Лекция 8.

Кругооборот основных элементов в замкнутых циклах в биосфере

Биогеохимические круговороты

Любые элементы или их соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения, называются питательными вещества­ми. Они включают как органические вещества, например сахар и протеи­ны, так и неорганические, такие, как вода, углекислый газ, кислород, ионы нитратов, фосфатов, железа, меди. Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важными для живых организмов. Эти элементы, необходимые в больших количествах, называются питательными макроэле­ментами. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, се­ра, кальций, магний, калий. Они со­ставляют 97% массы человеческого тела и более 95% массы всех живых организмов. Около 30 других элемен­тов, необходимых для жизни в не­больших или незначительных количе­ствах, называют питательными мик­роэлементами. Это железо, медь, цинк, хлор, йод и прочие.

Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что не могут быть напрямую использованы живыми организмами. К счастью, эле­менты и их соединения, необходимые в качестве питательных веществ для поддержания жизни, пребывают в по­стоянном круговороте в экосфере и способны преобразовываться в необ­ходимые для поглощения формы в ре­зультате целого комплекса биологиче­ских, геологических и химических процессов.

Такой переход питательных веществ - эле­ментов от неживой природы (из запасов атмосферы, гидросферы и земной коры) к живым организмам и обрат­но в неживую среду происходит в би­огеохимических круговоротах («био» означает жизнь, «гео» — земля, а слово «химический» подразумевает пе­реход материи из одной формы в другую). Эти круговороты обуслов­лены прямым или косвенным воздей­ствием солнечной энергии и вклю­чают круговороты углерода, кислоро­да, азота, фосфора, серы и воды.

Таким образом, химический эле­мент может в какой-то момент быть частью живого организма, а в какой-то — частью неживой природы. К примеру, одну из молекул кислорода, которую Вы только что вдохнули, могли перед этим вдохнуть Вы или Ваша бабушка, фараон Тутанхамон тысячи или динозавр миллионы лет назад. Аналогично атомы углерода, входящие в состав кожи Вашей пра­вой руки, могли когда-то быть частью листа дерева, шкуры динозавра или глыбы известняка.

Существуют два основных типа биогеохимических круговоротов: кру­говороты газообразных веществ и осадочные циклы. Круговороты газо­образных веществ заключаются в пе­ремещении питательных элементов от атмосферы и гидросферы к живым организмам и обратно. Как правило, циклы этих круговоротов быстро­течны и длятся всего несколько дней или даже часов. Основными газооб­разными циклами являются круговороты углерода, кислорода, водорода и азота.

Осадочные циклы включают дви­жение питательных элементов между земной корой (почвами и горными породами), гидросферой (водой) и живыми организмами. Скорость перемещения элементов в этих циклах намного медленнее, чем в газообраз­ных круговоротах, так как составля­ющие элементы горных пород могут находиться в них в течение тысяч и миллионов лет. Существует более 36 питательных элементов, участвующих в осадочных циклах. Главными из них являются круговороты фосфора и серы.

Вмешательство человека в эти круговороты непрерывно возрастает за счет промышленной деятельности - наиболее важного элемента экономического развития. Систематизирующим стержнем всей промышленности является химическая и сопряженные с ней отрасли (черная и цветная металлургия, алюминиевая, нефтехимическая промышленность и т.д.), связанные с использованием химических процессов. К сожалению, промышленность вносит и основной вклад в истощение природных ресурсов, загрязнение и накопление вредных отходов и т.д. Например, в химической промышленности России ежегодно образуется около 20 млн. т твердых отходов, из которых утилизируется менее одной трети. Особо опасные хлорорганические отходы составляют более 80 тыс. т в год. В 1991 г. химическими предприятиями России выброшено в атмосферу 530 тыс. т вредных веществ и сброшено в открытые водоемы 1,4 млрд. м³ загрязненных сточных вод.

