Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Реферат - Биогеохимическая эволюция состава атмосферы и жизнедеятельности организмов в массообмене газов - файл 1.doc


Реферат - Биогеохимическая эволюция состава атмосферы и жизнедеятельности организмов в массообмене газов
скачать (68 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc68kb.17.12.2011 23:55скачать

содержание

1.doc

Биогеохимическая эволюция состава

атмосферы и жизнедеятельности

организмов в массообмене газов



История формирования атмосферы служит ярким примером воздействия живого вещества на окружающую среду. Факты, полученные в последние годы, свидетельствуют, что состав современной газовой оболочки Земли является итогом длительного процесса, в котором ведущее значение имела геохимическая деятельность живых организмов.

Масса атмосферы составляет около 5,21015 т. Основная часть газового вещества (80 %) заключена в тропосфере, верхняя граница которой расположена на высоте около 17 км на экваторе, к полюсам она снижается до 8 — 10 км. Верхняя граница тропосферы — тропопауза — намечает область сильного снижения температуры и отсутствия скопления паров воды. Тропосфера является областью активного взаимодействия с океаном и сущей, в ней сосредоточена основная масса паров воды и мелких твердых частиц, переносимых воздушными массами. В тропосфере происходят фотохимические реакции, имеющие важное значение для биосферы.

Выше тропопаузы, в стратосфере и мезосфере, нарастает разреженность газов, сложно меняются термические условия. На высоте 25 — 30 км под воздействием солнечной радиации происходит Фотодиссоциация молекул кислорода и образуется озон. Молекулы озона сильно рассеяны. Очень разреженный слой озона поглощает 97 % ультрафиолетовой части солнечной радиации. Без этого экрана существование жизни на поверхности суши было бы невозможно.

На удалении от 80 до 800 км от поверхности Земли располагается ионосфера — область сильно разреженного, ионизированного газа. Самая наружная часть газовой оболочки — экзосфера — простирается до 1800 км. Из этой сферы происходит диссипация — потеря Землей наиболее легких атомов водорода и гелия.

Состав газовой оболочки Земли, как и состав Океана, в значительной мере обусловлен деятельностью живых организмов и поддерживается системой биогеохимических циклов. В настоящее время газовое вещество атмосферы на 99,9 % состоит из азота, кислорода и аргона. Среди компонентов, содержащихся в малых количествах, можно выделить пары воды, инертные газы и соединения, обусловленные биологическими процессами и фотохимическими реакциями.

Большой интерес для реконструкции истории атмосферы представляет геохимия инертных газов. Относительно высокое содержание аргона связано с тем, что большая часть этого газа представлена изотопом 40Аг, образованным за счет распада радиоактивного изотопа калия 40К. Количество гелия в атмосфере, наоборот, в 1000 раз меньше, чем должно быть. Это обусловлено непрерывной диссипацией этого элемента. Остальные инертные газы содержатся в том количестве, в каком они были выделены на протяжении всего времени существования Земли. Изучение соотношения изотопов ксенона привело геохимика Ю.А. Шуколюкова (1988) к заключению, что газовая оболочка возникла за очень короткий отрезок времени, который примерно совпадает со временем аккреции Земли. Предполагают, что быстрое образование атмосферы обусловлено энергичным выделением газов при ударах метеоритных тел на ранней стадии развития земной коры.

Под воздействием солнечной радиации в атмосфере происходила диссоциация паров воды. Непрерывное удаление главного восстановителя — водорода — в результате диссипации вызывало прогрессирующее накопление окислителей. Это имело два важных последствия. Во-первых, постепенно образовывался экран, предохраняющий поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации. Во-вторых, возник процесс окисления восстановленных газов, непрерывно поступавших из мантии, окислителями фотохимического происхождения, которые постоянно возобновлялись в результате диссипации водорода. Окисленные соединения растворялись в конденсирующейся атмосферной влаге и вымывались из атмосферы дождями. Этот процесс, имевший циклический характер, наметил направленность будущих биогеохимических циклов.

Следующий этап связан с распространением цианобактерий (сине-зеленых водорослей), которые для синтеза органического вещества начали использовать не энергию окислительно-восстановительных химических реакций, а световую энергию Солнца. Признаки деятельности этих простейших форм жизни отмечены уже в самых древних геологических образованиях. Таков комплекс пород Исуа в Западной Гренландии, содержащий органические соединения и оксиды железа и имеющий возраст 3,8 млрд лет; углеродистые сланцы Онвервахт серии Свазиленд в Южной Африке с возрастом 3,4 млрд лет. В кремнистых образованиях Варавууна (Западная Австралия), возраст которых определен в 3,5 млрд лет, уже обнаружены строматолиты — структуры, созданные сообществами цианобактерий. Древнейшие жизненные процессы протекали в водной среде при наличии свободного кислорода, свидетельством чему являются полосчатые железо-оксидные кварциты Исуа.

Содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться 1,8 — 2,0 млрд лет назад. Это проявилось в образовании континентальных красноцветных толщ, свидетельствующих о том, что окисление растворенного в океане железа в основном закончилось и началось его окисление на суше.

Биогеохимической особенностью цианобактериальной системы являлось преобладание продукционных процессов над деструкционными. В результате этого в толще осадков древних морей было погребено огромное количество органического углерода, а в окружающую среду выделено в 2,7 раза большее количества кислорода. Изменение геохимии древних океанов и атмосферы создало предпосылки для совершенствования биогеохимических Циклов.

Для нормального состояния окружающей среды особо важное значение имеют биогеохимические процессы, регулирующие содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере. Свободный кислород — необходимое условие существования главных форм жизни, углекислый газ — не только исходное «сырье» для фотосинтеза, но также химическое соединение, от содержания которого зависят термические и климатические условия на поверхности Земли.

Газы находятся не только в обособленной газовой оболочке планеты. В воде морей и океанов в растворенном состоянии содержится 4,32×1018 м3 газов. Это количество в 3 раза больше всего объема воды Мирового океана.

Между тропосферой и поверхностным слоем воды океана существует подвижное равновесие. Растворение газов в воде зависит от температуры и солености. Холодные воды растворяют больше газов. Поэтому океан в холодное время года поглощает газы из атмосферы, а в теплое время — выделяет их. В пресных водах растворимость газов выше, чем в соленых.

Большое количество углекислого газа обусловлено тем, что, растворяясь в воде, он вступает в химическое взаимодействие с водой. При этом образуется угольная кислота и хорошо растворимый продукт ее диссоциации [НСО3]-. В результате растворения газов в воде и их последующего испарения между гидросферой и атмосферой происходит непрерывный циклический обмен, благодаря которому поддерживается Динамическое равновесие. В этом глобальном процессе участвует вода в результате испарения и конденсации.

Химический состав атмосферы в последние десятилетия привлекает внимание в связи с так называемым парниковым эффектом, сущность которого состоит в экранировании отраженной от поверхности Земли солнечной радиации в инфракрасной части спектра. Задерживание теплового излучения Земли вызывает постепенное повышение температуры воздуха, что может привести к глобальным изменениям климата с весьма серьезными последствиями (таяние льдов Антарктиды и Гренландии, повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных, густо заселенных территорий и др.). В экранировании отраженного теплового излучения принимают участие разные газы-микропримеси (метан, озон, фреоны и др.), но главную роль играют пары воды и углекислый газ. Большую часть отраженной энергии поглощают пары воды, но они не поглощают излучения с длиной волны от 8 до 18 мкм. Это «упущение» частично восполняют рассеянные молекулы СО2, поглощающие отраженное излучение в диапазоне 12—18 мкм. Такие соединения, как СН4 и NO, поглощают излучение в коротковолновой части интервала, оставляемого парами воды.Бореальный пояс Мировой суши служит основным поставщиком главных парниковых газов: СО2 и СН4. Их продуцирование связано с микробиологическими процессами, протекающими в почве. Нарушение природного равновесия активной вырубкой лесов и последующим заболачиванием почв способствует усилению анаэробных микробиологических процессов и возрастанию эмиссии парниковых газов в атмосферу.

^

Геохимия и биогеохимия аэрозолей



Подобно тому, как в природных водах присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в атмосфере содержатся не только свободные молекулы и ионы газов, но и распыленные частицы твердых и жидких веществ.

Твердые аэрозольные частицы играют очень важную роль: они служат ядрами конденсации паров воды. Размеры этих частиц колеблются от нескольких микрометров до сотых и тысячных долей микрометра. Более мелкие частицы самостоятельно существовать не могут и присоединяются к другим. Есть электронейтральные и заряженные частицы. Последние состоят из молекул, группирующихся вокруг иона. Количество электронейтральных частиц менее 0,1 мкм (так называемых ядер Айткена) весьма значительно, но в силу своих ничтожных размеров они составляют всего 10 — 20 % от общей массы аэрозолей. Как суша, так и океан находятся в состоянии непрерывного циклического обмена с нижними слоями атмосферы, поставляя аэрозольные частицы в воздух и получая их обратно в составе атмосферных осадков и в форме сухих осаждений. Частицы континентального происхождения относительно крупные, их средние размеры около 2 — 3 мкм. Над океаном преобладают более мелкие частицы размером около 0,25 мкм.

