В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Глубокое изучение проблем экологической геофизики расширит возможности поисков выхода из экологического кризиса, обусловленного неконтролируемым антропогенным воздействием на окружающую среду. Важнейшей проблемой для человечества является определение условий устойчивости биосферы. Сначала напомним, как проблема устойчивости решается в термодинамике. В изолированной системс энтропия при неравновесных процессах будет возрастать. После прекращения этих процессов наступает устойчивое равновесие, при котором энтропия системы будет максимальна и равна Яв.
Общим условием устойчивого равновесия изолированной системы является максимальность энтропии. В неравновесном состоянии система имеет энтропию, равную Ь', причем Ьб'=б' — б (0. дл. 17. Оеноеньн понятия онологии Так как,5в максимальное значение энтропии., то в равновесии первая вариация энтропии бя = О, а вторая вариация о'ля < < О. Эти условия определяют необходимое и достаточное условия равновесия изолировашюй системы.
Принцип Ле Шателье- Брауна определяет общие условия устойчивого равновесия термодинамических систем. Он был установлен Ле Шателье в 1884 г, и обоснован в 1887 г. Брауном. Согласно этому принципу внешнее воздействие, выводящее систему из состояния равновесия, вызывает в этой системе такие процессы, которые ослабляют эти воздействия. Принцип Ле Шателье — Брауна является термодинамическим аналогом хорошо знакомого закона электромагнитной индукции и обобщает его.
Он позволяет предсказать направление, в котором под влиянием внепшего воздействия изменятся термодинамические процессы, протекающие в системе. Однако принцип Ле Шательг— Брауна не позволяет дать количественных заключений о поведении системы. Принципом Ле Шателье Брауна обусловливается устойчивость равновесного состояния. Если бы всякий первичный процесс усиливался еще болыпе благодаря вызванному им вторичному процессу, то это вывело бы систему из равновесия. Наличие устойчивого равновесия у системы является необходимым условием применимости принципа Ле Шателье.
Брауна. На основе того, что биота поддерживает определенный химический состав окружающей среды следует, что биота подчиняется принципу Ле Шателье Брауна. При возникновении внешних возмущений, нарушающих равновесное состояние биосферы, в ней возникают внутренние процессы, компенсирующие это внешнее воздействие. Сейчас много говорится об избыточной величине СОя в атмосфере. Для биосферы принцип Ле Шателье— Брауна выражается в том, что скорость поглощения углерода биотой пропорциональна приросту концентрации углерода по отношению к невозмущенному состоянию.
На основе анализа выбросов ископаемого углерода и накопления его в атмосфере показано, что в биосфере принцип Ле Шателье Брауна выполнялся до начала ХХ века. С начала ХХ века биота суши перестала поглощать избыток углерода в атмосфере. Однако большинство ученых считает, что современное состояние биосферы обратимо, при уменыпении антропогенного воздействия биосфера может еще вернуться в устойчивое состояние. 1"л.! 7.
Огнооные попятил экологии 337 Структура биосферы Биосферу, как место обитания организмов вместе с самими организмами, можно разделить на три подсферы: аэробиосферу, гидробиосферу, геобиосферу. Аэробиосфера населена аэробионтами. Факторами, опредс ляющими возможность существования в ной живых объектов, являются наличие капель воды, аэрозолей, положительные температуры. Аэробиосфера подразделяется на тропобиосферу, альтобиосфсру, парабиосферу. Гидробиосфера включает в себя всю воду планеты за исключением подземных вод. Обитатели гидробиосферы — . гидробионты.
Гидробиосфера включает в себя континентальные воды (аквабиосфера), моря (маринобиосфера). Маринобиосфера, в свою очередь, подразделяется на фотосферу, дистосферу (в которую поступает менее 1 солнечной энергии), афотосферу (пет света).
Маринобиосфера подразделяется на части в зависимости от характера протекания в ней физического процесса распределения световой энергии по глубине. Геобиосфера подразделяется на следующие подсферы: терра- биосферу, гипотеррабиосферу, теллуробиосферу, гипобиосферу, метабиосферу. Подробное описание этих подсфер можно найти в учебниках по экологии, например в ~15, 1231.
Биосфера имеет сложную структуру, в ней функционируют достаточно обособленные системы, так называемые экосистемы или биогеоценозы, включающие в себя сообщества живых организмов и их среду обитания. В биосфере именно благодаря деятельности экосистем происходит поглощение солнечной энергии, ее трансформация, с помощью экосистем преобразуется вещество Земли. Биогеоценоз (экосистема) является важнейшим элементом биосферы, основным функциональным элементом. Экосистема объединяет все организмы, обитающие на данной территории.
