Круговорот веществ - важнейший механизм природных процессов

Трудно полностью представить себе и оценить баланс вещества географической оболочки, т. е. соотношение между приходом и расходом. Но, по всей вероятности, этот баланс положителен.

Круговорот осадков

Элементами круговорота веществ в природе являются процессы преобразования простейших минеральных и органоминеральных веществ в более сложные соединения, их перемещение, дальнейшая деструкция с образованием простых форм. Круговороты имеют внешне характер замкнутых кругов, по которым как бы обращается одно и то же количество вещества. Например, считается, что ежегодно из Мирового океана испаряется более 450 тыс. куб. км воды и столько же возвращается обратно в виде атмосферных осадков и стока. Но в действительности круговороты никогда не бывают вполне замкнутыми: часть вещества на каком-то этапе цикла может "застревать", выпадать из оборота на более или менее длительное время или вовсе исчезать из него. Например, вода атмосферных осадков может связываться в результате различных реакций или погружения в толщу Земли.

Часть вещества Земли, в том числе воды, непрерывно уходит в межпланетное пространство из внешних слоев атмосферы, где скорость газов начинает превышать критическую (космическую) скорость.

Взаимодействие компонентов географической оболочки осуществляется путем обмена веществом и энергией. Миграция веществ в географической оболочке имеет форму круговоротов различного масштаба. Круговорот веществ - это повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер. Эти процессы имеют определенное поступательное движение, так как при так называемых циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ.

Из-за неполной замкнутости круговоротов веществ поддерживается известное постоянство веществ в компонентах географической оболочки. Однако в масштабах геологического времени концентрация тех или иных элементов меняется, например в атмосфере накапливаются биогенные азот и кислород, в земной коре - биогенные соединения углерода (нефть, уголь, известняки), скапливаются водород, а также железо, медь, никель в одних частях планеты (например, при извержении вулканов или в составе метеоритов и космической пыли) и рассеиваются в других.

Каждый химический элемент, совершая круговорот в географической оболочке, следует по своему пути. Все круговороты приводятся в движение солнечной энергией, а участвующие в них элементы попеременно переходят из органической формы в неорганическую, и наоборот. Равновесие круговоротов биогенных элементов может иногда нарушаться, и эти элементы или накапливаются в ландшафтах, или, наоборот, удаляются из них. Например, мертвый органический материал может накапливаться во время угле- или торфообразования в отложениях озер, прибрежных болот и мелких морей, где анаэробные условия препятствуют его разложению микроорганизмами. Другой пример: интенсивная эрозия, возникающая при обработке почвы и сведении лесов, приводит к вымыванию богатых биогенными элементами почвенных слоев. К основным биологическим циклам относятся круговороты таких важных для формирования живого вещества элементов, как углерод, кислород, азот.

Круговорот углерода

Растения ежегодно ассимилируют примерно 105 х 1015 г углерода, из которых 32 х 1015 г возвращается в фонд двуокиси углерода в результате дыхания растений. Остальная часть углерода обеспечивает дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в растительноядных пищевых цепях. Растения и животные ежегодно пропускают через себя от 0,25 до 0,30 % углерода, содержащегося в атмосфере и в океане в виде двуокиси углерода, следовательно, весь активный неорганический запас претерпевает круговорот каждые 300-400 лет. В наземных ландшафтах в круговорот вовлекается ежегодно около 12 % содержащейся в атмосфере двуокиси углерода, т. е. время переноса атмосферного углерода равно примерно восьми годам.

В воде углерод также выводится из круговорота, накапливаясь в виде СаСО3 (мел, известняк) химического или биогенного происхождения. Эти массы углерода остаются вне круговорота на длительное геологическое время.

Круговорот углерода. Источников углерода очень много, однако лишь углекислота, находящаяся в атмосфере в газообразном состоянии или растворенная в воде, перерабатывается в органическое вещество живых организмов. В процессе фотосинтеза эта углекислота превращается в сахар, затем в протеиды, липиды и другие органические соединения.

Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, служащие источником питания живых организмов. В процессе дыхания около трети этого углерода превращается в двуокись углерода и возвращается в атмосферу.

Основные источники современного антропогенного пополнения запасов углекислого газа - сжигание топлива, металлургия и химическая промышленность. В процессе хозяйственной деятельности ежегодно создается 15 - 25 х 109 т двуокиси углерода, что более чем в 100-200 раз превышает его природные поступления, составляющие 0,15 х 109 т в год.

Кроме того, в результате деятельности человека ослабевают процессы фотосинтеза (что связано с уничтожением лесов и загрязнением морей и океанов), что также приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере.