На суше в процесс обмена с атмосферой вовлекаются не только испаряющиеся поверхностные воды, но и твердое вещество земной коры и педосферы. Среди аэрозольных частиц морского происхождения преобладают растворимые в морской воде соли. В 60-х гг. прошлого века было обнаружено, что в тропосфере присутствуют значительные массы рассеянных металлов. Их концентрация ничтожна и измеряется в нг/м3 воздуха. Наибольшая концентрация металлов приурочена к самому нижнему слою тропосферы, соприкасающемуся с поверхностью суши или воды.

Тысячи тонн металлов и мышьяка, сотни тонн селена, ртути, сурьмы находятся в километровом слое воздуха над континентами (приведенные данные относятся к природному явлению, не связанному с производственной деятельностью людей). Носителями рассеянных элементов служат аэрозольные частицы. В результате многократного выпадения аэрозолей на поверхность Мировой суши поступает от 10 ×103 до 100 ×103 т/год свинца.

Установлено, что рассеянные в тропосфере химические элементы находятся в разных формах, в том числе парогазовой. В парогазовой форме присутствуют не только элементы, отличающиеся хорошей возгоняемостью (иод, мышьяк, ртуть), но и такие тяжелые металлы, как цинк, медь, свинец. Перечисленные элементы тесно связаны с наиболее мелкими частицами аэрозолей размером менее 0,5 мкм. Очевидно, существует подвижное равновесие между элементами в парогазовой форме и фиксированными на поверхности мелких частиц аэрозолей. В то же время есть элементы, масса которых сосредоточена преимущественно в относительно крупных частицах аэрозолей. Таковы алюминий, железо, скандий, барий, лантан, иттрий и некоторые другие.

Определенные химические элементы, в том числе многие тяжелые металлы, поступают в тропосферу в парогазовой форме, а затем сорбируются наиболее мелкими аэрозольными частицами и при их выпадении выводятся из тропосферы. Механизм этого процесса хорошо прослеживается для элементов, легко переходящих в парообразное состояние. Примером может служить ртуть. Этот металл испаряется при любой температуре, существующей на поверхности Земли, вплоть до точки плавления (38 °С). Пары ртути не только хорошо диффундируют через почву, но и достаточно легко проникают через воду.Над всей поверхностью суши в тропосфере содержится от 100 до 250 т ртути. Общее содержание рассматриваемого металла над океанами и сушей в атмосфере Земли около 300 — 350 т.

Одним из наиболее очевидных источников поступления тяжелых металлов в атмосферу являются вулканы. На суше известно около 850 действующих вулканов. На протяжении года они выбрасывают около (2 — 3)×109 т пирокластического материала. Масса газов составляет по А.П.Лисицыну (1978) 3 % от твердого материала, т.е. 90×106 т/год. Состав пирокластического материала вулканов в среднем близок к составу андезитов, т.е. концентрация тяжелых металлов немногим больше, чем в гранитном слое земной коры континентов. Но в вулканических аэрозолях концентрация этих металлов значительно возрастает. По мнению С. Бутрона, для обеспечения геохимического фона тропосферы только одного Северного полушария потребовалось бы действие более 100 таких вулканов, как Этна, что не отвечает реальной действительности. По-видимому, наряду с процессами вулканизма имеется и другой источник поступления металлов в арогазовом состоянии. Факты свидетельствуют, что более мощным хотя и менее выраженным фактором является деятельность микроорганизмов и высших растений.

Имеющиеся факты позволяют заключить, что дифференциация химических элементов в системе поверхность суши — атмосфера — поверхность океана является результатом длительной деятельности живого вещества, а существующая динамика циклического массообмена тяжёлых металлов обусловлена главным образом современными биогеохимическими процессами.

^

Значение атмосферного массопереноса

водорастворимых форм химических

элементов



Поступившие в атмосферу химические соединения подвергаются глубокому преобразованию. Находясь в тропосфере и являясь ядрами конденсации, почвенные частицы испытывают неоднократное воздействие конденсирующейся воды и растворенных в ней хлор- и сульфат-ионов. При этом значительная часть рассеянных элементов переходит в состояние, способное к растворению.