Это ведет к деградации окружающей среды, заключающейся в превышении способности природы к растворению и разложению загрязнений. Примером может служить наводнения в Западной Европе вследствие изменения климатических условий, появление озоновых дыр, появление мутантов, сокращение средней продолжительности жизни и т.д. Экология, как наука, указывает, что в своей производственной деятельности человечество должным образом обязано учитывать баланс экономических и экологических интересов и полагаться на основополагающий  третий закон экологии:  любое производимое нами вещество не должно нарушать ни один природный биогеохимический цикл. 

Одной из самых серьезных проблем использования ресурсов и биогеохимических круговоротов, в которых непосредственное участие принимает вода, является проблема существования необходимого количества пресной воды. Разные ученые решают эту проблему по – разному.

История о Всемирном потопе — библейская. И вроде бы мифическая. Однако многие ученые верят, что он был на самом деле. Мол, на материках имеются многочисленные следы затопления. А озера с соленой морской водой, разбросанные по суше и удаленные на тысячи километров от береговой линии, — это вообще остатки того потопа. Но откуда на Земле взялась вода для столь катастрофического и глобального затопления? Такого, что старина Ной причалил на своем ковчеге к вершине горы Арарат? Гипотез полно. В океан мог упасть астероид или комета, которые вызвали колоссальное цунами. Или льды растаяли от глобального потепления, и все кругом затопило. Или, наоборот, похолодало — лед перекрыл реки, вытеснил оставшуюся в океанах воду, уровень которой катастрофически поднялся. А некоторые даже доказывают, что сместилась ось планеты и от этого по суше прошелся водяной вал высотой в несколько километров. Однако до недавнего времени не существовало серьезных научных данных, на которые можно было бы опереться в предположениях. Теперь они получены — в феврале 2007 г. пошли сообщения о сенсационном открытии американских ученых. И появилось основание для гипотезы, которая прежде показалась бы совсем уж полоумной. Мол, вода для Всемирного потопа взялась из недр Земли. Ныне это отнюдь не фантастика — внутри нашей планеты обнаружены целые океаны.

Два подземных океана

Наша планета опутана сетью сейсмографов — приборов, которые регистрируют землетрясения, вычерчивая их характеристики — сейсмограммы. Сравнивая записи, сделанные в разных районах, можно проследить, как волны от ударов стихии распространяются в земной коре и мантии. Вот этими данными, собранными за много лет, и воспользовались американские исследователи. Всего они изучили 600 тысяч сейсмограмм. Результаты их обработки потрясли ученых, потому что демонстрировали: по крайней мере в двух местах — под восточной частью континента Евразия и под Северной Америкой — располагаются огромные резервуары воды.

 — Об этом свидетельствует картина затухания продольных сейсмических волн, — говорит профессор, — она характерна именно для воды.

Ученые составили трехмерную модель прозондированных недр и уверяют: воды там не меньше, чем в Северном Ледовитом океане.

Расположена она на глубинах от 1200 до 1400 километров.

Как вода попала внутрь Земли, точно не известно — не исключено, что образовалась вместе с планетой. То есть всегда там была. Однако многие исследователи полагают: периодически глубинная вода выходит на поверхность. И наоборот, океанская — та, что снаружи, — просачивается вглубь. Говоря научным языком, объем земной гидросферы может меняться. Скорее всего, от подвижек в коре и мантии планеты.

Кстати, на дне океана есть странные дырки, из которых ключом бьет вода с температурой в 400 градусов. Их называют «черными курильщиками». Возможно, «подтекает» та самая вода изнутри.

Не исключено, что в допотопные времена подземные резервуары основательно прорвало. И началось катастрофическое извержение горячей соленой воды с паром, как из лопнувшего котла. Уровень Мирового океана поднялся, а сверху от сконденсированного пара еще и ливень хлынул — на 40 дней и 40 ночей. Вот и получился Всемирный потоп. А потом воду засосало обратно внутрь.

