Е.В. Логинова, П.С. Лопух
Гидроэкология: курс лекций
Минск: БГУ, 2011.– 300 с.

Глава 2. Гидросфера

2.5. Круговороты веществ

Вода и ее круговорот. Воды земного шара находятся в постоянном взаимодействии и в процессе круговорота связаны воедино. Под влиянием солнечной радиации с поверхности океанов, морей, рек, озер, ледников, снежного покрова и льда, почвы и растительности происходит испарение воды. Испарение с поверхности океанов и морей – основной источник поступления влаги в атмосферу. Большая часть этой влаги выпадает в виде атмосферных осадков непосредственно на поверхность океанов и морей, совершая так называемый малый круговорот. Меньшая ее доля участвует в большом круговороте, вступая в сложные взаимодействия с земной поверхностью. Большой круговорот включает в себя ряд местных влагооборотов и представляет собой многообразный процесс перемещения, расходования и возобновления влаги на земной поверхности, в недрах земли и в атмосфере. Атмосферные осадки, орошая поверхность материков, частично просачиваются в почву, частично стекают по склонам и образуют ручьи, реки, озера, болота. Поглощенная почвой вода частью испаряется непосредственно или транспирируется растениями, частью просачивается вглубь и формирует подземные воды. Последние участвуют в питании рек, озер или достигают моря подземными путями.

Влага, поступившая в атмосферу в результате испарения с поверхности суши и ее водоемов, дополняет то количество ее, которое поступает с океана. Воздушными течениями она переносится вглубь материка и, выпадая в виде дождя и снега, орошает территории, более или менее удаленные от океана. Выпавшие осадки вновь испаряются, просачиваются, стекают по земной поверхности. Сток воды рек, впадающих в океан, завершает большой круговорот воды на земном шаре. Упрощенная схема представлена на рис. 2.3. В действительности явление круговорота значительно сложнее.

Круговорот воды состоит из нескольких звеньев, главные из которых атмосферное, океаническое, материковое. В атмосферном звене происходит перенос влаги в процессе атмосферной циркуляции и образование атмосферных осадков. Единовременный запас влаги в атмосфере невелик, всего 14 тыс. км³,. но при постоянном возобновлении этой влаги в процессе испарения с поверхности Земли объем осадков, выпадающих на эту поверхность, равен 525 тыс. км³. Таким образом, в среднем каждые 10 суток влага атмосферы возобновляется.

Для океанического звена круговорота характерно непрерывное восстановление запасов влаги в атмосфере путем испарения. С поверхности океанов в атмосферу поступает 86,0 % общего количества испарившейся влаги на земном шаре.

Рис. 2.3. Схема круговорота воды (по М.И. Львовичу) . 1 – осадки, 2 – водопроницаемые породы, 3 – слабопроницаемые породы, 4 – непроницаемые породы, 5– источник, 6 – направление движения воды и водяных паров

Материковое звено по активности участия его вод в круговороте отличается большим разнообразием. В этом звене М. И. Львович в свою очередь выделяет почвенное, литогенное, речное, озерное, ледниковое и биологическое звенья.

Почва осуществляет обмен влагой как с атмосферой, реками и озерами, так и с недрами земли – литогенным звеном. Обмен этот происходит путем просачивания, стекания по поверхности, испарения и транспирации сравнительно быстро, в пределах одного года.

Степень подвижности воды в литогенном звене неодинакова. Наиболее активно участвуют в общем круговороте воды подземные воды, залегающие вблизи земной поверхности до уровня дренирования их речной сетью и питающие реки. Продолжительность их обмена – от месяца до нескольких лет. С удалением от земной поверхности, на больших глубинах, подземные воды становятся менее подвижны.

Реки возвращают в океан воды, которые поступили в процессе круговорота на сушу. Обмен воды, содержащейся в руслах рек, происходит весьма быстро: в среднем, по данным разных авторов, за 12–25 суток. Но если к объему русловых вод прибавить объем проточных озер, то активность водообмена значительно уменьшится и его продолжительность возрастет до трех лет.

В ледниках как бы законсервированы большие массы воды в виде льда. Движение льда медленное, поэтому продолжительность обмена воды (льда) в ледниках колеблется, по разным данным, от 8300 до 15 000 лет.

Анализ активности водообмена раскрывает весьма интересную и важную черту ресурсов пресных вод – их относительно быстрое возобновление.

Таким образом, круговорот воды в природе, совершающийся под влиянием солнечного тепла и силы тяжести, объединяет несколько геофизических процессов, происходящих в его звеньях,– это испарение, перенос влаги в атмосфере, ее конденсация и выпадение осадков, просачивание их в почву и горные породы, сток поверхностных и подземных вод.

