Биосферные риски - Владимир Живетин

Организованность биосферы связана с постоянным перемещением как среднего, так и колебаниями около среднего, т. е. какой-либо атом или элемент не возвращается тождественно к прежнему положению. Так, каждое живое вещество в своих химических элементах имеет свои особые соединения. При этом в биосфере отсутствуют две тождественные индивидуальности, неотличимые друг от друга.

Биосфера имеет свои характерные изменения в пространстве и во времени как система, как элемент мироздания.

Человек, обладающий центральной нервной системой, которая в своем развитии привела к созданию разума, функционально связанной с биосферой, изменяет свои свойства и параметры во времени.

Живое вещество создает огромную свободную энергию, обусловливая основную, проявляющуюся в биосфере деятельность, мощность которой огромна.

Энергетический «баланс» – это основа развития или вымирания биосферы. Масса и энергия живых организмов – основа биосферы.

Энергетическое и информационное поля создаются не только живым, но и костным веществом.

Биогеохимическая энергия

В.И. Вернадский выделяет следующие основные свойства живого вещества: массу (вес), биогеохимическую энергию и химический состав [28], которые в совокупности определяют, в том числе интенсивность таких важнейших его геологических функций, как газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, метаболическая. Процесс образования биогеохимической энергии схематично представлен на рис. 2.8.

Биогеохимическая энергия Ебгх живого вещества определяется, прежде всего, размножением организмов, обусловливаемым энергетикой планеты, и подчиняется основным законам термодинамики, что обеспечивает существование и устойчивость такой системы, как биосфера. Живое вещество является носителем биогеохимической энергии и создателем ее в таком масштабе, в каком она не существует ни в одной земной оболочке. Эта энергия охватывает всю биосферу и определяет в основном всю ее историю существования.

Неразрывная связь (материальная и энергетическая) живого организма с биосферой – это связь совершенно определенного характера, «геологически вечная», являющаяся основой жизни. Существуют предел образования биогеохимической энергии человечества Ебгх ≤ хкр, т. е. существует область Ωдоп(Ебгх), которая зависит от скорости передачи жизни, и предел размножения человека [26]. Согласно исследованиям, на Земле может проживать три гекамиллиона людей, то есть 3·1012 или более, что примерно в тысячу раз больше числа современников. Следует отметить, что есть неизвестные пока нам явления биосферы, которые приводят к ограничению количества неделимых биоценозов, способных в данную геологическую эру при данном условии существовать на гектаре Земли. Одним из таких ограничений гипотетически следует назвать минимально допустимую площадь поверхности земли на одного человека, функционально связанную с эгоэнергетическим потенциалом. Увеличение биогеохимической энергии происходит за счет того, что человек существенно увеличивает количество перерабатываемой для себя энергии в процессе своей жизнедеятельности. При этом используются атомные, тепловые, гидро-, терминальные станции, солнечные и ветряные электростанции. Вся полученная таким образом энергия используется для расширения садов, виноградников и т. д.

Рис. 2.8

На этом рисунке приняты следующие условные обозначения:

m1 – масса H2O;

m2 – биомасса растительной клетки;

Eр – энергия растительной клетки (Е = Е′р + Е′′р);

m3 – масса живых организмов;

Eж – энергия живых организмов;

m4 – биомасса почвы;

Eс – энергия Солнца;

Eк – энергия костного вещества;

e — умершие животные и микроорганизмы;

– энергия воды;

Eу – энергия питания живых организмов;

– энергия дыхания;

Eг – энергия горения;

m5 – масса костного вещества;

m6 – отмирающая масса растений;

a — подпитка солнечной энергией биомассы почвы;

С — подпитка минеральными веществами растений;

d — энергетическая и химическая отдача.

Биосфера в своем развитии никогда не возвращается к предыдущим состояниям. Это связано с критическими значениями биохимической энергии. Можно выделить ряд периодов в биосфере, когда Eбгх достигала критических значений xкр (нижних и верхних значений х), связанных с усилением вулканических, орогенических, ледниковых явлений, трансгрессии моря и других процессов в биосфере. Например, вспышка вулканизма приводила к общепланетным изменениям состава атмосферы. С этими явлениями М.И. Будэко [8] связывает важнейшие и крупнейшие изменения структуры живого вещества, которые можно считать в этом смысле критическими для эгоэнергетики.

Энергетический потенциал биосферы

Энергетический потенциал биосферы Eбс неравномерно распределен по поверхности Земли. Эта энергия связана с биомассой, представляющей количество живого вещества на единицу площади, выраженное в единицах массы, т. е. Eбc = Eбc(m), где m — биомасса, m = (m2, m3, m4). В биомассе суши Земли масса земных растений суши составляет в среднем около 97 %, животных и микроорганизмов – 3 %. Она увеличивается от полюсов к экватору. Основную биомассу суши m1 составляют леса. Влажные тропические леса обладают максимальной биологической продуктивностью, тундры и пустыни – минимальной, т. е. m1 = m1(x,y), где x, y — координаты точки на поверхности Земли. Энергия Eбм, аккумулируемая тундрой и тропическими лесами, соответственно составляет 7–14 тыс. Дж/см2·год и 20–250 Дж/см2·год.

Огромная биомасса m4 сосредоточена в почве. Ее составляют корни растений, почвенные животные (насекомые и их личинки, черви и др.), а также грибы, бактерии и водоросли. Биомасса почвы распределена неравномерно по поверхности Земли. В мировом океане биомассы в 1000 раз меньше, чем на суше, и находится она главным образом в поверхностном слое до 100 м глубиной.

Ежегодно на Земле растениями аккумулируется около 1019 ккал. Частично эта энергия используется в виде пищи и топлива, частично накапливается в отмирающем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние (рис. 2.8). Так образовались залежи нефти, угля, природного газа. В результате жизнедеятельности живого вещества была преобразована первичная среда планеты. Атмосфера стала кислородной, изменился состав гидросферы, образовался покров осадочных пород, появился плодородный почвенный слой. Причина глобальности процессов заключается в непрерывности работы живых организмов. Они осуществляют свою планетоформирующую роль за счет быстрого по геологическим меркам воспроизводства, размножения и связанного с этим круговорота веществ, происходящего в течение сотен миллионов лет. Вся масса живого вещества, произведенного за это время биосферой, равна 2,4·1020 т, что в 12 раз превышает массу земной коры. На земной поверхности нет химической силы, постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом [8, 26, 33].

Отметим, что на Земле ежегодно производится и разрушается M(t) ≤ 1012 тонн живого вещества из общего запаса M0 = const = 1013 тонн, и этот процесс (круговорот) является устойчивым. В отличие от косного вещества живое вещество аккумулирует энергию, развивается, размножается и отмирает, отдавая оставшуюся энергию биосфере. Неполное разложение живого вещества приводит к образованию гумуса, в том числе торфа, угля, нефти.

В зависимости от целей исследования структуры биосферы возможны следующие модели (варианты) биомассы m:

– в общем случае биомасса биосферы распределена по занимаемому объему по некоторой зависимости вида m = m(x,y,z,t), где x, y, z — координаты точки некоторой системы координат, например, прямоугольной декартовой, t — время;