Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
6.5. Циклы веществ в окружающей среде
Одно из направлений науки об окружающей среде посвящено исследованию раздельно атмосферы, гидросферы, литосферы или биосферы. Действительно, важно знать поведение веществ в пределах каждой природной сферы, включая их участие в физических, химических и биологических процессах, поступление веществ из соседних сфер и их выходы за пределы данной сферы, влияние антропогенных факторов на процессы в сфере. Но как оказывается, обмен веществами между природными сферами нередко является определяющим фактором. Например, если бы на поверхность суши не поступала вода, которая испаряется с поверхности океана и переносится с облаками в континентальные регионы Земли, то биологические процессы на суше были бы невозможны. Вполне вероятны и такие случаи, при которых вещество синтезируется в одной природной сфере, а его роль в окружающей среде проявляется в другой. Так, фреоны синтезируют из продуктов литосферы на поверхности Земли, а их влияние на природу проявляется в результате разрушения озонного слоя в стратосфере. Углубляя анализ взаимосвязей между природными сферами, неизбежно приходим к выводу, что Землю нужно представлять как единую систему.
Методика исследования Земли как единой системы предусматривает изучение циклов веществ. Можно выделить чисто геохимические циклы веществ (без участия живых организмов). Но биологические процессы играют важную роль во всех сферах, включая атмосферу, гидросферу и литосферу. Поэтому более важными для познания окружающей среды представляются биогеохимические циклы. Они учитывают поглощение солнечной энергии микроорганизмами и растениями, фотосинтез органической материи и ее минерализацию и циркуляцию элементов, представляющих прежде всего питательные вещества для живых организмов. Принято раздельно изучать циклы С, N, Р, S, О и некоторых других элементов. Ознакомимся с принципами составления биогеохимических циклов на примере циклов углерода и азота.
Цикл углерода. На рис. 6.3 приведена схема кругооборота углерода в окружающей среде. На ней отражены основные химические и биохимические процессы, протекающие с участием соединений углерода в отдельных природных сферах, а также показаны процессы обмена веществом на границах сфер. Некоторые процессы идут в одном направлении, а другие находятся в состоянии равновесия.
Основная часть углерода сосредоточена в недрах Земли и составляет около 2•1O16 т. Углерод представлен каменным углем, нефтью, природным газом и различными карбонатными минералами, причем доля углерода в форме карбонатов достигает почти 85% от его общего содержания. По сравнению с литосферой, общее содержание углерода в биомассе и в атмосфере оказывается совсем небольшим - 2,2•1O12 и 7,5•1O11 т соответственно. Примерно ЫО11 т углерода (в форме CO2) расходуется ежегодно на процесс фотосинтеза и выводится из атмосферы, что составляет около
314
В.В. Вольхин. Общая химия
15 % от общего содержания в ней диоксида углерода. Лишь 10 т углерода осаждается из гидросферы (в основном в океанах) в форме карбонатов. Потери CO2 компенсируются преимущественно за счет процессов разложения отмирающего органического вещества. За счет сжигания всех видов топлива и пожаров лесов в атмосферу выделяется ежегодно дополнительно до 0,062-1011 т углерода (в форме CO2), или около 0,8 % от количества углерода, содержащегося в атмосфере. Именно с этой величиной и ее изменением связывают развитие «тепличного» эффекта. Однако простые расчеты при этом некорректны, т.к. по мере увеличения выбросов CO2 в атмосферу усиливается действие компенсирующих факторов (переход CO2 в другие природные сферы).
Солнечное излучение
JQ)onon3iy3a
7 7
Перенос воды
со,;
со3(,г->- -^4**- — со!(
ч ---«?> со211,+н2о(Ж)
\ / Ir« V * ( АТспличныи
с +о -*гп * 5'1I1 ГО ИКС эффект »1,„,,+2O211-T C02,,,+2H20,,|JW 1к ( O2,,,
ж ^ СО],!,
г
А
1_
I
I
H2O11
/// / /
> со,,.;+ Ад,
{ClI2O!(К1+05||,-CO2,,,+!-I1O1.* />/////////UfiT"
1-1,0,«+CO211, ........./ '>мА со,,,
, „ ;< I I {Cll20}1K1+0,in-C02„,+H20(
.'.'..'.I.l.'j'..y..-..*..!Z_______"1!....1.1.1.11111™.-.ЯЙ<^ШШ^Й.'..'.
СаСОмк,+СОЯР,Н-НАж| - С^+2НС0д1МЬ"ЧТ;Т^Ч"~т1^
IH2O11
IT
Океан
'\2HCO,-, n+hv - {СН,0},к,+Ом
........i"';//;', 7,;:::;:\',',; ;-,:::;;'";:;'/';;:;;' - Са^+со,5,;,,^ CaCOMKr -_
« I '',"'•'?r....................' •V.."'il.....W,""', 1 {CH30},K)+02,rr со2(„+нго(
СОЯ1,+Н,ОжГ HCOin+H*,,, - - -
^7,;;;;;;;;;;\2Hco,m+/7v-*{CH,o},K,+o2,,,+co.Vp; г
Q.
« •в-
и
i
4
CD f
i t.
( C - каменный уголь/ CHI - природный газ,, C0 - нефть) ,, /!',',,, "
,,, ,,,, ,,, . ..................................... Термоклни
>'•:„•:/\2{СН,О)„0+ЗО.1-|,)+2НА;,- г
- H2S,I,+2C02„,+4H20,W - - -^{CH20},K,->CH„„,+C02,„ - _ -_
2аС0
.'-!.J./.L
:,u.'.s.',-..U/.
i.tJ..',l.'.~.,'-t..'J.JJ..:
Ж] Отложения
'''>>, *1'' I 'jL!.i.!.l.:-!t.j..'.l.'
Рис.6.3. Схема кругооборота углерода в окружающей среде
Содержание углерода в атмосфере в форме CH4 представляется относительно небольшим, оно составляет около 1,7-10"4% по объему.
