В энергетических процессах в биосфере решающая роль (99%) принадлежит радиации Солнца, которая определяет тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. Из всего количества энергии, 5,42 · 104 Дж, получаемой Землей от Солнца, 33% отражается облаками и поверхностью суши, а также пылью в верхних слоях атмосферы. Эта часть составляет альбедо Земли, 67% энергии поглощается атмосферой и земной поверхностью (континентами и Мировым океаном) и после ряда превращений уходит в космическое пространство (рис. 5.2).
В атмосфере нагревание происходит снизу, что приводит к образованию мощных конвективных потоков и общей циркуляции воздушных масс. Океанические течения, движимые преимущественно ветром, перераспределяют полученную солнечную энергию в горизонтальном направлении, что влияет на снабжение атмосферы теплом. Мировой океан и атмосфера представляют собой единую тепловую систему.
За счет излучения и конвекции поддерживается весь энергетический баланс нашей планеты. Круговорот воды в биосфере также определяется поступлением солнечной энергии.
Весьма незначительная часть общего потока солнечной энергии поглощается зелеными растениями в процессе осуществления реакции фотосинтеза. Эта энергия составляет 1022 Дж в год (приблизительно 0,2% от всей суммы солнечной радиации). Фотосинтез - это мощный естественный процесс, вовлекающий в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющий большое количество кислорода в атмосфере. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, протекающую за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений: nСО2 + nН2О = СnН2nО2 + nО2. Круговорот углерода в биосфере изображен на рис. 5.3.
Таким образом, за счет двуокиси углерода и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород. За немногим исключением фотосинтез происходит на всей поверхности Земли и создает огромный геохимический эффект, который может быть охарактеризован количеством всей массы углерода, ежегодно вовлекаемого в построение органического живого вещества биосферы. Ежегодно используется и поглощается CO2: на суше 253-109 т, в океане - 88-109 т, а всего - 341 · 109 т. С использованием 135 · 1012 т воды создается 232 · 109 т органических веществ СnН2nОn и 248 · 109 т кислорода уходит в атмосферу.
73
Рис. 5.2. Поступление и распределение солнечной энергии в пределах биосферы
Рис. 5.3. Круговорот углерода в биосфере
74
В связи с фотосинтезом в биосфере в круговорот вовлекаются 1 млрд т азота, 260 млн т фосфора и 200 млн т серы.
В течение 6 - 7 лет поглощается вся углекислота атмосферы, за 3000-4000 лет обновляется весь кислород атмосферы, а в течение 10 млн лет фотосинтез перерабатывает массу воды, равную всей гидросфере. Если учесть, что биосфера существует на Земле не менее 3,8 - 4 млрд лет (а Земля примерно - 4,5 млрд лет), то можно сказать, что воды Мирового океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 1 млн раз. Все эти величины отражают огромную важность фотосинтеза в истории Земли.
Заметим здесь, что при гибели организма происходит обратный процесс - разложение органического вещества путем окисления, гниения и т.д. с образованием конечных продуктов разложения. Этот процесс в биосфере Земли приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Количество биомассы примерно в 10 раз превышает ежегодно вырабатываемое в процессе фотосинтеза количество органического вещества (0,232 · 1012 т). Общая масса вещества, прошедшего биосферу, в 12 раз превышает массу Земли. Так работает эта "живая фабрика".
Круговорот углерода. Круговороты углекислоты и воды в глобальном масштабе - самые важные для человечества биогеохимические круговороты. В круговороте CO2 атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Но в XX в. содержание CO2 постоянно растет в результате новых техногенных поступлений (сжигание горючих ископаемых, деградация почвенного слоя, сведение лесов и т.д.). В 1800 г. в атмосфере Земли содержалось 0,29% СО2; в 1958 г. - 0,315%, а к 1980 г. его содержание выросло до 0,335%. Если концентрация СО2 вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться в середине XXI в., то температура поверхности Земли и нижних слоев атмосферы в среднем повысится на 3°. В результате подъем уровня моря и перераспределение осадков могут погубить сельское хозяйство.
Биологический круговорот углерода достаточно прост; в нем участвуют только органические соединения и СО2 (см. рис. 5.3). Весь потребленный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в СО2. Растения потребляют ежегодно около 100 млрд т углерода, 30 млрд т возвращаются в атмосферу в результате дыхания растений. Остальные 70 млрд т обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в различных трофических цепях. Растения и животные ежегодно пропускают через себя 0,25 - 0,30% углерода, содержащегося
75
в атмосфере и океанах. Весь обменный фонд углерода совершает круговорот каждые 300-400 лет.
Кроме СО2 в атмосфере присутствует в небольших количествах окись углерода - СО (примерно 0,1 части на миллион). Однако в городах с сильным автомобильным движением содержание СО может достигать 100 частей на миллион, что представляет уже угрозу для здоровья человека. Для сравнения можно привести другой пример: курильщик, потребляющий в день пачку сигарет, получает до 400 частей на миллион, что часто является причиной анемии и других сердечно-сосудистых заболеваний.
Другое соединение углерода в атмосфере - метан (СН4). Его содержание составляет 1,6 частей на миллион. Считается, что метан поддерживает стабильность озонового слоя в атмосфере.
Круговорот воды. Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека - по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны.
Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса (рис. 5.4):
Рис. 5.4. Круговорот воды в биосфере
76
- перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25 % общей суммы осадков, это физическое испарение;
- транспирация - биологическое испарение воды растениями. Это не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т.е. экосистемная. Растения, потребляя около 40 % общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;
- инфильтрация - просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллодоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;
- сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.
Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1 % воды, выпавшей в виде осадков.
77
