Вода, кислород и углерод в биосфере

Благодаря энергии гравитационного сжатия Земли и непрерывному поступлению солнечной энергии стало возможным образование упорядоченной структуры оболочек Земли и их глубокое разделение по элементному составу (рис.

3.7). Исследователь из соседней галактики, получивший образцы вещества из этих оболочек, сначала решит, что они взяты из разных миров.
Вещество биосферы — «живой оболочки Земли» состоит почти исключительно из углерода, водорода и кислорода (более 98 %) с небольшой примесью азота, кальция, калия, магния, кремния, фосфора и серы, которые наш воображаемый исследователь сначала вполне мог счесть за случайное загрязнение пробы. Скорее всего, он решил бы, что имеет дело с формальдегидом (СН,0) и его полимерами. При более подробном исследовании он сделает вывод, что имеет дело с веществом, состав которого приближенно определяется формулой
H296oO|48oC,4soN]6P2S.

Состав литосферы совсем иной, углерода и водорода в ней сравнительно немного, а господствуют алюмосиликаты, то есть соединения типа KAlSi3Os или CaAl2Si4012, где калий и кальций могут быть заменены другими щелочными или щелочноземельными металлами или железом.
Гидросфера — царство воды Н20, в которой содержится примерно 3,5 % растворённых солей, диссоциированных на положительные ионы Na+ (77 % всех катионов), К" (1,7 %), Mg2+(18 %) и Са2*(3,3 %) и отрицательные ионы СГ (90,3 % всех анионов), SO2" (9,3 %) и НСО; (0,4 %).
Наконец, атмосфера — это смесь азота (77 %), кислорода (21 %), водяного пара (около 1 %), аргона (0,93 %) и углекислого газа (менее 0,05 %) с очень малой примесью других газов.
Узнав, что все пробы взяты из тесно взаимодействующих между собой оболочек одной планеты, исследователь обратил бы внимание, что ближе всего к составу биосферы материал гидросферы. Отсюда он сделал бы правильный вывод, что именно вода была той средой, где зародилось вещество биосферы. Ему также стало бы ясно, что только очень длительные процессы, связанные с огромными затратами постоянно приходящей извне энергии, могли привести к наблюдаемому накоплению углерода в биосфере, так как его содержание в веществе остальных оболочек несопоставимо мало. Эти процессы действительно происходят, и обусловлены они взаимосвязанными круговоротами основных компонентов биосферы: воды, кислорода и углерода (рис. 3.8).
Вся вода (1,5 млрд км3) проходит цикл расщепления при фотосинтезе примерно за 2 млн лет. В этом цикле участвует ничтожная часть всей воды, вовлечённой в геофизический круговорот воды в природе, показанный на рис. 3.9, при котором вода не подвергается биохимическому расщеплению при фотосинтезе, а только испаряется с поверхности и выпадает в виде осадков. Общая масса воды на Земле составляет примерно 1,5- 1018 тонн. Молекулы воды, попавшие в верхние слои атмосферы, частично Расщепляются солнечным коротковолновым и' тучением на кислород и водород. Тяготения Земли не хватает, чтобы удержать лёгкий водород, и он рассеивается в космосе. Ювенильные («молодые») воды поступают из вулканов и гейзеров и компенсируют ЭТУ Диссипацию (рассеяние) водорода из верхней атмосферы. Возможно также, что утечка водорода в космос частично компен- сируется «протонным дождём», исходящим от Солнца.

Рис. 3.7. Относительное содержание элементов в наружных оболочках Земли. Столбики на диаграммах соответствуют количеству атомов элементов на миллион атомов вещества данной оболочки

Рис. 3.8. Упрошенная схема биосферного круговорота воды, кислорода и углекислого газа. Геофизический круговорот воды, при котором она не участвует в фотосинтезе, показан на рис. 3.9 и происходит примерно за 2000 лет, то есть в
1000 раз быстрее

Только сравнительно небольшая часть воды, усваиваемой растениями (и животными) подвергается химическому расщеплению (рис. 3.10). Чтобы произвести 10 кг биомассы, большинство растений потребляет примерно 1000 литров воды.

