В. Д. Т. А. Айзатулин и проблема эволюции элементного состава океана

Вид материала

Реферат

Содержание Основные общие закономерности формирования элементного состава океанской воды

Подобный материал:

• Взаимосвязь химического состава питьевой воды и элементного статуса студентов северного, 65.03kb.
• Лекция 11 Концепция эволюции, 87.01kb.
• Автореферат разослан 2009 года, 452.47kb.
• Литература аристотель, 48.99kb.
• Н. М. Эмануэля ран защита состоится 27 сентября 2011, 701.9kb.
• Оценка элементного статуса в определении нутриентной обеспеченности организма. Значение, 325.18kb.
• Рельеф дна Мирового океана, 52.6kb.
• Тема урока Северный Ледовитый океан; особенности природы, хозяйственного использования,, 53.05kb.
• Магистерская специальность «Экономика ресурсов Мирового океана», 26.67kb.
• Программа курса лекций «Методы исследования макромолекул», 15.25kb.

МЕТОДОЛОГИЯ

Иэ системы методологических принципов В.И.Вернадского выделяются два, определяющих необходимую стратегию изучения формирования элементного состава океанской воды.

1) Не делать никаких гипотез, а «стоять на прочной и незыблемой почве —на эмпирических обобщениях»(Вернадский, 1994, с. 315).

2) Главным из эмпирических обобщений является холическое (системное): океан, даже мысленно изолированный от атмосферы, литосферы и его живого вещества («живых пленок и сгущений») «есть фикция».

В работе «Биогеохимические очерки» В.И.Вернадский отмечал:

«Твердые массы, непрестанно, закономерно выделяющиеся из воды океана, образующие сотни минеральных видов и строящие горные породы, не могут быть об'яснены и численно определены, исходя из представления об океанической воде как о простом растворе. Из раствора такого состава при температуре и давлении океана и составе его дна и берегов ничего бы не выделялось в форме твердых фаз. Минералы, выделяющиеся в океане, суть продукты биогеохимических явлений; это органогенные образования, создаваемые геохимической энергией жизни в ее живых пленках и сгущениях»

Отсюда следует необходимость новой стратегии геохимических исследований и новых методологических подходов в изучении общих закономерностей формирования элементного состава как биосферы в целом, так и гидросферы —с учетом интегрального участия в этом «живого вещества».

Ключевым моментом исследования специфики формирования элементного состава биосферы является определение закономерностей перераспределения средних концентраций элементов между различными фазамти —твердой —жидкой —газообразной (литосфера —гидросфера —атмосфера), происходящего в результате глобального непрерывного процесса переработки косной материи живым веществом.

Наш поиск новых методологических принципов геохимического изучения океана проходил под влиянием работ Т.А.Айзатулина и практически под его непосредственным руководством. Этот поиск приводит к необходимиости определения принципиального различия причин, обусловивших постоянство элементного состава океанской воды и геологических захоронений. Постоянство состава захоронений обусловлено завершенностью в них химических, биохимических и физико-химических процессов.

Океанская вода, как доказывал Т.А.Айзатулин, принципиально отличается от таких химически инертных систем именно наличием сложнейших биохимических, физико-химических и других процессов трансформации вещества, его вывода из водной среды в осадок и в атмосферу. Непрерывность и сбалансированность этих процессов поддерживается относительно стабильной поставкой в моря и океаны растворенных и взвешенных веществ с речным стоком, эоловой взвесью и с другими источниками.

Непрерывность и сбалансированность процессов как поставки вещества в моря и океаны, так и их переработки (трансформации) и вывода из водной среды при высокой инерционности системы являются основной причиной относительного постоянства ее элементного состава. Нарушение этого баланса вследствие чрезмерного потока антропогенных веществ с речным стоком, из атмосферы или вследствие чрезмерного из'ятия элементов из водоемов или водотоков, а также других антропогенных воздействий может привести к сдвигу (возможно, необратимо) всей химической системы морской и океанской воды. Отсюда следует вывод о принципиальной несостоятельности позиции исследователей и практиков, рассматривающих морскую и океанскую воду в качестве «жидкой руды»с практически неисчерпаемым запасом химических элементов, а моря и океаны —в качестве систем с неограниченной способностью выдерживать антропогенные нагрузки.

Процессы трансформации и миграции вещества в таких подвижных, далеких от состояния равновесия системах обычно изучают с использованием аппарата макрокинетики. Задачей макрокинетики является изучение влияния на скорость химических реакций массо- и теплопереноса. Принципы макрокинетики применимы для изучения не только химических реакций, но и любых других превращений (например, фазовых), осложненных одновременно протекающими процессами массопереноса.

В морской химии аппарат макрокинетики обычно применяют для исследования поведения отдельных химических элементов, реже —совместного поведения двух взаимодействующих элементов.

Изменение концентрации таких элементов (dC/dt) в любой точке вычисляется как сумма скорости реакции (r) и скорости массообмена C:

dC/dt = C + r ,   (1)

где  —оператор массопереноса, учитывающий тем или иным способом турбулентный обмен, адвективный и седиментационный перенос в одномерном, двумерном или же в полном трехмерном его представлении в уравнении концентрационного поля.

Методические вопросы использования аппарата макрокинетики для моделирования процессов трансформации веществ и концентрационных полей в океане, а также некоторые результаты макрокинетических исследований рассмотрены в работах Т.А.Айзатулина и в монографии (Корж, 1991). Здесь отметим лишь некоторые полученные выводы, методологически и методически важные для изучения наиболее общих закономерностей формирования элементного состава океанической воды.

Процесс обычно находится в диффузионной области, т.е. определяется в основном массопереносом. Решающими звеньями, определяющими биогеохимическую структуру и функционирование океана, являются его пограничные зоны —биогеохимические барьеры. Жизнь океана осуществляется в виде иерархии биогеохимических циклов, внутренних и внешних: океан —атмосфера —литосфера —океан. Поведение большинства химических элементов в океане и особенно в биогеохимических барьерах существенно усложнено процессами седиментации, адсорбции, диспергирования и агрегироывания веществ, поверхностными явлениями, химическими и ферментативными реакциями, наконец, вовлечением в состав живого вещества и биотрансформацией, особенно микробиологической трансформацией.

Практичекая необозримость химических, биохимических, физико-химических и других процессов трансформации веществ в морской воде не позволяет достаточно эффективно применить для решения морских геохимических проблем аппарат химической кинетики в ее классическом виде и при генерализации геохимического знания, обобщениях закономерностей формирования элементного состава океанической воды делает целесообразным отказ от детального описания и моделирования концентрационных полей, процессов массопереноса и трансформации веществ. Необходимо использовать информацию в совокупной интегральной обобщенной форме. То есть здесь необходима разработка новых методологических подходов.

Нами разработана и предложена методология кибернетического подходаа к изучению закономерностей формирования элементного состава морской воды. Аналогичная методология разработана и уже применяется для исследования сложных диффузных систем в химической технологии (Налимов, 1971; Кузнецов, Зайцева, 1984). Суть ее состоит в следующем. Когда работу сложного химического предприятия, перерабатывающего сырье и выдающего новый продукт, хотят поддерживать в определенном режиме или изменить его работу в нужном направлении, ставится задача прогнозирования отклика системы на любое воздействие. При этом оставляют в стороне вопрос о процессах в реакторах и других частях системы, оперируя только понятиями «сигнал-отклик»или «вход-выход». Моря и океаны мы рассматриваем как сложные системы с многочисленными процессами трансформации вещества, поступающего через геохимические барьеры, такие, как река-море, атмосфера-океан и т.д. Результатом этих процессов является, например, средний элементный состав океана, средний элементный состав донных осадков и т.п. Важно подчеркнуть, что выбор входов и выходов зависит от поставленной задачи.

Применение кибернетического подхода к решению геохимических задач нами осуществлено в 1971 г. (Корж, 1971). В последующих работах эта методология получила дальнейшее развитие (Корж, 1985, 1987, 1988, 1991).


ОСНОВНЫЕ ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ОКЕАНСКОЙ ВОДЫ

Содержание и характер (тип) распределения элементов в океане обусловлены, в частности, их собственными свойствами, такими как биофильность, растворимость их химических соединений, их химическая инертность или, наоборот, высокая реакционная способность и т.д. Названные и другие свойства элементов и химических соединений, проявляющиеся в процессах трансформации и переноса веществ в гидросфере, в итоге создают своеобразный феномен —элементный состав океанской воды, являющийся фундаментальной геохимической константой. Многочисленные попытки разгадать феномен постоянства состава и характера распределения элементов в океане на основе традиционных методов исследования, рассмотренные в разделе «Факторы, влияющие на содержание  ...»не привели к желаемым результатам.

Для того, чтобы выявить основные общие закономерности формирования элементного состава гидросферы, необходимо выйти за рамки сложившихся стереотипов и занять новые позиции в отношении океана как объекта исследования.

Мы рассматриваем элементный состав океана как динамическую систему, которая наиболее адекватно может быть формализована путем количественной оценки скоростей процессов трансформации и обмена с окружающей средой. Для выявления общих закономерностей таких

процессов необходимо включить в рассмотрение все исследованные химические элементы. Основное условие успеха —достаточно надежная изученность их основного массива. При этом наиболее удобной и продуктивной для таких исследований является графическая форма представления эмпирического материала. Величины концентраций различных элементов в гидросфере находятся в пределах 10⁰ –10¹² моль/л, т.е. различие достигает двенадцати порядков. Поэтому графическое сопоставление концентраций элементов в океане возможно лишь в том случае, если они выражены в логарифмической форме (рис.1). Таким способом впервые удалось обнаружить, что характер распределения элементов в океане практически безошибочно раскрывается через отношение их средних концентраций в океанской и речной воде (Корж,1988), а именно (см. рис.2):

Рис.2.

Относительные концентрации растовренных форм элементов в океанской и речной воде.






Консервативный тип распределения в океане — С  _{А(океан)}  >  С  _А(реки)