Каждый литр атмосферной воды при падении капель средней величины, проходя расстояние 1 км, омывает около 300 м3 воздуха, а при очень мелких каплях — значительно больший объем. При этом часть элементов, находящихся в аэрозолях, растворяется. Соотношение растворимых и нерастворимых форм рассеянных элементов в тропосфере очень изменчиво и, вероятно, зависит от многих факторов. Изучение этого соотношения привело исследователей к заключению о том, что в атмосферных осадках над континентами примерно 50 % всей массы микроэлементов находится в водорастворимом состоянии, а 50 % — в нерастворимых формах (Миклишанский А.3. и др., 1978). Представление о массообмене химических элементов между атмосферой, сушей и океаном можно получить путем установления баланса масс растворимых веществ, мигрирующих с атмосферными осадками и речными водами.

Воздушные массы переносят значительные количества не только воды, но и растворимых веществ. Среднюю минерализацию атмосферных осадков над океаном разные авторы определяют равной 10 — 20 мг/л. Приняв наиболее низкое значение минерализации (10 мг/л), можно предположить, что с поверхности океана в атмосферу переходит не менее 4,6×109 т солей. Средняя минерализация атмосферных осадков над сушей равна 25 мг/л. Следовательно, с поверхности суши в атмосферу поступает и затем выпадает с атмосферными осадками 1,73×106 т солей. Количество солей, переносимых с Мирового океана на сушу, учитывая сухие осаждения, составляет не менее 0,53×109 т/год. Воздушный перенос морских солей распространяется преимущественно на дренируемую реками часть суши и частично компенсирует вынос речными водами растворимых соединений с этой территории.

Возвратная миграция крупных масс водорастворимых соединений не означает, что химические элементы, вынесенные в форме ионного стока в океан, возвращаются на сушу в тех же соотношениях. Состав речных вод глубоко трансформируется при поступлении в океан. По этой причине в океанических водах соотношение элементов иное, чем в растворимой части речных вод. Кроме того, при образовании океанических аэрозолей и переходе химических элементов из океана в атмосферу имеет место их фракционирование. Химический состав солей атмосферных осадков и солей морской воды также неодинаков.

Циклические процессы массообмена между поверхностью суши и тропосферой, — с одной стороны, и поверхностью океана и тропосферой — с другой, связаны между собой. По нашим расчетам, суммарный захват дисперсных почвенных частиц с поверхности Мировой суши и поступление их в атмосферу составляет около 5,2×109 т/год. Из этого количества примерно 3,5×109 т возвращаются на поверхность суши, а (1,7 — 1,8)×109 т поступают в пределы акватории. В циркумконтинентальной зоне по периферии суши, примерно соответствующей зоне шельфа, среднее осаждение пыли равно 15 г/м2 в год. В открытой части океанов и над сушей, покрытой ледниками, среднее осаждение значительно меньше — 3 г/м2 в год. Соответственно в циркумконтинентальной зоне, занимающей около 10% от общей акватории Земли, выпадает (0,5 — 0,6)×109 т/год пыли, на поверхности открытой части океана и площади материковых ледников — около (1,1 — 1,2)×109 т/год. Одновременно с переносом пыли с суши выносятся десятки и сотни тысяч тонн цинка, свинца, меди и других тяжелых металлов,

Очевидно, что глобальные миграционные циклы состоят из менее протяженных циклов, охватывающих конкретные территории.

Разные территории характеризуются неодинаковыми массами химических элементов, вовлеченных в циклическую — водную и атмосферную миграцию. Например, на приморских территориях, получающих большое количество океанических солей, соответственные массы этих солей захватываются в водную миграцию и включаются в цикл системы суша—океан — атмосфера—суша. Мигрирующие элементы транзитно проходят эту территорию, лишь частично задерживаясь на небольших участках. Внутриконтинентальные хорошо увлажняемые области получают небольшое количество солей с атмосферными осадками, и соответственно небольшие массы солей вовлекаются в водную миграцию. Относительно внутриконтинентальных засушливых регионов, которые получают большое количество солей с атмосферными осадками, может сложиться впечатление, что для них характерно нарастающее засоление. В действительности примерно такое же количество солей захватывается ветром и включается в циклическую миграцию суша— атмосфера—суша. В частности, это типично для Казахстана и Средней Азии, где с атмосферными осадками в год поступает в среднем около 20 т/км2 солей, что более чем в 2 раза превышает поступление в лесостепных и южно-таежных районах Западной Сибири.

Неодинаковое поступление наиболее активных водорастворимых форм химических элементов на поверхность разных регионов является важным фактором распределения элементов в растительном покрове суши и образования региональных особенностей биогеохимических процессов.


Скачать файл (68 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации