Вопрос 35

Круговорот воды в биосфере

С гидросферой связано такое важное явление, как круговорот воды, называемый часто гидрологическим циклом. Под действием солнечного тепла вола нагревается и испаряется с поверхностей водоемов, почвы, листьев растений. Переносимые воздушными течениями водяные пары конденсируются и возвращаются на сушу в виде дождя, снега. Затем вода устремляется в направлении уклона местности, образуя поверхностный сток, пополняя русла рек и водоемы, фильтруется в грунт, увеличивая запасы почвенных и подземных вод. Выпавшая в виде осадков и поступившая в почву, водоемы вода вновь испаряется, и процесс круговорота повторяется. Удаление некоторого количества водорода в космос компенсируется в основном за счет ювенильной воды. В биосфере обычно выделяют малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. При переносе водяного пара воздушными течениями на сушу круговорот становится сложнее.

Часть выпавших осадков испаряется непосредственно с поверхности почвы и растительного покрова (транспирация) и поступает обратно в атмосферу, другая питает реки, водоемы, подземные воды, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, замыкая таким образом большой круговорот.

Количественные показатели интенсивности круговорота по данным разных исследователей несколько отличаются. Согласно А.А. Соколову, в круговороте воды на Земле участвует около 577 000 км3 воды. Столько воды ежегодно испаряется с поверхности океана (505 000 км3/год) и суши (72 000 км3/год) и вновь выпадает в виде атмосферных осадков: над океаном – 458 км3/год и над сушей – 119 000 км3/год. Разность в количестве осадков и испарения с поверхности океана представляет собой тот источник воды, который питает все воды суши – реки, озера, подземные и помненные поды, ледники и снежинки.

Вопрос 36

Глобальные циклы натрия и хлора.

Натрий – один из главных элементов, аккумулированных в земной коре в процессе ее выплавления. Концентрация Na2О в гранитном слое земной коры составляет 2,71 %, в осадочной оболочке – 1,5 %. Соответственно масса натрия в гранитном слое равна 165·1015 т, в осадочной оболочке 26,7·1015т (табл. 6.1).

Освобождаясь из кристаллического вещества земной коры, натрий в форме хорошо растворимого катиона переносится с континентальным стоком в океан, в водах которого содержится 14,7·1015 т этого элемента.

Главный миграционный поток натрия в биосфере связан с водным стоком с суши, с которым ежегодно выносится 0,185·109 т ионов этого элемента. Одновременно натрий выносится в составе твердого стока, находясь преимущественно в сорбированном состоянии. Средняя концентрация натрия во взвесях речного стока равной 4,6 мг/л, масса элемента - 0,19·109 т/год.

В цикле массообмена между поверхностью океана и тропосферой участвует около 1,3·109 т/год водорастворимых форм натрия, между поверхностью суши и тропосферой – примерно 0,14·109 т/год. С воздушными массами морского происхождения на сушу переносится более 0,1·109 т/год растворимых форм натрия. В то же время с поверхности суши в океан выносится с ветровой пылью примерно 0,01·109 т/год натрия в сорбированном состоянии.

Преобладание растворимого катиона Na+ в биосфере обусловливает присутствие больших масс натрия во всех типах природных вод, где он связан эквивалентными соотношениями с анионами Сl–, [SO4]2– и отчасти с [НСO3]–. В педосфере натрий играет важную роль в процессах катионного обмена. Высокое содержание натрия в поглощенном комплексе почв способствует измельчению почвенных агрегатов и образованию солонцов. Натрий принимает активное участие в засолении почв, где он образует соли с Сl– и [SO4]2–. Масса натрия в педосфере пока не определена количественно. Поскольку натрий в значительной степени аккумулируется в океане, его характеризуют как типичный талассофильный (талассо – море) элемент.

В организмах соли натрия (главным образом хлориды) имеют важное значение. Хлорид натрия является обязательным компонентом жидких тканей животных (плазмы, крови, лимфы) и клеточного сока растений, играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давление и влияет на содержание воды в тканях. В силу важной физиологической роли хлорид натрия в большом количестве поглощается растительными и особенно животными организмами, его недостаток вызывает тяжелые заболевания.

Средняя концентрация натрия в биомассе растительности Мировой суши около 0,12% массы сухого вещества, т.е. 3·109 т натрия. Концентрация в живом веществе океана значительно выше – 3,3 % массы сухого вещества, но общее количество натрия, связанное в океанической биомассе, на два порядка меньше, чем в наземной.

В структуре глобального биологического круговорота натрия ярко проявляется его талассофильность. Живое вещество Земли на протяжении года пропускает через себя около 4,6·109 т натрия, причем на суше в биологический круговорот вовлекается 0,2·109 т, а в океане почти в 20 раз больше.

