ТЕМА 7. СТРУКТУРА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ

Литосфера - это внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору и часть верхней мантии Земли и состоит из осадочных (глина, известняки, сланцы), магматических (гранит, базальт, туф, кальцит, доломит) и метаморфических (кварцит, мрамор, тальк, полевой шпат, слюда) пород.

Верхняя граница литосферы - земная кора - важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горючие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и неметаллические (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые.

Толщина коры под континентами составляет в среднем 35-40 км. Там, где на суше расположены молодые высокие горы, она часто превышает 50 км (например, под Гималаями достигает 90 км). Под океанами кора тонкая - в среднем около 7-10 км, а в некоторых районах Тихого океана - всего 5 км. Границы земной коры определяются по скорости распространения сейсмических волн. Сейсмические волны дают информацию о свойствах мантии. Установлено, что верхняя мантия состоит, главным образом, из силикатов магния и железа.

Состав нижней мантии остается загадкой, однако высказывается предположение, что она содержит оксиды магния и кремния. Выводы о составе земного ядра были сделаны на основании не только анализа сейсмических волн, но и расчетов плотности и изучения состава метеоритов. Считается, что внутреннее ядро представляет собой твердый сплав железа и никеля. Внешнее ядро, очевидно, жидкое и имеет несколько меньшую плотность. Некоторые специалисты считают, что оно содержит до 14% серы.

Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, увеличением их плотности и другими геофизическими характеристиками. Толщина литосферы на континентах и под океанами различается и составляет соответственно 25-200 и 5-100 км. самые глубокие шахты, пройденные людьми, достигают глубин 3-4 км, самая глубокая в мире скважина (пройдена на Кольском полуострове) достигла глубины 12 км. О состоянии и строении более глубоких зон литосферы нам известно лишь на основе беглых методов, таких как сейсмическая и электроразведка, гравиметрия и т.д.

Почва - поверхностный слой литосферы Земли, обладающий плодородием и представляющий собой полифункциональную гетерогенную открытую четырехфазную (твердая, жидкая, газообразная фазы и живые организмы) структурную систему, образовавшуюся в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности организмов. Ее рассматривают как особую природную мембрану (биогеомембрану), регулирующую взаимодействие между биосферой, гидросферой и атмосферой Земли. Почвы являются функцией от климата, рельефа, исходной почвообразующей породы, микроорганизмов, растений и животных (то есть биоты в целом), человеческой деятельности и изменяются со временем.

Экологическое значение литосферы огромное.

Во-первых, на ее поверхности живет большинство растительных и животных организмов, в том числе и человек. Во-вторых, верхняя тонкая оболочка литосферы на материках - это почвы, обеспечивающие условия жизни для растений и является основным условием для получения продуктов питания людей. В-третьих, литосфера является источником получения полезных ископаемых - энергетического сырья, руд металлов, минеральных удобрений, строительных материалов и т. д. В пределах литосферы периодически происходили и происходят грозные экологические процессы (извержения вулканов, землетрясения, оползни, сели, обвалы, эрозия земной поверхности), которые имеют огромное значение для формирования экологических ситуаций в определенных участках планеты, а иногда приводят к глобальным экологическим катастрофам.

Атмосфера - это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущимися вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно участвует во вращении Земли.

Своими атмосферами обладают почти все планеты нашей Солнечной системы, но только земная атмосфера способна поддерживать жизнь.

Когда 4,5 миллиарда лет назад формировалась наша планета, то, по всей видимости, она была лишена атмосферы. Атмосфера была сформирована в результате вулканических выбросов водяного пара с примесями диоксида углерода, азота и других химических веществ из недр молодой планеты. Но атмосфера может содержать в себе ограниченное количество влаги, поэтому ее избыток в результате конденсации дал начало океанам. Но тогда атмосфера была лишена кислорода. Первые живые организмы возникли и развились в океане, в результате реакции фотосинтеза (H₂O + СО₂ = СН₂О + O₂) стали выделять небольшие порции кислорода, который стал попадать в атмосферу.

Формирование кислорода в атмосфере Земли привело к образованию озонового слоя на высотах примерно 8-30 км. И, тем самым, наша планета приобрела защиту от пагубного воздействия ультрафиолетового изучения. Это обстоятельство послужило толчком для дальнейшей эволюции жизненных форм на Земле, поскольку в результате усиления фотосинтеза количество кислорода в атмосфере стало стремительно расти, что способствовало формированию и поддержанию жизненных форм, в том числе и на суше.

