Текст книги "Экология"

Гидросфера отличается динамичностью, движущей силой которой служит круговорот воды. Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу оказывается весьма сложной системой, включающей частные круговороты и разветвленный каскад фильтров, в том числе биосферный, пройдя через который полностью или частично вода в конце концов снова оказывается в основном поверхностном хранилище воды – Мировом океане.

В большинстве случаев для коротких промежутков времени (до десятков лет) можно считать, что обмен водой между основными составляющими гидросферы сбалансирован. Однако исследования изменений уровня Мирового океана за последние 100 лет выявили его подъем со скоростью 1 мм в год, что означает ежегодный прирост объема воды на 350 км³. Этот процесс может привести к серьезным последствиям – в исторически короткий срок (т. е. практически скачком) уровень океана может повыситься на 5–7 м.

Причин, вызывающих изменение уровня Мирового океана, много. Среди них как относительно понятные, так и малоизученные. Вероятно, есть и такие, о которых пока никто не догадывается и их, следовательно, не учитывают. Одной наиболее явной причиной является постоянно усиливающийся «парниковый эффект»; другой достаточно известной причиной – рост массы гидросферы за счет кристаллизации магмы, поступающей из недр Земли в районах рифтовых зон и вулканизма, хотя увеличение объема воды в этом случае оценивается всего в 1 млрд т или 1 км³. В целом рост массы гидросферы характерен для ее эволюции.

Круговорот воды – исключительно важное явление, ибо обеспечивает сушу пресной водой, которая все время возобновляется (рис. 7.19). Под воздействием солнечного тепла вода нагревается и испаряется с поверхности водоемов. Переносимые воздушными течениями пары воды затем конденсируются и выпадают в виде дождя и снега на сушу и поверхность водоемов.

Основная масса испарившейся воды, равная 4,5·10⁵ млрд т/г, выпадает на поверхность Мирового океана, так и не попав на континенты. Эта часть круговорота почему-то называется малой или океанической.

Океаны неодинаково активны во влагообороте. Много воды испаряется с поверхности Индийского океана, поскольку он преимущественно расположен в тропических и субтропических широтах. А в Тихом океане выпадают осадки, превышающие испарения с его поверхности.

Рис. 7.19. Схема круговорота воды на Земле: / – над океаном; II – над сушей; III – над сушей и океаном; IV– геологический круговорот; 1 – осадочные породы; 2 – граниты, 3 – базальты; 4 – водоупор; 5 – морские осадки; 6 – мантийное вещество

Вынесенная на сушу часть испарившейся океанической влаги включается в круговорот воды на суше, где влага испаряется с поверхности всех водоемов – рек, озер, болот и т. д. Воду испаряют и растения, откачивая ее корнями из грунта. Порой с поверхности суши, покрытой растительностью, воды может испаряться больше, чем с водной поверхности. Так, эвкалипт при благоприятных условиях испаряет воды до 150 л/сут, а береза в умеренной полосе – только 20 л за тот же период.

На суше вода неоднократно выпадает в виде осадков, образуя местные круговороты. Благодаря круговороту воды гидросфера является планетарной транспортной системой, которая перемещает продукты эрозии с более высоких на более низкие уровни и в конечном итоге с суши в океан и другие водоемы. Вместе с нерастворимыми продуктами эрозии вода переносит растворенные вещества и органику. За миллиарды лет транспортная система гидросферы вынесла с суши в океан на каждый килограмм воды почти 0,6 кг разрушенных горных пород.

Гидросфера служит также планетарным аккумулятором неорганического и органического веществ, которые приносится в океан и другие водоемы реками, атмосферными потоками, а также образуются в самих водоемах.

Водные ресурсы – это пригодные для употребления пресные воды. Они заключены в реках, озерах, подземных горизонтах, ледниках. Пары воды в атмосфере, морские воды так же, как и абсолютное большинство полярных льдов и воды наиболее глубоких подземных горизонтов, в настоящее время не применяются и рассматриваются в качестве потенциальных водных ресурсов. Их будущее освоение зависит от совершенствования техники добычи, ее экономической обоснованности, а также от решения часто непредсказуемых негативных экологических проблем, возникающих при использовании нетрадиционных источников воды.

Значение воды в мировом хозяйстве огромно. Она находит применение во многих отраслях: в энергетике, промышленном, коммунальном водоснабжении, а также при орошении сельскохозяйственных угодий. В ряде случаев ее используют не только для водозабора, но и в качестве транспортных магистралей, рекреационных зон, водоемов для рыбного хозяйства.

