§ 1.2. Энергетический и материальный баланс биосферы

Современная биосфера адаптирована к существующему климату и его природным флуктуациям. При этом средние характеристики кли­мата Земли, в частности ее среднегодовая температура, обладают удивительным постоянством: средняя температура поверхности Земли 16

составляет 15° С. Среднетемпературные флуктуации не превышают 10°С за 10^б лет, ГС за 10³ лет и составляют десятые доли градуса Цельсия за время порядка 100 лет (рис. 1).

И з физики известно (соотношение Стефана — Больцмана, устанавлива­ющее зависимость тепло­вого излучения абсолютно черного тела от темпера­туры), что изменение температуры на 0,1 К происходит при измене­нии потока излучения на 0,1%.

В равновесном состоя­ нии, когда температура Земли не меняется, энер­ гия солнечного излуче­ ния, падающего на Зем­ лю, совпадает с энергией теплового излучения

Земли. С учетом разницы температур поверхности Солнца (Гс= 6000 К) и Земли (Гз = 300 К) мож­но заключить, что каж­дый фотон солнечного излучения распадается в среднем на Tq/Tz =■ 20 фотонов теплового излу­чения Земли.

Рис Л. Изменения средней температуры земной повер­хности:

1 — за последние 600 млн. лет (заштрихованные участки — коле­бания температуры в ледниковые периоды); 2 — увеличение вре­менной шкалы в 1000 раз; 3—5 — увеличение временной шкалы предыдущего графика в 10 раз; б — реконструкция среднегодовых температур Северного полушария за последние 100 лет (средняя температура известна с меньшей точностью, чем отклонения от нее. Поэтому на вертикальной шкале отложены отклонения от ЛаСЬ бЫ ТеПЛОЙ, НО На Ней среднеземной температуры. Горшков В.Г., 1990)

" " 17

Если "бы Солнце посы­лало на Землю ту же энергию, но в виде тепло­вого излучения Земли (т.е. при Тс = Тз), темпе­ратура Земли поддержи­валась бы на прежнем уровне, но солнечный фотон не претерпевал бы изменений. Земля остава-

не происходило бы никаких процессов и не могла существовать жизнь. Таким образом, именно в результате распада солнечных фотонов про­исходят все наблюдаемые в биосфере процессы.

По закону сохранения энергии в отсутствие атмосферы тепловой поток от Земли должен был бы совпадать с потоком солнечной энер­гии, поглощенной поверхностью Земли. Расчеты показывают, что при этом температура поверхности Земли составляла бы 5° С. Тот факт, что реальная температура земной поверхности на 10° С выше, связано с наличием атмосферы. Энергия процессов испарения и. диссипации макроскопических движений переходит в тепловую энергию, погло­щаемую атмосферой. Тепловое излучение поверхности Земли также поглощается атмосферой. При этом суммарная теплота, поглощаемая атмосферой, превращается в тепловое излучение, часть которого уходит в космическое пространство, а другая часть направляется обратно ва поверхность Земли и оттуда вновь поступает в атмосферу. Это явление аналогично увеличению температуры в парниках и называется парниковым эффектом.

Наличие парникового эффекта связано с присутствием в атмосфере неравномерно в ней распределенных паров воды, частично сконцентри­рованных в виде облаков. Около 10% изменения температуры за счет парникового эффекта обеспечивает равномерно распределенный в атмосфере углекислый газ, содержание которого в 16 раз меньше, чем паров воды. Остальные газы в атмосфере определяют менее 1% парни­кового эффекта. Данные об энергетических масштабах природных процессов приведены в табл. 1.

Продолжение табл. 1

Энергия солнечного излучения, поступающего на Землю, составля­ет около 1,3* 10²¹ ккал/г (1 ккал/г = 1,35-Ю^-4 Вт). Примерно 28% этой энергии отражается от атмосферы и земной поверхности. Остальная часть (рис. 2) поглощается атмосферой (2,5«Ю²⁰ ккал/г), океанами и морями (4,4-10²⁰ ккал/г) и сушей (1,9«10²⁰ ккал/г), В процессах фотосинтеза в растениях и' микроорганизмах в химическую энергию преобразуется около (3—6)« 10¹⁷ ккал/г, т.е. всего 0,03% падающей на Землю солнечной энергии. Лишь небольшая доля этой энергии ис­пользуется человеком: около 8* 10¹⁵ ккал/г в качестве топлива и около 4-Ю¹⁵ ккал/г в виде пищи. Из приведенных цифр следует, что около Уз солнечного излучения отражается в космос, около Уз оставшегося излучения поглощается атмосферой и в результате средний поток солнечной энергии, доходящий до поверхности Земли, оказывается уменьшенным примерно в два раза. Около */а остаточной энергии преобразуется поверхностью суши в уходящее в космос тепловое излучение без генерации заметных макроскопических движений. Более Уз энергии затрачивается на испарение воды и генерацию турбулент­ных потоков теплоты в атмосфере и Океане.

