Круговорот веществ в природе закономерности распределения веществ в окружающей среде. Физико-химические свойства, определяющие перемещение веществ в окружающей среде, страница 2

Хозяйственная деятельность затрагивает не один какой либо природный круговорот, а все без исключения. Отсюда следует, что одной из важных задач науки ХОС является тщательный анализ природных круговоротов отдельных химических элементов с целью выявления антропогенных нарушений в них и оценки последствий этих нарушений.

Учитывая это, рассмотрим круговороты основных биогенных элементов (составляющих основу живых организмов) С, О, N, P, S в биосфере и попытаемся оценить изменения в этих эволюционно сложившихся круговоротах, вызванных человеком и возможные последствия этих изменений.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ

В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Круговорот углерода

Углерод составляет основу всех жизненных процессов в организмах он же в огромных масштабах вовлекается в хозяйственную деятельность. Таким образом круговорот С – весьма удобный объект для анализ проблем, вызванных антропогенным воздействием на круговорот веществ в природе.

Резервуарами углерода, участвующего в круговороте, являются все геосферы – атмосфера, гидросфера, литосфера. Масса углерода в этих резервуарах соотносится примерно как 1:50:1300.

В атмосфере практически весь углерод содержится в форме СО₂. В гидросфере (главным образом в океанах – основном резервуаре гидросферы) углерод присутствует в преимуществен но в неорганической форме  - в виде НСО₃^-  -  (на долю органического углерода приходится около 2% от общей массы).

Наибольшее количество углерода в целом (и СО₂) сосредоточено в литосфере. Однако углерод литосферы медленно вовлекается в естественные биохимические процессы, таки образом биохимический цикл углерода преимущественно охватывает атмосферу и гидросферу.

Самый важный компонент природного цикла углерода – газообразный СО₂ , таким образом рассматривая цикл углерода, естественно рассматривают прежде всего СО₂ и процессы с его участием.

Круговорот С в биосфере (биогеохимический цикл) можно представить схемой (рис 1 раздатка):

СО₂, находящийся в атмосфере, является основным источником наращивания биомассы (при действии организмов - продуцентов). В процессе фотосинтеза СО₂ превращается в углеводы, которые затем в процессах биосинтеза превращаются в белки и т.п. (благодаря организмам-консументам, синтезирующим разнообразные вещества).

Часть С в виде СО₂ в процессе дыхания живых организмов возвращается в атмосферу. При микробиологическом разложении органических веществ погибших организмов СО₂ также возвращается в цикл и он (цикл) таким образом замыкается.

Очень важную роль в круговороте углерода играет газообмен между атмосферой и гидросферой (водами мирового океана). Растворенный в воде СО₂ частично потребляется фитопланктоном, расходуясь на фотосинтез, и затем высвобождается в результате деятельности деструкторов, т.е. включается в круговорот. Океаническая вода содержит значительные количества ионов Са²⁺ и Mg²⁺ . При растворении СО₂ в морской воде образуется карбонатная система, которая описывается равновесием:

Это равновесие зависит от парциального давления СО₂  в атмосфере и от температуры. Концентрация СО₂ в поверхностных слоях воды является равновесной в его одержанием в атмосфере при заданных условиях (). При повышении концентрации СО₂ в атмосфере повышается его содержание в морской воде и происходит сдвиг равновесия в сторону образования бикарбонатов. При снижении концентрации СО₂ в атмосфере возможна дегазация вод океана, сопровождающаяся выделением СО₂ . Таки образом мировой океан играет роль своеобразного буфера, сглаживающего колебания содержания СО₂ в атмосфере.

Биосферный цикл углерода замкнут не полностью, т.е. не весь углерод, вовлекаемый в фотосинтез, возвращается в цикл. Часть углерода выводится из биосферы в своеобразные биологические тупики:

1.  осаждается в виде карбонатов (в водной среде) из которых формируются осадочные породы;

2.  накапливаются в виде гумуса в почве и торфа, формирующихся из остатков погибших растений и животных организмов, или в виде донных отложений (органический углерод гумуса в силу особенности строения не может быть использован живыми организмами – геополимеры гумуса устойчивы к микробиологическому разложению);

3.  накапливаются в виде органического углерода ископаемых топлив, формирующихся в определенных условиях.

Естественными процессами, обусловливающими пополнение цикла углерода углекислым газом является вулканическая деятельность, лесные пожары, дегазация мантии Земли. Наряду с ними к дополнительному внесению СО₂ в цикл является и хозяйственная деятельность. Именно это является главным фактором вмешательства хозяйственной деятельности в естественный круговорот углерода.

Деятельность человека сопровождается интенсивным возвращением в круговорот С запасов углерода, находящихся в природных залежах. (т.е. временно выключенных из круговорота)

·  прежде всего в результате сжигания органического топлива, что приводит к поступлению в атмосферу колоссальных количеств CO₂

·  значительный аналогичный вклад вносит металлургия, производство строительных материалов (цемента: )

·  дополнительное количество СО₂ поступает в атмосферу, например при выпадении кислотных дождей в районах с карбонатными породами, при сельскохозяйственных мероприятиях по известкованию почв.

По некоторым оценкам ежегодное поступление СО₂ в атмосферу в результате хозяйственной деятельности примерно в 100 раз превышает его поступление вследствие геологических процессов и составляет до 10% биогенного потока СО₂ в атмосферу.

Есть ряд природных факторов, способствующих связыванию СО₂ и препятствующих накоплению СО₂ в цикле.

·  Рост биомассы

·  Образование гумуса в почвах

·  Усиление процесса выветривания минералов ведущих к образованию карбонатов

·  и главный фактор – поглощение избыточного СО₂  мировым океаном.

Однако антропогенное давление на ОС в настоящее время таково, что баланс СО₂ нарушен, его содержание непрерывно увеличивается -  прирост за последние 100 лет около 15% и темпы растут.