатические

факторы, как выпадение осадков и температура, косвенно сказывается и

на процессе почвообразования. На солнечных склонах температура вы-

ше, поэтому они суше, здесь быстрее образуется почва. Наветренные

склоны обычно влажнее подветренных.

Организмы. Живые организмы непосредственно участвуют в фор-

мировании подстилки и гумуса. Микроорганизмы определяют процессы

разложения в

почве. Живые организмы (черви) улучшают аэрацию поч-

вы, ее структуру, облегчают рост корневой системы растений.

Деятельность человека. Хрупкое динамическое равновесие зре-

лой почвы может быть нарушено при использовании ее для сельскохо-

зяйственных нужд: разрушается структура почвы, истощаются залежи

питательных веществ, начинается эрозия. Структура почвы особенно

страдает при обработке почвы тяжелыми

машинами и выпасе скота.

При этом уменьшаются размеры почв, пор, ухудшаются аэрация и дре-

наж. Распашка почвы может привести к ветровой и водной эрозии. Точ-

но такие последствия могут быть и при вырубке лесов, особенно это

опасно для тропических лесов с очень тонким слоем почвы. Например,

в некоторых районах бассейна

Амазонки началась массовая эрозия

почв, сопровождающаяся заливанием рек.

Глобальные функции покрова. Формирование почвенного покрова

Земли связано с существенным изменением поверхностных слоев гид-

росферы и атмосферы. Поэтому можно говорить о глобальных функци-

ях почвенного покрова (педосферы).

Преобразовательная функция почвы проявляется в появлении ор-

ганических кислот, взаимодействие которых с материнскими породами

литосферы

ведет к быстрому разрушению последних. Эта функция рас-

пространяется и на атмосферу. Разные почвы по-разному отражают и

поглощают солнечное излучение. Бурые суглинки отражают не более

20%, свежераспаханные черноземы – до 7%, солончаки – до 35% сол-

117

нечной радиации.

Вещество Земли находится в постоянном круговороте. Можно вы-

делить два основных типа таких круговоротов – геологический и биоло-

гический, различающихся темпами протекающих процессов. На фоне

медленных, протекающих сотни млн. лет геологических преобразова-

ний происходят быстрые биологические процессы. При этом почва яв-

ляется связующим звеном между ними.

Поставляющая функция педосферы связана

с преобразованием

материнских пород и формированием осадочных пород в морях и океа-

нах. От почвы зависит, какая часть атмосферных осадков поступит в ре-

ки: чем более структурирована почва, тем меньше поверхностные стоки.

Поступление твёрдого вещества и микроорганизмов в атмосфере

связано с ветровой эрозией. Попадающие в атмосферу почв частицы по-

глощают

солнечную радиацию, ухудшают качество воздуха. Источни-

ком большей части бактерий, присутствующих в атмосфере служит

почва. Восходящие потоки воздуха могут поднимать микроорганизмы

до озонового пояса и переносить частицы на тысячи км. В приземных

слоях воздуха отмечено около 1200 видов бактерий, 40000 видов спор

грибов, 100000 видов пыльцы цветочных растений. О силе проявления

почвенной функции как

аккумулятора и источника вещества и энергии

для организмов суши можно судить по затратам энергии на процесс

почвообразования и накоплению энергии в растительном веществе. В

таблице 14 приведена эффективность преобразования энергии (КПД),

рассчитанная как отношение затраченной и аккумулированной энергии.

Видно, что наибольшая эффективность преобразования энергии наблю-

дается в зоне влажных тропиков и

субтропиков.

Таблица 14

Затраты энергии на почвообразование и энергия, накопленная в расти-

тельном веществе

Природная зона Затраты

энергии

Накопленная

энергия

кпд, %

(кДж/см

в год)

Тундры и пустыни 200 – 1150 1 – 14 0,5 – 1,2

Черноземные степи 3500 – 7500 35 – 90 1,0 – 1,2

Влажные субтропики 10000 – 14000 150 – 400 1,5 – 3

Влажные тропики 14000 –18000 400 – 900 3 – 5

Основной источник вещества и энергии для организмов суши – гу-

118

мус. Его количество в педосфере оценивается в 2500 млрд. тонн. За по-

следнее столетие потери почвы составляют 400 млрд. т. (около 300 т. с

км

поверхности Земли, включая океаны и полюса).

