Структура и функция биосферы Земли формировалась под влиянием жизни в течение около 4,0 млрд. лет из 4,6 млрд. лет истории эволюции нашей планеты. Сбалансированность обменных процессов во времени в атмосфере, гидросфере и литосфере обеспечивалась естественными факторами, определяющимися в основном: оптимальным пространственным положением Земли относительно Солнца; наклоном земной оси вращения к плоскости орбиты; энергией солнечного излучения; наличием крупного естественного спутника Луны; геологическими особенностями планеты, наличием магнитного поля Земли; относительным постоянством массы живого вещества планеты.

Можно считать, что все эти естественные факторы во времени являются постоянно действующими. Периодичность в их влиянии на обменные процессы, происходящие в биосфере, определяется изменением во времени активности Солнца, пространственным положением угла наклона оси вращения Земли относительно плоскости её орбиты, приливным гравитационным влиянием Луны, периодичностью активности геологических процессов, зависящих ещё и от внутреннего строения Земли; периодичной переполюсовке магнитного поля Земли.

Наконец, во времени скорость изменения этих обменных процессов должна затухать и постепенно стабилизироваться в силу существующих законов сохранения: прекращения интенсивности метеоритной бомбардировки поверхности Земли, что постепенно привело к остыванию её поверхности (3,9 — 3,5 млрд. лет назад), формированию океана и атмосферы; падения энергии светимости Солнца в силу расходования светилом водорода на термоядерные реакции; удалении Луны от Земли; замедление вулканизма, магматизма, снижение степени метаморфических преобразований на Земле в силу падения во времени радиоактивности горных пород, уменьшения выделения эндогенной тепловой энергии.

Большое значение в изменении скорости обменных процессов является инертность, зависящая не только от летучести, но и массы вовлечённого вещества.

Масса живого вещества¹ в биосфере составляет около (2,4 — 3,6)·10¹⁵ кг в сухом остатке. Это всего миллионая доля массы других оболочек Земли, но по определению В.И. Вернадского живое вещество представляет собой самую могущественную силу биосферы².

Масса атмосферы³ почти в 2000 раз больше массы живого вещества и достигает около (5,1—5,3)·10¹⁸ кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·10¹⁸ кг, а общая масса водяных паров в воздухе в среднем равна 1,27·10¹⁶ кг.

Масса гидросферы ⁴,⁵ достигает около 1,46·10²¹ кг. 97 % массы гидросферы составляют соленые океанические воды⁶, 2,2 % — воды ледников, остальная часть приходится на подземные, озерные и речные пресные воды, то есть около 0,8%, что составляет 1,168·1019 кг. Таким образом, количество поверхностных + подземных пресных вод суши по отношению к массе воды, находящейся в атмосфере земли, в 1167 раз больше. Но поскольку в атмосфере влага может находиться не более 9 суток (таблица), то избыток воды в поверхностных и подземных водах связан с её накоплением за счёт медленной (в 1167 раз) скорости обменных процессов. С учётом того, что в атмосфере водный обмен в течение года возобновляется 365 : 9 = 45 раз, время на водный обмен в системе атмосфера — поверхностные + подземные воды составит около 1167 + 45 = 1212 лет. Эта цифра хорошо согласуется со средневзвешенным временем обновления воды в гидросфере Земли с учётом всей массы воды в средах (таблица 1).

Обменные процессы в гидросфере и атмосфере Земли

Включают⁷ :

а) круговорот воды с образованием водяного пара над поверхностью океанов под влиянием солнечного излучения. Водяной пар переносится ветром с последующей его конденсацией в форме атмосферных осадков над материками, островами, морями и океанами. Конденсированная, опреснённая и очищенная от загрязнений вода возвращается в океаны в виде поверхностного и подземного стока. В результате процесса испарения и конденсации воды мировой океан выступает, с одной стороны, в качестве аккумулятора тепловой энергии и с другой — в её перераспределении под влиянием атмосферных процессов (ветра) между океаном, атмосферой и материками;

б) круговорот воды посредством её испарения и конденсации под влиянием солнечного излучения, эндогенного тепла Земли, живых организмов над континентами, островами. Выпадение в форме очищенных осадков (дождя, снега, льда) на поверхности суши. Вода поверхностного и подземного стока опять возвращается в океан. При этом большое значение в круговороте и очищении воды принимает участие живое вещество (растения, животные, микроорганизмы). Огромная масса пресной воды аккумулируется в ледниках Арктики, Гренландии, высокогорных областях планеты, мерзлоте.

