§ 10.2. Функционирование географической оболочки

Круговорот веществ в географической оболочке

Наиболее общие свойства географической оболочки определяются ее массой, энергией и их круговоротом. Функционирование географической оболочки осуществляется посредством большого количества круговоротов веществ и энергий, обеспечивает сохранение основных ее свойств на протяжении значительного времени, обычно носит ритмический (суточный, годовой и т.д.) характер и не сопровождается ее коренным изменением. Успешное взаимодействие человека и природы возможно при понимании сущности этого функционирования, так как управление ими позволит сохранить стабильную географическую оболочку [1,3, 11,20,24,27,28,33,35].

Вещество географической оболочки и его энергия имеют земное и солнечно-космическое происхождение. Взаимодействие компонентов географической оболочки происходит путем обмена веществом и энергией в форме круговоротов различного масштаба. Энергетический баланс географической оболочки рассмотрен в § 10.1, поэтому здесь остановимся на балансе вещества и других важных для географической оболочки циклических процессах. Обычно под круговоротом веществ понимают повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества и энергии в природе, имеющие более или менее циклический характер. Эти процессы следует характеризовать как поступательные, поскольку при различных превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда присутствуют те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ и энергии.

В связи с неполной замкнутостью круговоротов веществ концентрация тех или иных элементов меняется в масштабах геологического времени, например в атмосфере накапливаются биогенные азот и кислород, в земной коре - биогенные соединения углерода (нефть, уголь, известняки). В разных частях планеты скапливаются (при извержении вулканов или в составе метеоритов и космической пыли) и рассеиваются водород, железо, медь, никель.

Круговорот веществ в природе включает в себя процессы преобразования простейших минеральных и органоминеральных веществ в более сложные соединения, их перемещение, дальнейшую деструкцию с образованием простых форм. Так, ежегодно из Мирового океана испаряется более 450 тыс. км³ воды и примерно столько же возвращается в виде атмосферных осадков и стока. Однако здесь проявляется неполная замкнутость круговорота воды: вода атмосферных осадков может связываться в результате различных реакций или погружения в толщу Земли; часть вещества Земли, в том числе вода, непрерывно уходит в межпланетное пространство из внешних слоев атмосферы, где скорость газов начинает превышать критическую (первую космическую) скорость. В общем случае оценить полный баланс вещества (соотношение между приходом и расходом) географической оболочки достаточно сложно. Но предполагается, что этот баланс положительный, т.е. в географической оболочке вещество накапливается.

Вещество каждой частной оболочки (гидросферы, атмосферы и пр.) присутствует в других частных оболочках. Например, вода пропитывает горные породы, а водяные пары присутствуют в атмосфере. Более того, явления и процессы, происходящие в географической оболочке, осуществляются совместно и неразрывно. Все компоненты географической оболочки взаимодействуют и проникают друг в друга.

Важнейшими круговоротами, осуществляющимися в пределах географической оболочки, считаются круговорот вещества, связанный с круговоротом воды, и круговорот, вызываемый деятельностью живого вещества.

Круговорот вещества между сушей и океаном связан с круговоротом воды. Солнечная радиация нагревает водную поверхность, что приводит к испарению огромного количества воды. Большая ее часть возвращается в Океан в виде атмосферных осадков, а остальная часть выпадает в виде атмосферных осадков на сушу и далее возвращается обратно в Океан в виде стока, главным образом речного. Если принять, что каждый год испаряется новая порция воды Океана и сохраняются существующие темпы круговорота, то оказывается, что вся вода, содержащаяся в атмосфере, обновляется за 1/40 года, речные воды - за 1/30 года, почвенные воды — за 1 год, воды озер — за 200-300 лет, а вся гидросфера, включая Океан, - за 3000 лет.

В круговороте вращается не только чистая вода. В состав водяного пара с поверхности Океана попадают ионы морских солей. С атмосферными осадками они выпадают на сушу. Эти соли, а также вещества, выщелачиваемые почвенными и грунтовыми водами вследствие процессов выветривания и почвообразования, поступают в речные воды. Часть их задерживается на суше в долинах рек, а другая часть в виде взвесей и растворов вместе с речным стоком достигает Океана. Механически взвешенное вещество постепенно выпадает на дно, а растворенное вещество смешивается с раствором морской воды, поглощается морскими организмами и в конечном счете в результате химических и биохимических процессов выпадает на дно Океана. С суши в Океан поступает значительно больше вещества, чем возвращается из Океана на сушу. Если бы этот темп сноса вещества с суши в океан был таким же и в прошлом, то масса всех осадочных пород Земли могла бы образоваться примерно за 130 млн лет. Однако возраст осадочных пород несравненно больше, поэтому считается, что темп выветривания в настоящее время значительно выше, чем в прошлом.

