КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ на 3емле,
повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие
б. или м. выраженный цик-лич. характер. Эти процессы имеют определённое
поступательное движение, т. к. при т. н. циклич. превращениях в природе
не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения
в количестве и составе образующихся веществ. Понятие К. в. нередко трактовалось
метафизически, как движение по замкнутому кругу, что в корне ошибочно.

Ок. 5 млрд. лет назад произошла дифференциация
вещества Земли, разделение его на ряд концентрич. оболочек, или геосфер:
атмосферу,
гидросферу, земную кору, гранитную, базальтовую и др. оболочки, отличающиеся
друг от друга характерным химич. составом, физич. и термодинамич. свойствами.
Эти оболочки в последующее геологич. время развивались в направлении дальнейшего
наиболее устойчивого состояния. Между всеми геосферами и внутри каждой
отдельной геосферы продолжался обмен веществом. Вначале наиболее существенную
роль играл вынос вещества из недр Земли на поверхность в результате процессов
выплавления легкоплавкого вещества Земли и дегазации.

Поскольку можно судить на основании
сохранившихся геологич. свидетельств, эта стадия обмена была ещё очень
обширной в архейскую эру (см. Докемб-рий). В то время имели место
интенсивные колебательные движения в земной коре, обширные горообразовательные
процессы, создавшие повсеместно складчатость, а также энергичная вулканич.

деятельность, результатом к-рой яви-лись
мощные слои базальтов. Широко развиты были интрузии и процессы гра-нитизации.
Все эти процессы осуществлялись в более грандиозных масштабах, чем в последующие
геологич. периоды. В архейскую эру на поверхность Земли выносились вещества
в значительно больших кол-вах и, возможно, из более глубоких областей планеты.
В дальнейшем обмен веществом между глубокими областями и поверхностью Земли
сократился. В конце докембрия обособились более спокойные области земной
коры - платформы и области интенсивной тектонич. и магматич. деятельности
- геосинклинали. С течением времени платформы росли, а геосинклинальные
области сужались.

В совр. период обмен веществом между
геосферами по вертикальному направлению достаточно определённо может наблюдаться
в пределах 10-20 км от поверхности Земли и местами - в 50- 60 км.
Не
исключено движение вещества и из более глубоких зон Земли, однако этот
процесс в наст. время уже не играет существенной роли в общем К. в. на
Земле. Непосредственно непрерывный К. в. наблюдается в атмосфере, гидросфере,
верхней части твёрдой литосферы и в биосфере. Со времени появления
биосферы (ок. 3,5 млрд. лет назад) К. в. на Земле изменился. К физико-химич.
превращениям прибавились биогенные процессы. Наконец, огромной геологич.
силой стала ныне деятельность человека. См. Земля (раздел Человек
и Земля).

Т. о., К. в. на Земле в процессе развития
нашей планеты изменялся и в совр. период с геологич. точки зрения наиболее
интенсивен на поверхности Земли. В интенсивный обмен захватывается в литосфере,
атмосфере, гидросфере и биосфере единовременно лишь небольшая часть вещества
этих оболочек. Наблюдаемый К. в. на Земле слагается из множества разнообразных
повторяющихся в осн. чертах процессов превращения и перемещения вещества.
Отд. циклич. процессы . представляют собой последовательный ряд изменений
вещества, чередующихся с временными состояниями равновесия. Как только
вещество вышло из данной термодинамич. системы, с к-рой оно находилось
в равновесии, происходит его дальнейшее изменение, пока оно не возвратится
частично к первоначальному состоянию. Полного возвращения к первоначальному
состоянию никогда не происходит. Вместе с тем благодаря этим повторяющимся
процессам на поверхности Земли обеспечивается известная стабильность её
рельефа. Яркой иллюстрацией этого может служить круговорот воды в природе
(рис. 1).

