4.4. Энергетика биосферы
В энергетических процессах в биосфере решающая роль (99 %) принадлежит радиации Солнца, которая определяет тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. Из всего ежегодного количества энергии 2,1·1024 кДж, получаемой Землей от Солнца, 33 % солнечной энергии отражается от верхней границы атмосферы в мировое просранство. Примерно столько же отражается облаками (26 %) и поверхностью суши (7 %) и это составляет альбедо Земли. Атмосферой поглощается 20 % излучения и почвой около 15 %.
Часть солнечной энергии, достигшая земной поверхности, нагревает верхние слои почвы, горных пород и воду, а также участвует в различных фотохимических реакциях, в том числе и в фотосинтезе.
Весьма незначительная часть солнечной энергии поглощается зелеными растениями в процессе осуществления фотосинтеза. Эта часть составляет примерно 0,2 % от суммы солнечной радиации.
Фотосинтез – это мощный естественный процесс, вовлекающий в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющий количество кислорода в биосфере. За немногим исключением, фотосинтез происходит на всей поверхности Земли и создает огромный геохимический эффект, в результате которого огромное количество углерода вовлекается в построение органического вещества в биосфере. Ежегодно используется и поглощается СО2: на суше 253·109 т, в океане 88·109 т, а всего 341·109 т. С использованием 135·109 т воды создается 232·109 т органических веществ СnH2nOn и 248·109 т кислорода уходит в атмосферу.
В связи с фотосинтезом в биосфере в круговорот вовлекается 1 млрд. т азота, 260 млн. т фосфора и 200 млн. т серы.
В течение 6 – 7 лет поглощается вся углекислота атмосферы (рис. 5), за 2000 – 4000 лет (по разным оценкам) обновляется весь кислород атмосферы, а в течение 10 млн. лет фотосинтез перерабатывает массу воды, равную всей гидросфере.
Рис. 5. Темпы циркуляции веществ (Клауд и Джибор, 1972)
Если учесть, что биосфера существует на Земле 3,8 – 4 млрд. лет, то можно сказать, что воды Мирового океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, около 1 млн.раз. Все эти величины отражают огромную важность фотосинтеза в истории Земли. При гибели организмов происходит обратный процесс – разложение органического вещества путем окисления, гниения и т.д. с образованием продуктов разложения. Этот процесс в биосфере Земли приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Количество биомассы в 10 раз превышает ежегодно вырабатываемое в процессе фотосинтеза количество органического вещества (0,232·1012 т). Общая масса вещества, прошедшего биосферу, в 12 раз превышает массу Земли.
4.5 Структура и основные циклы биогеохимических круговоротов
Из более 100 химических элементов около 40 являются жизненно необходимыми. Так как Земля есть конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически конечны. За миллионы лет их ассимиляции, т.е. превращения в более сложные вещества они должны были быть полностью исчерпаны, связаны в мертвой органике, превратиться в косную материю. Однако этого не происходит.
Чтобы биосфера продолжала свое существование, и на Земле не прекращалось развитие жизни, должны происходить непрерывные химические превращения ее живого вещества. Академик В.Р. Вильямс указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.
Из-за геологических изменений Земли часть веществ может исключаться из круговорота. Например, такие биогенные осадки, как каменный уголь, нефть на многие тысячелетия консервируются в толще Земли, но в принципе не исключено их повторное включение в биосферный круговорот.
Круговорот веществ – многоразовое участие веществ в природных процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в биосферу планеты, при непрерывном притоке энергии. При этом выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биогеохимический).
Большой (геологический) круговорот (рис. 6) длится сотни миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, том числе и растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные, но медленно протекающие геотектонические изменения приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и этот процесс повторяется. 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.
Малый (биогеохимический) кругооборот имеет место в пределах биосферы. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом. Во время круговорота происходит циркуляция веществ между воздухом, почвой, водой, растениями, животными и микроорганизмами. При этом минеральные вещества, необходимые для жизни, поглощаются, трансформируются, поступают из окружающей природной среды в состав растений, а затем через пищевые цепочки в виде органических веществ – к животным и далее снова в окружающую природную среду (почву, воду, воздух) в виде неорганических соединений. Химические элементы, входящие в состав живых организмов, называются биогенными.
