Текст книги "Физика окружающей среды"

Глава 2. Биосфера – «машина» циклов

Родная земля – самое великолепное, что нам дано для жизни. Ее мы должны возделывать, беречь и охранять всеми силами своего существа.

К. Паустовский

Элементы экологии. Наука, изучающая взаимодействие живых организмов с окружающей средой – экология получила свое название от др. греческих οίκος – обиталище, дом и λόγος – наука.

Составляющие окружающей среды, специфические для данного вида живого организма, обеспечивающие его развитие и воспроизводство характеризуют экологическую нишу этого вида. Такой нишей могут быть океан, опушка леса, капля воды. Совокупность неорганической основы, климатических условий (экотоп) и живых организмов (биоценоз) представляет экосистему (рис. 2). В экотоп входят климат, вода, почва, элементы ландшафта, воздух. Биоценоз составляют живые организмы, (зооценоз), растения (фитоценоз) и микроорганизмы (микробиоценоз). Для полноты компонентов составляющих экотоп, необходимо включить солнечное излучение, электромагнитный и акустический фон, а также, космическое излучение. Биоценоз и экотоп эволюционируют, воздействуя друг на друга через систему связей. Эти связи показаны стрелками, и механизм этого взаимодействия и представляет предмет экологии.

Стрелки-связи показывают направление потоков перетекания энергии и вещества поддерживающих устойчивое биологической и физическое состояние экосистемы.

Большой вклад в развитие экологии внес академик В. И. Вернадский. Он расширил ее границы, введя в систему связей экосистемы человеческий (антропогенный) фактор и понятие о ноосфере. Он определил ноосферу как совершенно новый объект научного познания, так как «это не просто общество, существующее в определенной среде, служащей пассивным поставщиком вещества и энергии и сохраняющейся в самой себе равном состоянии. Это нечто иное, целое, в котором сливаются развивающееся общество и изменяющаяся природа, взаимодействующие самым тесным образом. Можно сказать, что здесь действуют особые закономерности, в которых сложнейшим образом переплетаются законы неживой и живой природы, законы общества и законы человеческого мышления» [4].

Рис. 2. Схема экосистемы

Явления, происходящие в биосфере, взаимоотношения между частями биосферы и экосистем и внутри каждой из них подчиняются определенным закономерностям и могут быть описаны в виде законов. Законы эти в отличие от физических трудно формализуются, может быть, в силу большой сложности описываемых явлений, а может быть, потому, что физика и биология пользуются разными представлениями о структуре окружающего пространства.

Биосфера, по определению В. И. Вернадского, это живая оболочка Земли, область распространения жизни. Нижняя граница биосферы – донные отложения океана, верхняя граница – озоновый экран, выше которого ультрафиолетовое излучение исключает существование живых организмов. Реально верхняя граница проходит на высоте 5–6 тыс. м., там, где в скалах могут обитать лишь мхи и микроорганизмы. Таким образом, толщина биосферы составляет около 15 км. В сравнении с радиусом Земли это очень малая величина, а на модели Земли, например, с радиусом в 1 м она будет выглядеть, как тончайшая пленка толщиной 0,2×10^–3 м. Так же она и представляется космонавтам, их всегда удивляет наблюдаемая тонкость атмосферы.

Рассмотрим основные элементы биосферы – воду, воздух, почву теперь с позиций экологии как среду и ресурсы, обеспечивающие жизнь на Земле.

Круговорот воды в биосфере. Вода это составная часть всех элементов биосферы – не только водоемов, но и воздуха, почвы, живых существ, в которых под влиянием энергии Солнца и жизнедеятельности поддерживается определенный баланс воды. Механизм, поддерживающий этот баланс – круговорот воды. Мировой баланс воды – величина довольно стабильная, на что еще обратил внимание Аристотель в «Метеорологии». Балансы отдельных элементов биосферы, например континентальных и океанских вод, непостоянны из-за изменения режима осадков, связанных с глобальными изменениями климата (ледниковые периоды). Для существования жизни и развития человеческой цивилизации наиболее важно частью в этом балансе являются пресные воды, которые составляют речной сток, содержатся в озерах и подземных горизонтах, 85 % пресной воды планеты сосредоточено в ледниках.

