Биосфера. Биосферные циклы

ввел термин «биосфера», определив понятие биосфера, как поверхностный слой земного шара, охваченный жизнью.

1857 – 1901 профессор геологии Венского университета.
1898 – 1911 президент Австрийской Академии наук

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.

«Das Antlitz der Erde» (1883-1888),
"Лик Земли" (тома 1-3, 1883-1909)
обобщил представления о строении и развитии земной коры.

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

организмы.
Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (15-20 км), верхнюю часть литосферы (до 20 км) и всю гидросферу.

(по Вернадскому)

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.

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.

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

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».

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.

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.

сокращениями]

Фанерозой, энциклопедия Британника
Phanerozoic Eon, the span of geologic time the span of geologic time extending about 542 million years from the end of the Proterozoic 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 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 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 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 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/455062/Phanerozoic-Eon

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 эры-древней 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

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 .

нефть, газ], доступные для использования человеком, составляют менее 104 Гт С, то есть менее 1 тысячной доли от общих запасов углерода в осадочных породах.

Gorshkov et all., 2000] с изменениями)

Осадочные породы 107 Гт C в том числе ископаемое топливо 104 Гт C

Глубокие слои земной коры и мантия

Атмосфера 1000 Гт C

Биота 1000 Гт C

Разложение, 100 Гт C/год

P‒

Синтез, 100 Гт C/год P+

Депонирование
F+, 0.01 Гт C/год

Выбросы вулканов
F‒, 0.01 Гт C/год

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.

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.

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%

Современная биосфера и кислород атмосферы

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).

с сокращениями)

Биогенное происхождение кислорода однозначно следует из газовым составом атмосферы

Earth (3rd ed.). Oxford University Press. ISBN (3rd ed.). Oxford University Press. ISBN 0-19-286218-9.

26 July 1919 (1919-07-26) (age 91)
Letchworth, Hertfordshire, England, UK

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.

из воды.
Все вещества, необходимые для жизнедеятельности растений (за исключением газов – O2 и CO2), поступают в виде водных растворов.

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.

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]

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

Likens, 1975; Mitchell, 1989)

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)

2000)

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.

1)

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.

2)

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.

3)

водный обмен в 8-9 раз выше. На спутниковой Фотографии представлено формирование облаков в первой половине дня, которы пролются дождем во второй.

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%

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

суше -- и потере 14% воды в атмосфере