Как указывалось в начале параграфа, флуктуации температуры Земли на 0,1°С связаны с изменениями потока солнечного излучения на 0,1%. Это означает, что в течение нескольких десятков лет допусти­мо без ущерба для существующего климата и живых организмов изменение потока энергии в биосферу на величину порядка 100 ТВт.

19

Этот дополнительный приток энергии может быть вызван сжиганием ископаемого топлива, ядерной энергетикой, утилизацией солнечной энергии и т.д.

Современное энергопотребление человека составляет 10 ТВт, и, следовательно, в принципе допустимо увеличение энергопотребления по сравнению с современным уровнем примерно в 10 раз. Таков климатический предел энергопотребления.

Полная биосферная мощность первичной продукции (фотосинтеза) определяется водным режимом на суше и структурой водных сооб­ществ в Океане. На фотосинтез расходуется 100 ТВт солнечного излучения, что находится на пределе мощностей, не изменяющих естественные температурные флуктуации. Это, по-видимому, не слу­чайное совпадение: мощность биосферы достигла максимальной мощности, совместимой с устойчивостью климата. Это означает, что в рамках современного климата полная биосферная мощность увеличена быть не может.

Согласно закону сохранения энергии, в рамках стабильного клима-20

та человечество может употребить для своих нужд (пища, содержание скота, потребление древесины и т.д.) не более полной мощности всей биосферы — не более 100 ТВт, т.е. примерно на порядок больше по сравнению с существующим уровнем. Таков биологический предел потребления.

Оба указанных предела — климатический и биологический — имеют приписываемое им значение лишь в условиях сохранения биосферы. Поэтому реально существующим для развития человеческой цивилизации пределом является экологический предел. Он связан с поддержанием устойчивости окружающей среды.

Биохимические процессы в живом мире Земли поддерживаются внешней солнечной энергией и сводятся к синтезу и разложению органических веществ. Окружающая среда включает вещества и живые организмы (биоту), с которыми взаимодействует заданный живой организм. При этом под биосферой понимаются биота и окружающая среда в глобальных масштабах. В биосферу включается также и внешняя среда (например, верхние слои атмосферы), в которой нет живых организмов, но которая достаточно интенсивно перемешивается с окружающей биоту средой.

Прежде всего окружающая среда характеризуется концентрациями химических соединений, потребляемыми живыми организмами. Для организмов, разлагающих органические вещества, важны величины концентрации и формы существования органических веществ и кисло­рода р почве, воде, воздухе.

Для организмов, синтезирующих органические вещества, сущест­венны концентрации углекислого газа, соединений азота, фосфора и многих других элементов, называемых часто биогенами и входящих в состав живых организмов. Возникает вопрос: являются ли концентра­ции биогенов в окружающей среде случайными, зависящими лишь от абиогенных геохимических процессов, или же эти концентрации поддерживаются биотой на оптимальном для жизни уровне?

Очевидно, в первом случае биота должна была бы непрерывно приспосабливаться к изменяющейся окружающей среде. Характерный масштаб времени изменения концентрации биогенных веществ за счет геохимических процессов оценивается величиной порядка 100 тыс. лет. Ясно, что за период эволюции жизни на Земле концентрации практи­чески всех биогенов могли бы измениться на несколько порядков и принять значения, при которых существование жизни стало бы невоз­можным. Из этого следует практически однозначный вывод, что живые организмы не должны использовать в процессах жизнедеятель­ности вещества, концентрации которых не могут регулироваться биологическими процессами. Более того, биологически регулируемые

21

процессы и концентрации веществ должны определять также приемле­мые для жизни характеристики окружающей среды: температуру, спектральный состав доходящего до поверхности Земли солнечного излучения, режим испарения и выпадения водных осадков на суше и т.д.

Конечно же биота не может изменить такие характеристики приро­ды, как поток солнечной радиации за пределами Земли, приливы — отливы, вулканическую деятельностью. Однако неблагоприятные изменения и случайные флуктуации этих характеристик биота может компенсировать путем направленного изменения управляемых ею концентрацией биогенов в окружающей среде.

Воздействие биоты на окружающую среду сводится к синтезу органических веществ из неорганических и к разложению органичес­ких веществ на неорганические составляющие, т.е. к изменению соотношения между содержанием органических и неорганических веществ в биосфере. Скорость синтеза органических веществ определя­ет продукцию, а скорость их разложения — деструкцию.

Продукцию и деструкцию выражают обычно в единицах массы органического углерода, синтезируемого или разлагаемого в единицу времени. Это связано с тем, что органические вещества, входящие в состав живых организмов, имеют относительно постоянное соотноше­ние химических элементов. Содержание органического углерода в биомассе составляет в среднем 10%. При синтезе 1 г органического углерода биоты поглощается (а при разложениии — выделяется) 42 кДж энергии. Продукция или деструкция 1 т органического углерода в год соответствует поглощению или выделению энергии мощностью 1,3 кВт. При этом под мощностью биоты следует понимать ее продук­цию, выраженную в энергетических единицах.

Биота способна создавать локальные концентрации биогенов в ок­ружающей среде, намного отличающиеся от концентрации во внешней среде, где живые организмы не функционируют, только в том случае, если потоки синтеза и разложения органических веществ, приходя­щиеся на единицу земной поверхности (продуктивность и деструктив-ность), превосходят геофизические потоки переноса биогенов.

Например, почва, где физические потоки биогенов значительно меньше биологической продуктивности, обогащена органическими веществами и необходимыми для растений неорганическими соедине­ниями по сравнению с низлежащими слоями земной поверхности, где живые организмы отсутствуют. Следовательно, локальные концентра­ции биогенов в почве регулируются биологически.

Ё открытом Океане концентрации всех растворенных неорганичес­ких соединений биогенов изменяются в несколько раз от поверхности 22

Океана до глубины порядка сотен метров. Это связано с тем, что фотосинтез органических веществ протекает в поверхностном слое воды₁ куда проникает солнечный свет. Разложение же органических веществ может происходить на любой глубине. В результате концент­рация углекислого газа в глубине в несколько раз выше, чем у поверх­ности. Поверхностная же концентрация С0₂ находится в равновесии с атмосферой.

Если жизнь в Океане прекратится, концентрации неорганического углерода на глубине и у поверхности уравняются и это приведет к многократному увеличению концентрации СОг в атмосфере. Связано это с тем, что запас растворенного в воде неорганического углерода в виде бикарбонатных ионов, находящихся в равновесии с С0₂, почти на два порядка больше, чем в атмосфере. Увеличение концентрации С0₂ в атмосфере в несколько раз не изменит концентрации неоргани­ческого углерода в глубине Океана. Многократное же увеличение концентрации С0₂ в атмосфере приведет к катастрофическим измене-ниям климата (см. § 4.5). Следовательно, биота Океана регулирует атмосферную концентрацию С0₂ и тем самым сохраняет приземную температуру в оптимальных для жизни пределах.

Измерения концентрации углерода в пузырьках воздуха, содержа­щихся в ископаемых льдах Антарктиды и Гренландии, показали, что концентрация С0₂ в атмосфере оставалась постоянной в пределах погрешности измерений в течение последних нескольких тысяч лет, а по порядку величины сохранялась постоянной на протяжении сотен тысяч лет. В то же время биологический оборот биогенных запасов углерода в биосфере (отношение запасов органического ш неорганичес­кого углерода в биосфере к первичной продукции) исчисляется временами порядка десятков лет. Другими словами, при наличии только синтеза органических веществ в отсутствие их разложения весь неорганический углерод биосферы был бы переведен в органические соединения в течение нескольких десятилетий. Аналогично, при наличии только разложения в отсутствии синтеза весь органический углерод биосферы исчез бы за десятки лет. Тот факт, что концентра­ция С0₂ в атмосфере сохраняет порядок величины за время, в ДО⁴ раз большее времени оборота биогенного запаса углерода, свидетельствует о совпадении глобальных среднегодовых потоков биологического синтеза и разложения органических веществ с точностью до четырех значащих цифр, т.е. компенсируют друг друга с относительной точ­ностью порядка Ш~^А.

Помимо короткого биосферного цикла круговорота углерода существует геологический цикл, продолжительность которого состав­ляет 100 тыс. лет.