Доступные водные ресурсы рек слагаются из двух составляющих – поверхностного и подземного стока.

• Подземная составляющая стока – наиболее ценная в хозяйственном отношении, так как она в меньшей степени подвержена сезонным и суточным колебаниям объема. Кроме того, подземные воды реже загрязняются. Именно они формируют преобладающую часть «устойчивого» стока, при освоении которого не требуется сооружения специальных регулирующих устройств.

• Поверхностная составляющая стока включает в себя паводковые и талые воды, обычно быстро проходящие по руслам рек.

Общий объем доступных водных ресурсов мира оценивается в 41 тыс. км³/г, из которых только 14 тыс. км³/г составляют устойчивую часть.

Общемировое потребление пресной воды в 80-х годах прошлого столетия составило 4–4,5 тыс. км³/г. Уже в конце второго тысячелетия использовалось ежегодно 5,7 тыс. км³ пресной воды, а еще 8,5 тыс. км³– загрязнялось сточными водами (объем которых составил 1,3 млн км³), что равно 21 % полного или 61 % устойчивого стока.

Большой проблемой является то, что пресный водозапас рассредоточен по континентам неравномерно. На год каждый житель Земли в среднем обеспечен 7,5 тыс. м³ воды. В Европе норма водообеспечения ниже – 4,7, а в Азии всего 3,37 тыс. м³. Человечество уже столкнулось с проблемой ограниченности водных ресурсов, а в ряде отдельных регионов планеты ее нехватка ощущается особенно остро.

Литосфера (от греч. lithos – камень, sphaire – шар) – верхняя «твердая» (каменная) оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества. Она включает в себя земную кору и часть верхней мантии Земли.

Характерная особенность верхней мантии – ее расслоенность (рис. 7.20), установленная геофизическими методами исследований. На глубине около 100 км под материками и 50 км под океанами ниже подошвы земной коры находится астеносфера (от греч. asthenes – слабый, sphaire – шар). Это слой, обнаруженный в 1914 г. немецким геофизиком Б. Гутенбергом. В данном слое установлено резкое снижение скорости распространения упругих колебаний, что объясняют размягченностью вещества в нем. Предполагают, что вещество там находится в твердо-жидком состоянии; твердые гранулы окружены пленкой расплава.

Выше астеносферы породы мантии находятся в твердом состоянии и совместно с земной корой образуют литосферу. Таким образом, считается, что мощность литосферы составляет 50—200 км, в том числе земной коры – до 75 км на континентах и 10 км под дном океана.

Ниже астеносферы располагается слой, в котором плотность вещества возрастает, что увеличивает скорость распространения сейсмических волн. Слой назван в честь русского ученого Б. Б. Голицына, впервые указавшего на его существование. Предполагается, что он состоит из сверхплотных разновидностей кремнезема и силикатов.

Рис. 7.20. Строение литосферы и ее положение относительно мантии Земли: 1 – осадочный слой; 2 – гранитный слой; 3 – базальтовый слой; 4 – верхняя мантия

Верхняя часть земной коры, постоянно видоизменяемая под влиянием механического и химического воздействий погодно-климатических факторов, растений и животных, выделяется в отдельный слой, называемый корой выветривания.

Химические элементы. В конце 19-го столетия американский геохимик Фрэнк У. Кларк (1847–1931) задался целью установить состав земной коры и, проанализировав около 6000 горных пород, в 1889 г. впервые получил среднее содержание различных элементов. В его честь русский геохимик и минералог А. Е. Ферсман предложил среднее содержание химических элементов в земной коре называть кларками.[71]71
  Термин «кларк» в настоящее время используется также и для количественной оценки среднего содержания химических элементов в атмосфере, гидросфере, живом веществе биосферы, Земле в целом, горных породах, космических объектах и т. п. Выражается в единицах массы (%, г/т и др.) или в атомных процентах.


[Закрыть]

Более поздние исследования показали, что в целом результаты Кларка были близки к истине.

В настоящее время установлено, что более чем на 80 % земная кора состоит из кислорода, кремния и алюминия (табл. 7.10).

Таблица 7.10

Кларки наиболее распространенных химических элементов

Менее всего земная кора содержит инертных газов – гелия, неона и радона, что связано с их высокой подвижностью: они легко переходят в атмосферу, откуда рассеиваются в космическом пространстве. Одновременно земная кора пополняется космическим веществом, выпадающим в виде метеоритов и космической пыли.

