- •М. Ю. Андрианова Физико-химические основы природных и антропогенных процессов в техносфере Сокращенная версия
- •1. Оболочки Земли
- •1.1. Земная кора
- •1.2. Мантия Земли
- •1.3. Ядро Земли
- •1.4. Магнитное поле и магнитосфера Земли
- •1.5. Атмосфера
- •1.6. Гидросфера
- •1.7. Биосфера и педосфера
- •3. Миграция элементов
- •4. Атмосфера. Солнечная радиация и вертикальная структура
- •4.1. Изменение давления с высотой
- •4.2. Изменение температуры с высотой
- •4.3. Радиационный баланс Земли
- •4.4. Особенности циркуляции атмосферы
- •5. Биогеохимические циклы элементов
- •5.1. Цикл кислорода
- •5.1.1. Геохимический субцикл цикла кислорода
- •5.1.2. Биотический и физико-химический субциклы цикла кислорода
- •5.1.3. Озон в стратосфере
- •5.1.4. Озон в тропосфере
- •5.1.5. Фотохимический смог
- •5.2. Гидрологический цикл и цикл водорода
- •5.2.1. Гидрологический цикл
- •5.2.2. Цикл водорода
- •5.2.3. Увеличение кислотности океанской воды
- •5.3. Цикл азота
- •5.3.1. Природная фиксация азота
- •5.3.2. Промышленная фиксация азота
- •5.3.3. Аммонификация
- •5.3.4. Нитрификация и другие процессы
- •5.3.5. Денитрификация и другие процессы
- •5.3.6. Оксиды азота
- •5.3.7. Физический перенос азота
- •5.4. Цикл серы
- •5.4.1. Поступление серы в атмосферу
- •5.4.2. Серная кислота и сульфатные аэрозоли
- •5.4.3. Атмосферный аэрозоль
- •5.4.4. Смог лондонского типа
- •5.4.5. Кислотные дожди
- •5.4.6. Ассимиляция сульфата
- •5.4.7. Восстановление сульфата и другие процессы
- •5.4.8. Окисление сероводорода и другие процессы
- •5.4.9. Окислительный бактериальный фильтр
- •5.5. Циклы фосфора и кремния
- •5.5.1. Цикл кремния
- •5.5.2. Цикл фосфора
- •5.6. Циклы тяжелых металлов
- •5.6.1. Природные источники тяжелых металлов
- •5.6.2. Техногенные источники тяжелых металлов
- •5.6.3. Трансформация антропогенных выбросов тяжелых металлов в почве
- •5.6.4. Токсичность металлов в гидросфере
- •5.7. Цикл углерода
- •5.7.1. Основные процессы цикла углерода
- •5.7.2. Глобальное потепление климата и парниковые газы
- •5.7.4. Токсичные соединения углерода
- •5.8. Циклы натрия и хлора
- •5.8.1. Цикл натрия
- •5.8.2. Засоление почв
- •5.8.3. Цикл хлора
- •5.8.4. Галогенорганические соединения
- •5.8.5. Стойкие органические загрязнители и другие приоритетные поллютанты
5.2.3. Увеличение кислотности океанской воды
Активная кислотность раствора (водородный показатель, рН, произносится «пэ‑аш») вычисляется по формуле
pH = – lgaH+ = – lg(CH+∙ ≈ – lgCH+,
где aH+ – активность ионов водорода, – коэффициент активности ионов водорода (в разбавленных растворах примерно равен 1), CH+ –молярная концентрация ионов водорода.
Предполагают, что за увеличение кислотности морских вод отвечает процесс поглощения водой атмосферного СО2:
СО2 + H2O ↔ [H2СО3] ↔ H + + HСО3 – .
В то же время возможно и подщелачивание морской воды в результате процессов фотосинтеза по схеме
HСО3– + H2O → [СH2O] + О2 + OH–.
С 1751 по 1994 гг. рН поверхностных океанских вод снизился с 8,179 до 8,104, что соответствует увеличению CH+ на 19%. За первое десятилетие XXI века рН снизился до 8,069, т.е. концентрация CH+ выросла на 30% по сравнению с доиндустриальной эпохой. Считают, что большую роль в этом процессе играет деятельность человека, а именно антропогенное увеличение выбросов СО2 в индустриальную эпоху. Если недавние темпы прироста кислотности сохранятся, к 2100 году рН снизится до 7,824 (CH+ вырастет на 126% по сравнению с доиндустриальной эпохой).
Описанный процесс негативно сказывается на формировании скелета на основе кальция у кораллов, моллюсков и других животных, составляющих основу океанских экосистем (коралловых рифов, устричных банок и др.). Скорость увеличения CH+ в последние годы на несколько порядков выше той, что была на протяжении нескольких последних миллионов лет. Существует опасение, что у морской биоты может не хватить времени для эволюционных изменений, обеспечивающих лучшую адаптацию к происходящим переменам окружающей среды. Возможно, что видовой состав и численность океанской флоры и фауны сильно обеднеют уже в течение ближайшего столетия.
Задание для самоконтроля 5. 2
1. Составьте схему, описывающую глобальный гидрологический цикл.
2. Опишите процессы, в которые вовлечен элемент водород помимо гидрологического цикла, охарактеризуйте их влияние на окружающую среду.
5.3. Цикл азота
Глобальный цикл азота изучен только в общих чертах, и оценки потоков этого элемента между различными резервуарами отягощены большими неопределенностями. Так, приводимые разными исследователями значения, характеризующие потоки азота в системе атмосфера – почва, различаются в 5…10 раз.
В атмосфере содержится 3,87∙106 Гт N почти полностью в форме молекул N2. В составе атмосферных микропримесей присутствуют
N2O, NH3 и NH4+, NO и NO2 , HNO3 (см. табл. 1.6) .
В земной коре содержится (0,7…1,5)∙106 Гт N (в осадочной части коры 6∙105Гт N, в гранитном слое 1,65∙105Гт N), в верхней мантии 13∙106 Гт N. Таким образом, главным источником азота для географической оболочки Земли является верхняя мантия, выделение азота из нее происходило и продолжает происходить в процессах вулканической деятельности.
В живом веществе суши (представленном преимущественно растительностью) содержится около 25 ГтN, в органическом веществе почвы более 100 Гт.
В гидросфере содержится 2∙104Гт растворенного N2 (0,5 % от общего количества N2 в атмосфере), 700 Гт N в виде ионов, 300 Гт N в составе органического вещества морей и океанов («мертвой органики», дисперсного органического вещества), около 0,5 Гт N содержат живые организмы.