Замкнутый круговорот воды в биосфере в рамках обменных процессов океан — атмосфера — суша формирует не только гидрогеологический цикл планеты, но и влияет на погоду Земли. Скорость обменных процессов гидрогеологического цикла в биосфере иллюстрируется таблицей

Таблица 1

Примерная скорость обменных процессов в системе мировой океан — атмосфера — суша.

Поскольку воды, входящие в состав живых организмов обмениваются в течение нескольких часов, то за 10 млн. лет фотосинтез в биосфере способен переработать всю массу воды гидросферы Земли 8. В этом смысле жизнь действительно уникальный механизм, участвующий в круговороте вещества в биосфере.

Инертность гидросферы складывается из инертности слагающих ее составных частей (таблица 2). При этом необходимо основываться на представлении об ассимилирующей способности водного объекта 9 – способность его принимать определенную массу веществ в единицу времени без нарушения норм качества воды в контролируемом створе или пункте водопользования (ГОСТ 17.1.1.01-77). Или способность водного объекта возобновлять определенную массу воды в единицу времени в цикле: испарение – конденсация.

Таблица 2

Примерное распределение мировых запасов вод и инертность гидросферы, как показатель скорости обменных процессов ⁸,

Инертность, как показатель сопротивляемости к внешним воздействиям различных составляющих гидросферы иллюстрирует следующее.

Естественно, наибольшей инертностью к внешним воздействиям обладает мировой океан и ледники. Именно они являются тем инертным механизмом, которые сдерживают сильные флуктуации состояния гидросферы и атмосферы. Инертность ледников лишь на порядок меньше инертности всей совокупности поверхностных вод.

Основные запасы пресных вод быстрее подвержены обменным процессам, чем соленые воды мирового океана. Значительной инертностью обладают подземные воды глубже горизонта 750 м. Наименьшей инертностью, а, следовательно, с наибольшей скоростью восстанавливается водный речной сток. Инертность же атмосферы почти в миллиард раз меньше инертности гидросферы.

Сравнительные показатели инертности составляющих систем гидросферы убеждают, что гарантами возобновимости ассимиляционной функции гидросферы (равно, как и ее сбалансированности) выступает океан и ледники, которые стабилизируют обменные процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере не только энергетически, на что обращалось внимание выше, но и вещественно, гарантируя устойчивость круговорота воды в биосфере.

Наибольшим потенциалом, обеспечивающим круговорот воды в биосфере, обладает атмосфера Земли, который выше потенциала океана в 1,8 раз. Отсюда можно сделать вывод, что именно атмосферная влажность определяет основной баланс тепломассопереноса и формирует климатические процессы в биосфере.

Третье место занимают подземные воды суши до глубины 750 м, вместе с влагой корнеобитаемой зоны. Таким образом, кроме атмосферы и океана подземные воды с корнеобитаемой зоной составляют важную часть биосферы, ответственную за восстановление гидросферы.

Четвертое место по воспроизводству водного баланса принадлежит корнеобитаемой зоне почв.

Обменные процессы в каменной оболочке Земли — литосфере (земной коре)

Масса земной коры (литосферы)⁹ составляет около 2,8·10²² кг (из этой массы 21% приходится на океаническую кору и 79 % — континентальную, плотность которой меньше плотности океанической коры).