Это значит, по крайней мере теоретически, что подобное катастрофическое явление может повториться. Причем так, что и Арарата видно не будет. Объем подземной воды может в пять раз превышать емкость всех наружных океанов.

Другая глобальная проблема – парниковый эффект.

Химический состав тропосферы и стратосферы - фактор, определяющий среднюю температуру на поверхности Земли. В процессе регуляции температуры в тропосфере ключевую роль играют диоксид и оксид углерода, водяной пар, а также содержащиеся в незначительных количествах озон, метан, оксид азота и хлорфторуглероды. Эти газы, известные как парниковые, действуют аналогично стеклу в теплице. Они пропускают видимую часть спектра солнечного излучения, но препятствуют утечке некоторой части образовавшейся инфракрасной радиации, или тепла, в космическое пространство. Эта радиация излучается обратно к земной поверхности. В результате накопления тепла происходит повышение температуры воздуха в тропосфере; такой процесс получил название парниковый эффект.

МОСКВА, 22 ноября 2010 г. Российские хакеры взломали серверы британского университета, который занимается проблемами изменения климата.  В результате были скопированы тысячи документов и писем, выложенные впоследствии в Интернет.

В опубликованной переписке принимали участие британские ученые, специалисты NASA и сотрудники университетов США. Из обнародованных документов ясно, что в последние годы температура на Земле не повышается, а снижается.

Если бы в атмосфере не было парниковых газов, Земля уже давно превратилась бы в холодную и безжизненную планету со средней температурой воздуха -18⁰ С. В настоящее время, однако, ученые ожидают, что обусловленное хозяйственной деятельностью повышение содержания диоксида и оксида углерода и других парниковых газов в тропосфере приведет к увеличению ее средней температуры, следствием чего станет изменение климата Земли и структуры производства продуктов питания на протяжении одного поколения людей.

Участники 15-й конференции по проблемам изменения климата, которая проходила в Копенгагене, представили черновой вариант будущего соглашения, которое придет на смену Киотскому протоколу. Его краткое содержание приводит BBC News.

В документе указано, что развитые страны должны существенно сократить выбросы парниковых газов к 2020 году. В среднем обязательства, которые государства должны принять, находятся в пределах от 25 до 45 процентов по сравнению с уровнем выбросов в 1990 году. Вопрос о том, роста температур до какой отметки следует не допустить, в документе оставлен открытым. Страны-участницы климатического саммита пока не пришли к единому мнению на этот счет. Развитые государства считают достаточной отметку в 2 градуса Цельсия, а развивающиеся требуют более жесткого ограничения в 1,5 градуса.

В бумаге прописано, что развитые страны, ратифицировавшие Киотский протокол, в целом продолжат стратегию снижения выбросов, прописанную в нем. На этом пункте особенно настаивали развивающиеся страны, которые опасаются, что изменение подхода к снижению выбросов может замедлить их экономический рост. Представители государств третьего мира особенно активно стали высказывать такие опасения после появления в публичном доступе проекта соглашения, который, якобы, был подготовлен представителями развитых стран в тайне от остальных. Текст этой бумаги попал в распоряжение британской газеты The Guardian. Посмотреть документ можно здесь.

Бумага практически полностью отвергает принципы Киотского протокола. Среди прочих положений, в "секретном" соглашении было указано, что лимит выбросов для благополучных стран должен быть намного больше, чем для бедных: к 2050 году максимум для развитых государств составит 2,67 тонны углерода на душу населения, а для развивающихся - 1,44 тонны. Кроме того, документ фактически определяет, что контроль за соблюдением его положений отойдет от ООН к Всемирному Банку.

