Біогеохімічні колообіги основних хімічних елементів

З появою на Землі живої матерії з’явилася можливість безперервної циркуляції хімічних елементів у біосфері та їх переходу із зовнішнього середовища до організмів та від організмів до зовнішнього середовища. Така циркуляція хімічних елементів отримала назву біогеохімічних колообігів. Біогеохімічні колообіги в біосфері можна поділити на два основні типи:

- колообіги газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері або гідросфері (океан);

- осадові цикли хімічних елементів з резервним фондом у земній корі.

У природі хімічні елементи завжди розподіляються нерівномірно по всій екосистемі і мають різну хімічну форму.

Завдяки наявності в атмосфері достатнього резервного фонду колообіги деяких газоподібних речовин здатні до швидкої саморегуляції за різних місцевих порушень рівноваги. Наприклад, надлишок вуглекислого газу, який накопичується в будь–якому місці у зв’язку з посиленим окисленням або горінням, швидко розсіюється повітрям; крім того, інтенсивне утворення вуглекислого газу компенсується збільшенням його потреби рослинами або перетворенням його в карбонати. Таким чином, колообіги газоподібних речовин у глобальному масштабі відносно досконалі. Основними циклами є колообіги: карбону (у складі вуглекислого газу), нітрогену, оксигену, фосфору, сульфуру та ін.

Уявлення про міграцію елементів у біогеохімічних циклах дає схема колообігу карбону (рис.3). На суші він починається з фіксації вуглекислого газу рослинами у процесі фотосинтезу з утворенням органічних речовин і побічного виділення кисню. Частина карбону виділяється під час дихання рослинами у складі вуглекислого газу.

Рис. 3. Колообіг карбону в біосфері.

Вуглекислий газ виділяється корінням рослин та чисельними живими організмами. У результаті процесів розкладу органічної речовини в лісах помірного клімату з 1 га ґрунту протягом року виділяється 70 - 80 ц, у чорноземних степах та лісостепах – біля 150 ц, у сухих степах – 2,0 - 2,5 ц вуглекислого газу.

Мертві рослини та тварини розкладаються мікроорганізмами, в результаті чого карбон мертвої органічної речовини окислюється до вуглекислого газу і знову потрапляє в атмосферу. Подібний колообіг карбону здійснюється також у водному середовищі. Фіксований у рослинах карбон у значних кількостях споживається тваринами, які, у свою чергу, виділяють його у процесі дихання.

Усі зелені рослини Землі щороку витягують з атмосфери до 300 млрд т вуглекислого газу (100 млрд т карбону), що приблизно збігається з підсумковим надходженням цього газу до атмосфери від різних джерел – дихання рослин та тварин, промисловості, транспорту та ін.

Колообіг карбону в гідросфері є більш складним порівняно з континентальним, оскільки поверхня цього елемента у формі вуглекислого газу залежить від надходження кисню до верхніх шарів води як з атмосфери, так і з нижнього шару. У цілому показники річного колообігу карбону у Світовому океані майже в 2 рази нижчі, ніж на суші.

Між сушею та Світовим океаном здійснюється постійна міграція карбону. Переважає винесення цього елемента у формі карбонатних та органічних сполук з суші до океану. Надходження карбону зі Світового океану здійснюється в значно менших кількостях, і то лише у формі вуглекислого газу, який дифундує до атмосфери та переноситься повітряними течіями. Вуглекислий газ атмосфери і гідросфери обмінюється та оновлюється живими організмами за 395 років.

В атмосфері є компоненти, кількість яких постійно змінюється. Це – вуглекислий газ, водяна пара, озон, аерозолі.

Вуглекислого газу в атмосфері приблизно 0,03% обсягу, але його роль у функціонуванні географічної оболонки надзвичайно велика. Він є основним будівельним матеріалом для створення органічної речовини при фотосинтезі. Частина його повертається в атмосферу внаслідок розпаду органічної речовини, а дещо менша частина залишається у земній корі у вигляді вугілля, нафти, газу та ін. Його кількість в атмосфері постійно поповнюється внаслідок виверження вулканів, діяльності людини (спалювання різних видів палива, промислового виробництва). Кількість СО₂ у повітрі непостійна. Вчені вважають, що 2 - 3 млрд років тому вуглекислий газ був основним у складі атмосфери. Але значна його кількість повернулась у земну кору, коли утворилися моря і океани, а також була поглинута зеленими рослинами.

Збільшення кількості вуглекислого газу в повітрі спостерігається з середини 19 ст., коли швидкими темпами почала розвиватися промисловість. Тільки при згоранні палива щороку в атмосферу виділяється не менше 10¹⁰ т вуглекислого газу. З розвитком промисловості кількість викидів цього газу збільшиться і якщо не будуть вжиті ефективні заходи проти забруднення, то через 10 - 20 років викиди становитимуть 40 - 43 млрд т на рік.

Атмосфера змінювалась протягом земної історії. Кілька мільярдів років тому вона складалася з СО₂, азоту та водяної пари; кисень з’явився в атмосфері 1,5 - 2 млрд років тому внаслідок активної діяльності ціанобактерій. З появою зелених фотосинтезуючих рослин вміст кисню став збільшуватись і в останні, близько 0,5 млрд років, залишається приблизно на одному рівні.

Концентрація вуглекислого газу постійно зростає. Якщо на початку століття вона складала приблизно 280 часток на мільйон, то зараз – 355, тобто зросла на 20% усього за сто років. Зростання концентрації вуглекислого газу до так званого „парникового ефекту” призведе до того, що поверхня Землі перестане охолоджуватись і почне перегріватись, як ґрунт у парнику. Це можливо тому, що атмосфера стає подібною на скло оранжереї. Вона пропускає до Землі сонячне проміння, яке нагріває поверхню, а те випромінювання, що відбивається від поверхні, поглинається вуглекислим газом. І це у разі збільшення кількості вуглекислого газу призведе до зростання температури повітря і зміни клімату в глобальному масштабі. Таке потепління викличе зміщення природних зон, внаслідок танення льодовиків у полярних районах підніметься рівень води Світового океану, зміняться обриси материків, окремі території зникнуть під водою та ін.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

Дата добавления: 2014-10-23