Биосфера. Биосферные циклы

1.

Экология
Лекция 12.
Биосфера (1)
Биосферные циклы
27.11.2017
Круговорот воды
Эдуард Зюсс
Владимир
Вернадский

2.

•Биосфера.

3. Эдуард Зюсс Eduard Suess [1831-1914гг.] Австрийский геолог

1857 – 1901 профессор геологии
Венского университета.
1898 – 1911 президент Австрийской
Академии наук
• в1875 г, при исследовании австрийских
Альп, ввел термин «биосфера»,
определив понятие биосфера, как
поверхностный слой земного шара,
охваченный жизнью.

4.

Зюсс (Suess) Эдуард (20.8.1831, Лондон, — 26.4.1914, Вена), австрийский
геолог. В 1852 окончил Венский политехникум. С 1857 по 1901 профессор
геологии Венского университета. В 1898—1911 президент Венской АН. С 1873
был членом рейхсрата. Изучал геологическое строение и тектонику Альп,
Ломбардской впадины, Апеннин. В 1875 З. опубликовал работу "Происхождение
Альп", в которой развивал взгляды об образовании гор на основе
контракционной гипотезы, объясняющей тектонические процессы и
возникновение складчатости охлаждением и сжатием Земли. Основной
научный труд З. — "Лик Земли" (т. 1—3, 1883—1909), в котором дана сводка
всех региональных исследований, проведённых к началу 20 в. в различных
странах, и обобщены представления о строении и развитии земной коры в её
континентальных частях на основе контракционной гипотезы. Этот труд оказал
большое влияние на развитие различных отраслей теоретической геологии. За
3-й том "Лика Земли" З. получил большую золотую медаль им. П. П. Семенова
от Русского географического общества и золотую медаль им. Ч. Лайеля от
Лондонского королевского общества.
Многие выдвинутые Зюссом понятия — о симатической и сиалической
оболочках земного шара, об эвстатических колебаниях уровня океана, о
варисской складчатости, о Тетисе, линиях Карпинского и др. — сохранились в
геологии. Обобщения же в области региональной геологии, в частности его
концепция о древнем темени Азии и соотношениях складчатости, устарели.

5.

Эдуард Зюсс
Eduard Suess
[1831-1914гг.]
Австрийский геолог
(1901) Академик Российской Академии наук.
Главный труд:
«Das Antlitz der Erde» (1883-1888),
"Лик Земли" (тома 1-3, 1883-1909)
обобщил представления о строении и развитии земной
коры.

6.

Вернадский Владимир Иванович
[1863 -1945гг.],
минералог и кристаллограф,
основоположник геохимии,
биогеохимии, радиогеологии и
учения о биосфере
•1904 г. Заведующий минералогическим
отделением Геологического музея в СПб
•1912 г. ординарный академик РАН
•1921 –1922 создание Радиевого института
•1928 открытие Биогеохимической лаборатории
Учение о биосфере 1920—1930 гг.

7. Биосфера

(по Вернадскому)
• Биосфера область земного шара, в
которой когда-либо существовали и
существуют живые организмы.
• Биосфера включает нижнюю часть
атмосферы (15-20 км), верхнюю часть
литосферы (до 20 км) и всю
гидросферу.

8. Биосфера по В.И. Вернадскому

Компоненты
Масса, т Соотношение
Живые организмы
Атмосфера
Гидросфера
Литосфера
2,4 * 1012
5,2 * 1015
1,5 * 1018
2,8 * 1019
1
2146
602500
1670000

9.

10.

www.college.ru/.../paragraph1/theory.html

11. Компоненты биосферы (по Вернадскому)

1) [Живое вещество]
Совокупность живых организмов
Существует в дискретном виде
(особи).
Всего на Земле известно около
3 млн. биологических видов, из них
1 млн. – насекомые.
Еще существуют виды неизвестные науке.
Ежегодно описываются десятки и сотни новых
видов растений, животных и микроорганизмов.

12. Компоненты биосферы (по Вернадскому)

2) Биогенное вещество. Это биоминеральное и
органическое вещество, созданное живым
веществом: битумы, каменный уголь, горючие
газы, нефть, торф, сапропель, почвенный
гумус, лесная подстилка.
3) Биокосное вещество. Это вещество,
преобразованное живыми организмами:
осадочные породы, минералы, атмосфера, вода.
4) Косное вещество, космическое вещество все
элементы молекулы и соединения космического
происхождения, сформированные без участия
жизни.