С поверхности океана испаряется ежегодно
огромное кол-во воды, но при этом нарушается её изотопный состав: она становится
беднее тяжёлым водородом по сравнению с океанич. водой (в результате
фракционирования изотопов водорода при испарении). Между поверхностным
слоем воды океана и массой воды более глубоких его зон существует свой
регулярный, установившийся обмен. Между парами воды и водой атмосферы и
водоёмов устанавливаются локальные временные равновесия. Пары воды в атмосфере
конденсируются, захватывая газы атмосферы и вулканич. газы, а затем вода
обрушивается на сушу. Часть воды при этом входит в химич. соединения, другаяв
виде кристаллогидратной, сорбированной и мн. др. форм связывается рыхлыми
осадками земной коры, погребается вместе с ними и надолго оставляет основной
цикл. Осадки в процессе метаморфизации и погружения в глубь Земли под влиянием
давления и высокой темп-ры (напр., интрузий) теряют воду, к-рая поднимается
по порам пород и появляется в виде горячих источников или пластовых вод
на поверхности Земли, или, наконец, выбрасывается с парами при вулканич.
деятельности вместе с нек-рым количеством ювенильных вод и газов. Другая
же, основная масса воды, извлекая растворимые соединения из пород литосферы,
разрушая их, стекает реками обратно в океан. В результате этого процесса
солевой состав океана в геологич. времени изменяется. Химич. элементы,
образующие легкорастворимые соединения, накапливаются в мор. воде. Труднорастворимые
соединения химич. элементов быстро достигают дна океана.

Другой пример - круговорот кальция.
Известняки (как и др. породы) на континенте разрушаются, и растворимые
соли кальция (двууглекислые и др.) реками сносятся в море. Ежегодно в море
сбрасывается с континента ок. 5-10⁸т кальция. В тёплых моряхк
прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.

Продолжительность того пли иного цикла
можно условно оценить по тому времени, к-рое было бы необходимо, чтобы
вся масса данного вещества могла обернуться один раз на Земле в том или
ином процессе (см. табл. 1).

Рис. 1. Схема круговорота воды. Содержание
воды дано в кг/см² в год на поверхности Земли. Испарение
и выпадение осадков дано в г/сж² в год на поверх- ность океана
или континента соответственно.

углекислый кальций интенсивно потребляется
низшими организмами - форами-ниферами, кораллами и др. - на постройку своих
скелетов. После гибели этих организмов их скелеты из углекислого кальция
образуют осадки на дне морей. Со временем происходит их метаморфи-зация,
в результате чего формируется порода - известняк. При регрессии моря известняк
обнажается, оказывается на суше и начинается процесс его разрушения. Но
состав вновь образующегося известняка несколько иной. Так, оказалось, что
палеозойские известняки более богаты углекислым магнием и сопровождаются
доломитом, лзвестняки же более молодые - беднее углекислым магнием, а образования
пластов доломитов в совр. эпоху почти не происходит. Наконец, при излиянии
лавы известняки частично могут быть ею ассимилированы, т. е. войти в большой
К. в.

Т. о., отдельные циклич. процессы,
слагающие общий К. в. на Земле, никогда не являются полностью обратимыми.
Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается
в частные круговороты или захватывается временными равновесиями, а другая
часть, к-рая возвращается

В К. в. участвуют химич. элементы и
соединения, более сложные ассоциации вещества и организмы. Процессы изменения
вещества могут носить преим. характер механич. перемещения, физико-химич.
превращения, ещё более сложного биология, преобразования или носить смешанный
характер. К. в., как и отд. циклич. процессы на Земле, поддерживаются притекающей
к ним энергией. Её осн. источниками являются солнечная радиация, энергия
положения (гравитационная) и радиогенное тепло Земли, когда-то имевшее
исключит. значение в происходивших на Земле процессах. Энергия, возникшая
при химич. и др. реакциях, имеет второстепенное значение. Для отдельных
частных круговоротов вещества можно оценить затраченную энергию; напр.,
для ежегодного испарения масс воды с поверхности океана расходуется ок.
10,5*10²³ дж (2,5*10²³ кал), или 10%
от всей получаемой Землёй энергии Солнца.

Классификация К. в. на Земле ещё не
разработана. Можно говорить, напр., о круговоротах отдельных химич. элементов
или о биологич. К. в. в биосфере; можно выделить круговорот газов атмосферы
или воды, твёрдых веществ в литосфере и, наконец, К. в. в пределах 2-3
смежных геосфер. Изучением К. в. занимались мн. рус. учёные. В. И. Вернадский
выделил
геохимич. группу т. н. циклических химич. элементов; к ним относят практически
все широко распространённые и мн. редкие химич. элементы, напр. углерод,
кислород, азот, фосфор, серу, кальций, хлор, медь, железо, иод. В. Р. Вильяме
и
мн. др. рассматривали биологич. циклы азота, углекислоты, фосфора и др.
в связи с изучением плодородия почв. Из циклич. химич. элементов особенно
важную роль в биогенном цикле (см. Биогеохимия)
играют углерод,
азот, фосфор, сера.

