Раздел 2. Физико-химические ____________процессы в гидросфере

2.1. Физические характеристики мирового океана. Гидрологический

режим океаносферы. Химический состав природных вод

Под гидросферой Земли понимают прерывистую водную оболочку,

образованную совокупностью океанов, морей и поверхностных вод суши

(рек, озер, болот). Гидросфера включает также подземные воды, лед, снег

высокогорных и полярных районов. Основная часть воды гидросферы

(93%) сосредоточена в морях и океанах (океаносфере); второе место при-

ходится на долю подземных вод (5%), и около 2% объема гидросферы об-

разовано льдом и снегом. Поверхностные воды континентов и островов

составляют всего 0,03% общего объема гидросферы. Общий объем воды,

находящейся в свободном состоянии, оценивается в 1,4 млрд куб м.

Мировой океан – непрерывная водная оболочка Земли, окружающая

континенты и острова, занимает около 70,8% земной поверхности. Океа-

24

нические воды распределены между полушариями неравномерно: в Север-

ном они покрывают 66%, а в Южном – 81% поверхности. По географиче-

ским особенностям Мировой океан делят на четыре части - четыре океана:

Тихий (50% по занимаемой площади), Атлантический (25%), Индийский

(21%), Северный Ледовитый океан (4%).

Несмотря на обширную площадь Мирового океана, он остается лишь

тонкой пленкой на поверхности Земли. Дно океана фактически не является

впадиной, оно выпуклое, а не вогнутое. Чтобы оно было вогнутое, нужны

глубины в 800 км и более. То, что мы называем гидросферой, в масштабах

Земли представляет собой оболочку, которая на глобусе была бы не толще

наклеенной на него бумаги.

Гидрологический режим океаносферы складывается из теплового и

водного баланса и общей циркуляции вод. Удельная теплоемкость воды в

четыре раза выше теплоемкости воздуха, поэтому океаны служат круп-

нейшим аккумулятором поступающей к Земле солнечной радиации. Полу-

чаемая океаносферой энергия частично отражается, а остаток расходуется

на испарение (около 80 %), турбулентный обмен с атмосферой и на тепло-

обмен между поверхностными и глубинными слоями.

Общепланетарная роль турбулентного обмена с атмосферой состоит в

сглаживании контрастов климата за счет того, что в низких широтах на

континенты поступает относительно холодный воздух, а в высоких широ-

тах с океанов на сушу приходят более теплые воздушные массы. Средне-

годовая температура поверхностных вод равна 17,5 °С, но в зависимости

от широты составляет от 2,9 до 27 °С.

Подавляющая часть солнечной радиации (около 94%) поглощается

верхним слоем воды толщиной всего лишь 1 м, поэтому с глубиной темпе-

ратура понижается. Наиболее заметное уменьшение температуры происхо-

дит до глубины примерно 400 м; в слое 400–500 м наблюдается менее

крутое уменьшение (до 3– °С), а ниже 1500 м температура воды почти не

изменяется и равна 4 °С. Водный баланс складывается из расхода воды при

испарении и поступления ее с осадками и речным стоком.

Океанические воды находятся в непрерывном движении, что связано с

различными факторами: вращением Земли и Луны, атмосферной циркуля-

цией, землетрясениями и извержениями подводных вулканов и т. п. Мас-

штабы их различны. Так приливные явления охватывают всю массу воды

от поверхности до дна; а, например, ветровые волны затрагивают лишь

верхний слой до глубины 50–0 м. Благодаря этим движениям происходит

выравнивание гидрологических и гидрохимических характеристик океани-

ческой воды. В сравнении с атмосферой, круговорот в океаносфере проис-

ходит гораздо медленнее: время полного перемешивания воды оценивается

примерно в 1600 лет.

Х им ич ес ки й с ос та в п ри ро дн ыхв од Морская вода представляет собой сложный комплекс минеральных и

органических компонентов и растворенных газов. Химический состав во-

ды определяется совокупностью геохимических и биологических процес-

25

сов.

Солевой состав. Вода поверхностного континентального стока по-

стоянно привносит в океаны минеральные компоненты. В результате в

океане накопилось огромное количество солей –4,7 107 Гт. Основные из

них NaCl, MgCl2, MgSO4, CaSO4, K2SO4, CaCO3., а также элементы Вr, F, В и

Sr. По составу минеральных компонентов океанические воды очень одно-

родны. В открытых частях океанов массовое содержание солей в среднем

составляет 34,7 %0 (32,0–7,5 %о). Между основными химическими эле-

ментами морской воды существует довольно строгая связь, выражающаяся

законом Дитмара (1884): в воде открытых районов океана соотношения

между главными компонентами основного солевого состава постоянны и

не зависят от их абсолютных концентраций.

Растворенные газы. Содержание растворенных газов (определяется

законом Генри) в разных частях Мирового океана значительно варьирует,

и зависит от деятельности внутренних источников (продукции и потребле-

ния газов морской биотой), температуры и процессов межфазного распре-

деления. Концентрации газов, активно участвующих в биотических про-

цессах (СО2, О2, СH4, Н2S), часто значительно отклоняются от равновес-

ных.

