Биогеохимические циклы

Круговороты химических элементов в биосфере, трассирующихся из внешней среды в живые организмы и растения и обратно во внешнюю среду, называются биогеохимическими циклами. "Био" указывает на отношение к жизни, живым организмам, а "гео" - к земной коре, к земному шару, воздуху и воде. Термин биогеохимия был впервые предложен В.И.Вернадским и окончательно закреплен в науке после публикации Дж.Хатчинсона в 40-х годах (1943-1950 гг.). Биогеохимия изучает обмен веществ между живыми и костными составляющими биосферы. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений называют круговоротом элементов питания, который в биосфере можно подразделить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере и осадочный цикл - в земной коре.

В биогеохимических циклах участвуют различные элементы, среди которых такие, как углерод, водород, кислород и азот, потребляются организмами в больших количествах. Человек уникален не только тем, что из более чем 90 элементов, известных в природе, его организм нуждается в 40 различных элементах, но и тем, что в своей жизнедеятельности он так или иначе использует почти все другие элементы природы. Более того, человек включает в циклический процесс все больше и больше искусственных элементов, создаваемых им, нисколько не проявляя заботы об экологических последствиях такого "содействия" природе. Возникает дисбаланс веществ (в частности, локальные избытки или дефицит), круговорот начинает деформироваться, терять цикличность (иначе говоря, процессы становятся несовершенными), нарушается процесс возвращения в круговорот. Известно, что там, где по тем или иным причинам круговорот жизненно важных элементов снижается или уменьшается, наступает биологическая катастрофа, в результате которой гибнут огромные количества рыбы, водоплавающих птиц и других животных. Одной из известных биологических катастроф является Эль-Ниньо, происходящая в зоне Перу в Южной Америке. Из-за "водяного парникового эффекта", когда по не известным еще причинам проникающие с севера теплые течения покрывают глубинные холодные воды, обогащенные биогенными веществами, существенное уменьшение фитопланктона приводит к голоду, гибнут десятки миллионов тонн рыб, птицы, гнездящиеся на побережье, покидают зону катастрофы.

Одним из главных направлений усилия по охране природы общества должно стать сохранение цикличности процессов и восстановление равновесия фондов химических элементов в круговоротах. Биологические катастрофы во многом связаны с движением и круговоротом воды, с их непрерывной изменчивостью. В своей природоохранной деятельности мы должны постигнуть методы восстановления и поддержания круговорота воды, углерода, кислорода и других элементов, а также мониторинга - контроля динамики элементов питания в этих средах - это одна из важных ступеней нерешенных проблем в экологии.

2.3.1. Круговорот кислорода

Биогеохимический цикл кислорода является глобальным процессом, охватывающим планетарные системы: атмосферу, гидросферу и литосферу. В атмосфере кислород находится в виде атомарного кислорода "О", молекул "О2" и озона "О3". Жизнь, создающая в земной коре свободный кислород, писал В. И. Вернадский, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил". Круговорот кислорода (рис.2.2) - пример очень сложного цикла газообразных веществ, так как, совершая свой путь между атмосферой и живыми организмами, кислород обретает много химических форм. Так, в процессе фотосинтеза кислород выделяется зелеными растениями, тогда как при потреблении кислорода животными, при дыхании происходит противоположное обращение. В ряде окислительных процессов в природе, например, в верхних слоях атмосферы, образуется кислород (правда, в меньших количествах) под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца в процессе диссоциации молекул воды и озона.

Рис.2.2. Круговорот кислорода в биосфере

(по П. Клауду, А. Джибору 1972)

^ 2.3.2. Круговорот воды

Круговорот воды в природе занимает особое положение в науках о Земле как процесс, непосредственно связанный с существованием жизни на планете. Такое важное явление, как круговорот воды, вызвала появившаяся на Земле жидкая вода, справедливо оцененная в далекой древности как одно из начал всего существующего в мире. Каков же этот процесс, ставший активным фактором формирования условий жизни и климата на нашей планете?

Рис.2.3. Круговорот осадков в гидросфере

Огромная масса воды на Земле представляет собой гигантское хранилище тепла, постоянно поступающего в атмосферу. Под воздействием солнечного тепла вода нагревается и испаряется с колоссальной поверхности планеты, а захватываемые и переносимые мощными воздушными потоками пары воды затем конденсируются и возвращаются на землю в виде осадков (рис.2.3). Такой круговорот осадков имеет важное значение в механизме циркуляции атмосферы, а следовательно, и в формировании климата и условий погоды на Земле.