Сегодня наша атмосфера на 78,1% состоит из азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, на 0,04% диоксида углерода. Совсем маленькие доли по сравнению с основными газами составляют неон, гелий, метан, криптон.

Атмосфера вызывает ряд сложных экзогенных процессов (выветривание горных пород, деятельность природных вод, мерзлоты, ледников и др.). Для некоторых организмов (бактерии, летающие насекомые, птицы и др.) атмосфера является основной средой жизни.

На частицы газа, которые содержатся в атмосфере, действует сила притяжения Земли. А, учитывая то, что воздух сжимаем, то его плотность с высотой постепенно убывает, переходя в космическое пространство без четкой границы. Половина всей массы земной атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти - в нижних 10 км, девять десятых - в нижних 20 км 99% массы атмосферы Земли сосредоточено ниже высоты 30 км, а это всего 0,5% экваториального радиуса нашей планеты.

На уровне моря число атомов и молекул на кубический сантиметр воздуха составляет около 2 * 10¹⁹, на высоте 600 км всего 2 * 10⁷. На уровне моря атом или молекула пролетает примерно 7 * 10^-6 см, прежде чем столкнуться с другой частицей. На высоте 600 км. это расстояние составляет около 10 км. И на уровне моря каждую секунду происходит около 7 * 10⁹ таких столкновений, на высоте 600 км - всего около одного в минуту!

Но не только давление меняется с высотой. Меняется и температура. Так, например, у подножия высокой горы может быть довольно жарко, в то время как вершина горы покрыта снегом и температура там в то же время ниже нуля. А стоит подняться на самолете на высоту примерно 10-11 км, как можно услышать сообщения о том, что за бортом -50 ºС, в то время как у поверхности земли на 60-70 градусов теплее.

Сначала ученые предполагали, что температура с высотой уменьшается до тех пор, пока не достигает абсолютного нуля (-273,16 °C). Но это не так.

Атмосфера Земли состоит из четырех слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера (термосфера). Такое разделение на слои принято и исходя из данных об изменении температуры с высотой. Самый нижний слой, где температура воздуха падает с высотой, назвали тропосферой. Слой над тропосферой, где падение температуры прекращается, изменяется изотермически и, наконец, температура начинает повышаться, назвали стратосферой. Слой над стратосферой, в котором температура снова стремительно падает - это мезосфера. И, наконец, тот слой, где вновь начинается рост температуры, назвали ионосферой или термосферою.

Тропосфера простирается в среднем в нижних 12 км. Именно в ней происходит формирование нашей погоды. Самые высокие облака (перистые) образуются в самых верхних слоях тропосферы. Температура в тропосфере с высотой понижается адиабатически, т. е. изменение температуры происходит вследствие уменьшения давления с высотой. Температурный профиль тропосферы во многом обусловлен поступающей к поверхности Земли солнечной радиацией. В результате нагревания поверхности Земли Солнцем формируются конвективные и турбулентные потоки, направленные вверх, которые формируют погоду. Стоит заметить, что влияние подстилающей поверхности на нижние слои тропосферы распространяется до высоты примерно 1,5 км. Конечно, исключая горные районы.

Верхней границей тропосферы является тропопауза - изотермический слой. Вспомните характерный вид грозовых облаков, вершина которых представляет собой «выброс» перистых облаков, называемых «наковальней». Эта «наковальня» как раз и растекается под тропопаузой, поскольку из-за изотермии восходящие потоки воздуха значительно ослабевают, и облако перестает развиваться по вертикали. Но в особых, редких случаях, вершины кучево-дождевых облаков могут вторгаться в нижние слои стратосферы, преодолевая тропопаузу.

Высота тропопаузы зависит от географической широты. Так, на экваторе она находится на высоте примерно 16 км, и ее температура составляет около -80 °C. На полюсах тропопауза расположена ниже - приблизительно на высоте 8 км. Летом температура здесь составляет -40°C -60 °C зимой. Таким образом, несмотря на более высокие температуры у поверхности Земли, тропическая тропопауза намного холоднее, чем возле полюсов.