Особую роль в круговороте воды занимают биологические процессы – транспирация и фотосинтез. В среднем расход воды на транспирацию приблизительно равен 30 000 км³ в год (по Львовичу). Эта величина превышает 40 % суммарного испарения со всей суши и составляет 7 % испарения с поверхности земного шара, включая океан.

Воды, стекающие по земной поверхности, не все попадают в океаны и моря. Ниспадающие к океанам покатости, сток с которых направлен в океан, называются сточными или периферийными областями стока. Замкнутые пространства, не имеющие связи с океанами, сток с которых не достигает океана, называются областями внутреннего стока или бессточными (по отношению к океану). Воды этих областей расходуются на испарение либо по пути стока, либо с поверхности конечных замкнутых водоемов, куда они стекают. Области внутреннего стока обмениваются влагой с периферийными областями только путем переноса ее воздушными течениями в атмосфере или в незначительной мере подземными путями.

Общая площадь периферийных областей земного шара составляет 117 млн. км² и почти в 4 раза превосходит площадь областей внутреннего стока, равную 32 млн. км². Большая периферийная область в нашей стране – ниспадающая к Арктическим морям, с которой собирают свои воды реки Сибири: Обь, Енисей, Лена, Яна, Индигирка, Колыма и др. Огромные периферийные области направлены к Атлантическому океану, с них стекают большие реки мира: Амазонка, Миссисипи, Нигер, Конго, и многие реки Европы: Нева, Западная Двина, Висла, Одра, Эльба, Рейн, Луара и др.

Большая область внутреннего стока – Арало-Каспийская, К ней принадлежат бассейны рек Волги, Урала, Куры, Сырдарьи, Амударьи и др. К бессточным же областям относятся пустыни Сахара, Аравийская и Центрально-Австралийская.

Естественные циклы основных биогенных веществ. Для обеспечения жизнедеятельности растений и животных требуются различные химические элементы, но только некоторые из них имеют преобладающее значение. Основа жизни – белки, углеводы и жиры складываются из шести основных элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы. Кроме фосфора они все образуют растворимые и летучие соединения и таким образом участвуют в повторном цикле воды.

В процессе фотосинтеза зеленые растения и водоросли на свету выделяют кислород, причем не из углекислого газа, как это считалось раньше, а из воды.

В первичной атмосфере Земли было мало или совсем не было кислорода, поэтому первые организмы были анаэробными. Накопление кислорода началось в докембрии. Сейчас запасы свободного кислорода оцениваются приблизительно в 1,6*10¹⁵ т.

Кислород является самым распространенным элементом на Земле. В гидросфере его содержится 85,82 % по массе, в литосфере 47 %, в атмосфере 23,15 %. Кислород стоит на первом месте по числу образуемых им минералов (1364). Среди них преобладают силикаты, кварц, окислы железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах содержится в среднем около 70 % кислорода. Он входит в состав большинства органических соединений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав органических соединений скелета.

Свободный кислород играет большую роль в биохимических и физиологических процессах, особенно в аэробном дыхании.

В области свободного кислорода формируются резко окислительные условия, в отличие от сред, в которых кислород отсутствует (в магме, глубоких горизонтах подземных вод, илах морей и озер, в болотах), где образуется восстановительная обстановка.

Огромное значение для атмосферы имеет также двуокись углерода. Его содержание в атмосфере до промышленной революции, в 1800 г составляло 0,029 %, а в настоящее время ее содержание превысило 0,033 %. В океане этого газа растворено в 50 раз больше.

Углерод в больших количествах содержится в земной коре, прежде всего в карбонатных породах – 9,6*10¹⁵ т и горючих ископаемых (угли, нефть, сланцы, битумы, газы, торф). Разведанные запасы горючих ископаемых по углероду оцениваются в 10¹³ т.

Синтезированные растениями углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал и другие) являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных организмов.

Воздух по объему почти на 80 % состоит из молекулярного азота N₂ и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента. Естественный цикл азота является более сложным, чем углерода. Большинство биологических форм не могут усваивать газообразный азот. Поэтому сначала происходит фиксация азота – превращение N₂ в неорганические и органические соединения, которые происходят как физико-химическим, так и биологическим путем. Основными фиксаторами азота являются бактерии, грибки и водоросли (прежде всего синезеленые).

В процессе цикла продуцент – консумент – редуцент нитраты становятся составной частью белков, нуклеиновых кислот и других компонентов. Погибшие организмы являются объектом деятельности редуцентов – бактерий и грибов, при этом они азот превращают в аммиак. И далее в нитрит и обратно газообразный азот (рис 2.4).

