Баланс энергии и круговорот вещества в биосфере

Магматическая порода, возникшая при кристаллизации магмы, поступившей из глубин Земли, на поверхности литосферы подвергается разложению – выветриванию в области биосферы. При этом продукты выветривания – материал различной степени измельчения – переходит в подвижное состояние. Материал выветривания сносится водами и другими агентами в пониженные места рельефа и в большей части попадает в море, в океан. За счет этого образуются мощные толщи осадочных горных пород, которые в ходе времени погружаются на большие глубины (в зоны геосинклиналей) и в области повышенных температур и давлений подвергаются метаморфизму и ультраметаморфизму – переплавлению.

При переплавлении возникает магма, которая в благоприятных условиях может снова поступить в верхние горизонты земной коры, где застывает в форме различных интрузивных тел. Затем все повторяется сначала. Таким образом, в течение веков происходит глобальный круговорот вещества:

магматическая порода ® осадочная порода ® метаморфическая порода ® переплавление и новое образование магмы.

Большой круговорот вещества в пределах верхних горизонтов земного шара представлен на рисунке 28.

Рис. 28. Большой круговорот вещества в пределах верхних горизонтов

земного шара

Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Различные участки земной коры на поверхности планеты по существу представляют собой звенья этого глобального круговорота. Учение о крупных геологических циклах было развито В. И. Вернадским, который о земной коре писал:

«Большая часть материи в ней находится в непрерывном движении – миграциях - и образует обратимые и замкнутые циклы, всегда возобновляющиеся и тождественные (геохимические циклы). Они возобновляются над поверхностью энергией Солнца, поглощенной живым веществом, а в глубинах - атомной энергией, обусловленной радиоактивным распадом».

Очевидно, что наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества – газы и природные воды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Более медленный круговорот совершает материал континентов. Этот материал путем выветривания и денудации удаляется с поверхности суши за период времени (30-100)∙10⁶ лет. В настоящее время объем суши составляет 1/12 часть Мирового океана. Если отсутствовали бы вековые поднятия земной коры в континентальном полушарии планеты, то за несколько геологических периодов вся суша была бы снесена в океан и земной шар покрылся бы сплошной водной оболочкой. Поэтому следует считать, что величина объема суши есть отражение относительного равновесия между ее образованием путем поднятий и разрушением путем сноса, главным образом под действием круговорота воды.

Существенная часть круговорота вещества литосферы совершается в пределах биосферы Земли. Иначе говоря, образование всех осадочных горных пород совершается в биосфере под активным влиянием живого вещества, что накладывает свой отпечаток на минералогический и химический состав самих осадочных горных пород. В общем можно считать, что вся стратисфера – осадочная оболочка Земли – есть функция биосферы в широком смысле слова. Поскольку значительная часть метаморфических горных пород формируется за счет пород осадочных, а в обстановке ультраметаморфизма рождаются граниты, можно считать, что гранитно-осадочная оболочка земного шара отражает процессы в биосфере и вполне обоснованным представляется положение о том, что «гранитная оболочка планеты есть область былых биосфер».

Попадая на Землю, солнечная энергия по-разному определяет круговорот вещества. Нагрев Мирового океана и атмосферы происходит по-разному.

В океане нагревание происходит…

[1] снизу, что приводит к образованию мощных конвективных потоков и общей циркуляции масс;

[2] сверху, с чем связано установление довольно стабильных условий;

[3] сверху, при этом течения перераспределяют поглощенное солнечное тепло в горизонтальном направлении;

[4] снизу, что влияет на снабжение атмосферы теплом.

Круговорот воды

Круговорот воды – грандиозный процесс на поверхности земного шара    [7, с. 94]. На Землю от Солнца ежегодно поступает примерно 21×10²⁰ кДж лучистой энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды, что и обусловливает круговорот воды. Циркуляция воды происходит по условной схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение, перенос водяного пара в атмосфере, конденсация водяного пара, повторное выпадение атмосферных осадков. В процессе круговорота воды в природе вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое (жидкое состояние, твердое – снег, лед; газообразное - пар). Наиболее интенсивно вода циркулирует в парообразном состоянии.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 000 км³ воды.

