Лекция 6. Земля как глобальная экологическая система

1. «Основы геоэкологии»

Геологический факультет МГУ
имени М.В.Ломоносова,
кафедра инженерной и экологической геологии
доцент Григорьева И.Ю.

2. Лекция 6. Земля как глобальная экологическая система

1.
2.
3.
План лекции:
Строение и форма Земли.
Тепловой баланс Земли.
Глобальные циклы вещества.

3. 1. Строение и форма Земли

Площадь поверхности - 510 млн. км2,
из них:
суша — 149 млн. км2,
свободная от ледников суша - 133 млн. км2.
Главный источник энергии – Солнце.
Ось вращения Земли наклонена под
углом 66°33' к плоскости движения
вокруг Солнца (плоскости эклиптики).

4. Строение и форма Земли

Параметры движения изменяются с
определенной периодичностью.
Вариации средней
продолжительностью 92, 40 и 21-23
тыс. лет.

5.

Строение и форма Земли
Расход воды р.
Невы (А) в эпохи
максимума и
минимума 11летнего цикла
солнечной
активности (Б) в
интегральном
исчислении (по
данным
Н.В.Ловелиус)

6. Строение и форма Земли

Форма Земли близка к шарообразной.
Интервал,
градусы широты
Зона
Площадь зоны, %
30°с.ш.-30°ю.ш. Тропическая
50
30° - 60° с.ш. и
ю.ш.
Умеренная
37
60° - 90° с.ш. и
ю.ш.
Полярная
13

7. С геоэкологических позиций наиболее значительны процессы, происходящие в тропической зоне

http://ebiology.ru/ekologiya/zhivoe-veshhestvo-ego-rol-v-krugovorote-veshhestv-i-prevrashhenii-energii-v-biosfere/

8. 2. Тепловой баланс Земли

Поток солнечного излучения, проходящий через
площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно
потоку излучения на расстоянии одной
астрономической единицы от центра Солнца - 1367
Вт/м².
Астрономическая единица (русское обозначение: а.е.;
международное: au) — исторически сложившаяся единица
измерения расстояний в астрономии, приблизительно равная
среднему расстоянию от Земли до Солнца.
Свет проходит это расстояние примерно за 500 секунд (8 минут 20
секунд).

9.

10. Тепловой баланс Земли

45% энергии «эффективно» достигают поверхности
Земли - 5 106 кДж/м2 год.
Поток солнечной радиации мало изменяется во
времени, обеспечивая:
циркуляцию атмосферы и океана;
выветривание и денудацию литосферы;
глобальные биогеохимические циклы вещества;
образование первичной биологической продукции и т.д.
http://sweather.ru/post/95720487323/схема
-радиационного-и-теплового-балансаземли

11. Карта солнечного излучения

12. Тепловой баланс Земли

Поток из недр Земли к ее
поверхности, в 20-30 тыс. раз меньше,
чем поступление энергии от Солнца.
Человек использует сейчас почти такое
же количество энергии, как и поток из
недр Земли.

13. Тепловой баланс Земли

С точки зрения энергетического
баланса:
Земля -
открытая система;
приходные и расходные части
энергетического баланса планеты в
высочайшей степени сбалансированы;
долговременные изменения теплового
баланса (природные и антропогенные)
весьма малы.

14. 3. Глобальные циклы вещества

Из космоса сквозь атмосферу на
поверхность Земли выпадает 40 тыс. т
метеоритного вещества в год.
Реки мира выносят в океаны 20 млрд. т
наносов в год, или в 500 тыс. раз
больше, чем приносится метеоритами.

15.

В закрытой системе неизбежно
возникают циркуляционные
движения вещества:
большой («геологический») круговорот,
круговорот воды,
биогеохимические циклы химических
элементов (углерод, кислород, азот,
фосфор, сера и т.д.).

16.

«Есть единственный
способ сделать
какой-то процесс
бесконечным –
пустить его по пути
круговоротов»
Вильямс Василий
Робертович
(1863–1939)

17.