Со временем некоторые химические элементы, в частности радиоактивные, трансформируются. На этом основании предполагают, что кларки урана и тория в минувшие геологические эпохи были значительно выше, а свинца – ниже, чем сейчас. Это относится ко всем элементам и изотопам, подверженным изменениям. По А. А. Саукову, 2 млрд лет назад атомов изотопа U²³⁵, имеющего период полураспада 7,1«10⁸ лет, на Земле было в 6 раз больше, чем сейчас.

Кларки химических элементов в современных горных породах следующие: в среднем в 1 м³ содержится железа 130 кг, алюминия 230 кг, меди 0,26 кг, олова 0,1 кг. В природе встречаются участки, где фактическое содержание того или иного химического элемента значительно выше его кларкового значения. Такие участки геологи исследуют с целью поиска месторождений полезных ископаемых.

Минералы. Химические элементы земной коры образуют естественные соединения, состоящие из одного, но чаще всего из нескольких элементов. Минералы (от лат. minera – руда) – однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твердые химические соединения. Иногда к минералам относят и жидкие природные вещества, например, жидкую ртуть.

Известно более 3 тыс. минералов, большинство из которых являются кристаллами и обычно имеют форму многогранников. В строении земной коры существенную роль играют всего несколько десятков минералов, называемых породообразующими. Наиболее распространены из них – полевые шпаты (55 %), иные силикаты (15 %), кварц (12 %), различные виды слюды (3 %), магнетит и гематит (3 %).

Минералы отличаются друг от друга по внешним признакам, к которым относят облик кристаллов, цвет самого минерала, цвет его черты,[72]72
  Цвет черты – цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластины, оцарапанной каким-нибудь минералом. Обычно он совпадает с цветом самого минерала, но иногда резко отличается. Так, черный гематит имеет красную черту.


[Закрыть] твердость, плотность, спайность[73]73
  Спайность – способность минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях.


[Закрыть] и др., а также химическому составу и структуре.

Чем выше природный кларк химического элемента, тем больше минералов, в которые входит этот элемент. Кислород встречается почти в половине известных минералов. Так, большое количество химически связанного кислорода находится в силикатах (от лат. silicis – кремень), относящихся к одному из важных классов минералов.

Горные породы. В земной коре минералы группируются в естественные ассоциации – горные породы. Выделяют магматические, осадочные и метаморфические породы.

Магматические (изверженные) горные породы. Они образуются при остывании расплавленных магм, поднимающихся из глубин Земли к ее поверхности. Различают глубинные породы, если магма застыла на глубине, и излившиеся, если остывание произошло уже на поверхности. Магматические породы состоят преимущественно из силикатов и алюмосиликатов, наиболее важными компонентами которых являются кремнезем (SiO₂) и глинозем (Аl₂О₃). Дальнейшая классификация ведется прежде всего в зависимости от содержания в породе кремнезема – ангидрида кремниевой кислоты (табл. 7.11).

Таблица 7.11

Деление магматических пород по содержанию диоксида кремния

Ультраосновные и основные породы содержат много оснований (соединений кальция, магния, железа и др.) и бедны кремнекислотой.

Осадочные горные породы. Они образуются путем переотложения на поверхности Земли или на дне морей, озер, болот, рек продуктов разрушения различных коренных

пород. Ими покрыто более 75 % поверхности континентов. Осадочные породы накапливались и уплотнялись иногда миллионы лет. Эти процессы сопровождали образование таких важнейших полезных ископаемых, как нефть и природный газ, уголь, железо, алюминий, золото и др.

В зависимости от происхождения осадочные породы делят на обломочные, глинистые, химические и биохимические.

Обломочные породы. Это продукты механического разрушения коренных горных пород. Их классифицируют по размерам обломков (в мм):

грубообломочные породы…………………….более 1

песчаные породы………………………….0,1–1,0

алевритовые фракции……………………..0,01—0,1

Обломочные породы могут быть разделены на рыхлые и сцементированные, а также на угловатые и окатанные (округленные).

Угловатые грубообломочные породы – древса (1—10 мм), щебень (10—100 мм), глыбы (более 100 мм), а округленные – гравий, галька, валуны.

Рыхлые песчаные породы – пески, а сцементированные – песчаники.

Алеврит (от греч. aleuron – мука) – разновидность рыхлой осадочной горной породы, по составу является промежуточной между песчаными и глинистыми породами. Размер главной массы зерен 0,01—0,1 мм.

