ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ из "Экологическая химия" Внешние оболочки Земли - атмосфера, гидросфера и литосфера - связаны между собою процессами массообмена, имеющими циклический характер. Миграционные потоки, захватывающие огромные количества атомов различных элементов, существовали на протяжении всей геологической истории нашей планеты они обеспечили формирование современного химического состава ее газовой и водной оболочек и земной коры. Можно считать установленным, что обмен химическими элементами между геосферами эволюционировал во времени. [c.49] Приведенный состав глубинных газов должен был определять восстановительный характер атмосферы, и если в конце концов произошел переход к современной окислительной атмосфере, то ответственным за это фактором была жизнедеятельность фотосинтезирующих организмов. С момента появления жизни на Земле дальнейшая химическая эволюция внешних ее оболочек - атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы -определялась главным образом биотой (под биотой понимают совокупность всех живых организмов). [c.49] Таким образом, со времени возникновения жизни на нашей планете важнейшим фактором, определяющим особенности циклического обмена химическими элементами между геосферами, стала деятельность биоты. И поэтому сами циклы с полным основанием называют биогеохимическими. [c.50] Современные биогеохимические циклы захватывают атмосферу и всю гидросферу. Что касается литосферы, то миграционные потоки в основном ограничиваются самой верхней ее частью - зоной гипергенеза. При этом наибольшей интенсивностью обменных процессов характеризуется педосфера. [c.50] Как будет показано в этом разделе, в биогеохимические циклы вовлекаются не только атомы биофильных элементов, но практически все химические элементы земной коры. Познание масштабов, механизма действия и степени замкнутости этих циклов, их взаимного переплетения является ключом к пониманию закономерностей формирования всех жизненно важных характеристик природной среды. Оно необходимо для установления допустимых пределов воздействия человечества на биосферу и для выяснения его возможностей недеструктивного управления происходящими в ней процессами. [c.50] В рамках этой книги не представляется возможным дать хотя бы краткое описание поведения всех химических элементов, циркулирующих в географической оболочке Земли. Наше внимание будет сосредоточено на эволюционно сложившихся циклах только важнейших биофильных элементов и так называемых тяжелых металлов . В последующих главах будет показано, как антропогенное нарушение этих циклов влияет на важнейшие характеристики природной среды в глобальных и региональных масштабах. [c.51] В качестве главных резервуаров углерода можно выделить литосферу, гидросферу, педосферу и атмосферу (табл. 2.1). Практически весь углерод атмосферы содержится в ней в форме СО2. Современная концентрация (на начало 1990-х гг.) СО2 составляет 354 млн , что соответствует массе 750 Гт в пересчете на углерод (1 млн СО2 соответствует примерно 2,119 Гт С). Основная часть его (85 %) сосредоточена в тропосфере. В доиндустриальной атмосфере, по данным палеоизмерений, содержание СО2 составляло 612-616 Гт С, т. е. примерно 82 % от современного. [c.51] Крупным резервуаром углерода служит океаносфера неорганический углерод содержится в ней преимущественно в гидрокарбонатной форме. Распределение его весьма неравномерно в верхнем стометровом деятельном и хорошо освещенном слое воды содержится около 580, а в более глубоких горизонтах -33 420 Гт углерода. [c.52] Наибольшие количества углерода и углекислого газа сосредоточены в глубинах Земли, и этот запас можно рассматривать в качестве основного резерва биосферы. Поступление СО из недр планеты в атмосферу происходит довольно медленно, поскольку углерод литосферы медленно вовлекается в естественные физико-химические и другие процессы, приводящие к его выделению в составе летучих компонентов. [c.52] Глобальный цикл углерода условно можно разделить на два цикла низшего ранга. Первый из них связан с потреблением СО2 при фотосинтезе. Это потребление компенсируется выделением его в результате деятельности деструкторов, главным образом почвенных микроорганизмов. Дополнительным источником служат лесные и степные пожары, возникающие в результате поджигания молниями (табл. 2.2). [c.52] Однако не весь углерод, вовлекаемый в фотосинтез, возвращается в атмосферу. Некоторая его часть сохраняется в педосфере в виде гумуса и торфа. Часть растительных осадков окисляется в почве, и углерод в составе карбонатных и гидрокарбонатных ионов выносится с континентальным стоком в моря и океаны. Туда же поступает углерод в составе растворенного и взвешенного органического вещества. В морской среде вынесенный с континентов углерод перераспределяется он ассимилируется фитопланктоном или осаждается на дно, образуя осадки. В