Мацнєв А.І., Проценко С.Б., Саблій Л.А. Моніторинг та інженерні методи охорони двкілля

Подождите немного. Документ загружается.

Проте екосистема не є незмінною, подібно до організму вона в своєму роз-

витку проходить низку послідовних стадій.

Кожний компонент екосистеми виконує в ній певні функції. Будь-яка біо-

логічна система містить сукупність живих організмів, які прийнято поділяти

на автотрофів та гетеротрофів.

Автотрофи - це організми, що самі себе годують - наземні зелені росли-

ни, водорості, здатні до фотосинтезу фототрофні бактерії, а також різноманіт-

ні хемотрофні мікроорганізми. Провідну роль серед автотрофів відіграють зе-

лені рослини, здатні шляхом фотосинтезу утворювати з мінеральних компо-

нентів біохімічні субстанції, необхідні для росту і відтворення. Хемопроду-

центи використовують енергію хімічних реакцій, наприклад, окислення спо-

лук заліза чи сірки, і теж виробляють органічну речовину. Угруповання авто-

трофів - це первинні продуценти екосистем, адже автотрофи постачають ос-

новну масу органічної речовини, що служить їжею для тварин, підтримують

вміст кисню і вуглекислого газу у повітрі, приймають участь у кругообігу во-

ди в біосфері, призводять до міграції та перерозподілу мінеральних речовин в

ґрунтах та ін. Однак головна роль зелених рослин полягає у перетворенні

світлової енергії в біохімічну.

Гетеротрофи - це організми (тварини, гриби, бактерії), яким для жив-

лення необхідні готові органічні речовини і які, зазвичай, не здатні синтезува-

ти речовини свого тіла з неорганічних складових. Їх поділяють на дві групи:

споживачів, або консументів (всі тварини, частина мікроорганізмів, парази-

тичні та комахоїдні рослини), які, споживаючи живі організми, трансформу-

ють та частково розкладають органічні сполуки, та руйнівників, або редуцен-

тів чи деструкторів (головним чином бактерії та гриби), які відповідають за

мінералізацію мертвої органічної речовини та відходів життєдіяльності орга-

нізмів (продуктів метаболізму). Кінцеві продукти розкладу органічних речо-

вин - більш або менш прості неорганічні сполуки (вода, вуглекислий газ, мі-

неральні солі) - знову беруть участь у кругообігу речовин і використовуються

автотрофами.

Редуценти

- остання ланка екосистем. Вони приймають участь в проце-

сах самоочищення навколишнього природного середовища і використовують-

ся при біологічному очищенні стічних вод. Загроза глобального забруднення

навколишнього середовища частково зумовлена тим, що в ряді випадків реду-

центи не встигають очищувати біосферу від антропогенних продуктів або по-

тенційно не здатні утилізувати синтетичні речовини, які викидає у навколиш-

нє середовище людина.

Разом автотрофи та гетеротрофи утворюють так звані трофічні (харчові)

піраміди, в основі яких знаходяться автотрофні організми, що використову-

ють для збільшення своєї біомаси процес фотосинтезу, а на більш високих

рівнях - гетеротрофи, що живляться органічними речовинами, які виробляють

інші організми. З екологічної точки зору автотрофи та гетеротрофи склада-

ють функціональні механізми природи, що характеризуються різними типами

живлення і власними джерелами енергії. Таким чином, однією із спільних

рис усіх екосистем (наземних, прісноводних, морських, аграрних тощо) є вза-

ємодія автотрофних та гетеротрофних компонентів. Виходячи з цього,

Ю.Одум [69] в структурі екосистем виділяє:

• верхній автотрофний ярус, або “зелений пояс” рослин чи їх частин,

що містять хлорофіл, в якому переважає фіксація сонячної енергії, ви-

користання простих неорганічних речовин, синтез і накопичення

складних органічних сполук;

• нижній гетеротрофний ярус, або “коричневий пояс” ґрунтів, осадів,

речовин, що розкладаються, коренів рослин та ін., в якому переважа-

ють використання, трансформація та розкладання складних органічних

сполук.

