В К. в. участвуют химические элементы и соединения, более сложные ассоциации вещества и организмы. Процессы изменения вещества могут носить преимущественно характер механического перемещения, физико-химического превращения, ещё более сложного биологического преобразования или носить смешанный характер. К. в., как и отдельные циклические процессы на Земле, поддерживаются притекающей к ним энергией. Её основными источниками являются солнечная радиация, энергия положения (гравитационная) и радиогенное тепло Земли, когда-то имевшее исключительное значение в происходивших на Земле процессах. Энергия, возникшая при химических и др. реакциях, имеет второстепенное значение. Для отдельных частных круговоротов вещества можно оценить затраченную энергию; например, для ежегодного испарения масс воды с поверхности океана расходуется около 10,5·1023 дж (2,5·1023кал), или 10% от всей получаемой Землёй энергии Солнца.
Классификация К. в. на Земле ещё не разработана. Можно говорить, например, о круговоротах отдельных химических элементов или о биологическом 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 многие русские учёные. В. И. Вернадский выделил геохимическую группу так называемых циклических химических элементов; к ним относят практически все широко распространённые и многие редкие химические элементы, например углерод, кислород, азот, фосфор, серу, кальций, хлор, медь, железо, йод. В. Р. Вильямс и многие др. рассматривали биологические циклы азота, углекислоты, фосфора и др. в связи с изучением плодородия почв. Из цикличности химических элементов особенно важную роль в биогенном цикле (см. Биогеохимия) играют углерод, азот, фосфор, сера.
Углерод — основной 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 органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируют в год около 1,5·1011 т углерода в виде органической массы, что соответствует 5,86·1020дж (1,4·1020кал) энергии. Растения частично поедаются животными (при этом образуются более или менее сложные пищевые цепи). В конечном счёте органическое вещество в результате дыхания организмов, разложения их трупов, процессов брожения, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим др. каустобиолитам — каменным углям, нефти, горючим газам (рис. 2).
В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые).
В активном круговороте углерода участвует очень небольшая часть всей его массы (табл. 2). Огромное количество угольной кислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и др. пород. Между углекислым газом атмосферы и водой океана, в свою очередь, существует подвижное равновесие.
Табл. 2. — Содержание углерода на поверхности Земли и в земной коре (16 км мощности)
В
т В
г на 1
см2 поверхности Земли Животные 5×109 0,0015 Растения 5×1011 0,1 Атмосфера 6,4×1011 0,125 Океан 3,8×1013 7,5 Массивные кристаллические породы: базальты и др. основные породы 1,7×1014 33,0 граниты, гранодиориты 2,9×1015 567 Угли, нефти и другие каустобиолиты 6,4×1015 663 Кристаллические сланцы 1×1016 2000 Карбонаты 1,3×1016 2500 Всего 3,2×1016 5770
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 органического вещества, карбонатов и др., а также, всё в большей мере, в результате индустриальной деятельности человека. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого газа и паров воды. Некоторая 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 (12C—13C), особенно в магматогенном процессе (образование CO2, алмазов, карбонатов), при биогенном образовании органического вещества (угля, нефти, тканей организмов и др.).
Источником азота на Земле был вулканогенный NH3, окисленный O2 (процесс окисления азота сопровождается нарушением 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 фотохимического окисления азота воздуха, дающие разные окислы азота (NO2, NO'3 и др.), которые растворяются в дождевой воде и вносятся т. о. в почвы, воду океана; 2) биологическая фиксация N2 клубеньковыми бактериями, свободными азотфиксаторами и др. микроорганизмами (см. Азотфиксация). Первый путь даёт около 30 мг NO'3 на 1 м2 поверхности Земли в год, второй — около 100 мг NO'3 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 многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический азот подвергается различным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий образуется элементарный азот, возвращающийся непосредственно в атмосферу. Так, например, наблюдаются подземные газовые струи, состоящие почти из чистого N2. Биогенный характер этих струй доказывается отсутствием в их составе аргона (40Ar), 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 органических соединений при участии бактерии Nitrosomonas и нитробактерий — образуются различные окислы азота (N2O, NO, N2O3 и N2O5). Азотная кислота 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 кислоты могут восстанавливаться до азотистой кислоты и далее до свободного азота.
Источник фосфора в биосфере — главным образом апатит, встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора (рис. 4) большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, лецитинов, фитина и др. органических соединений; особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в донные отложения. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, гуано, что создаёт условия для образования богатых фосфором пород, которые, в свою очередь, служат источниками фосфора в биогенном цикле.
Круговорот серы также тесно связан с живым веществом. Сера в виде трёхокиси (SO3), двуокиси (SO2), сероводорода (H2S) и главным образом элементарной серы выбрасывается вулканами. Кроме того, в природе имеются в большом количестве различные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере при участии многочисленных микроорганизмов до сульфатной серы (SO''4) почв 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, который далее окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом процессе участвуют разнообразные микроорганизмы, создающие многочисленные 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 так называемом малом и большом К. в. Под влиянием лучей Солнца, кислорода, углекислого газа, воды, живого вещества 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 кристаллические сланцы. Так, ежегодно выносится реками около 2,7·109 т вещества. Этот К. в. на Земле называют малым (см. рис. 5).