Диоксид углерода при растворении в воде образует угольную кислоту,

содержание которой составляет около 1% от равновесной концентрации

СО2. Содержание карбонатных компонентов может быть выражено в виде

суммы ΣCО2 = [СО2 + Н2СО3] + [НСО3

-] + [СО3

2-].

Продукты диссоциации и взаимодействия с некоторыми другими

компонентами воды создают буферную карбонатную систему со слабоще-

лочной (рН 7,6-9,0) реакцией.

Источником неорганического углерода для океаносферы служит реч-

ной сток, приносящий карбонаты и силикаты. Поведение последних зави-

сит от содержания в морской воде СО2. При достаточно высокой концен-

трации диоксида углерода карбонаты и силикаты кальция растворяются с

образованием гидрокарбонатов

СаС03 + С02 + Н20 Са2+ + 2НС03

- Са(НС03)2;

СаSi03 + С02+ Н20 Si02+НС03

-+Са2++Н0-.

Из приведенных уравнений видно, что Мировой океан может служить

буферной системой, регулирующей содержание СО2 в атмосфере.

Метан. Из других соединений углерода в наибольших количествах в

морской воде содержится метан. В открытых районах океана поверхност-

ные воды содержат метан в концентрациях близких (несколько ниже) к

равновесным, тогда как во внутренних морях и водах прибрежных районов

часто наблюдается превышение равновесных концентраций на 30–0%. На

больших глубинах в насыщенных сероводородом водах концентрации ме-

тана на несколько порядков выше равновесных. Однако в самых верхних

горизонтах концентрации падают до значений ниже равновесных, вследст-

вие биохимического окисления поднимающегося из зоны анаэробного

синтеза метана метанотрофными микроорганизмами.

Органическое вещество морской воды. Кроме метана в Мировом

26

океане содержатся переменные количества многих других органических

соединений. По своему происхождению они делятся на автохтонные, об-

разовавшиеся непосредственно в океане, главным образом, в результате

биологических процессов, и аллохтонные (от греч. аллос –чужой), посту-

пающие в океаносферу из других источников, включая антропогенные.

Основным источником органического вещества морской воды служат

автотрофные (фото- и хемосинтезирующие) организмы - фитопланктон и

некоторые виды бактерий. В совокупности они образуют начальное звено

трофической цепи Мирового океана. Общая первичная продукция фито-

планктона оценивается величиной 44 Гт С/год, что составляет примерно

32% от продукции органического углерода (Сорг) растительным покровом

континентов (141,1 Гт С/год). В ходе этого процесса из морской воды из-

влекаются огромные количества растворенного СО2 и выделяется свобод-

ный кислород.

Органическое вещество подразделяют на растворенное, содержащееся

в составе взвесей и в составе донных отложений. Общее содержание орга-

нического углерода, накопленного в донных отложениях за время после-

ледникового периода (голоцена), составляет примерно 2,2•03 Гт. Возвра-

щение этого углерода в глобальный круговорот может происходить только

через многие миллионы лет.

Поверхностные пресные воды в отличие от морской, содержат солей

не более 1%. Запасы пресной воды сосредоточены в реках, озерах, в под-

земных горизонтах и составляют менее 1% от мирового объема вод, при-

чем 2/3 ее сосредоточено в ледниках Антарктиды, Гренландии, айсбергов и

относятся к потенциальным ресурсам. Уникальное хранилище пресной во-

ды оз. Байкал. Он содержит воды в 11 раз больше, чем во всех реках мира

–23 тыс. куб. км, причем пресную воду самого высокого качества. Озеро

образовалось в тектонической впадине, которая продолжает расти.

Пресная вода в природе никогда не бывает химически чистым веще-

ством. Она универсальный естественный растворитель, поэтому содержит

множество других веществ и газов (O2, CO2, N2), катионы Na+, K+, Mg+,

Ca+; анионы Cl-, SO3

2-, HCO3

-), взвешенные частицы.

Подземная гидросфера включает воды, находящиеся в верхней части

земной коры: в порах, трещинах, пещерах, пустотах и др. Они могут нахо-

диться в жидком, твердом и газообразном состоянии. Подземные воды

имеют различную температуру, отвечающую температуре ее вместилищ.

Если же она находится вблизи магматических очагов, то при выходе на по-

верхность Земли представляет собой горячие источники и гейзеры. Прохо-

дя сквозь горные минеральные породы, вода частично их растворяет, в ре-

зультате чего содержание минеральных веществ (солей калия, натрия, же-

леза и др.) и газов (сероводорода, углекислого газа) в таких водах значи-

тельно повышается. Многие из таких минеральных вод используются как

лечебные.