Далее в стратосфере температура с высотой не понижается, а наоборот, растет, пока не достигает в зависимости от сезона и широты -30°C до +20 °C на высоте примерно 48 км. Такой рост температуры обусловлен взаимодействием ультрафиолетового излучения с озоновым слоем, который располагается как раз в стратосфере. Кстати, стратосфера также влияет на погоду. В последнее время появились исследования, которые указывают на связь параметров стратосферы с аномалиями приземной температуры. Вероятно, развитие этих исследований позволит ученым разработать более совершенные и точные методы долгосрочного прогноза температурных аномалий у поверхности Земли (на 30-40 суток).

Стоит добавить, что в стратосфере резко уменьшается количество водяного пара, зато возрастает содержание озона. Таким образом, формируется очевидный контраст между влажной и бедной на озон тропосферой и сухой, но зато богатого на озон стратосферой.

Несмотря на сухость стратосферы, в холодное время года в высоких широтах в ней все-таки могут образовываться облака на высотах от 17 до 30 км.

Стратосфера простирается примерно до 48 км над поверхностью нашей планеты и вместе с тропосферой составляет 99,9% нашей атмосферы. Верхней границей стратосферы является стратопауза.

Над стратопаузой температура снова начинает снижаться. Этот слой называется мезосферой и расположен в средней атмосфере. В верхних слоях мезосферы температура падает до -90 °C. В мезосфере рождается такое красивое световое явление в атмосфере, как вспышки метеоров. Поэтому, наблюдая «падающие звезды», помните, что это явление мы видим в мезосфере.

Также в верхних слоях мезосферы формируются загадочные серебристые облака, которые в северном полушарии Земли можно наблюдать короткими летними ночами с мая по август над северным горизонтом. Заканчивается мезосфера мезопаузою на высоте примерно 85 км. В высоких широтах температура мезопаузы изменяется от -120 °C летом до -50 °С зимой.

В летние месяцы с увеличением вертикальных температурных градиентов (вектор, своим направлением указывающий направление наискорейшего возрастания некоторой величины) в мезосфере над высокими широтами, в т. ч. из-за достижения максимальной температуры стратопаузы, вследствие максимального притока солнечной радиации, формируются восходящие потоки, которые приводят к образованию тонких облаков, называемых серебристыми. Серебристые облака формируются в верхней мезосфере на высоте примерно 80 км над поверхностью Земли.

Верхний слой атмосферы называется ионосферой (термосферой). Здесь температура снова начинает расти, причем до значительных значений (до 500-1000 °С в зависимости от солнечной активности). Суточные колебания температуры здесь составляют сотни градусов. Но воздух здесь настолько разряжен, что понятие «температуры» в нашем понимании здесь мало что значит. В ионосфере происходят такие природные явления, как полярные сияния.

Высота термопаузы в зависимости от солнечной активности изменяется от 200 до 500 км. Выше 500 км определения температуры является очень сложной задачей из-за крайней разреженности этих самых верхних пределов земной атмосферы.

Атмосфера имеет огромное экологическое значение.

Она защищает живые организмы от губительного влияния космических излучений и ударов метеоритов, регулирует сезонные и суточные колебания температуры, является носителем тепла и влаги. Если бы на Земле не существовало атмосферы, то суточные колебания температуры на ней достигло бы ±200 ºС. В атмосфере происходит фотосинтез и обмен энергии и информации - основные процессы биосферы.

Гидросфера- это водная сфера нашей планеты, совокупность океанов, морей, вод континентов, ледниковых покровов. Общий объем природных вод составляет около 1,39 млрд. км³ (0,025% всей массы Земли). Воды покрывают 71 % поверхности планеты (361 млн. км²). Однако абсолютное большинство этой колоссальной массы - это горько-соленая морская вода, непригодная для питья и технологического использования. Пресная вода на планете составляет лишь 2 % от ее общего количества, причем 85 % ее сосредоточено в ледниковых щитах Гренландии и Антарктиды, айсбергах и горных ледниках. Лишь около 1 % пресной воды - это реки, пресноводные озера и некоторая часть подземных вод; именно эти источники и используются человечеством для своих нужд.

Для огромного количества живых организмов, особенно на ранних этапах развития биосферы, вода была средой зарождения и развития. Химический состав морской воды очень похож на состав человеческой крови - содержит те же химические элементы и примерно в тех же пропорциях. Это - одно из доказательств того, что предки людей, как и других млекопитающих, когда-то жили в море.