Все естественные глобальные круговороты
вещества отличаются чрезвычайно высокой
степенью замкнутости.
В геологическом масштабе времени баланс
потоков синтеза и деструкции органического
вещества Земли выдерживается с точностью
до восьми знаков после запятой!

18. «Геологический» круговорот

19.

20.

Среднегодовое извержение лав
на дне океанов 50 км3;
на суше 15 км3;
Снос с поверхности суши 25 км3;
Среднегодовое перемещение материала
человеком 100 км3.

21.

(http://www.ecosystema.ru/07referats/krug/krug.htm)

22. Благодаря мировому круговороту, происходит неуклонное обновление запасов воды с различной скоростью:

воды Мирового океана обновляются за 2 млн.
лет,
почвенная влага примерно за 1 год,
вода в реках за 12 суток (т.е. 30 раз в год),
пары в атмосфере за 9 суток (т.е. 40 раз в
год).

23. Непрерывный круговорот воды в природе обеспечивает сушу пресной водой:

пресные воды - до 1 г/л,
солоноватые – до 1-3 г/л,
соленые – до 3-35 г/л,
рассолы - более 35 г/л

24.

Водные растения непрерывно очищают
воду

25.

Системой транспирации на суше являются леса

26. Биологическая катастрофа течения Эль-Ниньо

Биологическая катастрофа течения ЭльНиньо
Циркуляция вод
Тихого океана
состоит из двух
антициклонических
круговоротов.

27.

В обычных условиях (Ла-Нинья)
тихоокеанские пассаты дуют в
западном направлении
Во время Эль-Ниньо происходит
ослабление пассатов в центральной и
западной частях Тихого океана. Теплая
вода от Австралии «откатывается»
вдоль экватора к побережью Латинской
Америки. Апвеллинг прекращается, в
Эквадоре и Перу начинаются ливни,
наводнения, а в Индонезии и Австралии
- засуха.

28. Биологическая катастрофа течения Эль-Ниньо

Биологическая катастрофа течения ЭльНиньо
У побережий Эквадора и Перу резко, на 7-12оС, повышается
температура воды, исчезает рыба и гибнут птицы, начинаются
затяжные проливные дожди.
Повторение наблюдается каждые шесть - семь лет.
Годы, в которые был зафиксирован «Эль-Ниньо»: 1864, 1871,
1877-1878, 1884, 1891, 1899, 1911-1912, 1925-1926, 1939-1941,
1957-1958, 1965-1966, 1972, 1976, 1982-1983, 1986-1987, 19921993, 1997-1998, 2002-2003.
В Южной Америке изменения климата стали причиной
распространения холеры, тропической лихорадки, малярии,
энцефалита и лептоспироза.
В 1991 году во время очередного визита Эль-Ниньо произошла
вспышка холеры, унесшая 12 000 жизней.

29.

Механизмы развития катастрофических
явлений настолько запутаны, что ученым
требуются годы, чтобы приблизиться к
пониманию сложного комплекса причинноследственных связей в системе «атмосфера
- гидросфера – Земля».

30. Биогеохимические циклы

круговороты в биосфере химических
элементов, трассирующихся из внешней
среды в живые организмы и растения и
обратно во внешнюю среду.
Углерод, водород, кислород и азот
потребляются организмами в больших
количествах и называются
макроэлементами

31.

32.

33. Круговорот углерода

34.

35.

36.

Круговорот двуокиси углерода (СО2)
представляет собой самый важный
для человечества глобальный
биогеохимический процесс
циркуляции веществ

37. Круговорот углерода

почти все формы жизни состоят из соединений
углерода;
реакции окисления и восстановления соединений
углерода обусловливают глобальное
распространение и баланс не только углерода, но и
кислорода, а также и многих других химических
элементов;
способность атома углерода создавать цепи и кольца
обеспечивает разнообразие органических
соединений;
углеродсодержащие газы - углекислый газ (СО2) и
метан (СН4) играют определяющую роль в
антропогенном парниковом эффекте.