Из растительных остатков соли натрия легко выщелачиваются, поэтому концентрация натрия в неживом органическом веществе и гумусе педосферы невелика – около 0,01 %, а масса близка к (0,2 - 0,3)·109 т. Натрий активно сорбируется осадками морей, поэтому в осадочной оболочке содержится большая масса этого элемента.

Глобальный цикл хлора

Этот цикл имеет много общего с циклом натрия. Хлор – типичный талассофильный элемент. Его распределение в биосфере характеризуется ясно выраженной аккумуляцией в воде Мирового океана, где в форме растворенных ионов Сl– содержится преобладающая часть массы элемента. Содержание хлора в гранитном слое земной коры составляет 0,021 %, масса– 1,7·1015 т. В осадочной оболочке концентрация хлора в 10 раз выше – 0,27%, а масса равна 6,5·1015 т.

Подобно натрию, среди форм нахождения хлора в биосфере доминируют хорошо растворимые ионы Сl–. Они определяют основные черты глобального цикла массообмена элемента, среди которых главная – исключительно высокая способность к водной миграции. Значительные массы хлора, так же как и натрия, многие миллионы лет мигрируют с поверхности суши в океан. Вторая особенность глобального геохимического цикла хлора, выраженная еще сильнее, чем в цикле натрия, – активная миграция в атмосфере в составе аэрозолей и возврат значительной массы элемента на сушу. На протяжении года из океана в атмосферу поступает 2,4·109 (с учетом сухих осаждений), а возвращается с осадками и в форме сухих осаждений 2,2·109 т. Разница в 0,2·109 т переносится с воздушными массами на сушу и там выпадает. Таким образом, значительная масса Cl– циркулирует в системе суша – океан – суша. Хлор называют циклическим элементом.

В аридных регионах, особенно в пределах бессточных территорий, хлор вместе с натрием и другими галогенными элементами аккумулируется в педосфере и замкнутых водоемах.

Хлор имеет важное физиологическое значение и содержится в живых организмах в виде соляной кислоты, ее солей, среди которых наиболее распространен хлорид натрия, а также разнообразных хлорорганических соединений. Средняя концентрация хлора в массе живого вещества суши равна 0,2 % (сухая масса), в фитомассе океана значительно выше – около 1 %. Можно считать, что в живом веществе суши находится 5·109 т, в биомассе фитосинтетиков океана – 0,17·109 т хлора. Концентрация рассматриваемого элемента в неживом органическом веществе педосферы и гумусе равна примерно 0,01% следовательно. масса хлора составляет около 0,5·109 т.

В биологический круговорот на суше захватывается около 0,34·109 т/год хлора в ионной форме. В морской воде его концентрация значительно выше и составляет около 3 % сухой массы организмов. На протяжении года биота Мирового океана пропускает через круговорот примерно 4,4·109 т хлора, т.е. на порядок больше, чем на суше.

Таким образом, в структуре глобальных циклов массообмена натрия и хлора много общего: преобладание хорошо растворимых форм, активная водная миграция с континентов в океан и возвратный атмосферный перенос значительных масс с океана на сушу, ведущая роль обоих элементов в процессе галогенеза (засоления). Важной чертой биосферной геохимии рассматриваемых элементов является их сильно выраженная талассофильность, результатом которой является превышение массы биологического круговорота в океане над массой биологического круговорота на суше. Сближает биогеохимию этих элементов важное физиологическое значение их главного химического соединения – хлорида натрия.

Вместе с тем распределение масс хлора и натрия в биосфере принципиально различается. Огромное количество натрия, сосредоточенное в осадочных породах и океане (40,7·1015 т), составляет всего 19,8% массы элемента, содержащейся в исходном гранитном слое земной коры, откуда натрий постепенно извлекался и включался в процессы циклического массообмена. Совершенно иная картина распределения масс хлора. В осадочных породах и основном резервуаре – океане – хлора почти в 20 раз больше, чем в гранитном слое. Если бы весь гранитный слой был разрушен, то освободившейся при этом массы хлора было бы меньше его массы, находящейся в настоящее время в океане. Очевидно, что источники поступления рассматриваемых элементов в биосферные циклы массообмена, происходившие на протяжении геологической истории, были разные. Натрий в основном поступал в результате процессов выщелачивания из верхнего слоя коры континентов, хлор – благодаря процессам дегазации мантии и выносу вулканических газов. В соответствии с этим выводом целесообразно раздельно рассмотреть особенности глобальных циклов элементов, поступивших в биосферу из указанных источников.