ДВИЖЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВА НА ЗЕМЛЕ

В.А. Грачев, научный руководитель Центра глобальной экологии факультета глобальных процессов МГУ им. М.В. Ломоносова, профессор, д.т.н., член-корр. РАН

ЛИТОСФЕРА – ЗЕМНАЯ КОРА

Земная кора представляет собой верхний упругий слой литосферы. Она состоит из легкого, менее плотного по сравнению с мантией вещества, которое недра «вытолкнули» из себя

Доля коры в общем объёме Земли составляет 1,5%, доля мантии – 82,3%, ядра – 16,2%

3

ЛИТОСФЕРА – ЗЕМНАЯ КОРА

Вся история геологического развития Земли связана с выделением или поглощением тепла Через поверхность Земли теряется часть её внутреннего тепла. Среднепланетарное значение удельного потока тепла, поступающего из недр, равно 59 мВт/м2

Мощность падающего на Землю солнечного излучения 2∙1017 Вт

Энергия вращения Земли 2,1∙1021 Дж

Мощность теплового потока через земную поверхность 4∙1013 Вт

Мощность приливного воздействия Луны 1013 Вт

Энергия землетрясений с магнитудой 8,5 3,6∙1017 Дж

Энергия вулканических извержений до 1018 Дж

Энергия обрушений склонов и лавин до 1010Дж

Энергия подводных оползней до 1019 Дж

Энергия смерчей, ураганов, торнадо, циклонов до 1017 Дж

Энергия, потребляемая человечеством за сутки 1018 Дж

Энергия взрыва магистрального газопровода до 1011 Дж

Таблица 1. Энергетика сильных возмущений в геосферах

Земля – это огромная тепловая машина

4

АТМОСФЕРА – ГАЗОВАЯ ОБОЛОЧКА

Масса земной атмосферы равна примерно 5,15∙1015 т, плотность воздуха на уровне моря 1,27∙10–3 г/см3

Азотно-кислородный состав земной атмосферы уникален для планет Солнечной системы Сухой воздух содержит 75, 51% азота, 23,15% (1,2∙1021 г) – кислорода, 1,28 – аргона, 0,046 – углекислого газа, 0,00125 – неона, метана – 0,00012%

Важной компонентой атмосферы является водяной пар. Среднее содержание пара и воды в атмосфере достигает 1,3∙1015 т, что в переводе на слой конденсированной воды составляет 25 мм В верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения возникает озон (3,1∙109 т)

Водяной пар в атмосфере обновляется примерно 30 раз в году

5 5

АТМОСФЕРА – ГАЗОВАЯ ОБОЛОЧКА

Средняя приземная температура на планете примерно равна +15оС. В нижнем наиболее плотном слое атмосферы – тропосфере толщиной 12 км перенос тепла происходит, в основном, благодаря конвективным движениям воздушных масс Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, которая является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли Любое повышение приземной температуры усиливает испарение влаги и увеличивает облачность Земли, а это, в свою очередь, повышает альбедо планеты и отражательную способность земной атмосферы

В результате средняя температура земной поверхности вновь снижается до прежнего уровня

ГИДРОСФЕРА – ВОДНАЯ ОБОЛОЧКА

Масса воды в современной гидросфере достигает 1,51∙1018 т Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане – 1,42∙1018 т и в материковых льдах – 0,023∙1018 т На пресные воды суши приходится около 0,001∙1018 т

Земля – единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой вода может находиться в жидком состоянии

Круговорот воды в природе

Гидросфера – это место скопления огромного количества биологических, минеральных и энергетических ресурсов Океанский фитопланктон поставляет почти половину кислорода атмосферы

7 7

БИОСФЕРА – ЖИВАЯ ОБОЛОЧКА

Биосфера – это оболочка Земли, которая населена и преобразуется живыми существами

Биосфера включает в себя

гидросферу и части атмосферы и литосферы

Живое вещество играет ведущую

роль в геохимических процессах

Главная функция биосферы – обеспечение циркуляции химических элементов между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами

8 8

БИОСФЕРА – ЖИВАЯ ОБОЛОЧКА

В результате биологического круговорота происходит созидание органического вещества и его последующее разрушение Определяющим звеном этого процесса являются растения. Космическая роль растений состоит в поглощении 0,1% падающей на Землю солнечной энергии и создании за счет фотосинтеза органического вещества из неорганического

Основным источником энергии для обеспечения подобного движения вещества является Солнце

9 9

БИОСФЕРА – ЖИВАЯ ОБОЛОЧКА

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и живые организмы выполняют мощную средообразующую функцию

Данная функция регулирует и обеспечивает необходимые для жизни состав атмосферы, радиационный и тепловой режим на планете, водный баланс и климатические особенности больших пространств, самоочищение воздуха и рек, поддержание плодородия почв

Мировой запас древесины составляет примерно 350 млрд м3. Ежегодный объем заготовок леса составляет 4 млрд м3, из которых половина используется в качестве топлива. От дров зависит жизнеобеспечение примерно 2 млрд человек

БИОСФЕРА – ЖИВАЯ ОБОЛОЧКА

Почвенный слой – насыщенная жизнью среда, являющаяся источником энергии для растений, животных, бактерий и грибов Под мировой пашней занято около 15 млн км2 (10% суши), под сенокосами и пастбищами 38 млн км2 (25% суши)

Мировое производство зерновых составляет 1,8 млрд т

11

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ

В глобальном круговороте вещества и энергии участвует множество химических элементов и соединений, наиболее важными из которых являются вода, углерод, сера, азот и фосфор

В результате биотического круговорота происходит созидание органического вещества и его разрушение

Определяющим звеном этого

процесса являются растения, с которыми связано образование свободного кислорода при фотосинтезе

12 12

ФОТОСИНТЕЗ – ПЕРВОИСТОЧНИК ЖИЗНЕННОЙ СИЛЫ

Первоисточником энергии в природе является Солнце, но его энергию могут усваивать только фотосинтетики, а все остальные организмы получают эту энергию опосредованно Движение вещества через клетки и организмы легко измеряется и определяется потребностью в пище, воде, воздухе и удалении отходов жизнедеятельности Движение энергии практически неощутимо

Процесс запасания солнечной энергии растениями происходит на атомно-молекулярном уровне. В нем участвуют десятки видов молекул, расположенных в строгом порядке и четко выполняющих свои функции

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ

За один год растения суши и океана усваивают 150 млрд т СО2 и разлагают 120 млрд т воды. При этом выделяется 200 млрд т кислорода и запасается 6∙1020 кал энергии Солнца в виде химической энергии продуктов фотосинтеза

Из общего числа видов 21% приходится на растения, их вклад в общую биомассу является подавляющим и составляет 99%

14 14

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ

В экосистемах перенос вещества и энергии осуществляется посредством трофических (пищевых) цепей, за счёт чего все химические элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере Сущность биотического круговорота заключается в образовании живого вещества из

неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращении ОВ при разложении вновь в неорганические соединения

Живое вещество рождается, изменяется и умирает, обеспечивая тем самым биогеохимический (биотический) круговорот вещества и энергии

Важнейшей особенностью биосферы является существование в ней потоков энергии и вещества

15 15

КРУГОВОРОТ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ПРИРОДЕ

ТРОФИЧЕСКИЕ УРОВНИ

Энергия и вещество в пределах экосистемы передаётся с одного трофического уровня на другой

Пищевая цепь – путь однонаправленного потока энергии через живые организмы в окружающую среду в виде тепловой энергии

*За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы, гидросферы и литосферы неоднократно прошёл через живые организмы

17 17

ЛУННО-СОЛНЕЧНЫЕ ПРИЛИВЫ

Приливная эволюция системы Земля-Луна приводит к существенным изменениям условий на поверхности и внутри Земли, преобразующих лик Земли, меняющих климат и характер осадконакопления. Приливы непрерывно подкачивают упругую энергию в систему блоков, слагающих земную кору. Можно сказать, что приливные силы закачивают в земную кору сейсмическую энергию. Приливная энергия накапливается в земной коре в виде напряжений изгиба, кручения, сдвига и сжатия. Постепенно равновесие в ансамбле блоков становится неустойчивым. В какой-то момент происходит сейсмический срыв, переупаковка блоков и их переход в новое равновесное состояние

18

ТЕХНОСФЕРА КАК ЧАСТЬ БИОСФЕРЫ

Техносфера – это часть биосферы,

преобразованная деятельностью человека

Если не считать Антарктиды и других ледяных

поверхностей, то площадь земель, не

затронутая хозяйственной деятельностью,

осталась в количестве 38 млн кв. км (28%

суши). В Европе осталось примерно 5% таких

земель

Можно сказать, что человек создал

«вторую природу» – техносферу.

Воздействие человеческого общества на

природу неправильно рассматривать как

абсолютно враждебное самой природе. В

воздействии людей на природу факторы

деструктивные переплетаются с

факторами созидающими

Производственной деятельностью человека в той или иной

мере охвачено всё пространство планеты

В рамках техносферы человечеством ежегодно производится 12 млрд т н.э. (1,4∙1014 кВт∙ч) энергии. На ископаемые источники приходится примерно 82% этой энергии, на АЭС 5,5%, на возобновляемые источники 12% энергии. В сумме это примерно 30% мощности глобального фотосинтеза (40 ТВт) или 1/5000 мощности поступающего на Землю солнечного излучения

19

ТЕХНОСФЕРА КАК ЧАСТЬ БИОСФЕРЫ

Наиболее опасными техногенными объектами являются тепловые и электрические станции, угледобывающие и горно-металлургические предприятия, нефтегазовые промыслы, химические и нефтеперерабатывающие заводы, магистральные нефте- и газопроводы, танкеры для транспортировки нефти и сжиженного газа, подземные хранилища нефти и газа, радиохимические заводы, пункты захоронения отработанного ядерного топлива

ТЕХНОСФЕРА КАК ЧАСТЬ БИОСФЕРЫ

Пока человек был обычным представителем зоологического ряда, он был естественно встроен в окружающую среду. Сегодня техносфера, как продукт человеческой деятельности, всей своей тяжестью давит на природные геосферы