13. Функции живого вещества (по Вернадскому) (Роль естественных сообществ биосферы в формировании земной поверхности)

• Газовая функция: фотосинтез и дыхание.
• Окислительная (Fe, Mn, CO32-, P, N, S)
• Восстановительная: создание вторично
анаэробных условий, которые влияют на баланс
CH4, H2S, H2, образование осадочных пород.
• Концентрирование и выделение солей Са:
известняки, туфы, мел.
• Концентрирование элементов из рассеянного
состояния. (Формирование почв)
• Синтез и разрушение органического вещества.
• Очистительная функция – буферная способность
биосферы

14. В настоящее время

• Под биосферой, многие понимают оболочку Земли,
в пределах которой существует живые организмы, то
есть понятие значительно более узкое по сравнению с
определением В.И. Вернадского.
• Биосфера не рассматривается как надсистема, которой
подчинена жизнь.
• Для обозначения совокупности живых организмов
Земли не используется термин «живое вещество» а
используется термин «биота».

15. Немного об истории формирования биосферы

• Основные периоды фанерозоя
• Термин фанерозой (фанерос - явный, зоэ - жизнь)
введен Чедвиком в 1930 г.,
• Это Промежуток времени в истории Земли (эон)
начало которого датируется 550 –600 млн лет назад,
и продолжающийся по сегодняшний день.
• Округленно (для грубых расчетов)
продолжительность фанерозоя можно
принять равной 109 лет.

16.

• Геохронологические
таблицы по разным
источникам

17. Основная Геохронологическая схема Тугаринов А. И., Воиткевич Г. В. Докембрийская геохронология материков. М., «Недра», 1968,

432 с.
[17] Семихатов М. А. Стратиграфия и геохронология протерозоя. М., «Наука», 1974, 302 с.
[18] Салоп Л. И. Общая стратиграфическая шкала докембрия. М., «Недра», 1973, 309 с.

18. Геологические периоды фанерозоя, Михайлова, Бондаренко, Палеонтология, М. 1997 с упрощениями и сокращениями]

Фанерозой, энциклопедия Британника
Phanerozoic Eon, the span of geologic time
extending about 542 million years from the
end of the Proterozoic Eon (which began
about 2.5 billion years ago) to the present.
The Phanerozoic, the eon of visible life, is
divided into three major spans of time largely
on the basis of characteristic assemblages of
life-forms: the Paleozoic (542 million to 251
million years ago), Mesozoic (251 million to
65.5 million years ago), and Cenozoic (65.5
million years ago to the present) eras.
Although life clearly originated at some time,
probably quite early, in the Proterozoic Eon,
not until the Phanerozoic did a rapid
expansion and evolution of forms occur and
fill the various ecological niches available.
The key to this great Phanerozoic expansion
appears to lie in the development of plants
able to carry out the photosynthetic process
and thus release free oxygen into the
atmosphere. Before this time, the Earth’s
atmosphere contained negligible amounts of
free oxygen, and animals, in which energy
transfers involving the process of respiration
are critical, were unable to develop. During
the Phanerozoic, the Earth gradually
assumed its present configuration and
physical features through such processes as
continental drift, mountain building, and
continental glaciation. Thus, although the
Phanerozoic Eon represents only about the
last one-eighth of time since the Earth’s crust
formed, its importance far exceeds its
relatively short duration.
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/4
55062/Phanerozoic-Eon

19.

Термин фанерозой (фанерос - явный,
зоэ - жизнь) введен Чедвиком в 1930 г.
Доля докембрийских пород в
обнажениях на поверхности Земли
невелика, в обнажениях же, которые
были известны геологам XIX века, она
практически была равна нулю, так что
для них фанерозойские породы
исчерпывали всю геологическую
летопись.
Еще Ардуино (1759 г.) предложил
делить эти породы по степени их
древности на первичные, вторичные и
третичные (последний из этих терминов
сохранился и сейчас, он используется
для наименования первого периода
кайнозойской эры, занимающего почти
всю ее продолжительность).
Расчленение фанерозоя на три эрыдревней жизни (палеозой, Pz,
длительностью 340 млн. лет), средней
жизни (мезозой, Mz, длительностью 163
млн. лет) и новой жизни (кайнозой, Kz,
последние 67 млн. лет, вплоть до
нашего времени) - окончательно было
введено Дж. Филлипсом в 1841 г. (в
стратиграфии для совокупности слоев
данной эры применяется термин
«группа»). С биологической точки
зрения палеозой может быть вкратце
охарактеризован как эра господства
морских беспозвоночных, рыб и
земноводных, мезозой пресмыкающихся и кайнозой млекопитающи
http://geoman.ru/books/item/f00/s00/z0000016/st009.shtml

20. Биогеохронологическая таблица

21. Биосферные циклы

22. Круговорот углерода в биосфере

Основная масса запасов углерода 107 Гт С равномерно
распределена в толще осадочных пород и не доступна
для использования человеком.
Эта масса депонирована за время фанерозоя ~ 109лет.
Т.е среднее годичное депонирование составляет 10 2 Гт
С год 1.
Годичная продукция биосферы – 100 Гт С год 1.
Таким образом, круговорот углерода замкнут с
высокой степенью точности 10 4 .

