Глобальный круговорот веществ

Круговорот веществ

Лекция 5

Солнечная энергия обеспечивает на Земледва круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический), и малый, или биологический (биотический) [1].

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота веществ лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабе планеты [1].

Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т. п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться нз сушу - и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре.

Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ.

В круговороте воды суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Особенность круговорота в том, что из океана испаряется воды больше (примерно 3,8 геограмма; 1 геограмм равен 10²⁰ г, или 10¹⁴ т), чем возвращается с осадками (примерно 3,4 геограмма). На суше, наоборот, осадков выпадает больше (примерно 1,0 геограмм), чем испаряется (суммарно около 0,6 геограмма). В связи с тем, что из океана воды испаряется больше, чем возвращается, зна­чительная часть осадков, используемых экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, производящими пищу для человека, состоит из воды, испаряющейся из моря. Излишки воды с суши стекают в

озера и реки, а оттуда снова в океан. По существующим оценкам, в пресных водоемах (озерах и реках) содержится 0 25 геограмма воды, а годовой сток составляет 0,2 геограмма.

Таким образом, время оборота пресных вод составляет примерно один год. Разность между количеством осадков, выпадающих на сушу за год (1,0 геограмм), и стоком (0,2 геограмма) составляет 0,8 геограмма, которые испаряются и поступают в подпочвенные водоносные горизонты. Поверхностный сток частично пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них (рис. 5.1).

Рис.5.1. Круговорот воды в биосфере: объем испарения и осадков указан в геограммах (1 геограмм равен 10²⁰ г, или 10¹⁴ т)

С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавился процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью растений и животных - транспирация. Соотношение количества воды, выделившейся в результате транспирации и испарения, меняется в зависимости от местных условий. В тропическом влажном лесу количество воды, испаряемой растениями, достигает 7000 м³год¹ с 1 км², тогда какв саванне на той же широте и высоте с той же пощади оно не превышает 3000 м³год¹. Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на К1имат регионов. Она является также водоохранным и водоре­гулирующим фактором; смягчает паводки, удерживая влагу в почвах и препятствуя их иссушению и эрозии.

Общие запасы воды на земле оцениваются приблизительно в 1 386 млн. км³.

Соленая вода составляет около 97,5 % объема водной массы, на мировой океан приходится 96,5 %.

Объем пресных вод, по разным оценкам, составляет 35 -37 млн. км³, или 2,5 - 2,7 % общих запасов воды на Земле. Большая часть пресных вод (68 - 70 %) сосредоточена в ледниках и снежном покрове.

Энергетика гидрологического цикла: около трети поступаю­щей солнечной энергии затрачивается на движение воды. Это еще один пример «безвозмездной услуги», которую оказывает людям Солнце. Круговорот воды можно представить в виде двух энергетических путей.

Верхний путь (испарение) приводится в движение солнечной энергией, нижний (выпадение осадков) - отдает энергию озерам, рекам, заболоченным землям, другим экосистемам и непосредст­венно человеку, например на ГЭС (рис. 5.2).

Деятельность человека оказывает огромное влияние на глобальный круговорот воды, что может изменять погоду и климат. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т. п. сток воды в океан увеличивается, и пополнение фонда грунтовых вод сокращается. Во многих сухих областях эти резервуары выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются. В засушливых районах США (западная часть Оклахомы, Техас, Канзас), например, подземные горизонты наполнены водой, которая накопилась там в более влажные предыдущие геологические периоды, и теперь количество ее не

увеличивается. Вода здесь - невозобновляемый ресурс, подобно нефти. Основные источники ее будут исчерпаны через 30 - 40 лет, и ясно, что решение проблемы будет трудно найти, многие пострадают от экономического краха.

Рис. 5.2. Энергетика гидрологического цикла (по Ю. Одуму, 1986)

В России для водоснабжения, и орошения земель разведано 3367 месторождений подземных вод. Эксплуатационные запасы разведанных месторождений составляют 28,5 км³тэд"'. Степень освоения этих запасов на 1996 г. составляет в РФ не более 33 %, а в эксплуатации находится 1610 месторождений. Но в результате интенсивного водозабора в эксплуатируемых скважинах в уровенной поверхности подземных вод сформировались депрессивные воронки, площадь которых достигает 50 000 км², а снижение

уровня в центре воронки - 80 - 130 м (Москва, Брянск, Санкт-Петербург, Курск).

В настоящее время по всему миру создана сеть измерительных станций для выявления изменений в круговороте воды, от которого в значительной мере зависит будущее человека на Земле.

Малый круговорот. На базе большого геологического
круговорота возникает круговорот органических веществ, или
малый, биологический круговорот. В 1927 г. В. Р. Вильяме
писал: « Из большого, абиотического, круговорота веществ на
земном шаре вырывается ряд элементов, которые, постоянно
увлекаемые в новый, малый, по сравнению с большим, биологический круговорот, надолго, если не навсегда, вырываются из
большого круговорота и вращаются непрерывно расширяющейся
спиралью в одном направлении в малом, биологическом,
круговороте».

Дата добавления: 2014-01-04