23

В общем виде биогеохимический цикл углерода представляет собой сложный процесс, который можно рассматривать в двух различных временных шкалах. Отложение в осадочных породах и окисление органической материи составляют по геологической временной шкале 100 млн. лет, тогда как время жизни атмосферного СОг — всего 22 года.

Соответственно круговорот углерода в биосфере, включая ископае­мое топливо, можно представить следующей схемой:

Здесь {О} —• окислительный эквивалент кислорода ({О} = Уг 0% = = {20Н} ~ Н₂0).

Имеется также приток в биосферу неорганического углерода за счет вулканической деятельности, дегазации мантии. Неорганический углерод выводится из биосферы за счет образования осадочных пород. Разность между выбросами и отложениями составляет чистый поток неорганического углерода в биосферу. Этот чистый поток имеет тот же порядок величины, что выбросы и отложения. Другими словами, выб­росы и отложения неорганического углерода не скоррелированы и не компенсируют друг друга. Отношение современного запаса неоргани­ческого углерода в биосфере к его чистому геофизическому потоку имеет порядок 100 тыс. лет. Это означает, что за время порядка 1 млрд. лет этот запас должен был бы возрасти в 10 000 раз, чего не произошло. Это связано с тем, что в биосфере существует компенсиру­ющий процесс накопления органического углерода в осадочных поро­дах и в виде ископаемого углерода.

Запасы ископаемого углерода достигают примерно 1,2* 10¹⁶ т. Это в тысячи раз больше, чем общее количество углерода, содержащегося в живых организмах (8*10^а т), в почвенном гумусе (2«10¹² т) или в атмосфере (7* 10¹¹ т), почти в сотни раз больше, чем растворено в 24

водоемах и океанах (3,5* 10¹³ т), и лишь в семь раз меньше содержания углерода в осадочной оболочке Земли толщиной порядка 1 км, представленной карбонатами («, 10¹⁷ т).

Таким образом, запасы ископаемого органического углерода, на­копленные примерно за 1 млрд. лет, превосходят запасы неорганичес­кого и органического углерода в биосфере на четыре порядка. Отсюда однозначно следует, что чистый геофизический поток неорганического углерода в биосферу и поток захоронения органического углерода в осадочных породах (равный разности продукции и деструкции) в среднем совпадают с точностью до четырех значащих цифр, т.е. с относительной погрешностью 10"⁴.

Следовательно, биота контролирует до восьми значащих цифр в величинах продукции и деструкции органического углерода. Случай­ные совпадения величины с такой точностью невероятны.

Ископаемый углерод выбывает из биологического круговорота. Для естественной биоты его запасы остаются неприкосновенными. Лишь человек начал использовать ископаемое топливо, присутствующее в виде концентрированных месторождений угля, нефти и природного газа. Содержание органического углерода в ископаемом топливе* составляет около 0,1% общего органического углерода осадочных пород.

Итак, естественная биота Земли устроена таким образом, что спо­собна с высочайшей точностью поддерживать пригодное для жизни состояние окружающей среды, регулировать концентрации биогенов в биосфере. Спрашивается: зачем биосфере потребовалась столь огром­ная величина биологической продукции? По-видимому, это необходи­мо для быстрого восстановления любых естественных нарушений окру­жающей среды (катастрофические извержения вулканов, падение крупных метеоритов и т.д.) в кратчайшие сроки.

С другой стороны, именно огромная мощность, развиваемая биотой Земли, сама таит в себе потенциальную опасность быстрого разруше­ния окружающей среды. Если целостность биоты будет нарушена, окружающая среда может полностью измениться за несколько десяти­летий. Устойчивость биосферы на протяжении всей эволюции опреде­лялась действием принципа Ле Шателье, выражавшегося в том, что скорость поглощения углерода биотой должна быть пропорциональна приросту концентрации углерода в окружающей среде по отношению к невозмущенному доиндустриальному состоянию.

Детальный анализ скоростей выбросов (сжигания) ископаемого топлива и. накопления углерода в атмосфере показывает, что вплоть до конца прошлого столетия биота суши подчинялась принципу Ле Ша­телье. В это время Земля эффективно компенсировала все воздействия

25

человека на биосферу и проблемы загрязнения окружающей среды не возникало.

С начала нашего столетия биота суши перестала поглощать избы­ток углерода из атмосферы. Это означает, что структура естественной биоты суши оказалась нарушенной в глобальных масштабах.