ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной междисциплинарной научной проблемы: изучение факторов, контролирующих гомеостаз биосферы Земли в настоящее время и прошлом. Конкретная фундаментальная научная задача в рамках указанной проблемы состоит в выяснении геохимических механизмов гомеостаза биосферы с целью последующего использования для оптимизации экологического состояния окружающей среды. Подход, предлагаемый для решения указанной задачи, основан на системном анализе биосферного гомеостаза, главным действующим фактором которого признается взаимодействие циклических процессов трех иерархически соподчиненных уровней: биотического круговорота в биогеоценозах, биосферного (климатического) круговорота и большого геологического круговорота, охватывающего внешние геосферы до метаморфической оболочки включительно. Реализация данного подхода предполагает: 1) систематизацию и обобщение данных по потокам химических элементов в биотическом, климатическом и геологическом круговоротах вещества, включая потоки на границе биосферы с ее абиотическим окружением; 2) определение структуры пространственно-временного сопряжения геохимических процессов в биосфере и ее окружении; 3) выделение и экспериментальное моделирование геохимических процессов, определяющих гомеостаз биосферы; 4) теоретическое моделирование гомеостатических реакций биосферы на изменения геохимической миграции, вызванные внешними и (или) внутренними факторами. Новизна предлагаемого подхода состоит в применении термодинамической теории сильно неравновесных систем для анализа устойчивости различных геохимических состояний биосферы, а также методов экспериментального моделирования для выяснения геохимических механизмов процессов, определяющих гомеостаз биосферы. Новизной обладает также разработанный авторами метод “переменных масс”, позволяющий получать определять стехиометрию реакций в условиях неполного достижения равновесия.

1) Составление схемы структурно-функциональной организации геохимических процессов в биосфере, основанной на принципе сопряжения циклических процессов разного иерархического уровня; 2) Выяснение геохимических процессов, создающих и поддерживающих термодинамическую неравновесность биосферы; 3) Анализ проблемы информационных взаимодействий в биосфере и ее абиотическом окружении; 4) Анализ геохимических механизмов функционирования биоты и абиотического окружения биосферы как центров управления и эволюционного развития внешних оболочек Земли; 5) Выяснение роли механизмов сопряжения геохимических процессов в материковом и океаническом секторах ландшафтной оболочки в формировании устойчивости (гомеостаза) биосферы; 6) Систематизация и обобщение данных по химическому составу терригенного аэрозоля фоновых и урбанизированных территорий и количественная оценка атмосферного переноса терригенного материала с суши в океан; 7) Выяснение роли атмосферного переноса растворимых форм химических элементов с терригенным аэрозолем для биогеохимических процессов в океане; 8) Экспериментальное изучение взаимодействия терригенного аэрозоля с морской водой и оценка роли этого процесса в формировании солевого состава вод океана; 9) Систематизация и обобщение данных по основному катионному составу взвешенных и влекомых наносов рек мира и количественная оценка ионообменной трансформации материкового стока растворенных веществ на геохимическом барьере река–море; 10) Экспериментальное моделирование мобилизации петрогенных, биогенных, редких и рассеянных химических элементов из горных пород под действием природных органических кислот.

Руководитель проекта имеет 40-летний опыт исследований в области экологической геохимии и физико-химического моделирования низкотемпературных геохимических процессов. Остальные члены коллектива работают в данной области на протяжении последних 15–20 лет. Результаты проведенных исследований опубликованы в 5 монографиях и более чем 300 научных статьях. Предлагаемый проект является логическим продолжением исследований, проводившихся в 1991–2013 гг. по ФЦП “Экологи-ческая безопасность России”, “Мировой океан” и проектам РФФИ 95-05-14612, 98-05-64089, 01-05-64852, 04-05-65051, 07-05-00804, 11-05-00866. В заявленном проекте будут использованы следующие наиболее важные результаты предыдущих исследований: – оригинальная экспериментальная методика изучения кинетики и статики взаимодействия минералов с морской водой, основанная на анализе стехиометрии изменений состава растворов; – базы данных натурных наблюдений по потокам химических элементов в Мировом океане и на его границах с атмосферой и литосферой.

1) На основе системного подхода установлена форма структурно-функциональной организации биосферы и ее абиотического окружения, т.е. архитектура пространственно-временного сопряжения составных элементов и связывающих их элементарных физических, химических и биологических процессов. Показано, что трехуровневая иерархия геосистем и системообразующих процессов (биотический, климатический и большой геологический круговороты) с латеральным делением на материковый и океанический сектора представляет собой максимально упрощенную и далее не упрощаемую схему структурно-функциональной организации геохимической миграции вещества внешних оболочек Земли. 2) Выполнен анализ процессов, ответственных за формирование термодинамической неравновесности биосферы, которая возникает благодаря пространственному разделению продуктов реакции фотосинтеза: органического вещества и молекулярного кислорода. Показано, что геохимический механизм формирования термодинамической неравновесности биосферы заключается в определенной форме пространственного сопряжения процесса фотосинтеза, идущего на поверхности суши и в верхних слоях гидросферы, и осадкообразования, локализующегося на нижней границе гидросферы. Отмечено, что наблюдаемое в течение геологического времени увеличение термодинамической неравновесности биосферы связано с синхронным увеличением скорости осадкообразования. 3) Проанализированы существующие взгляды на природу информации и сделан вывод, что исходный смысл информации как сведений предполагает ее использование для целенаправленной деятельности, т.е. понятие информации неразрывно связано с информационным взаимодействием, которое имеет целеполагание. Предложен объективный критерий целенаправленного поведения объектов любой природы, согласно которому движение в направлении достижения цели проявляется в нарушении равной вероятности перехода к новому состоянию (с учетом действия внешних сил). 4) Рассмотрены геохимические механизмы функционирования биоты и абиотического окружения биосферы как центров управления и эволюционного развития внешних оболочек Земли. Выполнен критический анализ представлений о наличии у биоты Земли функции управления состоянием биосферы. Показано, что с точки зрения общей теории управления биота не является управляющей подсистемой, а представляет собой исполнительный орган, воспринимающий, запоминающий и хранящий информацию о состоянии биосферы, преобразующий эту информацию в физические воздействия, изменяющие текущее состояние биосферы. Широко распространенное мнение об управляющем действии биоты основано на ошибочном восприятии силовой стороны биогеохимических процессов как явлений информационного характера. Так же нельзя причислить к управляющим воздействиям геодинамические (тектономагматические) глубинные процессы, влияющие на состояние биосферы. 5) Выяснена роль механизмов сопряжения геохимических процессов в материковом и океаническом секторах ландшафтной оболочки в формировании устойчивости (гомеостаза) биосферы. Гомеостаз биосферы обеспечивается комплексным сопряжением геохимических и биогеохимических процессов, организованных в форме квазизамкнутых циклов. Часто встречающееся представление о том, что гомеостаз биосферы контролируется балансом продукции–деструкции органического вещества, является недопустимым упрощением. Один из не учитываемых процессов, который влияет на содержание СО2 в атмосфере, – внутрипочвенное выветривание силикатов. При выветривании силикатов происходит поглощение атмосферного СО2, который вытесняет кремнезем и связывается в форме карбонатов щелочных и щелочноземельных элементов. Половина абсорбированного атмосферного СО2 возвращается в атмосферу, другая половина связывается необратимо. На основе расчета масс генетических фракций растворенных форм материкового стока количество атмосферного СО2, ежегодно связывающегося при выветривании силикатов, составляет 533 млн т СО2, или 145 млн т С. Но это, по-видимому, минимальная величина, поскольку в силу высоких концентраций СО2 в почвенном воздухе, в сотни и тысячи раз превышающих его содержание в атмосфере, значительная, а, может быть, и основная часть абсорбированного при выветривании силикатов СО2 накапливается в почвогрунтах в форме труднорастворимых карбонатов щелочноземельных элементов. Важно, что в отличие от связывания углерода в биомассе растений описанный процесс абсорбции атмосферного СО2 не прекращается при достижении наземными экосистемами климаксных состояний. 