Различают круговорот воды в атмосфере, между атмосферой и поверхностью литосферы, недрами литосферы и внутри недр литосферы. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу  (рис. 29).

Рис. 29.    Круговорот воды в биосфере

Антропогенные воздействия на природу в виде загрязнений, изменений климата, растительности, структуры почв, создания искусственных водохранилищ и т. п. заметно влияют на круговорот воды. С поверхности океана ежегодно испаряется огромное количество воды (448 000 км³). Между поверхностным слоем воды океана и массой воды более глубоких ее зон существует свой регулярный, установившийся обмен. Между парами воды и водой атмосферы и водоемов устанавливаются локальные временные равновесия. Пары воды в атмосфере конденсируются, захватывая газы атмосферы, вулканические газы, вредные вещества антропогенной деятельности, а затем вода выпадает на сушу. Часть воды при этом входит в химические соединения, другая в виде кристаллогидратной, сорбированной в множество других форм связывается рыхлыми осадками земной коры и погребается вместе с ними, надолго покидая основной цикл. Осадки в процессе метаморфизации (от греч. metamorphosis - превращение) и погружения в глубь Земли под влиянием давления и высокой температуры теряют воду. Вода поднимается по порам пород и появляется в виде горячих источников или пластовых вод на поверхности Земли.

Вода в некоторых случаях может выбрасываться с парами при вулканической деятельности вместе с некоторым количеством ювенильных (от лат. juvenils - юный) вод, косвенным показателем которых является повышенное содержание углекислоты, гелия и водорода в составе подземных вод, впервые выступивших из глубин Земли. Другая же, основная, масса воды, извлекая растворимые соединения из пород литосферы, разрушая их, стекает реками обратно в океан. В результате этого процесса солевой состав океана в геологическом времени изменяется. Химические элементы, образующие легкорастворимые соединения, накапливаются в морской воде. Труднорастворимые соединения химических элементов быстро достигают дна океана.

Основные данные по круговороту воды на земном шаре позволяют вычислить активность водообмена в различных скоплениях природных вод различного масштаба. Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражает медленное движение и процесс таяния ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота является отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

Вода – важнейший компонент всего живого. Всей воды, содержащейся в телах живых организмов, хватило бы лишь на то, чтобы покрыть Землю слоем в  1 мм. Тем не менее количество воды, входящее в годовую продукцию фотосинтезирующих организмов, по данным академика А. И. Виноградова, более 830 млрд. т. Эвапотранспирация – это суммарная отдача воды из экосистемы в атмосферу. Она включает как физически испаряемую воду, так и влагу, транспирируемую растениями. Уровень транспирации различен для разных видов и в разных ландшафтно-климатических зонах.

Уточните понятие «малый круговорот» воды в биосфере…

[1] водяной пар переносится воздушными течениями на сушу; часть осадка испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая питает реки и водоемы, возвращаясь в океан речным и подземным стоком;

[2] в пределах экосистем важные процессы перехвата (растительность способствует испарению в атмосферу части осадков, прежде чем они достигнут поверхности Земли), эвапотранспирации, инфильтрации и стока;

[3] испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара и выпадение осадков на поверхность океана;

[4] обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Биогеохимические циклы

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическими циклом       [6, с. 112]. Его часто называют большим биосферным кругом, имея в виду безостановочный планетарный процесс перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы.

Биогеохимические круговороты в биосфере подразделяют:

- на круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров);

- круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (фосфора, кальция, железа).

Осуществление многочисленных круговоротов вещества в биосфере приводит к саморегулированию природных экосистем, что придает им устойчивость, которая выражается в относительном постоянстве содержания различных химических элементов в растениях и животных. Устойчивость всей совокупности природных экосистем выражается в глобальном масштабе в постоянстве главных составляющих биосферы. Интенсивность биогеохимического круговорота выражается в темпах разложения организмов и в относительном постоянстве всей биомассы живого вещества на земном шаре. При осуществлении биогеохимических круговоротов огромное количество органического вещества разлагалось под действиями различных микроорганизмов, а другая, неразложившаяся его часть, захоронялась в осадочных толщах в виде различного рода горючих ископаемых и рассеянного органического вещества.