38. Круговорот углерода

Резервуары углерода находятся в гидросфере, биосфере и
атмосфере.
Основной запас углерода, принимающего активное
участие в биогеохимическом цикле, находится в Мировом
океане, где растворено (триллионов тонн):
СО2 - 140;
О2 – 8.
В верхнем слое океана при равновесии с атмосферой
в 1 л воды содержится (мл):
CO2 – 50;
N2 – 12;
O2 – 2-8;
Ar – 0,32.

39.

За 6-7 лет весь углерод, содержащийся в
атмосфере, транспортируется сквозь
биосферу
Круговорот углерода (http://nts.sci-lib.com/pictures000232.html)

40. Основной антропогенный поток в глобальном цикле углерода

сжигание горючих ископаемых в
процессе производства энергии;
различные виды деструкции
органического вещества биоты и почв.

41. Рост содержания углекислого газа в атмосфере (http://elementy.ru/news/430473)

42.

О.Г.Сорохтин, С.А.Ушаков. Развитие
Земли. М: Изд-во МГУ, 2002. 506 с.
Сорохтин
Олег Георгиевич
(1927 –2010)
«…большая часть поступающего в
атмосферу углекислого газа, по
закону Генри (закон, по которому при
постоянной температуре
растворимость газа в данной
жидкости прямо пропорциональна
давлению этого газа над
раствором), растворяется в
океанических водах и далее, при
гидратации пород океанической коры,
связывается в карбонатах, то может
оказаться, что вместе с углеродом в
карбонаты перейдет и часть
атмосферного кислорода».

43. О.Г. Сорохтин:

Идея о разогреве земной поверхности парниковыми
газами (в основном метаном и углекислым газом)
впервые была высказана в конце XIX столетия
известным шведским учёным Аррениусом и с тех пор
практически без проверки принимается на веру.
Более того, эта точка зрения сейчас доминирует и в
Межправительственной группе экспертов по
изменению климата (МГЭИК), и в ГРИНПИС, и в
Программе ООН по окружающей среде (ЮНЕП), и во
Всемирной метеорологической организации (ВМО).

44. О.Г. Сорохтин:

Согласно прогнозам сторонников этой идеи к 2100 году
потепление климата может достигнуть 2,5-5º С, что вызовет
повышение уровня Мирового океана до 1 метра.
Это создаст серьёзные проблемы для населения побережий, для
промышленности и добычи нефти и газа в прибрежных районах.
Прогнозируются и другие губительные для природы
последствия – расширение пустынь, исчезновение мерзлоты,
эрозия почв и т.д.
Подобные спекуляции заставляют правительства развитых
стран выделять огромные средства на борьбу с
катастрофическими последствиями изменения климата. Однако
встает вопрос: насколько оправданы эти расходы, и не ведём ли
мы борьбу с «ветряными мельницами»?

45.

Александр Городниицкий
(род. 20 марта 1933)
геофизик, доктор геолого-минералогических
наук (1982), главный научный
сотрудник Института океанологии имени
П. П. Ширшова РАН

46.

Бьорн Ломборг
Bjørn Lomborg
(род. 6 января 1965)
датский экономист, эколог,
общественный деятель

47. Потоки метана в атмосферу (Мт/год) (Экология микроорганизмов*, 2017)

Источник
Поток
Потоки микробного
происхождения
Источник
Поток
Антропогенные и геологические
источники
Заболоченные почвы
и болота
Плантации риса
120-200
Индустриальные потери
20-55
70-170
Выхлопы автомобилей
0,5
Растительноядные
животные
Термиты
80-100
Потери на газопроводах
10-20
25-125
Сжигание лесов
10-40
Свалки
5-70
Угольные шахты
10-35
Океан
Тундра
1-20
1-5
Разрушение метаногидратов
Вулканы
2-4
0,5
Всего
320-715
Всего
53-155
* Под общей редакцией А.И.Нетрусова

48.

