- •М. Ю. Андрианова Физико-химические основы природных и антропогенных процессов в техносфере Сокращенная версия
- •1. Оболочки Земли
- •1.1. Земная кора
- •1.2. Мантия Земли
- •1.3. Ядро Земли
- •1.4. Магнитное поле и магнитосфера Земли
- •1.5. Атмосфера
- •1.6. Гидросфера
- •1.7. Биосфера и педосфера
- •3. Миграция элементов
- •4. Атмосфера. Солнечная радиация и вертикальная структура
- •4.1. Изменение давления с высотой
- •4.2. Изменение температуры с высотой
- •4.3. Радиационный баланс Земли
- •4.4. Особенности циркуляции атмосферы
- •5. Биогеохимические циклы элементов
- •5.1. Цикл кислорода
- •5.1.1. Геохимический субцикл цикла кислорода
- •5.1.2. Биотический и физико-химический субциклы цикла кислорода
- •5.1.3. Озон в стратосфере
- •5.1.4. Озон в тропосфере
- •5.1.5. Фотохимический смог
- •5.2. Гидрологический цикл и цикл водорода
- •5.2.1. Гидрологический цикл
- •5.2.2. Цикл водорода
- •5.2.3. Увеличение кислотности океанской воды
- •5.3. Цикл азота
- •5.3.1. Природная фиксация азота
- •5.3.2. Промышленная фиксация азота
- •5.3.3. Аммонификация
- •5.3.4. Нитрификация и другие процессы
- •5.3.5. Денитрификация и другие процессы
- •5.3.6. Оксиды азота
- •5.3.7. Физический перенос азота
- •5.4. Цикл серы
- •5.4.1. Поступление серы в атмосферу
- •5.4.2. Серная кислота и сульфатные аэрозоли
- •5.4.3. Атмосферный аэрозоль
- •5.4.4. Смог лондонского типа
- •5.4.5. Кислотные дожди
- •5.4.6. Ассимиляция сульфата
- •5.4.7. Восстановление сульфата и другие процессы
- •5.4.8. Окисление сероводорода и другие процессы
- •5.4.9. Окислительный бактериальный фильтр
- •5.5. Циклы фосфора и кремния
- •5.5.1. Цикл кремния
- •5.5.2. Цикл фосфора
- •5.6. Циклы тяжелых металлов
- •5.6.1. Природные источники тяжелых металлов
- •5.6.2. Техногенные источники тяжелых металлов
- •5.6.3. Трансформация антропогенных выбросов тяжелых металлов в почве
- •5.6.4. Токсичность металлов в гидросфере
- •5.7. Цикл углерода
- •5.7.1. Основные процессы цикла углерода
- •5.7.2. Глобальное потепление климата и парниковые газы
- •5.7.4. Токсичные соединения углерода
- •5.8. Циклы натрия и хлора
- •5.8.1. Цикл натрия
- •5.8.2. Засоление почв
- •5.8.3. Цикл хлора
- •5.8.4. Галогенорганические соединения
- •5.8.5. Стойкие органические загрязнители и другие приоритетные поллютанты
5.4.9. Окислительный бактериальный фильтр
Окисление восстановленных газов и летучих органических веществ, продуцируемых анаэробными микроорганизмами или происходящих из геосферных источников (углеводороды над нефтегазовыми месторождениями), осуществляется аэробными бактериями «окислительного фильтра» (с участием О2). Это различные бактерии, обитающей водных объектах, донных отложениях, почве; они окисляют водород, СО (с усвоением СО2), сероводород, метан, неметановые летучие углеводороды.
Если транспорт газов происходит в виде пузырьков (выделение метана на болотах), то микроорганизмы не успевают его окислить, и газ проскакивает в атмосферу. Если поток диффузионный, то обычно бактериальный фильтр развивается до такой степени, что полностью перехватывает поток газов. Для диффузионного потока из донных отложений озер достаточно слоя 10 м (окисление метана). В почве для окисления дурно пахнущих продуктов необходимо более 1 м рыхлого грунта, что подтверждено кладбищенской практикой.