Для того, чтобы оценить воздействие человека на климат, необходимо знать величину природного парникового эффекта. Площадь, перпендикулярная падающему излучению Солнца на периферии атмосферы Земли, получает энергию около 1370 Вт/м². Это, так называемая солнечная постоянная (СП). Воображаемая поверхность, облучаемая перпендикулярно Солнцем, соответствует поперечному сечению (pr²) Земли, т.е. одна четвертая часть общей площади земной поверхности (4pr²). Одна часть этого излучения поглощается, другая часть отражается Землей. Величина, характеризующая отражательную способность поверхности, называется альбедо. Альбедо Земли. Процентное отношение солнечной радиации, отданной земным шаром (вместе с атмосферой) обратно в мировое пространство, к солнечной радиации, поступившей на границу атмосферы. Отдача солнечной радиации Землей слагается из отражения от земной поверхности, рассеяния прямой радиации атмосферой в мировое пространство (обратного рассеяния) и отражения от верхней поверхности облаков. А. 3. в видимой части спектра (визуальное) — около 40%. Для интегрального потока солнечной радиации интегральное (энергетическое) А. 3. около 35%. В отсутствие облаков визуальное А. 3. было бы около 15%.

Энергия, получаемая от Солнца, согласно закону Стефана-Больцмана, равна энергии инфракрасного излучения Земли:

СП (1 - a)pr² = 4sТ4pr² ,

где СП - солнечная постоянная; a - альбедо; s = 5,67´10-8 Дж∙K^-4 / м² .

Допустим, что Земля в масштабе всей планеты отражает в среднем 30% излучения, приходящего от Солнца. Тогда средняя температура земной поверхности должна быть равна 255 К (-18⁰С). Это соответствует действительности на высоте около 6 км. Принимая среднюю температуру поверхности равную +15⁰С, получим, что природный парниковый эффект составляет 33⁰С. В эту температуру вносят вклад следующие компоненты:

Водяные пары - до 63,5%

CO₂ и СО - до 22,2%

Озон - до 7,4%

N₂O - до 4,3%

Метан - до 2,5%

Климат Земли постоянно меняется, и менялся даже до появления человека. Были ледниковые и жаркие периоды. Но никогда прежде у человека не было возможности влиять на него. В настоящее время мы ежегодно сжигаем такое количество топлива, для создания которого природе потребовалось полмиллиона лет. Развитие сельского хозяйства и промышленности за последние 200 лет привело к тому, что содержание метана в атмосфере удвоилось, а содержание оксидов углерода выросло на четверть.

Вмешательство человека в накопление парниковых газов резко возросло, начиная с 1950-х годов из-за быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя путями:

1. Сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ. В связи с этим уменьшается общее количество растительности, способной поглощать диоксид углерода.

2. Сжигание углесодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу.

Особенно опасным для климата Земли является оксид азота СО, который выделяют природные источники (вулканы, лесные пожары и т.д.), транспортные средства и промышленность. Из 102 млн. т СО, ежегодно выбрасываемого в атмосферу, 62,7% составляют выхлопы автомобилей, 2,5% авиации и 11,9 - промышленности. В результате концентрация СО за последние 100 лет увеличилась в 1,2 раза, что привело к повышению средней температуры планеты за счет увеличения "парникового эффекта".

Атмосфера в течение длительного времени способна компенсировать увеличение концентрации газов, влияющих на парниковый эффект, путем внутренних взаимодействий. Однако если эта концентрация превышает некоторое пороговое значение, такая компенсация становится невозможной, система становится неустойчивой и дает сбои. Есть признаки - быстрые колебания холодных и теплых годов, резкое окончание последнего ледникового периода (данные изотопного состава кислорода и измерение электропроводности внутри ледников Гренландии показали, что средняя температура выросла за 50 лет на 7,5⁰С).

Ученые доказали существование глобального потемнения: за последние 30 лет количество солнечного света, достигающего земной поверхности, снизилось почти над всей территорией планеты.

В своей работе ученые использовали данные об атмосфере, собранные с 3250 метеорологических станций, которые располагаются по всему миру. Исследователи интересовались изменениями, произошедшими в атмосфере в период с 1973 по 2007 годы.