Огромную роль играют воды в формировании поверхности Земли, ее ландшафтов, в развития экзогенных процессов (склоновых, карстовых), переносе химических веществ в глубь Земли и на ее поверхности, транспортировании загрязнителей окружающей среды.

Соленость океанических вод составляет 35 ‰ (т. е. в 1 л океанической воды содержится 35 г солей). Наиболее соленая вода в Мертвом море - 260 ‰ (человек свободно лежит на поверхности этой воды, не погружаясь в нее), в Черном море - 18 ‰, в Азовском - 12 ‰.

Химический состав подземных вод очень разнообразный. По минерализации они изменяются от пресных, используемых для питья и водоснабжения, к минерализованным и даже до рапы с соленостью 600 ‰ ; некоторые минерализованные подземные воды имеют лечебные свойства.

Основным источником водоснабжения для человечества является речной сток. Первое место по этому показателю занимает Бразилия с ее гигантской полноводной рекой Амазонкой. Речной сток составляет в среднем 83,5 млрд. м³, а в засушливые годы уменьшается до 48,8 млрд. м³. Речной сток распределяется по территории нашего государства неравномерно: 70 % стока приходится на Юго-Западный экономический район, где проживает лишь 40 % населения. А на Донецко-Приднепровский и южный экономические районы, где живет 60 % населения и сосредоточены наиболее водоемкие отрасли народного хозяйства, приходится лишь 30 % стока. В связи с этим во многих районах юга Украины ощущается острый дефицит воды, для ликвидации которого приходится перебрасывать воду каналами, строить водохранилища и т. п.

Главным поставщиком воды для Украины является Днепр. Другие реками, которые обеспечивают потребность в воде - Дунай, Днестр, Южный Буг, Тиса, Прут и др. Состояние воды и полноводье этих водных артерий зависят главным образом от состояния их притоков - малых рек, которых в Украине насчитывается около 63 тыс. Они имеют огромное значение - достаточно вспомнить, что 90 % населенных пунктов республики расположены именно в долинах малых рек и пользуются их водой. Однако состояние малых рек Украины вызывает сегодня большую тревогу. Более 20 тыс. их уже исчезло, пересохло. Это неотвратимо ведет к деградации больших рек, поэтому проблема их сохранения и оздоровления - одна из острейших для нашего молодого государства.

Подземные воды Украины имеют не меньшее значение для обеспечения водой населения. Достаточно отметить, что около 70 % населения сел и поселков городского типа удовлетворяет свои потребности в питьевой воде за счет грунтовых вод (колодцы) или более глубоких водоносных горизонтов (скважины). Состояние подземных вод Украины в целом лучше, чем поверхностного стока, хотя местами наблюдается загрязнение их стоками промышленных предприятий, животноводческих комплексов и т. д. В некоторых промышленных районах (Донбасс, Кривбасс) развитие шахт и карьеров отрицательно влияет на качество и запасы подземных вод. За счет многолетней откачки воды из этих объектов их уровень очень снизился, а с некоторых водоносных горизонтов вода исчезла совсем.

Вода выполняет очень важные экологические функции:

а) является важнейшим минеральным сырьем, главным природным ресурсом потребления (человечество использует ее в тысячу раз больше, чем угля или нефти);

б) является основным механизмом осуществления взаимосвязей всех процессов в экосистемах (обмен веществ, тепла, рост биомассы);

в) является главным агентом-переносчиком глобальных биоэнергетических экологических циклов;

г) является основной составной частью всех живых организмов (тело человека, например, на 70 % состоит из воды, а некоторые организмы, такие как медуза или огурец, содержат в себе от 98 до 99 % воды);

д) воды Мирового океана является основным климатосоздающим фактором, основным аккумулятором солнечной энергии и «кухней» погоды для всей планеты.

Природные ресурсы - совокупность объектов и систем живой и неживой природы, компоненты природной среды, окружающие человека и которые используются в процессе общественного производства для удовлетворения материальных и культурных потребностей человека и общества.

Было время, когда природные ресурсы казались безграничными по отношению к малочисленному человеческому обществу, природные экосистемы справлялись с нагрузками без возникновения заметных нарушений в биосфере. Грозные симптомы проявились около двадцати лет назад, когда в некоторых странах разразился энергетический кризис. Стало ясно, что ресурсы энергоносителей ограничены. В настоящее время серьезные проблемы возникли и с многими другими природными ресурсами.

