5. Биогеохимические циклы элементов

На протяжении развития Земли и биосферы сформировались циклы (круговороты) перемещения элементов и веществ. Техногенез влияет на эти циклы, изменяя количество элемента или веществ в его частях. Ниже будут рассмотрены циклы наиболее важных элементов.

5.1. Цикл кислорода

Элемент кислород содержится во всех гео­сферах Земли: в литосфере 18500∙10⁶ Гт, в гидросфере 1200∙10⁶ Гт, в атмосфере 1,18∙10⁶ Гт, в живом веществе планеты около 0,009∙10⁶ Гт.

5.1.1. Геохимический субцикл цикла кислорода

Литосферный кислород находится только в составе сложных соединений, 95% которых приходится на силикаты, алюмосиликаты и карбонаты (например, Na₂SiO₃, K[AlO₂(SiO₂)₃], CaCO₃). Эти атомные группировки сохраняются преимущественно химически неизменными при выветривании горных пород и в этих формах переходят в океаны и в донные осадки.

В ходе преобразований пород в верхних частях коры под действием океана, атмосферы, биосферы (т.е. процессов гипергенеза) происходит перестройка кристаллической структуры части алюмосиликатов с поглощением солнечного излучения. При захоронении этих веществ в недрах Земли происходит их перекристаллизация. Предполагается, что при этом высвобождается аккумулированная энергия, и таким образом происходит обмен энергией между поверхностью коры и верхней мантией.

Атмосферный О₂ тоже участвует в геохимических процессах. Многие металлы при окислении их ионов переходят в нерастворимое состояние:

4Fе²⁺ +3О₂ → 2Fе₂О₃ .

Напротив, окисление восстановленных форм ряда других элементов (например, сульфидной серы) приводит к образованию более рас­творимых и подвижных соединений:

S^2– + 2О₂ →SО₄ ^2–.

5.1.2. Биотический и физико-химический субциклы цикла кислорода

Основную роль в этих субциклах играют процессы фотосинтеза зеленых растений и водорослей, дыхания растений и гетеротрофных организмов (микроорганизмов, грибов и животных). Потоки, связанные с образованием кислорода за счет фотолиза паров воды и оксидов азота, потреблением кислорода на атмосферную фиксацию азота и окисление вулканических газов не превышают 0,1 ГтО₂/год и не оказывают заметного влияния на круговорот кислорода. Окисление восстановленных компонентов осуществляется в атмосфере в основном не молекулярным ки­слородом, а озоном и свободными радикалами НО∙, НО₂∙ и другими.

Растения суши в процессе фотосинтеза ежегодно образуют 336 ГтО₂. Примерно половина этого количества расходуется на дыхание самих растений (168 ГтО₂). Органическое вещество, образовавшееся в результате фотосинтеза, составляет 168 кислородных эквивалентов (КЭ) – такое количество О₂ требуется на его полное окисление. Это вещество входит в состав биомассы, детрита (остатков живых организмов) и органического вещества почвы.

Гетеротрофные организмы окисляют эти вещества, потребляя при этом 154 ГтО₂. Следует отметить, что вклад наземных животных в этот поток ничтожен. Наибольшее количество кислорода расходуется в процессах почвенного дыхания, причем животные (членистоногие, дождевые черви и т.д.) потребляют 3% кислорода, грибы 1/2…2/3, остальное количество приходится на долю микроорганизмов. Следует отметить, что к почвенному дыханию относится и корневое дыхание, которое необходимо при учете включать в дыхание растений.

Часть органических веществ окисляется при пожарах, что требует 11 ГтО₂/год. В целом с учетом образования и потребления кислорода биота суши выделяет около 3 ГтО₂/год.

Вклад человека в круговорот О₂ в результате хозяйственной деятельности суммируется из сжигания ископаемого топлива и влияния на землепользование. На сжигание нефти, газа, угля затрачивается 20,8 ГтО₂/год (по данным 1999 г.), причем распределение этого расхода по странам весьма неравномерно. Так, на США приходится 25% мирового потребления, Европейские страны (кроме России) – 21%, Китай – 11%, Россию – 7,5%, страны Африки (кроме Северной Африки) – 1,6%. По среднедушевому расходу (т на человека в год) лидируют США и Канада (20 и 18 т), на третьем месте Россия (12 т, что связано с высокой энергоемкостью внутреннего валового продукта, а также холодными климатическими условиями); в Японии и европейских странах потребляют 9…11 т, в африканских странах 0,5 т.

При сведении лесов, сельскохозяйственной обработке почвы, осушении болот и т.д. происходит окисление биомассы и органического вещества почвы (разложение растительных остатков, минерализация почвенного гумуса, пожары, палы на сельскохозяйственных землях). На это расходуется 4,5 ГтО₂/год, учитываемые по статье расходов кислорода биотой суши.

Количество О₂ , растворенного в мировом океане, оценивается в 7,5∙10¹² т (около 0,6% от содержания в атмосфере). Его концентрация в поверхностных водах составляет обычно 2...8 мг/л и зависит от скорости физических и химических процессов – газообмена между океаном и атмосферой, переноса кислорода водными массами, интенсивности процессов фотосинтеза и потребления кислорода.

Обмен кислородом между атмосферой и гидросферой основан на уменьшении его растворимости при повышении температуры воды. Холодные воды приполярных районов поглощают кислород, а теплые тропические воды отдают его в атмосферу. В такой обмен вовлечено около 4480 Гт О₂/год (по данным 1993 г), причем потоки растворения и выделения считались практически равными. Однако в связи с глобальным потеплением средняя температура океана повысилась, так что в 1990-2000 гг. запасы растворенного в морской воде кислорода уменьшались на 1 Гт/год.

В поверхностных водах до глубин распростра­нения дневного солнечного света (фотическая зона, в океане на глубине до 200м) фитопланк­тон осуществляет фотосинтез, при котором выделяется 288 Гт О₂/год. Следует отметить, что биомасса океанического фитопланктона на несколько порядков меньше биомассы растений на суше (см. подраздел 1.2.2), однако за счет высокой скорости продукции фитопланктона количество фотосинтетического кислорода, образующегося в океанах, сопоставимо с континентальным

Суммарное дыхание автотрофов (водорослей) и гетеротрофов (животных, микроорганизмов) фотической зоны приводит к поглощению 258 Гт О₂. Часть органического вещества, образуемого в этой зо­не, осаждается в глубинные воды (детритный дождь) и разлагается гетеротрофами. На их дыха­ние ежегодно расходуется 30 Гт кислорода, транс­портирующегося из поверхностных слоев воды. Таким образом, годичные потоки кислорода в океане хорошо сбалансированы.

Таким образом, в атмосферу выделяется ежегодно 3 Гт О₂ от наземной биоты и 1 ГтО₂ из океана. Это компенсирует только 13% антропогенного потребления кислорода, связанного с сжиганием топлива. Таким образом, общий баланс кислорода – отрицательный, в отличие от ситуации, имевшей место миллионы лет назад, когда происходило формирования кислородной атмосферы и биосферы современного типа. В настоящее время идет снижение запасов атмосферного кислорода (на 14…20 Гт/год). Но в относительном выражении это снижение незначительно и составляет 0,0019% от его запаса в атмосфере. При нынешних темпах потребления человечеству нужно более 600 лет, чтобы уменьшить содержание О₂ в атмосфере на 1%. Даже при полном исчерпании запасов ископаемого топлива (по различным оценкам его количество составляет до 24300 Гт КЭ) их атмосферы будет израсходовано не более 2% кислорода. Следует отметить, что в процессе формирования кислородной атмосферы на Земле произошло захоронение 32…42млн Гт КЭ органического вещества, которое рассредоточено в осадочных породах и практически недоступно для возвращение в круговорот. Именно недоступность углерода органического вещества осадочных пород и объясняет столь ма­лую потенциальную возможность человечества влиять на содержание кислорода атмосферы.

В заключение подраздела следует отметить, что данные по крупным потокам, источникам и стокам различаются у разных исследователей и постоянно уточняются. Выше были приведены данные из обзорной работы Д.Г. Замолодчикова (2006 г.)³, где среди прочего автор указал, что Россия не является глобальным донором кислорода. Однако в книге 2007 г., написанной при участии того же автора⁴, сделан прямо противоположный вывод.