Взаимодействие биотического сообщества со средой образует биотические структуры, круговорот вещества между живой и неживой частью экосистемы. Понятие биогеоценоза возникло в 30-е годы ХХ века. Английский геоботаник Тэнсли определил биогеоценоз как целостное образование в биосфере, в котором организмы и неорганические факторы выступают компонентами в относительно устойчивом состоянии. Важнейшими свойствами биосферы являются потоки энергии и вещества.
Интенсивность обмена веществ и энергии внутри и вне биогеоценоза позволяет установить их границы, отделить один биогеоценоз от другого. Экосистема, как следует из общей рл. 17. Оеноеньн понятия онологии теории систем, обладает общими свойствами сложных систем, такими как эмерджептностьч устойчивость,. эволюция и др. Под эмерджентпостью понимается несводимость свойств системы к свойствам составляющих ее элементов, то есть свойства системы зависят не только от свойств составляющих ее элементов, но и от особенностей взаимодействия между элементами.
Устойчивость системы определяется преобладанием энергии внутренних взаимодействий частей над внешним воздействием. В противном случае в системе могут произойти необратимые изменения. Учитывая важность понятия биогеоценоза, приведем еще одно определение., принадлежащее нашему соотечественнику В. И. Сукачеву: «Биогеоценоз — участок земной поверхности, где на известном протяжении биоценоз и отвечающие ему участки атмосферы, литосферы, гидросферы, .педосферы (почвы) остаются однородными, тесно связанными между собой и поэтому образуют в совокушюсти единый взаимообусловленный комплекс». Биоценоз представляет собой биологическую систему, которая является совокупностью популяций различных видов растений, животных и микроорганизмов, обитающих па определенной территории. Биоценоз включает в себя фотоценоз, зооценоз, микробиоценоз.
Таким образом, биогеоценоз представляет собой единое целое биоценоза и его среды обитания биотопа, причем биоценоз играет важную роль в формировании, создании среды своего обитания. Все биогеоценозы имеют одинаковую структуру. С трофической (от греческого $горйе питание) точки зрения структура экосистемы включает два уровня: верхний автотрофный (самостоятельно питающийся), нижний -- гетеротрофный (питаемый за счет других). В основе каждого биогеоценоза лежат автотрофные организмы или продуценты это растения, которые в процессе фотосинтеза создают органические соединения.
(Необходимо отметить существование биогеоценозов, в основе которых лежит хемосинтез. Такие системы, в частности, распространены на океанских глубинах и характеризуются очень высокой биопродуктивностью.) Далее в экосистеме энергия по пищевой (трофической) цепи передается гетеротрофным организмам это растительноядные животные. На третьем трофическом уровне находятся уже плотоядные животные. Отмершие организмы, растения разлагаются сапротрофами, которые также называются редуцентами, на минеральные вещества, в дальнейшем используемые для питания растений.
Эти минеральные вещества пазыва1отся субстратами цикла, наряду с которыми 7'л. 17. Основные понлп~ил экологии 339 Рис.17.1. Структура экосистемы, .включающая поток энергии (двойная контурная стрелка) и два круговорота веществ; твердых (толстая стрелка) и газообразных (тонкая стрелка). Тонкой прерывистой стрелкой показано участие в круговороте анаэробных бактерий существуют внешние субстраты, поступающие из внешней среды в экосистему. Сапротрофы подразделяются на сапрофиты (растения) н сапрофаги (живые организмы).
Схема экосистемы приведена на рнс. 17.1. Энергия, вещество в пределах экосистемы передается с одного трофического уровня на другой. С каждого трофического уровня на следующий передастся только небольшая часть энергии или вещества. Структура уровней энергии и вещества образует так называемые пирамиды Эльтопа.. Имеются различные категории экологических пирамид: пирамида чисел определяет число особей на каждом уровне пищевой цепи; пирамида биомассы . - определяет количество органического вещества на каждом уровне, пирамида энергий устанавливает количество используемой энергии па каждом уровне.
Высота пирамиды определяется длиной пищевой цепи. Чем длиннее пищевая цепь, тем меньшее значение по биомассе, числу особей или потребляемой энергии имеют плотоядные на вершине пирамиды. В учебниках по экологии приведено множество примеров, иллюстрирующих свойства экологических пирамид )15, 110, 123~. Рассмотрим некоторые энергетические характеристики экосистем. Валовая первичная продукция Р это количество органического вещества, возникшего в процессе фотосинтеза. В валовую первичную продукцию включается часть, которая расходуется на дыхание биомассы Л. Чистая первичная продукция Ря.!7. Ооноеньт понятия енояогии З4О равна Коэффициент эффективности фотосинтеза равен отношению чи- стой первичной продукции к валовой: Р— й Р Р Ря Важными характеристиками являются отношения — и — ' В В ' где В энергия биомассы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