Согласно мнению видного русского геохимика А.И. Перельмана, положение о круговороте атомов следует считать одним из основных законов геохимии биосферы. Закон этот сводится к следующему: в биосфере атомы участвуют в биогеохимических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. В современной биосфере установилась сопряженность циклов отдельных биофильных элементов в единую природную систему динамического равновесия.

В. И. Вернадский выделил в круговороте веществ группу так называемых циклических химических элементов, к которым относятся практически все широко распространенные и многие редкие химические элементы. Например: углерод, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, хлор, медь, железо, йод.

В. Р. Вильямс и другие исследователи рассматривали биологические циклы азота, углерода, фосфора и др. элементов в связи с изучением плодородия почв. Из циклических химических элементов особенно важную роль в биогенном цикле играют углерод, кислород, азот, фосфор, сера.

Знание круговорота веществ на Земле имеет большой практический интерес, так как он существенно влияет на жизнь человека и в то же время все значительнее отражается на природных процессах воздействия человека. Последствия этих воздействий стали сравнимы с результатами геологических процессов. Так, в биосфере возникают новые пути миграции веществ и энергии, появляются многие тысячи химических соединений, прежде ей несвойственных. Человеком создаются новые водные бассейны, которые воздействуют на природные процессы через изменение круговорота воды.

В руках человека стали концентрироваться огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества азотосодержащих веществ для удобрения полей, выбрасываются в окружающую среду с дымовыми газами продукты сгорания топлива оксиды азота, серы и другие вредные вещества, накапливаются огромные энергетические мощности. Все это способствует изменению хода геохимических процессов, и глубокое изучение всех природных превращений веществ на Земле становится необходимым условием рациональных взаимоотношений в системе «человек-природа», суть которых заключается не только в изменении среды обитания человека через изменения природных условий в желаемом для человека направлении, но и в сохранении природы и в нанесении ей в результате хозяйственной деятельности человека минимального ущерба.

Продолжительность того или иного цикла оценивается по тому времени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла обернуться один раз на Земле в том или ином процессе.

На представленном рисунке (рис. 30) определите точные темпы циркуляции веществ в биосфере…

 [1] а; [2] б; [3] в.

Рис. 30. Темпы циркуляции веществ

Круговорот углерода

Из всех биогеохимических циклов круговорот углерода самый интенсивный [12, с. 418]. В наиболее общем виде его можно представить как процесс освобождения и связывания диоксида углерода (СО₂), включая его растворение в воде океанов (рис. 31).

В. И. Вернадский в своем труде о биосфере писал: «Преобладающее, особое значение атомов углерода свойственно не только живым организмам, это свойство биосферы, ее живой и косной материи, до известной степени всей земной коры».

С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на Земле. По распространению углерод занимает на планете одиннадцатое место. В атмосфере его содержится 0,034 % в форме углекислого газа и 0,00016 % в форме метана; в земной коре – 0,35 % и в живом веществе – около 18 %. Он вовлекается в цепь непрерывных реакций и биогеохимических круговоротов, соединяясь с большинством элементов самыми разнообразными способами.

Источником первичной углекислоты в биосфере является вулканическая деятельность как выражение вековой дегазации мантии и нижних горизонтов земной коры. Часть глубинной кислоты возникает при термическом разложении древних известняков в зонах метаморфизма.

Рис. 31. Круговорот углерода в биосфере Земли

Миграция СО₂ в биосфере протекает двумя путями. Первый из них обусловлен связыванием СО₂ в органическое вещество путем фотосинтеза и новым образованием СО₂ в процесс трансформации первичного органического вещества организмами-гетеротрофами и почвенными микроорганизмами. Продуктивность растительности Мировой суши до ее нарушения человеком составляла 172,5×10⁹ т сухого органического вещества, содержащего 46 % углерода, т. е. около 80×10⁹ т. В настоящее время продуктивность природной растительности сократилась. Продукцию фотосинтеза в океане определяют в (40 - 50)×10⁹ - 60×10⁹ углерода в год (А. Е. Романкевич, 1988). Из рассматриваемого цикла постоянно выводится значительное количество углерода в составе органического вещества. Только на суше (в гумусе педосферы) за время не более 1000 лет накоплено углерода в 2 раза больше, чем его содержится в атмосфере. Можно предположить, что в состав стабильных долгоживущих гумусовых соединений уходит до 30 % массы углерода ежегодно отмирающих органов растений, а полное возобновление гумуса почв     в среднем составляет 1000 -1500 лет.

