Круговорот углерода в биосфере и антропогенные факторы влияния Содержание Введение

В ся жизнь на Земле основана на углероде, каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Создание органического вещества и его распад обеспечивают постоянный обмен веществ и энергии между живыми организмами и средой их обитания. Эти перемещения названы биогоехимическим (биотическим) круговоротом, или биогеохимическими (рис. 1).

Рис. 1. Круговорот углерода.

В круговороте постоянно находятся огромные массы органических и неорганических соединений. Однако циклы не замкнуты полностью. Так, в наземных экосистемах ежегодно выводится из оборота около 180 т углерода, накапливающегося в осадочных породах.

Круговорот определяет судьбу многих жизненно важных химических элементов: кислорода, углерода и азота, а также к таких элементов, как водород, фосфор, натрий, калий и кальций и др. 1 .

Одной из центральных проблем современной экологии является изучение круговорота углерода 2 . Интерес к этой проблеме вызван существующей гипотезой о парниковом эффекте - наличием связи между температурой атмосферы и содержанием в ней "парниковых" газов (диоксид углерода, метан, пары воды, окислы азоты, фреоны и др.), которая обусловлена различием в проводимости этими газами коротковолнового и длинноволнового излучения. Считается 3 , что среди парниковых газов диоксид углерода оказывает наиболее существенное влияние на климат. Анализ литературы показывает, что в настоящее время среди ученых нет единого мнения относительно наличия или отсутствия парникового эффекта.

1. Круговорот веществ

Круговорот веществ на Земле – повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Эти процессы имеют определённое поступательное движение, т. к. при так в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ 4 .

Около 5 млрд. лет назад произошла дифференциация вещества Земли, разделение его на ряд концентрических оболочек, или геосфер:атмосферу, гидросферу, земную кору, гранитную, базальтовую и др. оболочки, отличающиеся друг от друга характерным химическим составом, физическими и термодинамическими свойствами. Эти оболочки в последующее геологическое время развивались в направлении дальнейшего наиболее устойчивого состояния. Между всеми оболочками и внутри каждой продолжался обмен веществом.

Вначале наиболее существенную роль играл вынос вещества из недр Земли на поверхность в результате процессов выплавления легкоплавкого вещества Земли и дегазации. В дальнейшем обмен веществом между глубокими областями и поверхностью Земли сократился. В конце докембрия обособились более спокойные области земной коры — платформы и области интенсивной тектонической и магматической деятельности — геосинклинали. С течением времени платформы росли, а геосинклинальные области сужались.

В современный период обмен веществом между геосферами по вертикальному направлению достаточно определенно может наблюдаться на глубине 10—20 км. Не исключено движение вещества и из более глубоких зон Земли, однако этот процесс в настоящее время уже не играет существенной роли в общем круговороте веществ на Земле.

Непрерывный круговорот веществ наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосферы и в биосфере. Со времени появления биосферы (около 3,5 млрд. лет назад) круговорот веществ притерпел значительные изменения. К физико-химическим превращениям прибавились биогенные процессы.

Наблюдаемый круговорот веществ на Земле слагается из множества разнообразных повторяющихся в основных чертах процессов превращения и перемещения вещества. Отдельные циклические процессы представляют собой последовательный ряд изменений вещества, чередующихся с временными состояниями равновесия. Как только вещество вышло из данной термодинамической системы, с которой оно находилось в равновесии, происходит его дальнейшее изменение, пока оно не возвратится частично к первоначальному состоянию. Полного возвращения к первоначальному состоянию никогда не происходит.

Отдельные циклические процессы, слагающие общий круговорот веществ на Земле, никогда не являются полностью обратимыми. Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается в частные круговороты или захватывается временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.

Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе и растворенные в воде вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют осадки, морские напластования. Крупные медленные геотектонические изменения, опускание материков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что накопленные на дне морей и океанов вещества снова возвращаются на сушу (литосферу).

Малый круговорот, являясь частью большого, состоит в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тканей растений, входят в состав органических веществ, обеспечивают жизнедеятельность самих растений, а также организмов-консументов. Продукты распада вещества после гибели растений попадают в распоряжение почвенной микрофлоры и мезофауны (бактерий, грибов, червей, моллюсков, простейших и др.), т.е. вновь вовлекаются в поток вещества (и энергии).

Круговорот химических элементов (или веществ) из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла 5 .

Современная продукция органического вещества в биосфере составляет 100 млрд т/год в единицах массы органического углерода. Эта величина соответствует 1000 млрд. т живой массы. Время существования жизни на Земле около 3,5 млрд. лет. Если принять, что средняя продуктивность живой массы за это время равна 500 млрд. т в год, то всего за время существования жизни образовалось приблизительно 2·10 12 млрд т живого вещества. (Это всего лишь втрое меньше массы всей Земли).

Масса биосферы около 1,4·10 9 млрд. т. Таким образом, продукция биоты за время существования Земли превосходит массу биосферы на три порядка (в 1000 раз). Это значит, что все атомы углерода на Земле в среднем приблизительно 1000 раз становились частью синтезируемого органического вещества, а затем столько же раз это вещество подвергалось деструкции.

Поэтому даже малые (казалось бы, пренебрежимо малые), но устойчивые антропогенные воздействия могут приводить к существенным изменениям естественных круговоротов. Отсюда вытекает важнейшая роль деятельности человека в возникновении и усилении несбалансированности круговоротов с серьезными последствиями глобальных размеров 6 . Деятельность человеческого общества в настоящее время радикально трансформирует химию биосферы. Антропогенное влияние на биогеохимические циклы проявилось не только на локальном экосистемном, но и на биосферном, а также планетарном и околоземном космическом уровне.