Ю. Колесник - Современное состояние биосферы и экологическая политика
Речь идет о размерности природных величин. Например, если в уравнении левая часть некоторого равенства имеет размерность «метр», а правая – «м/с», то можно утверждать, что это равенство неверно. Каждая физическая величина размерности имеет свое обозначение. Например, размерность объема равна L3, скорости – LT-1, ускорения – LT-2 и т. д.
7.3. Круговорот воды
Главным резервуаром воды на Земле является океан. Он содержит более 97 % всего запаса воды на земном шаре (примерно 1,4 1018 т). Около 2 % водных запасов находится в ледниках. Вода континентов (немногим более 0,6 %) представлена в основном грунтовыми водами; только 1/5 ее залегает так близко к поверхности, что доступна для корней растений, а все остальное угодит на глубину в сотни метров. В облаках, туманах, водяном паре содержится не более 0,001 % запасов воды на планете.
Запасы воды находятся в подвижном равновесии друг с другом. По данным ученых, с поверхности суши испаряется около 70 103 км3 влаги в год. Это составляет примерно 15 % от общей ее массы, поступающей в атмосферу. Остальное поставляет океан – 458 103 км3 воды. Всего с поверхности земли испаряется 520 103 км3
влаги (Степанов, 1970, с. 40). C поверхности океана испаряется больше воды, чем выпадает там осадков. Излишек переносится на сушу. Разность между испарением и осадками определяет основные особенности планетарного влагообмена. В экваториальной зоне осадки доминируют над испарением. На всей остальной акватории океана испарение преобладает над осадками. Огромная зона испарения ограничена широтами в южном и северном полушариях – 40–50. Выпадая в виде осадков на суше, вода снова испаряется и 7 % выносится реками в моря и океаны. Круговорот воды вследствие высокой скорости оборота – время пребывание водяного пара в атмосфере составляет 10 суток, а полное обновление воды происходит всего лишь за 12 суток, или 30 раз в год (Степанов, 1970, с. 41), – в количественном отношении самый значительный круговорот веществ на земном шаре.
Испарение с земной поверхности следует рассматривать, прежде всего, в связи с осадками. Для водного баланса какого-либо района важен не столько абсолютный уровень осадков и испарения, сколько соотношение между этими двумя величинами. Если годовые осадки превышают годовое испарение, то говорят о гумидной зоне, а в обратном случае – об аридной. Примерно 12 % поверхности Земли является крайне засушливой с годовыми осадками ниже 250 мм и испаряемостью более 1000 мм. Самые влажные районы с большим избытком осадков составляют менее 9 % поверхности суши. Обширные засушливые территории расположены главным образом между 15 и 30 северной и южной широты и за высокими горными цепями, которые задерживают ветры, приносящие дожди.
Отношение годовых осадков к годовому испарению является грубым указанием на гумидный или аридный характер обширной территории. Для растений, которые там произрастают, важно, чтобы водоснабжение было обеспечено тогда, когда в нем существует наибольшая потребность, т. е. в течение вегетационного периода. Кроме этого, малое количество осадков само по себе еще не обусловливает аридности: холодные полярные зоны тоже бедны осадками, но они не являются аридными, т. к. здесь низка испаряемость. Осадки, выпавшие в виде снега, поглощаются растениями не сразу. Зима для растений, возвышающихся над снеговым покровом, – это не только холодное, но и сухое время года. В северном полушарии в широтах выше 70 снег выпадает чаще, чем дождь, а там, где массы холодного воздуха продвигаются на юг, эта граница сдвигается до широты в 60.
Как на крайнем севере, так и в горах продолжительность снежного покрова, его высота и промерзание почвы являются главными факторами, ограничивающими рост деревьев. Там, где зимой ветер сдувает снег, подрост деревьев гибнет, а там, где снеговой покров лежит слишком долго или корнеобитаемый почвенный горизонт остается слишком долго замерзшим, вегетационный период настолько короток, что древесные растения отсутствуют вообще, лес исчезает и переходит на севере в тундру, а в горах – в кривоствольный древостой или альпийские травяные сообщества.