Из этой, пропущенной через корни, воды 991 литр идёт на испарение с поверхности листьев, что необходимо растению в первую очередь для охлаждения. Из оставшихся 10 литров 7,5 остаются в тканях растения в виде химически свободной воды, и только литра воды подвергаются расщеплению в процессе фотосинтеза и вместе с СО: и выделенными из раствора минеральными веществами формируют собственно органические ткани (так называемое «сухое вещество»). Именно энергия, затраченная на расщепление этой воды, оказывается запасена в тканях растения и может использоваться в пищевой сети экосистемы.
Круговорот кислорода непосредственно связан с круговоротом воды и других веществ, прежде всего углерода (рис. 3.11). Весь кислород воздуха проходит через живое вещество за 2000 лет

Рис. 3.9. Геофизический круговорот воды на Земле. Указано распределение воды между основными резервуарами в процентах и основные среднегодовые потоки в мм слоя воды, равномерно распределенного по поверхности резервуара-источника или приёмника. Все приведённые численные оценки приблизительны

и представляет собой, в конечном счёте, кислород воды, расщеплённой растениями в процессе фотосинтеза или, в малой Доле, жестким солнечным излучением в верхней атмосфере. Баланс кислорода в атмосфере поддерживается за счёт дыхания, окисления горных пород и процессов горения при лесных и степных пожарах и сжигании топлива человеком. Небольшая часть кислорода, истраченного в этих процессах на образование С02, попадает в океан и оседает на дно в составе известняковых отложений вместе с СаСОз. Кислород участвует в химических превращениях и формировании потоков всех существенных элементов в биосфере, в том числе серы и фосфора, однако только Малая доля потоков самого кислорода вовлекается в эти реакции, Поэтому они не оказывают существенного влияния на его собст-

Рис. 3.10. Типичный водный баланс растений. Основная часть воды, взятой корнями растения из почвы, идёт на транспирацию, то есть испаряется с поверхности листьев при дыхании

венный круговорот. Помимо формирования химической структуры биосферы кислород играет важнейшую роль в защите жизни от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца (см. рис. 3.5 и реакции (3.1)).
Круговорот углерода — главного элемента, из которого строятся каркасы всех органических молекул, показан на рис. 3.12. Диоксид углерода выдыхается животными и растениями и вновь вовлекается в фотосинтез за 300 лет. Он хорошо растворяется в воде, и часть его образует при этом слабую угольную кислоту, которая диссоциирует на ионы водорода Н , гидрокарбонат-иоН НСОз и карбонат-ион COj". Концентрации СО: в воздухе и в водном растворе в принципе должны находиться в равновесии, однако часть диоксида углерода фиксируется водными организмами И

Рис. 3.11. Основные потоки кислорода на Земле

осаждается на дно в виде известняков (карбонат кальция СаС03). Поэтому существует сдвиг в сторону поглощения ССЬ океаном. Углерод известняковых отложений может вернуться в атмосферу при медленном растворении дождями через десятки миллионов лет, если известковые породы окажутся на суше. Таким образом океан способен регулировать атмосферную концентрацию углекислого газа. Внимательно присмотревшись к оценкам потоков Углерода на рис. 3.12, можно заметить, что потоки, поступающие в атмосферу, слегка отличаются от потоков, идущих из атмосферы. Именно этот небольшой разбаланс, возникающий из-за сжигания горючих ископаемых, и ведёт к накоплению С03 в атмосфере и росту парникового эффекта.

Рис. 3.12. Круговорот углерода в биосфере. Содержание углерода в резервуарах дано в млрд тонн (прямой шрифт), интенсивность потоков между резервуарами в
млрд тонн в год (курсив)

<< | >>

↑

Источник: Гальперин М. В.. Экологические основы природопользования. 2003

Еще по теме Вода, кислород и углерод в биосфере:

- Детская психология - Общая экология - Природопользование - Социальная экология - Экологический мониторинг - Экология города и региона - Экология человека -