1.7. Биосфера и педосфера
Биосфера по своему элементному составу заметно отличается от коры и гидросферы (см. табл. 1.8 и 1.9). Как известно, вода – основа жизни: организмы животных и растений содержат от 50 до 99% воды (в организме взрослого человека 65% воды). Еще одним ключевым элементом жизни является углерод. На основе различных углеродных структур (с участием H и O, а также N, P, S) образовано множество органических соединений, выполняющих в организме барьерные, опорные, транспортные, информационные функции.
Важнейшими группами биомолекул являются липиды, углеводы, белки, азотистые основания (см. рис. 1.7, 1.8). Отличительной особенностью биосферы (по сравнению с остальными оболочками Земли) является высокая скорость протекания внутриклеточных реакций, осуществляемых под действием белковых катализаторов (ферментов).
Общая масса живых организмов в биосфере оценивается в 2∙1018 г в пересчете на сухое вещество. Считается, что наземная растительность составляет более 90 % биомассы суши. Для океана биомасса животных оценивается в 6∙1015 г, водных растительных
Хондроитинсульфат (фрагмент) – углевод, компонент хрящевой ткани
|
Фосфатидилхолин – липид, компонент мембраны клетки
|
Аденозинтрифосфат – нуклеотид, осуществляет перенос энергии, компонент в построении ДНК, участвует в переносе информации и других процессах
|
Селеноцистеин – аминокислота, компонент некоторых ферментов
|
Глицин – аминокислота, компонент белков, участвует в передаче нервного импульса
|
Холестерол – липид, компонент мембраны клетки, предшественник стероидных гормонов
|
Рис. 1.7. Некоторые биомолекулы и их функции в клетке
|
Тафтсин – пептид из четырех аминокислотных остатков, отщепленный от белка иммуноглобулина G
|
|
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) (фрагмент)
|
Рис. 1.8. Некоторые биомолекулы
|
организмов 0,3∙1015 г, то есть в 20 раз меньше. Несмотря на существенные различия в биомассе, по первичной годовой продукции суша и океаны близки. Растения на суше продуцируют в 48∙1015 г С в год, морские организмы 51∙1015 г С в год, при этом содержание углерода в организмах составляет 560∙1015 (суша) и 1,8∙1015 гС (море).
Таблица 1.8
Средний элементный состав живого вещества суши
(в % от живой массы)
Эл-т
|
% (от живой массы)
|
Эл-т
|
% (от живой массы)
|
Эл-т
|
% (от живой массы)
|
О
|
70
|
Si
|
2∙ 10 −1
|
Fe
|
1∙ 10 −2
|
С
|
18
|
P
|
7∙ 10 −2
|
Al
|
5∙ 10 −3
|
Н
|
10,5
|
S
|
5∙ 10 −2
|
Ba
|
3∙ 10 −3
|
Са
|
5∙ 10 −1
|
Mg
|
4∙ 10 −2
|
Sr
|
2∙ 10 −3
|
N
|
3∙ 10 −1
|
Cl
|
2∙ 10 −2
|
Mn
|
1∙ 10 −3
|
K
|
3∙ 10 −1
|
Na
|
2∙ 10 −2
|
B
|
1∙ 10 −3
|
Таблица 1.9
Средний состав организма человека (% от сухой массы)
Эл-т
|
% (от сухой массы)
|
Эл-т
|
% (от сухой массы)
|
Эл-т
|
% (от сухой массы)
|
О
|
20
|
N
|
8,5
|
Na
|
0,4
|
С
|
50
|
P
|
2,5
|
Fe
|
1∙ 10 −2
|
Н
|
10
|
S
|
0,8
|
Mn
|
1∙ 10 −3
|
Са
|
4
|
Mg
|
0,1
|
I
|
5∙ 10 −5
|
K
|
1
|
Cl
|
0,4
|
Se
|
3∙ 10 −5
|
В веществе фитопланктона массовое содержание углерода, азота и фосфора характеризуется соотношением Редфилда С:N:P = 106:16:1. Это соотношение позволяет судить о том, какой элемент (азот или фосфор) ограничивает развитие фитопланктона в различных областях океана (углерода в воде всегда более чем достаточно).
Элементы, содержание которых в организме выше сотых долей процента, называют макроэлементами, а элементы с содержанием ниже 0,01% – микроэлементами. Также выделяют ультрамикроэлементам с содержанием менее порядка 10–6 % от массы тела. Для человека микроэлементом является кремний (см. табл. 9); в то же время для некоторых простейших, животных и растений он является макроэлементом и используется для образования жестких частей (скелета у губок, раковин у некоторых радиолярий, панциря у диатомовых водорослей, оболочки эпидермальных клеток у хвоща). У позвоночных животных основная роль в построении костей внутреннего скелета принадлежит фосфату кальция, у ряда водных животных (некоторых фораминифер, моллюсков, усоногих раков) наружные скелетные образования строятся на основе карбоната кальция.
Функции многих микроэлементов хорошо изучены. Например, железо участвует в процессах переноса кислорода у млекопитающих (входит в состав гемоглобина эритроцитов крови), медь выполняет ту же функцию у некоторых моллюсков и членистоногих (входит в состав гемоцианина, растворенного в гемолимфе). Многие металлы (Cu, Fe, Zn, Co, Mo, Ni, Mn, Cr и др.) входят в состав различных ферментов, поэтому их поступление с пищей или водой в небольшом количестве жизненно необходимо (помимо этих металлов к жизненно необходимым для человека элементам также относится неметалл йод I). К условно жизненно необходимым для человека элементам относят F, B, Si, Ni, V, Br, Li, As (роль последнего до конца не выяснена). К однозначно токсичными относят Sn, Ag, Sr, Ti, Al, Pb, Cd, Hg, Tl, Bi, Be.
Живое вещество создается организмами-продуцентами (бактериями, водорослями, наземными растениями) из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, при этом элементы из атмосферы, коры и гидросферы вступают в биогеохимические циклы. Источником энергии для фотосинтеза является солнечный свет, для хемосинтеза – энергия, высвобождающаяся в результате окислительно-восстановительных реакций некоторых соединений. Организмы-консументы (от лат. consumo – потребляю) получают уже готовое органическое вещество, поедая продуцентов. Консументами 1-го порядка называют растительноядных животных, консументами 2-го порядка – тех, кто питается консументами 1-го порядка, и так далее. Из этих организмов формируется пищевая цепь, по который происходит передача органических веществ и заключенной в них энергии. Биомасса организмов, находящихся на более высоком уровне пищевой цепи, в 5…10 раз меньше биомассы организмов предыдущего уровня, поскольку для построения организма используется только небольшая часть веществ пищи, а основное их количество расходуется для получения энергии или в процессе обмена веществ. В конце пищевой цепи находятся организмы-редуценты (бактерии, грибы, черви, ракообразные и др.), которые возвращают элементы в начало цикла, осуществляя деструкцию (минерализацию), т.е. разрушение органических веществ до более или менее простых соединений, которые затем используются продуцентами. Следует отметить, что в процессе жизнедеятельности консументов также происходит минерализация части органических веществ, которые затем поступают с их выделениями в окружающую среду.
В результате выветривания горных пород и воздействия живых организмов сформировался особый промежуточный слой – почва, или педосфера (ее относят к верхней части земной коры). Верхняя граница почвы – это поверхность раздела между почвой и атмосферой (т. е. поверхность суши Земли), либо между почвой и гидросферой для подводных почв (маршевых, мангровых, затопленных рисовых почв и т. п.). Нижняя граница почвы определяется глубиной, на которую произошло изменение исходной горной породы в ходе почвообразования. По данным радиоизотопных методов возраст современных почв составляет от нескольких сотен (подзолы) до нескольких тысяч лет (черноземы).