27

2.2. А нт ро по ге нн оез аг ря зн ен иев одм ир ов ог о о ке ан а. Т ра нс фо р-

м ац ияио па сн ос тьз аг ря зн ит ел ейвг ид ро сф ер е

А нт ро по ге нн оез аг ря зн ен иев одм ир ов ог о о ке ан а. В водные экоси-

стемы поступают загрязняющие вещества как природного, так и антропо-

генного происхождения. Загрязняющие вещества природного происхожде-

ния поступают из почв и горных пород в результате микробиологического

выщелачивания минералов с паводковыми и дождевыми водами, а также

при осаждении из атмосферы пылевых частиц и аэрозолей. Значительный

вклад в загрязнение водных экосистем вносит деятельность человека. Ос-

новной причиной современной деградации природных вод Земли является

антропогенное загрязнение. Его источниками служат:

–сточные воды промышленных предприятий (предприятия энергети-

ки, горнодобывающая и перерабатывающая химическая промышленность);

–сточные воды коммунального хозяйства городов и населенных

пунктов (они составляют 20% стоков);

–стоки систем орошения, поверхностные стоки с с/х полей;

–атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоемов,

ливневые стоки, которые приносят техногенные терраполлютанты.

В поверхностных водах континентов обнаружены многие тысячи ор-

ганических соединений. Часть из них относится к категории автохтонных,

появляющихся в воде в результате естественных биологических процессов.

Эти вещества легко подвергаются биодеградации; их присутствие не

ухудшает качества вод и не представляет опасности для живых организ-

мов, гидробионтов и обитателей суши. Однако огромное множество орга-

нических компонентов поверхностных вод относится к числу загрязняю-

щих.

Органические соединения аллохтонного происхождения составляют

группу приоритетных токсикантов. Около 60% приоритетных загрязняю-

щих компонентов относится к хлор- и бромсодержащим соединениям. Они

отличаются высокой персистентностью и липофильностью, поэтому про-

исходит их накопление в водных экосистемах и биоаккумулирование. В

воде рек густонаселенных районов постоянными примесями сейчас явля-

ются нефтепродукты, алкилфенолы, жирные кислоты и их эфиры, эфиры

фталевой кислоты и диэтиловые эфиры двухосновных алифатических кар-

боновых кислот (пластификаторы и стабилизаторы пластмасс и резиновых

изделий). Токсичность некоторых органических примесей проявляется по-

разному в зависимости от содержания в воде гумусовых соединений, кото-

рые образуют ассоциаты с этими соединениями и содержание в воде сво-

бодно растворенных ПАУ уменьшается.

Кроме химического загрязнения водоемов определенное значение

имеют также механическое, термическое и биологическое загрязнения. Та-

ким образом, антропогенное загрязнение гидросферы приобрело в настоя-

щее время глобальный характер и существенно уменьшило доступные экс-

плуатационные ресурсы пресной воды на планете.

Биосфера защищает свое естественное состояние за счет глобального

28

круговорота воды –испарения –конденсации –выпадения осадков. В про-

цессе круговорота происходит очистка воды.

П ов ед ен иез аг ря зн яю щи х в ещ ес тввв од но й с ре деих им ич ес ки е

п ро це сс ы вп ри ро дн ыхв од ах В условиях активной антропогенной дея-

тельности загрязнение природных вод тяжелыми металлами стало особой

проблемой.

В эту группу «тяжелых металлов» кроме свинца, ртути и кадмия сей-

час включают и другие элементы: серебро, олово, сурьма, барий, талий,

алюминий, мышьяк и др., которые токсичны во всех своих формах в ще-

лочных, кислых, и нейтральных растворах.

Х им ич ес ки е р еа кц иивг ид ро сф ер е. Наиболее важными химически-

ми процессами, протекающими в водной среде с металлами являются:

окиcление, восстановление, гидролиз и комплексообразование.

Окисление. В окислении и восстановлении лидирующая роль в водных

экосистемах принадлежит энзиматическим реакциям, протекающим в

клетках водных микроорганизмов (микробиозонтоса). В условиях нор-

мального содержания кислорода в воде металлы окисляются до макси-

мальной степени окисления, которые последние плохо растворимы в воде

и могут выпадать в осадок, снижая, таким образом, токсичность и загряз-

ненность воды. В отсутствии кислорода протекают биохимические про-

цессы, которые снижают окислительный потенциал системы и протекает

обратная реакция, в результате чего резко возрастает токсичность вод.

Гидролиз. Растворение солей металлов чаще всего сопровождается

гидролизом. Это химическое взаимодействие ионов соли с ионами водоро-

да или гидроксилами воды, что приводит к сдвигу химического равновесия

–изменению концентрации ионов.

Комплексообразование. Гидролитические процессы приводят к обра-

зованию моно- и полиядерных гидроксокомплексов типа [Ме(ОН)]+,

[Ме(ОН)2], [Ме2ОН)]3+, [Ме2(OH6]2-. Лигандами в комплексах могут быть

не только анионы гидроксила, но и молекулы воды [Ме(H2О)6]2+ или дру-

гие доступные в данной среде анионы [Ме(НСО3)+, [Ме(СО3)],

[Ме(H2O)5Cl]+. Интенсивность этих процессов связывания ионов металлов

зависит от общей концентрации атомов металлов в воде, рН среды и кон-

курирующих процессов. Это процесс приводит к увеличению растворимо-

сти металлов.

В качестве комплексообразователей могут выступать растворенные в

воде органические соединения - гуминовые и фульвокислоты, аминокис-

лоты и белковоподобные вещества и углеводы. Ионы металлов могут быть

включены в состав неорганических полифункциональных сорбентов – взвесей и коллоидов.

В результате ряда химических и микробиологических процессов

ртуть, свинец, олово, сурьма, мышьяк, селен в водных экосистемах под-

вергаются полному или частичному метилированию. В частности, двухва-

лентные ионы ртути превращаются в ионы метилртути СН3Hg и в гидро-

фобную и летучую диметилртуть (СH3)2Hg. Из-за способности легко пре-

одолевать различные физиологические барьеры (плацентарный, гемато-

29

энцефалический и другие гистогематические барьеры), эти формы ртути

наиболее опасны для животных.

Э вт ро фи ро ва ни е в од ны х э ко си ст ем Несмотря на остроту проблемы загрязнения поверхностных вод хими-

ческими соединениями-токсикантами, основную угрозу для водных экоси-

стем несет все же антропогенное эвтрофирование. Обычно выделяют три

трофических состояния: олиготрофное, трофное и эвтрофное. В этой по-

следовательности отражается увеличение содержания в экосистеме био-

генных элементов и повышение биопродуктивности. Даже естественное

эвтрофирование со временем неизбежно приводит к гибели водоема. Од-

нако этот процесс может занимать десятки тысяч лет и более. Хозяйствен-

ная деятельность резко ускоряет процесс. Связано это с накоплением в

водных экосистемах биогенных элементов –азота, фосфора, серы, железа,

калия, кремния и др. Решающую роль в эвтрофировании играет, очевидно,

фосфор, главными доступными для водных растений его формами этого

стали полифосфатные ионы, например трифосфаты (РзО10

5-), одним из ис-

точников которых являются синтетические моющие средства. Последстви-

ем эвтрофирования водоемов является возникновение анаэробных зон (за-

моры), «цветение» воды, исчезновение многих биологических видов,

включая ценных промысловых рыб.

Р АЗ ДЕ Л III. Ф ИЗ ИК О-Х ИМ ИЧ ЕС КИ Е П РО ЦЕ СС Ы В П ЕД ОС ФЕ РЕ 3.1. С тр ое ни е, х им ич ес ки й с ос та в з ем но й к ор ы ип ро це сс ы е е

т ра нс фо рм ац ии Самая верхняя из твердых оболочек нашей планеты носит название

земной коры; вместе с верхней мантией она образует литосферу. Земная

кора, образующая верхнюю часть литосферы, слагается в основном из

восьми химических элементов: кислорода, железа, кремния, магния, алю-

миния, кальция, натрия, калия. Половина всей массы коры приходится на

кислород, который содержится в ней в связанных состояниях, в основном в

виде оксидов металлов. В земной коре обнаружено около трех тысяч видов

минералов, однако, примерно на 90% ее масса состоит из силикатов и

алюмосиликатов. Для характеристики распространенности химических

элементов в земной коре используют понятие кларка –среднего значения

относительного содержания химических элементов.

Различия в кларках химических элементов очень велики. Условно

элементы делят на две группы: главные, с содержанием не менее 0,1% (са-

мостоятельные химические соединения –минералы) и рассеянные –менее

0,1%. Особенность распределения рассеянных элементов в земной коре за-

ключается в их способности образовывать скопления (месторождения), в

которых их содержания в сотни и тысячи раз превышают кларковые.

Среднее содержание рассеянного химического элемента в данном ре-

гионе формирует его геохимический фон. Участки с повышенной, по срав-

нению с региональной, концентрацией элемента называют геохимическими

30

аномалиями. Часто они связаны с залежами руд, окруженными ореолами

рассеяния, как главных рудообразующих элементов, так и элементов-

спутников.

Важной составляющей литосферы являются подземные воды. Вода

присутствует в земной толще как в свободном виде, так и в связанной

форме, а также в различных агрегатных состояниях: в виде паров, жидко-

сти и льда. Подземные воды представляют собой сложную физико-

химическую систему, находящуюся в динамическом равновесии с вме-

щающими породами.

Основной объем подземной гидросферы приходится на долю соленых

(минерализация до 35 г/л) и рассольных хлоридных вод (до 500–00 г/л), а

также солоноватых вод (до 10 г/л). Среди них различают гидрокарбонат-

ные, сульфатные и хлоридные воды.

По мере увеличения глубины залегания в подземных водах увеличи-

вается концентрация газов глубинного генезиса (СО2, Не, СН4 и др.). В ли-

тосфере Земли кроме растворенных в подземных водах содержатся боль-

шие количества других газообразных компонентов. Это свободные газы

микротрещин и пор, а так же сорбированные минералами и горными поро-

дами С02, СН4, N20, Н2, НС1, HF, Н2S.

П ро це сс ы т ра нс фо рм ац ииз ем но й к ор ы п одд ей ст ви емв не шн ихи в ну тр ен ни х ф ак то ро в

Земная кора постоянно подвергается воздействиям как внутреннего

(эндогенного), так и внешнего (экзогенного) характера. Движущей силой

эндогенных процессов является внутренняя энергия Земли, под действием

которой происходит перемещение огромных масс вещества, фазовые пере-

ходы, циркуляция тепловых потоков и электрических токов. Глубинные

эндогенные процессы определяют, в частности, тектонику земной коры -

вертикальные и горизонтальные перемещения отдельных ее участков и

блоков. Внешние, экзогенные факторы, воздействующие на земную кору,

- это лунно-суточные приливные движения, проявляющиеся в изменении

уровня подземных вод; это взаимодействие с ионосферой Земли, индуци-

рующее электрические токи в глубинных слоях планеты; это процессы вы-

ветривания горных пород, изменение рельефа реками, движущимися лед-

никами и т. д.

