Екологічні знання - Добровольський В.В. - 2.4.3. Планетарна і біосферна екосистеми

На рис. 2.14 наведені ієрархічні трирівневі схеми планетарної і біосферної природних екосистем.

Подальша декомпозиція глобальних екосистем приводить на четвертому-п'ятому рівні до регіональних систем.

Головні складові системи знаходяться в таких співвідношеннях: жива речовина - 1,0 (2,4*10^12т) атмосфера - 214 (5,15*10¹⁵ т), гідросфера - 602500 (1,5*10¹⁸т), земна кора - 1670000 (2,8*10¹⁹т).

На глобальні системи і їх складові діють зовнішні фактори, з яких найбільш впливовим є сонячна енергія.

Із космосу на Землю падає промінь з енергією 2 кал/(см²*хв), який в атмосфері експоненційно послаблюється. В ясний літній день до земної поверхні може дійти не більше 67 відсотків енергії, а за суцільної хмарності - значно менше половини. Велике значення має також кут падіння сонячного променя на поверхню. Як видно на рис. 2.15, на якому показано вплив нахилу поверхні до напрямку променя, площина 3, незважаючи на однаковий розмір з площиною 1, отримує менше двох третин енергії променів. Нижче наведені дані про сумарну сонячну радіацію на різних географічних широтах:

Аналогічне явище спостерігається на схилах гір, балок і на інших нерівностях земної поверхні.

Сонячна енергія є головною рушійною силою в екологічних системах. Характерними для глобальних систем є кругообігові процеси різних речовин.

Згідно з законами екології речовина, енергія і інформація безперервно перемішуються, трансформуються, накопичуються, вживаються, утворюються. Цей рух розглядається як кругообіг або цикл речовин (елементів) і енергії в біосферній екосистемі.

Кругообіги, які охоплюють планету, в цілому називають великими. Розглянемо головні з них.

Кругообіг води на планеті вважається найпотужнішим. У ньому обертається 16,5 мільйона кубічних метрів речовини в секунду і використовується 40 мільярдів мегават сонячної енергії. Речовина рухається в трьох станах: газоподібному (водяна пара), рідкому (вода), твердому (лід, сніг). На рис. 2.16 наведено схему великого кругообігу води, який охоплює всі планетарні сфери.

Рис. 2.16. Кругообіг води:

ОС - океан Світовий; В - випаровування; ПВ -поверхневі води; О - опади (атмосферні); ЛВ - літосферні води; П - перенос; АВ - атмосферні води; С - стік; ЛС - льодовики, сніг; І - інфільтрація; БС - біосфера; Д - джерельний витік; Ес - енергія Сонця

У літосфері спостерігається рівність притоку і витрат води І = Д. У біосфері одна третина втраченої води переходить у біомасу. Тобто при споживанні 22 тисяч кубічних кілометрів води за рік біосфера повертає 15 тисяч. При умові незмінності маси живої речовини біологічна вода повертається в кругообіг повністю.

Найбільший вплив на глобальний цикл води чинить Світовий океан завдяки велетенській поверхні F, від якої залежить випаровування В = ξ F (тут ξ - коефіцієнт випаровування). Значення В_ос складає 449, в той час як В_лв дорівнює 71 тисячі кубокілометрів зарік. Кількість опадів над океаном менше випаровування — О_ос 412 тис. км³/рік, а над сушею - навпаки. Різниця в 37 тисяч кубокілометрів компенсується переносом хмар з океану на материки і стоком такої частини опаду з суші в океан.

Таким чином, у глобальному кругообігу води за рік встановлюється речовинний баланс, в якому перенесення водяної пари атмосферними рухами виступає в ролі регулюючого фактора

Сонячна енергія в кругообігу води використовується на зміну теплового і фазового стану та руху, тобто на зміну теплової і кінетичної енергії гідросфери. Наприклад, випаровування з поверхні Світового океану вимагає Q_в = 2260*В_ос = 10 кілоджоулів на рік. Ця енергія хмарами переноситься в інше місце, де вона вивільнюється і залишається в атмосфері під час конденсації пари і повернення води на поверхню у вигляді опадів О_ос і О_лс.

Кругообіг вуглецю представлено на рис. 2.17. У природі вуглець знаходиться у різних формах як складова всіх земних сфер.

У біосфері вуглець складає 46 відсотків органічної речовини, тобто дорівнює 800 мільярдам тонн. За рік наземні рослини шляхом фотосинтезу виробляють приблизно 80 мільярдів тонн вуглецю.

Залишки відмерлих рослин і тварин сприяють утворенню гумусу, ґрунту і торфу, а також вугілля, нафти і газу, в яких вміщується більша частка вуглецю планети (за деякими даними - до 99 відсотків).

Процес фотосинтезу відбувається і в гідросфері за рахунок водної рослинності. Між гідросферою і атмосферою постійно відбувається рух вуглекислого газу, велика кількість якого розчинена в водах Світового океану. Ще більше вуглецю міститься в розчинах у воді, а також у відкладеннях на дні водних об'єктів вуглевмісних сполук.

Кругообіг азоту складає один мільярд тонн за рік. Майже весь природний азот знаходиться у вільному стані в атмосферному повітрі, в якому складає 78% об'єму. Але це невелика частка - тільки 0,04% від загальної маси хімічних елементів на планеті. Необхідний кожній живій клітині вільний азот може засвоюватись лише азотфіксуючими мікроорганізмами, головним чином клубеньковими бактеріями, які живуть на коріннях бобових рослин, використовуючи сонячну енергію. Завдяки високій ефективності біокаталізу бактерії (анаеробні та ціанобактерії) переводять азот у сполучену форму: амоній NH₃, нітріти NO₂ і нітрати NO₃. Окрім біологічної фіксації азоту, відбувається і фото- та електрохімічне сполучення його. Нітріти і нітрати разом з амонієм складають основу живлення рослин, грибів, мікроорганізмів, які утворюють амінокислоти, пептиди і білки. Таким чином азот переходить у всі живі організми, де складає один процент сухої біомаси.

Залишки відмерлих рослин та тварин переробляються з участю денітрифікуючих бактерій, азот вивільняється з біомаси і повертається в атмосферу.

Схема кругообігу азоту наведена на рис. 2.18.

Кругообіги взаємопов'язані перетворенням і переміщенням речовин як у межах глобальної екосистеми, так і виходячи за її межі у вигляді зовнішніх зв'язків.

Найбільш важливим вважається зв'язок циклу вуглецю з циклом азоту. Він визначається співвідношенням C:N, яке для наземних рослин складає 30: 1, а для морських водоростей - 6:1.

Рис. 2.18. Кругообіг азоту