Основные биосферные круговороты веществ

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 26 из 29Следующая ⇒

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)

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