Биогеохимический цикл воды¶

Вода — простейшее соединение водорода и кислорода, которая играет исключительную роль в биосфере. Исключительно важна роль воды в глобальном кругообороте вещества и энергии, возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Вода является важнейшим веществом для всех живых существ на Земле. Эта роль обусловлена рядом особенностей воды.

Первая особенность воды состоит в том, что она в буквальном смысле пронизывает всю биосферу, присутствуя в виде пара в тропосфере, в жидком и твердом состоянии в гидросфере, ландшафтной сфере и литосфере. В подземной гидросфере она присутствует не только как грунтовые и подземные воды, но и заполняет все пустоты и трещины в горных породах в пленочной и капиллярной форме. Вода входит во многие горные породы либо в кристаллические решетки, либо в структуру молекул. Особенно это касается тех горных пород, которые сформировались в зоне гипергенеза (в коре выветривания) — глины, гипс и так далее. Вот эта вездесущность и есть главная особенность воды, как химического соединения, лежащая в основе единства биосферы.

«Вся вода земной коры представляет…сплошную единую водную оболочку, находящуюся в непрерывной связи в равновесии, с одной стороны, через водные пары тропосферы, с другой стороны — через капиллярные, пленчатые воды, проникающие все твердое вещество — горные породы биосферы, стратисферы, метаморфической и гранитной оболочек, и связанную в сплошную массу гидросферу. Это единая масса воды — водного раствора — составляет несколько процентов «земной коры». Это большое планетное явление — единая масса воды.

Вернадский, 1987.

Вторая особенность воды состоит в том, что она является хорошим растворителем для очень многих веществ, которые в ней находятся в ионизированном состоянии. По существу, подавляющее большинство реакций при биогеохимических процессах идут в водных растворах (ионных или коллоидных). Благодаря этому вода имеет исключительное значение для живого вещества. Это хорошо выражает афоризм: «где вода, там и жизнь!».

Третья особенность связана с тем, что в биосфере вода находится в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. Она хороший теплоноситель: скрытая теплота плавления льда — 79,4 кал/г, а парообразования — 538,6 кал/г. Именно это ее свойство в значительной мере обеспечивает энергетику ряда экзогенных геологических и геофизических процессов.

Пути поступления воды в биосферу и изъятия из нее¶

Вся вода, находящаяся на нашей планете имеет космическое происхождение, но пути ее поступления различны.

Из недр планеты при магматических процессах идет поток воды в виде газовых струй и гидротермальных растворов. Это основной источник воды, благодаря которому образовалась гидросфера. А.П. Виноградов (1967) указывает, что на поверхность Земли поступает около 7 % воды от массы извергнутых из недр пород. Он приводит следующие расчеты. Вся гидросфера (1,6 × 10²⁴ г) по отношению ко всем горным породам земной коры (2,4 × 10²⁵ г) составляет 6,7 %, то есть не более 7 %. Несколько иные цифры приводят Е.С. Гавриленко и В.Ф. Дерпгольц (1971), но они рассматривают лишь базальтоидный магматизм, который составляет только часть всех магматических процессов.

«Базальтовая магма может содержать до 18 % ювенильной воды, то есть воды, ранее бывшей в мантии. Общее количество воды в мантии, исходя из содержания ее в метеоритах, оценивается в 2,1 × 10²⁵ г (масса мантии составляет 4,1 × 10²⁷ г или 68,1 % всей массы нашей планеты). Таким образом, вся гидросфера Земли составляет около 12 % первоначальных запасов воды в мантии. Однако вся масса воды в массе Земли (5,9 × 10²⁷ г) **первоначально составляла 3 × 10²⁵ г, и наша гидросфера равна 8,4 % этой величины. Условно подразумевается, что диссипация воды в пространство и поступление из него на Землю уравновешивают друг друга.

Какое-то количество воды в гидросферу поступает и при окислении кислородом воздуха метана, идущего из недр Земли, Но оно не соизмеримо с выделением воды при магматических процессах. Обратите внимание на две цифры: количество воды, выделившееся из мантии за всю геологическую историю Земли 3,4 × 10²⁴ г и массу современной гидросферы 1,6 × 10²⁴ г. Разница между этими цифрами (1,8 × 10²⁴ г), скорее всего, показывает количество воды, которое было захоронено в недрах Земли при минералообразовании в зоне гипергенеза (коре выветривания).

