БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГООБОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ И ЕГО НАРУШЕНИЕ ЧЕЛОВЕКОМ
На нашей планете земная кора, атмосфера и океаны всегда были связаны геохимически между собой и с Космосом. Из Космоса на Землю непрерывно поступает, в основном солнечная энергия, и частично вещество (космическая пыль — до 5*106 т/год). Одновременно энергия и вещество рассеиваются Землей в окружающее космическое пространство. Эти связи прямые и обратные особенно усложнились и усилились с появлением жизни, а главное, растений на Земле. Возникла многокомпонентная, открытая система — биосфера.
СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И КРУГООБОРОТЕ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ
Термин „биосфера" впервые был предложен в 1873 г. австрийским геологом Эдвардом Зюссом для обозначения области (пространства) существования живых организмов на Земле. В современной научной практике для обозначения совокупности всего живого на Земле вместе с непосредственным окружением и ресурсами,
как правило, употребляют термин „экосфера". Экосфера рассматривается как глобальная система, объединяющая все современные экосистемы Земли. Верхняя граница экосферы проходит на высоте нескольких (не более 30) километров над поверхностью растительного покрова на суше или над уровнем океана. Нижняя граница в наземных условиях определяется максимальной глубиной проникновения корней растений и ходов роющих животных. В водной среде нижняя граница экосферы соответствует максимальной глубине сохранения биологической активности в донных осадках.
|
|
|
В 20-е годы нашего столетия учение о биосфере было развито и преобразовано выдающимся естествоиспытателем академиком В. И. Вернадским, который впервые подчеркнул исключительную роль живых организмов в образовании биосферы. По его определению биосфера — структурная оболочка Земли, созданная самой жизнью, где не только живут, но которая преобразована живыми организмами и связана с их жизнедеятельностью.
Следовательно, биосфера (по В. И. Вернадскому) представляет собой область существования всех былых экосфер и простирается далеко за пределы современной экосферы.
Почти весь кислород атмосферы, в том числе и образующийся в наше время, имеет биогенное происхождение. Также биогенными являются многие полезные ископаемые, включая нефть, уголь и газ. Таким образом, В. И. Вернадский существенно расширил границы биосферы, включив в нее всю гидросферу, нижние слои атмосферы, где сосредоточен практически весь кислород, и часть литосферы до глубины залегания полезных ископаемых биогенного происхождения.
Энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет Космическое происхождение. Она исходит от Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, их совокупность, превращают эту космическую лучистую энергию в Земную, и создают бесконечное разнообразие нашего мира.
|
|
|
Важнейшей характеристикой состояния биосферы является величина биомассы, т. е. массы всех органических веществ, созданных живыми организмами. Годичный прирост биомассы называется продукцией. Вся биомасса суши составляет величину порядка 6,5*1012 т; 98—99% биомассы суши приходится на растения и только 1—2% — на животных.
Продукция суши оценивается величиной 1,5—5,5*10'° т/год. Биомасса океана, примерно, соответствует 3,0*10ю т, из которых только 3% приходится на растения, а 97% составляют животные, в основном, планктон. Несмотря на то, что биомасса океана примерно в 200 раз меньше биомассы суши, их продукции практически равны, т. к. биомасса суши обновляется в среднем за 15 лет, а биомасса океана, представленная в основном планктоном, за несколько дней.
Та форма жизни, которая установилась на нашей планете (белково-нуклеиновая) существует за счет сочетания нескольких благоприятных астрономических факторов: постоянство светности Солнца (3,9*1020 МВт), большая масса Земли (6Т021 т), большое количество воды и воздуха, орбита Земли. Живые существа (растения, животные, микроорганизмы) существуют в атмосфере, гидросфере, верхней части литосферы и простилаются ввысь на 85 км (на этой высоте выявлены споры микроорганизмов в пробах воздуха), а опускаются вниз приблизительно на 1,5—2 км в молодых складчатых областях и на 7—8 км в кристаллических щитах.
|
|
|
Приспособленность живых организмов к экстремальным условиям окружающей среды безгранична: в горячих гейзерных источниках с температурой до 98 °С живут бактерии, в Мертвом море, где соленость воды составляет 35% существуют микроорганизмы, в сероводородных водах живут серобактерии, и т. д.
В. И. Вернадский доказал, что живые организмы формируют лицо Земли, состав атмосферы, гидросферы и литосферы, они не только приспосабливаются к условиям окружающей среды, но и активно их изменяют. Процессы в биосфере поддерживаются и порождаются космическими и земными факторами, а живые и неживые вещества на Земле составляют одно целое.