Вид воздействия Загрязнение

атмосферы

Истощение

биоты

Загрязнение,

истощение вод

Деградация,

загрязнение почв

Разрушение

экосистем

Выпас скота - + - + -

Рубки леса - ++ + - -

Осушение - + ++ ++ +

Гидротехническое

строительство

- + + + ++

Урбанизация,

промышленность

++ + ++ ++ ++

Транспорт ++ + + + ++

Добыча полезных

ископаемых

+ + ++ + ++

Энергетика ++ + ++ + +

Таблица 2. Экологические проблемы, возникающие при различных видах антропогенных воздействий

ТЕХНОСФЕРА КАК ЧАСТЬ БИОСФЕРЫ

Человек вырывает из биотического круговорота ряд природных ресурсов и переводит их в разряд ресурсов техносферы Любая техногенная деятельность связана с вмешательством человека в естественные природные процессы и в первую очередь – в круговороты углерода, кислорода, азота, серы, фосфора и железа – важнейших необходимых для жизни химических элементов Все стадии антропогенного круговорота направлены против естественных биосферных процессов, то есть влекут за собой ускоренное нарастание энтропии, роста загрязнения окружающей среды В результате созданная человеком техносфера в сущности оказалась антагонистической по отношению к биосфере

22 22

ТЕХНОСФЕРА КАК ЧАСТЬ БИОСФЕРЫ

Сырьевая экономика техносферы разрушительна не только в прямом смысле, она также чрезвычайно энергоемка, поэтому находится в состоянии конфликта с биосферой. Окружающая природная среда не справляется с техногенными нагрузками. Специалисты не случайно забили тревогу. Радость от созерцания дымящих труб, гигантских плотин и распаханной целины сменилась осознанием фактов гибели и исчезновения многих видов животных и растений, загрязнением рек и деградацией почв

В настоящее время объем биомассы, производимой растительным и животным миром на суше и в океане, соизмерим с объемом жидких и твердых веществ, ежегодно перерабатываемых человечеством

23 23

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЁМКОСТЬ БИОСФЕРЫ

Темпы глобального расходования ископаемых ресурсов в тысячи раз опережают темпы их возобновления. Планетарные ресурсы через производство и потребление становятся планетарными стоками.

Основная угроза земной цивилизации исходит из того, что человечество более 80% энергии производит, сжигая ископаемое

топливо

В естественных экосистемах на долю крупных животных, куда входит и человек, приходится около 1% первичной биологической продукции, то есть всего 1% солнечной энергии, трансформированной в органику В пересчёте на биомассу это составляет порядка 10 млрд т органического вещества. Это можно сказать несущая экологическая ёмкость глобальной экосистемы (биосферы), пределы которой человек не должен переступать

В настоящее время человечество переводит в свой канал потребления и использует не 1%, а почти 10% первичной биологической продукции, т.е. превысило допустимый порог потребления первичной биологической продукции

24 24

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЁМКОСТЬ БИОСФЕРЫ

Если использовать энергетический параметр, то используемая современной цивилизацией энергетическая мощность в 5 раз превысила несущую экологическую ёмкость и вместо допускаемых биосферой мощности 10 ТВт (1012 Вт) человек использует энергетическую мощность почти 50 ТВт Эта мощность >чем на 90% обеспечивается ископаемым топливом: 44% нефть 26% природный газ 25% уголь

46%

28%

26%

Ископаемое топливо

Нефть Природный газ Уголь

25 25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате круговорота веществ происходит непрерывное перемещение химических элементов из живых организмов в неживую природу и обратно Круговорот веществ включает два противоположно направленных процесса, связанных с аккумуляцией элементов в живых организмах и минерализацией в результате их разложения

На поверхности Земли преобладает образование живого вещества, а в почве и морских глубинах – минерализация

Одновременно с миграцией атомов происходит и преобразование энергии. Единственным источником энергии на Земле является Солнце. Часть тепла расходуется на обогрев Земли и испарение воды. И только 0,2 % солнечной энергии используется в процессе фотосинтеза Эта энергия преобразуется в энергию химических связей органических веществ. При расщеплении и окислении органических веществ в процессе питания энергия освобождается и расходуется на процессы жизнедеятельности организмов: рост, движение, размножение, развитие, обогрев тела. Таким образом, постоянно поступающая солнечная энергия аккумулируется в органических веществах и ее используют все живые организмы

Единственный источник энергии на Земле – Солнце

26 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, биосфера представляет собой большую систему, состоящую из разнородных компонентов, связанных между собой процессами миграции энергии и вещества

Источником энергии служит Солнце

Цикличность процессов миграции – круговорот веществ обеспечивает непрерывное существование биосферы

Количество живого вещества (биопродукция) колеблется: размножение и рост живых организмов приводят к ее росту, подавление и ограничение скорости размножения и роста, гибель организмов способствуют ее уменьшению

К ограничивающим факторам относятся концентрация углекислого газа в атмосфере, недостаток влаги, нехватка питательных элементов, интенсивность света

Эти факторы ограничивают не только скорость образования органического вещества, но и скорость других геохимических процессов, протекающих в неживой природе

27

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ

27