С. Л. Белопухов, Н. К. Сюняев, М. В. Тютюнькова

Химия окружающей среды

Учебное пособие

---

ebooks@prospekt.org

Информация о книге

УДК 504.06

ББК 20.18

Б35

Авторы:

Белопухов С. Л. — кандидат химических наук, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой физической и органической химии Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К. А. Тимирязева, заслуженный изобретатель Российской Федерации, лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники;

Сюняев Н. К. — кандидат биологических наук, профессор, профессор кафедры химии, почвоведения, землеустройства и безопасности жизнедеятельности Калужского филиала РГАУ — МСХА имени К. А. Тимирязева;

Тютюнькова М. В. — кандидат биологических наук, доцент кафедры химии, почвоведения, землеустройства и безопасности жизнедеятельности Калужского филиала РГАУ — МСХА имени К. А. Тимирязева.

Рецензенты:

Черников В. Г. — доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РАН;

Пржевальский Н. М. — доктор химических наук, профессор РГАУ — МСХА.

Под общей редакцией профессора С. Л. Белопухова.

В издании рассмотрены проблемы химии агросферы на фоне описания природных геохимических и биогеохимических процессов. Приводятся современные взгляды на происхождение химических элементов, возникновение Земли и ее биосферы, элементный состав атмосферы, гидросферы, литосферы. Охарактеризованы главные загрязняющие вещества (углеводороды, тяжелые металлы, пестициды, детергенты), пути их поступления в окружающую среду и поведение в ней. Кроме токсического загрязнения, рассматриваются радиационное загрязнение и последствия загрязнения атмосферы: кислотные дожди, разрушение озонового слоя и парниковый эффект.

В конце каждой главы приведены контрольные вопросы и задачи по химии агросферы, что способствует более глубокому пониманию и эффективному усвоению материала.

Учебное пособие предназначено для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Агрохимия и агропочвоведение», «Агрономия», «Садоводство», а также для аспирантов и специалистов, изучающих вопросы природопользования и охраны окружающей среды; будет полезно преподавателям и учащимся средних учебных заведений, интересующихся химией агросферы и проблемами химико-экологического образования.

УДК 504.06

ББК 20.18

© Белопухов С. Л., Сюняев Н. К., Тютюнькова М. В., 2015

© ООО «Проспект», 2015

Глава 1. Введение

1.1. Агросфера и науки об окружающей среде

Вероятно, будет правильным сказать, что термин «химия окружающей среды» не имеет четкого определения. Ясно, что специалисты по химии окружающей среды принимают участие в решении важных вопросов по состоянию окружающей среды — истощению озонового (О₃) слоя стратосферы, глобальному потеплению и им подобных. Кроме того, установлена роль химии окружающей среды в проблемах регионального и локального масштабов — например, влиянии кислотных дождей и загрязнении водных ресурсов.

Дж. Андруз

Агросфера — часть биосферы, вовлеченная в сельскохозяйственное использование (т. е. занятая агроэкосистемами). На долю агросферы приходится примерно 30% суши, в том числе около 1 0% занято пашней, а остальное — естественными кормовыми угодьями. Это соотношение различается в разных районах мира. Резервы расширения агросферы исчерпаны, дальнейшее увеличение доли агросферы, особенно за счет уничтожения лесов, будет неминуемо усугублять кризисную ситуацию на планете.

Ресурсы агросферы разрушаются, поскольку использование земель проводится без соблюдения экологических требований.

Пахотные почвы загрязняются остатками пестицидов и тяжелыми металлами, ухудшаются их физические свойства (происходит разрушение структуры и уплотнение). Колоссальный ущерб агросфере наносит гидромелиорация. Под влиянием эрозии почв, вторичного засоления почв и перевыпаса происходит процесс опустынивания.

Агросфера также разрушается под влиянием промышленности, в особенности энергетических и металлургических комплексов.

Экологическая ситуация в агросфере особенно ухудшилась после зеленой революции, и это стимулировало развитие агроэкологии и попытки решения проблемы продовольственной безопасности с учетом экологических требований.

В конце прошлого века агросфера большинства стран мира перетерпела значительное негативное влияние человека как вследствие просчетов в ведении сельского хозяйства, так и вследствие развития промышленности, особенно тяжелой и химической. Достаточно вспомнить кислотные дожди, от которых пострадали не только леса, но и сельскохозяйственные земли.

К сожалению, уничтожение агросферы продолжается по сей день. И теперь назрела острая необходимость определения стратегии развития сельскохозяйственного производства. Нужны четкие представления о конечной цели и о пути, по которому мы пойдем: либо возвращение к индустриальному сельскому хозяйству с его истощением природного потенциала и загрязнением окружающей среды, либо реализация новой стратегии формирования агросферы на принципах неистощающего развития, биосферно-ноосферного подхода. Функции кормильца человечества агросфера будет выполнять всегда. Но эта цель должна достигаться на основании приоритетности сохранения природных ресурсов, эффективного использования солнечной энергии, сохранения плодородности грунтов и интенсификации деятельности его биоты.

Таким образом, агросфера — это часть окружающей среды, и на нее оказывают влияние множество факторов.

Какие же науки занимаются изучением окружающей среды?

Экология, часто смешиваемая с наукой об окружающей среде, — наука об организации и функционировании надорганизменных живых систем. Ее предметом являются управляющие надорганизменными системами законы, а объектом — популяции, сообщества и экосистемы вплоть до биосферы.

Охрана окружающей среды изучает окружающую человека среду, ее живые и неживые компоненты и их взаимодействие. Теоретической основой ее является экология применительно к человеку. Не следует путать эту дисциплину с охраной природы. Если охрана окружающей среды ориентирована на охрану здоровья человека и его благополучия и обеспечивающей это благополучие среды обитания, то главной проблемой охраны природы является сохранение естественной природы, не затронутой человеком.

Энвайронменталогия — комплексная дисциплина об окружающей среде, взаимодействии человеческого общества с ней, особенно экономических, социальных, политических, философских и этических аспектах этого взаимодействия. Базируется на теоретических разработках науки об окружающей среде. Энвайронментализм — логичное и неизбежное порождение энвайронментологии — общественное движение за охрану окружающей среды.