Первичное почвообразование начинается с момента поселения на горной породе микроорганизмов, способных выдерживать значительные изменения температур и существовать при наличии следовых количеств воды, образующейся, например, за счет конденсации атмосферной влаги на камнях или в микротрещинах. Первыми поселяются автотрофные микроорганизмы (бактерии, водоросли), усваивающие С, N, O из воздуха; позже микробное сообщество пополняется гетеротрофами, потребляющими органические вещества, образуемые автотрофами. Микробы осуществляют биологическое выветривание горных пород, усваивая из них минеральные элементы. Наряду с биологическим выветриванием происходит и физическое выветривание, в результате чего горная порода измельчается и образуется микробная органо-минеральная пыль, обогащенная биогенными элементами. (В пустынях процесс почвообразования останавливается на этой стадии.) Эта пыль еще не является почвой, но на ней могут поселиться более требовательные к условиям жизни организмы. Обычно это лишайники, которые ведут более интенсивное биологическое выветривание пород и накапливают под своим покровом слой примитивной почвы толщиной в несколько миллиметров или даже сантиметров, уже способный удерживать влагу.
На почве, подготовленной жизнедеятельностью лишайников уже могут расти мхи (возможно и существование смешанного покрова из мхов и лишайников). В результате деятельности мхов формируется почва, на которой впоследствии могут поселиться высшие растения (травянистые и древесные). Растения разрыхляют верхний слой грунта, препятствуют сдуванию мелких частиц, вымыванию веществ и испарению воды из грунта, т.е. способствуют дальнейшему сохранению образовавшегося почвенного слоя. По мере формирования почвы происходит последовательная смена ее типов – от сероземов к черноземам, а впоследствии к подзолам. Это связано с закономерностями процессов накопления перегноя и вымывания неорганических и органических веществ из почвы.
Для построения своих организмов высшие растения избирательно извлекают биогенные элементы из значительных объемов грунта (N, S, P, Fe и др. при помощи корневой системы), воздуха (C, O при помощи листьев). Из отмерших частей растений (под действием микроорганизмов, почвенных беспозвоночных и позвоночных животных) формируются гумус, благодаря которому почва значительно обогащается биогенными элементами (см. табл. 1.10), и это облегчает развитие новых растений. Органические вещества гумуса также необходимы для жизни грибов, простейших, ряда бактерий.
Таблица 1.10
Среднее содержание химических элементов
в литосфере и почвах в % по массе
Эл-т
|
Литосфера
|
Почва
|
Эл-т
|
Литосфера
|
Почва
|
О
|
47,20
|
49,00
|
С
|
0,10
|
2,00
|
Si
|
27,60
|
33,00
|
S
|
0,09
|
0,085
|
А1
|
8,80
|
7,13
|
Mn
|
0,09
|
0,085
|
Fe
|
5,10
|
3,80
|
Р
|
0,08
|
0,08
|
Са
|
3,60
|
1,37
|
N
|
0,01
|
0,10
|
Na
|
2,64
|
0,63
|
Сu
|
0,01
|
0,002
|
К
|
2,60
|
1,36
|
Zn
|
0,005
|
0,005
|
Mg
|
2,10
|
0,60
|
Со
|
0,003
|
0,0008
|
Ti
|
0,60
|
0,46
|
В
|
0,0003
|
0,001
|
О масштабах глобальной геохимической деятельности растений можно судить по следующим данным. Все вулканы на Земле выбрасывают в атмосферу около 3 млрд. т в год твердых продуктов извержения, в которых содержится примерно 150 тыс. т меди; на порядок больше поглощается меди ежегодно растительностью суши. Все реки Земли за год сносят с континентов 2,2 млн. т фосфора в растворенном состоянии и 16 млн. т фосфора в составе взвесей; на этой же площади растительность ежегодно захватывает около 350 млн. т Р.