Солнечная энергия, получаемая океаном, способствует активному испарению воды, которая затем перераспределяется в системе "атмосфера - гидросфера". Водяной пар, непрерывно поступающий в атмосферу, создает наряду с углекислым газом так называемый "парниковый эффект", который состоит в том, что некоторые газы, в основном углекислый (значительно в меньшей степени метан, закись азота и другие газы), и пары воды, находясь в атмосфере, затрудняют отдачу тепла с поверхности Земли в окружающую среду и действуют как стекло или пленка в теплице. Роль водяного пара в парниковом эффекте значительна, ибо эти пары перехватывают и поглощают инфракрасное (тепловое) излучение Земли, создавая как бы мощное покрывало планеты. Таким образом, связь гидросферы с атмосферой оказывает существенное влияние на изменение климата планеты, и в этих процессах важны тепловые свойства воды (определяющим здесь является аномальная удельная теплоемкость воды). Благодаря высокой удельной теплоемкости воды, на континентах нет резких перепадов температур зимой и летом. Вместе с тем, колебания теплозапасов в мировом океане, изменения интенсивных океанских течений и массы морских льдов неизбежно ведут к глобальным изменениям погоды. В этой связи изучение взаимодействия океана и атмосферы является одной из важнейших задач современной метеорологии и смежных с ней наук.

Круговорот воды, несмотря на постоянную зависимость от климатических условий, сам в значительной мере воздействует на формирование климатических условий на Земле.

Вода на планете находится в непрерывном движении и изменении своего состояния, постоянно происходит водообмен между различными составными частями гидросферы. Благодаря мировому круговороту, происходит неуклонное обновление запасов воды с различной скоростью. Так, воды мирового океана обновляются за 2 млн. лет, почвенная влага примерно за 1 год, вода в реках за 12 суток (т.е. 30 раз в год), а пары в атмосфере за 9 суток (т.е. 40 раз в год).

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу состоит из несметного количества частных круговоротов и "фильтросистем", включая и биосферный фильтр. Пройдя циклы круговоротов и систем фильтров, вода в конечном счете снова оказывается в главном своем хранилище - Мировом океане. Огромную роль в процессе возобновления запасов воды играет сформировавшаяся в результате эволюции система очистки (природные фильтры), через которые воды гидросферы постоянно пропускаются с различной скоростью. Примером таких очистных природных массивов могут служить: земная кора, через которую проходит значительная часть воды гидросферы, обновляясь и снова включаясь в природные воды; атмосфера, в которую вода поступает в парообразном состоянии и в новом качестве возвращается обратно в гидросферу в виде осадков; наконец, биосфера, пропускающая огромное количество воды через систему всех живых организмов Земли.

Биосфера нашей планеты включает в себя биосферу суши и океана, основную массу которых составляют фотосинтезирующие организмы. Водные растения непрерывно очищают воду, проходящую через их поверхность, а на суше растения транспирируют воду, т.е., получая ее из почвы, отдают в атмосферу в виде пара при испарении с крон (рис.2.4). Системой транспирации на суше являются леса, поверхность листвы которых специалисты оценивают следующим образом: на каждый квадратный метр поверхности почвы лес создает 5,7 м листовой поверхности, зрелый еловый лес - 11 м, влажные тропические леса 22 м, саксауловый лес пустыни - 0,1 м, мхи и лишайники тундры - 2 м (при оценке следует также учесть, что почвенная влага от осадков проходит в основном через микроорганизмы и грибы, которые также очищают воду и значительно влияют на повышение интенсивности биосферной очистки). В океанской воде заросли водорослей всех видов и одноклеточные водоросли создают суммарную площадь поверхности очистки, равную 100 м2 в слое толщиной 100 м, по современным оценкам морские организмы (с учетом мельчайших планктонных организмов) пропускают через себя в течение одного года объем воды, равный двум Мировым океанам.

Рис.2.4. Схема круговорота воды

Круговорот воды, пронизывающий глобальный комплекс "суша - Мировой океан - атмосфера", представляет собой чрезвычайно сложную систему, в которую входят отдельные (составные) круговороты с природными очистными системами (см.рис.2.4). Непрерывный круговорот воды в природе весьма важен как процесс, обеспечивающий сушу пресной водой, от которой зависит жизнь и хозяйственная деятельность человека.

Пресными считают воды с минерализацией до 1 г/л, солоноватыми – до 1-3 г/л, солеными – до 3-36 г/л, рассолами - с минерализацией более 35 г/л. Основные запасы пресной воды сосредоточены в гигантских кладовых планеты: ледниках и различных снежно-ледниковых массивах, а также под землей - около 99,2% запасов пресной воды на Земле. В качестве главного источника пресной воды на протяжении длительного исторического периода человек использует речные воды, скорость возобновления которых около 12 дней.

Следующий крупный источник пресной воды - это подземные воды, использование которых по объему составляет не более 20% от количества воды, получаемой из рек, по причине, связанной с тем, что извлечение подземных вод сложнее и дороже, чем забор поверхностной речной воды. Почти не используются пресные воды болот. Специалисты считают неверным представление о болотах как о "гнилой" воде, эта вода стерильна из-за довольно высокого содержания фенолов. Благодаря этому качеству в прошлом болотную воду брали в виде запаса питьевой воды на корабли.