В настоящее время в блоке наук об окружающей среде существует несколько химических дисциплин:

● экологическая химия — исследует взаимодействия организмов и среды их обитания, опосредованные природными химическими веществами;

● токсикологическая химия — химия ядовитых веществ, занимающаяся, главным образом, вопросами их взаимодействия с живыми тканями и организмами;

● аналитическая химия окружающей среды — приложение аналитической химии для обнаружения различных веществ в окружающей среде (Зилов Е. А., 2006).

Химия окружающей среды, по одному из определений, занимается изучением источников, реакций, поведения химических веществ в водной, почвенной, воздушной среде и действия на них техносферы (Manahan S. E., 2000).

Химия окружающей среды — наука, занимающаяся химическими аспектами окружающей среды. Это направление рассматривает химические процессы, протекающие в биосфере, процессы миграции и трансформации химических соединений природного и антропогенного происхождения в атмосфере, литосфере и гидросфере, дает характеристику основных химических загрязнителей и способов определения уровня загрязнения, разрабатывает физико-химические методы борьбы с загрязнением окружающей среды и др. (Гусакова Н. В., 2004).

Химия окружающей среды находится на стыке геохимии, экологии, учений об атмосфере и гидросфере. Комплексный характер дисциплины и ее молодость (химия окружающей среды возникла только с ростом интереса к проблемам окружающей среды в 1960–1970-е гг.) порождают обширный круг вопросов, подлежащих рассмотрению в нем.

Существующие на сегодня программы, курсы лекций и учебники химии окружающей среды представляют собой довольно пестрое зрелище. В одних химия окружающей среды рассматривается как химия природных сред, и курс сводится к природной химии атмосферы, гидрохимии, химии почв, т. е. к части классической геохимии. Другие авторы рассматривают химию окружающей среды как часть биогеохимии и рассматривают природные биогеохимические циклы и воздействие на них техносферы. Часто в курс химии окружающей среды включаются вопросы промышленной и инженерной экологии, проблемы, связанные с очисткой сточных вод или атмосферных выбросов. Иногда пособия превращаются в справочники по содержанию вредных веществ в окружающей среде.

Авторы попытались рассмотреть становление современного химического состава окружающей среды, механизмы и результаты воздействия на окружающую среду главных классов антропогенных загрязняющих веществ и некоторые глобальные проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды и соответственно агросферы. Окружающая среда включает различные части взаимосвязанных геосфер Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы, астеносферы, криосферы, педосферы, биосферы и техносферы), в то же время агросфера, в той или иной степени, в свою очередь вовлекает их в свою деятельность через антропогенное воздействие различной интенсивности. Эта связь является двухсторонней и взаиморегулирующей. Направленность результирующего вектора может быть отрицательным, положительным или нейтральным. На этот процесс влияет и глобальное состояние всей Вселенной. Поэтому современный специалист, работающий в системе агросферы, должен иметь общее представление о процессах, протекающих в этой сложной системе геосфер Земли, в том числе и с позиции их химического состояния и функционирования.

1.2. Возникновение химических элементов¹

1.2.1. Возникновение Вселенной

Большинство космологов полагает, что Вселенная возникла как плотный сгусток вещества и энергии, который начал расширяться примерно 18 млрд. лет тому назад. Образование элементов уходит своими корнями к Большому взрыву. Возникновение элементов в результате Большого взрыва впервые было обосновано Гамовым в 1946 г.

Во время Большого взрыва образовались легкие элементы, которые затем посредством ядерных реакций внутри звезд дали начало элементам с атомным номером 6 и выше (Озима М., 1990).

Общая картина возникновения элементов может быть выражена следующей схемой.

1. «Горение» водорода. В процессе ядерного синтеза атомы водорода сливаются вместе, образуя атом гелия и высвобождая энергию:

4₁¹H → ₂⁴He + 2β⁺ + 2γ + 2ν

(процесс требует температуры 10⁷–10⁸ К)

2. «Горение» гелия происходит при температуре >10⁸ K:

₂³He + ₂⁴He → ₄⁷Be + γ

₄⁷Be + ₁¹H → ₅⁸B + γ

₅⁸B → ₄⁸Be + β⁺ + ν

₄⁸Be + ₂⁴He → ₆¹²С

₆¹²С + ₂⁴He → ₈¹⁶О

1.2.2. Образование звезд

Водород и другие легкие элементы рассеялись во Вселенной и, сгруппировавшись, образовали звезды. Под действием собственной силы тяжести звезды начали постепенно сжиматься, что приводило к повышению температуры. Когда температура в центре каждой из звезд достигла нескольких миллионов градусов, атомы водорода объединились и образовали атомы гелия, т. е. произошла реакция «горения» ядер. Затем возникли атомы C и других тяжелых элементов. Таким образом, элементарный состав Вселенной определяется ядерными процессами в звездах. Так, температура 10 ⁸ K возможна внутри звезды с массой, равной массе нашего Солнца. Внутри Солнца постоянно идет процесс ядерных превращений:

₆¹²С + ₁¹H → ₇¹³N + γ

₇¹³N → ₆¹³C + β⁺ + ν

₆¹³С + ₁¹H → ₇¹⁴N + γ

₇¹⁴N + ₁¹H → ₈¹⁵O + γ

₈¹⁵O → ₇¹⁵N + β⁺ + ν

₇¹⁵N + ₁¹H → ₆¹²C + ₂⁴He

4₁¹H → ₂⁴He + 2β⁺ + 2γ + 2ν

Эти реакции можно представить в виде автокаталитического цикла, известного как углеродный цикл Бете–Вайцзеккера (рис. 1).

Рис. 1. Углеродный цикл Бете–Вайцзеккера

В звездах с большими массами температуры выше, и там идут процессы синтеза более тяжелых элементов. В звездах тяжелее Солнца вдвое:

₄⁸Be + ₂⁴He → ₆¹²C

₆¹²C + ₂⁴He → ₈¹⁶O

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₄²⁸Si + ₂⁴He

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₅³¹P + ₁¹H

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₆³¹Si + ₀¹n

Звезды с массой 20 солнечных масс способны к синтезу всех элементов, вплоть до железа. Ядра Fe можно считать завершением термоядерных реакций. Железо (№ 26) имеет наиболее стабильное ядро. Каждый шаг ядерного синтеза от гелия до железа освобождает энергию и формирует более устойчивое ядро. С ходом времени количество водорода и гелия во Вселенной уменьшается, тяжелых элементов — возрастает. Ядра всех элементов после железа менее устойчивы, чем исходный материал, и не могут использоваться для образования энергии звезд. Элементы от № 27 (Mg) до № 92 (U) образуются, когда звезда истощает свое ядерное топливо, коллапсирует и взрывается как сверхновая. Ударная волна от взрыва сверхновой производит избыточную энергию, необходимую для синтеза элементов тяжелее железа (Гусакова Н. В., 2004).

