Сторінка
1

Природні системи абіотичного середовища біосфери

Одним із визнаних світових фундаторів учення «Початку і вічності життя», пізнання законів природи і розвитку «живої речовини» на Землі є наш геніальний співвітчизник Володимир Іванович Вернадський*.

Він стверджував, що життя «живої речовини» (сукупності живих організмів) нерозривно зв’язане з матеріально-енергетичними процесами геологічної оболонки Землі і є планетарним явищем космічного характеру. Людина і всі інші живі організми зв’язані зі своїм матеріально-енергетичним середовищем передовсім харчуванням і диханням.

За В. І. Вернадським, поняття «біосфери» (від гр. bios — життя) як «оболонки життя» на планеті Земля, запровадив у біологію ще видатний французький учений Ламарк (1744—1829).

Що являє собою ця «оболонка»? Який її «потенціал стабільності» відносно техногенного впливу сучасної економіки? На це запитання далеко не кожна освічена людина може дати задовільну відповідь. Багато хто вважає, на жаль, що стурбованість спеціалістів екологічним станом Землі є занадто перебільшеною, декому навпаки — вважається страшна, непоправна екологічна катастрофа. І це не випадково. Освітні програми школи і вузів недостатньо грунтовно висвітлюють цю проблему.

Поняття біосфери, її параметри та енергетика

Досить часто студенти питають викладачів: невже й справді наша планета, середній діаметр якої 12 742 km, а маса 6 квадрильйонів тонн** () і поверхня 510 млн km2, 361 млн km2 котрої [70,8%] займає Світовий океан з глибиною до 11 022 m, зазнає незворотних змін унаслідок техногенного впливу?

Безумовно, людина не може знищити остаточно рослинного і тваринного світу планети, її океанів чи атмосфери, але вона може трагічно пошкодити життєдайне «навколишнє середовище» всього живого на Землі. З розвитком науки обгрунтування меж і суть самого поняття «навколишнє середовище» змінюється. За сучасною концепцією — це геологічна оболонка Землі, що в ній і відбуваються різні види біологічних перетворень та технологічних процесів економічної діяльності суспільства. Межі простору, де відбуваються біологічні процеси, — це тільки кількадесят метрів углиб земної кори і над її поверхнею. Співвідношення розмірів фізичних величин (довжини і маси) цього життєдайного простору біосфери зі всією земною кулею можна змоделювати у вигляді плівки вологи, тоншої за 0,1 mm, на кам’яній кулі діаметром 10 m (глибина земної кори на такій моделі становила б 0,5… 15 mm). Профіль, розміри і елементний склад земної кори зображено на рис. 17.

Над біосферою в межах сотень кілометрів, аж до магнітосфери, послідовно простягаються інші сфери: атмосфера, стратосфера, іоносфера, термосфера, які різняться за хімічним складом, густиною і відповідним специфічним впливом на стан біосфери. Під земною корою залягають енергетично активні зони літосфери, від стану яких залежить і стан біосфери. На схемі (рис. 18) в масштабі реальних співвідношень показано розміщення біосфери Землі.

Отже, біосфера — це відкрита термодинамічна система в тонкому прошарку на межі літосфери, гідросфери і атмосфери Землі, які формують абіотичне середовище і фактори впливу на стан і розвиток живих організмів. Розглянемо ті з них, що визначають основні термодинамічні параметри біосфери і абіотичні процеси в ній. Рушійною силою будь-яких процесів, як це ми вже довели у поперед­ньому розділі, є енергія.

Могутнім енергетичним джерелом сонячної системи є Сонце, яке стабільно випромінює в космічний простір зі своєї поверхні радіацію колосальної потужності — близько 400 квадрільонів ват (~), втрачаючи при цьому, згідно з наведеною раніше формулою Ейнштейна, щосекунди масу 4 · 109 kg. Правомірне запитання: яка кількість сонячної енергії потрапляє на нашу планету?

Якщо виготовити добре термоізольовану ємкість (термос) з рідиною певної теплоємкості і направити в неї крізь отвір з прозорою плівкою сфокусований великою лінзою потік сонячних променів, то потужність сонячної радіації Р щодо поверхні лінзи можна розрахувати з формули:

,

де mр — маса рідини, kg; qр — теплоємність рідини, kJ/(kg · K); Т2 – Т1 — різниця температур, на яку нагрілась рідина, ΔК; S — площа лінзи, m2; t — час нагрівання рідини від Т1 до Т2, s.

Рис. 17. Схема профілю земної кори.

Розріз по 40-градусній паралелі північної широти: 1—осадові породи з гранітом; 2—базальтові породи; 3—речовини мантії

Якщо такий експеримент провести коректно, то відповідь дорівнюватиме кільком сотням ватів на m2, залежно від пори року, часу доби, географічної широти місцевості, метеорологічного стану атмосфери й чистоти повітря.

Енергію сонячної радіації вимірюють спеціальними приладами — соляриметрами або пірогеліометрами. Але покладемося на дані сучасної науки.

До верхньої межі атмосфери Землі надходить постійна енергія випромінювання Сонця з потужністю 2 cal ∙ cm–2 ∙ min–1, що у перерахунку на 1m2 за секунду (в SІ) становить @ 1,4 kW. Енергетичний спектр сонячного потоку (за довжиною хвиль) неоднорідний: від ультрафіолетового (0,3 … 0,4 mkm) до інфрачервоного (0,7 … 10 mkm). Проміжний діапазон (0,4 … 0,7 mkm) становить видиме людським оком «біле» світло з частотою коливань 4 · 1014… 8 · 1017 Hz. Саме видима частина сонячного спектра «доносить» основну енергію сонячного потоку до поверхні Землі. Величина цієї енергії залежно від захмарення неба, запиленості повітря й інших характеристик атмосфери значно коливається, але не перевищує 60—70% від вихідної. Отже, за умови, коли Сонце стоїть у зеніті, а день ясний, на кожний квадратний метр Землі припадає до 1 kW променевої енергії.