Ежегодный объем воды, который может использовать человечество, составляет 37,3 тыс. км³ (речной сток) и часть подземных вод, запасы которых – 13 тыс. км³. Сами по себе эти цифры ничего не говорят, кроме того, что это большие величины. Для их оценки необходимо сравнить их с потребностью человечества в воде. Из имеющихся данных по расходу воды (в км³) на 1975 год [5] видно, что потребности уже сравнимы с природными запасами.

Таблица 3

Потребление воды, 1975

С учетом быстрого роста населения и уровня загрязнения вод прогноз об исчерпании запасов пресных вод в мире в начале XXI века представляется вполне реальной. Потребность в воде в настоящее время не удовлетворяется у 20 % городского и 15 % сельского населения мира.

Вода на суше распределена неравномерно, огромные площади занимают вододефицитные земли: аридные, пустыни, полупустыни. Не всегда вода имеется там, где располагается потребитель. Например, в СССР из 1000 км воды, пригодной для потребления, только 20 % располагалось там, где потребность в ней самая высокая. Усложняют водоснабжение и сезонные изменения стока вод в периоды паводков и половодий. Речной сток измеряется в м³/с и характеризуется гидрографом. Сток характерный для рек европейского типа, например, как Луара во Франции, изменяется от 50 м³/с в зимнее время до 4000 м³/с во время паводков.

Знание гидрографа рек важно для планирования хозяйственного водопотребления, особенно в энергетических целях. Для человека паводки представляют значительное неудобство, а порой к опасность. Однако, нужно знать, что паводки играют большую роль для здоровья самой реки и всех ее обитателей. Зарегулирование рек дамбами и плотинами изменяет речной сток и наносит большой ущерб экосистемам рек. К сожалению, не подсчитывается соотношение между ущербом, нанесенным реке строительством ГЭС и энергетической выгодой. Не исключено, что в ряде случаев расчет окажется не в пользу ГЭС.

До появления биосферы круговорот воды в природе осуществлялся только за счет испарения поверхностных вод водоемов и суши. В этом процессе существуют два круговорота: малый, в котором испарившаяся вода проливается прямо над океаном, и большой, когда облака уносятся ветром в сторону суши и пролившиеся дожди возвращаются в океан в виде поверхностного и речного стока (рис. 3).

В среднем, в год с поверхности всех водоемов испаряется около 0,5 млн. км³ или 0,5¹⁵ т. Более 90 % этого количества возвращается в океан с атмосферными осадками и лишь 10 % выпадает в виде осадков на поверхности материков. В некоторых конкретных случаях количество испаренной воды и скорость испарения столь велики, что не восполняются поверхностными стоками. Например, сток воды в Средиземное море не восполняет количества воды испаренной с его поверхности, поэтому в Гибралтаре течение направлено всегда из Атлантики. Речная вода обновляется за счет испарения с циклом в 10–12 суток.

Рис. 3. Большой круговорот воды

Современный круговорот воды происходит с участием биосферы и человека. Цикл его таков: вода, испаренная с поверхности водоемов, почвой, растениями, животными, конденсируется, образуя облака, и выпадает в виде осадков. Часть ее попадает в водоемы непосредственно, часть питает подземные воды, часть потребляется животными и растениями и возвращается опять в мировой океан уже как продукт жизнедеятельности.

Сравнение двух круговоротов воды показывает, как усложнилась структура круговорота включением в него биоценозов и человека. Транспирация или дыхание растений и животных, внесло очень заметный вклад в водный цикл. Так, с единицы поверхности леса испаряется значительно больше воды, чем с такой же поверхности моря. Количество испаренной воды зависит от вида растений и типа почвы – сухая она или влажная. Подсчитано, что с гектара березового леса ежедневно испаряется 47 000 л воды, с гектара елового леса около 43 000 л. В среднем с гектара леса в год испаряется от 2000 до 6000 м³. Из этих данных можно с уверенностью сделать вывод о зависимости количества осадков в какой-либо местности от растительности.