До першого ярусу приурочені автотрофні, а до другого - гетеротрофні

процеси, розділені між собою в просторі і часі, оскільки можливий значний

розрив між утворенням органічних речовин автотрофами та їх споживанням

гетеротрофами. Так, наприклад, у лісовій екосистемі під час фотосинтезу ли-

ше частина утворених продуктів безпосередньо і негайно використовується

самими рослинами, рослиноїдними тваринами або паразитами, що уражають

листя. Більша ж частина синтезованих речовин переходить у підстилку та

ґрунт (в гетеротрофний ярус), і пройдуть роки, поки цей матеріал буде вико-

ристаний.

Продуценти, використовуючи сонячну енергію, виробляють хлорофіл-

містку рослинну масу, яка служить їжею для гетеротрофних організмів (кон-

сументів та деструкторів). Первинні консументи - це рослиноїдні тварини

(фітофаги), які живляться продуцентами (травою, листям, соками, пилком, на-

сінням тощо). Вторинні консументи - це м’ясоїдні тварини, які живуть в ос-

новному за рахунок первинних консументів. Проте слід зазначити, що на-

справді трофічний ланцюг

“

продуценти - рослиноїдні - м’ясоїдні

” значно

складніший (до м’ясоїдних консументів додаються паразитуючі види і т.п.).

Що ж стосується деструкторів, тобто мікроорганізмів, які розкладають орга-

нічні речовини і сприяють їх природній утилізації, то вони існують на всіх

рівнях трофічного ланцюга. Це мікроорганізми, які використовують або мерт-

ві рослини і тварини, відновлюючи тим самим кругообіг біогенних елементів

в екосистемах, або відходи (продукти метаболізму), розкладаючи їх на прості

компоненти.

Під час біологічного кругообігу речовин в процесі їх переходу з одного

трофічного рівня на інший відбуваються дуже характерні перетворення енер-

гії, що супроводжуються її втратами. У трофічний кругообіг екосистем в се-

Трофічний ланцюг (ланцюг живлення)

- взаємовідносини між організмами під час перенесення

енергії їжі від її джерела (зеленої рослини) через низку організмів (шляхом поїдання) на більш

високі трофічні рівні.

редньому залучається близько 1 % сонячної енергії, на наступні вищі трофіч-

ні рівні з нижчих переходить лише 10 % засвоєної організмами енергії, а 80-

90 % розсіюється в навколишньому середовищі у вигляді тепла. Так, рослини

використовують сонячну енергію з ефективністю від 0.1 до 1 %, рослиноїдні

тварини споживають близько 10 % енергії, акумульованої рослинами, хижа-

ки - до 10 % енергії, накопиченої рослиноїдними тваринами, тобто всього

близько 0.001 % сонячної енергії, що надходить на Землю. Цей факт дозволяє

будувати екологічні піраміди біомас, енергій, екосистем (рис.2.2).

В цілому будь-яка екосистема, у

тому числі й біосфера, є дуже схо-

жою на єдиний гігантський суперор-

ганізм, в якому автоматично підтри-

мується гомеостаз - динамічна ста-

лість фізико-хімічних і біологічних

властивостей внутрішнього середо-

вища та стійкість основних функцій.

В кожному біоценозі можна виділи-

ти керуючі і керовані підсистеми.

Роль керуючої підсистеми викону-

ють консументи - вони не дозволя-

ють рослинам занадто розростатися,

поїдаючи “зайву” біомасу. За траво-

їдними пильно “стежать” хижаки,

запобігаючи їх надмірному розмно-

женню і знищенню рослинності. Ке-

руючою підсистемою для цих хижа-

ків є хижаки другого порядку та па-

разити, якими “керують” надпарази-

ти, і т.д. Тому на Землі існує багато

видів тварин. Серед них немає “зайвих” чи “шкідливих”, такі епітети дає їм

людина. Особливістю екосистемних зв’язків є те, що керуюча і керована під-

системи часто-густо міняються місцями. Так, зменшення кількості рослинно-

го корму спричинює зниження чисельності травоїдних, а відповідно - й хижа-

ків та паразитів через механізм зворотного зв’язку.

Узагальнюючи результати досліджень у галузі геології, палеонтології,

біології та інших природничих наук, В.I.Вернадський дійшов до висновку, що

біосфера - це “стійка динамічна система, рівновага, що встановилася в основ-

них своїх рисах... з археозою й незмінно діє протягом 1.5-2 мільярдів років”.

Він довів, що стійкість біосфери за цей період проявляється у сталості її за-

гальної маси (близько 10

т), маси живої речовини (10

т), енергії, зв’язаної з

живою речовиною (10

ккал), і середнього хімічного складу всього живого.