Органическое вещество почвы на 90% составляют гуминовые вещества, образующиеся в результате постмортального разложения органических остатков. Последние частично минерализуются (до CO2, H2O и т.п.), но их значительная доля вступает в процесс гумификации. Он идет как с участием живых организмов почвы, так и путем чисто химических реакций окисления, восстановления, гидролиза, конденсации и др. Образующиеся соединения вновь вступают в реакции синтеза или разложения, и это продолжается беспрерывно. В результате в почве остаются все более устойчивые к разложению органические соединения сложной и нерегулярной структуры (см. рис. 1.5). Следует отметить, что в результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50·109 т атмосферного углерода, а при отмирании живых организмов на земной поверхности оказывается около 40·109 т углерода. По разным источникам, ежегодно в процесс гумификации вовлекается (0,6…2,5)·109 т углерода.
Гуминовые вещества есть почти повсюду в природе. Их содержание в морских водах 0,1–3 мг/л, в речных — 20 мг/л, а в болотах — до 200 мг/л. В почвах гуминовых веществ 1…12%, при этом больше всего их в черноземах. Органогенные горные породы – уголь, торф, сапропель, горючие сланцы – являются лидерами по содержанию этих соединений; одна из разновидностей бурого угля – леонардит – содержит до 85% гуминовых веществ.
Почва обладает поглотительной способностью – способностью обменно либо необменно поглощать различные твердые, жидкие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидных частиц.
Благодаря механической поглотительной способности в почве задерживаются твердые частицы, которые поступают с воздушным или водным потоком и по размерам превышают размер почвенных пор. Например, вода проходя сквозь почвенную толщу, очищается от взвесей, что позволяет использовать это свойство почв и рыхлых пород для очистки питьевых и сточных вод.
Химическая поглотительная способность обусловлена образованием в результате происходящих в почве химических реакций труднорастворимых соединений, выпадающих из раствора в осадок. Поступающие в почву в составе атмосферных, грунтовых, поливных вод катионы и анионы могут образовывать с солями почвенного раствора нерастворимые или труднорастворимые соединения. Например:
[ППК2–]Ca2+ + Na2SO4 → [ППК2–]2Na + CaSO4↓;
[ППК2–]Ca2+ + 2NaHCO3 → [ППК2–]2Na + Ca(HCO3)2,
Ca(HCO3)2 → CaCO3 ↓ + CO2 + H2O;
Al(OH)3 + H3PO4 → AlPO4 ↓ + 3H2O;
Na2CO3 + CaSO4 → CaCO3 ↓ + Na2SO4,
где ППК – это почвенный поглощающий комплекс – совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощенные ионы.
Биологическое поглощение вызвано способностью живых почвообитающих организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать различные элементы. Биологическая поглотительная способность характеризуется большой избирательностью поглощения, обусловленной специфической для каждого вида потребностью живых организмов в элементах питания.
Физическая поглотительная способность — способность почвы увеличивать концентрацию молекул различных веществ у поверхности тонкодисперсных частиц. Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность — способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, на эквивалентное количество ионов раствора, взаимодействующего с твердой фазой почвы. Это свойство почвы обусловлено наличием в ее составе почвенного поглощающего комплекса, связанного с почвенными коллоидами.
В связи с поглощающей способностью почв велика их роль в обезвреживании токсичных веществ. Благодаря способности органических и неорганических компонентов почвы связывать другие вещества замедляется проникновение последних из атмосферы, биосферы и с поверхности грунта в почвенные и подземные воды. Токсичные органические компоненты (например, пестициды и полиароматические углеводороды) постепенно разрушаются почвенными микроорганизмами. Некоторые неорганические вещества (например, нитраты, сульфаты) также претерпевают химические превращения под действием почвенной микрофлоры. Ряд неорганических примесей (например, тяжелые металлы и радиоактивные элементы) длительное время сохраняется в связанном состоянии в почве (в виде малоподвижных или труднодиссоциирующих соединений). Однако, способность педосферы к задерживанию токсикантов не безгранична. Следует отметить, что накопление токсичные веществ в почве приводит к увеличению их содержания в организмах продуцентов; для некоторых веществ возможна и дальнейшая передача по пищевой цепочке (к консументам 1 го и следующих порядков).
