Круговорот содержащихся в воде веществ
К числу наиболее распространенных веществ, содержащихся в воде и участвующих вместе с водой в ее глобальном круговороте, относятся растворенные в воде соли, взвешенные вещества и газы. Для этих веществ есть, однако, и другие способы переноса, помимо водного.
Круговорот солей.С поверхности океана в атмосферу при выбросе волнением и физическом испарении ежегодно выносится в среднем 5,0 млрд т солей, возвращается обратно 4,5 млрд т с атмосферными осадками и пылеватыми частицами[7]. Разница (0,50 млрд т)— это соли, которые переносятся в атмосфере с океана на сушу. Значительно больше солей поступает ежегодно с суши в океан (4,53 млрд т). Последняя величина складывается из поступления солей с речными (3,1 млрд т), ледниковыми (0,03 млрд т) и подземными (1,2 млрд т) водами, а также при растворении речных взвесей (0,2 млрд т). Основным источником этих солей служит процесс растворения горных пород поверхностными и подземными водами.
Расчет переноса солей на земном шаре проведен с учетом их средней концентрации в атмосферных осадках и ледниковых водах—8—10 мг/л, в речных и подземных водах 75 и 545 мг/л соответственно. Некоторое постоянное накопление солей в бессточных областях не учитывалось.
Таким образом, на земном шаре происходит направленный процесс выноса солей с суши в Мировой океан в размере 4,53—0,50 ~ 4 млрд т/год.
Общее количество солей, растворенных в водах Мирового океана, равно, по В.Н. Степанову (1983), 46,5´1015 т. При объеме вод в океане 1338 млн км3 это дает среднюю соленость воды около 35‰. В обмене солями океана с атмосферой и сушей участвует не более 4 млрд т/год, что составляет всего около одной десятимиллионной доли общего запаса солей в океане. Поэтому повлиять сколько-нибудь заметно на изменение запаса солей в океане и соленость самой океанической воды даже длительное поступление солей с суши не может, тем более что часть приносимых солей осаждается на дно океана.
Круговорот наносов.Наносы — это содержащиеся в водных объектах твердые, в основном минеральные, частицы, поступающие в воду в результате эрозии земной поверхности и вымывания из грунта и переносимые водой во взвешенном или влекомом состоянии.
Круговорот наносов на земном шаре может проявляться лишь в геологическом масштабе времени, когда в разных районах планеты сменяется характер эрозионно-аккумулятивного цикла: эрозия осадочных пород на материке — смыв наносов в океан и формирование толщи отложений на дне океана — тектоническое поднятие толщ морских отложений и превращение их в сушу — эрозия этих отложений и т.д. В каждый же конкретный момент времени можно говорить лишь о направленном поступлении наносов с суши в Мировой океан.
Одновременно с этими глобальными эрозионно-аккумулятивными циклами геологического масштаба времени происходит и перераспределение солей на земном шаре, о чем речь шла выше: растворяются на суше главным образом осадочные породы океанического происхождения. Они-то и становятся источником солевого стока рек.
Основным переносчиком продуктов эрозии на поверхности суши служат сток талых и дождевых вод по склонам, сток вод в верхних звеньях русловой сети речных бассейнов.
Годовой сток взвешенных наносов рек мира при средней мутности речных вод 0,375 кг/м3 составляет 15,7 млрд т (по В.В. Алексееву и К.Н. Лисициной), что дает смыв с поверхности суши в среднем 150 т/км2, или 0,1 мм/год. Фактическая эрозия поверхности суши на несколько порядков превышает величину эрозии, рассчитанную по стоку наносов рек в их замыкающих створах. Превышение фактической эрозии над рассчитанной по стоку наносов объясняется тем, что огромные массы грунта, смытого плоскостным и ручейковым стоком, накапливаются у подножья склонов, большие объемы наносов отлагаются в устьях и на конусах выноса оврагов, ручьев, небольших речных притоков, на речных поймах и т.д. Различие между суммарным объемом эрозии и стоком наносов рек увеличивается с ростом площади речного бассейна.
В суммарном стоке наносов рек в среднем 90—95% приходится на взвешенные и 5—10% на влекомые наносы.
В Мировом океане постоянно находится приблизительно 1370 млрд т взвеси. Это наносы, поступающие с реками, но не успевшие еще осесть, продукты размыва берегов и взмучивания волнами грунтов дна в прибрежной зоне, частицы, приносимые ветром, взвеси органического происхождения.
Круговорот газов. Из газов, участвующих в круговороте веществ в природе, наибольшее значение имеют кислород О2 и диоксид (двуокись) углерода СО2.
Содержание кислорода в воде — главное условие жизнедеятельности водных организмов. Приходные составляющие баланса кислорода в воде — это поступление (растворение) кислорода из атмосферы, продукция кислорода в процессе фотосинтеза; расходные составляющие баланса О2 — это биохимическое потребление кислорода (БПК) при разложении органического вещества, химическое потребление кислорода (ХПК) при химическом окислении, потери кислорода при дыхании организмов и удалении в атмосферу.