Регулярные наблюдения за содержанием углекислого газа в атмосфере, которые ведутся с середины прошлого века, показали, что за последние 10 лет оно увеличилось примерно на 10 % от его современной концентрации. Это создает так называемый парниковый эффект, так как углекислый газ задерживает длинноволновое тепловое излучение с поверхности Земли. В результате возможны повышение температуры воздуха, таяние ледников, подъем уровня Мирового океана.

На изменение климата нашей планеты воздействует не только этот, но и целый ряд других антропогенных факторов - загрязнение и запыление атмосферы, снижающее количество поступающей солнечной радиации на земную поверхность, сведение лесов и загрязнение поверхности Мирового океана нефтью, изменяющие альбедо производственные выбросы тепла в атмосферу.

Круговорот кислорода

Больше всего кислорода расходуется при сжигании топлива. Так, при сжигании 1 т угля потребляется годовая норма в кислороде десяти человек, а всего на Земле ежегодно сжигается 8 млрд. т условного топлива, т. е. расход кислорода огромен (ежегодно эта величина вырастает на 6 %). По подсчетам ученых, через 150-160 лет, если современные тенденции в хозяйстве сохранятся, количество свободного кислорода в атмосфере может понизиться до критического для человека предела. Таким образом, со временем перед человечеством может возникнуть проблема поисков дешевого способа получения свободного кислорода из минералов земной коры. Конечно, вероятность такого исхода ничтожна, так как человек - разумное существо и найдет средство снизить темпы сжигания горючих ископаемых, заменив их другими источниками энергии.

Накопление азота в водах, почвах, растительности вызывает целый ряд неблагоприятных последствий. Одно из них - эвтрофикация водоемов. Это процесс, в результате которого воды обогащаются питательными веществами. Нитраты и фосфаты служат пищей для водных растений. В "удобренном" водоеме вначале резко увеличиваются кормовые ресурсы - фитопланктон, затем возрастает количество ракообразных и рыб. Отмирание огромных количеств фито- и зоомассы приводит к расходованию больших запасов кислорода и накоплению сероводорода. Одни растительные и животные сообщества заменяются другими. Водоем постепенно зарастает. Соединения азота могут попасть и в организм человека, например, с сельскохозяйственной продукцией. Соединения азота, попадая в организм человека с пищевыми продуктами, соединяются с гемоглобином крови (в 300 раз быстрее кислорода). В результате нарушается питание тканей и органов кислородом, а это приводит к заболеваниям.

Нарушение природного круговорота фосфора происходит в результате целого ряда процессов - применения фосфорных удобрений, производства и потребления фосфорсодержащих продовольственных ресурсов и кормов. Достаточно сказать, что в мире ежегодно производится около 20 млн. т фосфора в виде удобрений. Причем дефицит фосфора в почвах связан не только с выносом его с урожаем сельскохозяйственных культур, но и с трудной усвояемостью его нерастворимых соединений живыми организмами. Поэтому часто приходится вносить на поля фосфора больше, чем его выносится с урожаем. Значительно влияет на круговорот фосфора постоянно возрастающее потребление продуктов рыбного промысла. При этом азот, углерод и сера частично уходят в атмосферу в парообразной форме, фосфор же остается в местах скопления органических отходов. Особенно интенсивно этот процесс протекает в районах большого скопления населения.

Круговорот кислорода. Кислород содержится в географической оболочке в разных формах: в атмосфере в газообразной форме - в виде молекул кислорода и двуокиси углерода, в воде - в растворенном виде, а также входит в состав самой воды. В атмосфере содержится примерно 1Д-1021 г кислорода. Гораздо больше его находится в связанном состоянии в молекулах воды, в солях, окислах твердых пород земной коры.

Атмосферным кислородом дышат живые организмы. Кроме того, он также расходуется на окислительные процессы простых веществ, образующихся при разложении сложных органических веществ микроорганизмами. Основной источник атмосферного кислорода - зеленые растения. Ежегодно в процессе фотосинтеза высвобождается 2,7 х 1017 г кислорода, что соответствует примерно 1.2500 части его содержания в атмосфере, а поэтому время круговорота (переноса) кислорода в атмосфере составляет около 2500 лет.

С развитием человеческого общества и индустриального производства появились новые виды потребления свободного кислорода: производство тепловой энергии при сжигании горючих ископаемых, металлургия, химическое производство, коррозия металлов. Расход кислорода, связанный с производственной деятельностью человека, составляет 10 - 15 % от того количества, которое образуется в процессе фотосинтеза.