Глинистые породы. Они состоят из мельчайших минеральных частиц размерами менее 0,01 мм и содержат свыше 30 % тонкодисперсных частиц размером менее 0,001 мм. По минеральному составу глины резко отличаются от типичных обломочных пород, они состоят преимущественно из кремнезема и глинозема.

Глины обладают пластичностью и низкой водопроницаемостью, благодаря которой они играют роль водоупорных горизонтов подземных вод.

Химические и биохимические породы. Они образуются в результате химических реакций или выпаривания, либо при косвенном участии биологических организмов, а также при концентрации их тел и скелетов. К данной группе относятся такие широко известные породы, как бокситы, фосфориты, бурые железняки, известняки, мел, доломиты, гипс, бурые и каменные угли, горючие сланцы и др.

Метаморфические горные породы. Они образуются путем глубокого преобразования магматических и осадочных пород под действием огромных давлений и высоких температур на большой глубине. В результате получаются породы, отличающиеся от исходных минералогическим составом.

К метаморфическим породам относятся твердые глинистые и слюдянистые сланцы (получающиеся из мягкой сланцевой глины), мрамор (из известняков), кварциты (из песчаников), яшмы, серпентиниты (из ультраосновных пород) и др. Эти породы обычно более устойчивы к выветриванию, чем другие.

Геологические циклы. Взаимное расположение и очертание континентов и океанского дна постоянно изменяются. В пределах верхних оболочек Земли происходит непрерывная постепенная замена одних пород другими, называемая большим круговоротом вещества. Геологические процессы образования и разрушения гор являются величайшими энергетическими процессами в биосфере Земли.

В пределах литосферы горные породы постоянно, хотя и очень медленно, перемещаются, образуя геологические циклы (рис. 7.21). Геофизические процессы (извержение магмы, вулканическая активность и поднятие крупных блоков земной коры) осуществляются за счет теплоты, выделяющейся в результате распада в недрах Земли изотопов калия, урана и тория. Процессы, протекающие на земной поверхности, – эрозия, выветривание и перенос осадков, – происходят за счет энергии Солнца, трансформированной в кинетическую энергию ветра и водных потоков, а также в тепловую энергию.

Рис. 7.21. Схема геологического цикла Земли (по Дж. Андерсону)

Наиболее быстро движение в геологическом цикле происходит при извержении вулканов и излиянии лав в районах рифтовых долин. Круговорот осадочного вещества осуществляется за десятки и сотни миллионов лет. В экологическом масштабе времени минералы, отложившиеся в глубоководных осадках, можно считать полностью выведенными из круговорота.

На поверхности коры выветривания формируется почвенный покров – основа земельного фонда биосферы. Он представляет собой самостоятельную земную оболочку – педосферу.

Почва – особое органоминеральное естественно-историческое природное образование, сформировавшееся в результате длительного преобразования поверхностных слоев литосферы при совместном взаимообуславливающем воздействии гидросферы, атмосферы, живых и мертвых организмов в различных условиях климата и рельефа в гравитационном поле Земли.

Изучение почв началось в глубокой древности с началом развития земледелия. Впервые мысль о том, что почвы снабжают растения питательными веществами, высказал в XVII в. французский ученый Б. Палисси. Научные представления о механизме минерального питания растений и роли СО₂ и N₂ воздуха, а также воды в почве стали развиваться в следующем столетии, чему способствовало развитие естественных и физико-математических наук. М. В. Ломоносов определял почву как продукт воздействия растений на горные породы, а перегной рассматривал как результат биологических процессов.

На рубеже ХVII–XIX вв. на смену теории водного питания растений пришла гумусовая теория А. Тэера, по которой для питания растений достаточно органических веществ почвы и воды. В целом ошибочная гумусовая теория внесла большой вклад в науку, ибо привлекла внимание к изучению гумуса почв, к травосеянию и органическим удобрениям. А. Тэер – один из основоположников многопольных севооборотов, организатор первого в истории высшего агрономического учебного заведения.

Немецкий агрохимик Ю. Либих сформулировал минеральную теорию питания растений, согласно которой растения усваивают из почвы минеральные вещества, а из перегноя – только углерод. Таким образом, запас минеральных веществ в почве ограничен, и каждый новый урожай истощает почву. Следовательно, для ликвидации дефицита элементов в почву необходимо вносить минеральные удобрения. Введение в практику сельского хозяйства минеральных удобрений К. А. Тимирязев назвал «величайшим приобретением науки». Недостаток теории Ю. Либиха в том, что почва считалась простым резервуаром элементов питания растений.