Поверхность континентов покрыта продуктами гипергенеза горных

пород. Это минералы глин –каолинит, монтмориллонит, метагалаузит,

гидрослюды. Эта внешняя оболочка литосферы суши мощностью от де-

сятков сантиметров до десятков и даже сотен метров служит главным ис-

точником рассеянных химических элементов, циркулирующих в биосфере.

Такое преобразование сопровождалось высвобождением (выщелачивани-

ем) рассеянных химических элементов и их переходом в гидросферу.

Химическое выщелачивание обусловлено тем, что стекающие со

склонов вулканов и содержащие минеральные кислоты (H2SO4, НСl, HF)

воды __________уносят с собою большие количества рассеянных элементов. Замет-

ную роль в разрушении некоторых типов минералов на дневной поверхно-

31

сти играют фотохимические процессы: минералы многих тяжелых метал-

лов образованы их сульфидами, являющимися полупроводниками n-типа,

которые легко подвергаются разрушению под действием солнечного света.

Под действием света на поверхности таких минералов возникают носители

зарядов - фотоэлектроны и дырки. Фотохимическое разрушение сульфидов

может быть описано в общем виде следующими реакциями

МеS + hMeS((е-, h+)

МеS + 2h+* Ме2 + S°

МеS + 2е- Ме° + S2-.

Биологическое выщелачивание рассеянных элементов и включение

их в миграционные процессы происходит при активном участии живых ор-

ганизмов. Более других древесные растения, извлекают с помощью корне-

вой системы из глубин рудные элементы, включая тяжелые металлы. По-

следующее разложение лиственного опада и мертвой древесины приводит

к обогащению поверхностного слоя почвы этими элементами. Следова-

тельно, можно говорить о функционировании своеобразного геохимиче-

ского, а точнее биогеохимического насоса, благодаря которому на поверх-

ности зачастую образуются геохимические аномалии. Кроме того, в ре-

зультате разложения растительного опада образуются водорастворимые

кислые метаболиты и гумусовые кислоты, которые легко выщелачивают

слабосорбированные на дефектах кристаллов элементы, разрушают раз-

личные минералы, растворяют различные соли. Их способность растворять

сульфиды тяжелых металлов изменяется в ряду Ni < Zn < Cu < Со < Mn.

Иной порядок изменения растворимости в присутствии гумусовых соеди-

нений карбонатов этих же металлов: Mn < Cu< Zn < Ni < Co.

Микробиологическое выщелачивание. Скорость его примерно в 1000

раз превышает скорость химического разрушения минералов и горных по-

род. Этот процесс осуществляется высокоспециализированными тионовы-

ми бактериями рода Thiobacillus, которые, используя в качестве источника

энергии реакцию окисления серы, разрушая железосодержащие сульфид-

ные минералы (пирит Fe2S, халькопирит CuFeS2, арсенопирит FeAsS).

Антропогенные факторы. Мощным экзогенным фактором, воздей-

ствующим на земную кору, стала в настоящее время деятельность челове-

ка, связанная с добычей полезных ископаемых (нефти, газа, угля, руд) и

воды для питьевого водоснабжения. Следствием этого являются индуци-

рованные землетрясения с магнитудой до 7– баллов. Образование депрес-

сионных воронок наблюдается под крупными городами как в результате

увеличения механической нагрузки на подстилающие породы, так и вслед-

ствие интенсивного использования подземных вод для нужд населения и

промышленных предприятий. Особенно сильное влияние на геодинамиче-

ские и гидрологические процессы оказывают подземные ядерные взрывы.

П ла не та рн ыйп оч ве нн ыйп ок ро в

В наибольшей степени человеческая деятельность влияет на состоя-

ние самого верхнего горизонта твердой Земли - ее п ед ос фе ры(почвенный

покров). Почва рассматривается как особое природное тело, играющее

32

ключевую роль в глобальных биогеохимических процессах. По отноше-

нию к литосфере она служит защитным слоем, замедляющим эрозию. С

другой стороны, в ней наиболее активно происходит изменение минерало-

гического и гранулометрического состава подстилающих горных пород.

Через почву осуществляется газовый обмен между атмосферой и земной

корой, атмосферой и подземной частью гидросферы. Огромное значение

почвенных растворов в формировании состава природных вод было отме-

чено еще В. И. Вернадским.

Минералогический состав почвы, во многом определяющий ее плодо-

родие, варьирует в широких пределах. Подавляющее большинство элемен-

тов находится в ней в окисленном состоянии. В состав твердой части поч-

вы входят также переменные количества органического вещества, основ-

ная часть которого представлена сложным комплексом гумуса –гумино-

вых и фульвокислот и их комплексов с металлами. Гуминовые и фульво-

кислоты образуются при микробиологическом (биохимическом) разложе-

нии растительных остатков.

