Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический). Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабе планеты. Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т. п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии, переносу, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу - и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре.
Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ.
На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический круговорот. В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.
В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1 % падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму.
Все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ. Из почти ста химических элементов, встречающихся в природе, 30-40 являются биогенными, т.е. необходимыми организмам. Некоторые из них, такие, как углерод, водород, кислород, азот, фосфор, нужны организмам в больших количествах - это макроэлементы, другие - в малых или даже ничтожных - микроэлементы. В круговороте отдельных элементов различают две части: резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ (в основном, небиологическая часть) и подвижный, или обменный фонд - меньший, но более активный, который быстро обменивается между организмами и окружающей их средой. Иногда резервный фонд называют «недоступным», а обменный - «доступным». Более или менее замкнутые пути движения химических элементов называются биогеохимическими циклами («био» - относится к живым организмам, а «гео» - к твердым породам, воздуху и воде). Циклы с малым объемом резервного фонда более подвержены воздействию человека.
Биогеохимические циклы делятся на два типа: круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме круговорота воды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.
Круговороты газообразных веществ, в которых участвуют, например, углекислый газ, азот, кислород благодаря наличию крупных атмосферных или океанических (или тех и других) фондов достаточно быстро компенсируют возникающие нарушения. Например, избыток СО2, обусловленный интенсивным окислением, горением или промышленными выбросами в каком-либо районе, обычно быстро рассеивается с воздушными потоками. Кроме того, излишки СО2 компенсируются усиленным фотосинтезом и превращением их в гидрокарбонаты в морях. Круговороты газообразных веществ с большими резервными фондами можно считать в глобальном масштабе хорошо сбалансированными; однако способность к саморегуляции даже при таком резервном фонде, как атмосфера и океан, конечно, не беспредельна. Осадочные же циклы, в которых участвуют такие элементы, как фосфор или железо, легче нарушаются в результате местных изменений, потому что в этих случаях основная масса вещества сосредоточена в относительно малоактивном и малоподвижном резервном фонде в земной коре.
Участие человека в изменении природных биогеохимических циклов, при всем их многообразии, сводится к двум категориям:
а) изменения в природных круговоротах в результате добавления или удаления присутствующих в них химических веществ из-за вызванных человеком воздействий;
б) поступление в окружающую среду необычных для природы химических соединений в результате промышленного синтеза и производства новых веществ.
Вторая категория химических изменений, по-видимому, наиболее понятна. Примеры некоторых веществ, обнаруженных в окружающей среде и являющихся результатом
исключительно человеческой деятельности, приведены в таблице 10 и включают: пестициды, например 2,2-ди(р-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтан (ДДТ), который разрушается в почве под влиянием бактерий с образованием ряда других необычных соединений; полихлорированные
дифенилы (ПХД), которые широко применяются в промышленности и плохо разрушаются в окружающей среде; трибутилированное олово (ТБО), которое применяется в корабельных красках для предотвращения поселения организмов на корпусе корабля; многие наркотики, некоторые радионуклиды и ряд хлорфторуглеродных соединений (ХФУ), которые были разработаны для использования в качестве распыляемых аэрозолей, охлаждающих веществ и при производстве твердого мыла. Перечень никоим образом не полный. Было подсчитано, что химической промышленностью синтезировано несколько миллионов различных химикатов (в основном органических), которых никогда раньше не было на Земле.