В исследованиях ученого А. П. Бочкова показано, что сток небольших лесных районов на 50–95 % выше стока открытых безлесных районов. Из этого правила почти с очевидностью следует, что нынешняя трагедия в Сахеле (Южная Сахара), почти полное исчезновение воды не что иное, как продукт человеческой деятельности. Увеличение скотоводства привело к исчезновению растительности, а это в свою очередь, уменьшило испарение и соответствующие ему осадки. Локальные водные циклы на Севере Африки оказались разорванными руками человека. Похожие явления стали наблюдаться и в нашей стране в Калмыкии и на юге Украины в связи с постоянным уменьшением растительного покрова.

Антропогенное нарушение водных циклов. Единственным нарушителем круговорота природных вод является водопотребление обществом. Главные потребители пресной воды: сельское хозяйство, промышленность, сфера быта. Потребление воды зависит от соответствия расселения характеру потребности, уровня экономического развития и общей культуры людей. Однако, растущее использование воды с низкой эффективностью и продолжающееся во все больших масштабах загрязнение указывают на то, что человечество очень далеко от понимания важности водной проблемы, растут гигантские уровни потребления и загрязнения.

Наиболее водоемкие производства: металлургическое, целлюлозобумажное, сельскохозяйственное, пищевое.

Потребность в воде для производства 1 тонны продукции колеблется в очень широких пределах (таблица 4).

Таблица 4

Потребность в воде для производства 1 т

Любое производство и потребление связаны с отходами т. е. загрязнителями. Резко выросло в XX веке производство и потребление продуктов с органической основой: горюче-смазочные материалы, изделия из пластмасс, моющие средства, косметика и продукты питания.

Количество органических отходов в мире (таблица 2) велико и велика динамика их роста. Значительная часть их попадает в воду, где их разложение происходит в процессе окисления и под действием микроорганизмов. Для этого расходуется кислород, растворенный в воде. При незначительном количестве сбросов срабатывает механизм самоочищения, если отходов много, содержание кислорода в воде резко падает, вода загнивает и зарастает сине-зелеными водорослями, которые еще более снижают содержание кислорода. Процесс увеличения биогенных и органических веществ в воде – эвтрофикация.

Возможность самоочищения вод оценивается показателем ВПК (биологическая потребность в кислороде), который указывает количество кислорода в миллиграммах, необходимое для окисления 1 г вещества за 1 час.

Наиболее ощутимо нарушение круговорота воды сельским хозяйством. Орошаемое земледелие занимает около 17 % всех обрабатываемых площадей. Все рисоводство и 70 % хлопководства требуют интенсивного орошения.

Расширение сельскохозяйственного производства, особенно при орошении и привело к увеличению забора воды из рек. Более 1/3 стока таких рек, как Дон, Днепр, Днестр разбирается по пути к морю, воды Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи практически не доходят до Аральского моря. Из-за уменьшения притока пресной воды и увеличения сброса сточных вод резко уменьшились рыбные запасы Аральского моря.

Забор воды из Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи привел к экологической катастрофе в бассейне Аральского моря и поставил под угрозу благосостояние и даже жизнь людей, населяющих приморскую зону. Уровень моря упал почти на 13 метров, вода отступила от берегов на десятки километров, а в южной части до 100 км. Все это привело к возрастанию солености моря, уменьшению осадков, опустыниванию и засолению земель в районе Арала. Изменилась климатическая ситуация. Раньше Арал, представлявший огромный аккумулятор тепла, формировал стабильные тепловые конвекционные потоки, поднимавшие вверх холодные воздушные массы, приходящие с Севера (рис 4). Холодный и влажный воздух достигал Памира и выпадал в виде дождя и снега, питая ледники и реки. Теперь эти потоки не в полной мере достигают Памира, так как над Аралом нет прежних мощных восходящих потоков. Некоторые специалисты считают, что Аральское море спасти не удастся и оно обречено на быстрое вымирание. В 1988 году вышло постановление правительства СССР о мерах по коренному изменению экологической обстановки в районе Аральского моря, была создана специальная комиссия по контролю за реализацией этого постановления.

Рис. 4. Водный цикл Арала

Бытовое водопотребление тоже довольно значительно, особенно в Токио, Мехико, Сан-Пауло, Москве, Нью-Йорке и других многомиллионных городах. Нагрузка на водные ресурсы зависит в основном от технологии и культуры потребления. Дефицит воды, например, в Москве, связан с непозволительной расточительностью и загрязнением. Во всех городах значительно превышены рациональные нормы расхода воды на одного жителя в сутки – 125–350 л. В 1980 г расход на одного жителя в сутки составлял: Минск – 283 л, Таллинн – 428, Ленинград – 456, Москва – 593, Душанбе – 564, Ташкент – 811. В европейских городах жители укладываются примерно в 270 л, Потери воды вместе с другими причинами связаны и с отсутствием надежных и простых расходомеров. Кстати, это серьезная и интересная работа для физиков и инженеров, разработать такой расходомер.

В перечень водопотребления обычно не включают энергетику. Это неверно. Во-первых, происходит тепловое загрязнение сбросами ТЭЦ, во-вторых, нарушается режим рек плотинами гидростанций и увеличивается испарение с поверхности водохранилища. Площадь всех искусственных водохранилищ России примерно равна территории Франции! При таких масштабах «покорения природы» не стоит удивляться чудесам погоды последних лет.

Круговорот вещества в атмосфере. Воздух одна из основных составляющих окружающей среды. Важную роль для жизни играет состав воздуха и физические процессы переноса вещества и энергии в форме круговоротов. Воздух состоит из газов: азот 78.084 %, кислород 20.948 %, аргон 0.934 %, другие и паров воды.

Кислород появился на Земле примерно 2 миллиарда лет тому назад, когда проходило активное формообразование поверхности при активной вулканической деятельности до того еще, как произошло разделение материков из праматерика Пангеи, согласно гипотезе Вегенера. Возрастание доли кислорода до современной в 21 % происходило в течение последних двадцати миллионов лет. Главную роль в этом играло развитие растительного мира суши и океана. Содержание кислорода в воздухе определяет границу жизни для растений и животных, по вертикали это приблизительно 4000 метров.

Кислород образуется в результате фотосинтеза органических продуктов в растениях.

6СО₂ + 6Н₂О + квант света = C₆Н₁₂O₆ + 6O₂+ тепло

При дыхании происходит реакция, обратная фотосинтезу.

В настоящее время пока наблюдается сохранение равновесия между производством кислорода и его потреблением.

Интенсивное потребление кислорода промышленностью, авто транспортом и авиацией вызвало опасения о нарушении баланса кислорода в окружающей среде. Опасения эти имеют под собой основания. Так, потребность в кислороде для пробега легкового автомобиля на расстояние 1500 км равна годовой потребности в кислороде одного взрослого человека! В целом кислородный баланс сохраняется, хотя возник ли его локальные нарушения вблизи больших промышленных цент ров и мегаполисов.

Рис. 5. Растворимость О₂

Круговорот кислорода. Круговорот О₂ очень сложный цикл из-за большого числа его участников. В него вовлечено большое количество представителей органического и неорганического мира, а также вода, растворяющая кисло род. Кислород, содержащийся в литосфере в виде оксидов, в круговорот не входит. При нормальных условиях в 1 л воздуха содержится 210 мл кислорода, в 1 л воды 8–9 мл и его содержание зависит от глубины и температуры. На рис. 5, отчетливо видна корреляция растворимости О₂ с температурой. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхности и фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенными частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассеяние света и снижает активность фотосинтеза. Для частиц, размеры d, которых сравнимы с длинами волн видимой части спектра (d≥λ) величина рассеянного светового потока Ф_рас зависит от площади рассеиваю щей поверхности S частицы, пути светового потока Δx, концентрации рассеивающих частиц n.

ΔФ_рас = ΔS_пад n Δx

Содержание кислорода в воде является одним из параметров ее биологического здоровья. По данным замеров в большинстве водоемов Европейской части России эта величина ниже нормы.

Круговорот углерода. Предполагается, что углерод распре делен в довольно тонком слое земной коры, в атмосфере в виде диоксида и оксида углерода, в животной и растительной биомассе. Однако, основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах, в основном в форме карбонатов (СаСО₃) и гидрокарбонатов (Ca(HCO₃)₂), представляющих собой растворимые и нерастворимые донные отложения в Мировом океане, накапливающиеся за миллионы лет геологической истории Земли. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, составляет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содержание CO₂ в атмосфере не стабильно, оно подвержено сезонным изменениям и наблюдается его увеличение, связываемое с антропогенным фактором.