В глинах и глинистых сланцах содержится до 5 % (от веса породы) конституционной воды, входящей в структуру молекул. Сланцы и глины составляют 83 % всех осадочных пород и в них заключено 1,2 × 10²⁴ г воды. Таким образом, ежегодный прирост массы воды в гидросфере в 7,2 × 10¹⁴ г частично уравновешивался ежегодной убылью в 3,4× 10¹⁴ г, а превышение прихода над расходом (3,8 × 10¹⁴ г) за геологическую историю биосферы составляет 1,33 × 10²⁴ г. Это примерно 83 % массы современной гидросферы. Приведенные выше цифры могут указывать, что на начальных этапах развития биосферы магматические процессы, а следовательно, и поступление воды, шло интенсивнее по сравнению с настоящим временем. Эта точка зрения не раз высказывалась в литературе.

То, что мы сейчас рассмотрели, часто в геологии называют внутренним круговоротом воды на нашей планете. Внутренним, с точки зрения Земли в целом. По отношению же к биосфере этот круговорот будет внешним, так как в нем происходит приток воды в биосферу и изъятие воды из нее.

Пути миграции воды в биосфере¶

В самой же биосфере пути миграции замкнуты: в ней происходит внутренний круговорот воды. В геологической и географической литературе его называют внешним круговоротом воды. И он действительно внешний, если смотреть с точки зрения всей нашей планеты. На самом же деле он внутрибиосферный, показывающий, как происходит миграция водных масс между основными телами биосферы (гидросферой, атмосферой, ландшафтной сферой и верхней частью литосферы, входящей в биосферу). На долю поверхностных вод приходится 56 % всей гидросферы, остальная часть (44 %) — подземная гидросфера. Между ними тоже идет постоянный обмен. Из поверхностных вод 97 % приходится на долю мирового океана, 2 % — на льды и всего лишь 1 % на реки и озера. Так что основной резервуар, в котором накапливаются запасы воды в биосфере, — Мировой океан, являющийся в ней одновременно и самой крупной в биосфере средостабилизирующей системой. Внутрибиосферный круговорот поверхностных вод достаточно хорошо изучен:

Из этой таблицы видно, что поступление воды в надземную гидросферу над океанами и континентами неодинаково. Возникающий в связи с этим горизонтальный перенос влаги с океанов на континенты и сток речных вод с последних замыкает этот водообмен. За счет данного процесса воды океана возобновляются за 2600 лет, надземные — за 0,027 года (10 суток), рек и озер — за 3,3 года, только рек — за 0,033 года (12 суток), а почвенной влаги — за 0,9 года. Подземные гравитационные воды обновляются приблизительно за 5 тыс. лет. Приведенные цифры дают первое представление о скорости круговорота воды и отдельных его звеньев.

• Резервуары воды:

  • Океан — 1330000 × 10³ км³

  • Ледяной щит — 26000 × 10³ км³

  • Невозобновляемые грунтовые воды — 22000 × 10³ км³

  • Возобновляемые грунтовые воды — 630 × 10³ км³

  • Вечная мерзлота — 210 × 10³ км³

  • Пресноводные озера — 110 × 10³ км³

  • Соленые озера — 95 × 10³ км³

  • Почвенная влага — 54 × 10³ км³

  • Водно-болотные угодья — 14 × 10³ км³

  • Атмосфера над океаном — 10 × 10³ км³

  • Водохранилища — 11 × 10³ км³

  • Атмосфера над сушей — 3 × 10³ км³

  • Временный снежный покров — 2,7 × 10³ км³

  • Реки — 1,9 × 10³ км³

  • Биологическая вода — 0,94 × 10³ км³

• Потоки воды:

