Основные биосферные круговороты веществ

И влияние на них хозяйственной деятельности человека

Важнейшей функциональной характеристикой биосферы яв- ляются протекающие в ней круговороты веществ, которые обу- словлены биогенными и абиогенными причинами. В настоящее время сильное влияние на них оказывает хозяйственная деятель- ность человека, что ведет к нарушению биосферы и может иметь тяжелые последствия для будущих поколений землян. Рассмот- рим круговороты наиболее важных биогенов – углерода, кисло- рода, азота, воды.

 

Круговорот углерода

Это один из самых важных биосферных круговоротов, по- скольку углерод составляет основу органических веществ. В кру- говороте особенно велика роль диоксида углерода (рис. 34).

Запасы «живого» углерода в составе организмов суши и океана составляют, по разным данным, 550-750 Гт (1 Гт равна 1 млрд т), причем 99,5 % этого количества сосредоточено на су- ше, остальное – в океане. Кроме того, в океане содержится до 700 Гт углерода в составе растворенного органического вещества. Запасы неорганического углерода значительно больше. Над каждым квадратным метром суши и океана находится 1 кг угле- рода атмосферы, и под каждым квадратным метром океана при глубине 4 км – 100 кг углерода в форме растворенных в воде кар- бонатов и бикарбонатов. Еще больше запасов углерода в осадоч- ных породах – в известняках содержатся карбонаты, в сланцах  –

керогены и т.д.

 

Рис. 34. Круговорот углерода в биосфере Примерно 1/3 «живого» углерода (около 200 Гт)  циркулиру-

ет, т.е. ежегодно усваивается организмами в процессе фотосинте- за и возвращается обратно в атмосферу, причем вклад океана и суши в этот процесс примерно сходный (по некоторым данным вклад суши в 2 раза выше).

До 50 % (по некоторым данным – до 90 %) углерода в форме диоксида возвращают в атмосферу микроорганизмы-редуценты

почвы. В этот процесс равный вклад вносят бактерии и грибы. Возврат диоксида углерода при дыхании всех прочих организмов, таким образом, меньше, чем при деятельности редуцентов.

Некоторые бактерии кроме диоксида углерода образуют ме- тан. Выделение метана из почвы возрастает при переувлажнении, когда создаются анаэробные условия, благоприятные для дея- тельности метанообразующих бактерий. По этой причине резко увеличивается выделение метана лесной почвой, если древостой вырублен и вследствие уменьшения транспирации происходит ее заболачивание. Много метана выделяется с городских свалок, ри- совых полей и пищеварительной системы домашнего скота.

Приведенные данные характеризуют биогенный круговорот углерода. В круговороте участвуют и геохимические процессы, при которых происходит обмен атмосферного углерода и углерода, со- держащегося в горных породах. Однако данных о скорости этих процессов нет. Полагают лишь, что их интенсивность менялась в истории планеты, и парниковый эффект, который наблюдается се- годня, многократно проявлялся в прошлом при усилении геохими- ческих процессов с выделением диоксида углерода, и при ослабле- нии процессов, которые «оттягивали» его из атмосферы.

Проблема потепления климата

В настоящее время происходит процесс потепления климата.

Существует две основные гипотезы объяснения этого явления:

а) антропогенная – причиной потепления климата являются выбросы в атмосферу антропогенного диоксида углерода (в пер- вую очередь при сжигании углеродсодержащего топлива);

б) потепление климата – это естественный процесс, связанный с солнечной активностью, так как вклад техногенного углерода в атмосферу не превышает 10 %, а океан и наземные экосистемы об- ладают высокой буферностью и связывают «лишний» углерод. Этой точки зрения придерживался крупный климатолог-географ М.И. Будыко, сегодня ее представляют ректор Гидрометеорологи- ческого университета Санкт-Петербурга Л.Н. Карлин и академик РАН, директор Института географии РАН В.М. Котляков. Эти уче- ные считают процесс потепления климата временным, на смену ко- торому в ближайшее время придет похолодание.

Антропогенная гипотеза потепления климата. Эта гипотеза лучше обоснована фактическим материалом (Рамсторф, Шельн- хубер, 2009), ее придерживается авторитетная Межправительст- венная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Изу- чение газового состава пузырьков воздуха в льдах Антарктиды показало, что в истории планеты были периоды, когда концен- трация диоксида углерода в атмосфере была выше, чем сейчас (например, 30 млн лет назад). Тем не менее, никогда процесс по- вышения концентрации диоксида углерода в атмосфере не был столь быстрым, что дает дополнительные аргументы в пользу ги- потезы антропогенной природы потепления климата.