Континентальная кора — это область былых биосфер в среднем до глубины 45 км. Поскольку в целом её воспроизводство зависит исключительно от естественных причин, то каменную оболочку Земли можно условно считать абсолютно инертной по отношению к океану, атмосфере, жизни. Так как обменные процессы в минеральном мире охватывают не тысячи и даже не миллионы, а десятки миллионов, а для некоторых частей земной коры и сотни миллионов лет, то легко подсчитать, что её инертность превышает инертность мирового океана в миллиарды раз.

Каменная оболочка Земли является гарантом непрерывного воспроизводства почв через механизм осадкообразования, ветровой и водной эрозии, других агентов выветривания горных пород и самой жизни.

В литосфере, наиболее чувствительной к влияниям естественных (выветривания, тектонической, вулканической активности) и антропогенных процессов, являются почва и ландшафты.

Таким образом, вовлечённые в естественный круговорот огромные массы вещества биосферы должны быть сбалансированы обменными процессами с участием энергии Солнца, внутренней энергией теплового поля Земли, энергии атмосферы, океана и самой жизни. При этом главными компонентами и агентами ассимиляционной функции в биосфере выполняет вода и жизнь. Ибо это самые высокоскоростные обменные процессы, какие вовлекают огромные массы загрязнённых вод и атмосферы.

Сбалансированность естественных обменных процессов во времени — факт, который не требует доказательств в силу того, что жизнь на земле существует и развивается миллиарды лет. Эта сбалансированность может рассматриваться как система с неустойчивым равновесием, к которой применимы принципы неравновесной термодинамики, а, стало быть, и синергетики. Неустойчивость динамического равновесия определяется периодичностью всей совокупности разноскоростных обменных процессов (внутренних и внешних коллективных взаимодействий), происходящих в биосфере, вовлекающих вещество и энергию¹⁰ всеми вышеперечисленными агентами, ведущими из которых является вода и жизнь, вовлекающие огромные массы вещества и энергии в обменные процессы в биосфере.

Учитывая естественную скорость обменных процессов в биосфере, можно утверждать, что ассимиляционная функция биосферы (способность к самоподдерживанию жизни за счёт естественных обменных процессов) целиком зависит от их периодичности и сбалансированности. Длиннопериодические возмущающие факторы в биосфере (геологические эры, периоды, эпохи), охватывающие время в миллионы, десятки миллионов, сотни миллионов и миллиардов лет могут приводить к огромным последствиям преобразования лика планеты и влиять на биоразнообразие под влиянием геологических факторов.

Нет и не может быть силы большей по преобразованию лика планеты, чем естественные геологические процессы и энергетический обмен в солнечено-земных связях, включающих механизмы обменных процессов в системе океан — атмосфера — литосфера — жизнь. В рамках существующих в природе законов сохранения геологические и другие обменные процессы во времени будут затухать вместе с нарастанием возмущающей хозяйственной деятельности человека. В этом и усматривается многими исследователями нарастающая экологическая угроза существованию рода человеческого от него самого.

Рассмотрим, так ли это на самом деле?

Антропогенные составляющие возмущающих факторов биосферы

Это, в первую очередь, хозяйственная деятельность человека, вовлекающая в естественные обменные процессы значительную долю живого вещества, воды, энергии, недр.

Некоторые исследователи считают сравнимой геологическую деятельность человека с геологической деятельностью мирового речного стока, основываясь на извлечении громадных объемов и масс породы и полезных ископаемых из земных недр. Тем самым вольно или невольно утверждают мысль о превалировании хозяйственной деятельности над естественными процессами, происходящими в верхней части каменной оболочки Земли. На самом деле это не так¹¹ , поскольку не учитывается естественный вклад выветривания (физического, химического с включением не только геологической деятельности, но и ветра, ледников, влияние разности температур, инсоляции и т.д.), участие живого вещества в одновременном созидании и разрушении почвенного покрова и каменных образований.