  • Циркуляция между океанами — 5000 × 10³ км³ год^-1

  • Вертикальная циркуляция океана — 2100 × 10³ км³ год^-1

  • Испарение из океана — 420 × 10³ км³ год^-1

  • Осадки над океаном — 380 × 10³ км³ год^-1

  • Осадки над сушей — 110 × 10³ км³ год^-1

  • Эвапотранспирация на суше — 69 × 10³ км³ год^-1

  • Речной сток в океан — 46 × 10³ км³ год^-1

  • Атмосферный поток с океана на сушу — 46 × 10³ км³ год^-1

  • Общее потребление воды человеком — 24 × 10³ км³ год^-1

  • Почвенная влага для выращивания с/х культур и пастбищ — 19 × 10³ км³ год^-1

  • Поток с суши в подземные воды — 13 × 10³ км³ год^-1

  • Поток из подземных вод в океан — 4,5× 10³ км³ год^-1

  • Безвозвратное водопользование с/х, промышленностью и бытовой деятельностью — 4 × 10³ км³ год^-1

  • Таяние льда с суши — 3,1× 10³ км³ год^-1

  • Вода сточных вод — 1,4× 10³ км³ год^-1

  • Речной сток во внутренние бассейны — 0,8× 10³ км³ год^-1

Характер изменений круговоротов воды¶

Параметры как внешнего, так и внутреннего круговоротов воды не оставались постоянными. Они менялись, и эти изменения носили циклический характер. Из исторической геологии известно, что в истории биосферы происходило чередование так называемых талассократических эпох (венд, средний кембрий, средний ордовик, ранний карбон, поздняя юра, поздний мел и средний палеоген) с теократическими (ранний силур, ранний девон, пермь и триас, ранний мел, неоген). Для талассократических эпох было свойственно развитие трансгрессии моря, усиление базальтоидного магматизма.

Климат становился гумидным, интенсивно формировались коры выветривания. Антиподами этих обстановок были аридные теократическое эпохи, которым были присущи регрессия моря, рост гор, который сопровождался усилением кислого магматизма, а базальтоидный вулканизм ослабевал, повсеместно шла аридизация климата, замирали процессы в зоне гипергенеза. В талассократические эпохи, скорее всего, увеличивался приток ювенильных вод из-за интенсивного развития базальтоидного вулканизма и усиливалось изъятие ее благодаря более интенсивным процессам выветривания. В теократические эпохи приток ювенильных вод сокращался, но и уменьшалось ее изъятие в процессе минералообразования в зоне гипергенеза. Такова общая направленность процессов, но о количественных показателях этих изменений судить пока трудно. Изменения внутрибиосферного круговорота воды приводили к колебаниям степени увлажненности внутренних частей суши. В частности, на Евразийском континенте менялась степень увлажнения степей (1500-летние циклы Шнитникова). Менялся растительный покров (ковыльные степи превращались в полупустыни). Это явилось причиной миграции кочевых народов. Именно с аридизацией центрально-азиатских степей связывают нашествие в Европу гуннов, а впоследствии и татаро-монгол. Так изменения внутри биосферных круговоротов воды отражались на ходе истории человечества.

Влияние человека¶

В настоящее время человек своей хозяйственной деятельностью может оказывать существенное влияние на отдельные звенья внутрибиосферного круговорота воды. К таким действиям в первую очередь относятся следующие два:

1. Крупные разливы нефти в морях и океанах приводят к тому, что тонкая нефтяная пленка покрывает огромные площади и препятствует нормальному развитию влагообмена между океаническими водами и воздушными массами. Это может вести к уменьшению количества влаги, переносимой на сушу.
2. Перераспределение речного стока гидротехническими сооружениями может вызывать изменения в глобальной циркуляции воздушных масс и трансформировать характер увлажнения отдельных регионов.

Так, сокращение притока пресных речных вод в Северный Ледовитый океан из-за переброски части их в Центральную Азию приведет к уменьшению его ледовитости. Известно, что уменьшение ледовитости Северного Ледовитого океана сказывается на глобальной циркуляции атмосферы, что проявляется за многие тысячи километров: в Африке (южнее Сахары) уменьшается количество осадков, и южная граница этой пустыни сдвигается на несколько сот километров к югу, в глубь Африканского континента.

Литература¶