Нужно заметить, однако, что прогнозируемый рост с учетом сжигания всех видов органических материалов, равный 0,7 (частиц на миллион) в год не совпадает с наблюдаемым 0,2. По-видимому, реальный круговорот углерода в природе гораздо сложнее той модели, которую мы себе представляем на рисунке 6.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше, чем кислород и от его содержания в воде зависит количество растворённых гидрокарбонатов, т. е. жесткость воды. Этот факт хорошо иллюстрируется уравнением углекислотного равновесия.

СО₂ + Н₂О + СаСО₃ = Ca(НСО₃)₂

Если содержание CO₂ в воде уменьшается, то выпадает оса док нерастворенного карбоната, который будет растворен при восстановлении равновесия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

Рис. 6. Круговорот углерода

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ, котельных и других системах, использующих воду. В природных условиях результатом этой реакции является образование полостей в земной коре, пещер, сталактитов и сталагмитов.

Круговорот вещества в почве. Роль почвы многообразна: с одной стороны, это важный участник всех природных круговоротов, с другой – это основа для производства биомассы – кормилица человечества. Для получения растительной и животной продукции человечество обрабатывает около 10 % суши – часть, которую, как полагают специалисты, уже не удастся увеличить, несмотря на необходимость увеличения производства продовольствия в связи с ростом населения. Важность сохранения почв приобретает особую остроту, учитывая, что потеряно из землепользования больше половины используемых сейчас земель.

Почва – продукт разрушения верхних слоев земной коры, сформировавшийся в результате деятельности живых организмов. Почвовед В. И. Докучаев дал такую оценку «… почва есть такое же самостоятельное, естественно историческое тело, как любое растение, любое животное».

Разновидностей почв несколько тысяч, и это требует исключительно высокой грамотности при их использовании. Копая землю, можно заметить, что цвет почвы и ее структура меняются с глубиной от темного гумусного слоя к светлому песчаному или глинистому. Наиболее важен гумусный слой, содержащий остатки растительности. Этот слой определяет плодородие почвы. В наиболее богатых гумусом черноземах толщина его достигает 1 метра, в бедных – около 10 см.

Обрабатываются, в основном зональные почвы. Профиль почвы этого типа показан на рис. 7, где: 1 – гумусный слой, 2 – выщелоченная почва, 3 – глина, содержащая 3-х валентное железо, 4 – материковая порода в стадии разрушения. Физические характеристики каждого из таких горизонтов зависят от типа почвы. Из физических свойств наиболее важны: плотность, капиллярность, пористость, влажность, теплопроводность, поглощательная способность.

Рис. 7. Профиль зональной почвы

Благодаря большому количеству различных живых существ, перерабатывающих в почве остатки растительности и животных, формирующих структуру и продуктивность, почва является живым организмом, в котором идут процессы деструкции, синтеза, биосинтеза, множество различных химических реакций и физических процессов. Количество живой биомассы в почвах зависит от их типа и от внешних условий, таблица 5. Количество почвы, переработанной дождевыми червями, весьма значительно: на одном гектаре пашни около 12 т в год и почти 100 т на огородной почве.

Таблица 5

Биомасса почвенных организмов

Деятельность микроорганизмов, преобразующих органические остатки, обеспечивает питание растений минеральными элементами. Биомасса растений образуется при потреблении минеральных солей, воды и солнечной энергии. Так, для роста соснового леса за 100 лет из одного гектара почвы изымается: кальция 424 кг, калия 168 кг, фосфора 33 кг. При выращивании культурных растений это потребление значительно больше: злаковые: 7000 кг азота, 1 3000 кг фосфора, 5000 кг калия, картофель: 9000 кг азота, 4000 кг фосфора, 16000 кг (!) калия.

Разница для естественных и искусственных культур обусловлена тем что выпавшие хвоя и листва в лесах частично компенсируют убыль элементов из почвы. При ежегодной уборке сельхозкультур эти элементы уносятся из почвы и, если их убыль не восполняется, почва теряет свое плодородие, происходит нарушение естественного круговорота минеральных веществ.

