Полная версия

Главная arrow Экология arrow Общая экология

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Круговороты воды, кислорода и углерода в биосфере

При дальнейшем изучении Земли исследователю из далёкой галактики стало бы ясно, что только очень длительные процессы, связанные с огромными затратами постоянно приходящей извне энергии, могли привести к наблюдаемому накоплению углерода в биосфере, так как его содержание в веществе остальных оболочек несопоставимо мало. Эти процессы действительно происходят, и обусловлены они взаимосвязанными круговоротами основных компонентов биосферы: воды, кислорода и углерода (рис. 2.14).

Вся вода (1,5 млрд км3) проходит цикл расщепления при фотосинтезе примерно за 2 млн лет. В этом цикле участвует ничтожная часть всей воды, вовлечённой в геофизический круговорот воды в природе, показанный на рис. 2.15, при котором вода не подвергается биохимическому расщеплению при фотосинтезе, а только испаряется с поверхности и выпадает в виде осадков. Общая масса воды на Земле составляет примерно 1,5 • 1018 тонн. Молекулы воды, попавшие в верхние слои атмосферы, частично расщепляются солнечным коротковолновым излучением на ки-

Испарение 500мм 1200 мм

I

Сток 250мм

Г рунтовые воды

0,7%

Озера и реки

0,02%

Океаны и моря >96%

Испарение и возгонка 10 мм

Сток

140мм

Ледники,

вечная мерзлота и льды океана 2,7%

Водяной пар и облака 0,001%

Осадки 750 мм

Атмосфера

  • 300 лет
  • 2000 лет 2000 000 лет

Гидросфера_

Упрощённая схема биосферного круговорота воды, кислорода и углекислого газа

Рис. 2.14. Упрощённая схема биосферного круговорота воды, кислорода и углекислого газа. Геофизический круговорот воды, при котором она не участвует в фотосинтезе, показан на рис. 2.15 и происходит примерно за 2000 лет, то есть

в 1000 раз быстрее

Диссипация водорода в космос

Осадки 1100 мм

Осадки 150 мм

Рис. 2.15. Геофизический круговорот воды на Земле. Указаны распределение воды между основными резервуарами в процентах и основные среднегодовые потоки в мм слоя воды, равномерно распределённого по поверхности резервуара-источника или приёмника. Все приведённые численные оценки приблизительны

слород и водород. Тяготения Земли не хватает, чтобы удержать лёгкий водород, и он рассеивается в космосе. Ювенильные («молодые») воды поступают из вулканов и гейзеров и компенсируют эту диссипацию (рассеяние) водорода из верхней атмосферы. Возможно также, что утечка водорода в космос частично компенсируется «протонным дождём», исходящим от Солнца.

Только сравнительно небольшая часть воды, усваиваемой растениями (и животными) подвергается химическому расщеплению (рис. 2.16). Чтобы произвести 10 кг биомассы, большинство растений потребляет примерно 1000 литров воды. Из этой, пропущенной через корни, воды 991 литр идёт на испарение с поверхности листьев, что необходимо растению в первую очередь для охлаждения. Из оставшихся 10 литров 7,5 остаются в тканях растения в виде химически свободной воды, и только 1,5 литра воды подвергаются расщеплению в процессе фотосинтеза и вместе с С02 и выделенными из раствора минеральными

Типичный водный баланс растений. Основная часть воды, взятой корнями растения из почвы, идёт на транспирацию, то есть испаряется с поверхности листьев при дыхании

Рис. 2.16. Типичный водный баланс растений. Основная часть воды, взятой корнями растения из почвы, идёт на транспирацию, то есть испаряется с поверхности листьев при дыхании

веществами формируют собственно органические ткани (так называемое «сухое вещество»). Именно энергия, затраченная на расщепление этой воды, оказывается запасена в тканях растения и может использоваться в пищевой сети экосистемы.

Круговорот кислорода непосредственно связан с круговоротом воды и других веществ, прежде всего, углерода (рис. 2.17). Весь кислород воздуха проходит через живое вещество за 2000 лет и представляет собой, в конечном счёте, кислород воды, расщеплённой растениями в процессе фотосинтеза или, в малой доле, жёстким солнечным излучением в верхней атмосфере. Баланс кислорода в атмосфере поддерживается за счёт дыхания, окисления горных пород и процессов горения при лесных и степных пожарах и сжигании топлива человеком. Небольшая часть кислорода, истраченного в этих процессах на образование

Жесткое УФ излучение

Озоновый

слой

Основные потоки кислорода на Земле

Рис. 2.17. Основные потоки кислорода на Земле

С02, попадает в океан и оседает на дно в составе известняковых отложений вместе с СаС03.

Кислород участвует в химических превращениях и формировании потоков всех существенных элементов в биосфере, в том числе серы и фосфора, однако только малая доля потоков самого кислорода вовлекается в реакции с участием этих элементов, поэтому они не оказывают существенного влияния на его собственный круговорот. Помимо формирования химической структуры биосферы кислород играет важнейшую роль в защите жизни от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца (см. рис. 2.10 и реакции (2.1)).

Круговорот углерода — главного элемента, из которого строятся каркасы всех органических молекул, показан на рис. 2.18. Диоксид углерода выдыхается животными и растениями и вновь

Уголь и нефть 10 000

III

?ІІІІІІІІ

ІІІІІІІІ!

Рис. 2.18. Круговорот углерода в биосфере. Содержание углерода в резервуарах дано в миллиардах тонн (прямой шрифт), интенсивность потоков между резервуарами в миллиардах тонн в год (курсив)

Осадочные породы 20 000 000

вовлекается в фотосинтез за 300 лет. Он хорошо растворяется в воде, и часть его образует при этом слабую угольную кислоту, которая диссоциирует на ионы водорода Н+, гидрокарбонат-ион НС03 и карбонат-ион С03“. Концентрации С02 в воздухе и в водном растворе в принципе должны находиться в равновесии, однако часть диоксида углерода фиксируется водными организмами и осаждается на дно в виде известняков (карбонат кальция СаС03). Поэтому существует сдвиг в сторону поглощения С02 океаном. Углерод известняковых отложений может вернуться в атмосферу при медленном растворении дождями через десятки миллионов лет, если известковые породы окажутся на суше. Таким образом океан способен регулировать атмосферную концентрацию углекислого газа. Внимательно присмотревшись к оценкам потоков углерода на рис. 2.18, можно заметить, что потоки, поступающие в атмосферу, слегка отличаются от потоков, идущих из атмосферы. Именно этот небольшой разбаланс, возникающий из-за сжигания горючих ископаемых, и ведёт к накоплению С02 в атмосфере и росту парникового эффекта.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>