В соответствии с антропогенной гипотезой наибольшую опасность представляет СО2 (диоксид углерода), ответственный за 60 % потепления. Концентрация СО2 в ХХ в. повысилась с 280 ppm (0,028 %) до 383 ppm и может достигнуть к концу XXI в. 540-970 ppm. Средняя температура атмосферы в ХХ в. повыси- лась на 0,8о С (в Европе – на 1о С, в России – на 1,3о С), в течение XXI в зависимости от величина эмиссии СО2 это повышение мо- жет составить 2-7 %. Из числа прочих парниковых газов сущест- венный вклад в потепление климата вносит метан. Метан быстро разрушается в атмосфере и потому менее опасен, чем СО2, высо- кое содержание которого длительное время будет сохраняться в атмосфере даже если удастся снизить величину его эмиссии. Большую роль играют пары воды, однако этот фактор определя- ется испарением с поверхности мирового океана, и человек прак- тически не может влиять на него.

Возможные последствия потепления климата. Потепление климата может вызвать ряд опасных последствий. Прогнозиру- ются следующие изменения:

· таяние ледников Гренландии и Антарктиды. Скорость про- цесса трудно предсказать, кроме того, есть мнение, что полного исчезновения этих ледников не произойдет: при потеплении кли- мата увеличится количество осадков, за счет чего ледовый по- кров будет нарастать, и таяние льда хотя бы частично будет ком- пенсировано;

·вследствие таяния ледников может значительно повыситься уровень мирового океана (в XXI в. – до 88 см, к 2300 г. – до 2,5 м);

·массы пресной воды, образовавшейся при таянии ледников Гренландии, могут нарушить «тепловой конвейер» Гольфстрима, что приведет к похолоданию в Европе;

·таяние льдов Арктики может стать причиной гибели белых медведей;

· вследствие усиления поглощения СО2 океаном произойдет подкисление морской воды. До начала потепления климата рН вод океана составлял 8,1, в настоящее время отмечен сдвиг на 0,1, возможно дальнейшее увеличение сдвига на 0,3-0,4. Это повлечет серьезные изменения биоты океана и может привести к полному разрушению экосистем коралловых рифов;

·таяние ледников Гималаев (самых больших после Антарк- тиды и Грунландии) может снизить водность рек Инда, Ганга, Брахмапутры, что приведет к катастрофическим последствиям для сельского хозяйства Индии;

·вытаивание многолетней мерзлоты может пагубно сказаться на лесах, озерах, городских строениях, инфраструктуре (дороги, линии электропередачи, трубопроводы и др.). Этот прогноз осо- бенно важен для России, значительная часть территории которой представляет зону распространения мерзлотных грунтов. Про- изойдет эмиссия в атмосферу огромного количества метана, ко- торый содержится в мерзлотных почвах в форме клатрата метана, что «подхлестнет» процесс потепления.

·произойдет дальнейшее усыхание ветландов, что усилит эмиссию СО2 из минерализующихся торфов;

·станут более частыми и масштабными лесные пожары, ура- ганы, наводнения и др.;

·снизится биологическое разнообразие природных экоси- стем, в первую очередь коралловых рифов, влажных тропических лесов и высокогорий;

·повысится смертность людей от высоких температур (в Ев- ропе в 2003 г. от жары умерло 35 тыс. человек) и от заболеваний вследствие распространения на Север «южных» болезней (в пер- вую очередь малярии);

· ухудшится обеспечение продовольствием, так как некото- рое повышение урожаев в странах умеренного климата не ком- пенсирует их значительного снижения в южных странах;

Возможности противодействия потеплению климата. Как ос- новное направление смягчения влияния потепления климата рас- сматривается декарбонизация энергетики на основе ВИЭ и атомной энергетики. Некоторую роль может сыграть лесовосстановление.

Обсуждаются возможности захоронения СО2 в геологических пластах. Для этого СО2 должен улавливаться в местах его образо- вания (в первую очередь на предприятиях теплоэнергетики) и пе- реводиться в сжиженное состояние, что позволит транспортиро- вать его в цистернах к местам захоронения. Однако технология такого секвестрования пока недостаточно разработана, и оно бу- дет обходиться очень дорого. Кроме того, невозможно улавли- вать СО2, который образуется при работе транспорта и неболь- ших предприятий.