6) С использованием установленных эмпирических закономерностей, связывающих интенсивность осаждения аэрозольного материала с их концентрацией в атмосфере и количеством атмосферных осадков, сделана количественная оценка поступления терригенного аэрозоля в Мировой океан (1170 млн т/год). 7) На основании обобщения литературных данных, опубликованных в последние 20 лет, сделана оценка соотношения масс аэрозолей, поступающих в атмосферу из разных источников. Систематизированы и обобщены данные по составу терригенных аэрозолей фоновых и урбанизированных территорий, для которых рассчитаны средние концентрации 54 химических элементов. 8) Отмечено важное значение атмосферного переноса растворимых форм химических элементов с терригенным аэрозолем для биогеохимических процессов в океане. По данным экспериментального моделирования фракционирования химических элементов в разных гранулометрических фракциях почв засушливых областей показано, что обогащение тонкой фракции аэрозолей дает следующие ряды: Na > K > Mg > Ca и SO4 > HCO3 > Cl. В поле составов растворимой фракции почв располагается точка, соответствующая морской воде, что ставит под сомнение возможность применения для выделения морских солей широко распространенного метода хлоридных отношений. Предложен модифицированный метод хлоридных отношений, в котором используются “конечные члены” рядов концентраций, отнесенных к массам нерастворимых веществ (i/m). 9) Выявлена сильная изменчивость доли водорастворимой фракции металлов в составе аэрозолей и подтвержден факт резкого увеличения количества растворенных форм при низких концентрациях аэрозолей в воздухе. Дано объяснение последнему эффекту, которое ранее отсутствовало. С понижением концентрации минеральных аэрозолей в воздухе возрастает доля тонких фракций. Поскольку генерация растворимых форм происходит при взаимодействии кислотных компонентов с поверхностью частиц аэрозолей, а вклад растворимых форм определяется в массовых долях, пропорциональных объему, то относительное содержание растворимых металлов должно быть обратно пропорционально диаметру частиц (S/V=1/d), что наблюдается в действительности. 10) Проведены эксперименты по моделированию взаимодействия терригенного аэрозоля с морской водой. Установлено, что при их взаимодействии происходит снижение концентраций натрия и магния и увеличение концентраций калия и особенно кальция в морской воде. Небольшое изменение концентраций анионов указывает на преимущественно ионообменный механизм трансформации состава морской воды. 11) Систематизированы и обобщены данные натурных наблюдений и экспериментальных исследований по изучению состава поглощенного комплекса речного стока твердых веществ и его трансформации в морской среде. Показано, что состав поглощенного комплекса взвешенных наносов рек, а также донных отложений рек и водоемов суши принципиально отличается от состава поглощенного комплекса донных отложений океанов и морей: в первом случае количественно преобладает кальций, во втором – натрий. При поступлении терригенного материала речного стока в океаны и моря происходит ионообменная трансформация состава поглощенного комплекса, выражающаяся в замещении около 80% обменного кальция в основном на натрий, а также калий и магний морской воды. За счет ионообменной трансформации состава поглощенного комплекса привносимого с суши терригенного материала в океан ежегодно поступает 45.5 млн т растворенного кальция и удаляется соответственно 37.3, 12.8 и 3.9 млн т натрия, калия и магния. В относительных величинах это составляет +7.5, –12.3, –22.4 и –2.6% поступления кальция, натрия, калия и магния в океан с речным стоком. 12) Экспериментально изучено выщелачивание главных катионов (Na, K, Mg, Ca), щелочных и щелочноземельных микроэлементов (Li, Rb, Cs, Be, Sr, Ba), тяжелых металлов (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Tl, Pb), элементов-гидролизатов (Y, р.з.э., Ti, Th, U) и анионогенных элементов (F, Si, P, V) из горных пород разной кислотности дистиллированной водой и многокомпонентным раствором органических кислот, в котором распределение констант диссоциации соответствовало природному растворенному органическому веществу. Показано, что карбоновые кислоты, входящие в состав растворенного органического вещества поверхностных вод, вызывают резкое усиление мобилизации из силикатных пород как главных катионов, так и микроэлементов. При этом различия в химических свойствах элементов имеют второстепенное значение, о чем свидетельствует наличие общей зависимости между параметром, характеризующим подвижность элементов на начальном этапе процесса выщелачивания, и их содержанием в породах.