Круговорот воды в природе

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

      Рис 4. Круговорот азота.

3.4 Круговорот фосфора и серы

Фосфор  входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфатиона (PO43-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи.

Растения поглощают PO43- из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме так называемого органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы.

При каждом переходе велика вероятность окисления содержащего фосфор соединения в процессе клеточного дыхания для получения организмом энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.

В отличие, например, от углекислого газа, который, где бы он ни выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет "свободного возврата" в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы.

Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.

Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя, например, урожай вместе с накопленными из почвы биогенами на большие расстояния к потребителям.

Рис 5. Круговорот фосфора.

Сера встречается в природе как в свободном состоянии (самородная сера), так и в различных соединениях. Очень распространены соединения серы с различными металлами. Из соединений серы в природе распространены также сульфаты, главным образом, кальция и магния. Наконец, соединения серы содержаться в организмах растений и животных.

Сера широко используется в народном хозяйстве. В виде серного цвета серу используют для уничтожения некоторых вредителей растений. Она применяется также для приготовления спичек, ультрамарина (синяя краска), сероуглерода и ряда других веществ.

Круговорот серы происходит в атмосфере и литосфере.  Поступление серы в атмосферу происходит в виде сульфатов, серного ангидрида  и серы из литосферы при вулканических извержениях, в виде сероводорода за счет распада пирита (FeS2) и органических соединений. Антропогенным источником  поступления серы в атмосферу являются тепловые электростанции и другие объекты, где происходит сжигание угля, нефти и других углеводородов, а поступление серы в литосферу, в частности в почву, происходит с удобрениями и органическими соединениями.

Перенос соединений серы в атмосфере осуществляется воздушными потоками, а выпадение на земную поверхность либо в виде пыли, либо с атмосферными осадками в виде дождя (кислотные дожди) и снега.

На поверхности Земли в почве и водоемах происходит связывание сульфатных и сульфитных соединений серы кальцием с образованием гипса (CaSO4). Помимо этого происходит захоронение серы в осадочных породах с органическими остатками растительного и животного происхождения, из которых в дальнейшем происходит образование угля и нефти.

В почве изменение соединений серы происходит с участием сульфобактерий использующих сульфатные соединения и выделяющих  сероводород, который поступая в атмосферу и окисляясь снова переходит в сульфаты. Кроме этого сероводород в почве может восстанавливаться до серы, которая денитрифицирующими бактериями окисляется до сульфатов.

4.Мировой океан и климат

История климата

Возраст Земли — 4,6 ± 0,005 млрд. лет. Его определяют весьма точным радиоизотопным методом по возрасту падающих на повер­хность Земли метеоритов. Метеориты стали бомбардировать поверхность Земли сразу же после ее образования.

Долгое время считалось, что Земля в свое время была полно­стью расплавленной. Но сейчас ученые уверены, что этого никогда не было, поскольку никаких следов этого не обнаружено. Следами должны были бы быть мощные древнейшие отложения карбонатных осадков, которые должны были выпадать из атмосферы. Кроме того, из раскаленной атмосферы расплавленной Земли должны были улетучиться благородные газы.

Но этого не произошло. Видимо, на то, чтобы расплавить Землю, не хватило тепла. Оно поступало за счет ударов метеоритов, а также за счет радиоактивного распада и движения вещества внутри планеты в вертикальном направлении. При этом более тяжелое вещество опускалось вниз, к центру пла­неты, а более легкое — всплывало вверх. При таком движении вы­делялась энергия, превращающаяся в тепло.

Энергии всех этих ис­точников хватило только для разогревания внутренней части Зем­ли, а также для того, чтобы расплавить ее поверхностный слой. Из этого слоя - из верхней мантии Земли, вырывалась вулканическая лава. Она формировала земную кору.

Первоначально образовавшаяся мантия была однородной. Но затем она постепенно стала разделяться на легкоплавкую и тугоплавкую части. Первая часть состояла в основном из базальтов, в которых были растворены газы и вода. Эта более легкая часть мантии поднималась вверх к поверх­ности Земли. Затем она через жерла вулканов и трещины разломов изливалась на поверхность. При этом выбрасывались газы и вода в виде пара. Из этих газов и воды затем образовалась атмосфера Зем­ли и Мировой океан.

Через вулканы и сейчас интенсивно выбрасывается вещество. Оценено, что в год таким путем выбрасывается 3—1015 грамм вещества. Это вещество и создало земную кору.

Основную часть газовых выбросов при извержении вулканов составляют водяные пары, углекислый газ, сернистый газ, метан (СН4), аммиак (NH3), азот и другие газы. Из них и образовалась первичная атмосфера. Она кардинально отличалась от современной. Во-первых, она была очень тонкой. Во-вторых, у поверхности Зем­ли ее температура была равна примерно 5 °С. В условиях такой низ­кой температуры водяной пар превращался в жидкую воду — так постепенно образовался Мировой океан и вся гидросфера. В то же время появились снег и лед - криосфера.

Ученые установили, что первичная атмосфера Земли состояла наполовину из метана; 35% приходилось на углекислый газ и 11% на азот. Кроме того, она содержала пары воды и другие газы. Кислорода в то время в атмосфере вообще не было. В атмосферу вместе с вулканическими газами попадали кислые дымы. Это соединения водорода с хлором, фтором и бромом. Они растворялись в каплях воды, которая была в облаках, и выпадали в виде дождя слабых кислот на поверхность Земли. Такой же путь прошли соединения серы и аммиак. Появились кислотные ручьи и реки, текущие по базальтам. При этом из пород базальтов извлекались щелочные и щелочноземельные металлы. Это калий, натрий, кальций, магний и другие. Извлекалось и железо.

За счёт всех этих процессов масса атмосферы быстро увеличивалась. Из атмосферы интенсивно вымывались хорошо ра­створимые и активные газы. И в ней стало увеличиваться содержа­ние газов, которые обладают парниковым эффектом. Поэтому тем­пература у поверхности Земли стала расти. Это способствовало уве­личению облачного покрова и содержания пара в атмосфере. Под действием солнечного излучения из молекул воды на верхней гра­нице атмосферы стал выделяться кислород. Стало возможным окис­ление активных газов атмосферы. Аммиак, метан и другие газы ра­створились в водах Мирового океана. В результате растворения в воде углекислого газа образовывались бикарбонатные и карбонат­ые ионы. Они связывались с кальцием и, выпадая в осадок, обра­зовывали слои карбонатов. Так значительная часть газообразного вещества, совершив кругооборот, вновь возвращалась к земной коре в виде отложений. Например, в земную кору вернулось 80% углекислоты, которая из недр Земли поступила в атмосферу. Поэтому можно сказать, что земная кора формировалась и за счет взаимо­действия океана и атмосферы.

Если бы первичная атмосфера содержала кислород, то жизнь в таких условиях не могла бы возникнуть. Дело в том, что в таких условиях первичные органические вещества были бы кислородом окислены тут же и окиси превратились бы в неорганические.

Первичный океан состоял из воды с резко выраженной кислой реакцией. Эта вода представляла собой смесь разбавленных кис­лот с преобладанием угольной кислоты и большим содержанием кремниевой кислоты. По мере связывания металлов и образования солей кислотность воды в океане понижалась. Таким образом, ни на суше, ни в морях и океанах в то время пресной воды не было.

Что касается суши, то в первоначальный период она занимала большую часть поверхности Земли, чем сейчас. Она представляла собой оголенный грунт, который сформировался вулканическими отложениями — базальтами, туфами, вулканическими бомбами. В то время на суше и на море дышали огнем цепи вулканов. Многие участки поверхности Земли были усыпаны метеоритными кратера­ми. Поверхность суши была покрыта океаническими хребтами, которые обрывались рифтовыми долинами — провалами с крутыми стенками. На дне этих провалов практически не было земной коры. Из этих мест вытекала раскаленная лава, били фонтаны горячих минерализованных гейзеров, дымились выб­росы газов. Такие гигантские трещины когда-то опоясывали весь земной шар. Они разделяли земную кору на несколько гигантских плит. Эти плиты перемещались, наползали друг на друга и расходились. В тех случа­ях, когда одна плита подвигалась под другую, формировались гор­ные поднятия. При этом нижняя плита погружалась в недра и час­тично снова переплавлялась. В этих местах создавалась более мощ­ная и более легкая континентальная земная кора.

Такая первичная климатическая система (атмосфера — океан — суша — криосфера) просуществовала примерно один миллиард лет. Она существенно изменилась после того, как на Земле зародилась жизнь. В Гренландии были найдены образцы кварцитов, возраст которых составлял 3,8 млрд. лет. Это древнейшие из пород, обнаруженные на Земле. Исследования показали, что в тончайших средах кварцитов, из которых сложены древнейшие породы, имеются шарообразные и удлиненные пустоты. В этих пустотах были обнаружены фрагменты стенок, кото­рые имели явные признаки принадлежности к одноклеточным организмам. Значит, жизнь на Земле начала развиваться задолго до это­го. К тому моменту (3,8 млрд. лет назад) она успела уже пройти стадию доклеточного развития, а также стадию перехода от органического вещества к живому существу.