23. Круговорот углерода биосфере

Локальные концентрированные запасы углерода в
виде ископаемого топлива [уголь, нефть, газ],
доступные для использования человеком, составляют
менее 104 Гт С, то есть менее 1 тысячной доли от
общих запасов углерода в осадочных породах.

24. Рис. 3. Резервуары и потоки углерода (по В.Г. Горшков с соавт., [V.G. Gorshkov et all., 2000] с изменениями)

Атмосфера
1000 Гт C
Разложение,
100 Гт C/год
P‒
Биота
1000 Гт C
Осадочные породы 107 Гт C
в том числе ископаемое топливо 104 Гт C
Выбросы вулканов
F‒, 0.01 Гт C/год
Синтез,
100 Гт C/год
P+
Депонирование
F+, 0.01 Гт C/год
Глубокие слои земной коры и мантия

25. Основные следствия

• Круговорот углерода замкнут с высокой
степенью точности. То есть, с точностью 10-4 вся
энергия фотосинтеза используется в процессе
жизнедеятельности живых организмов [сообществ
биосферы] и распадается [диссипирует] в тепловую
энергию, излучаемую с поверхности Земли в
космическое пространство.
• Потенциальная опасность нарушения
круговорота. Мощность биотического круговорота
такова, что перераспределение запасов углерода в
основных резервуарах биосферы может произойти
за ограниченное время ~ за время десятков лет.

26. Основные следствия

• Основная масса запасов углерода
равномерно распределена в толще
осадочных пород и не доступна для
использования человеком.
• Локальные концентрированные запасы
углерода в виде ископаемого топлива [уголь,
нефть, газ] составляют менее 1 тысячной
доли от общих запасов углерода в осадочных
породах.

27. Современная биосфера и кислород атмосферы

Запас углерода в биосфере
1012 т (1000 • 109)
Запас углерода в ископаемом топливе 10 •1012 т
Запас кислорода в атмосфере
~ 1000 • 1012 т
Примем, что расход кислорода по отношению к углероду при
окислении органических соединений составляет ~ 2:1.
Тогда, при сжигании всех органических соединений биосферы
и ископаемого топлива количество кислорода уменьшится
на 20 • 1012 т, что составляет 2% от его количества в
атмосфере.
Если рассматривать газовый состав атмосферы (содержание
кислорода составляет 21%), то потери кислорода в
атмосфере (при сжигании всех запасов углерода биосферы
и ископаемого топлива) составят 21% • 0.02 = 0.4%

28. Биогенное происхождение кислорода

Общие запасы депонированого углерода составляют
107• 109 т = 1016 т.
Количество кислорода выделенного в атмосферу при
производстве этого количества органических веществ
примерно составляет 2 1016 т. Современное количество
кислорода в атмосфере 1015 т что примерно в 20 раз
меньше выделенного в атмосферу при производстве
депонированной органики. Это не противоречит
биогенному происхождению атмосферного кислорода,
поскольку большая его часть израсходована на окисление
вулканических выбросов (Будыко и др., 1985; Бютнер, 1986).

29. Газовый состав атмосферы (%) Земли, Марса и Венеры (По Lovelock, 1979 с сокращениями)

Биогенное происхождение кислорода однозначно
следует из газовым составом атмосферы
Марс Венера Земля Земля
без
жизни
Двуокись
углерода
Азот
95
2.7
1.9
Кислород
0.13
<10-5
98
98
0.03
1.9
79
<10-5
21

30.

26 July 1919 (1919-07-26) (age 91)
Letchworth, Hertfordshire, England, UK
Lovelock, James (2000) [1979].
Gaia: A New Look at Life on
Earth (3rd ed.). Oxford University
Press. ISBN 0-19-286218-9.

31.

• За время существования жизни поверхность
Земли подверглась существенным
изменениям.
• В толще осадочных пород встречается
большое количество минералов -«полезных
ископаемых», сформировавшихся в
результате жизнедеятельности биоты,
например – известняки, туфы, мел.
• Биологическая скорость выветривания
(разрушения) горных пород существенно
превышает скорость физического
выветривания.

32. Вода в биосфере

33. Вода в биосфере

• Все метаболически активные ткани живых
организмов на 90% состоят из воды.
• Все вещества, необходимые для
жизнедеятельности растений (за исключением
газов – O2 и CO2), поступают в виде водных
растворов.

34. Вода в биосфере. Транспирация.

• Количество воды, потребляемое растениями,
на много порядков превышает необходимое
для биохимических реакций.
• Чистая вода непрерывно выводится из
растений путем транспирации – испарения
воды листьями.
• Количество потребляемых растениями суши
биогенов и чистая первичная продукция
пропорциональны транспирации.

35. Вода в биосфере. Транспирация.

• Транспирация существенно превышает испарение
с открытой поверхности в результате:
- большей площади испарения растений,
- эффективного использования растениями
запасов воды в верхних горизонтах почвы.
• Соотношение среднегодового количества
транспирируемой воды к чистому приросту живой
массы растений, называется коэффициентом
транспирации.
• kT= ET / P+ 100 мм м2 кг –1
(Лархер, 1978)
• ET – скорость транспирации мм год–1
• P+ – чистая первичная продуктивность [кг м–2 год–1]

36.

• Непрерывный процесс перемещения воды в
природе, связанный с ее фазовыми
переходами под воздействием солнечной
энергии и силы тяжести, охватывающий все
оболочки Земли, называют Мировым
влагооборотом или круговоротом воды
• Фазовые переходы:
• Жидкость Пар Жидкость
Твердая фаза Жидкость
Скрытая теплота парообразования 2.3 Мдж кг –1 H2О
Удельная теплота плавления льда 0.34 · Мдж кг –1 H2О

37. В ледниках содержится 80% запасов пресной воды (Ледник Рассела, Гренландия)

38. Распределение запасов воды в биосфере. (Allen, 1955; Львович, 1974; Whittaker and Likens, 1975; Mitchell, 1989)

Резервуар
Запас, 1012 т
Пресная Соленая
вода
вода
Океан
Ледники
Подземные воды
Озера
Почвы
Биота
Атмосфера
Реки
1.4 106
2.0 104
4.0 103
1.5 102
20
8
3
1.4

39. Мировой влагооборот

• Полное обновление воды в разных частях гидросферы
происходит за период:
• подземные воды -- сотни тысяч и миллионы лет
• ледники -- 8000 лет
• океаны --3000 лет
• проточные озера -- десятки лет
• замкнутые озера -- 200-300 лет
• почвенная влага -- в среднем за год
• вода в реках -- 30 раз в году (через каждые 12 суток)
• вода в атмосфере -- 40 раз в году (через каждые 9
суток)

40. Круговорот воды в биосфере см год–1 (по V.G. Gorshkov et. all., 2000)

41. Круговорот воды в биосфере

• 1)
• Перенос осадков с океана на сушу -10 см год–1 (для океана) 25 см год–1 (для суши)
возвращается в океан в виде речного стока.
• Испарение и осадки в океане и перенос влаги
"море суша ", равное речному стоку, не
может регулироваться биотой.

42. Круговорот воды в биосфере

• 2)
• В отсутствии земной биоты, выпавшие осадки
быстро перешли бы в подземные воды.
Испарение, главным образом, происходило бы с
поверхности рек и озер (которые составляют
только 2 % поверхности суши).
• Таким образом, выпадение осадков на суше
полностью управлялось бы переносом влаги с
океана, и приблизительно совпадало бы с речным
стоком.

43. Круговорот воды в биосфере

• 3)
• Транспирация влаги растениями утраивает
влагооборот по сравнению с безжизненной
землей.
• Если бы вся солнечная энергия, поступающая на
поверхность суши, была потрачена на
транспирацию, водный обмен был бы в девять раз
выше (пунктирный цикл).
• Ситуация, близкая к такому максимуму
существует в тропических лесах.

44.

• Транспирация влаги растениями
утраивает влагооборот по
сравнению с безжизненной
землей

45.

• В тропических лесах большая часть солнечной
энергии затрачивается на транспирацию и
водный обмен в 8-9 раз выше. На спутниковой
Фотографии представлено формирование облаков в первой
половине дня, которы пролются дождем во второй.

46.

Центральная Африка, Демократическая Республика Конго.
Серый – невозобновляющиеся сплошные рубки,
Салатный – травяные сообщества на месте сплошных рубок
Коричневатый – сплошные рубки последних 3–5 лет
Остатки тропических лесов еще работают (локальные скопления облаков),
но большая ячасть воды уже потеряна.
• Площадь сплошных рубок >80%

47. Скорость сокращения площади лесов

• 1990 – 2000 -- 15 га мин–1
• 2000 – 2010 -- 10 га мин–1
• (чистые потери с вычетом лесовосстановления на ранее
вырубленных территориях ) FAO, 2011. [Food and agriculture
Organization of Unated Nations], http://www.fao.org/forestry/fra/fra2010
• Глобальная оценка лесных ресурсов, 2010 г.
http://foris.fao.org/static/data/fra2010/KeyFindings-ru.pdf
http://www.fao.org/docrep/014/i1757r/i1757r.pdf

48. Уничтожение растительного покрова приведет к -- 3-х кратному снижению осадков на суше -- и потере 14% воды в атмосфере

49.

Уничтожение растительного покрова приведет к
-- 3-х кратному снижению осадков на суше
-- и потере 14% воды в атмосфере