Задание для самоконтроля 5.4
1. Изобразите схематически глобальный цикл элемента серы, обозначьте в нем процессы превращения серусодержащих соединений, пулы и потоки серы.
2. Проанализируйте, какие процессы приводят к накоплению элемента серы в различных резервуарах. Приведите примеры таких природных и антропогенных процессов и их результаты.
3. Приведите примеры процессов превращения одних соединений серы в другие, применяющиеся в хозяйственной деятельности человека.
4. Приведите примеры негативного воздействия соединений серы на человека и окружающую среду.
5. Дайте характеристику атмосферных аэрозолей, опишите механизмы их образования.
5.5. Циклы фосфора и кремния
Геохимические циклы кремния, фосфора, а также калия, натрия, кальция и тяжелых металлов имеют общие черты (циклы тяжелых металлов будут рассмотрены в подразделе 5.6.). Эти циклы поддерживаются поступлением вещества из одного источника: земной коры или, точнее, из ее гранитной части. За последние 600 млн. лет из гранитного слоя земной коры было извлечено калия 16%, кремния и фосфора — около 17% каждого, натрия — 19%. Кроме того, основные миграционные потоки этих элементов связаны с континентальным стоком и биологическим круговоротом. Атмосферная миграция этих элементов более ограничена по сравнению с атмосферной миграцией элементов, поступающими в географическую оболочку в результате дегазации мантии (C, N, S, Cl).
Рассматриваемые элементы интенсивно аккумулируются в осадках Мирового океана. В осадочной толще земной коры аккумулировано 99% массы кремния, фосфора, кальция, 98% массы калия, более 60% натрия, что свидетельствует о сильной незамкнутости годовых миграционных циклов этих элементов. Цикличность в их перемещении может быть заметна лишь в масштабах геологического времени – миллионов и десятков миллионов лет. В активную миграцию они включаются после прохождения осадками стадий диагенеза, метаморфизма и выноса на поверхность.
Наряду с общими чертами обнаруживаются специфические особенности каждого элемента, которые хорошо заметны при сравнении распределения их масс в географической оболочке Земли (табл. 5.4).
Таблица 5.4
Распределение масс химических элементов, поступивших из земной коры континентов за последние 600…700 млн. лет
Резервуар |
Масса элемента |
||||
Р |
К |
Са |
Na |
Si |
|
Растительность суши, 109 т |
5,0 |
25,0 |
45,0 |
3,0 |
12,5 |
Органическое вещество суши, 109 т |
7,0 |
5-10 |
25,0 |
0,5 |
50,0 |
Живые организмы океана, 109 т |
0,04 |
0,17 |
0,034 |
0,09 |
0,17 |
Растворенные формы в океане, 109 т |
120,0 |
530000 |
559000 |
14740000 |
4110 |
Осадочная толща земной коры, 1015 т |
1,3 |
38,2 |
272,8 |
26,7 |
493,6 |
Масса элемента в географической оболочке, 1015 т |
1,3 |
38,7 |
273,4 |
41,4 |
493,6 |
Столь же неодинаково относительное распределение масс рассматриваемых элементов в Мировом океане: в нем находится около 40% массы натрия, немногим более 1% калия, около 0,01% фосфора и менее 0,001% кремния. Вне зависимости от этого, наибольшие массы, участвующие в биологическом круговороте на суше, принадлежат кальцию, в океане — фосфору и натрию. Вовлечение масс калия и кремния в биологический круговорот континентов и океана различается слабо. Элементы, для которых в океане растворено более 0,1% от всего их количества в географической оболочке Земли, активно участвуют в годовом массообмене между океаном и атмосферой, мигрируют от океана на сушу, частично восполняя годовой вынос элементов с континентальным стоком. Таковы натрий и кальций, для которых в Мировом океане находятся соответственно 35% и 2% от их массы в географической оболочке.