В силу высокой гетерогенности почв в них формируются многочис-

ленные экологические ниши для самых разнообразных организмов. По-

этому живое население почв характеризуется наибольшей плотностью, а

сама почва как биокосное образование –высочайшей биогеохимической

энергией. Переработка и деструкция растительных остатков происходит

главным образом в верхних горизонтах почвы. В этой переработке участ-

вуют многочисленные беспозвоночные (почвенная __________мезофауна) и микроор-

ганизмы.

В почвенной среде одновременно протекают разнообразные процессы

взаимодействия между твердыми и газообразными фазами почвы, живым

веществом и почвенным раствором, от которых зависит доминирующая

форма содержания элемента и характер его распределения между фазами.

Знание доминирующей реакции и формы соединения позволяет прогнози-

ровать миграцию как природных, так и техногенных элементов между

компонентами биосферы. Химические свойства элементов играют веду-

щую роль при миграции в земной коре, причем важное значение имеет

растворимость соединений главных элементов литосферы.

Таким образом, педосфера предстает как полифункциональная и ин-

терактивная система. В отличие от других внешних геосфер (атмосферы и

гидросферы), она не обладает свойствами быстрого рассеяния попадаю-

щих извне загрязняющих компонентов. Кроме того, формирование ее за-

нимает тысячи и десятки тысяч лет. Поэтому почвы относятся к очень уяз-

вимым и практически невозобновимым ресурсам нашей планеты.

Г ео хи ми я з аг ря зн ит ел ейид ег ра да ци я н аз ем ны х э ко си ст ем Сильнейшее влияние на химический состав почв оказывает современ-

ное сельское хозяйство, широко использующее удобрения и пестициды.

При этом количество веществ, вовлекаемых в круговорот в процессе сель-

скохозяйственной деятельности, измеряется величинами того же порядка,

что и в процессе индустриального производства: ежегодно на поля посту-

33

пает около 40 млн т удобрений и 4 млн т ядохимикатов.

Удобрения - органические и минеральные вещества, содержащие эле-

менты питания растений (в основном N, Р, К), –порождают экологическую

тревогу там, где их применение не сбалансировано или выполняется с на-

рушением показаний и регламента. Большую опасность удобрения могут

представлять для водных экосистем, когда при неправильном хранении

или использовании, они в больших количествах попадают в водоемы. В

этом случае их рассматривают как поллютанты.

Наличие нитратов в продуктах опасно, так как в организме избыточ-

ные нитраты не успевают выводиться или расходоваться на синтез биомо-

лекул (белков, аминокислот), а превращаются в токсичные нитриты. Верх-

няя граница нормы нитратов на одного человека в день, установленная

Всемирной организацией здравоохранения, равна 325 мг.

Пестициды в силу обстоятельств находят широкое применение, среди

них особенно инсектициды и гербициды. Они являются сильно действую-

щими биологически активными веществами и представляют серьезную

опасность для биосферы и человека. Несмотря на то, что активно разраба-

тываются новые экологически безопасные методы борьбы с вредителями

сельского хозяйства, без пестицидов человек пока не может обойтись.

Только у нас в стране они помогают сохранить 18–0 % урожая.

Наиболее стабильны в природе (в течение нескольких лет) хлорорга-

нические пестициды. Они способны благодаря своей высокой персистент-

ности накапливаться в пищевых цепях. Селективное поглощение n,n'-

дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) и родственных ему соединений (альд-

рина, линдана и др.) гидробионтами из воды приводит к тому, что орга-

низмы, находящиеся на конце пищевой цепи, могут накопить пестициды в

очень высокой концентрации, что очень опасно для человека.

К антропогенным факторам, приводящим к нарушению и деградации

почвенного покрова, в первую очередь относятся кислотные осаждения и

выпадение из атмосферы загрязняющих компонентов. Деградация почв

происходит также при прямом хозяйственно-бытовом воздействии, таком

как ее вспашка, выпас скота, строительство, складирование мусора и т. п.

Немалый урон наносится им в результате военных действий и учений.

Производственная деятельность человека сопровождается мощным

разрушением почвенного слоя: это огромные площади, занятые городами,

горнопромышленными разработками, расширение селитебных зон, про-

мышленного и гидротехнического строительства, кроме того, огромный

ущерб наносит загрязнение почв, связанное с загрязнением атмосферы и

вод. Так, например, за период с 1870 по 1970 г. на земную поверхность

осело 20 млрд т шлаков и 3 млрд т золы. В результате бессистемного ис-

пользования земель за всю историю цивилизации около 2 млрд га продук-

тивных земель превратилось в пустыни.

К особо опасным последствиям отрицательного воздействия человека

на почвы относится их ускоренная эрозия. Естественная эрозия протекает

очень медленно, и процессы вымывания и выдувания почв уравновешива-

ются естественным почвообразованием. При ускоренной эрозии разруше-

34

ние почвы происходит во много раз быстрее естественных процессов ее

восстановления.