Стійкість біосфери В.I.Вернадський пов’язує з тією обставиною, що “функції

Сонячна енергія

Біомаса

мовних числах

Вода

Вуглекислий

газ

Продуценти - 100

Консументи II порядку

(хижаки) - 0.1-0.6

Консументи III порядку

(вторинні хижаки) 0.01-0.1

Редуценти

Паразити

фітофагів

Паразити

хижаків

Паразити

хижаків

високих порядків

та надпаразити

Консументи I порядку

(фітофаги) - 1-3

Рис.2.2. Трофічні рівні в екосистемі

та піраміда біомас [98]

життя в біосфері - біогеохімічні функції є незмінними протягом геологічного

часу, й жодна з них не з’явилася заново”.

Складні зв’язки властиві як природним, так і штучним екосистемам

(особливо останнім). Це наочно ілюструє наведений нижче приклад зв’язків

між промисловим містом (урбоекосистемою) та його сільськогосподарським

оточенням (агроекосистемою).

Промислове місто - це штучна гетеротрофна екологічна система, “пара-

зит” свого сільськогосподарського оточення, яка отримує енергію, продукти

харчування, воду та інші необхідні матеріали з великих територій, що знахо-

дяться за її межами (рис.2.3). Від природної екосистеми місто відрізняється

більш інтенсивним метаболізмом на одиницю площі, значними потребами у

надходженні речовин зовні (палива, металів тощо), більш потужним та отруй-

ним потоком відходів (багато з них, згідно принципу емерджентності,

більш токсичні, ніж природна сировина, з якої вони отримані - синтетичні ма-

теріали тощо). Без величезних надходжень продуктів харчування, води, пали-

ва та інших матеріалів місто не може існувати. “Зелений пояс” не відіграє тут

істотної ролі, якщо не враховувати його естетичного та санітарного значення

(поглинання шумів, пилу тощо).

Незважаючи на незначну

площу суші, яку займають

міста (від 1 до 5 % в різних

регіонах), вони значно впли-

вають на навколишнє середо-

вище. На одиницю площі міс-

та припадає в 1000 разів біль-

ше енергії, ніж на ту саму

площу в сільській місцевості.

Це робить міста “гарячими

точками” або “тепловими ос-

тровами”. Як правило, в місті

тепліше, в ньому більша

хмарність, менше сонячного

світла, частіше бувають тума-

ни та мряка, ніж в оточуючій

сільській місцевості.

Навіть віддалені від міста

райони можуть зазнавати йо-

го впливу, оскільки з них надходять потрібні місту речовини та енергія, на

них впливають забруднені води, повітря і ґрунти. Місто є джерелом кислот-

них дощів, важких металів та інших токсичних компонентів. Сучасне місто

майже не виробляє їжі, не очищує повітря, безповоротно вилучає з кругообігу

воду та багато неорганічних речовин.

Місто

з населенням

в 1 млн. осіб

Стічні води

500000 т/добу

Тверді відходи

2000 т/добу

Тверді частинки

150 т/добу

Двоокис сірки

150 т/добу

Оксиди азоту

100 т/добу

Вуглеводні

199 т/добу

Окис вуглецю

450 т/добу

Забруднювачі

повітря

Паливо

Вода

625000 т/добу

Їжа

2000 т/добу

Вугілля

4000 т/добу

Нафта

2800 т/добу

Природний газ

2700 т/добу

Пальне для

автомобілів

1000 т/добу

Рис.2.3. Схема основних потоків речовин для

типового американського міста з населенням

в 1 млн. осіб (за А.Уолманом) [2]

Порівняно з містом, невід’ємну частину агроекосистеми складає авто-

трофний “зелений пояс”, хоча й ця система знаходиться у певній енергетичній

залежності від віддалених районів. На відміну від природних екосистем, які

“працюють” виключно на сонячній енергії, агроекосистема отримує додатко-

ву енергію, добрива та пестициди під контролем людини. В ній зменшується

різноманіття видів, домінуючі види рослин і тварин піддаються штучному, а

не природному відбору, компоненти початкових біоценозів зазвичай зника-

ють або зберігаються лише у вигляді реліктів.