Вацлав Клаус, Синяя, но не зелёная
планета! Что под угрозой: климат или
свобода? / Перевод на русский язык:
И.Безрукова, С.Скорвид, Н.Тамарчина,
Н.Фальковская // Klaus V., Modrá, nikoli
zelená planeta: co je ohroženo: klima,
nebo svoboda?. 1. vyd. Dokořán PRAHA,
2007. — 164 s.

49. Итак, что нам делать?

вместо того чтобы бороться за окружающую среду, бороться за
свободу;
не ставить никакие изменения климата впереди краеугольных
вопросов свободы и демократии (не помещать сдвиг средней
температуры перед скобкой);
вместо того чтобы организовывать людей сверху, предоставить
каждому возможность жить так, как он хочет;
не поддаваться модным веяниям;
(Вацлав Клаус, С. 101)

50. Итак, что нам делать?

не допускать политизирования науки и не поддаваться на
видимость научного консенсуса, который всегда достигается
только благодаря крикливому меньшинству, а не молчаливому
большинству;
быть чутким и внимательным к природе и призвать следовать
этому в повседневной жизни в том числе и тех, кто громче всех
говорит об окружающей среде;
смириться со спонтанной эволюцией человеческого общества,
поверить в её имплицитную иррациональность и не пытаться
тормозить её и поворачивать в том или ином направлении;
не пугаться катастрофических прогнозов и не пользоваться ими
для защиты и внедрения иррациональных вмешательств в
жизнь людей.
(Вацлав Клаус, С. 101)

51. Итак, что нам делать?

«В наше смутное время мне хочется
ширить оптимизм, веру в себя, веру в
собственные силы индивида и в нашу
коллективную способность найти выход,
найти позитивное решение».
(Вацлав Клаус, С. 101)

52. Круговорот кислорода

Наиболее распространенный элемент
таблицы Менделеева.
Составляет:
52% земной коры,
21% воздуха,
88.8% воды,
65% организма человека.
Около 90% жизненной энергии
вырабатывается при участии кислорода.

53. Круговорот кислорода

http://profil.adu.by/mod/book/view.php?id=1112&chapterid=1828

54. Круговорот кислорода

Глобальный процесс, охватывающий
планетарные системы: атмосферу,
гидросферу и литосферу.
В атмосфере находится в виде атомарного
кислорода "О", молекул "О2" и озона "О3".
Совершая свой путь между атмосферой и
живыми организмами, кислород обретает
много химических форм.

55. Круговорот азота

N - ключевой ингредиент жизни - обязательный
компонент всех белковых соединений.
Большие запасы сосредоточены в литосфере.
Остальные запасы - в виде химически малоактивного
газа, составляющего 79% атмосферы.
Запасы азота в биосфере и гидросфере - на три
порядка меньше, чем в атмосфере.
Среднее соотношение массы углерода и азота в
наземной биомассе и почвах С : N = 160 : 15.

56.

57. Круговорот азота

58. Фиксация азота - преобразование атмосферного газообразного азота в различные химические соединения в растениях

59. Круговорот азота

Человек интенсифицировал азотный цикл:
1. Сжигание ископаемого топлива и древесины,
сопровождающееся выбросом в атмосферу оксида
азота (NO).
Соединяясь с кислородом атмосферы, оксид азота
образует NO2 - диоксид, а при взаимодействии с
водяным паром образуется азотная кислота
(HNO3), которая становится частью кислотных
осадков, отравляющих жизнь растений и
организмов.

60.

http://dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/2036/КИСЛОТНЫЙ

61.

Лес, пострадавший от кислотных дождей.
Изображение Wikimedia Commons.

62. Круговорот азота

Человек интенсифицировал азотный цикл:
2. Выделение в атмосферу " парникового" газа -
закиси азота (N2О) в результате действия
бактерий на удобрения и отходы животноводства.
3. Сбросы нитратов и аммония в водоемы с
животноводческих ферм, коммунально-бытовые
стоки, что приводит к массовой гибели рыб.
4. Вынос из почвы нитратов и аммония при сборе
урожая сельскохозяйственных культур,
перенасыщенных азотом.