1.2.3. Возникновение Солнечной системы

Сейчас общепринято, что элементы, составляющие в настоящее время Солнечную систему и нашу Землю, в большинстве своем возникли в результате ядерных реакций в звездах. Исключение составляют Н (полагают, что он существует с момента образования Вселенной), Не и нескольких легких элементов (D, Li, Ве, В), которые образовались из Н во время Большого взрыва (Озима М., 1990).

Поскольку скорость распада большинства тяжелых элементов хорошо известна, можно рассчитать точный возраст веществ, содержащих долгоживущие изотопы. Так был установлен возраст нашей Солнечной системы ~ 5 млрд. лет. Так как масса Солнца недостаточна для образования тяжелых элементов, следует полагать, что Солнечная система образовалась на месте взрыва сверхновой звезды. Гравитационные силы собрали рассеянное вещество. Большая часть его сконцентрировалась в виде Солнца, достаточно горячего для начала процесса ядерного синтеза. Планеты Солнечной системы образовались, по-видимому, из дискообразного облака горячих газов, остатков взрыва сверхновой звезды. Сконденсировавшиеся пары образовали твердые частицы, объединившиеся в небольшие тела (планетезимали), в результате срастания которых возникли плотные внутренние планеты (от Меркурия до Марса). Крупные внешние планеты, будучи более удалены от Солнца, состоят из газов меньшей плотности, конденсация которых происходила при гораздо более низких температурах.

Практически все атомы нашей системы сконцентрированы в Солнце, где сосредоточено более 99,9% массы всего вещества системы. С точки зрения химического состава Солнечной системы в целом, Земля состоит главным образом из кислорода и нелетучих элементов (таких как Fе, Мg, Si), причем доля последних « 0,1% общего числа атомов Солнечной системы (Озима М., 1990).

Большинство элементов образовались до формирования Солнечной системы, во время взрыва сверхновой, но некоторые появились после, при распаде радиоактивных изотопов. Например, установлено, что практически весь (более 99%) аргон, который составляет около 1% земной атмосферы, возник в результате реакции распада ⁴⁰ К → ⁴⁰ Аr в недрах Земли после ее формирования и впоследствии улетучился. Все остальные элементы, кроме радиогенных², уже существовали до возникновения Солнечной системы. (Гусакова Н. В., 2004).

Контрольные вопросы

1. Что такое энвайронментология?

2. Какие вам известны химические дисциплины, изучающие окружающую среду?

3. Что изучает химия окружающей среды?

4. Как возникла Вселенная?

5. Какие элементы образовались во время Большого взрыва?

6. Приведите примеры ядерных превращений в звездах разной массы.

7. В результате каких процессов образовалась Солнечная система?

8. В чем заключается углеродный цикл Бете–Вайцзеккера?

9. Почему то, что во Вселенной присутствует большое количество атомов водорода, означает, что остальные элементы, вероятнее всего, образовались из водорода, а не наоборот — большие по размеру элементы расщеплялись на меньшие?

10. Какой возраст нашей Солнечной системы?

Глава 2. История области действия химии окружающей среды

2.1. Возникновение и история Земли

2.1.1. Образование Земли

Образование Земли было связано с аккумуляцией вещества солнечного газа. Относительно способа аккумуляции единого мнения не существует. В настоящее время имеются три главные гипотезы (Войткевич Г. В., 1988).

Гомогенная аккумуляция. Современное оболочечное строение Земли возникло лишь в ходе разогревания, частичного плавления и дифференциации первично гомогенного земного вещества.

Гетерогенная аккумуляция. Сначала возникло металлическое ядро, затем на него осели поздние конденсаты в виде силикатов, образовавшие мощную мантию.

Частично гетерогенная аккумуляция. Наибольшая разница в составе существовала лишь между центральными частями планеты и ее поверхностными слоями. Первоначально между ядром и мантией не было резких границ, установившихся позже.

Большая часть планетарного вещества сгруппировалась 4,56–4,7 млрд. лет назад. Масса планеты продолжала нарастать и через некоторое время стала достаточной для удержания атмосферы (4,4 млрд. лет назад).

Старейшие породы на Земле — цирконы западной Австралии, возраст которых около 4,1–4,3 млрд. лет. Тепло, выделяемое сначала благодаря процессу аккреции, а затем и радиоактивному распаду, расплавило сердцевину планеты и дало начало геотермальному циклу. Это вызвало дифференциацию элементов, впервые объясненную В. М. Гольдшидтом.

Первичная дифференциация элементов осуществлялась по их химическому сродству к железу, что естественно, поскольку железо составляет 35% массы Земли.

В. М. Гольдшмидт разделил элементы на 4 группы.

1. Сидерофилы — восстанавливаются железом.

2. Литофилы — не восстанавливаются железом и склонны к образованию окислов.

3. Халькофилы — элементы, не восстанавливающиеся железом и образующие сульфиды.

4. Атмофилы — элементы, улетучившиеся в атмосферу.

Сидерофильные элементы в ходе дифференциации образовали земное ядро. Ионы сидерофилов (11 элементов) имеют оболочку из 8–18 электронов. Редокс-потенциал их равен или выше, чем у железа. Fе, Со, Ni, Ru, Rh, Рd, Оs, Ir, Рt, Мо, W, Rе, Аu, Gе, Sn составляют большую часть полиметаллических руд.

Литофильные элементы (их 54) образовали земную кору и верхнюю мантию. Образуют ионы с 8-электронной оболочкой. Li, Na, К, Rb, Сs, Ве, Мg, Са, Sr, Ва, В, Аl, Sс, У, редкоземельные элементы, Si, Ti, Zr, Hf, Тh, Р, V, Nb, Та, Сr, U, F, Сl, Вr, I, Мn входят в состав силикатных, алюмосиликатных горных пород, образуют сульфатные, карбонатные, фосфатные, боратные и галогенидные минералы.

Халькофильные элементы (их 19) обладают сродством к сере, селену, теллуру, они сосредоточились в нижней мантии. Имеют оболочку из 18 электронов. Сu, Аg, Zn, Сd, Нg, Ga, Tl, Аs, Sb, Вi, S, Sе, Те образуют многочисленную группу сульфидных и теллуридных минералов. Они могут встречаться в самородном состоянии.

