Все биогеохимические циклы, существующие в биосфере, складывались длительное время и протекают довольно медленно. По оценкам ученых полный оборот углекислого газа в атмосфере, т. е. время его полного замещения, составляет 300 лет, кислорода 2000 лет. В этих же пределах колеблется и продолжительность кругооборота других элементов. Общепланетарные климатические и геохимические циклы, охватывающие всю атмосферу и весь океан, толщи донных осадков и коры выветривания, протекают крайне медленно и исчисляются сотнями тысяч и миллионами лет. Поэтому огромные по размерам и происходящие в крайне короткие сроки (порядка десятков лет) масштабы человеческого воздействия на биосферу нарушают установившиеся скорости биогеохимических кругооборотов, что может привести к опасным, непоправимым последствиям.
Если взять практически любой живой организм на нашей планете и исследовать его состав, то окажется, что более 99% его веса составляют 9 основных элементов: О, Н, С, N, Ca, S, Р, К, Si, называемых в силу этого, «основными элементами жизни». Главными составными элементами живого вещества, по весу, являются кислород (65 — 70%) и водород (10%). Остальные — 20—25% представлены углеродом, азотом, кальцием (от 1 до 10%), серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1 %). Другие элементы присутствуют в живых организмах в микроколичествах (менее 0,1%): так, в теле человека их найдено более 70. Такое количество элементов — „кирпичей" живых организмов объясняется тем, что все они удовлетворяют двум требованиям: имеют минимальный объем и сохраняют стабильность при потере или приобретении электронов. Эти элементы, называемые биофильными, являются главными участниками биогеохимического кругооборота веществ в биосфере — основы ее динамического равновесия и устойчивости.
Различают три основных типа биогеохимических кругооборотов: воды, элементов в газовой фазе, элементов в твердой и жидкой фазах.
1.2.2. КРУГООБОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ
Воде отводится важнейшая роль в формировании и организации всех биогеохимических циклов в природе. Вода присутствует во всей биосфере: водоемах, воздухе, почве и живых организмах, последние могут содержать до 90% воды в своей биомассе. Так, тело человека содержит 71% воды. Без воды человек может прожить 8 суток; при потере 10% воды наступает самоотравление, а 21 % — смерть. Нагревание водных масс, образование и конденсация паров, движение поверхностных и подземных вод по уклону от областей питания к областям испарения представляет собой вторую (после фотосинтеза) важнейшую форму накопления, удерживания и перераспределения Космической энергии Солнца на планете и в ее биосфере. Эрозия, геохимические реакции, транспорт, перераспределение и накопление осадков на суше и в океане являются цепью передачи и превращения этой энергии, выполняемой мировым и локальными кругооборотами воды.
Вся вода, за очень небольшими исключениями, существующая в настоящее время на поверхности Земли, образовалась в результате процесса кристаллизации гранитной магмы, изверженной при вулканической деятельности в докембрийский период. Разработка теории магматизма показала, что магмы (расплавленные массы в глубинах Земли) содержат воду. Например, гранитная магма содержит до 1 % воды. Эти данные в пересчете на весь объем кристаллизовавшейся магмы примерно и соответствуют объему Мирового океана.
Кратко кругооборот воды в биосфере можно описать следующим образом: вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся главным образом из водяного пара, образующегося в результате испарения воды растениями (так называемая транспирация), сушей, поверхностью морей и океанов. Часть ее вновь испаряется, прямо или косвенно с помощью растений и животных, часть — питает подземные воды и часть — вместе с речным стоком, включающим поверхностный и подземный сток, достигает морей и оттуда испаряется. Очевидно, что количество испаряемой, в результате транспирации или непосредственно поверхностью суши и океана воды, а также количество осадков меняется в зависимости от местных условий и времени года. В общем случае, испарение с единицы площади в лесистой местности значительно больше, чем с единицы поверхности моря. С уменьшением растительного покрова, уменьшается транспирация, а, следовательно, и количество осадков, что приводит к понижению уровня грунтовых вод и в конечном итоге — к опустыниванию Земли.
Известно, что мировой водный баланс в историческом масштабе времени является достаточно постоянной величиной. Отдельно взятые локальные водные балансы, например для какой-нибудь местности, напротив — могут значительно колебаться, В геологическом масштабе времени можно обнаружить частые нарушения равновесия между балансами океанических и континентальных вод. Этим объясняются значительные колебания уровня океанов, с которыми связаны и изменения климата на Планете. В режиме континентального увлажнения существует цикл в 1800—2000 лет. В настоящее время, по данным ряда ученых, мы находимся в состоянии перехода из очень влажной континентальной фазы в более сухую. Это означает, что континенты имеют тенденцию отдавать часть своей воды океанам. Наблюдения последних 80 лет хорошо подтверждают ежегодное повышение уровня океанов на 1,2 мм, что соответствует уменьшению запасов воды суши на 430 км3 /год. Тем самым биогеохимический кругооборот воды в биосфере является незамкнутым.
Использование воды человеком подразделяют на водопользование и водопотребле-ние. При водопользовании вода остается в водоемах и применяется как транспортное средство (лесосплав, водный транспорт), среда (рыбное хозяйство, отдых), механический источник энергии (гидроэнергетика). Водопотребление связано с забором воды из водоемов и загрязнением природных вод сточными водами. Основными водопотребителями являются сельское хозяйство, энергетика, жилищно-коммунальное хозяйство. Потребность промышленности в воде очень велика; например, для выплавки 1 т чугуна и перевода его в сталь и прокат необходимо 50—150 ж3 воды, 1 т меди — 500 ж3 воды, производство 1 т пластмас требует до 100 ж3 воды, а 1 т синтетического каучука и искусственных волокон 2000—3000 ж3 воды.
Составление мирового водного баланса является лишь одной стороной важной проблемы. Необходимо с определенной точностью знать какой частью мировых водных ресурсов располагает человек для своей практической деятельности. Общее содержание воды на Земле оценивается величиной около 1,50Т09 /км3. Из этого количества пресная вода составляет только 2%, в том числе 24Т06 км3 — полярные льды и снега, 176-Ю3 /км3 — озера, 65103 км3 — влага почвы и подпочвенные воды, 2,12'103 — реки. Таким образом, в доступной для использования человеком форме содержится лишь около 0,01 воды на земном шаре. Фактически человек для своей хозяйственной деятельности может использовать, так называемые, ежегодно возобновляемые водные ресурсы, которые достаточно точно оцениваются среднемноголетним стоком всех рек в океан (поверхностным и подземным). Для всей Земли сток рек в океане оценивается величиной 45,0Т09 /км3 в год, в том числе подземный сток — 13,0*10б/км3 в год.
Для Украины эти две величины составляют, соответственно 4,7*102 и 0,9*102 /км3 в год.
Из нее следует, что уже сейчас для удовлетворения своих потребностей человечеству требуется около 40% пригодных для использования водных ресурсов, причем, большая часть из них тратится на разбавление загрязненных сточных вод. Следует отметить, что часто даже после эффективной очистки, для получения предельно допустимых концентраций вредных веществ сточные воды необходимо разбавлять. Так, для стоков производства синтетических волокон кратность разбавления составляет порядка 1:200, а полиэтилена — 1:30.
Ресурсы пресной воды распределены и в мире, и в нашей стране крайне неравномерно. В среднем на каждого жителя планеты приходится около 9 тыс. м3 речного стока в год. По отдельным странам эта цифра колеблется от 100 тыс. ж3 (Норвегия) до 3 тыс. м3 (Индия). В Украине этот показатель составляет — 15 тыс. м3. Причем, на Европейскую часть Земли, где проживает 70% населения и сосредоточен основной промышленный потенциал, приходится лишь 20% речного стока. В настоящее время пресной воды для десятков миллионов людей или не хватает, или ее приходится добывать с огромным трудом. На планете есть много мест, где люди получают доступ лишь к загрязненным источникам. Поэтому ООН объявила текущее десятилетие Международным десятилетием водоснабжения и улучшения санитарных условий.
В ходе истории современной цивилизации и особенно в последние десятилетия многосторонняя хозяйственная деятельность человека, ее прямое и косвенное влияние и последствия подняли роль антропогенного фактора на уровень, сравнимый с природными биогеохимическими факторами, определяющими кругооборот веществ в биосфере. Во многих звеньях и частях природного кругооборота веществ хозяйственная деятельность человека является главной направляющей силой не только в локальном и региональном, но уже и в глобальном масштабе. Вследствие этого в естественных биохимических циклах происходят значительные количественные и качественные изменения, ставящие под угрозу их бесперебойное функционирование и в конечном итоге — условия жизнедеятельности и существования самого человека.
Нарушение человеком кругооборота воды в природе происходит в основном по тем же причинам, что и изменение климата: уничтожение лесов, интенсивная ирригация, изменение гидрографической сети, увеличение концентрации углекислого газа и пыли в атмосфере, разрушение озонового слоя, производство энергии, загрязнение морей и океанов, в частности, образование на их поверхности нефтяных пленок и т. д.
Следствием перечисленных явлений становится изменение интенсивности испарения, а значит, и облачности, количества осадков, величины поверхностного и подземного стоков, уровня грунтовых вод и в конечном итоге — производительности сельского хозяйства. К другим отрицательным последствиям нарушения человеком кругооборота воды в природе можно отнести изменение и миграцию видов растительности и животных, затопление, заболачивание земли или ее иссушение и опустынивание, однообразие климата и ландшафта. Подобные явления пока наблюдаются в локальном и региональном масштабах.