Фотосинтез, в результате которого образуется органическое вещество, поглощается СО2 и выделяется кислород, идет под действием солнечного света и в присутствии хлорофилла в зеленых организмах в соответствии с формулой
6СО2 + 6Н2О→С6Н12О6 + 6О2↑ (3.8)
Разложение белковых веществ, с другой стороны, приводит к образованию следующих основных продуктов распада:
Белок → СО2 + NH4 + H2S + ... + Н2О (3.9)
В атмосфере содержится 1184´1012 т кислорода, в океане его 7,5´1012 т, т.е. почти в 160 раз меньше.
Кислород в океан поступает в результате фотосинтеза фитопланктоном (154 млрд т/год), а также с дождевыми и речными водами (3,6 млрд т/год) и при поглощении из атмосферы (54,8 млрд т/год). Основными потребителями кислорода являются биохимические процессы в океане (потребление растениями и животными, окислительные процессы и т.д.). На эти процессы уходит 151 млрд т кислорода в год. В атмосферу выделяется в год 61,4 млрд т кислорода. В итоге, по В.Н. Иваненкову, океан ежегодно отдает атмосфере 61,4-54,8 = 6,6 млрд т кислорода.
На суше в результате фотосинтеза ежегодно продуцируется кислорода почти столько же, сколько дает фитопланктон океана (около 150 млрд т/год). Часть кислорода над сушей тратится на биохимическое потребление (эта величина точно не установлена, но заведомо меньше биохимического потребления кислорода в океане), о чем косвенно свидетельствует соотношение зоомассы в пересчете на сухое вещество в океане (6 млрд т, по В.Г. Богорову) и на суше (0,5 млрд т).
Потребление кислорода на сжигание топлива составляло во всем мире в 1980 г. приблизительно 25 млрд т/год. По некоторым расчетам, к 2000 г. этот вид безвозвратной траты кислорода атмосферы должен был достигнуть 57 млрд т/год.
Таким образом, общий баланс кислорода на планете положительный, а основным источником пополнения атмосферы кислородом служит фотосинтез.
В отличие от кислорода диоксид углерода СО2 частично взаимодействует с водой и растворенными в воде карбонатами, образуя угольную кислоту и включаясь в карбонатную систему (см. формулу (1.4)).
Диоксид углерода поступает в водные объекты при окислении органического вещества (дыхание водных организмов, различные виды биохимического распада и окисления органического вещества), при подводных вулканических извержениях, с речным стоком. Количество СО2 уменьшается в водных объектах прежде всего вследствие процесса фотосинтеза. СО2 расходуется также на растворение карбонатов и химическое выветривание минералов.
Изменяется содержание СО2 также вследствие взаимодействия водных объектов и атмосферы. И гидросфера, и атмосфера взаимно регулируют содержание СО2 в воде и воздухе. Полагают также, что океан служит огромным планетарным «насосом» для СО2: он поглощает его в высоких широтах, где в связи с низкой температурой воды существенно возрастает растворимость газов, и отдает атмосфере в низких, куда по глубинным горизонтам поступает вода из приполярных районов.
Баланс СО2 в атмосфере очень сложен и недостаточно изучен. По современным представлениям, наблюдаемое увеличение концентрации СО2 в атмосфере на 3/4 обусловлено его выбросами в результате сжигания органического ископаемого топлива и на 1/4 связано с изменением характера землепользования (сведение лесов, осушение болот и др.). В настоящее время человечество ежегодно сжигает более 4,5 млрд т угля и 3,5 млрд т нефти и нефтепродуктов.
Количество диоксида углерода на протяжении истории Земли неуклонно уменьшалось, в то время как содержание кислорода увеличивалось. Уменьшение содержания СО2 сопровождалось понижением температуры воздуха: при снижении концентрации СО2 с 0,06 до 0,03‰, т.е. в 2 раза, температура понизилась на 2,5 °С. С мелового периода средняя температура на Земле снизилась на 11°С.
Как указывалось в разд. 3.2, в доиндустриальный период концентрация СО2 в атмосфере составляла около 0,280‰;в течение XX в. она резко возросла до 0,368‰. К 2100 г. концентрация СО2, согласно прогнозам МГЭИК, может увеличиться до 0,540—0,970‰,что будет на 93—246% больше, чем в доиндустриальный период. Как отмечают Ю.А. Израэль с соавторами (2001), существует неопределенность в оценке карбонатного обмена между атмосферой, Мировым океаном и поверхностью суши, а также неопределенность, связанная с темпами экономического развития общества в будущем, объемом ожидаемых выбросов СО2 в атмосферу, характером защитных мер и т.д. Поэтому разброс возможных значений содержания СО2 в атмосфере в конце XXI в. может быть еще больше — от 0,490 до 1,260‰. По мнению тех же авторов, по мере увеличения концентрации СО2 в атмосфере Мировой океан будет поглощать, по-видимому, все меньшую долю антропогенного СО2.
Изменения содержания СО2 в атмосфере уже привели и могут привести в дальнейшем к существенным изменениям климата и состояния гидросферы (см. разд. 3.2).