Земные циклы и Круговорот воды на Земле
Ключевые для жизни циклы включают круговорот воды, углерода и азота. Дополнительно выделяют циклы фосфора и серы, не менее важные для существования жизни.
Гидрологический цикл начинается с испарения воды из океанов, подогреваемой солнечным теплом. Образовавшийся пар поднимается в атмосферу, где формируются облака. Каждый год испаряется порядка 400 000 кубических километров морской воды. Без возврата воды в океан, её уровень падал бы примерно на 1,2 метра ежегодно, и через 3500 лет океаны бы исчезли.
К счастью, вода возвращается. Более 90% воды, испарившейся из океанов, возвращается обратно в виде осадков непосредственно на океаническую поверхность. Остальная часть поступает в океан с суши, в основном по рекам. На суше также выпадает осадки, суммарный объем которых достигает примерно 107 000 кубических километров.
Растения потребляют воду из почвы, и в процессе транспирации высвобождают водяной пар через поры в листьях. Испарение с суши и транспирация растений добавляют в атмосферу около 70 000 кубических километров воды. Таким образом, в реки поступает около 37 000 кубических километров воды ежегодно.
Большая часть воды, попадающей на сушу, не сразу оказывается в реках. Она проходит через пористую почву. На разной глубине под землей вода насыщает пористые породы, образуя подземные водоносные горизонты. Эта вода может задерживаться под землей на сотни лет, но со временем большая часть её попадает в ручьи и, в конечном итоге, в океаны.
Движение воды между различными резервуарами происходит с определенным временем пребывания молекулы в каждом из них. Время пребывания в атмосфере обычно составляет чуть больше недели, прежде чем вода выпадает в виде осадков (или, возможно, образуя росу или иней). В неглубокой почве или сезонном снежном покрове вода может находиться месяцами. Ледники и озера удерживают воду десятилетиями. А время пребывания в океане измеряется тысячами лет.
Есть еще один аспект водного цикла, который часто упускается из виду. Речь идёт о взаимодействии океанической воды с горными породами на дне океана и ее последующем высвобождении в составе вулканических газов. "Гидратированные" горные породы обладают более низкой температурой плавления. При движении литосферных плит дно океана может подходить к краю континента. Плотная океаническая кора подныривает под континентальную кору, и “гидратированные” породы морского дна легко плавятся.
Это смазывает движение плит, и таким образом круговорот воды связан с тектоникой плит. Столбы расплавленного материала и газов, включая водяной пар, некогда бывший частью моря, поднимаются на поверхность вулканов. Затем вода снова попадает в атмосферу, после сотен миллионов лет пребывания в океанической коре.
Углеродный цикл на Земле
Содержание углерода в земной коре составляет около 0,03% от общей массы. В атмосфере его основная форма - углекислый газ, который составляет лишь около 0,04% атмосферы. Тем не менее, углерод – основа всей известной жизни и играет ключевую роль в поддержании пригодных для жизни условий на нашей планете. Поэтому детальное изучение его циркуляции в окружающей среде имеет огромное значение.
Основное количество углерода (более 99,9%) на поверхности Земли (в литосфере и выше) содержится в осадочных породах. Оценки разнятся, но этот резервуар, предположительно, содержит около 80 миллионов гигатонн углерода. Этот углерод накапливался на протяжении миллиардов лет, отчасти в результате выветривания силикатных пород с образованием карбонатных пород, содержащих углеродные соединения. Он также аккумулировался из остатков морских организмов, использовавших углерод для создания раковин из карбоната кальция.
Следующим по объему местом хранения углерода является глубокий океан, в котором содержится около 38 000 гигатонн углерода. Ископаемое топливо (уголь, нефть и природный газ) составляют примерно 5000 гигатонн. Остальная часть углерода распределена примерно поровну между живыми растениями (около 600 гигатонн), органическим мусором в почве (около 1600 гигатонн), приповерхностным океаном (около 1000 гигатонн) и атмосферой (почти 800 гигатонн, и эта цифра продолжает расти).
На протяжении всей истории Земли углерод постоянно накапливался в горных породах и высвобождался медленно, в основном в результате вулканической активности. Атому углерода может потребоваться сотни миллионов лет, чтобы высвободиться из камня, пройдя через вулканические газы. За длительные периоды времени захоронение и высвобождение углекислого газа (и метана) в значительной степени контролируют температуру поверхности Земли. Более высокое содержание этих газов в прошлом, вероятно, помогало согревать планету, когда Солнце было менее ярким.
Глубокий и приповерхностный океаны не смешиваются быстро. Могут пройти тысячи лет, прежде чем изменения, происходящие у поверхности, достигнут дна. Океаны в целом обладают значительной способностью накапливать углерод. Однако кратковременное хранение (например, в течение десятилетий) происходит в основном в верхних слоях, которые имеют ограниченную ёмкость.
Азотный цикл Земли
Как и углерод, азот имеет свой собственный биогеохимический цикл, протекающий в атмосфере, литосфере и гидросфере. В отличие от углерода, который хранится преимущественно в осадочных породах, большая часть азота содержится в атмосфере в виде свободного неорганического газообразного азота. Это основной атмосферный газ, составляющий около 78% объема атмосферы.
Растения не могут усваивать азот в его газообразной форме, они могут использовать его только после преобразования в аммиак и нитраты. Аммиак образуется в результате азотфиксации - химической реакции, при которой некоторые почвенные бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) преобразуют газообразный азот в аммиак. Незначительное количество азота фиксируется в виде оксида азота молнией и ультрафиолетовыми лучами.
Другие микроорганизмы выполняют важные функции, поддерживающие азотный цикл. Большая часть аммиака в почве преобразуется в нитриты и нитраты некоторыми бактериями в процессе, называемом нитрификацией. После того, как азот был усвоен растениями, он может быть преобразован в органические формы, такие как аминокислоты и белки.
Животные могут использовать только органический азот, получая его, потребляя растения или других животных. По мере того как эти организмы погибают, некоторые микробы разлагают органический азот в аммиак в процессе аммонификации.
Несмотря на то, что фиксация атмосферного азота является важной частью азотного цикла, аммонификация и нитрификация – основные процессы, с помощью которых органический азот удерживается в циклическом движении через биосферу, не возвращаясь в атмосферу.
Однако небольшое количество азота возвращается в атмосферу - денитрифицирующие бактерии расщепляют нитраты для получения кислорода, при этом газообразный азот выделяется в атмосферу. Азот также теряется из растений и почвы в наземных условиях другими путями, такими как эрозия и сток из почв в озера и ручьи.
Земные циклы и Круговорот воды на Земле
Солнечная энергия и Магнитное поле Земли
Что ещё посмотреть: