Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия окружающей среды. В 3 частях. Ч. 1. Учебное пособие
.pdf
21
Тропосфера простирается на высоту до 17 км и включает около 95% мас-
сы атмосферы.
Выше тропосферы на высоте от 17 до 48 км располагается второй атмо-
сферный слой — стратосфера. В стратосфере сконцентрировано основное ко-
личество атмосферного озона О
3.
Мощность озонового слоя при обычных усло-
виях составляет 1,7–4 мм. Несмотря на столь незначительное содержание, роль
атмосферного озона в развитии живых организмов чрезвычайно велика. Для не-
го характерно сильное поглощение ультрафиолетового солнечного излучения
с длинами волн 200–300 нм, губительными для живых организмов (разрушение
клеточных структур). Задерживая около 99% поступающего от Солнца высоко-
энергетического ультрафиолетового излучения, озоновый слой делает возмож-
ным существование биосферы.
По химическому составу атмосфера на 99,99% представлена четырьмя
компонентами (в абсолютно сухом воздухе):
азот N2 — 75,51%;
кислород О2 — 23,15 %;
аргон Ar — 1,28%;
углекислый газ СО
2 —
0,046%.
Кроме перечисленных основных компонентов в состав атмосферы входят
микрокомпоненты, представленные инертными газами (гелий Не, неон Ne,
криптон Kr, ксенон Xe) и водородом (Н2).Содержание микрокомпонентов в ат-
мосферном воздухе находится в пределах от 0,310-5% (водород) до 12510-5%
(гелий).
Кроме постоянных микрокомпонентов в составе атмосферного воздуха
обычно присутствуют в переменных количествах ксенокомпоненты, являющиеся временными примесями, поступление которых в атмосферу связано с
вулканической деятельность, жизнедеятельностью животных и растений, а
также деятельностью объектов промышленной и социальной структуры чело-
веческого общества (оксиды азота NO и NO
2
, оксид углерода СО, метан СН
4
,
диоксид серы SO2, сероводород H2S, фтор F2, хлор Cl
2
и др.).
Ксенокомпоненты в повышенных концентрациях оказывают отрицательное воздействие на живые организмы и рассматриваются как загрязнители атмосферного воздуха. К числу ксенокомпонентов относятся и пылевые частицы
(атмосферный аэрозоль), мигрирующие в атмосфере на значительные рассто-
яния.
По источнику образования атмосферные пылевые частицы можно разде-
лить на пять категорий:
22
пылевые частицы, выдуваемые с континентов;
пылевые частицы растворимых солей, выдуваемые с поверхности оке-
анов и морей;
пыль вулканических извержений;
пылевые частицы внеземного происхождения;
пылевые частицы антропогенного (техногенного) происхождения.
Среднее количество пыли на всю массу тропосферы составляет порядка
10,5 млн т пыли. Пылевые частицы внеземного происхождения, представляю-
щие собой частицы космической пыли железоникелевого и оливинпироксенового состава, ежегодно выпадают на земную поверхность в количе-
стве 10
-3
г/м2.
Состав, температура и способность к самоочищению земной атмосферы
меняется с момента формирования планеты. Миллионы лет в атмосферу поступали дым и другие загрязняющие вещества в результате извержений вулканов,
природных пожаров и пыльных бурь. Но биосфера способна удалять и ассими-
лировать эти естественные загрязнители.
За счет рассеивания в атмосфере, последующего вымывания атмосферными осадками и гравитационного оседания загрязняющие вещества поступают
на земную поверхность, где почвенные или водные микроорганизмы преобра-
зуют их в безвредные для живых организмов соединения.
1.5. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО
Основная масса живого вещества представлена биомассой растений су-
ши. Вследствие этого усредненный химический состав живого вещества (кларки химических элементов) соответствует химическому составу биомассы рас-
тений.
Химический состав живого вещества биосферы в своем составе отражает
особенности химического состава литосферы и гидросферы.
Наиболее близко живое вещество по своему составу к гидросфере (в со-
ставе живого вещества преобладают кислород — 70 % и водород — 10,5 %).
Сравнительно мало в живом веществе распространенных в литосфере, но нехарактерных для гидросферы элементов кремния (0,15 %), железа (0,02 %) и алю-
миния (0,02 %).
С другой стороны, живое вещество по содержанию ряда элементов резко
отличается и от литосферы, и от гидросферы. К таким элементам относятся уг-
лерод С и азот N. Содержание углерода в литосфере — 0,27 %, азота —
0,002 %, а в живом веществе — соответственно 18 % и 0,3 % (степень концентрирования от 60 до 150 раз).
23
Кислород, водород и углерод растения усваивают из почвы и атмосферы
(вода и углекислый газ). Значительную часть азота растения также получают в
виде иона нитрата (NO
3
-
) за счет азотфиксирующих бактерий. Остальные хими-
ческие элементы растения получают из почвы.
В результате химический состав минеральной (зольной) части растений
зависит от химического состава почв, но не повторяет его. Благодаря сложившемуся типу обмена веществ растения избирательно поглощают из почвы не-
обходимые элементы в количествах, соответствующих их физиологическим и
биохимическим потребностям.
Степень избирательности поглощения растениями химических элементов
характеризуется коэффициентом биологического поглощения (коэффициент
биофильности) Ах (Кб), представляющим отношение содержания химического
элемента в золе растений к его содержанию в почвах или горных породах:
п
з
б
С
С
КА
х
)(
, (1.2)
где С
з
, С
п
— содержание в золе растений и в почве соответственно, %.
По величине коэффициента биологического поглощения химические
элементы разделяются на пять групп:
1. Ах (Кб) = n·10–n·100 — элементы энергичного биологического накоп-
ления (Р, S, Cl, Br, I).
2. Ах (Кб) = n·1–n·10 — элементы сильного биологического накопления
(Ca, Mg, K, Na, Sr, Zn, B, Se).
3. Ах (Кб) = n·0.1–n — элементы среднего биологического захвата (Mn,
Cu, F, Ba, Ni, Co, Pb, As, Sn, Hg, Ag).
4. Ах (Кб) = n·0.01–n·0.1 — элементы слабого биологического захвата
(Fe, Si, V, Li, Rb).
5. Ах (Кб) = менее n·0,01 — элементы очень слабого биологического за-
хвата (Al, Pb, Cr, U).
Химические элементы с Ах > 1 избирательно поглощаются растениями и
накапливаются в живых организмах. Химические элементы с Ах < 1 только захватываются растениями и в живых организмах не накапливаются.
Отмечено, что при одинаковых ландшафтно-геохимических условиях раз-
личные виды растений в различной степени накапливают химические элементы.
Вследствие этого для различных видов растений величина коэффициента биоло-
гического поглощения может отличаться от приведенных выше значений.
24
Контрольные вопросы
1. Какие геосферы слагают Землю как планету?
2. Охарактеризуйте главную закономерность распространенности хими-
ческих элементов в литосфере (и биосфере, в целом).
3. Что характеризует кларк химического элемента в объектах биосферы
Земли?
4. Какие основные химические элементы входят в состав литосферы
Земли?
5. В чем существенные различия между химическим составом литосферы
и гидросферы?
6. Что характеризует коэффициент биофильности химических элементов?
25
2. ПРИРОДНЫЕ ЦИКЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В БИОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
2.1. ЭКЗОГЕННЫЙ И ЭНДОГЕННЫЙ ЦИКЛ.
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ
К настоящему времени в результате научных исследований было уста-
новлено, что крупные составные части Земли (ядро, мантия, кора, океаны, атмосфера и биосфера) могут рассматриваться как сложная взаимодействующая
система.
Выветривание горных пород приводит к их механическому разрушению и
химическому преобразованию. Образующиеся продукты выветривания перекрываются новыми продуктами выветривания и при их погружении на глубину
испытывают последующие превращения (метаморфизм, плавление). Позже они
деформируются и перемещаются в горных цепях вверх, чтобы снова подверг-
нуться выветриванию и совершить новый геологический цикл (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Геологический цикл
Подробное рассмотрение геологического цикла позволяет выделить в нем
два взаимосвязанных процесса — экзогенный (внешний) и эндогенный (внут-
ренний) цикл (рис. 2.2).
Циклы, в функционировании которых участвует живые организмы (био-
та), называются биогеохимическими.
По месту сосредоточения основного количества вещества резервного
фонда все биогеохимические циклы разделяют на осадочные циклы (резервный
фонд в земной коре) и циклы газообразных веществ (резервный фонд в атмосфере).
26
Рис. 2.2. Экзогенный и эндогенный циклы
Рис. 2.3. Резервуары и круговорот воды на Земле (гидрологический цикл).
Объемы резервуаров в 10
3
км3, потоки — в 103 км3/год
27
Глобальный гидрологический цикл представляет собой постоянный об-
мен воды между Мировым океаном и атмосферой. Вода под действием солнечной энергии постоянно испаряется, конденсируется в атмосфере и в виде осад-
ков возвращается на поверхность океана и континентов (рис. 2.3).
Вертикальные потоки испарения и осадков хорошо сбалансированы меж-
ду собой, как и потоки горизонтального транспорта в атмосфере (с поверхности
океана на сушу) и поверхностного стока (с суши в океан). Часть воды, изымаемой из этого круговорота, захоранивается в виде льда в ледниках (арктические
льды, лед Антарктиды, горные ледники).
2.2. ЦИКЛЫ БИОГЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Основными химическими элементами, участвующими в биогеохимических круговоротах, являются кислород, углерод, азот, фосфор, сера, кальций,
калий и натрий. Биогеохимические круговороты элементов в биосфере не являются замкнутыми. Степень воспроизводства отдельных циклов достигает
90–98%. В масштабе геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к дифференциации элементов и накоплению их
в атмосфере, гидросфере, коре выветривания и осадочных породах Земли.
Часто биогеохимический круговорот сравнивают с «колесом водяной
мельницы» — колесо вертится (оставаясь на месте), символизируя запас веще-
ства в биосфере. Для того чтобы колесо вертелось, нужен постоянный приток
энергии (в данном примере — механическая энергия воды). В биосферных кру-
говоротах веществ источником энергии является поток солнечной энергии, поступающий в биосферу Земли.
Поступающая в биосферу солнечная энергия частично расходуется на
синтез органического вещества растений. Фотоавтотрофные организмы
(растения), поглощая солнечную энергию, путем фотосинтеза превращают
низкомолекулярные, бедные энергией неорганические вещества в высокомолекулярные, богатые энергией органические соединения и снабжают ими все живое. Передаваясь затем с одного трофического (пищевого) уровня на другой,
энергия постепенно рассеивается.
В результате непрерывному круговороту в биосфере подвергаются
только вещества (химические элементы и их соединения), в то время как
для энергии можно говорить лишь о направленном потоке.
Биогеохимический круговорот включает два одновременно протекающих
взаимообусловленных круговорота:
28
биологический, протекающий в среде живого вещества фотоавтотрофов
(зеленые растения) и гетеротрофов (животные, насекомые, микроорганизмы);
геохимический (геологический), проходящий через другие структур-
ные единицы ландшафтов и биосферы (литомассы, педомассы, гидромассы,
аэромассы).
Биологические круговороты протекают с большими скоростями. Так, вся
масса живого вещества биосферы обновляется полностью за 8 лет. Для Мирового океана скорость обмена живого вещества составляет всего 33 дня. Процесс
полной смены вод в гидросфере составляет 2800 лет, в атмосфере смена кисло-
рода происходит за несколько тысяч лет, углекислого газа — за 6,3 года. Эти
цифры показывают, что геохимическая деятельность живого вещества в биоло-
гических круговоротах проявляется не только в течение геологического времени (миллионы и миллиарды лет), но ясно выражена и в пределах исторического
времени (тысячи лет и менее).
Геохимический круговорот связан с образованием устойчивых в условиях
конкретных природно-территориальных комплексов (ландшафтов) химических
соединений. При этом часть химических элементов изымается из круговорота и
«захоранивается» в биосфере на длительное время (от сотен до миллионов лет).
В пределах ландшафтов биогеохимические круговороты обычно характе-
ризуются значительной незамкнутостью за счет постоянного выноса или при-
вноса вещества воздушными, водными и биологическими миграционными по-
токами.
2.3. ЦИКЛЫ КИСЛОРОДА И УГЛЕРОДА
Кислород — наиболее распространенный элемент твердой земной коры,
гидросферы, живых организмов. Его содержание в литосфере — 185·1018 т
(кларк 47,4%), в гидросфере — 120·1016 т (кларк 86,82%), живом веществе
90·10
13
т (кларк 70%) и в атмосфере — 118·1012 т (кларк 23,15%).
Благодаря высокой химической активности кислорода его основное количество сосредоточено в твердой оболочке Земли (литосфера) в связанном со-
стоянии в виде различных минеральных форм — алюмосиликатов, кварца и
оксидов.
Кислород, являясь основным по количественному составу химическим
элементом гидросферы, обуславливает роль воды в качестве единственного источника образования свободного кислорода в процессе фотосинтеза и радио-
лиза (разложение молекул воды под действием ионизирующего излучения).
29
Образующийся в результате этих процессов свободный кислород концентрируется в атмосфере. Несмотря на то что свободный (атмосферный) кислород
составляет менее 0,001% от его общего количества в географической оболочке
Земли, он является одним из основных условий существования живых организмов.
Ежегодное продуцирование кислорода живым веществом планеты со-
ставляет примерно (300-350)·109 т. Около 75% от этого количества выделяется
растительностью суши, остальное количество связано с жизнедеятельностью
фитопланктона гидросферы. В целом годовая продуктивность зеленых растений составляет несколько больше 0,003% массы атмосферного кислорода.
Масштабы продуцирования кислорода зелеными растениями таковы, что
это количество могло быть удвоено за 4000 лет. Но этого не происходит, так
как в течение года разлагается примерно такое же количество органического
вещества, которое образуется в результате фотосинтеза. При этом поглощается
почти весь выделившийся кислород, но благодаря незамкнутости биогеохимического круговорота (неполное разложение органического вещества) часть органического вещества сохраняется и свободный кислород постепенно накапли-
вается в атмосфере.
Еще один миграционный цикл свободного кислорода связан с массооб-
меном в системе «природные воды — тропосфера». В воде океана находится
от 3·10
9
до 10·10
9 м3
растворенного кислорода. Холодная вода высоких широт
поглощает кислород, а поступая с океаническими течениями в тропики, выде-
ляет его в атмосферу. Поглощение и выделение кислорода происходит и при
смене сезонов года, сопровождающихся изменением температуры воды.
Кислород расходуется в громадном количестве при окислительных реакциях, большинство из которых имеет биохимическую природу. В этих реакциях
высвобождается энергия, поглощенная в ходе фотосинтеза. В почвах, илах, водоносных горизонтах развиваются микроорганизмы, использующие кислород
для окисления органических соединений.
Таким образом, общая схема круговорота кислорода в биосфере
складывается из двух ветвей:
образование свободного кислорода при фотосинтезе;
поглощение кислорода в окислительных реакциях.
Другим главным биогеохимическим процессом в биосфере, определяющим во многом протекание химических процессов в природных ландшафтах,
является биогеохимический цикл углерода.
30
В гидросфере углерод присутствует в двух главных формах:
в виде СО
2
, ионов гидрокарбоната НСО
3
-
и карбоната СО
3
2–
;
в составе растворенного и дисперсного органического вещества,
рассеянного в воде.
Масса углерода, содержащегося в растворенном и дисперсном органическом веществе, близка к 2,1·10
12
т. Количество углерода, связанного в форме
гидрокарбонат-карбонатных ионов, оценивается значением 38,5·1012 т.
На суше углерод входит в состав живого вещества, отмерших раститель-
ных остатков, почвенного гумуса и торфа. Количество углерода в биомассе суши в настоящее время оценивается значением 0,9·1012 т, в почвенном гумусе —
2,4·10
12
т.
Главным резервуаром углерода на суше является осадочная толща земной
коры. Несмотря на то что осадочная оболочка составляет 1/10 часть земной ко-
ры, масса углерода в ней в несколько раз больше, чем в гранитной и базальтовой оболочке (96·1015 т в осадочной оболочке и 22·1015 т гранитной и базальтовой). Основное количество углерода в литосфере представлено карбонатным и
рассеянным органическим углеродом. Концентрированные скопления углеро-
да в литосфере представлены нефтяными залежами (0,2·1012 т) и каменным углем (6·1012 т).
Установленные в настоящее время закономерности распределения углерода в земной коре показывают, что две главные группы форм нахождения углерода (карбонатные и органические соединения) обусловлены деятельность
живого вещества биосферы. Связующим звеном между карбонатами и органическими соединениями служит углекислый газ СО2, который является необхо-
димым исходным материалом для фотосинтеза органического вещества растениями и для образования карбонатов живыми организмами.
Глобальный геохимический цикл углерода состоит из двух связанных
между собой циклов (рис. 2.4).
Первый цикл (биохимический) обусловлен связыванием углекислого газа в органическое вещество в процессе фотосинтеза и новым его образованием
при биохимическом разрушении органического вещества организмами — гетеротрофами.
С чисто химических позиций он представляется упрощенно в виде сле-
дующих уравнений:
фотосинтез:
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]