Таким чином, агроекосистема та промислове місто значною мірою зале-

жать одне від одного. Сільське господарство, яке раніше повністю себе забез-

печувало, нині є споживачем продуктів перегонки нафти (паливо), хімічних

сполук (засобів для обробки посівів, мінеральних добрив), машин та будівель-

них матеріалів. В свою чергу, агроекосистема постачає місту продукти харчу-

вання та іншу сільськогосподарську продукцію.

Оскільки вихідною рушійною силою всіх екосистем, як природних, так і

антропогенних, є потік енергії, то за її джерелом, рівнем та якістю виділяють

такі чотири типи екосистем [69]:

1. Природні екосистеми, що живляться виключно сонячною енергією - відкри-

тий океан, високогірні ліси. Це основа життєзабезпечення планети. Всі во-

ни отримують мало енергії і мають низьку біопродуктивність. Організми

цих екосистем існують на мізерному пайку енергії та інших ресурсів, ефек-

тивно використовуючи їх. Такі системи займають значні території (тільки

океан - більше 70 % площі земної кулі). В цьому величезному комплексі

очищаються великі об’єми повітря, повертається в обіг вода, формується

клімат тощо. Без зусиль людини виробляється певна частка їжі. Крім того,

морські та гірські ландшафти мають велику естетичну цінність.

2. Екосистеми, що отримують енергію від Сонця, але із субсидією природної

енергії - естуарії

у припливних морях, деякі дощові ліси. Ці екосистеми

відрізняються високою біопродуктивністю і утворюють надлишки органіч-

них речовин, що накопичуються або виносяться в інші екосистеми. Так, в

естуаріях існує додаткова енергія припливів, прибою та течій, яка сприяє

прискореному кругообігу мінеральних речовин та переміщенню їжі й від-

ходів. Використовуючи додаткову енергію припливів, організми естуаріїв

виробляють більше біопродукції, ніж на прилеглих ділянках суші чи у пріс-

новодних внутрішньоконтинентальних водоймах, які отримують таку ж са-

му кількість сонячної енергії.

3. Екосистеми, що отримують енергію від Сонця, але

із субсидією штучної

енергії - агроекосистеми, аквакультури (підводні плантації). Ці системи ви-

Естуарій

(від лат.

aestuarium

)

- розширене дельтоподібне гирло річки, яка впадає в море чи

океан. Утворюється в результаті підвищення рівня моря і затоплення нижньої частини річкової

долини та відливів, що виносять в море річкові наноси. Періодична зміна припливів та відливів

в естуарії зумовлює високу біологічну продуктивність його біоценозу.

робляють продукти харчування і отримують від людини дотації у вигляді

пального, добрив, або в інших формах.

4. Промислово-міські екосистеми, що

використовують енергію палива

- міс-

та, передмістя, індустріалізовані зелені зони. В цих екосистемах генерують-

ся багатства людства, але в них утворюються і найбільша кількість забруд-

нюючих речовин. Головним джерелом енергії тут виступає паливо, а не со-

нячна радіація. Ці екосистеми залежать від вищеназваних екосистем, пара-

зитують на них, отримуючи зовні продукти харчування, паливо та інші ма-

теріали. Для них характерна величезна потреба в енергії, що у 2-3 рази пе-

ревищує потік енергії, який підтримує життя в природних та напівприрод-

них екосистемах. Річні витрати енергії на 1 м

міста визначаються мільйо-

нами ккал.

Переможцями в разі глобальних змін клімату будуть ті, хто думає і

планує заздалегідь, а втрат зазнають люди, що реагують лише тоді,

коли криза вже наступила.

М.Келлі

2.4.2. Енергетичний баланс планети, глобальні зміни клімату

Через повітряний шар

атмосфери на Землю про-

никає сонячне випромі-

нювання: радіохвилі, ін-

фрачервоне, ультрафіоле-

тове, рентгенівське та

гамма-випромінювання.

Значна частина со-

нячної радіації, що по-

трапляє на Землю, охоп-

лює діапазон хвиль в ме-

жах 0.15-40 мкм. При-

близно половина радіації

припадає на смугу види-

мих людським оком

хвиль довжиною від 0.38

до 0.87 мкм, що сприйма-

ються як світло. Кількість

сонячної енергії, що над-

ходить на поверхню Зем-

лі, в середньому дорівнює

160 Вт/м

. Із 100 % короткохвильової сонячної енергії, що досягає атмосфери

Землі, 23 % поглинається її компонентами, а 30 % повертається у космос (від-

бивання від хмар та поверхні Землі). Із 47 % енергії, яка потрапляє на Землю,

174000

(

)