7.4. Углеродный обмен в биосфере
На всем земном шаре, по оценкам ученых (Лархер, 1978, с. 128), растения ежегодно связывают около 155 109 т углерода. Из этого количества на долю суши приходится 61 %, а гидросферы – 39 % от общего его количества. Очень высокая первичная продуктивность на суше принадлежит районам тропиков, а в океане – зонам между 40 и 60 северной и южной широты. Наибольшая продуктивность наблюдается в дождевых тропических лесах, зарослях злаков в условиях сильного увлажнения и на заболоченных территориях теплых стран, а также на границах мелководных участков с морем и коралловых рифах. И все же основная часть поверхности суши и воды на Земле не отличается высокой продуктивностью. На суше почти всегда не хватает воды, в Арктике и в высокогорьях холод укорачивает продуктивный период. В тропических морях продуктивность лимитируется недостатком питательных веществ, в приполярных морях – недостатком света. Общий запас соединений углерода на Земле оценивается в 26 1015 т. В приведенной ниже таблице показан бюджет запаса углерода на планете (млрд т С). Подавляющая масса углерода связана в неорганических веществах и лишь около 0,05 % – в органических (табл. 4).
Таблица 4
Запасы углерода на Земле (млрд т)
Органический углерод находится в биосфере и в верхних слоях литосферы: 64 % всего его запаса содержится в ископаемых отложениях (торф, уголь, нефть), 32 % – в органических остатках в почве и водоемах и около 4 % участвует в построении биомассы. Наибольшая часть биомассы приходится на долю наземных растений. Особенно это касается лесов, имеющих большие запасы древесины. Их углерод составляет более 77 % всего углерода наземных растений. На поверхности почвы и в самой почве наибольшие запасы углерода образуются в тундровой зоне и в северных лесах, где органические остатки разлагаются гораздо медленнее, чем в теплых областях.
Запасы неорганического углерода сосредоточены в основной своей массе в осадочных горных породах земной коры. Гидросфера Земли содержит 0,14 % общего углеродного резерва планеты в форме бикарбоната и карбоната или в виде растворенной СО2. Общая масса углерода в Мировом океане оценивается в 3,6 1013 т, а в атмосфере – 6,3 1011 т. Поверхностный слой, в котором происходят основные процессы фотосинтеза, содержит только 1/60 запаса неорганического углерода гидросферы. Средняя концентрация двуокиси углерода в атмосфере составляет 0,03 %. При атмосферном давлении в 1 бар этой концентрации соответствует 0,6 мг СО2 в 1 л воздуха.
Обогащение воды углекислым газом происходит в результате дыхания водных организмов, за счет инвазии из атмосферы и выделения из различных соединений, в первую очередь солей угольной кислоты. Снижение концентрации этого газа в воде в основном происходит в результате его потребления фитопланктоном и другими фотосинтезирующими растениями и связывания в соли угольной кислоты. Например, фитопланктон Мирового океана потребляет в год около 40 млрд т углерода. Коэффициент абсорбции СО2 при температуре 0 С равен 1,713. Значит, в условиях нормального содержания газа в атмосфере (0,3 мл/л) и температуре 0 С в 1 л воды может раствориться 0,514 мл СО2. Проведенные исследования показывают, что ежегодно около 100 млрд т атмосферной двуокиси углерода растворяется в Мировом океане и замещается примерно равным его количеством из океана.
7.5. Круговорот кислорода
Из всех газов, имеющихся в атмосфере, а также растворенных в Мировом океане, особый интерес представляет кислород, т. к. он обеспечивает высокий выход энергии при аэробной диссимиляциии практически для всех организмов Земли и по существу лежит в основе их жизни. Известно, что атмосфера содержит примерно 1,2 1015 т кислорода. Главными поставщиками кисло
рода на планете являются растения. Благодаря фотосинтезу наземных и морских растений к этому запасу ежегодно прибавляется 70 109т, а леса поставляют в течение года 55 109т кислорода.
В литосфере содержится 47 %, гидросфере 85,2 %, а в свободном состоянии в атмосфере содержится 21–23,1 % кислорода. Коэффициент абсорбции кислорода водой при 0 С равен 0,04898. При нормальном атмосферном давлении в 1 л воды растворится 210 мл/л (содержание в атмосфере), умножим на коэффициент абсорбции и получим величину, равную 10,3 мл кислорода. Следует заметить, что насыщение вод газами находится в большой зависимости от изменения температуры. Так, при 25 С в воде растворится 4,9 мл/л кислорода и 9,1 мл/л азота. При 15 С, соответственно, – 5,3 мл/л и 10,6 мл/л и т. д. При сохранении подобной зависимости в высоких широтах поглощается больше газов, чем в тропических областях.