Инертные газы (Не, Nе, Аr, Кr, Хе, Rn) относятся к атмофильной группе. Их атомы (кроме Не) имеют 8-электронную оболочку.

В настоящее время выделяют еще и биофилы. Биофильные элементы — это так называемые элементы жизни. Они делятся на макробиогенные (Н, С, N, О, Сl, Вr, S, Р, Nа, К, Мg, Са) и микробиогенные (V, Мn, Fе, Со, Сu, Zn, В, Si, Мо, F).

Современная биогеохимическая классификация элементов приведена в табл. 1.

Таблица 1

Биогеохимическая классификация элементов

Литофильные	Li, Na, К, Rb, Сs, Li, Na, К, Rb, Сs, Ве, Мg, Са, Sr, Ва, В, Аl, Sс, У, O, F, Si, Cl, Mn, V, Ge, Br, Mo, I, La, Ac, Th, U, Ln
Халькофильные	Сu, Аg, Zn, Сd, Нg, Ga, Tl, Аs, Sb, Вi, S, Sе, Те, Fe, Co, Ni, Mo, Rh, Pd, In, Pb
Сидерофильные	С, Р, Fе, Со, Ni, Ge, Mo, Ru, Rh, Pb, Sn, Ta, Re, Os, Ir, Pt, Au
Атмофильные	Н, С, N, O, Не, Nе, Аr, Кr, Хе, Rn
Биофильные	Н, С, N, О, Сl, Вr, S, Р, Nа, К, Мg, Са, V, Мn, Fе, Со, Сu, Zn, В, Si, Мо, F, I

2.1.2. Дифференциация мантии и образование геосфер

В процессе формирования планеты из первичной мантии увлекались к ядру сидеро- и халькофильные элементы. Одновременно менее легкоплавкие силикатные массы образовывали базальтовую магму, а затем и базальтовую кору океанического типа. В этот процесс вовлекались преимущественно лито- и атмофильные элементы.

При плавлении и дегазации верхней мантии на поверхность Земли поступала базальтовая магма, несущая растворенные в ней воду и газы. И первичная атмосфера, и первичная гидросфера Земли возникли за счет дегазации мантии. Из паров мантийного материала возникла кислая, сильно минерализованная гидросфера, изначально богатая анионами F^–, Сl^–, Вr^–, I^–. Пресные воды образовались в результате естественной дистилляции. Тогда же образовалась и восстановительная первичная атмосфера (Гусакова Н. В., 2004).

2.1.3. Эволюция атмосферы

Атмосфера состоит из газов, окружающих Землю, и ее состав существенно менялся с момента образования планеты. Долгое время господствовала точка зрения, что первичная атмосфера Земли состояла преимущественно из аммиака и метана.

Первая атмосфера Земли была потеряна в космосе в первый миллион лет после аккреции. Эта атмосфера состояла из газов, заключенных внутри планетоидов, сформировавших Землю. Состояла она из углекислоты и азота со следовыми количествами метана, аммиака, двуокиси серы и соляной кислоты. Кислород отсутствовал.

Вторая атмосфера Земли предположительно содержала двуокись углерода, азот, воду. С охлаждением поверхности планеты образовались океаны, начались гидрологический цикл и процессы выветривания. Кроме того, океаны стали интенсивно поглощать углекислоту. Условия, существовавшие на поверхности планеты в те времена, по большей части неизвестны, поскольку интенсивность солнечного излучения была ниже современной на 30%, а точный состав атмосферы неясен.

Бактериальный фотосинтез начался между 3,5–4 млрд. лет назад, но практически весь кислород поглощался океаном (в основном ионами железа).

4 млрд. лет назад кислород начал поступать в атмосферу, и современный состав атмосферы сформировался примерно 1,5 млрд. лет назад. В атмосфере кислород под действием ультрафиолетового излучения образовал озон. Озон выступил в качестве фильтра жесткой солнечной радиации, позволив жизни выйти из океана на сушу (Гусакова Н. В., 2004).

2.1.4. Возникновение жизни и проблема хиральности

Возникновение биосферы относится к самым ранним периодам развития планеты. Первые известные окаменелые остатки живых организмов (возраст — 3,55 млрд. лет), были обнаружены в Западной Австралии Уильямом Шопфом. Они чрезвычайно похожи по структуре на современных цианобактерий (иначе называемых сине-зелеными водорослями), достаточно высокоразвитых фотосинтетиков. Геохимические данные свидетельствуют о том, что фотоавтотрофная жизнь на планете существовала 4 млрд. лет тому назад. С биологической точки зрения ей должна была бы предшествовать жизнь гетеротрофная. Но как и, главное, когда она успела возникнуть?

Многовековая борьба за доказательство невозможности возникновения живого из неживого завершилась триумфальными экспериментами Л. Пастера, которые поставили, казалось бы, точку в этом споре. Но тогда оказалось, что жизнь могла быть сотворена лишь Богом. С этим не могла смириться материалистическая наука ХХ в. А. И. Опарин в 1924 г., а затем Дж. Холдейн в 1929 г. выдвинули гипотезы биогенеза — возможности самопроизвольного зарождения жизни на Земле (Опарин А. И., 1960; Бернал Дж., 1969).

Вообще говоря, было создано множество гипотез зарождения жизни, экспериментальной базой которых послужила, главным образом, возможность синтеза простейших органических соединений в условиях древней Земли, как мы их себе сейчас представляем. Толчком к этому послужило открытие Миллером легкости образования аминокислот из неорганических предшественников (Miller S. L., 1953). Как пишет Л. Маргелис (1983): «Пуристы злословили, что это якобы никуда не годная экспериментальная органическая химия, состоящая в том, что создают среду, предположительно сходную с гадейской³, вносят в нее неорганические реагенты и подводят энергию, а затем среди продуктов реакций разыскивают молекулы, имеющие важное значение для современной жизни». Этот подход породил множество работ, доказывавших возможность синтеза достаточно сложных органических веществ в условиях древней Земли. Вместе с тем «данные космохимии метеоритов, астероидов и комет свидетельствуют, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением» (Войткевич Г. В., 1988).

Для возникновения жизни были необходимы:

● эволюция малых молекул;

● образование из них полимеров;

● возникновение у них каталитических функций;

● самосборка молекул;

● возникновение мембран и создание доклеточной организации;

● возникновение механизма наследственности;

● образование клетки.

Если мы обратимся к С. Лему, более известному как писатель-фантаст, нежели как ученый, то и он пишет: «Осуществление каждого определенного этапа на пути к появлению праклетки обладало определенной вероятностью. Возникновение аминокислот в первичном океане под действием электрических разрядов было, например, вполне вероятным, образование из них пептидов — немного менее, но также в достаточной мере осуществимым; зато спонтанный синтез ферментов составляет — с этой точки зрения — явление сверхнеобычное» (Лем С., 2002). И далее: «Термодинамика может еще “проглотить” случайное возникновение белков в растворе аминокислот, но самозарождение ферментов уже не проходит… Число возможных ферментов больше числа звезд во всей Вселенной. Если бы белкам в первичном океане пришлось дожидаться спонтанного возникновения ферментов, это могло бы с успехом длиться целую вечность» (Лем С., 2002). Зарождение жизни, в результате, доказывается лишь «простым фактом, что мы существуем и, стало быть, сами являемся косвенным аргументом в пользу биогенеза» (Лем С., 2002).

К такому же выводу приходит далеко не фантаст, а Лауреат Нобелевской премии, один из основоположников современной молекулярной биологии, соавтор открытия ДНК, «молекулы жизни», Ф. Крик, который, специально остановившись на ничтожно малой вероятности самозарождения жизни, далее пишет: «Сам факт того, что мы находимся здесь, обязательно означает, что жизнь действительно зародилась» (Крик Ф., 2002).

В. И. Вернадский вообще полагает, что «должны оставаться без рассмотрения все вопросы о начале жизни на Земле, если оно было… Эти вопросы вошли в науку извне, зародились вне ее — в религиозных или философских исканиях человечества… Все нам известные, точно установленные факты ни в чем не изменятся, если даже все эти проблемы получат отрицательное решение, т. е. если бы мы признали, что жизнь всегда была и не имела начала, что живое — живой организм — никогда и нигде не происходил из косной материи и что в истории Земли не было вообще геологических эпох, лишенных жизни» (Вернадский В. И., 2004).

Проблема хиральности

Все существующие на сегодняшний день гипотезы о происхождении жизни грешат одним недостатком — они исключительно качественны и малофизичны. Общим для всех них является убеждение, что при подходящих условиях мертвое косное вещество способно дать начало живым образованиям. Но какими были эти условия: «густой, теплый соленый бульон» или «холодное разреженное межзвездное облако»? Сколько времени длилась добиологическая химическая эволюция? Какие процессы при этом происходили, и как они протекали?

Известно, что жизнь на Земле асимметрична: в биологических процессах используются только левые молекулы аминокислот и только правые молекулы сахаров, и никак иначе! Понятия «правые» или «левые» означают, что они зеркально отражают друг друга, как правая и левая рука. От греческого слова «рука» эта симметрия получила название хиральной. Это обстоятельство представляется крайне загадочным, так как в природе имеется равновероятное число как правых, так и левых молекул одних и тех же веществ. Живая же природа демонстрирует странный дисбаланс — используя только один из двадцати видов зеркальных изомеров. То есть можно сказать, что жизнь хиральна: использует только левые аминокислоты и правые сахара. Почему?

Этот факт был установлен Луи Пастером и назван «демаркационной линией между живым и неживым». Многие умы, такие как Пьер Кюри, лорд Кельвин, Эмиль Фишер, Джон Бернал, тщетно пытались разгадать эту загадку. В сущности надо было ответить на два вопроса.

Когда появилась асимметрия? Согласно первому возможному варианту это имеет биологическую причину. То есть вначале были оба варианта, но один более преуспел в ходе эволюции и подавил второй, который имел место в добиологической стадии.

Почему эта асимметрия возникла? Тут также два варианта. Согласно первому, действовал некий асимметричный фактор, который и предопределил выбор земной жизни. Второй вариант объясняет эту особенность чистой случайностью.

Попытка ответить на эти два вопроса отняла десятилетия усилий. Представим среду, в которой имеется равное количество правых и левых молекул, — может ли там возникнуть жизнь? Нет, не может — так категорически отвечает Дж. Визер в своей статье в Nature в 1984 г. Среда должна быть хирально чистой, только тогда в ней может возникнуть аппарат саморепликации, самовоспроизведения; без этого жизнь невозможна. Вывод, таким образом, напрашивается однозначный: асимметрия появилась значительно раньше, чем возникла жизнь!

Неясен ответ и на второй вопрос. Логика вроде бы приводит к выводу, что первичная среда должна быть сбалансирована относительно правых и левых молекул. Почему же она в какой-то момент стала асимметричной?

Пастер предположил, что в первичной среде вступил в действие некий фактор преимущественности. Этот фактор вначале несколько нарушил равновесие, которое со временем усиливалось, и в результате возникла хиральная предбиосфера. Приведем пример. У всякого человека две руки, которые способны одинаково хорошо ему служить. Но еще в детстве его учат держать игрушку в правой руке, что, соответственно, укрепляет правую руку, создает ей преимущество перед левой. В процессе роста правая рука становится все более сильной, подвижной, и это преимущество закрепляется. Закрепившись в виде стереотипа, оно передается в процессе воспитания потомкам. Постепенно вследствие подобного «фактора преимущества» все больше людей становятся правшами. Нечто подобное произошло в природе, но она просто «отрезала правую руку», т. е. свела на нет общее число молекул другой хиральности.

А что представлял собой в реальности этот фактор преимущества? И тут начинается игра воображения.

Первое: поляризация света совместно с действием стационарного магнитного поля.

Второе: комбинация гравитационного поля и силы Кориолиса.

Третье: механические силы и электромагнитные поля.

Четвертое: грозовые разряды.

Пятое: корпускулярное и жесткое излучения при солнечных бурях, вспышках и пр.

И так далее и тому подобное…

Искали объяснение в неких параметрах воды, которые, по мысли авторов этой гипотезы, должны обладать хиральностью. Никакая из этих гипотез не получила подтверждения.

В ход пошло такое убеждение: все это предопределено на атомном уровне! Уже три десятилетия известно, что в атомном мире нет равноправия между правым и левым. При слабых взаимодействиях понятие «назад» или «вперед» неравноправны, о чем свидетельствует «несохранение четности». Было решено, что именно это и лежит в основе фактора предпочтительности — асимметрии живого.