Передающая функция почвы состоит в том, что почва, являясь

границей между литосферой и атмосферой, участвует в передаче веще-

ства и энергии между ними. В процессе почвообразования происходит

поглощение газов, перевод их в нерастворимые соединения и формиро-

вание осадочных пород. Почвенный покров, связывая газы, ограничива-

ет выход в космос водорода, азота, кислорода. Перевод азота в литосфе-

ру осуществляется некоторыми бактериями.

Защитная функция педосферы. До 25 млрд. т. почвенного слоя в

год (в том числе из-за деятельности человека около 10 млрд. т) перено-

сится ветром и водой в океан. Почва и растительный покров замедляют

этот процесс. Частицы

почвы в состоянии связывать многие вредные

соединения при их миграции в водоемы. Сорбционная способность почв

огромна. Для ряда химических элементов (рубидия, цезия и др.) это

фактически единственный механизм природной концентрации. Однако

интенсивные выбросы промышленных предприятий приводят к отрав-

лению почв и формированию огромных территорий промышленного за-

грязнения. Целостный почвенный покров в

физических и химических

планах выступает как защитный барьер и условие нормального функ-

ционирования всех оболочек Земли.

Регулирующая функция педосферы определяется, как и предыду-

щие, особым ее положением как границы между литосферой и атмосфе-

рой. В структуре глобального круговорота Земли особое место занима-

ют процессы локального испарения с поверхности почвы. На

Европей-

ской части России, осадки, выпадающие за счет местного испарения,

составляют до 12%. Почва способствует росту общего количества водя-

ного пара, поступающего в атмосферу, и выравнивает процесс обеспе-

чения влагой конкретных территорий.

Прямое участие почвы в регулировании газового состава атмосфе-

ры связано с деятельностью почвенных микроорганизмов. Потребление

кислорода 1га почвы достигает 4000 л

. в час. Примерно столько же вы-

деляется углекислого газа. Влажность почвы значительно влияет на га-

зообмен. Почва является ресурсом, необходимым для производства

продуктов питания. Исследования показали, что на земном шаре имеет-

ся самое большее 3,2 млрд. га, потенциально пригодных для ведения

сельского хозяйства. На сегодняшний день примерно половина, причем

самая богатая

и доступная, уже возделывается. По оценкам специали-

стов, стоимость освоения 1 га новых земель колеблется от 200 до 6000

долларов США.

119

Лекция № 16. ГИДРОСФЕРА И ЗАГАДКИ ВОДЫ

Формулу счастья ищите … в воде.

Шварцев С.Л., профессор ТПУ

Вода в нашей жизни – самое обычное, самое распространенное и

самое необычное вещество. Вода в нашем сознании является прообра-

зом всех жидкостей и авторы этой книги, например, не скрывают того

факта, что сами они на 80% состоят из воды. Тем не менее вода – одно

из самых удивительных веществ. Дело в том, что

трудно назвать какое-

либо ее свойство, которое не было бы аномальным. Всем известна ано-

малия плотности. Она двоякая. Во-первых, после таяния льда плотность

увеличивается, проходит через максимум при 4°С и только затем

уменьшается с ростом температуры (в обычных жидкостях плотность

всегда уменьшается с температурой). Вторая аномалия плотности со-

стоит

в том, что плотность воды больше плотности льда (лед плавает в

воде). Переохлажденная вода остается в жидком состоянии ниже точки

замерзания 0°С (в капиллярах или в виде эмульсии). Сжимаемость воды

проходит через минимум при 45°С (в обычных жидкостях она линейно

растет с температурой). Вода является абсолютным рекордсменом среди

всех веществ

по скачку теплоемкости при плавлении: в два раза увели-

чивается теплоемкость при плавлении льда, тогда как при плавлении

других кристаллов увеличение теплоемкости никак не более 10%. Ди-

электрическая проницаемость воды 81, а у керосина, например, всего 2,

у масла 5. Необычные, а часто и уникальные свойства воды обусловле-

ны особенностями ее структуры. Существуют

несколько десятков моде-

лей структуры воды, но ни одна из них не описывает весь набор ее ано-

мальных свойств. Наиболее реалистичной картиной структуры воды яв-

ляется случайная четырежды координированная сетка водородных свя-

зей.