Интенсивное использование почв, особенно при монокультурном земледелии, нарушает естественный баланс веществ и потоки энергии. В природе этот баланс поддерживается периодической сменой растительности на какой-либо определенной площади. Эта сменность характеризуется законом сукцессии. Исключение севооборота при использовании земли является нарушением этого закона и приводит к обеднению почв и снижению плодородия. К сожалению, в нашей сельскохозяйственной практике закон сукцессии нарушался в течение десятилетий и урожайность наших полей в среднем почти в два раза ниже, чем в Швеции, где по своей природе земли беднее.

Компенсация этой потери внесением органических и минеральных удобрений эффективна только тогда, когда в почве имеются микроорганизмы, трансформирующие удобрения в доступную для растений форму. Для нормального развития растений необходим минимальный набор всех необходимых для растения питательных веществ: убыль одного не может быть компенсирована избыточным внесением другого. Это правило биологии называют законом минимума.

Охрана почв. Мировые запасы плодородных почв – 15 млн. км², а потери – 20 млн. км², причем около 40 % из имеющихся частично утратили плодородие. Цифры впечатляющие и требуют принятия мер по сохранению этого важного ресурса. Основной причиной потери почв является их эксплуатация человеком. Причин потерь и деградации почв несколько:

• ветровая и водная эрозия при механической обработке;

• отвод земель под строительство городов, предприятий, дорог и т. п.;

• затопление при строительстве ГЭС;

• загрязнение отходами производства и быта;

• закисление кислотными дождями;

• засоление при неграмотной мелиорации.

Особенно значительны потери почв и их плодородия из-за тотального единообразного применения традиционных методов механической обработки при глубокой вспашке. К наиболее значительным потерям это привело при освоении целинных земель в штате Техас (США), где пыльные бури 30-х и 70-х годов превратили в пустыни около 20 млн. га плодородных земель, унеся миллионы тонн чернозема за сотни километров в Мексиканский залив.

Аналогичному разрушению подвержены почвы и на территории бывшего СССР. Пыльные бури наиболее часто стали поражать степные районы Украины, Нижнего Поволжья, Северного Кавказа, Средней Азии, Казахстана, где ветер выдувает почву на глубину до 25 см. А. Иващенко [6] в очень профессиональном и эмоциональное очерке о проблемах земледелия пишет, что число пыльных бурь в Ставрополье за последние 100 лет увеличилось в 10 раз, а слой знаменитого чернозема толщиной в I метр (!), помещенный в Парижском институте мер и весов как эталон за последние 50 лет уменьшился в 2 раза. Известно, что на восстановления 1 см гумусного слоя требуется 50 лет!

Значительный ущерб запасу продуктивных почв, как ни странно для неспециалиста, наносит мелиорация, а точнее неразумное орошение. Водозабор из рек, осуществляемый в гигантских масштабах, не может не нанести ущерба экосистемам рек и тем районам, куда он направлен. Явление это сложное, и для его анализа и управления требуется научный подход с участием специалистов разных специальностей, в том числе и физиков. Пока, к сожалению, в деле мелиорации преобладает эмпиризм.

Наиболее показательная ситуация сложилась в Средней Азии в бассейне рек Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи в связи с превращением Узбекистана в район хлопковой монокультуры. Вода этих рек, взятая для орошения хлопковых полей, пополняется солями, химических препаратов и в таком отработанном виде сбрасывается в низины. Это привело к подъему подпочвенных соленых вод, засолению и заболачиванию миллионов гектаров плодородных земель.

Для решения этой проблемы имеется несколько путей: вернуть гармоничный' характер сельскому хозяйству Узбекистана, рационально расходовать имеющиеся воды, использовать достижения современной науки.

Интенсивное применение химпрепаратов также привело к значительной деформации почвенных экосистем, так как химические соединения ударили прежде всего по живому миру почвы, превратив ее из живого тела в носителя искусственных минеральных удобрений и ядохимикатов.

Для повышения продуктивности почвы приходится вносить в нее элементы, забираемые сельхозкультурами: С, Н, Р, В, Ca, К, Na и другие.