Круговорот азота

Круговорот азота. Основной источник азота - воздух. В нем содержится около 78 % азота. Кроме того, электрические разряды во время гроз могут синтезировать из атмосферных азота и кислорода окислы азота, которые попадают вместе с дождевыми водами в почву. Интенсивно происходит и фотохимическая фиксация азота. Однако больше всего этого газа образуется в результате деятельности микроорганизмов - фиксаторов азота. К ним относятся бактерии, живущие в симбиозе с высшими растениями, в первую очередь с бобовыми. В водной среде азот из воздуха извлекают некоторые синие водоросли. Азот из разнообразных источников поступает к корням растений в виде нитратов. Корни адсорбируют их, и нитраты переносятся в листья, где из них синтезируются протеины, служащие основой азотного питания животных. После отмирания живых организмов органическое вещество разлагается, и азот впоследствии переходит из органических в минеральные соединения под действием аммонифицирующих организмов, образующих аммиак, который может войти в цикл нитрификации.

Растения ежегодно ассимилируют 86 х 1014 г азота - менее 1 % его активного фонда, поэтому общее время круговорота азота превышает 100 лет. При отмирании растений и животных азот переходит под воздействием бактерий-денитрификатов в атмосферу.

Основной источник "добавок" азота к природному круговороту - современное сельское хозяйство, широко использующее азотные удобрения. Массовое производство азотных удобрений приводит к нарушению естественного соотношения между количеством газообразного азота, образующегося из органических соединений и поступающего в атмосферу, и количеством азота, приходящего из атмосферы в процессе его естественной фиксации.

Круговорот фосфора. Фосфор - также один из важнейших элементов, участвующих в создании живого вещества, хотя содержание его в биомассе современной географической оболочки значительно меньше, чем, например, кислорода и углерода. Без фосфора невозможен синтез белков и других высокомолекулярных соединений углерода - этой важнейшей части живой биомассы. Основной источник фосфора в географической оболочке - апатиты. В миграции фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в многочисленные органические соединения. Особенно много его в костных тканях. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, скелетов рыб, млекопитающих, гуано. Это создает условия для образования богатых фосфором осадочных пород, которые в свою очередь являются источником фосфора в биогенном цикле.

Значительное влияние на запасы и распределение фосфора, как и азота, в географической оболочке, на скорость и замкнутость их круговоротов оказывают такие факторы, как уничтожение лесов, замена их травянистой и культурной растительностью.

Родоначальниками науки об изменении солнечной активности являются Г. Галилей, И. Фабрициус, X. Шейнер, Т. Гарриот, которые еще в начале XVII в. обнаружили на поверхности Солнца темные пятна. Позже целый ряд ученых пытался уточнить периоды изменений числа солнечных пятен, их цикличность. Впервые научно доказал существование косвенно действующей связи "солнцедеятельности" с природными процессами замечательный советский ученый А. Л. Чижевский, признанный основателем современной гелиобиологии.

Наиболее существенным проявлением активности Солнца являются солнечные пятна

Явления в природе могут быть периодическими (одинаковые фазы повторяются через равные промежутки времени: например, смена дня и ночи, смена времен года, период изменения наклона эклиптики и др.), циклическими, когда при постоянной средней продолжительности цикла промежуток времени между его одинаковыми фазами имеет переменную продолжительность (колебания климата, наступление и отступление ледников). Ритмичность установлена в атмосферных процессах (температура, осадки, атмосферное давление и др.), в развитии гидросферы (например, в колебаниях водности рек, уровней озер), в изменении ледовитости морей и развитии ледников на суше, в трансгрессиях (наступание моря на сушу) и регрессиях (отступание морей), в различных биологических процессах (развитие деревьев, размножение животных), в горообразовании. По продолжительности различаются ритмы суточные, годовые, внутривековые (от нескольких лет до десятилетий), многовековые и сверхвековые (измеряемые тысячелетиями, десятками и сотнями тысячелетий). Наконец, установлена повторяемость некоторых явлений через миллионы лет (такие ритмы условно можно назвать геологическими).

Изменение числа солнечных пятен

Характерная особенность и закономерность географической оболочки - ритмичность различных природных явлений и процессов.

Причины, лежащие в основе ритмичности процессов в географической оболочке, могут быть различными.

Значительная часть ритмов в географической оболочке связана с изменениями солнечной активности. Такие ритмы специалисты называют гелиогеофизическими (от греческого слова helios - солнце). Активность Солнца измеряется числами, пропорциональными общей площади пятен, видимых в данный момент на поверхности Солнца, так называемыми числами Вольфа. Советскими учеными был введен индекс геоэффективности пятен и связанной с этим корпускулярной радиации, который учитывает не только количество, но и местоположение пятен на Солнце.

К гелиогеофизическим ритмам относятся, например, 11-летние, 22 - 23-летние, 80 - 90-летние ритмы. Они проявляются в колебаниях климата и в ледовитости морей, интенсивности роста и смене фаз развития растительности (в частности, они фиксируются в годичных кольцах деревьев), изменениях активности вулканов.