Таким образом, почвы это ценнейшие природные ресурсы, возникшие

в естественных условиях, в результате взаимодействия биотических и

абиотических компонентов среды. Обрабатываемые пахотные земли

сформировались за счет многовекового труда людей. Качество почв зави-

сит от длительности возделывания земли и культуры землепользования.

Пополняя в почве запас веществ, вынесенных с урожаем, соблюдая после-

довательность культур в севооборотах, обрабатывая почву, человек спосо-

бен сохранять и повышать ее плодородие.

Р АЗ ДЕ Л IV. М ИГ РА ЦИ Я З АГ РЯ ЗН ИТ ЕЛ ЕЙВБ ИО СФ ЕР Е.

З АК ОН Ы Ж ИЗ НЕ ДЕ ЯТ ЕЛ ЬН ОС ТИБ ИО СФ ЕР Ы - О СН ОВ А

С УЩ ЕС ТВ ОВ АН ИЯТ ЕХ НО СФ ЕР Ы.

М иг ра ци я з аг ря зн ит ел ейва тм ос фе ре Благодаря циркуляционным

процессам в тропосфере, глобальным вертикальным и горизонтальным пе-

ремещения в стратосфере осуществляется не только тепловой обмен, кру-

говорот воды, но и усредняется состав основных компонентов воздуха,

трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений, то есть оказыва-

ется глубокое влияние на климатические условия планеты и жизнедея-

тельность организмов.

М иг ра ци я з аг ря зн ит ел ейг ид ро сф ер е. Химические свойства элемен-

тов и соединений играют ведущую роль в водной миграции и миграции в

земной коре, при этом важное значение имеет растворимость соединений

главных элементов литосферы.

Выделяют три формы, в которых атомы тяжелых металлов мигрируют

в водных средах: истинно растворенная, взвешенная и коллоидная. Их су-

ществование определяется совокупностью различных факторов и процес-

сов (химических и биотических, гидрологических и гидродинамических).

Биодоступность и токсичность тяжелых металлов зависит от их фор-

мы существования. Наибольшая токсичность в отношении пресноводных

гидробионтов присуща свободным (точнее, гидратированным) ионам ме-

таллов и их гидроксокомплексам, а также элементорганическим соедине-

ниям. Это связано с легкостью их проникновения через клеточные мем-

браны. В природных поверхностных водах высокой цветности в качестве

основных миграционных форм выступают комплексы с гумусовыми ком-

понентами. В жесткой воде образуются в меньшей степени доступные жи-

вым организмам карбонатные комплексы.

М иг ра ци я з аг ря зн ит ел ейвп оч ве Почва –открытая подсистема в

геохимическом ландшафте, потоки вещества и энергии в которой связаны

с приземной атмосферой и растительностью, с поверхностными и почвен-

но-грунтовыми водами. Почвы регулируют процессы миграции веществ в

ландшафтах. Химическая обстановка гипергенной миграции элементов, в

первую очередь, характеризуется значениями рН и окислительно-

восстановительного потенциала (Еh) среды миграции.

Почвы регулируют процессы миграции веществ в ландшафтах, прояв-

35

ляя буферность в отношении загрязняющих веществ; кислые почвы могут

нейтрализовать щелочные соединения, карбонатные –нейтрализовать кис-

лые выпадения.

Благодаря наличию карбоксильных групп, фенольных гидроксилов и

аминогрупп кислоты почвенного гумуса способны к реакциям ионного об-

мена, в ходе которых образуются растворимые и нерастворимые соедине-

ния –гуматы и хелаты. Комплексные соединения ионов рассеянных эле-

ментов и фульвокислот относительно хорошо растворимы и поэтому легко

включаются в водную миграцию.

Химические свойства элементов играют ведущую роль при миграции

в земной коре, причем важное значение имеет растворимость соединений

главных элементов литосферы. Химические соединения с ионными связя-

ми в водных растворах диссоциируют и тогда мигрируют в форме ионов.

Соединения с ковалентными связями, хотя и хорошо растворимы в воде,

слабо диссоциируют в водных растворах и мигрируют в виде комплексных

ионов: [CO3

2-], [SO4

2-], [PO4

4-], [ SiO4

3-], [HCO3

-].

С ионами группы переходных элементов анионы поверхностных вод

образуют комплексные соединения, что способствует повышению раство-

римости большинства металлов, это играет важную роль в геохимической

миграции тяжелых металлов, в том числе свинца, ртути, кадмия, олова.

Так, например, растворимость ртути значительно возрастает вследствие

образования устойчивых комплексов HgC14

2-, HgOHCl0, ртутьорганиче-

ских комплексов.

Химическая обстановка гипергенной миграции элементов, в первую

очередь, характеризуется значениями рН и окислительно-

восстановительного потенциала (Еh) среды миграции.

Важную роль в процессах геохимической миграции химических эле-

ментов играют алюмосиликатные и органические коллоиды, имеющие от-

рицательный заряд и обладающие значительной способностью к сорбции

катионов калия, бария, никеля, кобальта, меди, цинка, магния, золота,

вольфрама, аммония, натрия. Коллоиды гидроксидов железа адсорбируют

анионы фосфорной кислоты, ванадия, мышьяка.