Но спустя несколько лет появилась теория, согласно которой оказалось, что не существует никакого фактора предпочтительности. Суть феномена состоит в том, что жизнь, согласно этой точки зрения, является физической катастрофой.

Эта точка зрения была провозглашена наукой о самоорганизации — синергетикой. Методами синергетики было показано, что жизнь — не результат процесса постепенной эволюции, а результат скачкообразного перехода. Поэтому нарушение зеркальной симметрии и произошло спонтанно и взрывообразно.

Изначальная неоднородная среда была неустойчивой, в ней возникали флуктуации, увеличившие некоторое преобладание одних изомеров над другими. В какой-то момент эта флуктуация получила развитие и стала столь большой, что появилась бифуркация — расхождение, когда одно состояние стало неустойчивым и природа отказалась от него, остановив свой выбор на развивающемся, ставшем предпочтительным. Таким образом, появился фактор предпочтительности, и среда стала хирально чистой, что оказалось исключительно удобным для возникновения и развития жизни.

2.1.5. Критические уровни содержания кислорода в атмосфере

По Л. Беркнеру и Л. Маршаллу (Перельман А. И., 1973) в абиогенную эпоху содержание кислорода не превышало 0,1% современного уровня. Кислород образовывался за счет фотодиссоциации воды. Жизнь в таких условиях могла развиваться только в водоемах глубиной более 12 м. По достижении уровня содержания кислорода 1% современного создалась возможность поглощения ультрафиолета. Область жизни значительно расширилась, поскольку стало достаточно 30 см воды для задержания ультрафиолета. Этот уровень был достигнут в начале палеозойской эры (примерно 600 млн. лет тому назад). Всего за 20 млн. лет возникло множество новых видов, ускорилось накопление кислорода в атмосфере. Уже через 200 млн. лет (конец силура, 400–420 млн. лет назад) содержание кислорода достигло 10% современного. Озоновый экран стал настолько мощен, что жизнь смогла выйти на сушу. Это привело к новому взрыву эволюции.

2.1.6. Этапы эволюции биосферы

Уровни содержания кислорода в атмосфере, рассмотренные выше, могут использоваться как границы этапов развития биосферы Земли. С этой точки зрения биосфера прошла три этапа: восстановительный, завершившийся появлением фотосинтеза и переходом ко второму, слабоокислительному этапу. Третий этап — окислительной фотоавтотрофной биосферы.

Ключевые этапы эволюции биосферы: 600 млн. лет назад жизнь овладела мелководьями и относительно быстро после этого вышла на сушу. Царство млекопитающих и покрытосеменных растений наступило 60 млн. лет назад, т. е. биосфера приобрела облик, близкий современному. 6 млн. лет назад возникла группа приматов, являющихся прямыми и непосредственными предками современного человека, — гоминиды. 600 тыс. лет тому назад появился человек разумный, примерно 60 тыс. лет назад овладевший огнем и, таким образом, резко выделившийся из природы. Возникновение современной цивилизации можно отнести к периоду примерно 6 тыс. лет тому назад, а зарождение современного способа производства и начало Нового времени — 6 веков тому назад. Глобальных масштабов антропогенное воздействие на окружающую среду достигло, пожалуй, к середине ХХ в. (Гусакова Н. В., 2004).

Контрольные вопросы

1. С чем связано образование Земли? Какие вам известны гипотезы?

2. Приведите современную биогеохимическую классификацию элементов.

3. Как произошло образование геосфер?

4. Каков предположительно состав первоначальной атмосферы?

5. За счет чего происходило накопление кислорода в первичной атмосфере Земли?

6. Когда сформировался современный состав атмосферы?

7. Что такое хиральность? Приведите примеры.

8. Что изучает синергетика?

9. Как возникла жизнь с точки зрения синергетики?

10. Назовите основные этапы эволюции биосферы.

Глава 3. Область действия химии окружающей среды

3.1. Земля

Земля имеет массу 6 · 10 ²¹ т и состоит из 88 различных химических элементов. Несмотря на все изменения, наблюдаемые в самых разных масштабах времени и пространства, земля в целом остается удивительно постоянной. В последние годы стало особенно ясно, что крупные составные части земного шара, такие как ядро, мантия, кора, океаны, атмосфера и биосфера, могут рассматриваться как сложная взаимодействующая система. В ней циклично происходит передача вещества от одного резервуара к другому (Сивер Р., 1983). Об их объемах можно получить представление из табл. 2, а о химическом составе можно судить по данным, приведенным в табл. 3.

Горные породы выветриваются с образованием осадка, который потом заборанивается. При погружении на глубину породы испытывают метаморфизм и (или) плавление. Позже они деформируются и перемещаются в горных цепях вверх, чтобы снова подвергнуться выветриванию и совершить новый цикл (рис. 2).

Рис. 2. Геологический цикл

Таблица 2

Относительные размеры резервуаров Земли, т(Андруз Дж. и др., 1999)

Мантия	4 · 1021
Ядро	1,9 · 1021
Кора	24 · 1018
Гидросфера	2,4 · 1018
Атмосфера	5 · 1015

Таблица 3

10 самых распространенных химических элементов,% по массе

Вселенная	Земля	Земная кора	Океан	Атмосфера	Биосфера
H — 77	Fe — 35	O — 46,6	O — 85,8	N — 75,5	O — 53
He — 21	O — 29	Si — 29,5	H — 11	O — 23,2	C — 39
O — 0,8	Si — 14	Al — 8,2	Cl — 1,94	Ar — 1,3	H — 6,6
C — 0,3	Mg — 14	Fe — 5,0	Na — 1,05	C — 9,3 · 10–3	N — 0,5
Ne — 0,2	S — 2,9	Ca — 3,6	Mg — 0,13	Ne — 1,3 · 10–3	Ca — 0,4
Fe — 0,1	Ni — 2,4	Na — 2,8	S — 0,09	Kr — 0,45 · 10–3	K — 0,2
Si — 0,07	Ca — 2,1	K — 2,6	Ca — 0,041	He — 72 · 10–6	Si — 0,1
N — 0,06	Al — 1,8	Mg — 2,1	K — 0,039	Xe — 40 · 10–6	P — 0,1
Mg — 0,06	Na — 0,3	Ti — 0,57	Br — 0,007	H — 23 · 10–6	Mg — 0,1
S — 0,04	P — 0,2	H — 0,22	C — 0,003	S — 70 · 10–9	S — 0,07

В центре Земли находится металлическое ядро, состоящее из железа и никеля; ядро окружено мантией плотных горных пород, богатых магнием и железом.

3.2. Ядро и мантия

Вместе они составляют более 99,6% общей массы Земли (Скиннер Б., 1989). Земля резко разделяется на две части — богатую железом (ядро) и силикатную (мантия и кора). Температура ядра оценивается в 4–5 тыс. градусов, давление на этих глубинах — 1,5–3,5 млн. атм. Ядро Земли состоит из сплавов железа, находящихся в твердом состоянии в центральной и в жидком состоянии в остальной части ядра. Турбулентные течения жидкости и генерируют магнитное поле Земли (Джинлоз Р., 1983).

Огромная силикатная оболочка разогревается за счет распада радиоактивных изотопов. Подвод тепла возбуждает мощные конвективные течения в верхних слоях оболочки, сложенных пластичными породами.

Крупномасштабные движения в мантии принимают вид течений плотного, твердого и пластичного вещества. Кора (и океаническая, и континентальная) лежит на плитах толщиной примерно 100 км. Новые плиты образуются в зонах срединно-океанических хребтов и охлаждаются по мере их движения в направлении от хребтов к океаническим желобам. В океанических желобах плиты погружаются и тонут в мантии. По мере погружения плотной плиты холодное вещество увлекается вниз, образуя нисходящую ветвь конвективной ячейки. Естественно, должны существовать и горизонтальные возвратные течения, переносящие вещество из областей океанических желобов к срединно-океаническим хребтам, и восходящие движения разогретого вещества, которые компенсируют нисходящие движения в области океанических желобов. В конвективных ячейках холодные опускающиеся участки жидкости отделены друг от друга расстоянием, примерно равным удвоенной глубине конвектирующего слоя. Считается, что глубина конвектирующего слоя Земли составляет примерно 700 км (Мак-Кензи Д. П., 1983).

3.3. Земная кора

Составляет 0,375% земной массы. Она построена в основном из минералов, образующих горные породы. Химические элементы распределены в земной коре неравномерно, иногда скапливаясь в рудные месторождения. Земная кора с верхней частью мантии называется литосферой (см. главу 9), лежащей на астеносфере.

Океаническая кора состоит из минералов, богатых кальцием, магнием, железом, алюминием и кремнием, составляющих базальты. Океаническая кора в среднем имеет толщину около 6 км (от 5 до 8 км), и она на порядок моложе континентальной. Кора этого типа создается и вновь уничтожается на пути от срединно-океанических хребтов к зонам субдукции, где она погружается обратно в мантию. Срединно-океанический хребет представляет собой границу между двумя жесткими плитами. В том месте, где проходит хребет, плиты медленно раздвигаются, и поступает нижележащая порода.

Таким путем на гребнях срединно-океанических хребтов (общая протяженность 59 000 км) ежегодно образуется несколько квадратных километров новой океанической коры. Гребень хребта лежит на глубине в среднем 2,5 км, а по обе стороны от него дно океана погружается на глубину 5–6 км (Франшто Ж., 1983).

Континентальная кора составляет более половины массы коры в целом или 0,29% массы всей Земли. Мощность континентальной коры находится в интервале от 10 до 70 км. Она содержит меньше железа, кальция и магния, нежели океаническая кора, но сравнительно больше кремния, алюминия, натрия и калия, т. е. более легких элементов. Континенты плавают в астеносфере. Континентальная кора покрывает около 45% поверхности Земли. В гидросфере больше воды, чем могут вместить углубления, образованные плотной океанической корой, поэтому края континентов погружены в воду (континентальный шельф и континентальный склон). Континентальная кора древнее океанической (возраст самой древней океанической коры не превышает 200 млн. лет). Она подвержена постоянным тектоническим движениям, эрозии, вулканизму, осадконакоплению (Берчфил Б. К., 1983), проходя собственный цикл развития, сопровождающийся ее разрушением и новым созиданием. Ежегодно около 10 ¹⁰ т твердого и растворенного вещества, образовавшегося при эрозии земной поверхности, удаляется реками, ветром и ледниками.

Выделяют два основных типа пород: изверженные, или вулканические, горные породы, образованные магмой, формирующейся в глубоких частях земной коры или в верхней мантии; осадочные горные породы, образующиеся при уплотнении материала, получающегося при эрозии континентальных пород и отлагающегося в депрессиях на континентах или на шельфе. Со временем слои этих отложений погружаются на все большую глубину, подвергаясь действию высоких давлений и температур. Образуются метаморфические горные породы. Расплавляясь, они формируют магму вновь. Можно делить породы как недеформированные (осадочные и вулканические) и деформированные (осадочные, магматические, метаморфические). Основная масса континентальной коры сложена именно породами второй группы (Гусакова Н. В., 2004).

3.4. Гидросфера

Водная оболочка составляет 0,025% (0,25 · 10^–3) массы Земли. Объем гидросферы 1375 · 10 ⁶ км ³. Океаны покрывают 70,8% земной поверхности и имеют среднюю глубину 3,96 км. В каждом кубическом километре морской воды растворено 36 млн. т твердых веществ. Средний химический состав растворенных в морской воде веществ (%): Cl — 55,07, Na — 30,62, Mg — 3,68, S — 2,73, Ca — 1,18, K — 1,10, Br — 0,19, C — 0,08, Sr — 0,02, B — 0,01. Подавляющая часть воды на Земле сосредоточена в Мировом Океане (см. главу 8) (Гусакова Н. В., 2004).

3.5. Атмосфера

Воздушная оболочка составляет 0,0001% (10^–6) массы Земли, сильно перемешана, состоит из азота, кислорода и аргона на 99,9% (см. главу 7) (Гусакова Н. В., 2004).

3.6. Биосфера

Живая оболочка составляет 3 · 10^–9 массы Земли. Необходимо помнить, что она «теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он не мог бы существовать» (Вернадский В. И., 2004).

На протяжении всей истории биосферы ее самыми влиятельными с точки зрения планетарных процессов составляющими были зеленые растения и микроорганизмы. Взаимодействие биосферы, гидросферы и атмосферы друг с другом и с наружными слоями земной коры не только всеобъемлюще, но и постоянно: это круговороты, состоящие из круговоротов, которые, в свою очередь, складываются из круговоротов. Треть от всего числа химических элементов участвует в биологических круговоротах. Благодаря биологическим процессам в земной коре образовались массивные скопления кремния, железа, марганца, серы и углерода (Клауд П., 1983). «Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки) и многие сотни других — непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни» (Вернадский В. И., 2004).

Кислород атмосферы — продукт фотосинтеза зеленых растений.

Количественные показатели биосферы в сопоставлении с другими оболочками Земли приведены в табл. 4. Несмотря на ничтожную по сравнению с другими геосферами массу биосфера — наиболее могущественная по своей трансформирующей силе оболочка Земли. Как писал В. И. Вернадский: «С исчезновением жизни на земной поверхности шли бы лишь медленные, от нас скрытые изменения, связанные с земной тектоникой. …Исчезли бы главные деятели процессов выветривания. …Неизбежно установилось бы химическое равновесие, химическое спокойствие, которое временами и местами нарушалось бы привносом веществ из земных глубин» (2004).

О структуре биосферы, ее химическом составе и функциональных характеристиках можно судить по материалам табл. 5, 6.

Необходимо постоянно иметь в виду, что главными «действующими лицами» в функционировании биосферы являются не сразу бросающиеся в глаза яркие и часто экзотические представители многоклеточных животных и даже не деревья, образующие обширные леса, а микроскопические одноклеточные организмы, в первую очередь — прокариоты. Академик Г. А. Заварзин (2001; 2003) вообще считает, что биосфера всегда состояла главным образом из бактерий, тогда как остальные организмы — не более чем добавление к бактериям. Как известно, бактериальные сообщества, в отличие от сообществ эукариотов, могут обеспечивать работу автономных, т. е. замкнутых полностью по всем элементам биогеохимических циклов.

Биомасса микроорганизмов океана составляет около трети всей биомассы биоты планеты, биомасса бактерий суши сравнима с биомассой растений. Таким образом, биомасса прокариот — от половины до 90% всего живого вещества биосферы.

Таблица 4

Сравнение биосферы с другими геосферами Земли(Акимова Т. А., Хаскин В. В., 2000)

Геосферы	Масса, Гт	Разнообразие состава	Время оборота состава, лет
Литосфера	2,5 · 106	1,85	5 · 107
Гидросфера	1,4 · 106	0,12	2 · 104
Атмосфера	5,2 · 103	0,38	3 · 104
Биота биосферы	2,1	4,50	10

Таблица 5

Биомасса растений и животных биосферы(Акимова Т. А., Хаскин В. В., 2000)

Экосистемы	Биомасса (сухого вещества), Гт	%
Континенты
Растения	2125	99,53
Животные	3	0,14
Океан
Растения	3	0,14
Животные	4	0,19
Всего	2135	100,00

Таблица 6

Средний химический состав живого вещества(Акимова Т. А., Хаскин В. В., 2000)

Компоненты	%
Вода	63,80
Сухое вещество	36,20
Минеральные вещества	1,20
Органические вещества	35,00
Углерод	16,47
Водород	2,06
Кислород	16,10
Азот	0,30

Контрольные вопросы

1. Какова область действия химии окружающей среды?

2. Какие вам известны резервуары Земли?

3. Какие четыре элемента по весу являются наиболее распространенными на Земле в целом?

4. Что такое геологический цикл?

5. Из чего состоит ядро Земли?

6. Какие четыре элемента по весу являются наиболее распространенными в земной коре?

7. Какие вам известны типы пород?

8. Из каких газов состоит атмосфера?

9. Какой процент от массы Земли составляет гидросфера?

10. Какой средний химический состав живого вещества?

Глава 4. Природные циклы

4.1. Эндогенный и экзогенный циклы

Весь взаимообмен между отдельными резервуарами — оболочками планеты имеет циклический характер. Мы уже упоминали большой геологический цикл (рис. 2). Более подробное его рассмотрение позволяет выделить в нем два цикла, называемые в англоязычных источниках экзогенный и эндогенный (рис. 3).

Рис. 3. Экзогенный и эндогенный циклы

4.2. Гидрологический цикл

Круговорот между резервуарами воды в гидросфере называется гидрологическим циклом. Хотя объем водяных паров, содержащихся в атмосфере, мал (около 0,013 · 10 ⁶ км ³), вода постоянно движется через этот резервуар. Она испаряется с поверхности океанов (0,423 · 10 ⁶ км ³/год) и суши (0,073 · 10 ⁶ км ³/год) и переносится с воздушными массами (0,037 · 10 ⁶ км ³/год). Несмотря на короткое время пребывания в атмосфере (обычно 10 дней), среднее расстояние водопереноса составляет около 1000 км. Водяные пары затем возвращаются либо в океаны (0,386 · 10 ⁶ км ³/год), либо на континенты (0,110 · 10 ⁶ км ³/год) в виде снега или дождя. Большая часть дождевых осадков, попадающих на континенты, просачивается через отложения и пористые или раздробленные породы, образуя подземные воды (9,5 · 10 ⁶ км ³); остальная вода течет по поверхности в виде рек (0,13 · 10 ⁶ км ³) или вновь испаряется в атмосферу. Поскольку общее количество воды в гидросфере постоянно во времени, процессы испарения и осаждения должны быть сбалансированы для Земли в целом.

Быстрый перенос воды в атмосфере обусловливается поступающим солнечным излучением. Почти все излучение, достигающее коры, идет на испарение жидкой воды и образование атмосферных водяных паров. Энергия, используемая для этого преобразования, которая затем содержится в парах, называется скрытой теплотой испарения. Большая часть из оставшегося излучения поглощается корой, причем эффективность этого процесса уменьшается с увеличением широты, в основном из-за сферической формы Земли. Солнечные лучи нагревают поверхность Земли под углом 90° на экваторе, но с увеличением широты под все меньшими углами, приближаясь к 0° на полюсах. Таким образом, одинаковое количество излучения распространяется на большие площади в высоких широтах по сравнению с экватором. Изменение с широтой количества поступающего излучения не сбалансировано противоположным явлением излучения с поверхности Земли, таким образом, результатом является общий радиационный дисбаланс. Однако полюса не становятся все более холодными, а экватор — теплее, поскольку тепло перемещается в направлении полюсов с теплыми океаническими течениями, а также существует направленное к полюсам движение теплого воздуха и скрытой теплоты испарения водяных паров (Гусакова Н. В., 2004).

4.3. Циклы биогенных элементов

Биогенные элементы циркулируют

...