Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота
веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте
воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический (биотический), развивающийся
на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во
времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными
потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в
пределах экологических систем различного уровня организации (рис. 12.7).
Оба круговорота взаимно связаны и представляют как
бы единый процесс. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере,
оборачивается через организмы (связывается при дыхании и высвобождается при
фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота
атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем
фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет
(рис. 12.8).
Взаимодействие абиотических факторов и живых
организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между
биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных
соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и
неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы,
называют биогеохимическим круговоротом,
или биогеохимическим циклом.
Существование подобных круговоротов создает
возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме
устойчивость: удивительное постоянство процентного содержания различных
элементов. Здесь действует принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов
происходят в рамках круговорота всех элементов.
Рассмотрим более подробно основные биохимические
круговороты.
Рис. 12.8.
Круговороты воды, кислорода и углекислого
газа (по П. Клауду и А. Джибору, 1972)
Круговорот
воды. Самый
значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле — это планетарный гидрологический цикл — круговорот воды (рис. 12.9).
Рис. 12.9. Общая схема круговорота воды (по Ф.
Рамаду, 1981)
Примечание: цифры — толщина слоя в метрах
Каждую секунду в него вовлекается 16,5 млн м3 воды и тратится на это
более 40 млрд МВт солнечной энергии (Т.
А. Акимова, В.В. Хас-кин, 1994). Но
данный круговорот — это не только перенос
водных масс. Это фазовые превращения, образование растворов и взвесей,
выпадение осадков, кристаллизация, процессы фотосинтеза, а также разнообразные
химические реакции. В этой среде возникла и продолжается жизнь. Вода — основной элемент, необходимый для жизни.
Количественно это самая распространенная неорганическая составляющая живой
материи. У человека вода составляет 63%
массы тела, грибов — 80%, растений — 80—90%, а у некоторых медуз — 98%.
Вода, как мы увидим несколько позднее, участвующая в
биологическом круговороте и служащая источником водорода и кислорода,
составляет лишь небольшую часть своего общего объема.
В жидком, твердом и парообразном состояниях вода
присутствует во всех трех главных составных частях биосферы: атмосфере,
гидросфере, литосфере. Все воды объединяются общим понятием «гидросферы».
Составные части гидросферы связаны между собой постоянным обменом и
взаимодействием. Вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое,
совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана,
конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана
образует малый круговорот. Когда
водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится
значительно сложнее. При этом часть осадков испаряется и поступает обратно в
атмосферу, другая — питает реки и
водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоками,
завершая тем самым большой круговорот.
Над океанами выпадает
7/9 общего количества осадков, а над континентами 2/9. Замкнутая, бессточная часть суши в 3,5 раза беднее осадками, чем периферийная часть суши. Вода,
выпавшая на сушу, в процессе фильтрации через почву обогащается минеральными и
органическими веществами, образуя подземные воды. Вместе с поверхностными
стоками она поступает в реки, а затем в океаны. Поступление воды в Мировой
океан (осадки, приток речных вод) и испарение с его поверхности составляет 1260 мм в год.
Несмотря на относительно малую толщину слоя водяного
пара в атмосфере (0,03 м), именно
атмосферная влага играет основную роль в циркуляции воды и ее биогеохимическом
круговороте. В целом для всего земного шара существует один источник притока
воды — атмосферные осадки и один источник
расхода — испарение, составляющее 1030 мм в год. В жизнедеятельности растений
огромная роль воды принадлежит осуществлению процессов фотосинтеза (важнейшее звено
биологического круговорота) и транспирации. Подсчитано, что 1 га елового леса на влажной почве за год
транспирирует около 4000 м3
воды, что эквивалентно 378 мм осадков.
Суммарное испарение, или масса воды, испаряемой древесной или травянистой
растительностью, испарившейся с поверхности почвы, играет важную роль в
круговороте воды на континентах. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растений
в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для
жизнедеятельности самих растений.
Данные по круговороту воды на земном шаре позволяют
вычислить активность водообмена в различных частях гидросферы (табл. 12.2).
Таблица 12.2
Активность
водообмена в гидросфере (по М. И. Львовичу,
1986)
Часть
гидросферы
Объем (с
округлением), тыс. км3
Активность
водообмена, число лет
Океан
Подземные воды
В
т. ч. зоны активного водообмена
Полярные
ледники
Поверхностные
воды суши
Реки
Почвенная
влага
Пары
атмосферы
1370000
60000
4000
24000
280
1,2
80
14
3000
5000
300
8000
7
0,03
1
0,027
Вся
гидросфера
1454000
2800
Наиболее замедленной частью круговорота воды
является деятельность полярных ледников. Круговорот здесь совершается за 8,0 тыс. лет, что отражает медленное движение и
процесс таяния ледниковых масс. Подземные воды обновляются за 5,0 тыс. лет, воды океанов — за 3,0
тыс. лет, атмосферные воды — за 10 суток. Наибольшей активностью обмена, после
атмосферной влаги, отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 суток. Чрезвычайно быстрая возобновляемость
основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота
являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.
Происходящий в природе круговорот самоочищающейся воды — вечное движение, обеспечивающее жизнь на Земле.
Пресной воды на Земле очень мало. Вместе с зоной
активного водоснабжения подземными водами это лишь 300 млн км3, причем 97%
находится в ледниках Антарктиды, Гренландии, в полярных зонах и горах. Однако
естественный круговорот воды гарантирует, что без воды Земля не останется.