Одним из проявлений биологической активности организмов являются скорость их размножения, которая теоретически может равняться скорости звука. Например, одноклеточная водоросль диатомея теоретически способна за 8 дней создать массу живой материи равную земной, а в течении следующего дня — удвоить ее.
|
|
|
Кругооборот живого вещества выгодно отличается от неживого: живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет, мирового океана — за 33 дня, фитомасса океана — ежедневно, фитомасса суши — за 14 лет. В биосфере происходит беспрерывный обмен веществ, поэтому все химические элементы земной коры, атмосферы и гидросферы много раз входили в состав тех или других организмов.
Следует отметить, что живые организмы играют решающую роль в аккумуляции солнечной энергии: например, каменный уголь, углекислый калий, железо, медь, марганец имеют биогенное происхождение, молибден, кобальт, никель концентрируются водной средой больше, чем атмосферой.
Система связей в биосфере очень сложная, но основными блоками управления являются: энергия Солнца, внутреннее тепло Земли и радиоактивный распад. Стойкость биосферы за все время ее существования объясняется постоянством ее общей массы (1019 т), массы живого вещества (1015 т), энергии и химического состава, а все функции живых организмов в ней выполняются только комплексом их видов.
В. И. Вернадский доказал, что количество живого вещества является константой планеты в течении всего геологического времени, а изменения происходили только за счет перегруппировки химических элементов, а не коренными изменениями их состава и количества.
В. И. Вернадский впервые подчеркнул роль человека и разума в преобразовании биосферы. За минувшие 50—100 лет многосторонняя хозяйственная деятельность человека, ее прямое и косвенное влияние на атмосферу, гидросферу и литосферу подняли роль антропогенного фактора на уровень, сравнимый с природными биогеохимическими факторами кругооборота веществ в биосфере. Человечество стало геологической силой. Возникла так называемая „ноосфера" — сфера разума.
Как уже отмечалось, на нашей планете существовал геохимический кругооборот веществ, но с появлением жизни на Земле геохимические связи стали биогеохимическими — более сложными и разнообразными. В условиях развитой биосферы на протяжении последних сотен миллионов лет кругооборот веществ в природе осуществляется уже под совместным действием биологических, геохимических и геофизических факторов. Именно в этом смысле употребляются термины: биогеохимический кругооборот, биогеохимические циклы. В последнее время к перечисленным факторам, добавилась еще и хозяйственная деятельность человека, в результате чего происходит быстрое нарушение, формировавшегося миллионами лет, биогеохимического кругооборота веществ, что может иметь непоправимые последствия для будущего человечества.
Биогеохимический кругооборот и связанные с ним превращения энергии являются основой динамического равновесия и устойчивости биосферы. Нормальные, ненарушенные биогеохимические циклы имеют круговой, почти замкнутый характер. Этим поддерживается известное постоянство и равновесие состава, количества и концентрации компонентов в биосфере (например, состав атмосферного воздуха, концентрация солей в воде океанов, количество осадков и объемы речных стоков и т. д.). В свою очередь подобное постоянство обуславливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов к существованию на Земле. С другой стороны неполная замкнутость циклов в геологическом масштабе времени приводит к концентрированию или рассеиванию отдельных элементов. В качестве примера, можно привести концентрирование азота и кислорода в атмосфере, водах океанов, образование залежей карбонатов, фосфатов, железных руд, ископаемого горючего.
Все биогеохимические циклы, существующие в биосфере, складывались длительное время и протекают довольно медленно. По оценкам ученых полный оборот углекислого газа в атмосфере, т. е. время его полного замещения, составляет 300 лет, кислорода 2000 лет. В этих же пределах колеблется и продолжительность кругооборота других элементов. Общепланетарные климатические и геохимические циклы, охватывающие всю атмосферу и весь океан, толщи донных осадков и коры выветривания, протекают крайне медленно и исчисляются сотнями тысяч и миллионами лет. Поэтому огромные по размерам и происходящие в крайне короткие сроки (порядка десятков лет) масштабы человеческого воздействия на биосферу нарушают установившиеся скорости биогеохимических кругооборотов, что может привести к опасным, непоправимым последствиям.
Если взять практически любой живой организм на нашей планете и исследовать его состав, то окажется, что более 99% его веса составляют 9 основных элементов: О, Н, С, N, Ca, S, Р, К, Si, называемых в силу этого, «основными элементами жизни». Главными составными элементами живого вещества, по весу, являются кислород (65 — 70%) и водород (10%). Остальные — 20—25% представлены углеродом, азотом, кальцием (от 1 до 10%), серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1 %). Другие элементы присутствуют в живых организмах в микроколичествах (менее 0,1%): так, в теле человека их найдено более 70. Такое количество элементов — „кирпичей" живых организмов объясняется тем, что все они удовлетворяют двум требованиям: имеют минимальный объем и сохраняют стабильность при потере или приобретении электронов. Эти элементы, называемые биофильными, являются главными участниками биогеохимического кругооборота веществ в биосфере — основы ее динамического равновесия и устойчивости.