Классификация природных ресурсов:

1. по происхождению:

- ресурсы природных компонентов (минеральные, климатические, водные, растительные, почвенные, животного мира);

- ресурсы природно-территориальных комплексов (горнопромышленные, водохозяйственные, селитебные, лесохозяйственные).

2. по видам хозяйственного использования:

- ресурсы промышленного производства;

- энергетические ресурсы (горючие полезные ископаемые, гидроэнергоресурсы, биотопливо, ядерное сырье);

- неэнергетические ресурсы (минеральные, водные, земельные, лесные, рыбные ресурсы);

- ресурсы сельскохозяйственного производства (агроклиматические, земельно-почвенные, растительные ресурсы - кормовая база, воды орошения, водопоя и содержания).

3. по виду исчерпаемости:

- исчерпаемые - это ресурсы, количество которых неуклонно уменьшается по мере их добычи или изъятия из природной среды. Они в свою очередь делятся на:

* возобновляемые природные ресурсы способны (через размножение или другие природные циклы восстановления) к самовосстановлению за сроки, соизмеримые со сроками их потребления (чистый воздух, вода, растительность, животный мир). Но всегда надо помнить, что если темпы использования буду превышать темпы восстановления, они тоже могут исчезнуть;

* невозобновляемые (полезные ископаемые), которые или вообще не восполняются в результате природных процессов (железо, медь, алюминий), либо их запасы восполняются медленнее, чем происходит их потребление (нефть, уголь, горючие сланцы);

* не полностью возобновляемые - почва, некоторое минеральное сырье, деревья большого возраста. Сантиметровый слой плодородной почвы создается живыми организмами и процессами неорганической природы на протяжении веков. Некоторые минеральные ресурсы, например, соли, медленно осаждаются в озерах и морских лагунах.

- неисчерпаемые - количественно неиссякаемая часть природных ресурсов (энергия Солнца, ветра, морские приливы, текущая вода). Иногда сюда относят атмосферу и гидросферу, хотя при значительных загрязнениях они могут переходить в категорию исчерпаемых.

4. по степени заменимости:

- незаменимые - природные ресурсы, которые не могут быть заменены другими (вода, свет, почва);

- заменимые - природные ресурсы, которые могут быть заменены другими (например, минеральное топливо - солнечной, термоядерной или геотермальной энергией и др.).

5. по критерию использования:

- производственные (промышленные, сельскохозяйственные);

- потенциально-перспективные (целинные и залежные земли);

- эстетические;

- рекреационные (охраны здоровья), обеспечивающих отдых и восстановление здоровья и трудоспособности человека;

- научные - особо охраняемые природные территории, предназначенные для сохранения и размножения образцов (эталонов) нетронутых биогеоценозов и др.

При этом часто действует правило интегрального ресурса - когда использование его в одних целях затрудняет или исключает использование в других. Если в озеро спускают отходы производства, даже более или менее очищены, то это затрудняет использование его с целью рыболовства и оздоровления населения.

Современные темпы экономического развития обострили проблему ограниченности природных ресурсов, возникла необходимость повышения экологических требований к экономике. Именно экономическое развитие, с одной стороны, порождает ряд острых экологических проблем, а с другой - в самом экономическом развитии заложена основа для устранения этих проблем. Раскрыть суть противостояния экономики и экологии - значит понять связь общественного производства и окружающей среды, так как без того и другого человечество не может существовать. Высокие темпы экономического роста и повышение народного благосостояния должны сочетаться с сохранением и непрерывным улучшением окружающей среды.

Направления рационального использования и охраны природных ресурсов построены на следующих правилах:

1) темпы потребления возобновляемых ресурсов не должны превышать темпов их самовосстановления;

2) темпы потребления невозобновляемых ресурсов не должны превышать темпов их замены возобновляемыми ресурсами;

3) предельная интенсивность поступления в природную среду загрязняющих веществ с выбросами, сточными водами и отходами не должна превышать темпов их переработки и обезвреживания природных, водных и наземных экосистемах.

Охрана и восстановление природных ресурсов невозможны без локального и глобального экологического мониторинга - измерения и контроля их состояния, расширение и увеличение числа заповедных зон, уникальных природных комплексов, восстановление лесов, эффективной, максимально глубокой переработки уже добытых полезных ископаемых, развития безотходного производства.