В последние годы ряд климатологов (особенно академик Ю.А. Израэль) пропагандируют идею снижения температуры ат- мосферы за счет распыления аэрозолей соединений серы для снижения количества солнечной энергии, достигающей поверх- ности пленты. Этот вариант контроля потепления климата эколо- гически опасен, так как последствия распыления этих аэрозолей непредсказуемы.

Необходима адаптация цивилизации к последствиям потеп- ления климата путем экологизации всех сфер хозяйственной дея- тельности (сельского хозяйства, медицины, обустройства при- морских территорий, подверженных ураганам, регулирования режима стока рек и т.д.).

Международное сотрудничество по проблеме потепления климата координирует Киотский протокол – важнейшее между- народное соглашение, регламентирующее выбросы в атмосферу техногенного углерода, который является причиной потепления климата.

Контрольные вопросы

1. Каково соотношение количества «живого» углерода на су- ше и в океане?

2. Каково соотношение количества «мертвого» углерода в атмосфере и в океане?

3. Какая доля «живого» углерода ежегодно вовлекается в кру- говорот?

4. Какая доля углерода возвращается в атмосферу редуцента- ми наземных экосистем?

5. Перечислите факторы, нарушающие круговорот углерода.

6. Какие последствия может иметь усиление парникового эф- фекта?

 

Круговорот воды

Вода испаряется не только с поверхности водоемов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70 % состоят из воды (рис. 35).

 

Рис. 35. Круговорот воды в биосфере

Большое количес тво воды (около 1/3 всей воды осадков) ис- паряется растениями, особенно деревьями.

Разные фракции воды гидросферы участвуют в круговороте по-разному и с разной скоростью. Так, полное обновление воды в составе ледников происходит за 8 тыс. лет, подземных вод – за 5 тыс. лет, океана – за 3 тыс. лет, почвы – за 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10-12 суток.

Важную роль в годовом водном балансе биосферы играет океан (табл. 30). Испарение с его поверхности примерно в два раза больше, чем с поверхности суши.

Таблица 30

Годовой водный баланс Земли

(по Львовичу, 1986)

Элементы водного баланса	Объем, км 3	Слой, мм
Периферическая часть суши (116800 км2) Осадки Речной сток Испарение	106000 44230 61770	910 380 530
Замкнутая бессточ- ная часть суши (32100 км2) Осадки Испарение	7500 7500	238 238
Мировой океан (361100 км2) Осадки Приток пресных вод Испарение	411600 44230 455830	1140 120 1260
Земной шар (510000 км2) Осадки Испарение	525100 525100	1030 1030

До развития цивилизации круговорот воды был равновесным, однако в последние десятилетия вмешательство человека нарушает этот цикл. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с по- верхности почвы при орошении сельскохозяйственных культур. Ис- парение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появ- ления на значительной части его поверхности пленки нефти. Влияет на круговорот воды потепление климата, вызываемое парниковым эффектом. При усилении этих тенденций могут произойти сущест- венные изменения круговорота, опасные для биосферы.

Контрольные вопросы

1. Какой вклад в испарение воды вносит океан?

2. Какой вклад в испарение воды вносят растения?

3. С какой скоростью осуществляется круговорот разных фракций воды?

4. Расскажите о причинах нарушения круговорота воды.

 

Круговорот азота

Циркуляция азота в биосфере протекает по следующей схеме

(рис. 36):

– перевод инертного азота атмосферы в доступные для расте- ний формы (биологическая азотфиксация, образование аммиака при грозовых разрядах, производство азотных удобрений на за- водах);

– усвоение азота растениями;

– переход части азота из растений в ткани животных;

– накопление азота в детрите;

– разложение детрита микроорганизмами-редуцентами, вплоть до восстановления молекулярного азота, который возвра- щается в атмосферу.

В морских экосистемах азотфиксаторами являются цианобак- терии, связывающие азот в аммиак, который усваивается фито- планктоном.

В настоящее время, вследствие уменьшения доли естествен- ных экосистем, биологическая азотфиксация стала меньше про- мышленной фиксации азота (соответственно 90-130 и 140 мил- лионов тонн в год), причем к 2020 г. ожидается увеличение про- мышленной азотфиксации на 60 %. До половины азота, вносимо- го на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает эвтрофикацию водоемов.

А З О Т А Т М О С Ф Е Р Ы