63. Время переноса:

С - 8 лет,
N - 110 лет,
О – 2 500 лет.

64. Круговорот фосфора

Входит в состав генов и молекул,
переносящих энергию внутри клеток, в том
числе в структуру ДНК, в костную ткань.
Газообразные формы фосфора практически
не существуют, в атмосфере его нет.
В литосфере подавляющая часть фосфора
кристаллических пород содержится в
апатитах (95%).
Осадочные отложения вторичного характера
- фосфориты

65.

Круговорот фосфора в природе
(http://him.1september.ru/articlef.php?ID=200700901)

66. Круговорот фосфора

Среднее соотношение концентрации углерода
и фосфора в почвах и растительности: С:Р =
750:1.
Однонаправленный поток фосфора вниз по
уклону под действием силы тяжести.
Противоположного потока не существует.
Небольшая часть фосфора возвращается на
сушу в виде гуана (помета птиц).
Общемировая величина потока фосфора в
гидросферу около 20 млн. т/ год.

67. Круговорот серы

Необходимый компонент белков.
Глобальный цикл отличается
разнообразием биотических и
абиотических процессов с участием
различных компонентов в
газообразной, жидкой и твердой
фазах.
Важнейшее антропогенное
воздействие - эмиссия SО2, при
сжигании угля.

68.

69. Биомолекулы

Органические вещества, синтезируемые
живыми организмами.
Состоят из атомов С, H, N, O, P и S.
Включают белки, полисахариды,
нуклеиновые кислоты, а также более
мелкие компоненты обмена веществ.

70. Биомолекулы

Синтезируют биомолекулы
растения.
Человек или животные могут
только удлинять или
разрушать их.

71.

72. Будущее земли как планеты Солнечной системы:

Гипотеза В.Е.Хаина:
Пульсация Земли и
действие тектоники
плит происходит на
фоне медленного, но
неуклонного сжатия
планеты.
Будущее планеты тесно
связано с будущим
Солнца.
Виктор Ефимович
Хаин
(1914 — 2009)

73. Эволюция Солнца и Земли

В длительном будущем изменения в
Солнечной системе будут связаны с
изменением состояния Солнца вследствие его
старения.
По мере сжигания Солнцем запасов
водородного топлива оно будет становиться
всё горячее, будет увеличивать светимость на
10 процентов каждые 1.1 миллиардов лет.
http://img1.liveinternet.ru/images/attach/c/2//67/129/67129298_foto0267.jpg

74.

Испарение воды с поверхности океанов
создаст парниковый эффект и приведет к ещё
более интенсивному разогреву Земли.
Повышение температуры ускорит
неорганическую циркуляцию СО2, уменьшив
его концентрацию до смертельного для
растений уровня за 900 млн. лет.
В этой фазе существование жизни на земной
поверхности станет невозможным.

75. При неизменности состояния Солнца

Внутренне охлаждение Земли (из-за
понижения вулканической активности)
приведёт к потере большей части
атмосферы и океанов.
Через 1 млрд. лет вода с поверхности
Земли полностью исчезнет.
http://ovsem.org/wp-content/uploads/2010/11/Самый-активный-вулкан-Земли-№2Санта-Мария.jpg

76. Домашнее задание

Студент должен
прочесть в учебнике
«Геоэкология»:
Часть 2. Земля как
глобальная экологическая
система (стр. 28-68).

77. Лекция 6. Земля как глобальная экологическая система

1.
2.
3.
План лекции:
Строение и форма Земли.
Тепловой баланс Земли.
Глобальные циклы вещества.

78. «Основы геоэкологии»

Геологический факультет МГУ
имени М.В.Ломоносова,
кафедра инженерной и экологической геологии
доцент Григорьева И.Ю.