Как показывают расчёты результирующий естественный эффект движения масс в литосфере (под влиянием геологических процессов) на самом деле намного выше энергетического вклада хозяйственной деятельности человека¹². Землетрясения и вулканизм, цунами способны в одно мгновение стереть с лица земли города, инфраструктуру и унести десятки, даже сотни тысячи жизней. При этом природа, как известно, например, в районах действующих вулканов, восстанавливает условия жизни очень скоро. Пространство лавовые потоков и вулканического пепла быстро покрываются растительностью, вслед за которой появляется различная живность, мигрирующая из территорий, не подвергнувшихся влиянию вулканизма. Так работает ассимиляционная функция природы в рамках её самооргагнизации, запущенной жизнью и всей совокупностью синергетических обменных процессов.

Основными возмущающими факторами хозяйственной деятельности человека являются:

• возрастающая плотность народонаселения, что ведёт к более интенсивному потреблению природных ресурсов и давлению на окружающую среду за счёт роста производства и увеличения площадей под застройкой, коммуникациями, инфраструктурой;
• возрастающее производство и потребление энергии на душу населения в основном за счёт использования углеводородного топлива;
• горно-геологическая деятельность человека;
• промышленность, сельское хозяйство (распаханность территорий), коммунальное хозяйство, транспорт;
• сокращение биоразнообразия за счёт расточительного использования биоресурсов планеты, давления на окружающую среду, уменьшения пространств дикой (естественной) природы;
• производство отходов.

Условия, сдерживающие давление на окружающую среду и способствующие поддержанию ассимиляционного потенциала природы (биосферы) хозяйственной деятельностью человека:

• стабилизация численности народонаселения на уровне воспроизводимости человечества и возможностью его обеспеченности природными ресурсами и энергией;
• создание сферы экологизированной экономики, производства, социальной сферы на основе достижений науки и технологий, внедрения их в рамках безотходного производства на основе экоменеджмента¹³;
• создание резерваций (заповедников, заказников, ботанических садов, национальных парков и других особо охраняемых объектов и территорий) для сохранения существующего биоразнообразия живых организмов и дикой природы;
• поддержание ассимиляционного потенциала природы на уровне его воспроизводимости в рамках коэволюции человека и природы.

Выход из экологического тупика

1. Многие исследователи видят именно в хозяйственной деятельности угрозу существования жизни на Земле и самого человека, поскольку невозможно остановить его развитие, которое базируется на всевозрастающем потреблении природных ресурсов. Следствием этого является их дефицит для будущих поколений и всевозрастающее давление на окружающую среду.\

На самом деле проблема обеспеченности природными ресурсами зависит только от энерговооруженности человечества, развития науки и технологий¹⁴,¹⁵ Эта проблема разрешима хотя бы перманентным расходованием одних и вовлечения других энергоносителей в истории человечества: естественное возобновляемое топливо — уголь — углеводородное топливо — атомная энергетика — нетрадиционная энергетика — сланцевая энергетика¹⁶ — синтетическое топливо¹⁷ — управляемый термоядерный синтез. Это же касается других непрерывно расходуемых минеральных ресурсов, какие могут быть заменены другими в условиях неограниченного потребления энергии.\

Таким образом, проблема природных ресурсов человечеством разрешима в условиях устойчивого развития экономики, науки и технологий.

2. Проблема сохранения биоразнообразия и качества среды решается на основе учёта и поддержания человеком ассимиляционного потенциала природы (биосферы, окружающей среды).

Смысл его заключается в учёте площадей дикой и нарушенной природы под влиянием естественных и антропогенных процессов.

В рамках современного состояния окружающей среды могут сосуществовать экосистемы аборигенов (дикой природы), модифицированные (измененные на лоне природы) и трансформированные (полностью переработанная человеком природа, в экологической нише которого может существовать сохранившееся биоразнообразие растений, животных, насекомых, микроорганизмов и т. д., а также животные и растения выведенные человеком на основе селекции в естественной и искусственной среде обитания.

