Миграция масс ионов натрия и хлора в биосфере

 

Процессы	Масса, 10^9 т/год
Натрий	Хлор
Биологический круговорот: на суше в океане Массообмен между океаном и атмосферой: океан— атмосфера атмосфера —океан Массообмен между сушей и океаном; водный сток с суши в океан: растворенные ионы взвесь Атмосферный перенос с океана на сушу	0,20 2,80   1,30 1,20     0,19 0,19 0,10	0,30 4,40   2,40 2,20     0,26 - 0,20

 

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.

Как следует из изложенного, 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 галоге-неза. 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 гипергенной мобилизации и 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.

Глава 7

ЦИКЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОСТУПИВШИХ

В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕГАЗАЦИИ

МАНТИИ

 

В настоящей главе рассматриваются циклы тех химических элементов, миграция и распределение масс которых наиболее ярко отражают связь биосферы с глубинными частями планеты. Эти элементы непрерывно, на протяжении всей геологической истории выделялись из вещества Земли в виде газов и образовали газовую оболочку. Их непрерывное поступление балансировалось столь же непрерывным удалением из атмосферы в гидросферу или осадочную оболочку (за исключением водорода, который мог частично диссипировать за пределы планеты). В то же время именно эти элементы в основном образуют живое вещество Земли, из них состоят ткани организмов океана и суши. Живое вещество в силу замечательного свойства — стремления к возможно более полному использованию энергии для биологических процессов — играет ведущую роль в циклической миграции этих элементов в биосфере. Благодаря указанному свойству и быстрой изменчивости организмов живое вещество обусловило определенную эволюцию циклов массообмена рассматриваемых элементов на протяжении геологической истории Земли.

Глобальный цикл углерода

 

Циклические процессы массообмена углерода имеют особо важное значение для биосферы. Распределение масс этого элемента следующее. В атмосфере, по данным Г. В. Войткевича (1986), находится 2450×10⁹ т углекислого газа, что соответствует 668×10⁹ т углерода; по данным К. И. Кобак (1988), масса углерода в атмосфере по состоянию на 1983 г. составляла 728×10⁹ т. В океане углерод (помимо его содержания в живых организмах) присутствует в двух главных формах: в составе органического вещества (растворенного в воде и отчасти находящегося в виде взвешенных дисперсных частиц) и в составе взаимосвязанных ионов НСО₃^-, СО₃^2- и СО₂.

Средняя концентрация растворимого органического вещества в океане оценивается в 1,5 мг/л органического углерода (С_орг), концентрация дисперсного взвешенного органического вещества значительно ниже — около 0,02 мг/л С_орг (Лисицын А. П. и др., 1983). Учитывая объем Мирового океана, можно считать, что в нем содержится примерно 2100×10⁹ т С_орг. Наряду с углеродом, входящим в состав органических соединений, в океане присутствует углерод, находящийся в карбонатной системе (С_к), главным образом в составе гидрокарбонат-иона НСО₃^-. Средняя концентрация НСО₃^- в океане (см. табл. 4.1) равна 143 мг/л, общая масса — 196 000×10⁹ т. В этой массе содержится 38 600×10⁹ т С_к.

 

Как отмечено ранее, основная масса живых организмов находится на суше и в пересчете на сухое вещество составляет 2500×10⁹ т. Это значение характеризует массу растений Мировой суши до начала активной хозяйственной деятельности человечества. Есть основания полагать, что в результате деятельности человека масса природной растительности суши сократилась на 25 % и составляет 1880×10⁹ т. Средняя концентрация углерода в сухом веществе растительности суши равна 46 % (см. табл. 2.2), следовательно, масса углерода в растительности суши до ее нарушения человеком составляла 1150×10⁹ т, а в настоящее время около 865×10⁹ т.

В океане в биомассе организмов-фотосинтетиков по последним данным Е.А. Романкевича (1988) сосредоточено 1,7×10⁹ т С_орг. Это на порядок больше, чем считали ранее, — около 0,1×10⁹ т (Добродеев О. П. и др., 1976). Кроме того, в океане существует значительная масса организмов-консументов, в которой связано 2,3×10⁹ т С_орг. В целом, количество углерода, находящегося в живых организмах океана, составляет доли процента от количества, которое сосредоточено в массе растений Мировой суши.

На суше, в педосфере, имеется значительное количество неживого органического вещества: слабо разложенных растительных остатков, образующих лесные подстилки и скопления торфа, а также почвенного гумуса. Масса подстилок близка к 200- 10⁹ т, торфа — 500×10⁹ т. Согласно последним данным (Орлов Д. С., Бирюкова О.Н., 1995; Глазовская М.А., 1997), во всем неживом органическом веществе Мировой суши связано около 2500×10⁹ т углерода. В океане средняя концентрация растворимого органического вещества около 1,5 мг/л, взвешенного — 0,02 мг/л. Соответственно масса растворенного С_орг равна 2055×10⁹ т, масса С_орг взвешенного — 27×10⁹т.

Обобщая изложенные сведения, можно заключить, что наименьшее количество углерода находится в атмосфере, несколько больше — в живом веществе суши, еще больше — в неживом органическом веществе педосферы. Значительная масса углерода содержится в океане в составе гидрокарбонатов — в 10 раз больше, чем в живом веществе, атмосфере и педосфере вместе.

Приведенные данные являются ориентировочными и отражают современный уровень знаний. Данные о распределении масс углерода в биосфере, полученные другими авторами и другими путями, принципиально не расходятся с нашими результатами, хотя численно отличаются (Виноградов А. П., 1967; Иванов А.И. и др., 1988; Кобак К.И., 1988; Романкевич Е.А., 1988; Болин Б., 1979 и др.).

Общая картина распределения масс углерода в земной коре представлена в табл. 7.1. Главной формой нахождения углерода в земной коре является С_к. Средняя концентрация карбонатного углерода на порядок превышает концентрацию органического. Это имеет место для земной коры в целом и ее главных слоев: осадочном, гранитном и базальтовом, а также для основных типов коры: континентальном, субконтинентальном и океаническом. Соотношение масс С_к: С_орг составляет около пяти и несколько возрастает в океанической коре из-за высокого процента карбонатных осадков.

Таблица 7.1