♦ ионосфера – оболочка, в которой практически отсутствует «живое вещество».
Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N
2
2
2
Гидросфера представляет собой совокупность всех вод на Земле (глубинных, почвенных, атмосферных, океанических и др.). Основную часть гидросферы (96,53 %) составляет Мировой океан. На протяжении тысячелетий во всех районах и на всех глубинах океана соотношение основных химических компонентов морской воды остается постоянным. В. И. Вернадский даже предлагал принять это соотношение в качестве константы на нашей планете, аналогично тому, как характерной константой вещества служит точка его плавления. Океану присущ гомеостаз – способность сохранять постоянство своего химического облика. Здесь нельзя не заметить, что сегодня очень остро стоит вопрос: сохранится ли эта способность в современных условиях?
Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg
2
2
Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, и другим химическим элементам, которые усваиваются живыми организмами.
Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, постепенно, с глубиной, переходящая в сферы с меньшей прочностью вещества (Реймерс, Яблоков, 1982, с. 71). Она включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50-200 км. Глубина земной коры до 30–60 км на континенте и 5-10 км на дне океана.
В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровича. Та часть поверхности литосферы, которая преобразована за счет совместного воздействия на нее воды, воздуха и живых организмов, образует почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.
Преобладающие элементы химического состава литосферы: О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, К.
Ведущую роль среди многих химических элементов, выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92 % ее объема. Этот газ прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. В количественном отношении земная кора – это «царство» кислорода, химически связанного в ходе ее геологического развития.
Накопление фактического материала и теоретическое его осмысление привели ученых к идее, что между живыми организмами и неживой природой существует не просто формальная, а средопреобразующая взаимосвязь. Об этом свидетельствует обратное воздействие живых организмов (и их систем) на физические, химические и геологические среды их жизни. Отметим, что этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Ученые все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX–XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического (целостного) подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.
Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия живого вещества на абиотические факторы или физические условия.
Например, состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Биота Земли контролирует и поддерживает на протяжении многих тысячелетий оптимальный газовый состав атмосферы. Можно найти много подобных примеров, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли.
Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Именно такую задачу впервые поставил и решал выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский.
1.3. Физические условия формирования биосферы
Космологи считают, что примерно 20 млрд лет тому назад в результате чудовищного взрыва возникла наша Вселенная. Примерно около 6–7 млрд лет назад сформировались Солнце и другие тела его системы, и где-то 4,6–5 млрд лет назад возникла наша Земля (Мизун и др., 2002, с. 130–131). Было высказано предположение, что температурный фон, который должен был дойти до нас от начала «Большого взрыва», составит примерно 3 К, т. е. по шкале Цельсия -270. Дальнейшие проверки американскими радиоастрономами в 1965 г. (А. Пензиас и Р. Вилсон) подтвердили наличие этого реликтового излучения.
Гипотеза расширяющейся (эволюционирующей) Вселенной стала теорией. Расчеты о нестационарности Вселенной, выполненные А. А. Фридманом в 1922 г., полностью подтвердились эмпирически. Следовательно, возникновение Солнечной системы не было загадочным событием. Вместе со Вселенной она идет по пути как качественных, так и количественных преобразований – рождения, возмужания и дальнейшей гибели.
Огромное влияние на эволюцию нашей планеты и возникновение на ней жизни оказало «удачное» ее расположение по отношению к Солнцу. Известно, что Земля отстоит от светила на 149,6 млн км. Роль нашей звезды в динамике движения планет и их устойчивого нахождения на орбитах огромна. Прежде всего, за счет сил притяжения, обусловленного гравитацией, Солнце дисциплинирует движение планет на своих орбитах. Кроме этого, звезда излучает в пространство огромное количество энергии.
Согласно закону теплового излучения, плотность потока световой энергии абсолютно черного тела можно определить в соответствии со следующей закономерностью:
S = Т
4
где S – интенсивность излучения, а – коэффициент пропорциональности – постоянная Стефана – Больцмана, равная 5,67 10
-8
2
4
ТСолнце излучает энергию во всех направлениях. Поэтому общую мощность излучения (светимость звезды) можно вычислить, если умножить поверхность шара, равную 4πR2, на температуру внешних ее слоев. Принимая во внимание выражение (1), имеем (Иванов, 1986, с. 287):
L = 4πR2σT
4
где R – радиус, Т – температура поверхности Солнца.
Учитывая, что максимум энергии излучения Солнца приходится на желто-зеленую часть спектра, Т = 5330 К (Иванов, 1986, с. 286–287). Подставляя в формулу (2) параметры светила определим светимость L:
L = 4 3,14 (7 10
8
2
-8
3
4
26
Следует заметить, что температура поверхности Солнца (Т) у некоторых авторов не совпадает с вышеприведенной. Например, в монографиях Ю. И. Витинского (1983, с. 57–70), А. В. Бялко (1989, с. 96–97) этот показатель равен, соответственно, – 5770 К, 5780 К.
Светимость Солнца L можно определить еще одним способом. Для этого надо знать, сколько энергии во всем спектре приносится солнечными лучами за секунду на единичную площадь, т. е. солнечную постоянную (5). Измерения показали, что вне земной атмосферы 5 = 1360 Вт/м
2
Тогда
L = 4πR2s, (3)
где r – расстояние планеты до Солнца.
Подставим в (3) параметры нашей планеты. Имеем: