Владимир Живетин - Биосферные риски

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 Е бгх ≤ х кр , т. е. существует область Ω доп ( Е бгх ), которая зависит от скорости передачи жизни, и предел размножения человека [26]. Согласно исследованиям, на Земле может проживать три гекамиллиона людей, то есть 3·10 12или 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:

m 1– масса H 2O;

m 2– биомасса растительной клетки;

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

m 3– масса живых организмов;

E ж – энергия живых организмов;

m 4– биомасса почвы;

E с – энергия Солнца;

E к – энергия костного вещества;

e — умершие животные и микроорганизмы;

– энергия воды;

E у – энергия питания живых организмов;

– энергия дыхания;

E г – энергия горения;

m 5– масса костного вещества;

m 6– 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 E бгх достигала критических значений x кр (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 E бс неравномерно распределен по поверхности Земли. Эта энергия связана с биомассой, представляющей количество живого вещества на единицу площади, выраженное в единицах массы, т. е. E бc = E бc ( m ), где m — биомасса, m = ( m 2, m 3, m 4). 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 m 1составляют леса. Влажные тропические леса обладают максимальной биологической продуктивностью, тундры и пустыни – минимальной, т. е. m 1= m 1( x,y ), где x, y — координаты точки на поверхности Земли. Энергия E бм , аккумулируемая тундрой и тропическими лесами, соответственно составляет 7–14 тыс. Дж/см 2·год и 20–250 Дж/см 2·год.

Огромная биомасса m 4сосредоточена 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 10 19ккал. 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 2,4·10 20т, 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 ) ≤ 10 12тонн живого вещества из общего запаса M 0= const = 10 13тонн, 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;

– рассматривается суммарная величина биомассы, взятая по всему объему ее распределения в биосфере, т. е. m = m ( t ).

Под действием современных технологий, человек вклинивается и в эту область. При этом количество живого вещества m возрастает при неизменной величине m кр . Ситуация, когда m = m кр , является критической для данного параметра, так как в случае m > m кр начинается процесс самоуничтожения живого вещества и возрастание, например, костного вещества и отходов.