ія

(

)

Фотосинтез - 104

Продуценти

Консументи

Редуценти

Утилізація у формі

біомаси - 40

Ядерна, теплова,

гравітаційна енергія

планети

Екологічна піраміда

енергій (перехід з одного

рівня на інший 1-10%)

Сумарні (первинні та

вторинні) антропогенні

збурення - 100-180

Викопне

паливо

Найкрупніші

виверження

~160

Перетворюється на теплоту

на поверхні суші і океану

та розсіюється - 82000 (47%)

Вулкани

Депонування

біомаси

Рис.2.4. Загальний енергетичний баланс Землі

(·10

Вт теплової енергії) [98]

4 % нагріває повітря, 2 % - ґрунт, 1 % бере участь у фотосинтезі та 40 % ви-

трачається на випаровування води та процеси транспірації

в рослинах (рис.

2.4). Довгохвильова радіація (в інтервалі хвиль довжиною до 100 мкм) прак-

тично повністю (96 %) досягає поверхні Землі та відбивається від неї теж у

вигляді довгохвильової радіації.

Рівняння енергетичного балансу Землі можна умовно записати у вигляді

QQ Q=+

1 2

, (2.2)

де Q - загальна кількість енергії Сонця та космічних променів, що надходить

в одиницю часу на Землю;

- кількість енергії, що випромінюється Землею

в космічний простір;

- кількість енергії, що залишається на Землі у зв’яза-

ному стані внаслідок фотосинтезу рослин.

Протягом мільйонів років геологічної історії Землі відбувалося безпе-

рервне накопичення енергії в надрах планети шляхом фотосинтезу та інших

хімічних реакцій, спричинених сонячною радіацією. Проте зараз цей природ-

ний хід речей порушений - в останнє сторіччя прискореними темпами відбу-

вається вивільнення накопиченої енергії.

Першим і очевидним наслідком цього процесу є перспектива енергетич-

ного голоду. Небезпечні наслідки через зменшення ресурсів вугілля і особли-

во нафти відчуваються вже зараз. Правда, оптимісти-фізики обіцяють поста-

вити на службу людині керовану термоядерну реакцію ще до того, як будуть

вичерпані інші джерела енергії. Проте, слід мати на увазі, що широке застосу-

вання керованої термоядерної реакції може тільки збільшити небезпеку для

людства.

В загальному вигляді процес виробництва енергії можна уявити як безпе-

рервне вивільнення енергії, що раніше знаходилася у зв’язаному стані. Яка ж

доля цієї енергії? Вона розсіюється і йде на нагрівання навколишнього сере-

довища.

Таким чином, першим наслідком планетарного масштабу, зумовленим ак-

тивною людською діяльністю, є утворення енергії

, кількість якої безпе-

рервно зростає (на початку 70-х років вона вже становила 0.01 % енергії, що

надходить від Сонця, а за прогнозами у 2025 р. може збільшитися до 4 %

[56]). Енергія

йде безпосередньо на нагрівання атмосфери. В деяких про-

мислових районах концентрація теплової енергії за рахунок підприємств

збільшилася вже в сотні разів. З’явилися теплі ореоли над містами, де темпе-

ратура повітря вже на кілька градусів перевищує норму. Такі плями добре по-

мітні з Космосу під час теплової зйомки.

Проте це не єдине джерело енергії, яке призводить до нагрівання планети.

Земля не тільки поглинає сонячне тепло, але й випромінює власне, як і кожне

нагріте тіло. Якщо Земля поглинатиме тепла більше, ніж випромінюватиме,

то вона буде все більше й більше розігріватися. Зменшення кількості тепла,

Транспірація (від лат. trans - через та spiro - дихаю, видихаю) - випаровування води рослиною.

що випромінюється, має для клімату таке саме значення, як і збільшення теп-

ла, що поглинається. Радіація, що поглинається і випромінюється земною по-

верхнею, істотно різниться за складом електромагнітних хвиль. Чим вища

температура нагрітого тіла, тим коротші хвилі, з яких складається його ви-

промінювання.

Температура поверхні Сонця становить близько 6000°С, довжина хвиль

сонячної радіації на 99 % знаходиться у діапазоні 0.17-4 мкм. Максимум со-

нячного випромінювання припадає на видиму частину спектру - світло (0.38-

0.87 мкм). Температура Землі змінюється в основному в межах від +40 до -

40°С, а максимум випромінювання припадає на хвилі довжиною від 9 до 12

мкм.

