Круговорот содержащихся в воде веществ

К числу наиболее распространенных веществ, содержащихся в воде и участвующих вместе с водой в ее глобальном круговороте, относятся растворенные в воде соли, взвешенные вещества и газы. Для этих веществ есть, однако, и другие способы переноса, помимо водного.

Круговорот солей. С поверхности океана в атмосферу при выбро­се волнением и физическом испарении ежегодно выносится в сред­нем 5,0 млрд т солей, возвращается обратно 4,5 млрд т с атмосфер­ными осадками и пылеватыми частицами⁷. Разница (0,50 млрд т) — это соли, которые переносятся в атмосфере с океана на сушу. Значительно больше солей поступает ежегодно с суши в океан (4,53 млрд т). Последняя величина складывается из поступления солей с речными (3,1 млрд т), ледниковыми (0,03 млрд т) и подземными (1,2 млрд т) водами, а также при растворении речных взвесей (0,2 млрд т). Основным источником этих солей служит процесс растворения горных пород поверхностными и подземными водами.

Расчет переноса солей на земном шаре проведен с учетом их средней концентрации в атмосферных осадках и ледниковых во­дах— 8—10 мг/л, в речных и подземных водах 75 и 545 мг/л соот­ветственно. Некоторое постоянное накопление солей в бессточных областях не учитывалось.

Таким образом, на земном шаре происходит направленный про­цесс выноса солей с суши в Мировой океан в размере 4,53—0,50 ~ ~ 4 млрд т/год.

Общее количество солей, растворенных в водах Мирового оке­ана, равно, по В. Н. Степанову (1983), 46,5* 10¹⁵ т. При объеме вод в океане 1338 млн км³ это дает среднюю соленость воды око­ло 35 %о. В обмене солями океана с атмосферой и сушей участвует не более 4 млрд т/год, что составляет всего около одной десяти­миллионной доли общего запаса солей в океане. Поэтому повлиять сколько-нибудь заметно на изменение запаса солей в океане и со­леность самой океанической воды даже длительное поступление солей с суши не может, тем более что часть приносимых солей осаждается на дно океана.

Круговорот наносов. Наносы — это содержащиеся в водных объек­тах твердые, в основном минеральные, частицы, поступающие в воду в результате эрозии земной поверхности и вымывания из грунта и переносимые водой во взвешенном или влекомом состоянии.

Круговорот наносов на земном шаре может проявляться лишь в геологическом масштабе времени, когда в разных районах плане­ты сменяется характер эрозионно-аккумулятивного цикла: эрозия осадочных пород на материке — смыв наносов в океан и формиро­вание толщи отложений на дне океана — тектоническое поднятие толщ морских отложений и превращение их в сушу — эрозия этих отложений и т. д. В каждый же конкретный момент времени можно говорить лишь о направленном поступлении наносов с суши в Ми­ровой океан.

Одновременно с этими глобальными эрозионно-аккумулятив­ными циклами геологического масштаба времени происходит и пе­рераспределение солей на земном шаре, о чем речь шла выше: растворяются на суше главным образом осадочные породы океани­ческого происхождения. Они-то и становятся источником солевого стока рек.

Основным переносчиком продуктов эрозии на поверхности суши служат сток талых и дождевых вод по склонам, сток вод в верхних звеньях русловой сети речных бассейнов.

Годовой сток взвешенных наносов рек мира при средней мут­ности речных вод 0,375 кг/м³ составляет 15,7 млрд т (по В. В. Алек­сееву и К. Н. Лисициной), что дает смыв с поверхности суши в среднем 150 т/км², или 0,1 мм/год. Фактическая эрозия поверх­ности суши на несколько порядков превышает величину эрозии, рассчитанную по стоку наносов рек в их замыкающих створах. Превышение фактической эрозии над рассчитанной по стоку нано­сов объясняется тем, что огромные массы грунта, смытого плоско­стным и ручейковым стоком, накапливаются у подножья склонов, большие объемы наносов отлагаются в устьях и на конусах выноса оврагов, ручьев, небольших речных притоков, на речных поймах

4

97

и т. д. Различие между суммарным объемом эрозии и стоком на­носов рек увеличивается с ростом площади речного бассейна.

В суммарном стоке наносов рек в среднем 90—95 % приходится на взвешенные и 5—10% на влекомые наносы.

В Мировом океане постоянно находится приблизительно 1370 млрд т взвеси. Это наносы, поступающие с реками, но не успевшие еще осесть, продукты размыва берегов и взмучивания волнами грунтов дна в прибрежной зоне, частицы, приносимые ветром, взвеси органического происхождения.

Круговорот газов. Из газов, участвующих в круговороте веществ в природе, наибольшее значение имеют кислород 0₂ и диоксид (двуокись) углерода С0₂.

Содержание кислорода в воде — главное условие жизнедеятель­ности водных организмов. Приходные составляющие баланса кис­лорода в воде — это поступление (растворение) кислорода из атмос­феры, продукция кислорода в процессе фотосинтеза; расходные составляющие баланса 0₂ — это биохимическое потребление кисло­рода (ВПК) при разложении органического вещества, химическое потребление кислорода (ХПК) при химическом окислении, потери кислорода при дыхании организмов и удалении в атмосферу.

Фотосинтез, в результате которого образуется органическое вещество, поглощается С0₂ и выделяется кислород, идет под дей­ствием солнечного света и в присутствии хлорофилла в зеленых организмах в соответствии с формулой

6С0₂ + 6Н₂0 -» С₆Н₁₂0₆ + 60₂Т (3.8)

Разложение белковых веществ, с другой стороны, приводит к образованию следующих основных продуктов распада:

Белок -> С0₂ + NH₄ + H₂S + ... + Н₂0 (3.9)

В атмосфере содержится 1184* Ю¹² т кислорода, в океане его 7,5 • 10¹² т, т. е. почти в 160 раз меньше.

Кислород в океан поступает в результате фотосинтеза фито­планктоном (154 млрд т/год), а также с дождевыми и речными вода­ми (3,6 млрд т/шд) и при поглощении из атмосферы (54,8 млрд т/год). Основными потребителями кислорода являются биохимические процессы в океане (потребление растениями и животными, окисли­тельные процессы и т. д.). На эти процессы уходит 151 млрд т кислорода в год. В атмосферу выделяется в год 61,4 млрд т кисло­рода. В итоге, по В. Н. Иваненкову, океан ежегодно отдает атмосфе­ре 61,4-54,8 = 6,6 млрд т кислорода.

На суше в результате фотосинтеза ежегодно продуцируется кислорода почти столько же, сколько дает фитопланктон океана (около 150 млрд т/год). Часть кислорода над сушей тратится на биохимическое потребление (эта величина точно не установлена, но заведомо меньше биохимического потребления кислорода в оке­

ане), о чем косвенно свидетельствует соотношение зоомассы в пе­ресчете на сухое вещество в океане (6 млрд т, по В. Г. Богорову) и на суше (0,5 млрд т).

Потребление кислорода на сжигание топлива составляло во всем мире в 1980 г. приблизительно 25 млрд т/год. По некоторым рас­четам, к 2000 г. этот вид безвозвратной траты кислорода атмосферы должен был достигнуть 57 млрд т/год.

Таким образом, общий баланс кислорода на планете положи­тельный, а основным источником пополнения атмосферы кислоро­дом служит фотосинтез.

В отличие от кислорода диоксид углерода С0₂ частично взаи­модействует с водой и растворенными в воде карбонатами, образуя угольную кислоту и включаясь в карбонатную систему (см. фор­мулу (1.4)).

Диоксид углерода поступает в водные объекты при окислении органического вещества (дыхание водных организмов, различные виды биохимического распада и окисления органического веще­ства), при подводных вулканических извержениях, с речным сто­ком. Количество С0₂ уменьшается в водных объектах прежде всего вследствие процесса фотосинтеза. С0₂ расходуется также на раство­рение карбонатов и химическое выветривание минералов.

Изменяется содержание С0₂ также вследствие взаимодействия водных объектов и атмосферы. И гидросфера, и атмосфера взаимно регулируют содержание С0₂ в воде и воздухе. Полагают также, что океан служит огромным планетарным «насосом» для С0₂: он по­глощает его в высоких широтах, где в связи с низкой температурой воды существенно возрастает растворимость газов, и отдает атмос­фере в низких, куда по глубинным горизонтам поступает вод$ из приполярных районов.

Баланс С0₂ в атмосфере очень сложен и недостаточно изучен. По современным представлениям, наблюдаемое увеличение кон­центрации С0₂ в атмосфере на ³Д обусловлено его выбросами в ре­зультате сжигания органического ископаемого топлива и на V4 ^свя_ зано с изменением характера землепользования (сведение лесов, осушение болот и др.). В настоящее время человечество ежегодно сжигает более 4,5 млрд т угля и 3,5 млрд т нефти и нефтепродуктов.

Количество диоксида углерода на протяжении истории Земли неуклонно уменьшалось, в то время как содержание кислорода увеличивалось. Уменьшение содержания С0₂ сопровождалось по­нижением температуры воздуха: при снижении концентрации С0₂ с 0,06 до 0,03 %о, т. е. в 2 раза, температура понизилась на 2,5 °С. С мелового периода средняя температура на Земле снизилась на 11 °С.

Как указывалось в разд. 3.2, в доиндустриальный период кон­центрация С0₂ в атмосфере составляла около 0,280 %о\ в течение XX в. она резко возросла до 0,368 %о. К 2100 г. концентрация С0₂, согласно прогнозам МГЭИК, может увеличиться до 0,540—0,970 %о, что будет на 93—246 % больше, чем в доиндустриальный период. Как отмечают Ю. А. Израэль с соавторами (2001), существует неопределенность в оценке карбонатного обмена между атмосфе­рой, Мировым океаном и поверхностью суши, а также неопреде­ленность, связанная с темпами экономического развития обще­ства в будущем, объемом ожидаемых выбросов С0₂ в атмосферу, характером защитных мер и т. д. Поэтому разброс возможных значений содержания С0₂ в атмосфере в конце XXI в. может быть еще больше — от 0,490 до 1,260 %с. По мнению тех же авторов, по мере увеличения концентрации С0₂ в атмосфере Мировой океан будет поглощать, по-видимому, все меньшую долю антропогенно­го С0₂.

Изменения содержания С0₂ в атмосфере уже привели и могут привести в дальнейшем к существенным изменениям климата и со­стояния гидросферы (см. разд. 3.2).