донных отложениях консервируется на многие тысячелетия также и часть биологической продукции самих океанов. [c.52] Таким образом, этот цикл оказывается не полностью замкнутым. Степень его разомкнутости можно оценить, если принять во внимание, что в результате фотосинтеза на планете ежегодно образуется около 200 С рг. Почти весь синтезированный органический углерод подвергается микробиологическому разложению, и только небольшая его часть - около 0,02 Гт С/год - поступает в донные отложения, накапливается в виде гумуса почв и торфа, избегая таким образом деструкции. Тогда точность замыкания биотической части глобального цикла углерода предстает как частное от деления этих величин 0,02 200 = 10 (В. Г. Горшков и К. Я. Кондратьев, 1990). [c.53] Второй цикл формируется за счет газообмена между атмосферой и океаносферой гидрокарбонат-карбонатная система океанов находится в подвижном равновесии с углекислым газом атмосферы. Это равновесие зависит главным образом от парциального давления СО2 в атмосфере и от температуры (раздел 1.3.2). [c.53] Схематически обмен диоксидом углерода между атмосферой и океаносферой показан на рис. 2.1. Углекислый газ активно растворяется в холодной морской воде в высоких широтах. Часть его вместе с массами холодной воды опускается на большие глубины другие подводные течения перемещают обогащенные СО2 воды в направлении экватора. В низких широтах происходит нагревание воды и выделение диоксида углерода в атмосферу. По некоторым оценкам (Болин, 1983) в этот цикл ежегодно вовлекается примерно 100 Гт СОд, т. е. около 30 Гт С/год. [c.53] Второй цикл также не полностью замкнут, поскольку в океанах постоянно происходит осаждение и захоронение углерода в донных осадках в составе карбонатов. По некоторым оценкам скорость накопления углерода в этой форме составляет 0,1 Гт С/год. Из табл. 2.1 видно, что в водах океанов содержится около 1000 Гг органического углерода. Это количество превышает запас углерода в биомассе континентов и близко к его содержанию в гумусе почв. Рассеянное во всей толще океанических вод органическое вещество иногда называют водным гумусом. Важно, что он, как гумус почв и рассеянное органическое вещество горных пород (кероген), недоступен для ассимиляции микроорганизмам. Правда, причины этой недоступности различны. Геополимеры - компоненты почвенного гумуса и кероген - устойчивы по отношению к биохимическому разложению в силу их химического строения (см. раздел 1.4). Напротив, водный гумус образован легко разрушаемыми соединениями - углеводами, аминокислотами и жирными кислотами. Однако их концентрации в морской воде ниже концентрации, соответствующей половине максимальной скорости роста микроорганизмов (примерно 10 мг/л). Это делает невыгодным использование микроорганизмами водного гумуса, и он становится огромным резервуаром углерода (Г. А. Заварзин, 1984). [c.54] Совершенно очевидно, что даже при таких относительно небольших скоростях постоянного выведения углерода из глобального круговорота полное его исчерпание из атмосферы должно было бы произойти в течение нескольких тысячелетий. Этого не происходит, поскольку запас углерода в атмосфере восполняется за счет вулканизма. Эмиссия СО2 вулканами в современный период оценивается величиной 0,13-0,18 Гт С/год. Вполне вероятно, что заметный вклад в атмосферный резервуар неорганического углерода вносит также дегазация земной коры, особенно по глубинным разломам в геосинклинальных областях. Однако такой скрытый поток СО2 все еще остается неидентифициро-ванным и по этой причине неучтенным. [c.54] Глобальные циклы кислорода и водорода тесно связаны между собою, поскольку основные количества водорода входят в состав воды. Поэтому круговорот воды представляет собой форму миграции обоих этих элементов. [c.54] Кислород присутствует в больших количествах во всех геосферах общее его содержание в литосфере составляет примерно 18 500 10 Гт, в гидросфере - 1200 10 Гт, в атмосфере -1,18 10 Гт и в живом веществе планеты - около 0,009 10 Гт. [c.55] В настоящее время глобальный цикл кислорода часто рассматривают как сочетание нескольких взаимодействующих между собою циклов более низкого ранга. Условно их можно обозначить как геохимический, биотический и физико-химический. [c.55] В литосфере, главном резервуаре кислорода, этот реакционноспособный элемент присутствует исключительно в связанном состоянии, главным образом в составе силикатов и алюмосиликатов. На их долю приходится около 95 % пород земной коры. Тетраэдрическая группировка из четырех атомов кислорода и атома кремния (810 ), а также широко распространенная в минералах карбонатная группировка (СОд ) чрезвычайно устойчивы. Даже в ходе выветривания горных пород эти анионы остаются преимущественно неизмененными, и в этих формах кремний и углерод переносятся в океаны и переходят в донные осадки. [c.55] Вернуться к основной статье