Углерод - осн. биогенный элемент',
он
играет важнейшую роль в образовании живого вещества биосферы. Углекислый
газ из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями,
ассимилируется и превращается в разнообразные и многочисленные органич.
соединения растений. Растит. организмы, особенно низшие микроорганизмы,
морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размно-

жения продуцируют в год ок. 1,5*10¹¹т
углерода
в виде органич. массы, что соответствует 5,86*10²⁰ дж (1,4-10²⁰кал)
энергии. Растения частично поедаются животными (при этом образуются
б. или м. сложные пищевые цепи). В конечном счёте органич. вещество в результате
дыхания организмов, разложения их трупов, процессов брожения, гниения и
горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля,
гумуса, торфа, к-рые, в свою очередь, дают начало мн. др. каустобиолитам
- каменным углям, нефти, горючим газам (рис. 2).

Рис. 2. Схема круговорота углерода.
Содержание углерода дано в г/см² поверхности Земли. Обмен
углерода дан в y (1-10-⁶ г) на 1 см² поверхности
Земли в год.

В процессах распада органич. веществ,
их минерализации огромную роль играют бактерии (напр., гнилостные), а также
мн. грибы (напр., плесневые).

В активном круговороте углерода участвует
очень небольшая часть всей его массы (табл. 2). Огромное кол-во угольной
к-ты законсервировано в виде ископаемых известняков и др. пород. Между
углекислым газом атмосферы и водой океана, в свою очередь, существует подвижное
равновесие.

Многие водные организмы поглощают углекислый
кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков.
Из атмосферы было извлечено и захоронено в десятки тысяч раз больше углекислого
газа, чем в ней находится в данный момент. Атмосфера пополняется углекислым
газом благодаря процессам разложения органич. вещества, карбонатов и др.,
а также, всё в большей мере, в результате индустриальной деятельности человека.
Особенно мощным источником являются вулканы, газы к-рых состоят гл. обр.
из углекислого газа и паров воды. Нек-рая часть углекислого газа и воды,
извергаемых вулканами, возрождается из осадочных пород, в частности известняков,
при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой. В процессе круговорота
углерода происходит неоднократное фракционирование его по изотопному составу
(¹²С - ¹³С), особенно в магматогенном процессе (образование
СОвещества (угля, нефти, тканей организмов и др.).

Табл. 2. - Содержание углеродана поверхности
Земли и в земной коре (16 км мощности)

Источником азота на Земле был вулканогенный
NHнарушением его изотопного состава-¹⁴N - ¹⁵N). Основная
масса азота на поверхности Земли находится в виде газа (N2) в атмосфере.
Известны два пути его вовлечения в биогенный круговорот (рис. 3): 1) процессы
электрического (в тихом разряде) и фотохимич. окисления азота воздуха,
дающие разные окислы азота (NOрастворяются в дождевой воде и. вносятся т. о. в почвы, воду океана; 2)
биологич. фиксация Nи др. микроорганизмами (см. Азотфиксация). Первый путь даёт ок.
30 мг МО1 м² поверхности Земли
в год, второй-ок. 100 мг NO на 1 м² в
год. Значение азота в обмене веществ организмов общеизвестно. Он входит
в состав белков и их разнообразных производных. Остатки организмов на поверхности
Земли или погребённые в толще пород подвергаются разрушению при участии
многочисл. микроорганизмов. В этих процессах органический азот подвергается
различным превращениям. В результате процесса денитрификации при
участии бактерий образуется элементарный азот, возвращающийся непосредственно
в атмосферу. Так, напр., наблюдаются подземные газовые струи, состоящие
почти из чистого Nотсутствием в их составе аргона (⁴⁰Аг), обычного в атмосфере.
При разложении белков образуются также аммиак и его производные, попадающие
затем в воздух и в воду океана. В биосфере в результате нитрификации
- окисления аммиака и др. азотсодержащих органич. соединенийпри участии
бактерии Nitrosomonas и нитробактерий - образуются различные окислы азота
(NАзотная к-та с металлами даёт соли. Калийная селитра образуется на поверхности
Земли в кислородной атмосфере в условиях жаркого и сухого климата в местах
отложений остатков водорослей. Скопления селитры можно наблюдать в пустынях
на дне ниш выдувания. В результате деятельности денитрифицирующих бактерий
соли азотной к-ты могут восстанавливаться до азотистой к-ты и далее до
свободного азота.