Ассимиляционный потенциал природы (биосферы, окружающей среды) может быть выражен соотношением количества естественных (аборигенных), модифицированных и трансформированных экосистем (или занятых ими площадей):

Ап = ( Эа – Эт)/ S,

где Аn – ассимиляционный потенциал (безразмерная величина) окружающей среды, Эа = ба+бца – площади занятые экосистемой аборигенов, состоящей из аборигенных биотопов (ба) и биоценозов (бца), соседствующих с модифицированными или трансформированными экосистемами : Эт = бт+бцт , соответственно, трансформированных (бт) биотопов и биоценозов (бцт) на данной площади. S – общая площадь сосуществующих естественных, модифицированных и трансформированных экосистем.

Физический смысл этого соотношения заключается в следующем.

При наличии естественной (не затронутой хозяйственной деятельностью человека) природной экосистемы Ап = Эа / S = 1,0. Площадь целиком занята аборигенными формами живых организмов.

В условиях полного отсутствия экосистем дикой природы Ап = 0. Воспроизводство естественного биоразнообразия невозможно. Поэтому для сохранения условий будущей селекции растений и животных необходим минимум диких биотопов и биоценозов с экосистемами, в которых они должны существовать. Именно для этого и создаются резерваты, заповедники, заказники, ботанические сады и др. особо охраняемые человеком объекты и территории (ООТиО).

То есть, в процессе расширения хозяйственной деятельности человека по поверхности Земли происходит замещение естественных экосистем (биотопов и биоценозов) модифицированными и трансформированными. При этом возврат в естественную среду и экосистему возможен только в интервале А> 0. В нём действуют естественные обменные процессы, поддерживающие не только условия существования жизни на Земле, но осуществляется миграция живых организмов с территорий дикой природы на модифицированные и трансформированные экосистемы и ландшафты. Восстановление биоразнообразия возможно только на уровне видового разнообразия сохранённого человеком в резервата ООТиО.

Сколько времени понадобиться природе (биосфере, окружающей среде) восстановить ассимиляционный потенциал?

По данным WWF нарушенные земли Мира составляют 80% (что само по себе невероятно хотя бы потому, что значительная часть территории суши, с учётом площади Антарктики, Гренландии, горных систем, болот, тундры, пустынь, полупустынь и т. д., со своим набором видового разнообразия живых организмов, находящихся в условиях естественной среды и естественных обменных процессов, не затронуты хозяйственной деятельностью человека). Но если допустить, что эта оценка верна, то ассимиляционный потенциал Мира должен составлять 0,80 для ненарушенных земель. Ассимиляционный потенциал нарушенных земель должен быть равен 0,20, но ни в коем случае нулю. Потому, что на этих нарушенных хозяйственной деятельностью территориях существует жизнь, сама хозяйственная деятельность человека. Эта территория находится в составе биосферы и включена в её обменные энергетические, вещественные процессы, миграции живых организмов в различных средах на основе закона динамического равновесия. Обменные процессы, охватывающие нарушенные и ненарушенные земли, взаимно влияют друг на друга. Нарушенные участки земель понижают ассимиляционный потенциал ненарушенных, а те, напротив — повышают его во времени. То есть существует возможность оценки времени восстановления ассимиляционного потенциала на уровне достигнутого биоразнообразия на данный момент времени t. Эта оценка представляет собой функцию, обратную величине ассимиляционного потенциала:

t = 1/A,

где t — время в годах восстановления ассимиляционной функции окружающей среды (природы) до величин А = 1,0 (числитель в этом выражении означает, что естественный потенциал дикой природы восстанавливается в течение года) в условиях полного снятия фактора антропогенной нагрузки.

Действительно, при ассимиляционном потенциале А = 1,0 окружающей нас среды (существующей на данный момент дикой природы с её биоразнообразием), на её самовосстановление понадобится время 1 год. Если рассматривать конкретный пример ассимиляционного потенциала площади земли (суши) 80% (А = 0,80), ненарушенной человеком, но находящейся под влиянием нарушенных земель, понадобится время 1/080, то есть 1,25 лет. А на восстановление ассимиляционного потенциала нарушенных земель, под влиянием площади в 80% ненарушенных земель за счёт обменных процессов в биосфере, потребуется время 1/0,2 — пять лет (при условии опят-таки полного снятия фактора антропогенной деятельности на рассматриваемой площади.