Обмен веществом между сушей и морем не ограничивается описанным круговоротом. Так, поднятия и опускания поверхности суши и океанического дна приводят к изменению соотношения суши и Океана, в связи с чем морские осадки могут оказаться на суше и их вещество включается в новый круговорот. Таким образом, Океан частично компенсирует отрицательный баланс обмена веществом между сушей и Океаном. Но и этот процесс полностью не замыкает круговорот, поскольку часть осадков в областях погружения может уходить за пределы географической оболочки — в глубокие слои Земли.

Другой важнейший круговорот вызывается деятельностью живого вещества. В биосфере постоянно происходит прирост живого вещества, и за это же время отмирает такая же масса живого вещества. Подсчитано, что все живое вещество могло бы обновиться примерно за 13 лет. В процессе фотосинтеза растения на суше поглощают воду и продукты минерального питания из почвы, а в гидросфере — из верхних, освещаемых солнечными лучами слоев воды. Из воды в гидросфере и из атмосферы на суше растения поглощают углекислый газ. В процессе фотосинтеза они выделяют в атмосферу и гидросферу кислород. В результате весь кислород атмосферы может обновиться за 5800 лет, углекислый газ — за 7 лет, а вся вода гидросферы — за 5,8 млн лет. Еще более интенсивен круговорот воды, связанный с транспирацией (испарением) растительностью. Растениями суши в биологический круговорот постоянно включаются минеральные вещества из почвы, которые возвращаются в почву. Но круговорот веществ, обусловленный деятельностью живого вещества, не полностью замкнут — часть вещества на суше выходит из биологического круговорота и с речным стоком поступает в Океан. Пройдя биологический круговорот в океане, часть вещества выпадает в осадок, из которого образуются осадочные горные породы, и надолго выключается из биологического круговорота.

Круговороты отдельных химических элементов

Для географической оболочки крайне важен круговорот отдельных биогенных элементов. Каждый химический элемент совершает свой круговорот в географической оболочке за счет солнечной энергии. Участвующие в круговоротах элементы переходят из органической формы в неорганическую и наоборот. При нарушении равновесия круговоротов этих элементов биогенные элементы или накапливаются в ландшафтах, или удаляются из них. Так, мертвый органический материал накапливается в отложениях озер, прибрежных болот и мелких морей, где анаэробные условия препятствуют его разложению микроорганизмами, что приводит к угле- или торфообразованию; эрозия почв, обусловленная нерациональным использованием земель (сведение лесов, неправильная распашка и т.д.), приводит к вымыванию богатых биогенными элементами почвенных слоев.

К основным биологическим циклам обычно относят круговороты таких важных для формирования живого вещества элементов, как углерод, кислород, азот, фосфор:

◊ круговорот углерода. Источников углерода достаточно много, но лишь углекислый газ (диоксид углерода), находящийся в атмосфере в газообразном состоянии или растворенный в воде гидросферы, перерабатывается в органическое вещество живых организмов. В процессе фотосинтеза он превращается в сахар, затем в протеиды, липиды и другие органические соединения. Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, служащие источником питания живых организмов. В процессе их дыхания около трети этого углерода превращается в углекислый газ и возвращается в атмосферу. Основные источники современного повышенного поступления углекислого газа — антропогенные. В настоящее время в процессе хозяйственной деятельности человека (сжигание топлива, металлургия и химическая промышленность) в атмосферу выбрасывается в 100-200 раз больше углекислого газа, чем его поступает из природных источников, а в результате уничтожения лесов, загрязнения морей и океанов и т.д. ослабевают процессы фотосинтеза, что также приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере. Наблюдения за содержанием углекислого газа в атмосфере, осуществляемые с середины XIX в., показали, что за последние 10 лет оно возросло примерно на 10% его современной концентрации. Это создает так называемый парниковый эффект - углекислый газ задерживает длинноволновое тепловое излучение с поверхности Земли. В результате возможны повышение температуры воздуха и, как следствие, таяние ледников, подъем уровня Океана. Заметим, что изменение климата обусловливает и ряд других антропогенных факторов - загрязнение и запыление атмосферы, снижающее количество поступающей солнечной радиации на земную поверхность, сведение лесов и загрязнение поверхности Мирового океана нефтью, изменяющие альбедо производственные выбросы теплоты в атмосферу;

◊ круговорот кислорода. Кислород содержится в географической оболочке в разных формах. В атмосфере он находится в газообразной форме (в виде молекул кислорода и в составе молекул диоксида углерода СО₂), в гидросфере - в растворенном виде, а также входит в состав воды. Больше всего кислорода находится в связанном состоянии в молекулах воды, в солях, оксидах твердых пород земной коры. Несвязанный кислород расходуется на дыхание животных и растений, а также на окисление веществ, образующихся при разложении органических веществ микроорганизмами. Основной источник атмосферного кислорода — зеленые растения. Ежегодно в процессе фотосинтеза высвобождается примерно 1/2500 его содержания в атмосфере, т.е. время круговорота кислорода в атмосфере составляет около 2500 лет. Деятельность человека привела к появлению новых видов потребления свободного кислорода: он требуется в производстве тепловой энергии, при сжигании горючих ископаемых, в металлургии, химическом производстве, расходуется в процессе коррозии металлов. Расход кислорода, связанный с производственной деятельностью человека, составляет 10-15% того количества, которое образуется в процессе фотосинтеза;

◊ круговорот азота. Основной источник азота — воздух, он содержит около 78% азота. Большая часть этого газа образуется в результате деятельности микроорганизмов - фиксаторов азота. Нитраты - соли азотной кислоты - из разнообразных источников поступают к корням растений; образовавшийся в результате биохимических реакций азот переносится в листья, где синтезируются протеины, служащие основой азотного питания животных. После отмирания живых организмов органическое вещество разлагается и азот переходит из органических в минеральные соединения под действием аммонифицирующих организмов, образующих аммиак, который входит в цикл нитрификации. Растения ежегодно образуют менее 1% активного фонда азота, т.е. общее время круговорота азота превышает 100 лет. При отмирании растений и животных азот под воздействием бактерий-денитрификатов переходит в атмосферу. Основной источник повышенного поступления азота в природный круговорот - современное сельское хозяйство, использующее азотные удобрения. Производство и применение азотных удобрений приводит к нарушению естественного соотношения между количеством газообразного азота, образующегося из органических соединений и поступающего в атмосферу, и количеством азота, приходящего из атмосферы в процессе его естественной фиксации;

◊ круговорот фосфора. Фосфор - один из важнейших элементов, участвующих в создании живого вещества. Содержание фосфора в биомассе географической оболочки значительно меньше, чем кислорода и углерода, но без него невозможен синтез белков и других высокомолекулярных соединений углерода. Основной источник фосфора в географической оболочке — апатиты. В миграции фосфора большую роль играет живое вещество: организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов; он входит в многочисленные органические соединения, особенно много его в костных тканях. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей и концентрируется в виде морских фосфатных конкреций (минеральных образований округлой формы), в скелетах рыб, млекопитающих, гуано (разложившемся в условиях сухого климата помете морских птиц). Это создает условия для образования богатых фосфором осадочных пород, которые в свою очередь являются источником фосфора в биогенном цикле. В настоящее время значительное влияние на запасы и распределение фосфора, как и азота, в географической оболочке, на скорость и замкнутость их круговоротов оказывают такие факторы, как уничтожение лесов, замена их травянистой и культурной растительностью.

Ритмические процессы в географической оболочке

Важным звеном в изучении функционирования географической оболочки является анализ ритмичности происходящих в ней процессов и их зависимость от внутренних и внешних факторов. Природные явления могут быть периодическими (одинаковые фазы повторяются через равные промежутки времени: смена дня и ночи, смена времен года и др.); циклическими, когда при постоянной средней продолжительности цикла промежуток времени между его одинаковыми фазами имеет переменную продолжительность (колебания климата, наступление и отступление ледников). Ритмичность установлена в атмосферных процессах (температура, осадки, атмосферное давление и др.), в развитии гидросферы (в колебаниях водности рек, уровней озер), в изменении ледовитости морей и развитии ледников на суше, в трансгрессиях (наступание моря на сушу) и регрессиях (отступание морей), в различных биологических процессах (развитие деревьев, размножение животных), в горообразовании. По продолжительности различают ритмы суточные, годовые, внутривековые (от нескольких лет до десятилетий), многовековые, сверхвековые (измеряемые тысячелетиями, десятками и сотнями тысячелетий), геологические, когда некоторые явления повторяются через миллионы лет.

Гелиогеофизические ритмы в географической оболочке связаны с изменениями солнечной активности; родоначальниками науки об изменении солнечной активности являются Г. Галилей, И. Фабрициус, X. Шейнер, Т. Гарриот, которые еще в начале XVII в. обнаружили на поверхности Солнца темные пятна. Существование косвенно действующей связи «солнцедеятельности» с природными процессами доказал отечественный ученый А.Л. Чижевский, которого считают основателем гелиобиологии. Он установил зависимость от активности Солнца таких явлений органического мира, как урожайность злаков, рост и болезни растений, размножение животных и улов рыбы, колебания содержания кальция в крови и изменения веса младенцев, частота несчастных случаев и вспышек инфекционных заболеваний, рождаемость и смертность [37].

К гелиогеофизическим ритмам обычно относят 11-летние, 22-23-летние, 80-90-летние. Они проявляются в колебаниях климата и ледовитости морей, интенсивности роста и смене фаз развития растительности (в частности, они фиксируются в годичных кольцах деревьев), изменениях активности вулканов.

Вызванные И-летними периодами солнечной активности электрические и магнитные явления в атмосфере оказывают огромное влияние не только на климат, но и на все живое. Во время повышения солнечной активности усиливаются полярное сияние, циркуляция атмосферы, возрастают увлажнение, прирост фитомассы, активизируется деятельность микробов и вирусов; медики связывают с ними эпидемии гриппа, рост сердечно-сосудистых заболеваний. В настоящее время известно множество ритмов в человеческом организме, например работа сердца, дыхание, биоэлектрическая активность мозга. В теории так называемых биологических хронометров особое значение придается ритмам и периодам в 23 дня (физический ритм), 28 дней (эмоциональный ритм) и 33 дня (интеллектуальный ритм), которые отсчитываются со дня рождения. Вполне возможно, что эти периоды обусловлены космическими причинами.

Причиной ритмов, имеющих астрономическую природу, могут быть изменения движения Земли по орбите и под влиянием других планет, например изменение наклона земной оси к плоскости орбиты. Эти возмущения влияют на интенсивность облучения Земли Солнцем и на климат. С ритмами такого рода (их продолжительность 21 тыс., 41 тыс., 90 тыс. и 370 тыс. лет) связывают многие события на Земле в четвертичном периоде (последние 1,8 млн лет), прежде всего развитие оледенений. Астрономическую природу имеют и самые короткие ритмы - суточный и годовой - и ритмы, обусловленные взаимным перемещением тел в системе Земля - Солнце - Луна. В результате перемещения Солнца и планет в системе возникают неравенство сил тяготения и изменение приливообразующих сил. Эту природу имеют ритмы увлажненности продолжительностью 1850-1900 лет. Каждый такой цикл начинается с прохладной влажной фазы, затем следует усиление оледенения, увеличение стока, повышение уровня озер, цикл завершается сухой теплой фазой, во время которой ледники отступают, реки и озера мелеют. Эти ритмы вызывают смещение природных зон на 2-3° по широте.

Давно известно, что Луна и Солнце вызывают приливы в водной, воздушной и твердой оболочках Земли. Ярче всего проявляются приливы в гидросфере, вызванные действием Луны. В течение лунных суток наблюдаются два подъема уровня Океана (приливы) и два опускания (отливы). В литосфере размах колебаний приливной волны на экваторе достигает 50 см, а на широте Москвы — 40 см. Атмосферные приливные явления оказывают существенное влияние на общую циркуляцию атмосферы. Солнце также вызывает все виды приливов, но приливообразующая сила Солнца составляет всего 0,46 приливообразующей силы Луны. В зависимости от взаимного положения Земли, Луны и Солнца приливы, вызванные одновременным действием Луны и Солнца, либо усиливают, либо ослабляют друг друга.

Геологические ритмы - самые продолжительные из известных. Природа их еще недостаточно изучена, но, по-видимому, она также связана с астрономическими факторами. Эти ритмы проявляются прежде всего в геологических процессах. Примером геологического ритма могут служить тектонические циклы, сопоставимые с так называемым галактическим годом - временем полного оборота Солнечной системы вокруг ее галактической оси. Выделяют четыре основных тектонических цикла: каледонский (первая половина палеозоя), герцинский (вторая половина палеозоя), мезозойский и альпийский. В начале каждого такого цикла происходили морские трансгрессии, климат был относительно однообразным; завершение цикла знаменовалось крупными горообразовательными движениями, расширением суши, усилением климатических контрастов, большими преобразованиями в органическом мире.

Изучение природных ритмов и их причин позволяет прогнозировать течение природных процессов. Особое значение имеют прогнозы явлений, вызывающих природные катастрофы (засухи, наводнения, землетрясения, лавины, обвалы). В общем случае знание функционирования географической оболочки дает возможность выявлять тенденции, существующие в природе, учитывать их при вмешательстве в ход природных процессов, предвидеть последствия различных преобразований природы.