Источник фосфора в биосфере - гл. обр.
апатит, встречающийся во всех магматич. породах. В превращениях фосфора
(рис. 4) большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор
из почв, водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых к-т,
лецитинов, фитина и др. органич. соединений; особенно много фосфора в костях
животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в донные отложения.
Он концентрируется в виде мор. фосфатных конкреций, отложений костей рыб,
гуано, что создаёт условия для образования богатых фосфором пород, к-рые,
в свою очередь, служат источниками фосфора в биогенном цикле.

Круговорот серы также тесно связан
с живым веществом. Сера в виде трёх-окиси (SOсероводорода (Hвулканами. Кроме того, в природе имеются в большом кол-ве различные сульфиды
металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере
при участии многочисл. микроорганизмов до сульфатной серы (SOпочв и водоёмов. Сульфаты поглощаются растениями. В организмах сера входит
в состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того,- в состав эфирных
масел и т. д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в илах
морей сопровождаются очень сложными превращениями серы. При разрушении
белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, к-рый далее окисляется
либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом процессе участвуют
разнообразные микроорганизмы, создающие многочисл. промежуточные соединения
серы. Известны месторождения серы биогенного происхождения. Сероводород
может вновь образовать "вторичные" сульфиды, а сульфатная сера - залежи
гипса. В свою очередь, сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и
сера возобновляет свою миграцию. В целом всё вещество литосферы интенсивно
подвергается превращениям, участвуя в т. н. малом и большом К. в. Под влиянием
лучей Солнца, кислорода, углекислого газа, воды, живоговещества происходит
разрушение вещества поверхности Земли. Продукты разрушения уносятся ветром
или, будучи растворены в воде, сбрасываются в моря и океаны, где они осаждаются,
откладываются на дне, уплотняются, цементируются, образуют слоистые осадочные
породы, а затем под влиянием давления превращаются в кристаллич. сланцы.
Так, ежегодно выносится реками ок. 2,7*10⁹ т вещества.
Этот К. в. на Земле называют малым (см. рис. 5).

В большом К. в. участвуют кристаллич.
сланцы и др. породы, образующиеся в процессе малого К. в. В результате
дальнейшего погружения они попадают в магматич. область Земли, подвергаются
действию
давления и высокой темп-ры, переплавляются и в виде извер-женных магматич.
пород могут быть вновь вынесены на поверхность Земли. Изучение К. в. на
Земле имеет не только позна-ват. значение, но и представляет глубокий практич.
интерес. Воздействие человека на природные процессы становится всё значительнее.
Последствия этого воздействия стали сравнимы с результатами геологич. процессов:
в биосфере возникают новые пути миграции веществ и энергии, появляются
мн. тысячи химич. соединений, прежде ей не свойственных. Создаются новые
водные бассейны; тем самым меняется круговорот воды. В руках человека концентрируются
огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные кол-ваазотсодержащих
веществ для удобрения полей и т. д. Меняется обычный ход гео-химич. процессов.
Глубокое изучение всех природных превращений веществ на Земле - необходимое
условие рационального воздействия человека на среду его обитания и изменения
природных условий в желаемом для него направлении (см. Охрана природы,
Природопользование).

Лит.: Вернадский В. И., Очерки
геохимии, 4 изд., М.- Свердловск, 1934; Ферсман А. Е., Геохимия, т. 1-4,
Л., 1933 - 39; Виноградов А. П., Геохимия редких и рассеянных химических
элементов в почвах, М., 1950; е г о же, Введение в геохимию океана, М.,1967;ВильямсВ.Р.,
Собр. соч., т. 6, М.. 1951; В о г с h е г t H., Zur Geochemie des Kohlenstoffs,
"Geochimi-ca et Cosmochimica acta", 1951, v. 2, № 1; RankamaK., Sanama
Th. G., Geochemistry, Chi., 1950. А. П. Виноградов.