Таким образом, при условии полного снятия антропогенной составляющей в биосфере Земли её ассимиляционный потенциал восстанавливается очень быстро на уровне существующего биоразнообразия.

Если же ассимиляционный потенциал достигает критически низких значений, например величины 0,01, то время на восстановление его в рамках обозначенной территории и обменных процессов в биосфере составит 1/0,01 = 100 лет.

Необходимо учесть, что в обменные процессы восстановления качества среды (природы, биосферы) вовлечена атмосфера, литосфера и мировой океан, которые характеризуются огромной инертной массой вещества¹⁸. Масса живого вещества (на пересчёт сухого остатка) оценивается величиной 2,4 — 3,6·10¹² т. Это меньше миллионной доли массы биосферы, но именно она представляет собой одну из самых «могущественных сил планеты» по выражению В.И. Вернадского¹⁹, ²⁰, ²¹. Здесь имеет большое значение механизм инертности. Чем больше масса вещества участвует в обменных процессах, тем меньше она подвергается изменению во времени, и тем больше требуется время для восстановления её потенциала.

В рамках рассматриваемого вопроса следует заметить, что речь идёт именно об ассимиляционном потенциале Земли (её биосферы), объектах природопользования мировым сообществом с участием всех саморегулирующихся обменных процессов, ведущими из которых является вода и жизнь. Поскольку именно они ответственны за высочайшую скорость восстановления ассимиляционной функции биосферы.

Выводы

В рамках существующего синергизма разнопериодичных во времени обменных процессов в биосфере можно утверждать:

1. Ассимиляционный потенциал биосферы при снятии антропогенной нагрузки восстанавливается чрезвычайно быстро. Даже при минимальном его значении возможна релаксация условий не только существования жизни на Земле, но и неограниченного во времени (кроме времени существования самой Солнечной системы) существования и развития человека, перехода биосферы в состояние ноосферы. Жизнь на Земле не может быть прекращена ни естественным путём, ни по «воле» человека в силу её огромной приспособительности. Даже в условиях сильного давления на окружающую среду в экологической нише человека способно выживать огромное число живых организмов. А в истории планеты существовали целые периоды вымирания огромного числа видов организмов (пермский и меловой), но жизнь не только возрождалась, но ускоряла своё развитие, приобретала более сложные формы вплоть до возникновения разума.

2. Ведущими агентами самоорганизованной структуры и функции биосферы является вода и жизнь, способные ассимилировать (очищать атмосферу и гидросферу, вовлекать в пищевые цепи живых организмов огромные массы вещества).

3. Для поддержания величины ассимиляционного потенциала необходимо и достаточно создание такого количества площадей под ООТиО, которое гарантирует сохранение существующего биоразнообразия на основе его естественного воспроизводства.

4. В критических условиях, когда ассимиляционный потенциал на отдельных территориях суши будет приближаться к нулю, возможно существование искусственно поддерживаемых экосистем на основе достигнутых технологий по поддержанию жизни (в водной, подземной средах, в космическом пространстве и т. д.). Например, в условиях перенаселённости планеты.

5. Способность человека создавать искусственные среды для своего существования ставит вопрос о возможности заселения человеком пространств океана, недр, освоения пустынь и полупустынь, создавая там автоматизированные замкнутые циклы безотходного производства, инфраструктуры, а поверхность превратить в оазис ноосферы, где человек (в селитебных зонах) найдёт пристанище здоровому образу жизни. Где будет доминировать экогуманизм к себе и всему живому на Земле. Для этого потребуется меньше затрат времени и энергии, чем на терраформирование других планет.

Ссылки