Таким образом, в обмене веществом между геосферами земли значи-

тельную роль играют процессы миграции. Если в миграционные процессы

включаются антропогенные загрязняющие вещества –токсиканты, то они

способны оказать сильное негативное влияние на биотическую состав-

ляющую природной среды. Их интенсивное поступление влечет за собой

исчезновение популяций организмов и даже целых видов, что обычно ока-

зывается первым этапом глубокой перестройки и последующей необрати-

мой деградации экосистем. Знание доминирующей реакции и формы за-

грязняющего вещества позволяет прогнозировать миграцию как природ-

ных, так и техногенных элементов между компонентами биосферы.

Г ЛА ВН ЫЕП ОС ТУ ЛА ТЫИЗ АК ОН Ы Д ЕЯ ТЕ ЛЬ НО СТ И

Б ИО СФ ЕР Ы ИР АЗ ВИ ТИ Я Т ЕХ НО СФ ЕР Ы

Поверхность планеты –верхний слой земной коры, гидросферу, ниж-

36

ний слой атмосферы объединяют под названием географическая оболочка.

Именно она стала местом возникновения жизни и эволюции разнообраз-

ных ее форм, получив название биосфера.

По Вернадскому (1914) биосфера –это системное образование, геоло-

гическая оболочка Земли, звено космического масштаба. Это глобальная

экосистема –область жизни, включающая все организмы и их остатки,

следы их жизнедеятельности и среду их обитания, которая возникла око-

ло 4 млрд лет тому назад. Существование биосферы обеспечивается ее

свойствами и подчиняется фундаментальным законам диалектики и есте-

ствознания, то есть определенным закономерностям, которые формулиру-

ются в виде постулатов.

В мире действует закон всеобщей связи вещей и явлений в природе и

обществе, который в экологии известен как принцип целостности (холизм).

В живой природе тотальность (всеобщность, целостность) связей про-

является ярко. Живые системы, объединенные материальным единством

жизни (физическое и химическое единство живого вещества), отличаются

разнообразными и интенсивными превращениями вещества, энергии и ин-

формации. Они образуют сложные экологические сети взаимодействий.

Множественность связей, которые просматриваются на уровне микромезо-, макроэкосистем, на уровне биосферы выглядят грандиозно: это глобальные потоки энергии и круговороты вещества, ветры, океанические течения, реки, трансконтинентальные и трансокеанические миграции птиц и

рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных факторов. И все это связывает пространственно удаленные природные

комплексы и придает биосфере признаки единой коммуникативной системы.

Совершенно естественно, что возмущение в одной части этой сложной системы неизбежно вызовет изменения в других ее частях, которые должны привести к нейтрализации исходного воздействия или при превышении его порога к еще большей деформации системы. В экологии эту зависимость называют законом цепных реакций. Закон всеобщей связи вещей и явлений утверждает: «Любая система может развиваться только за счет

использования материально-энергетических возможностей окружающей ее

среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно».

Отсюда следует, что любая система может реализоваться только за

счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды –изолированное развитие невозможно.

Значительное увеличение каких-либо организмов или возникновение каких-либо систем за относительно короткий промежуток времени может происходить только за счет уменьшения числа других организмов или каких-либо ресурсов.

В биосфере действует универсальный закон сохранения массы вещества, который отражает одно из важных требований рационального природопользования. В целом в биосфере существует равенство скоростей синтеза и распада и реализуется высокая степень замкнутости круговорота веществ.

Деятельность человека приводит к нарушению этой замкнутости. В биосфере появились высокие концентрации веществ, синтезированных человеком (ксенобиотиков), чуждых химизму живых организмов. Часть антропогенных веществ доступна для усвоения различным формам органимов, но большинство не включаются в метаболизм природой, и в результате оказывают вредное воздействие на окружающую среду.

Формирование техносферы происходит за счет потенциальных возможностей биосферы в соответствии с законами развития последней и, в первую очередь, с законом сохранения энергии и массы вещества.

Развитие регионов техносферы происходит, как правило, высокими темпами, в режиме разрушения биоты. Во многих случаях биота оказывается полностью вытесненной (промышленные площадки, заводские территории, полигоны, аэродромы и т.д.), а в городах –сохраняется лишь в виде отдельных очагов (скверов, газонов, садов, парков и т.д.). В современных городах под постройками и транспортом находится до 80%, а на долю зон отдыха и зеленых насаждений приходится не более 20% территории города Такое соотношение очень опасно, поскольку устойчивые процессы в биосфере сохраняются при отклонениях менее 1% от положения равновесия. Отклонения в содержании веществ и передачи энергии, равные 1%, соответствуют началу выхода системы из устойчивого состояния, а при отклонениях более 10% системы попадают в ситуацию саморазрушения.

Принято считать, что неустойчивые процессы в биосфере возникают в со-

ответствии с «правилами 1 и 10%» (точка Пастера). Для длительного сохранения биоты в зоне города необходимо, чтобы доля застройки и транспортных магистралей не превышала 50%.

Неукротимая мощь развивающейся техносферы, ее производственная и энергетическая оснащенность представляет серьезную угрозу для биосферы, для условий существования человека. Согласованное развитие общества (техносферы) с интересами природной среды, законами биосферы становится жизненно необходимым.