Основной причиной ухудшения прозрачности воздуха являются микроскопические частицы, находящиеся в нем во взвешенном состоянии. Типичным примером подобного загрязнения могут служить фрагменты сажи, образующиеся при сжигании топлива. В рамках исследования ученые оценивали количество подобных частиц в атмосфере.

Ранее исследователи предполагали, что рост промышленного производства должен приводить к увеличению количества частиц в верхних слоях атмосферы и, следовательно, снижению ее прозрачности. Однако в 2005 году в журнале Science появилась статья, в которой исследователи доказывали, что загрязнение имеет прямо противоположный эффект. Они утверждали, что в 90-х годах прошлого века прозрачность атмосферы увеличилась, что привело к росту количества попадающего на поверхность солнечного света и усилению глобального потепления.

Теперь исследователям удалось установить, что прежние теории оказались верны. Исключение составляет только Европа, где после распада Советского Союза резко упало промышленное производство, что немного "очистило" небеса.

Ученые отмечают, что подобное "разнообразие" результатов объясняется слабой изученностью климатических эффектов наличия большого количества дисперсных частиц в атмосфере. Например, эти частицы могут служить основой для формирования капель и облаков, помогая отражать часть солнечного тепла обратно в космос и ослабляя воздействие глобального потепления. Однако кусочки сажи способны поглощать солнечный свет и нагреваться, тем самым разогревая верхние слои атмосферы и, наоборот, помогая глобальному потеплению.

На Всемирной конференции по изменению состояния атмосферы в Торонто (1988 г.) рекомендовано 20% - ное сокращение общих выбросов оксидов углерода к 2005 г. и 50% - е - к 2050 г., если исходной точкой считать 1988 г. Однако индустриально развитым странам, ввиду более высоких показателей выбросов на душу населения и более высокой экономической эффективности, придется сократить выбросы в большей степени, нежели развивающимся странам, для того, чтобы достичь общего среднего показателя 20%, который считается достаточным. Однако эти рекомендации оказались недостижимыми. Причиной является быстрый рост населения в мире. Демографический взрыв в странах третьего мира и спрос на продукцию, услуги и связанную с этим инфраструктуру вылились в огромный рост потребления энергии и, как следствие, увеличение выброса оксидов углерода. Что можно предпринять?

Можно, например, заниматься дополнительными лесонасаждениями во всех странах. Однако основной заботой должна стать рациональная энергетическая политика.

Любые способы производства энергии оказывают вредное воздействие на окружающую среду. Рациональная энергетическая политика направлена на то, чтобы производить энергию на конкурентоспособном международном уровне; экономично; при минимуме вреда для окружающей среды; с учетом безопасности потребления в любое время.

Энергетическая политика правительства определяет структуру соответствующего управления и вырабатывает решения по инвестированию. Следует отметить, что необходимо оптимальное и эффективное сочетание различных мер экологического характера. К ним относятся: законодательные меры, т.е. условия, которые надлежит соблюдать; экологические стимулы, например, налог на выбросы оксидов углерода, и, как результат, экологические изменения в промышленности и обществе.

В этой связи необходимо выполнение следующих граничных условий:

1. Затраты на экологические мероприятия должны оставаться приемлемыми. Поскольку нам приходится конкурировать на международном уровне, то директивы и налоги не должны, по сравнению с другими странами, создавать дополнительные препятствия для производителей и потребителей.

2. Должно происходить изменение взглядов у части населения. Так, к примеру, следует сокращать разработку угольных и нефтяных месторождений. Для защиты атмосферы в масштабе всей планеты необходимо пересмотреть отношение к использованию альтернативных источников энергии, в том числе и ядерной. Благодаря ее использованию удастся избежать дополнительных выбросов оксидов углерода в объеме 2 млрд. т.

При рассмотрении глобальных проблем защиты окружающей среды ключ к их решению следует искать в международном согласии.