Задание для самоконтроля 1
1. Изобразите на одной схеме (или на схеме с несколькими выносками) все оболочки Земли, соблюдая масштаб (в рамках схемы или отдельной выноски). Отметьте границы ядра, мантии, литосферы, коры (океанической и континентальной), гидросферы, тропосферы, атмосферы, ионосферы, экзосферы, радиационных поясов Земли, предельную высоту полета самолетов, высоту орбиты космической станции.
2. Составьте перечни элементов, преобладающие в космическом газе, звездах, земных коре, мантии, ядре, гидросфере, биосфере, почве и укажите их концентрации на той же схеме.
3. Опишите приведенные в разделе процессы, происходящие в атмосфере, гидросфере, биосфере и почве.
4. На основании доступной информации составьте схему пищевой сети для участка суши и для участка моря. Укажите общие черты и различия сделанных схем.
3. Миграция элементов
Миграция элемента – это все формы его перемещения, разделения и накопления, в том числе сопровождающиеся изменением химического состава и структуры веществ, содержащих данный элемент.
Миграция происходит под действием различных процессов. Это вулканическая деятельность и другие процессы, вызванные мантийной конвекцией; процессы гипергенеза, т.е. преобразования горных пород на поверхности Земли (к которым относится, в частности, физическое, химическое и биологическое выветривание); процессы литогенеза, т.е. образования осадочных пород (в том числе в результате химического осаждения растворенных в воде веществ или деятельности организмов); механическое перемещения веществ с потоками воды и воздуха; обмен веществом с космическим пространством (поступление с метеоритами, потери из атмосферы) и другие.
Биосфера принимает участие во многих из выше перечисленных процессов. Перераспределение элементов также происходит под влиянием промышленности, сельского хозяйства, строительства. В связи с этим говорят о техногенезе – совокупности геохимических и геофизических процессов, связанных с деятельностью человека и включающих: извлечение химических элементов из природных сред и их концентрирование; перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, содержащих эти элементы, создание новых химических веществ; рассеивание вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде.
Например, использование железа начинается с добычи железной руды (содержание Fe до 70%). Затем проводится обогащение руды (концентрирование железа), выплавка металла (чугуна, стали и пр., содержание Fe более 90%) и отливка из него изделий. Ежегодные потери Fe за счет коррозии ранее выпущенных изделий (приводящие к рассеянию элемента) составляют 30% годовой выплавки металла.
Среднее содержание элемента в земной коре в данном регионе формирует геохимический фон этого региона. Участки с повышенным содержанием элемента по сравнению со среднерегиональным называют геохимическими аномалиями. Часто они связаны с залежами руд, окруженными ореолами рассеяния главных рудообразующих элементов и элементов-спутников. Состав пород влияет на состав грунтовых вод, почв, организмов. Дефицит или избыток элементов в среде приводит к заболеваниям растений, животных, человека. Такие болезни названы биогеохимическими эндемиями, а районы их распространения – (био)геохимическими провинциями.
Например, около 60% территории России характеризуются недостатком йода, 40% – недостатком селена, вокруг многих промышленных предприятий расположены техногенные аномалии с повышенным содержанием тяжелых металлов. Эндемический зоб, вызванный недостатком йода в организме, ранее встречался в горах Средней Азии, на Кавказе, в Карпатах, в Швейцарии, Пиренеях, Гималаях и других горных районах. Это заболевание связано с удаленностью провинций от моря, откуда йод поступает в атмосферу и переносится в прибрежные районы. Однако атмосферные осадки – не единственный источник йода. Подземные воды, богатые этим элементом, являются основным источником его промышленной добычи в настоящее время; йод также добывали из морских водорослей (1 тонна морской воды содержит до 30 мг йода, 1 тонна высушенной ламинарии – до 5 кг). Дефицит йода наблюдается и в равнинных ландшафтах влажного климата, где сильное промывание почв приводит к выносу йода.