Различают три основных типа биогеохимических кругооборотов: воды, элементов в газовой фазе, элементов в твердой и жидкой фазах.
КРУГООБОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ
Воде отводится важнейшая роль в формировании и организации всех биогеохимических циклов в природе. Вода присутствует во всей биосфере: водоемах, воздухе, почве и живых организмах, последние могут содержать до 90% воды в своей биомассе. Так, тело человека содержит 71% воды. Без воды человек может прожить 8 суток; при потере 10% воды наступает самоотравление, а 21 % — смерть. Нагревание водных масс, образование и конденсация паров, движение поверхностных и подземных вод по уклону от областей питания к областям испарения представляет собой вторую (после фотосинтеза) важнейшую форму накопления, удерживания и перераспределения Космической энергии Солнца на планете и в ее биосфере. Эрозия, геохимические реакции, транспорт, перераспределение и накопление осадков на суше и в океане являются цепью передачи и превращения этой энергии, выполняемой мировым и локальными кругооборотами воды.
Вся вода, за очень небольшими исключениями, существующая в настоящее время на поверхности Земли, образовалась в результате процесса кристаллизации гранитной магмы, изверженной при вулканической деятельности в докембрийский период. Разработка теории магматизма показала, что магмы (расплавленные массы в глубинах Земли) содержат воду. Например, гранитная магма содержит до 1 % воды. Эти данные в пересчете на весь объем кристаллизовавшейся магмы примерно и соответствуют объему Мирового океана.
Кратко кругооборот воды в биосфере можно описать следующим образом: вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся главным образом из водяного пара, образующегося в результате испарения воды растениями (так называемая транспирация), сушей, поверхностью морей и океанов. Часть ее вновь испаряется, прямо или косвенно с помощью растений и животных, часть — питает подземные воды и часть — вместе с речным стоком, включающим поверхностный и подземный сток, достигает морей и оттуда испаряется. Очевидно, что количество испаряемой, в результате транспирации или непосредственно поверхностью суши и океана воды, а также количество осадков меняется в зависимости от местных условий и времени года. В общем случае, испарение с единицы площади в лесистой местности значительно больше, чем с единицы поверхности моря. С уменьшением растительного покрова, уменьшается транспирация, а, следовательно, и количество осадков, что приводит к понижению уровня грунтовых вод и в конечном итоге — к опустыниванию Земли.
Известно, что мировой водный баланс в историческом масштабе времени является достаточно постоянной величиной. Отдельно взятые локальные водные балансы, например для какой-нибудь местности, напротив — могут значительно колебаться, В геологическом масштабе времени можно обнаружить частые нарушения равновесия между балансами океанических и континентальных вод. Этим объясняются значительные колебания уровня океанов, с которыми связаны и изменения климата на Планете. В режиме континентального увлажнения существует цикл в 1800—2000 лет. В настоящее время, по данным ряда ученых, мы находимся в состоянии перехода из очень влажной континентальной фазы в более сухую. Это означает, что континенты имеют тенденцию отдавать часть своей воды океанам. Наблюдения последних 80 лет хорошо подтверждают ежегодное повышение уровня океанов на 1,2 мм, что соответствует уменьшению запасов воды суши на 430 км3 /год. Тем самым биогеохимический кругооборот воды в биосфере является незамкнутым.
Использование воды человеком подразделяют на водопользование и водопотребле-ние. При водопользовании вода остается в водоемах и применяется как транспортное средство (лесосплав, водный транспорт), среда (рыбное хозяйство, отдых), механический источник энергии (гидроэнергетика). Водопотребление связано с забором воды из водоемов и загрязнением природных вод сточными водами. Основными водопотребителями являются сельское хозяйство, энергетика, жилищно-коммунальное хозяйство. Потребность промышленности в воде очень велика; например, для выплавки 1 т чугуна и перевода его в сталь и прокат необходимо 50—150 ж3 воды, 1 т меди — 500 ж3 воды, производство 1 т пластмас требует до 100 ж3 воды, а 1 т синтетического каучука и искусственных волокон 2000—3000 ж3 воды.
Составление мирового водного баланса является лишь одной стороной важной проблемы. Необходимо с определенной точностью знать какой частью мировых водных ресурсов располагает человек для своей практической деятельности. Общее содержание воды на Земле оценивается величиной около 1,50Т09 /км3. Из этого количества пресная вода составляет только 2%, в том числе 24Т06 км3 — полярные льды и снега, 176-Ю3 /км3 — озера, 65103 км3 — влага почвы и подпочвенные воды, 2,12'103 — реки. Таким образом, в доступной для использования человеком форме содержится лишь около 0,01 воды на земном шаре. Фактически человек для своей хозяйственной деятельности может использовать, так называемые, ежегодно возобновляемые водные ресурсы, которые достаточно точно оцениваются среднемноголетним стоком всех рек в океан (поверхностным и подземным). Для всей Земли сток рек в океане оценивается величиной 45,0Т09 /км3 в год, в том числе подземный сток — 13,0*10б/км3 в год.
