Глобальный круговорот веществ
Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический), и малый, или биологический (биотический).
Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота веществ лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабе планеты.
Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т. п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу - и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре.
Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ.
В круговороте воды суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Особенность круговорота в том, что из океана испаряется воды больше (примерно 3,8 геограмма), чем возвращается с осадками (примерно 3,4 геограмма). На суше, наоборот, осадков выпадает больше (примерно 1,0 геограмм), чем испаряется (суммарно около 0,6 геограмма). В связи с тем, что из океана воды испаряется больше, чем возвращается, значительная часть осадков, используемых экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, производящими пищу для человека, состоит из воды, испаряющейся из моря. Излишки воды с суши стекают в озера и реки, а оттуда снова в океан. По существующим оценкам, в пресных водоемах (озерах и реках) содержится 0,25 геограмма воды, а годовой сток составляет 0,2 геограмма.
Таким образом, время оборота пресных вод составляет примерно один год. Разность между количеством осадков, выпадающих на сушу за год (1,0 геограмм), и стоком (0,2 геограмма) составляет 0,8 геограмма, которые испаряются и поступают в подпочвенные водоносные горизонты. Поверхностный сток частично пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них (рис. 4.1).
Рисунок 4.1- Круговорот воды в биосфере: объем испарения и осадков указан в геограммах (1 геограмм равен 1020 г, или 1014 т)
С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавился процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью растений и животных - . Соотношение количества воды, выделившейся в результате транспирации и испарения, меняется в зависимости от местных условий. В тропическом влажном лесу количество воды, испаряемой растениями, достигает 7000 м3тод'1 с 1 км2, тогда как в саванне на той же широте и высоте с той же площади оно не превышает 3000 м3год1. Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат регионов. Она является также водоохранным и водорегулирующим фактором: смягчает паводки, удерживая влагу в почвах и препятствуя их иссушению и эрозии.
Общие запасы воды на земле оцениваются приблизительно в 1386 млн км3.
Соленая вода составляет около 97,5 % объема водной массы, на мировой океан приходится 96,5 %.
Объем пресных вод, по разным оценкам, составляет 35 - 37 млн км3, или 2,5 - 2,7 % общих запасов воды на Земле. Большая часть пресных вод (68 - 70 %) сосредоточена в ледниках и снежном покрове.
Энергетика гидрологического цикла: около трети поступающей солнечной энергии затрачивается на движение воды. Это еще один пример «безвозмездной услуги», которую оказывает людям Солнце. Круговорот воды можно представить в виде двух энергетических путей.
Верхний путь (испарение) приводится в движение солнечной энергией, нижний (выпадение осадков) - отдает энергию озерам, рекам, заболоченным землям, другим экосистемам и непосредственно человеку, например на ГЭС (рис. 4.2).
Рисунок 4.2- Энергетика гидрологического цикла (по Ю. Одуму)
Деятельность человека оказывает огромное влияние на глобальный круговорот воды, что может изменять погоду и климат. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т. п. сток воды в океан увеличивается и пополнение фонда грунтовых вод сокращается. Во многих сухих областях эти резервуары выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются. В засушливых районах США (западная часть Оклахомы, Техас, Канзас), например, подземные горизонты наполнены водой, которая накопилась там в более влажные предыдущие геологические периоды, и теперь количество ее не
увеличивается. Вода здесь - невозобновляемый ресурс, подобно нефти. Основные источники ее будут исчерпаны через 30 - 40 лет, и ясно, что решение проблемы будет трудно найти, многие пострадают от экономического краха.
В настоящее время по всему миру создана сеть измерительных станций для выявления изменений в круговороте воды, от которого в значительной мере зависит будущее человека на Земле.
Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический круговорот. В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.
В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества, как уже упоминалось, затрачивается всего около 1 % падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму.
Все планетарные циркуляции веществ тесно переплетены, образуя общий глобальный круговорот, перераспределяющий энергию, поступающую от Солнца.
Иными словами, все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ.
Более или менее замкнутые пути движения химических элементов называются биогеохимическими циклами («био» - относится к живым организмам, а «гео» - к твердым породам, воздуху и воде). Из почти ста химических элементов, встречающихся в природе, 30 - 40 являются биогенными, т. е. необходимы организмам. Некоторые из них, такие, как углерод, водород, кислород, азот, фосфор, нужны организмам в больших количествах - макроэлементы, другие - в малых или даже ничтожных - микроэлементы. Жизненно важные для организмов элементы всегда участвуют в биогеохимических циклах, которые называют круговоротом питательных или биогенных веществ.
Вода присутствует во всей биосфере – не только в водоемах, но и в воздухе, почве и во всех живых организмах. С возникновением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, потому что к простому явлению физического испарения добавился намного более сложный процесс биологического испарения - транспирация, связанный с жизнедеятельностью растений. Количество воды, испаряющейся в результате транспирации или испарения с поверхности моря, изменяется в зависимости от местных условий. С единицы площади местности, удаленной от моря, испаряется значительно больше воды, чем с поверхности моря. Средняя транспирация составляет в 2000-6000м3 воды за год с 1 га площади растительной поверхности. Транспирация – это процесс, крайне необходимый для жизнедеятельности растений. Во-первых, испарение воды с поверхности листьев сохраняет их тепловой баланс и не дает им перегреваться. Во-вторых, большие массы воды, которые испаряются растительностью в воздух, необходимы для почвенного питания растений веществами, растворенными в воде. Так, для образования 1 г сухого вещества растению нужно поднять из почвы и транспирировать 500 г воды, а для усвоения 1 г углекислого газа – 100 г воды.
В круговороте отдельных элементов различают две части:
- большая масса медленно движущихся веществ (в основном, небиологическая часть) и подвижный, или меньший, но более активный, который быстро обменивается между организмами и окружающей их средой. Иногда резервный фонд называют «недоступным», а обменный - «доступным»
Следует иметь в виду, что циклы с малым объемом резервного фонда более подвержены воздействию человека. Биогеохимические циклы делятся на два типа: с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме круговорота воды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов. Рассмотрим некоторые из них.