Основателем современного почвоведения является русский ученый В. В. Докучаев. Им впервые сформулировано понятие о почве как об особом естественно-историческом теле, разработаны методы изучения и картографирования почв, заложены основы их генетической[74]74
  Генетическая (от греч. genesis – происхождение, возникновение), потому что учитывает условия возникновения и формирования почв и в свою очередь отражает эти условия.


[Закрыть] классификации. В. В. Докучаев предложил рассматривать почву как динамическую, а не инертную среду, открыл основные закономерности географического распространения почв.

Твердая часть почвы состоит из минеральных и органических веществ.

Минеральный состав. Он определяется составом почвообразующих пород, возрастом почвы, особенностями рельефа, климата и т. д. В состав минеральной части почвы входят Si, Аl, Fe, K, Na, Мg, Са, Р, S, некоторые микроэлементы Си, Мо, J, В, F, РЬ и др. Подавляющее большинство химических элементов в почве находится в окисленной форме: SiO₂, Аl₂O₃, Fe₂O₃, К₂О, Na₂O, МgO, СаО. В почвах распространены также соли угольной, серной, фосфорной, хлористоводородной и других кислот. На основных породах почва более богата Аl, Fe, щелочноземельными и щелочными металлами, а на породах кислого состава – Si. В засоленных почвах преобладают хлориды и сульфаты кальция, магния, натрия.

Органический состав. Он формируется из соединений, содержащихся в большом количестве в растительных и животных остатках. Это белки, углеводы, органические кислоты, жиры, лигнин, дубильные вещества и др., в сумме составляющие 10–15 % от всей массы органического вещества в почве. При разложении органических веществ содержащийся в них азот переходит в формы, доступные растениям. Органические вещества играют важную роль в почвообразовании, определяют величину поглотительной способности почв, воздействуют на структуру верхних горизонтов почвы и ее физические свойства.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей (например, опавших листьев), фекалий и т. п. Мертвый органический материал используется в пищу совместно детритофагами и редуцентами (грибами и бактериями), завершающими процесс разложения. Не полностью разложившиеся остатки органических веществ называют подстилкой, а конечный продукт разложения, в котором невозможно различить первоначальный материал, – гумусом.

Гумус – аморфное органическое вещество почвы, образующееся в результате разложения растительных и животных остатков и продуктов жизнедеятельности организмов, причем утратившее тканевую структуру.[75]75
  Иногда в качестве синонима «гумусу» указывается термин «перегной», однако это не точно. Перегной в понимании «грубый гумус» допускает наличие остатков организмов, не утративших тканевую структуру, а перегной в широком смысле даже не исключает наличие в нем живых организмов – низших (микроорганизмов) и высших (личинок насекомых и др.).


[Закрыть]

По химическому составу – это сложная смесь разнообразных органических молекул. Гумус состоит из гуминовых кислот, фульвокислот, гумина и ульмина; имеет цвет от темно-бурого до черного.

По агрегатному состоянию гумус похож на глину; и то и другое находится в коллоидном состоянии. Отдельные его частицы прочно прилипают к глине, образуя глино-гумусовый комплекс. Гумуса в верхних горизонтах почвы содержится от десятых долей до 18 % (в черноземных почвах), а мощность гумусовых горизонтов от нескольких сантиметров до 1,5 м.

Формирование урожаев связано с большим расходом биогенных элементов почв, распадом гумуса. Так, на урожай зерновых, равный 50 ц/га, расходуется не менее 10 ц гумуса или 0,03 % массы пахотного слоя.

Гумификация – процесс превращения обитателями почв органических остатков в ходе ферментативных реакций биохимического разложения и окисления в темно-окрашенные высокомолекулярные вещества, в основном в гуминовые и близкие к ним кислоты. При гумификации происходит как разложение, так и синтез органических веществ.

Для формирования гумуса необходим дренаж почвы, так как при переувлажнении разложение идет очень медленно из-за нехватки кислорода, препятствующей росту аэробных редуцентов. В таких условиях растительные и животные остатки сохраняют свою структуру и, спрессовываясь, образуют торф.

Одновременно с гумификацией многие жизненно важные элементы переходят из органических соединений в неорганические, например, азот в ионы аммония (NH₄⁺), фосфор в орто-фосфат-ионы (Н₂РО₄^-), сера в сульфат-ионы (SO₄^2-), т. е. идет процесс минерализации. Углерод высвобождается в процессах дыхания и в виде СО₂ поступает в атмосферу.