Общие сведения о структуре оболочек Земли и о биосфере

Наружная оболочка Земли может быть представлена как система мощных пластов, или сфер, облекающих друг друга. Различают литосферу (твердую оболочку), гидросферу (жидкую оболочку) и атмосферу (газообразную оболочку). Общее расположение сфер более или менее концентрическое, но все они в той или иной мере проникают друг в друга, так что границы их не всегда достаточно четки. Те части сфер, которые заселены живыми организмами, называются биосферой (сфера жизни). Таким образом, биосфера охватывает верхние горизонты литосферы, гидросферу и нижние слои атмосферы. В среднем верхняя граница биосферы простирается на высоты 10 - 12 км от поверхности Земли, а нижняя -до глубины 2 - 3 км. Впрочем, границы биосферы иногда понимают и в узком смысле - как "пленку жизни", сферу максимального сосредоточения живых организмов. Мощность этого слоя не превышает десятков, иногда сотен метров. Наиболее полно учение о биосфере разработано в трудах выдающегося советского ученого В. И. Вернадского.

Биосфера, по В. И. Вернадскому, включает следующие основные элементы: живое вещество, биогенное вещество, косное вещество, биокосное вещество. Под живым веществом он понимал совокупность живых организмов, а под биогенным веществом - трансформируемые организмами вещества, такие как газы атмосферы, известь, каменный уголь и др. Косное вещество - это минеральные массы, а биокосное вещество - это почва, вода, кора выветривания, которые образуются в результате деятельности организмов и сил неживой природы. Биосфера представляет гигантскую систему, которая образовалась и функционирует в результате притока энергии Солнца и взаимодействия живого вещества литосферы, гидросферы, атмосферы.

Внутри перечисленных основных сфер выделяются по тем или иным признакам сферы второго порядка. Так, нижний слой атмосферы называют тропосферой. Высота его достигает на экваторе 17 км, а у полюсов - 9 км. Здесь сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар. В результате циркуляции атмосферы происходит движение воздушных масс и водяных паров, содержание которых достигает в среднем объеме 0,001%. Исследованиями установлено, что ежегодно с января до июля из Северного полушария переходит в Южное около 4 трлн. т воздуха, а со второй половины года, наоборот, из Южного полушария воздух перемещается в Северное.

Плотность тропосферы и других слоев атмосферы сильно снижается с высотой. На уровне моря она составляет около 0,001 г/см², т. е. почти в 1000 раз меньше по сравнению с плотностью воды. Несмотря на малую плотность, тропосфера является одним из необходимых факторов существования жизни на Земле, так как она регулирует местный климат. Наибольшее экологическое значение имеют приземные слои воздуха.

Выше тропосферы лежит ряд других сфер (стратосфера, ионосфера и др.). Здесь живое вещество отсутствует.

Внутри биосферы Е. М. Лавренко выделяет фитогеосферу. В ней основным накопителем энергии являются растения. Фитогеосфера включает в себя нижний слой тропосферы, почву, подпочву. На суше мощность фитогеосферы обычно не более 100 - 150 м. В морях и океанах фитогеосфера может простираться до огромных глубин - порядка 10 км и больше.

Внутри литосферы, т. е. твердой оболочки Земли, сверху вниз различают три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. Самой значительной величины, порядка 50 - 75 км, литосфера достигает в области горных хребтов. На равнинах величина ее сокращается до 30 - 40 км. Только верхние горизонты литосферы, до глубины не более 1 - 1,5 м, подвержены совокупному влиянию климата, растительности, животного мира. Здесь у самой поверхности литосферы формируется "природно-историческое тело" (выражение Докучаева) - почва. Именно почва представляет собой величайшую производительную силу, издревле используемую человечеством. Потому и антропогенное влияние на почву наиболее ощутимо.

Гидросферой называют совокупность водных масс, которые образуют прерывистую водную оболочку Земли. Она размещена между литосферой и атмосферой. Объем водной толщи составляет, по подсчетам различных авторов, от 1 345 102 до 1 454 643 км³. Самые большие запасы воды в мире сосредоточены в океанах и достигают, по различным подсчетам, от 1 300 000 до 1 370 323 км³, или от 94 до 97% общего объема, но из-за большой солености она практически мало используется человеком.

Наряду с атмосферной влагой воды Мировой акватории играют важную роль в регулировании температурного режима, сверх того они выполняют важную роль в круговороте веществ.

Помимо поверхностных, значительное количество воды находится в литосфере, в толще горных пород и почв. Подземные воды разделяют на верховодку, грунтовые воды и артезианские. Между верховодкой и грунтовыми водами нет резких границ. Они залегают на небольших глубинах, преимущественно в материнских почвообразующих породах (верховодка), в рыхлых осадочных породах. Грунтовые воды образуют сплошной водоносный горизонт. Поскольку грунтовые воды хорошо связаны с поверхностными, постольку они сверху не прикрыты щитом водонепроницаемых пород.

К артезианским относят воды, залегающие между пластами водонепроницаемых пород, располагающиеся обычно на значительной глубине; их вскрывают бурением, и они часто фонтанируют. Для растительного покрова наибольшее значение имеют верховодка и грунтовйе воды, часто находящиеся в прямой связи с корневой системой растений.

Все сферы, образующие оболочку Земли, охвачены круговоротом вещества и энергии. Это обеспечивает многократность процессов, протекающих на Земле при ограниченных вещественных и энергетических затратах. Важное значение для жизни растительного покрова имеют большой, или геологический, круговорот и малый, иначе биологический.

Первый более ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы, второй - в жизненных процессах биосферы. Биологический круговорот веществ развивается на основе большого и имеет ряд циклов. Циркуляция веществ происходит между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. В результате жизнедеятельности организмов происходит круговорот углерода, кислорода, азота, фосфора, водорода и других элементов, которые непрерывно циркулируют в живых организмах и среде (рис. 28).

Рис. 28. Круговорот углерода, кислорода и воды в природе

Конечно же, оба круговорота веществ (большой геологический и малый биологический) нерасторжимы. Большой круговорот включает в себя геологические, гидрологические, геохимические, атмосферные процессы. Из них первостепенную роль приобретают физические и химические факторы, особенно водной и воздушной миграции и аккумуляции. Важнейшей особенностью эволюции биосферы, определившей непрерывность жизненных процессов, явилось именно вовлечение в биологический круговорот всех необходимых элементов.

Так, например, при отсутствии только зольного (минерального) питания космическая роль зеленых растений - трансформации энергии солнечного луча в химическую была бы невозможна.