Молекули деяких речовин мають властивість пропускати короткохвильо-

ві промені і поглинати довгохвильові. Таку властивість, що отримала назву

парникового ефекту, зокрема мають триатомні молекули водяної пари Н

О,

вуглекислого газу СО

, озону О

та кремнезему SiO

(з останнього роблять ві-

конне скло).

За даними деяких дослідників, внаслідок парникового ефекту в атмосфері

затримується 78 % земного випромінювання. При цьому водяна пара затри-

мує 60 %, а вуглекислий газ - 18 % теплового випромінювання Землі. Якби з

атмосфери зник увесь вуглекислий газ, то середня річна температура Землі

зменшилася б на 21°С, а якби його вміст подвоївся - збільшилася б на 4°С.

Останнім часом внаслідок інтенсивної людської діяльності частка CO

в атмо-

сферному повітрі постійно зростає. Якщо в 1860 р. його вміст становив

0.027 %, на початку ХХ сторіччя - 0.029 %, в даний час - 0.032-0.034 %, то в

середині ХХI сторіччя концентрація СO

може подвоїтися. Окис та двоокис

вуглецю, що накопичуються в атмосфері, суттєво змінюють спектр відбитих

променів, зменшують його інфрачервону складову, що в кінцевому рахунку

призводить до нагрівання атмосфери.

Останні дослідження свідчать, що крім СО

парниковий ефект виклика-

ють і деякі інші гази, які називають малими домішками. Так, подвоєння в ат-

мосфері вмісту закису азоту (N

O) підвищило б температуру на 0.7°С, метану

(CH

) - на 0.4°С, фторхлорметанів або фреонів (CFCl

, CF

тощо) - на

0.8°С, водяної пари - на 0.3°С [72].

Одночасно внаслідок антропогенної діяльності відбувається безперервна

зміна альбедо

Землі через все більш інтенсивне запилення атмосфери та змі-

ни земної поверхні. Накопичення аерозолів у повітрі зменшує кількість со-

нячної енергії, яка досягає поверхні Землі. З іншого боку, зменшується відби-

вання сонячної радіації від запилених льодовиків, що сприяє їх таненню. За-

міна лісів культурними плантаціями призводить до зниження випаровування і

Альбедо (від лат. albedo - білина) - відношення кількості відбитої променистої енергії до кіль-

кості енергії, що падає на поверхню тіла.

збільшення прямої тепловіддачі. Підраховано, що винищення лісів за всю іс-

торію людства вже охолодило поверхню Землі майже на 1°С.

За розрахунками багатьох авторів, діапазон середніх температур Землі, в

якому можливе існування людини, дуже малий. Так, наприклад, підвищення

середньої температури тільки на 2°С може призвести до цілої низки необо-

ротних процесів. Розпочнеться розтавання льодовиків, що зумовить підви-

щення рівня Світового океану. Багато країн зіткнуться із серйозними трудно-

щами, у Бангладеш, наприклад, підйом рівня моря лише на 1 м примусить

змінити місце проживання 10 % населення, адже буде затоплено 2000 км

восьму частину території. У Єгипті підйом рівня моря лише на 50 см спричи-

нить затоплення більшої частини дельти Нілу - однієї з найродючіших облас-

тей країни та місця проживання 16 % населення. Будуть затоплені величезні

родючі місцевості, на яких сьогодні живуть сотні мільйонів людей (централь-

на рівнина Китаю, долини Гангу та Iнду, міста Нью-Йорк, Лондон, Токіо,

Санкт-Петербург, Венеція тощо).

Відомо, що лід відбиває сонячні промені приблизно у вісім разів краще,

ніж вода. Це означає, що з таненням льодовиків різко збільшиться поглинан-

ня сонячних променів поверхнею планети, а це, в свою чергу, призведе до ще

більшого розігріву Землі і докорінних змін клімату. Значно збільшиться по-

сушливість в середніх широтах, тобто в основних зернових районах (Україна,

чорноземна зона Росії, Кубань, “зернові” штати США тощо). Клімат тут стане

напівпустельним, отже і врожаї зерна різко скоротяться. Подібна катастрофа

може відбутися, якщо енергія штучних джерел становитиме 4.5 % сонячної

енергії, яка надходить на Землю.