Особенно важны для активного развития растений и продуктивности азот и фосфор. Азота в почве содержится достаточно много, от 3 до 40 тонн на гектар. Однако он находится в труднодоступной для растений форме. Внося его в легкоусвояемой форме в виде солей аммония и нитратных солей, мы в то же время делаем азот легко вымываемым из почвы и выносимым в воздух. Подсчитано, что ежегодно с наших полей в атмосферу уносится 1,5 млн. тонн азота, что усугубляет тем самым проблему «озоновой дыры» и кислотных дождей.

Особую группу сельскохозяйственных препаратов представляют пестициды из которых гербициды предназначены для уничтожения сорняков, а инсектициды – насекомых. Молекулы ядохимикатов устойчивы и с трудом поддаются разложению, по этой причине наблюдается постоянное накопление этих соединений в биомассе Земли. Некоторые из них, как ДДТ, севин, хлорофос чрезвычайно опасны. Так, ДЦТ обнаружен у 90 из 100 беременных женщин, несмотря на то, что запрет на его использование существует почти 40 лет; севин вызывает полную стерильность мужчин и женщин. Число этих соединений уже перевалило за 1000 и на их основе в мире выпускается более 80 тысяч продуктов.

Интенсивное применение химических удобрений и ядохимикатов может привести к необратимому ухудшению почвы.

Вместе с тем за рубежом, в России, на Украине, в Белоруссии имеются примеры ведения сельского хозяйства без применения ядохимикатов. Ряд хозяйств за рубежом уже получают сельхозпродукцию вообще без применения химпрепаратов, рекламируют это и продают ее по более высоким ценам.

Энергетика биосферы. Жизнь на Земле и ее многообразие обеспечивается работой уникальной «машины» биосферы, преобразующей солнечную энергию и рассеянные в окружающей среде элементы, в высокоорганизованную материю. Эффективность работы этой «машины» можно оценить, сравнивая количество поступающей энергии и получаемой продукции. Количество солнечной энергии, поступающей в течение года на 1 гектар поверхности в районах с умеренным климатом, равно примерно 4,2×10¹³ Дж, количество биомассы, полученной в этих условиях, приблизительно равно 10 тонн пшеницы или 5–7 тонн прироста лиственного леса, что в энергетических единицах составляет около 34 × 10¹⁰ Дж. Из сравнения этих двух величин получается, что КПД биосферной «машины» равен приблизительно 1 %. Остальные 99 % солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отражаются растениями 35 % и 60–70 % расходуются на транспирацию (дыхание растений).

Энергия, преобразованная в биомассу, рассеивается дальше по звеньям трофической (пищевой) цепи. Растения являются первичным продуктом преобразования энергии и называются продуцентами, живые организмы, потребляющие растительную пищу представляют вторичный продукт этого процесса и называются консументами (от английского слова consumption – потребление); организмы, перерабатывающие отходы продуцентов и консументов, представляют собой класс редуцентов.

Таким образом, редуценты замыкают цикл преобразования энергии и материи в биосфере (рисунок 8).

Рис. 8. Преобразование энергии в биосфере

В каждом из звеньев трофической цепи происходит накопление и рассеяние энергии.

Мощность потока солнечной энергии, достигающий поверхности Земли, равен 1000 Вт/м². Эта энергия, как показано в таблице, распределяется между многими видами движения органической и неорганической материи.

Таблица 6

Глобальные потоки энергии

Эти данные представляют большой интерес тем, что показывают распределение энергии в разных частях биосферы и дают возможность оценить энергоресурсы, которые могут быть использованы человечеством.

Распределение энергии по звеньям трофической цепи можно оценить, пользуясь уравнением фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂0 + 8 фотонов C₆H₁₂O₆ +6О₂.

Академик К. А. Тимирязев в 1875 году определил количество фотосинтетической энергии радиации Солнца (8 молей фотонов на частоте красной и сине-зеленой области спектра) равно 16,8 10⁶ Дж. Эта энергия необходима для связывания одного моля СО₂ и преобразования его в органику, количество которой эквивалентно 4,8 10⁵ Дж. Отсюда максимальный теоретический КПД фотосинтеза равен 0,3. Эта величина не учитывает расход энергии на образование меж молекулярных связей, на образование более сложных структур, например клеток, на дыхание, испарение и т. п.