Рис. 2.4. Круговорот азота

Фосфор, необходимый животным и растениям для построения белков протоплазмы, поступает в круговорот за счет эрозии фосфатных пород и гуано, минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков. Фосфаты потребляются растениями. Не образующий летучих соединений фосфор имеет тенденцию накапливаться в море. Вынос фосфора из моря на сушу осуществляется в основном с рыбой и с пометом морских птиц (рис 2.5).

Рис. 2.5. Круговорот фосфора (по П. Дювиньо и М. Тангу)

Сера относится к весьма распространенным химическим элементам, которые встречаются в свободном состоянии – самородная сера и в виде соединений – сульфидов, полисульфидов и сульфатов. Известно более 150 минералов серы, среди которых доминируют сульфаты. В природе широко распространены процессы окисления сульфидов до сульфатов, которые обратно восстанавливаются до H₂S и сульфидов. Эти реакции происходят при активном участии микроорганизмов, прежде всего десульфирующих бактерий и серобактерий.

В виде органических и неорганических соединений сера постоянно присутствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом, она входит в состав широко распространенных соединений: аминокислот, коферментов, витаминов.

Организмы в основном состоят из вышеперечисленных элементов, однако они не смогут жить, если не будут содержать в достаточных количествах некоторые катионы: калий, кальций, магний и натрий, которые относятся к группе макроэлементов, потому что их содержание выражается в сотых долях сухого вещества. Некоторые вещества нужны организмам в очень маленьких количествах, к ним, например, относятся железо, бор, цинк, медь, марганец, молибден и анион хлора. Микроэлементы выражаются в миллионных долях сухого вещества. В пищевую цепь они поступают в основном через круговорот воды. Они обладают высокой биологической активностью и участвуют во всех процессах жизнедеятельности: белковом, жировом, углеводном, витаминном, минеральном обмене, газо- и теплообмене, тканевой проницаемости, клеточном делении, образовании костного скелета, кроветворении, росте, размножении, иммунобиологических реакциях.

Циклы некоторых токсичных элементов. Второстепенные для живых организмов химические элементы, также как и жизненно важные, мигрируют между организмами и средой. В естественных экологических системах они содержатся в таких концентрациях и формах, что не оказывают отрицательного влияния на организмы. В настоящее время стала весьма острой проблема токсичных веществ.

Ртуть, также как и другие тяжелые металлы, почти не влиял на организмы до наступления индустриальной эры, потому что ее концентрации в природе были невелики, а она сама химически малоподвижна. Разработка месторождений и промышленное использование ртути (в электротехническом оборудовании, термометрах, красках и фунгицидах) увеличили ее поток в экосистемы. Чистый элемент не токсичен. Превращение в токсичные органические соединения ртути, такие как метилртуть и этилртуть, происходит благодаря бактериям, присутствующим в детритах и осадках. Эти соединения легко растворимы, подвижны и очень ядовиты. Химической основой агрессивного действия ртути является ее сродство с серой, в частности с сероводородной группой в белках. Эти молекулы связываются с хромосомами и клетками головного мозга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций опасных для человека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь Минамата.

Кадмий представляет собой один из самых опасных токсикантов среды, он значительнее токсичнее свинца. В последние 30–40 лет он находит все большее техническое применение. Его попадание в пищевые цепи связано с его промышленными выбросами в воздух и воду. Кадмий имеет свойство накапливаться в организмах животных и растений. Отравление кадмием получило название кадмиоз или Болезнь Итай-итай (в переводе с японского «больно»).

Стронций-90 и цезий-137 – продукты деления атома, имеющие большой период полураспада. Эти ранее малоизученные элементы теперь являются объектами пристального внимания в связи с их большой опасностью для человека и животных. Они попадают в окружающую среду при производстве и использовании различных источников ядерной энергии. Эти вещества активно циркулируют по пищевым цепям и накапливаются в тканях животных и растений. Это связано с тем, что стронций по свойствам похож на кальций, а цезий – на калий. Стронций может оказывать также канцерогенное действие.

Дихлордифенилтрихлорэтан или просто ДДТ– пестицид (пестис – зараза, циде – убиваю, лат.), использовавшийся, а местами используемый до сих пор в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми. В свое время его открытие было отмечено Нобелевской премией. Он малорастворим и никогда не поступает в верхние слои атмосферы и при этом встречается повсюду. Его обнаруживают в тканях пингвинов Антарктиды. Он в основном мигрирует по пищевым цепям, при этом в конце пищевого цикла его концентрация может увеличиться в 1000 раз. Сейчас его использование запрещено.

Диоксины – это группа веществ, в которую входят сотни видов хлор–, бром- и хлорброморганических циклических эфиров. Диоксины образуются во многих технологических процессах различных производств, включая сжигание отходов, биологическую очистку сточной воды и сгорание топлива в двигателях. Эти вещества превосходят по своей токсичности соединения тяжелых металлов.