А. Л. Чижевский (1897-1964)

(В книге-источнике отсутствует фрагмент страницы 127)

А. Л. Чижевский еще в 1930 г. установил зависимость целого ряда явлений органического мира от активности Солнца: урожаи злаков, рост и болезни растений, размножение животных и улов рыбы, колебания содержания кальция в крови и изменения веса младенцев, частота несчастных случаев и инфекционных заболеваний, рождаемость и смертность.

Науке известно множество ритмов в человеческом организме, например работа сердца, дыхание, биоэлектрическая активность мозга. И сейчас, как считает доктор медицинских наук Н. А. Агаджанян, установлено, что теория так называемых биологических хронометров вовсе не мистика и не имеет ничего общего с астрологией. Особое значение придается ритмам и периодам в 23, 28 и 33 дня, которые отсчитываются со дня рождения. Они получили даже характерные названия: первый - физический, второй - эмоциональный, третий -интеллектуальный. Вполне возможно, что и эти периоды обусловлены космическими причинами.

Зависимость между приростом деревьев в развитых странах Европы и солнечной активностью

Электрические и магнитные явления в атмосфере, вызванные 11-летними периодами солнечной активности, оказывают огромное влияние не только на климат, но и на все живое.

Во время повышения солнечной активности усиливается полярное сияние, циркуляция атмосферы, возрастает увлажнение, прирост фитомассы, активизируется деятельность микробов и вирусов. С 11-летними циклами медики связывают массовые эпидемии гриппа, рост сердечно-сосудистых заболеваний.

Схема 1800-летних ритмов увлажнения

Наряду с гелиогеофизическими ритмами проявляются ритмы, имеющие астрономическую природу. Их причиной могут быть изменения движения Земли по орбите и под влиянием других планет, например, изменение наклона земной оси к плоскости орбиты. Эти возмущения влияют на интенсивность облучения Земли Солнцем и, естественно, на климат. С ритмами такого рода (их продолжительность 21 тыс., 41 тыс., 90 тыс. и 370 тыс. лет) связывают многие события на Земле в последний четвертичный период (продолжительность от 600 тыс. до 1,5 млн. лет), прежде всего развитие оледенений. Астрономическую же природу имеют и самые короткие ритмы - суточный и годовой, а также ритмы, связанные с взаимным перемещением тел в системе Земля - Солнце - Луна. В результате перемещения Солнца и планет в системе возникают неравенство сил тяготения и изменение приливообразующих сил. Такую природу имеют так называемые ритмы увлажненности продолжительностью 1850 - 1900 лет. Каждый такой цикл начинается с прохладной влажной фазы, усиления оледенения, увеличения стока, повышения уровня озер и завершается сухой теплой фазой, во время которой ледники отступают, реки и озера мелеют. Эти ритмы вызывают смещение природных зон на 2 - 3° по широте.

(В книге-источнике отсутствует фрагмент страницы 128)

...ния Земли, Луны и Солнца приливы, вызванные одновременным действием Луны и Солнца, либо усиливают, либо ослабляют друг друга. Советский геолог Б. Л. Личков установил связи между изменением скорости вращения Земли под действием приливных волн и изменением климата, а также между другими природными явлениями (например, условиями питания и размножения рыбы), землетрясениями и др.

Связь приливов со скоростями вращения Земли, землетрясениями и климатом

Изучение ритмов солнечной активности представляет большой интерес для прогноза погоды, колебания водности рек и других природных явлений.

Самыми продолжительными считаются геологические ритмы. Природа их еще недостаточно ясна, но, по-видимому, также может быть связана с астрономическими факторами, хотя и выражается прежде всего в геологических процессах. Примером проявления геологических ритмов могут служить тектонические циклы (от греч. tektonikos - относящийся к строительству). Средняя продолжительность тектонических циклов в палеозое, мезозое и кайнозое составляет 150-180 млн. лет, что, вероятно, совпадает с галактическим годом, т. е. временем полного оборота Солнечной системы вокруг ее галактической оси.

Тектонических циклов было четыре - каледонский (первая половина палеозоя), герцинский (вторая половина палеозоя), мезозойский и альпийский. В начале каждого такого цикла происходили опускания земной коры и морские трансгрессии, климат был относительно однообразным, завершение цикла знаменовалось крупными горообразовательными движениями, расширением суши, усилением климатических контрастов, а также большими преобразованиями в органическом мире.

Углубленное изучение в будущем солнечно-земных связей и ритмов позволит прогнозировать на ближайшие двадцать-тридцать лет изменения природных процессов.

Особенно большое значение имеют прогнозы явлений, вызывающих природные катастрофы (засухи, наводнения, землетрясения, лавины, обвалы). Познание процессов, протекающих в географической оболочке, дает возможность предвидеть отдаленные последствия различных преобразований природы, выявлять тенденции, существующие в природе, учитывать их при вмешательстве в ход природных процессов, например, при проектировании различных сооружений, использовании территории для сельскохозяйственных и других целей.