Второй крупный биохимический цикл углерода связан с взаимодействием СО₂ атмосферы и природных вод. Между газами тропосферы и поверхностным слоем океана существует подвижное равновесие. В пресной воде газы растворяются больше, чем в соленой, но количество пресной воды на поверхности Земли неизмеримо меньше, чем соленой. Поэтому в глобальном балансе СО₂ пресные воды играют скромную роль. Среднее содержание СО₂, растворенного в морской воде, принято равным 0,75 мл/л. В отличие от других газов, СО₂ вступает в химическое взаимодействие с водой: СО₂ + Н₂О « Н₂СО₃. Угольная кислота двухосновная и диссоциирует ступенчато, образуя карбонат-гидро­карбонатную систему:

Н₂СО₃ « Н⁺ + [HCO₃]^- [HCO₃]^- « H⁺ + CO₃^2-.

Масса гидрокарбонат-иона в Мировом океане - 196×10¹² т, в пересчете на СО₂ - 141×10¹² т. Это количество почти в 60 раз превышает массу углекислого газа, находящегося в атмосфере. Таким образом, океан является основным резервуаром СО₂ на поверхности Земли.

Благодаря процессу растворения – выделения СО₂ с поверхности океана - и карбонат-гидрокарбонатной системе происходит массообмен СО₂ между атмосферой и океаном. Движение масс СО₂ схематично можно представить следующим образом. СО₂ активно растворяется в холодной воде приполярных районов океана. При охлаждении возрастает и плотность воды. Массы холодной воды опускаются на глубину и в виде мощных холодных течений перемещаются к экватору. Они постепенно нагреваются, уменьшают плотность, поднимаются наверх и освобождаются от избытка СО₂. Океан действует как грандиозный насос, забирая СО₂ из атмосферы в холодных областях и отдавая ее в тропических областях. На массообмен СО₂ между поверхностным слоем океана и тропосферой весьма активно влияют живое вещество планктона, освещенность, сезонно-термические условия.

Образование карбонатных отложений в значительной мере обусловлено поступлением ионов Ca²⁺ с речным стоком. Вынос ионов Са²⁺ составляет немногим более 0,53×10⁹ т/год. Это количество может обеспечить вывод в осадок CaCO₃ 1,33×10⁹ т/год. Общее количество углерода, ежегодно связываемого в составе карбонатов, составляет в год около 0,23×10⁹ т/год.

Характерной чертой двух главных циклов массобмена является их незамкнутость и выведение из циклов некоторого количества углерода в форме неживого органического вещества и карбонатов. Общая масса углерода в ископаемом топливе (нефть, газ, уголь и др.) оценивается 3,2×10¹⁵ т, что соответствует  средней скорости накопления 7∙10⁶ т/год.

В постоянном круговороте находится 0,2 % мобильного запаса углерода. Углерод биомассы обновляется за 12, а атмосферы – за 8 лет. Огромный контраст между кратностью данных периодов, постоянством и возрастом биосферы подтверждает высочайшую сбалансированность «мира углерода».

Синтез и разрушение органического вещества в океане существенно отличаются от того, как протекают эти процессы на суше. Укажите, в чем заключается это отличие…

[1] более быстрый жизненный цикл главных фотосинтетиков океана – планктонных организмов – по сравнению с наземными растениями;

[2] если замена массы растительности Мировой суши происходит за период около 15 лет, то оборот массы фитопланктона происходит за 1-2 суток, а обновление всей биомассы океана примерно за один месяц;

[3] синтезированное планктоном органическое вещество почти не захватывается и не разлагается последующими трофическими циклами;

[4] цикл полностью замкнут и количество поглощенного при фотосинтезе СО₂ полностью возвращается в исходный резервуар – атмосферу.

Мы поможем в написании ваших работ!