Циркуляция элементов в биосфере

Таблица. Состав и температура атмосферы Земли и близких по массе планет солнечной системы.

Биосфера и человек

Вернадский различал 4 основных компонента биосферы:

1. Живое вещество, то есть совокупность живых организмов. Они обеспечивают непрерывный круговорот неорганической материи, определяя в конечном счете состав и характеристики газообразной, жидкой и твердой поверхностной оболочки земли. Особенно наглядна роль живого вещества в преобразовании атмосферы.

Показатели	Наименования планет
Марс	Венера	Земля без жизни	Земля с жизнью
Содержание, %				0,32
Содержание, %	2,7	1,9	1,9
Содержание, %	0,13	≈0	≈0
Температура у поверхности планет, С0	-53	+470	+290

2. Биогенное вещество – горючие ископаемые и осадочные породы, образование которых связано с жизнедеятельностью организмов (Известняк – самое распространённое).

3. Костное вещество – магматические, не биогенные осадочные и метаморфические породы.

4. Биокостное вещество – сочетает свойства как живого, так и костного вещества. Компонент представлен почвой.

Последнее время к этим компонентам добавляют радиоактивные вещества и вещества космического происхождения: метеориты и космическая пыль.

Нижним пределом биосферы можно считать изотерму +100 С⁰ – критическая температура для развития бактерий. Изотерма проходит на глубине Земной коры от 1,5 до 15 километров. Живые организмы обнаружены на глубине 1700 метров. На дне океана обнаружены бактерии на глубине 11 км. Верхняя граница проникновения животных лежит на высоте 7000 метров.

Биосфера представляет собой уникальную планетарную систему со сложившимися биогеохимическими цифрами циркуляции наиболее важных для жизни элементов. Масштабы хозяйственной деятельности человека стали настолько велики, что при определённых условиях они способны нарушить эту отлаженную за сотни миллионов лет систему регуляции природной среды. Для профилактики таких чрезвычайно опасных для жизни в целом нарушений необходимо знать основные биогеохимические циклы в биосфере.

Одной из особенностей биосферы является наличие мощных буферных систем в атмосфере, гидросфере и литосфере, способных нейтрализовать даже существенное нарушение в установившемся круговороте веществ и энергии. Надежность функционирования этих систем обеспечивается в частности тем, что на каждый квадратный метр земли приходится 1260 куб. метров воздуха и 300 куб. метров воды. Биогеохимические циклы биосферы обеспечивают живые организмы 30-40 химическими элементами.

Важнейшие круговороты веществ в биосфере:

1. Воды – важнейшее для живых организмов неорганическое вещество. Её запасы в биосфере – 1385000000 куб. км., из которых 35 млн куб км. – пресная вода. Основная масса находится в океане – 96,5 %; 1,7% в ледниках, столько же в подземных водах. Остальная вода содержится во льдах вечной мерзлоты, 0,02% - в атмосфере, 0,02% - в озерах, болотах и реках.

Различают большой и малый круговороты воды

а) Малый круговорот воды начинается испарением воды из океана, затем следует конденсация водяных паров в атмосфере и возвращение в виде осадков в океан.

б) Большой круговорот воды включает выпадение осадков на сушу. Часть из них испаряется с поверхности почвы, часть поступает в растение, и в результате транспирации (испарение листьями растений) переходит в виде водяных паров в атмосферный воздух. Оставшиеся осадки через реки и подземные воды попадают в океан, тем самым завершая большой круговорот воды.

2. Круговорот углерода. Углерод в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Его масса составляет тонн. В процессе фотосинтеза он ассимилируется растениями и по пищевым цепям потребляется консументами различных порядков. При дыхании живых организмов выделяется углекислый газ, поступающий в атмосферу. Часть углерода накапливается в виде мертвой органики, переходя в горючие ископаемые.

Сжигая ископаемое топливо, человек интенсивно высвобождает газ, создавая свой биологотехнический круговорот углевода. Основная масса углерода содержится в карбонатных отложениях океана и кристаллических породах земной коры. В каменном угле и нефти тонн. В биогеохимический круговорот включен углерод тканей растений и животных.

3. Кислорода – Свободный кислород в биосфере является в основном продук­том фотосинтеза (ежегодное выделение O₂ растениями составляет 2,8*10¹¹ млн.т). Поступлений О₂ в атмосферу за счет фитопланк­тона и водных растений почти в 5 раз меньше (0,6*10¹¹ млн.т в год). Относительно небольшое количество O₂ выделяется при разложении органики в океане и на суше. Расходование свободного 0₂ обеспечивается процессами дыхания, сжиганием горючих материа­лов и окислением органики. Полное окисление органического ве­щества на планете привело бы к снижению концентрации О₂ до 1% и повышению концентрации СО₂ до 10%. На круговорот О₂ сущест­венно влияет хозяйственная деятельность человека (10% всего количества связываемого О₂ обеспечивается сжиганием топлива).

4. Круговорот азота (в атмосфере около 80%) - Атмосферный азот переводится в доступную для растений форму путем атмосферной фиксации при грозовой деятельности и фиксации биоценозами суши и океана. Существенную часть фиксации азота обеспечивают промышленные установки. Ассимилируемые живыми организмами соединения азота в реакциях с использованием энергии солнечного света или органического вещества последовательно преобразуются из нитритов в нитраты, аммиак и аминокислоты, являющихся одними из важнейших компонентов протоплазмы живых клеток.

Схема круговорота азота представлена на рис. 2.2.

Органический азот (животных и растений-NH2)

Мочевина СО(NH2)2

Амиак NH3

Нитриты

Нитраты

Нитрофикация

Ассимиляция растениями и животными

Денитрификация

Закись азота N2О

Свободный азота

Фиксация азота клубеньковыми бактериями

Амонификация

Важную роль в круговороте азота в наше время играет выбросы промышленности и транспорта, антропогенные выбросы составляют около 53 млн.т NO₂ в год или примерно 65% всех поступлений NO₂ атмосферу.

5. Фосфора - В круговороте фосфора резервный фонд находится в горных породах и отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В процессах эрозии фосфор в форме фосфатов поступает в океан и отлагается в осадках. В мелководных отложениях на континентальном шельфе и на донных отложениях озер фосфатредуцирующие бактерии превращают фосфаты в растворимые формы, которые усваиваются живыми организмами. Фосфаты глубоководных осадков выбывают из круговорота фосфора. С мертвыми организмами, экскрециями животных соединения фосфора попадают в почву, разлагаются до растворимых фосфатов и вновь ассимилируются живыми организмами. Часть соединений фосфора из океана вместе с рыбой также возвращается в почву. В прошлые геологические эпохи такой возврат был более интенсивным за счет переноса фосфора птицами (об этом, в частности, свидетельствуют колоссальные отложения гуано, т.е. разложившегося помета морских птиц, в Южной Америке). Человечество компенсирует уменьшение содержа­ния фосфора в почве внесением большого количества фосфорных удобрений.

6. Серы - основной резервный фонд находится в почве и донных отложениях океанов и озер, а меньший - в атмосфере. Ключевую роль в круговороте серы играют специализированные микроорганизмы, обеспечивающие окисление и восстановление серы. В глубоководных отложениях в результате их деятельности образуется сероводород. Вместе с геохимическими и метеорологическими процессами микроорганизмы обеспечивают круговорот серы в воздухе, почве и воде. Всевозрастающую роль в указанных процессах играют загрязнения атмосферы выбросами оксида серы промышленных предприятий и транспорта. Их масса составляет около 100 млн.т в год или около 15,5% всех поступлений данного вещества в атмосферу.