Вода и воздух взаимодействуют с земной литосферой и обеспечивают химические условия, поддерживающие существование сообщества живых организмов.
Океан и атмосфера образуют единую систему, которая действует как единый «химический комбинат». При попытках реконструировать историю Земли геологи, как правило, считают химический состав океана и атмосферы по существу не изменяющимся со временем.
Причина состоит в том, что геохимики очень долго подбирали подходящие геохимические индикаторы. За последние 10 лет сделан важный шаг вперед в изучении химии океана.
Теперь имеются достаточно твердые основания предполагать, — по крайней мере в случае тех морских солей, которые включаются в жизненный цикл морских организмов и усваиваются ими, — что на протяжении геологических промежутков времени происходят значительные изменения их концентраций.
Некоторые из этих изменений (данных о них больше всего), по-видимому, регулируют основные циклы того оледенения, которое господствует на Земле последний миллион лет.
Другие связаны с переменами конфигурации материков и океанических бассейнов, вызываемых движениями гигантских плит литосферы.
Возможны также изменения в результате таких геологических катастроф, как падения комет или больших астероидов, которые ознаменовали конец мелового периода истории нашей планеты.
Анализ химического состава океана может дать ценную информацию об изменениях окружающей среды (в том числе климатических условий) в прошлом. Химические процессы в океане оказывают воздействие на содержание в атмосфере углекислого газа (диоксида углерода С02).
Большая часть солнечной энергии, достигающей Земли, переизлучается ее поверхностью в виде инфракрасных лучей, которые поглощаются молекулами углекислого газа; в результате происходит разогрев нижних слоев атмосферы.
Создаваемое парциальное давление углекислого газа в атмосфере оказывает влияние на температуру, а тем самым и на осадки, ветер и мощность ледового покрова Земли.
Хорошо известно, что деятельность человека, особенно вырубка лесов и сжигание ископаемого топлива, приводит к увеличению содержания С02 в атмосфере, но только недавно было установлено, что изменение его содержания происходило и в прошлом.
Изменения, которые управляют перераспределением углерода между океаном и атмосферой, зависят от химических свойств тех растворенных в морской воде солей, которые активно усваиваются морскими организмами.
Чтобы понять роль океана в цикле углерода, необходимо изучить механизмы, определяющие концентрации этих составляющих в океане, и выявить сложные обратные связи, ведущие к достижению состояния динамического равновесия.
Какими-то путями в океане должно компенсироваться постоянное потребление морскими организмами необходимых для их жизнедеятельности веществ, чтобы поддерживался баланс между их поступлением за счет эрозии или вулканической активности и потерями при захоронении остатков живых существ в осадочных породах.
Механизмы, управляющие этими процессами, легче понять, если представить себе океан в виде гигантского аквариума с двумя отделениями резервуарами.
Верхний резервуар взаимодействует с воздухом и землей. Вода испаряется с поверхности моря, конденсируется и выпадает на сушу в виде дождя. Просачивание воды сквозь почву приводит к растворению и переносу в океан некоторых составляющих морской воды, на которых я остановлюсь подробнее.
Другие составляющие поступают в океан в результате вулканической активности — как на суше, так и на дне океана. Верхний резервуар освещается солнцем, энергия которого преобразуется растениями (в основном микроскопическим фитопланктоном) в органическое вещество; растения обеспечивают цепь питания животных и бактерий.
Остатки всех этих организмов падают из верхнего резервуара в лишенный солнечного света нижний, где их потребляют другие животные и бактерии. Некоторые остатки выпадают на дно океана, где они разлагаются червями и бактериями.
Небольшая доля остатков остается неразложившейся и погребается в донных осадках, так что материал, растворенный на суше или выброшенный в атмосферу или в океан в виде вулканических газов, в конце концов откладывается в виде осадков на дне океана.
Чтобы упростить изложение, я остановлюсь только на растворенном кислороде, ионах кальция, фосфат-ионах и трех соединениях углерода: углекислом газе, карбонат-ионах и бикарбонат-ионах.
Выбор этих соединений отражает «химические потребности» морской фауны.
Морские организмы нуждаются в растворенном кислороде для дыхания. Для обмена веществ всем организмам необходимы углерод и фосфор (наряду с водородом и кислородом, которых достаточно в воде).
