3.5 Биосферный цикл воды

Нам знакомы 3 состояния воды: твёрдое – лёд, жидкое – собственно вода, газообразное – водяной пар. Количество водяного пара в воздухе определяют как влажность, обычно в процентах.

Главный источник поступления воды – атмосферные осадки, а главный источник расхода – испарение.

Продолжительность кругооборота: океан (3000 лет), подземные воды (5000 лет), полярные ледники (8500 лет), озера (17 лет), реки (10 дней), вода в живых организмах – несколько часов [4]. Т.к. океаны занимают 70% поверхности Земли, то вода попадает в воздух, главным образом, испаряясь с поверхности океана. Испарение идёт с поверхности озёр, рек, почвы и т.д. Когда воздух, максимально насыщенный водяным паром, охлаждается, то вода конденсируется: её молекулы соединяются в капельки. В атмосфере вода конденсируется на частичках пыли, в результате чего образуются туман и облака. Когда эти капли или кристаллики льда становятся достаточно крупными, то идёт дождь или снег.

Вода, попадающая на землю, или впитывается в почву или стекает по ней. По поверхности вода стекает в ручьи, реки, далее в океан, где происходит испарение. Вода, впитавшаяся в почву, или удерживается в почве в количестве, зависящем от водоудерживающей способности почвы, и возвращается в атмосферу при испарении, или просачивается вниз по трещинам под действием силы тяжести, достигая непроницаемого слоя горной породы, накапливается и называется грунтовыми водами. Далее вода вытекает на поверхность и образует родники, а родники питают ручьи и т.д.

При испарении в воздух поднимаются только молекулы воды, а соли и другие вещества остаются на земле. Водяной пар конденсируется и из него образуется только вода. Т.о. земля и атмосфера работают как гигантский опреснитель и очиститель (опреснитель солёной воды океана).

3.6 Разрушение озонового слоя

Озоновый слой – это слой атмосферы (стратосферы) с повышенным содержанием озона. Он расположен на высоте 20-45 км. Содержание озона в нём примерно в 10 раз выше, чем в атмосфере (2∙10^-6% по объему), у поверхности Земли [9]. Озоновый слой защищает поверхность планеты от солнечного излучения высокой энергии – ультрафиолетовых лучей, избыток которых неблагоприятно влияет на живые организмы. По некоторым данным, разрушение озонового слоя на 50% повлечет за собой увеличение дозы ультрафиолетового облучения в 10 раз [7].

Процесс истощения озонового слоя наблюдается с начала 70-х гг. и в последнее время получил название возникновения озоновых дыр. Если сконцентрировать весь озон в условном сплошном слое, то его толщина не превысит 3мм. Содержание озона максимально в приполярных областях, минимально – вблизи экватора.

Озон представляет собой едкий, слегка голубоватый газ. Его молекула состоит из трех атомов кислорода (O₃), так что озон является «химическим родственником» более стабильного и изобилующего в атмосфере вещества, необходимого для дыхания человека, состоящего из двух атомов кислорода (О₂) [6]. Озон образуется, когда молекула кислорода распадается на атомы под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения. Атомы кислорода вступают в связь с молекулами кислорода, при этом образуется озон (О+ О₂>O₃).

Озон обладает рядом свойств: 1) способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца; 2) озон – сильнейший окислитель (попросту яд), поэтому приземный озон опасен; 3) способность поглощать инфракрасное излучение земной поверхности; 4) способность прямым и косвенным образом влиять на химический состав атмосферы [24].

В отличие от других атмосферных составляющих озон появился в атмосфере исключительно химическим путём и является наиболее молодой атмосферной компонентой. Наиболее ценным с экологической точки зрения свойством озона является его способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца; в то же время как химическое соединение озон является сильнейшим окислителем (попросту ядом), способным при непосредственном контакте отравить ту самую флору и фауну, которую он защищает в качестве стратосферного озонового слоя. Помимо этого, озон является эффективным парниковым газом. И, наконец, озон оказывает заметное влияние на малые активные составляющие атмосферы (такие, например, как гидроксильный радикал), а через них – и на стабильные компоненты, которые как и сам озон поглощают и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Тем самым озон оказывает не только прямое, но и косвенное влияние на парниковый эффект и уровень поверхностного УФ излучения.

Растительность на суше появилась лишь чуть более 400 миллионов лет тому назад, когда содержание кислорода составило примерно 0,5, а озона – 0,7 современного уровня, что оказалось достаточным, чтобы защитить живые клетки от коротковолнового солнечного излучения [24]. До этого момента жизнь развивалась исключительно в водной среде, которая и обеспечивала соответствующую защиту вместо озонового слоя. Накопление кислорода в атмосфере до появления растений на суше происходило за счёт процессов фотосинтеза в океане, а также за счёт дегазации базальтовой магмы. Оба этих источника атмосферного кислорода продолжают действовать и сейчас, причём доля океана в фотосинтезе кислорода составляет 80%.

Существует «хороший озон» и «плохой озон». «Плохой озон» – учёные называют фотохимическим смогом, поразившим такие крупнейшие города, как, например, Лос-Анджелес, Мехико, Денвер, Чикаго, Нью-Йорк и многие другие [24]. Существуют принципиальные отличия между «плохим» и «хорошим» озоном. Если на время оставить широко распространенную проблему городского смога, то окажется, что приблизительно 90% озона Земли – это озон стратосферы, слоя атмосферы, расположенного высоко над земной поверхностью [7].

Озон в стратосфере обычно относят к «хорошему» озону, так как он предохраняет землю от разрушительного ультрафиолетового излучения. Большая часть из оставшихся 10% «плохого» озона находится в приземном слое атмосферы – тропосфере – и, достигнув определенных концентраций, он представляет опасность для здоровья и благополучия населения [24].

Непосвященные наблюдатели, те, кто главным образом слышат о проблеме фотохимического смога и не слышат об ультрафиолетовом излучении, могут предположить, что в атмосфере Земли содержится слишком много озона. В некотором роде они правы. Да, слишком много в одних местах. Но существует опасность того, что его может оказаться слишком мало там, где он необходим. Следует уточнить, однако, что и понятие «много» относительно. Молекулы озона в земной атмосфере встречаются крайне редко.

Концентрация молекул озона в атмосфере ниже, чем одна молекула O₃ на каждый миллион молекул воздуха. Такое соотношение одновременно как подчеркивает, так и дает неверное представление о том, какую критическую роль играет озон в глобальной экологической системе [24]. Ключевой момент заключается в том, что озон поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение (УФ излучение с длиной волны в диапазоне между 280 и 320 нанометров, способное повредить ДНК живых организмов). Это свойство делает озон незаменимым элементом защиты человека от УФ излучения, способного нанести огромный биологический вред.

Общее количество озона в атмосфере, если его сжать до плотности воздуха у поверхности Земли, составит слой толщиной приблизительно в 3,5 мм [21]. И эта тонкая пленка является одним из ключевых факторов, делающих окружающую среду планеты пригодной для жизни человека.

Ни климат, ни погода не являются статичными системами. Это касается и озона. Количество озона в стратосфере сильно различается в зависимости от географической широты, от высоты расположения в слоях атмосферы и от времени года. Показатели концентраций O₃ могут также меняться год от года. Например, общее количество озона в северных умеренных широтах показывает сильную корреляцию с сезонными циклами. Согласно данным Шервуда Роуленда, опубликованным в 1990 году в издании «Амбио», наиболее высокие концентрации озона в этих широтах отмечены в марте-апреле и наименьшие в октябре-ноябре. По мнению ученого Памеллы Зурер, естественные колебания озона могут достигать 25% в высоких широтах. Эту информацию она опубликовала в 1993 году в журнале «Новости химии и инженерии» [5].

В настоящее время отмечено ухудшение состояния озонового слоя и образование «озоновых дыр» над полюсами Земли, что представляет экологическую опасность. Полагают, что причиной этих явлений является попадание в озоновый слой хлора и оксидов азота, которые образуются в почве из минеральных удобрений при их разрушении микроорганизмами, а также содержатся в выхлопных газах автомобилей. Эти вещества разрушают озон быстрее, чем он может образовываться из кислорода под влиянием ультрафиолетовых лучей.

Исследование причин сокращения содержания озона в атмосфере показало, что главная из них – высокая концентрация в атмосфере монооксида хлора, причем наблюдается четкая корреляция между содержанием монооксида хлора и снижением содержания кислорода [10].

Впрочем, мнение о том, что главным источником разрушения озонового слоя является хлор, разделяют не все исследователи этого процесса. Есть мнение, что главным фактором является водород, выбрасываемый при извержениях вулканов. Эти аргументы заслуживают внимания: ведь основная промышленность, загрязняющая атмосферу хлором, сконцентрирована в Северном полушарии, а «озоновая дыра» над Антарктидой много больше дыры над Арктикой. Количество вулканов в Южном полушарии значительно больше, чем в Северном.

Сохранение озонового слоя – одна из важнейших задач мирового сообщества. Чтобы остановить разрушение озонового слоя и восстановить его, необходим отказ от использования хлорсодержащих веществ – хлорфторуглеродов в аэрозольных упаковках, фреонов, используемых в холодильных установках. Необходимо использование катализаторов для дожигания выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и уменьшение доз азотных минеральных удобрений в сельском хозяйстве.

В приземном слое атмосферы содержание озона, напротив, может увеличиваться, так как он образуется из оксида азота и углеводородов под влиянием ультрафиолетовых лучей. В этом случае озон оказывается опасным загрязнителем, вызывающим раздражение дыхательных путей человека и ухудшающим состояние лесов. Впрочем, отрицательно сказывается на здоровье человека и низкое содержание озона в атмосфере.

Обобщая материал данного большого раздела, можно сделать следующие выводы:

1. Чем больше биомасса популяции, тем ниже занимаемый ею трофический уровень.

2. Получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках кругооборота всех элементов. Наблюдается чёткое взаимодействие растений, консументов и детритофагов при поглощении и выделении различных веществ. Органика и кислород, образуемые при фотосинтезе в растениях, нужны консументам для питания и дыхания, а выделяемый консументами углекислый газ и минеральные вещества мочи – необходимы растениям.

3. Экосистемы существуют за счёт не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно. Солнечная энергия химическая потенциальная энергия растений (передаётся по пищевым цепям)теряется в виде тепла. Избыток – растения используют 0,5% от падающей на Землю солнечной энергии.

►Вопросы для самоконтроля

1. Роль фосфора в жизнедеятельности фивых организмов. Биосферный цикл фосфора.

2. Цикл азота как пример сложного круговорота газообразных веществ.

3. С чем связан процесс денитрификации?

4. В чём специфика биосферного цикла воды?

5. «Разрушение озонового слоя Земли», «озоновой дыры» – что понимается под этим? Какова опасность этого явления для биосферы и человечества?