Таким образом, геологический круговорот отличается от биологического следующими особенностями:
1) действие геологического круговорота развертывается на больших территориях – материках и прилегающим к ним частям океанов, тогда как биологический круговорот осуществляется в границах биогеоценоза;
2) причиной геологического круговорота является круговорот воды между океаном и сушей; биологического – различный характер питания продуцентов и редуцентов;
3) в геологическом круговороте участвуют все химические элементы, находящиеся в земной коре; в биологическом – только биогенные элементы;
4) продолжительность цикла в геологическом круговороте равна десяткам и сотням тысяч лет; циклы элементов в биологическом круговороте кратковременные – год, несколько лет, десятки или сотни лет. Считается, что время переноса атмосферного углерода составляет около 8 лет, так как ежегодно в наземных экосистемах в круговорот вовлекается примерно 12 % содержащегося в воздухе диоксида углерода. Общее время круговорота азота оценивается более чем в 110 лет, кислорода – в 2500 лет.
С развитием земной коры происходило наращивание гранитного слоя Земли: в начале архейской эры его не было совсем, сейчас он есть на всех материках. Большой (геологический) круговорот вещества в биосфере можно также определить как эволюцию земной коры от океанического типа (базальтовой) до материкового (гранитной).
Для биосферы в целом, как и для земной коры, характерна ритмичность и цикличность развития. Она проявляется во всём: в процессах магматизма, осадкообразования, изменениях климата (чередовании тёплых и холодных периодов), горообразовании и многих других геологических явлениях. Наиболее ритмичное, поступательное развитие свойственно живым организмам. Установлены ритмы и циклы разной продолжительности: от 11-тилетнего, обусловленного солнечной активностью, до мегацикла в 180-240 млн. лет, который совпадает с Галактическим годом, т.е. временем обращения Земли вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики. При этом имеет место не “слепое” повторение процессов, а их поступательное развитие (циклы “раскручиваются” по спирали или циклоиде).
Человек, по геологическим представлениям, существует чрезвычайно короткое время (всего 0,0001 % продолжительности существования биосферы). Однако за этот короткий промежуток времени круговорот веществ в биосфере изменился радикально. На сегодняшний день, как уже отмечалось, человек является самым важным геологическим фактором. В.И. Вернадский подсчитал, что в античные времена люди использовали лишь 18 химических элементов, в 18 в. – 29, в 19 в. – 62. Сейчас используются все 89 химических элементов, имеющихся в земной коре, кроме того, получены ещё и такие, которых в природе нет совсем (плутоний, технеций и др.).
Человек необычайно ускорил круговорот некоторых веществ. Месторождения железа, меди, свинца и многих других элементов, которые природа накапливала миллионы лет, быстро истощаются. В некоторых местах, наоборот, происходит концентрация элементов в таких пропорциях, каких не было в природе (например, на крупном заводе, где сконцентрированы железо, медь, алюминий, органические соединения и т.п.).
Очень быстрыми темпами человек использует солнечную энергию, накопленную в угле, нефти, природном газе, он использует энергию радиоактивного распада урана. Всё это способствует увеличению неравновесности биосферы. Человек не только ускоряет биологический круговорот, но и вовлекает в него те элементы, которые были из него давно изъяты.
Занимаясь мелиорацией, создавая водохранилища, доставая воду из глубоких водоносных горизонтов, человек вмешивается в круговорот воды в природе. В целом в биосфере под влиянием деятельности человека, чем дальше, тем быстрее снижается энтропия за счёт увеличения энтропии земной коры (сжигание горючих полезных ископаемых, рассеивание металлических полезных ископаемых и т.п.). И это явление исходит из самого характера деятельности человека. Следует отметить, что нам и в идеальном случае не удастся избавиться, скажем, от потерь тепла, т.к. это противоречит началам термодинамики.
Таким образом, природу Земли невозможно вернуть в то состояние, в котором она пребывала до начала развития человека. Далее, всё больше “диких” ландшафтов планеты сменяются искусственно созданными человеком, первичная природа уступает вторичной. На современном этапе задание состоит не в том, чтобы оставить “всё, как было” – это невозможно, а в том, чтобы действовать продуманно, научно обоснованно, с максимальной осторожностью, “отрезать” после того, как “отмерено” не семь раз, а тысячу раз по семь. Нам следует чётко представлять, что мы пытаемся построить для себя и своих потомков, т.к. ничего из того, что делается и будет сделано с живой природой, исправить невозможно.
Глобальные круговороты биогенных (жизненно важных) элементов распадаются в биосфере на множество мелких круговоротов, приуроченных к локальным местообитаниям различных биологических сообществ, образующих как бы кванты биосферы
В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называют биологическим. Важную роль в круговороте веществ, а точнее, химических элементов, играют живые организмы. Благодаря большому запасу в атмосфере и гидросфере углерода, азота, кислорода, серы, фосфора круговороты могут достаточно быстро саморегулироваться.