“Великое множество вещей возникает из воды и возвращается в

воду”, – считал древнегреческий мыслитель Фалес. Воду еще с

древних

времен рассматривали как основу жизни. У Аристотеля она входила в

число четырех “начал”, и ее соединения с другими “началами” (землей,

огнем, воздухом) порождало все многообразие мира. Изучение молеку-

лярной структуры вещества привело к пониманию исключительной ро-

ли воды растворителя, способного образовывать связи с частицами

практически всех веществ. Уникальные свойства воды

связаны с малым

размером молекулы и ее полярностью (неравномерным распределением

электрического заряда в молекуле), наличием слабых водородных свя-

зей. Удивительное свойство воды, способность при стандартных усло-

120

виях быть жидкостью, определяет наличие жизни на Земле. Действи-

тельно, ближайшие, более тяжелые химические аналоги воды – гидриды

серы (H

S) и селена (H

Se) – являются газами при комнатной темпера-

туре и атмосферном давлении. Вода должна была бы существовать в

жидком виде в интервале от – 80°С до – 95° С. Но это не так. Твердая

вода (лед) легче жидкой. Это свойство тоже уникально. Впервые на него

обратил внимание еще Галилей. Именно эта особенность воды обеспе-

чивает

сохранение жизни в водоемах зимой.

Тепловые свойства воды оказались уникальными для существова-

ния жизни. Испарение воды требует значительных затрат энергии, по

сравнению с другими веществами скрытая теплота испарения необы-

чайно велика. Велика и скрытая теплота кристаллизации. Это дает воз-

можность стабилизации температуры в условиях, близких к благопри-

ятным для живых

организмов. Из-за большой теплоемкости требуется

значительная энергия для небольшого изменения температуры воды.

Моря и океаны являются гигантскими термостатами, сглаживающими

суточные и сезонные колебания температуры. Причем не только такие

большие массы воды как моря, способны сглаживать эти колебания.

Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь

связаны с отсутствием водяных паров

в воздухе. Одно и то же количе-

ство солнечной энергии нагревает песок в 5 раз быстрее, чем такое же

количество сухого воздуха. Сухой воздух лишен водяного пара, способ-

ного сдержать быстрое ночное охлаждение песка. Высокое поверхност-

ное натяжение воды обеспечивает не только жизнь микроорганизмов на

поверхности, но и способность движения растворов

по мелким сосудам

в живых организмах. Вода в растворах играет основную роль в сущест-

вовании жизни. Более 90% массы живой клетки приходится на долю

молекул воды. Действительно, основная часть реакций в живой клетке

идет в растворе, где ионы и молекулы получают возможность относи-

тельно свободного движения. Вода участвует в транспортировке веще-

ства

по живому организму, обеспечивает стабильные условия для оби-

тания многих клеток и организмов.

Вода является участником процесса обмена веществ (метаболиз-

ма). При фотосинтезе она служит источником водорода и участвует в

реакциях гидролиза. Она одновременно и среда, в которой протекают

все биохимические процессы, и их участник. Вода – слабый электролит.

Даже

в сверхчистой воде одна молекула из 5 млрд. диссоциирует на

гидроксиданион

ОH

−

и катион

H . Земля непрестанно получает энер-

гию от Солнца. Одновременно она излучает энергию в космическое

пространство. Если оценить разницу этих двух процессов, то получится

следующее. В Северном полушарии (между 38-й параллелью и полю-