Каким был климат на Земле в самый давний — архейский пе­риод? Анализ отложений этого периода свидетельствует об обилии воды в это время. Атмосфера Земли была агрессивно-восстановительной. Вода морей характеризовалась высокой кислотностью. Это был са­мый теплый период па Земле. Атмосферный газ содержал большое количество углекислого газа, а также других примесей, которые создавали парниковый эффект. Образовывалась мощная облачность, поскольку при высокой температуре воды океана интенсивно испарялись. Облака закрывали свет, и на поверхности Земли под об­лаками царил полумрак. К этому добавим, что почти непрерывно гремели грозы и шли обильные кислые дожди и ливни. В опреде­ленной мере это та перспектива, которая ожидает нас, если выб­росами в атмосферу человечество раскачает ее тепловой баланс и начнется реальный процесс потепления на Земле. Если к этому добавится проникновение губительного ультрафиолета к поверх­ности Земли (поскольку озонный слой будет разрушен), то тра­гизм происходящего достигнет своего апогея: не только произой­дет необратимое изменение климата, но и перестанет существовать биосфера как таковая. Но вернемся к описанию изменения клима­та в прошлом. Собственно, мы и делаем экскурс в историю клима­та с целью найти ответ на вопрос— что нас ждет в результате изменения состава атмосферы, а значит, и энергетического соот­ношения, что неизбежно должно привести к изменению средней поверхностной температуры Земли.

Атмосфера Земли стала меняться в архейскую эру с момента появления микроскопических сине-зелёных водорослей, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды. При этом выделялся свободный кислород. Все это было возможным под действием солнечного света. Ультрафиолетовое излучение Солнца в наше время задерживается атмосферой. При таком составе атмосфе­ры оно проходило беспрепятственно к земной поверхности. Поэто­му первые организмы смогли сохранить свою жизнь только в воде на такой глубине, куда ультрафиолет не проникал. Как известно, именно озон, задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца и сохраняет нам и всему живому жизнь. Разрушив озонный слой, мы рискуем загнать жизнь глубоко в воды Мирового океана.

Озон образуется из кислорода. А кислорода в первоначальной атмосфере не было. Поэтому не было и озонного слоя. Кислород в атмосферу стали поставлять микроорганизмы, похожие на совре­менные синезеленые водоросли. С началом их возникновения ат­мосфера начала кардинально меняться. Это произошло примерно 3 млрд. лет назад.

Вначале образующийся кислород расходовался на окисление атмосферных и растворенных в океане активных газов — метана, сероводорода, аммиака, а также серы. Молекулярный азот образо­вался в процессе окисления аммиака, растворенного в океане. Образованный молекулярный азот явился источником азота в совре­менной атмосфере. Количество кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Окислительные процессы привели к появлению суль­фатных осадков — гипсов.

Примерно полтора миллиарда лет назад в атмосфере создалось кислорода около 1% от нынешнего его содержания. Поэтому стало возможным возникновение организмов, которые при дыхании пе­решли к окислению. Это аэробные организмы (аэро — воздух). При таком способе дыхания высвобождается значительно больше энер­гии, чем при анаэробном брожении. В это время в атмосфере начи­нает формироваться озонный слой. Он задерживает часть ультра­фиолетового излучения, и жизнь в океане и водоемах поднимается ближе к поверхности. Водный слой толщиной в один метр надежно защищал живые организмы от ультрафиолетового излучения.

Содержание кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось (примерно 600 млн. лет назад оно составляло десятую часть от ны­нешнего). Поэтому озонный слой увеличивался. Это усиливало защиту жизни от ультрафиолета. Примерно с этого времени начался настоящий взрыв жизни. Вскоре на сушу вышли первые самые примитивные растения, что способствовало более быстрому увеличению количества кислорода. Через какое-то время оно достигло современного уровня. Есть мнение, что его было еще больше. Но оно стало постепенно уменьшаться. Не исключено, что этот процесс уменьшения кислорода в атмосфере продолжается и в наше время. Изменение количества кислорода в атмосфере обяза­тельно вызовет изменение количества углекислого газа.