Круговорот воды. Постоянный перенос воды происходит с одного места в другое в масштабе всей планеты, главным образом между океаном и сушей. Он осуществляется в основном непосредственно за счет энергии Солнца, однако живые организмы оказывают на него важное регулирующее воздействие. В процессе переноса воды часто происходит изменение агрегатного состояния последней (превращение жидкой воды в твердую, парообразную, и наоборот), что позволяет поддерживать равновесие между суммарным испарением и выпадением осадков на планете. Подсчитано, что с поверхности Земли за одну мину испаряется около одного миллиона тонн воды и сколько же выпадает обратно в виде осадков.
Общий объем воды, поступивший из атмосферы на поверхность Земли, составляет за год около 500 тыс. км3 и такое же количество воды испаряется. При этом на континентах выпадает в год 109 тыс. км3, а испаряется 72 тыс. км3. Разница в 37 тыс. км3 и есть значение полного поверхностного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (441 тыс. км3), чем выпадает осадков (404 тыс. км3). Разница восполняется речным стоком. Часть испарившейся воды с поверхности океана переносится с атмосферными потоками, выпадает в виде осадков над сушей и поступает обратно в океан с поверхностным стоком и через грунтовые воды.
Вода, доступная для наземных организмов составляет около сотой доли процента от ее общего количества. Тем не мене количество воды, входящее в годовую продукцию фотосинтезирующих организмов составляет, по данным академика А.П. Виноградова, 830 млрд. т. При этом лишь малая часть воды, проходящая через растения, разлагается.
Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей – важнейшее звено в поддержании жизни земных организмов и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой материей. Одновременно вода в геологическом круговороте – величайшая трансформирующая сила, которая способствует постепенному разрушению литосферы, переносу ее составных частей в глубины морей и океанов.
Круговорот углерода. Это один из важнейших круговоротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба в круговороте углерода, связанные с человеческой деятельностью, приводят к неблагоприятным для биосферы последствиям. С углеродом непосредственно связано содержание кислорода в атмосфере и его круговорот в биосфере. Углерод участвует в большом и малом круговоротах. Его соединения в биосфере постоянно возникают, претерпевают превращения и разлагаются. Основной путь миграции углерода – от углекислого газа атмосферы в живое вещество, из живого вещества в углекислый газ атмосферы. При этом часть его выходит из круговорота, оставаясь в почве или откладываясь в осадочных породах. Круговорот углерода контролирует содержание кислорода в атмосфере. Освобожденный кислород при фотосинтезе почти полностью используется при дыхании организмов и минерализации отмершей органической массы, а также частично консервируется в литосфере. Только незначительная часть его (0,04 %) пополняет содержание кислорода в атмосфере. Расход кислорода на сжигание топлива в 100-200 раз превышает его поступления в атмосферу в результате фотосинтеза. На сжигание топлива используется кислород, уже накопленный атмосферой, и ежегодное его уменьшение происходит примерно на одну десятитысячную часть его массы в атмосфере. Поэтому полное сжигание углеродного топлива уменьшит содержание кислорода в атмосфере на долю процента. Значительные изменения массы кислорода могут быть только за очень длительные промежутки времени, измеряемые миллионами лет. По этой причине наибольшую вероятную опасность для биосферы представляет нарушение круговорота углерода.
Все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы около 300 млрд. т диоксида углерода (86 млрд. т углерода). Захват углерода в результате фотосинтеза – 60 млрд. т; возврат от процесса дыхания и разложения – 48 млрд. т; поступление в гумосферу и консервация в многолетних фитоценозах – 10 млрд. т; захоронение в осадочной толще литосферы – 1 млрд. т; поступление от сжигания топлива – 5 млрд. т.
Суммарное количество диоксида углерода в атмосфере планеты составляет не менее 2,3·1012 т, в то время как содержание его в Мировом океане оценивается в 1,3·1014 т, в литосфере находится 2,0·1017 т. Значительное количество диоксида углерода содержится в живом веществе биосферы – 1,5 ·1012 т.
Круговорот азота. Азот, как углерод и большинство других химических элементов, участвует в большом и малом круговоротах веществ. Его круговорот – один из наиболее сложных в биосфере. Азот – незаменимый биогенный элемент, поскольку он входит в состав белков и нуклеиновых кислот.
Источник азота в биологическом круговороте – нитраты и нитриты, которые поглощаются растениями из почвы и воды. Частично азот поступает из атмосферы в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время грозы. Растения не обладают способностью извлекать азот непосредственно из воздушной среды, хотя в атмосфере его содержится около 80 %. Существует несколько видов бактерий и сине-зеленых водорослей, которые способны фиксировать азот атмосферы. В результате их деятельности, а также благодаря разложению органических остатков в почве, растения-автотрофы получают возможность усваивать необходимый азот.
