а) отражается от поверхности Земли в атмосферу и за ее пределы,
б) нагревает поверхность почвы и океанов,
в) расходуется на испарение воды.
С точки зрения энергетического баланса экосфера – открытая система, потому что происходит свободный обмен энергией через границы системы. Несмотря на это, приходные и расходные части энергетического бюджета экосферы в высочайшей степени сбалансированы. Экосфера получает и теряет одинаковое количество энергии, что удерживает ее в относительно стабильном состоянии. Долговременные изменения теплового баланса Земли, как естественные, так и антропогенные, весьма малы по сравнению с основными компонентами теплового баланса, но именно эти изменения определяют вековые глобальные изменения климата.
В различных зонах поверхности Земли приток радиации не соответствует ее отдаче, так что радиационный баланс оказывается или положительным, или отрицательным, в полном соответствии с основными географическими закономерностями. Тепловое равновесие земной поверхности поддерживается межширотным обменом энергией посредством глобальной циркуляции атмосферы, а также и океана. Антропогенные изменения теплового баланса в отдельных точках или территориях (акваториях) могут вызывать изменения в циркуляции атмосферы с соответствующими воздействиями на климат.
II.3.2. Глобальные циклы вещества
Что касается обмена веществом, то он также происходит через границы экосферы, но интенсивность обмена ничтожно мала по сравнению с потоками вещества внутри системы. Из космоса, сквозь атмосферу на поверхность Земли выпадает примерно 40 млн тонн метеоритного вещества в год. Процессы обмена веществом внутри экосферы отличаются значительно большими размерами. Например, реки мира выносят в океаны порядка 20 млрд тонн наносов в год, это в две тысячи раз больше, чем привносится метеоритами. Поэтому можно сказать, что, с точки зрения геоэкологии, Земля и ее экосфера – это закрытые системы.
В закрытой системе неизбежно возникают циркуляционные движения вещества, что и происходит на Земле. Это круговороты вещества, такие как большой («геологический») круговорот, объединяющий разрушение и снос горных пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения, круговорот воды, биогеохимические циклы химических элементов, таких, например, как углерод, азот, фосфор, сера и др., общая циркуляция атмосферы, циркуляция вод океана. В сущности эти круговороты – один большой круговорот, разделяемый нами на отдельные составляющие для удобства нашего понимания глобальных процессов.
Любой глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков. Как правило, суммарная величина запасов значительно больше, чем потоков, что обеспечивает устойчивость круговорота. Одна из важных количественных характеристик – среднее время оборота вещества, вычисляемое как отношение запаса к потоку. Оно может определяться также для любой ветви круговорота (например, для ветви, описывающей круговорот углерода в наземной биоте).
Все естественные глобальные круговороты вещества отличаются чрезвычайно высокой степенью замкнутости. Современная продукция органического вещества в биосфере составляет 100 млрд т/год в единицах массы органического углерода. Эта величина соответствует 1000 млрд т живой массы. Время существования жизни на Земле – около 3,5 млрд лет. Если принять, что средняя продуктивность живой массы за это время равна 500 млрд т в год, то всего за время существования жизни образовалось приблизительно 2х1012 млрд т живого вещества. (Это всего лишь втрое меньше массы всей Земли!) Масса биосферы около 1,4х109 млрд т. Таким образом, продукция биоты за время существования Земли превосходит массу биосферы на три порядка (в 1000 раз). Это значит, что все атомы углерода на Земле в среднем приблизительно 1000 раз становились частью синтезируемого органического вещества, а затем столько же раз это вещество подвергалось деструкции. Очевидно, что глобальные потоки синтеза и деструкции органического вещества должны совпадать с точностью не менее трех значащих цифр (0,001). Более детальный анализ показывает, что в геологическом масштабе времени баланс потоков синтеза и деструкции органического вещества Земли выдерживается с точностью до восьми знаков за запятой!
Поэтому даже малые (казалось бы, пренебрежимо малые), но устойчивые антропогенные воздействия могут приводить к существенным изменениям естественных круговоротов. Отсюда вытекает важнейшая роль деятельности человека в возникновении и усилении несбалансированности круговоротов с серьезными последствиями глобальных размеров. Например, мы увидим ниже, что малое, по сравнению с природными потоками, антропогенное приращение парникового эффекта в атмосфере может привести к серьезнейшим нарушениям устойчивых климатических процессов, влияющих, в свою очередь, на многие аспекты жизни и деятельности общества.
Особенности глобального круговорота воды, или гидрологического цикла, и большого («геологического») цикла, или круговорота вещества, обсуждаются ниже, в разделах, посвященных гидросфере и литосфере. Рассмотрим в упрощенном и огрубленном виде основные черты глобальных биогеохимических циклов химических элементов, важнейших с точки зрения состояния экосферы, – углерода, азота, фосфора и серы.
Глобальный цикл углерода.
Вероятно, углерод является наиболее важным химическим элементом экосферы, потому что:
а) почти все формы жизни состоят из соединений углерода;
б) реакции окисления и восстановления соединений углерода в экосфере обусловливают глобальное распространение и баланс не только углерода, но и кислорода, а также и многих других химических элементов;
в) способность атома углерода создавать цепи и кольца обеспечивает разнообразие органических соединений;
г) углеродсодержащие газы – углекислый газ (СО2) и метан (СН4) – играют определяющую роль в антропогенном парниковом эффекте.
Основные экосферные резервуары углерода находятся в гидросфере, биосфере и атмосфере. Между ними происходит активный обмен с интенсивностью порядка десятков миллиардов тонн углерода в год. В этом обмене океан является главным поглотителем углерода, поступающего как с суши со стоком рек в результате деструкции органического вещества, так и из атмосферы, куда углерод поступает вследствие дыхания всего комплекса живых существ (биоты). Важнейшие процессы в биосфере – формирование органического вещества из неорганического при участии солнечной энергии (фотосинтез), расходование органического вещества в процессах аэробной и анаэробной жизнедеятельности биоты и деструкция органического вещества.
Основной запас углерода, принимающего активное участие в биогеохимическом цикле, находится в Мировом океане, где он содержится в различных формах: в виде частиц неорганических углеродсодержащих веществ, частиц органического нерастворимого углерода, растворенного органического углерода и живых форм. В конечном итоге, подавляющая часть углерода в океане отлагается на дне, перекрывается все более молодыми отложениями и таким образом выходит за пределы экосферы, сохраняясь при этом в большом цикле вещества литосферы.