Отже, процес порушення теплової рівноваги Землі досить складний і за-

лежить від цілої низки факторів, які є наслідком людської діяльності. Одні з

цих факторів підвищують температуру (викиди в атмосферу СО

та інших

“парникових” газів), інші знижують її й викликають антипарниковий ефект

(зведення лісів, запорошення повітря сажею і пилом тощо). Для точного про-

гнозування майбутніх змін потрібен добре налагоджений моніторинг.

Где начало того конца, которым оканчивается начало?

Козьма Прутков

2.4.3. Біологічний кругообіг атомів у природі

Кількість хімічних елементів, які природно існують в біосфері, становить

92 (у т.ч. 286 стабільних довгоживучих ізотопів). Поширеність їх в живій ре-

човині, атмосфері, гідросфері та літосфері неоднакова.

Основну роль у живій речовині відіграють кисень O (він становить 70 %

маси організмів), вуглець C (18 %) та водень H (10.5 %), загальна частка цих

елементів дорівнює 98.5 %. До складу живої речовини також входять й інші

біогенні елементи: кальцій Ca (0.5 %), калій K та азот N (по 0.3 %), фосфор P

(0.07 %), сірка S (0.05 %), магній Mg (0.04 %), кремній Si, натрій Na, хлор Cl

(по 0.02 %) і залізо Fe (0.01 %). Перелічені елементи відносяться до так зва-

них макроелементів. Крім них у складі живої речовини є ще й мікроелемен-

ти - мідь Сu, марганець Mn, цинк Zn, ванадій V, молібден Mo, кобальт Co та

ін. (від 9·10

-3

до 1·10

-5

%), а також ультрамікроелементи - уран U, осмій Os

та ін. (менше 9·10

-6

%). Біогенні елементи присутні в клітинах усіх організмів,

вони входять до складу органічних сполук клітин, виконують роль каталізато-

рів в різноманітних реакціях організму, регулюють осмотичні процеси, є

складовими буферних систем та регуляторами проникності біологічних мем-

бран.

Серед хімічних сполук перше місце в складі живої речовини займає во-

да. Так, маса тіла людини на 60-65 % складається з води, а у медузи тіло міс-

тить аж 96 % води. Кількість хімічних сполук, які складаються з типових біо-

генних елементів (C, H, O, N, S, P), досить значна, але серед них можна виді-

лити такі основні класи органічних сполук: вуглеводи, білки, ліпіди і нукле-

їнові кислоти. В рослинах переважають вуглеводи, а в тваринах - білки.

В атмосфері домінують азот, кисень, аргон та вуглець. Основними ком-

понентами гідросфери, включаючи її підземну частину, є водень та кисень,

проте слід пам’ятати, що вода виступає природним розчинником великого

комплексу мінеральних та органічних речовин. Найбільшу ж кількість еле-

ментів містить літосфера.

Для кількісної оцінки величини розповсюдження елементів використову-

ють поняття кларків

- середніх концентрацій хімічних елементів у земній

корі. Згідно даних академіка О.П.Виноградова, найбільш високі кларки (ваго-

ві проценти) характерні для таких елементів: кисень - 47 %, кремній - 29.5 %,

алюміній - 8.05 %, залізо - 4.65 %, кальцій - 2.96 %, натрій і калій - по 2.50 %,

магній - 1.87 %, титан - 0.45 %, решта елементів в сумі - 0.52 %.

В.I.Вернадським виділено шість груп хімічних елементів:

1. Благородні (інертні) гази - гелій, неон, аргон, криптон і ксенон. До

складу живої речовини вони не входять.

2. Благородні метали - золото, срібло, платина, рутеній, родій, паладій,

осмій та іридій.

3. Циклічні або органогенні елементи, які приймають участь в складних

процесах кругообігу речовин - водень, вуглець, кисень, сірка, азот,

фосфор та ін. (всього 44 елементи). Більшість з них входить до складу

живої речовини.

4. Розсіяні елементи - літій, йод, бром, рубідій та ін. (всього 11 елемен-

тів).

5. Сильнорадіоактивні елементи - полоній, реній, радій, торій, уран, ак-

тиній, актиноїди та ін.

Термін “кларк” був запропонований О.Є.Ферсманом на честь американського геохіміка

Ф.У.Кларка, який першим зробив оцінку середнього вмісту елементів у земній корі.