Фиксированный азот почвы не только поглощается корневыми системами растений. Часть его соединений выносится в реки, а из них в моря и океаны. В поверхностных слоях воды азот потребляется растительными микроорганизмами. Потеря азота восполняется новыми поступлениями из суши, в результате вертикального перемешивания воды, выпадения аммиака из атмосферы и разложения остатков растений и животных в поверхностных слоях воды. При естественном ходе круговорота эти процессы не вызывают резких колебаний содержания азота в воде морей и океанов за исключением зон переноса его из суши.
Антропогенные нарушения круговорота азота в биосфере связаны со сжиганием топлива в двигателях наземного и воздушного транспорта, на тепловых электростанциях, теплоэнергетических установках, а также с промышленной фиксацией азота – производством удобрений.
Проблема нарушения круговорота азота в биосфере и на конкретных территориях дискутируется долгие годы, однако интенсификация сельского хозяйства, развитие химической промышленности, теплоэнергетики и транспорта делают ее все более трудноразрешимой.
Круговорот фосфора. Биологическое значение фосфора в жизни организмов исключительно велико: его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, мозга и костной ткани. Как углерод и азот, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте веществ. Резервуаром фосфора в биологическом круговороте служит не атмосфера, а литосфера, точнее фосфоросодержащие горные породы, прежде всего апатиты. Из почвы фосфор извлекается в виде растворимых фосфатов, с растительной пищей фосфор потребляют животные. Фосфаты попадают в почвы, в большом количестве выносятся в моря, откладываясь в мелководных осадках и рассеиваясь на больших глубинах. В результате бактериальных преобразований в почве органический фосфор растительного опада, отмерших животных и их выделений трансформируется в фосфаты. Фосфатразрушающие бактерии продолжают биологический круговорот фосфора, в итоге приводя к поступлению ионов фосфора в водную среду.
Круговорот фосфора в биосфере оказался резко нарушенным в результате широкого применения фосфорных удобрений в сельском хозяйстве, получение в промышленных масштабах многочисленных фосфорсодержащих препаратов, используемых в быту и т.д. В результате произошло перераспределение содержания фосфатов на суше и в гидросфере, неравномерная фосфатизация суши. В зонах концентрации населения, сельского хозяйства наблюдается аномально высокая, малообратимая аккумуляция органических соединений фосфора, в то время как большая часть углерода и азота в газообразном виде рассеивается в атмосфере.
Круговорот серы. Сера имеет важное биологическое значение, поскольку в составе широко распространенных в живой природе аминокислот, белков и других сложных органических соединений она содержится во всех организмах. В большом, геологическом, круговороте сера переносится из океана на материки с атмосферными осадками и возвращается в океан со стоками. Одновременно ее запасы в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности, добычи полезных ископаемых и других источников. В малом кругообороте сульфаты поглощаются растениями и входят в состав аминокислот, белков и эфирных масел. Поедая растения, серу получают животные. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, который в дальнейшем окисляется или до элементарной серы или до сульфатов. В первом случае формируются месторождения серы, во втором – залежи гипса. Гипс может подвергаться разрушению, и сера в таком случае возобновляет свой круговорот.
Круговорот серы также подвергается нарушению в результате промышленного загрязнения атмосферы. Основной дополнительный поставщик серы в большой круговорот – теплоэнергетические установки, транспорт, которые при сжигании топлива выбрасывают сернистый газ.
Экологическая опасность сернистого ангидрида состоит в том, что он, окисляясь, образует серный ангидрид, который, соединяясь с водными парами в атмосфере, превращается в аэрозоли соляной кислоты. Продолжительность всего цикла – от момента естественных или техногенных выбросов сернистого ангидрида до удаления из атмосферы паров серной кислоты составляет 5 – 14 суток. С воздушными потоками аэрозоли серной кислоты мигрируют на значительные расстояния, иногда на сотни километров, и выпадают в виде «кислотных» дождей. Многочисленные реки и озера, в результате выпадения «кислотных» дождей подвержены загрязнению серными и азотистыми соединениями. Испытывают воздействие «кислотных» дождей и лесные массивы умеренной зоны.
Во всех рассматриваемых случаях круговорота обнаруживаются явные глобальные изменения в биосфере вследствие деятельности человека. Однако их региональное проявление неоднородно. Пока нет всеобъемлющей научной концепции, которая позволила бы оценить масштабы этого разрушения. Трудность заключается в том, что нет возможности определить показатели природных условий «чистой» биосферы и допустимого уровня ее загрязнения, а все составляющие ее компоненты чрезвычайно мобильны и изменчивы.