Для Украины эти две величины составляют, соответственно 4,7*102 и 0,9*102 /км3 в год.
Из нее следует, что уже сейчас для удовлетворения своих потребностей человечеству требуется около 40% пригодных для использования водных ресурсов, причем, большая часть из них тратится на разбавление загрязненных сточных вод. Следует отметить, что часто даже после эффективной очистки, для получения предельно допустимых концентраций вредных веществ сточные воды необходимо разбавлять. Так, для стоков производства синтетических волокон кратность разбавления составляет порядка 1:200, а полиэтилена — 1:30.
Ресурсы пресной воды распределены и в мире, и в нашей стране крайне неравномерно. В среднем на каждого жителя планеты приходится около 9 тыс. м3 речного стока в год. По отдельным странам эта цифра колеблется от 100 тыс. ж3 (Норвегия) до 3 тыс. м3 (Индия). В Украине этот показатель составляет — 15 тыс. м3. Причем, на Европейскую часть Земли, где проживает 70% населения и сосредоточен основной промышленный потенциал, приходится лишь 20% речного стока. В настоящее время пресной воды для десятков миллионов людей или не хватает, или ее приходится добывать с огромным трудом. На планете есть много мест, где люди получают доступ лишь к загрязненным источникам. Поэтому ООН объявила текущее десятилетие Международным десятилетием водоснабжения и улучшения санитарных условий.
В ходе истории современной цивилизации и особенно в последние десятилетия многосторонняя хозяйственная деятельность человека, ее прямое и косвенное влияние и последствия подняли роль антропогенного фактора на уровень, сравнимый с природными биогеохимическими факторами, определяющими кругооборот веществ в биосфере. Во многих звеньях и частях природного кругооборота веществ хозяйственная деятельность человека является главной направляющей силой не только в локальном и региональном, но уже и в глобальном масштабе. Вследствие этого в естественных биохимических циклах происходят значительные количественные и качественные изменения, ставящие под угрозу их бесперебойное функционирование и в конечном итоге — условия жизнедеятельности и существования самого человека.
Нарушение человеком кругооборота воды в природе происходит в основном по тем же причинам, что и изменение климата: уничтожение лесов, интенсивная ирригация, изменение гидрографической сети, увеличение концентрации углекислого газа и пыли в атмосфере, разрушение озонового слоя, производство энергии, загрязнение морей и океанов, в частности, образование на их поверхности нефтяных пленок и т. д.
Следствием перечисленных явлений становится изменение интенсивности испарения, а значит, и облачности, количества осадков, величины поверхностного и подземного стоков, уровня грунтовых вод и в конечном итоге — производительности сельского хозяйства. К другим отрицательным последствиям нарушения человеком кругооборота воды в природе можно отнести изменение и миграцию видов растительности и животных, затопление, заболачивание земли или ее иссушение и опустынивание, однообразие климата и ландшафта. Подобные явления пока наблюдаются в локальном и региональном масштабах.
Вопрос о глобальных изменениях кругооборота воды и водного баланса континентов, вызванных хозяйственной деятельностью человека, в настоящее время изучается.
Для сохранения сложившегося в биосфере биогеохимического кругооборота воды необходимо решить задачу рационального использования и управления водными ресурсами Земли. Кардинальным направлением в промышленности здесь является создание безотходных производств и в их составе замкнутых водооборотных циклов. Значительно сократить потребление воды можно, применяя новые безотходные процессы или совершенствуя существующие, в частности, улучшая методы очистки загрязненных сточных вод с целью возвращения их в производственный цикл.
Уничтожение лесов приводит к значительному уменьшению транспирации, а следовательно, уменьшению количества осадков, эрозии, засолению и опустыниванию почв. Разведение и сохранение лесов служит регулятором водного баланса и, в частности, речного стока. Наличие леса существенно уменьшает поверхностный сток и сток из небольших рек, паводковый расход воды, увеличивает общий годовой сток, сток в засушливые периоды, а также расход воды в межсезонный период. Увеличить транспирацию и все испарения с поверхности суши можно также за счет развития высокопродуктивного земледелия и орошаемого земледелия в засушливых районах. Сооружение водосборных бассейнов, например, плотин на малых реках, и поддержание их в хорошем биологическом состоянии позволит сглаживать пики паводков, регулировать расход воды и тем самым равномернее распределять ее запасы в течении года.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 178; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!