Ленинградская область – природная биогеохимическая провинция с пониженным содержанием фтора. Однако в ней есть техногенные геохимические аномалии по фтору вокруг Волховского алюминиевого завода (побочным выбросом которого является фтор и другие микроэлементы). Санкт-Петербург также является техногенной биогеохимической провинцией с повышенным содержанием многих токсичных металлов – Pb, Hg и др.
В настоящее время техногенные потоки некоторых элементов становятся сопоставимыми с их природными потоками. Для выяснения масштабов влияния техногенеза на окружающую среду необходимо иметь представление о механизмах перемещения элементов и веществ, а также о глобальных биогеохимических циклах (включающих перемещение, физическое и химическое превращение веществ).
Миграция элементов происходит под влиянием различных факторов. А. Е. Ферсман предложил различать внутренние и внешние факторы миграции. К внутренним факторам он относил свойства химических элементов – их способность давать летучие или растворимые соединения, осаждаться из растворов или расплавов, сорбироваться и другие. К внешним факторам относятся параметры обстановки миграции – температура, давление, водородный показатель (рН), окислительно-восстановительный потенциал (Еh) растворов или расплавов и т.д..
Выделяют несколько типов миграции.
1. Механическая миграция (механогенез) происходит под действием работы рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других подобных факторов (сползание грунта по склону – тоже вид механической миграции). Характерное явление при механогенезе – раздробление горных пород и минералов; при этом изменяются их физико-химические свойства: повышается степень дисперсности, растворимости, сорбции. Некоторые минералы при диспергировании разлагаются, например, сульфиды частично распадаются на металл и серу, гидратные минералы выделяют воду. Механическая миграция почти всегда сопровождается физико-химическими, а часто и биогеохимическими процессами.
Интенсивность механической миграции зависит от абразивной прочности минералов (способности к истиранию), климата, геологического строения местности и рельефа. Перенос взвешенных частиц (песчинок) на большие расстояния осуществляется реками, океанскими течениями и ветрами.
Частицы разносятся ветрами на огромные расстояния. Во время песчаных бурь в Сахаре песок достигал Южной Америки и Европы. Частицы пыли, заброшенные в стратосферу (например, в результате извержения вулкана) могут многократно обогнуть Землю.
2. Физико-химическая миграция включает в себя процессы растворения, диффузии (в воде, воздухе), конвекции, фильтрации (в горных породах, почве), сорбции (адсорбции, абсорбции, ионного обмена). При этом происходит перемещение небольших (по сравнению с механической миграцией) объектов – ионов, молекул, коллоидных частиц (мицелл). Многие металлы мигрируют в составе растворенных или взвешенных комплексов с природными органическими веществами. Физико-химическая миграция может сопровождаться химическими превращениями элементов, например, окислительно-восстановительными реакциями.
3. Биогенная миграция представляет собой захват и удерживание элементов живыми организмами. В качестве примера можно привести наземные растения, которые выполняют роль своеобразных насосов, «перекачивающих» элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Корневая система собирает вещества из большого объема грунта и транспортирует их в надземные части дерева. После их отмирания накопленные элементы сохраняются в составе разложившихся растительных остатков и оттуда поступают в верхние слои почвы, повышая ее плодородие. Однако на этот процесс накладывается физико-химическая миграция элементов с дождевой водой сверху вниз.
Помимо необходимых для них элементов растения одновременно могут накапливать и вредные элементы, например, тяжелые металлы (до 1% от сухой биомассы побегов). Методики фиторемедиации почв включают в себя выращивание на загрязненной почве специально подобранных видов растений с последующим удалением и утилизацией обогащенной металлами надземной биомассы.
В некоторых районах поступление элементов обеспечивается путем биогенной миграции с участием животных. Например, тихоокеанские лососевые рыбы, нагулявшие вес в океане, возвращаются в реки (на Камчатке, на Аляске и в Канаде) на нерест, после которого погибают. Биогенные элементы (углерод, азот, фосфор, микроэлементы), накопленные в тушке лосося, поступают в экосистему реки и питают прибрежную растительность, мальков лосося, а также десятки видов птиц и млекопитающих, которые разносят биогенные элементы от берегов реки.
4. Техногенная миграция связана с хозяйственной деятельностью человека. Ее процессы делят на две группы. К первой группе относят процессы, унаследованные от биосферы (хотя и с некоторыми изменениями). Это круговорот воды, биологические круговороты, рассеяние элементов при отработке полезных ископаемых, распыление вещества и другие процессы. При изучении таких явлений можно использовать ранее полученные наработки для природных процессов. Ко второй группе относят процессы, чуждые биосфере. Это изготовление веществ, в биосфере не встречающихся – например, металлов (железа, никеля, хрома, которые в природе существуют в виде солей, оксидов, гидроксидов), искусственных полимеров (пластмасс), радиоактивных изотопов. В этом случае ранее полученных знаний недостаточно, и требуются новые подходы к изучению миграции таких компонентов.
В распределения элементов на Земле важная роль принадлежит геохимическим барьерам, учение о которых начал разрабатывать около 50 лет назад А.И. Перельман. Геохимические барьеры – это участки земной коры и связанных с ними геосфер, где на коротких расстояниях происходит резкое уменьшение интенсивности миграции элементов и, как результат, их накопление. В зависимости от масштабов выделяют глобальные, региональные, локальные барьеры. По происхождению выделяют два типа барьеров – природные и техногенные, в каждом типе выделяют по три класса: механические, физико-химические, биогеохимические (биологические) барьеры, на которых происходит замедление миграции соответствующего типа. Техногенные барьеры в некоторых случаях создают целенаправленно, чтобы локализовать загрязнение. Например, один из способов борьбы с эвтрофикацией водоемов – это высаживание лесополосы вдоль берега. Корни деревьев улавливают биогенные вещества из почвенных вод, направляющихся в сторону водоема.
4. Атмосфера. Солнечная радиация и вертикальная структура
4.1. Изменение давления с высотой
В соответствии с характером изменения свойств атмосферу подразделяют на основные зоны – тропосферу, стратосферу, атмосферу и термосферу, разделенные паузами (см. подраздел 1.2.2). Изменение давления с высотой описывается барометрической формулой
 ,
|
(4.7)
|
где p0 – давление при H = 0 (на уровне моря). 
Рис. 4.1. Изменение температуры и давления с высотой.
4.2. Изменение температуры с высотой
Закон Стефана-Больцмана описывает зависимость испускаемого телом излучения I от его абсолютной температуры Т. Данный закон характеризует абсолютно черное тело, которое поглощает и не отражает все падающее на него излучение, и с успехом применяется по отношению к Солнцу и Земле:
I = sТ 4 , где s = 5,67∙10−8 Вт/(м2∙К4).
|
(4.8)
|
Спектр излучения абсолютно черного тела имеет единственный максимум max (в метрах), определяемый по закону Вина:
|
( 4.9)
|
Солнце – это источник почти всей энергии на Земле. Солнечная постоянная – это поток излучения, поступающий за 1 мин на 1 см2 площади, перпендикулярной к направлению солнечных лучей и расположенной за пределами атмосферы, отстоящей от центра Солнца на расстояние, равное среднему расстоянию между центрами масс Земли и Солнца. Ее значение составляет 8,2 Дж/(см2∙мин).
Основное количество энергии Солнца приходится на коротковолновую радиацию; максимальная интенсивность его излучения приходится на длину волны = 470 нм (видимая часть спектра электромагнитных волн). Атмосфера Земли прозрачна для ультрафиолетовой радиации в диапазоне 320…400 нм. При поглощении лучей этого диапазона подстилающая поверхность (суша, поверхность океанов) нагревается и, как всякое нагретое тело, в свою очередь излучает в инфракрасном диапазоне.
|
