Источники и количество энергии в биосфере
Биосфера - это открытая термодинамическая система, которая получает энергию в виде лучистой энергии Солнца и тепловой энергии процессов радиоактивного распада веществ в земной коре и ядре планеты. Радиоактивная энергия, доля которой в энергетическом балансе планеты была значительной на абиотических фазах, сейчас не играет заметной роли в жизни биосферы, и основной источник энергии сегодня - это солнечное излучение. Ежегодно Земля получает от Солнца энергию, которая составляет около 10,5 * 1020 кДж. Большая часть этой энергии отражается от облаков, пыли и земной поверхности (около 34%), нагревает атмосферу, литосферу и Мировой океан, после чего рассеивается в космическом пространстве в виде инфракрасного излучения (42%), расходуется на испарение воды и образование облаков (23 %), на перемещение воздушных масс - образование ветра (около 1%). И только 0,023% солнечной энергии, попадающей на Землю, улавливается продуцентами - высшими растениями, водорослями и фототрофных бактериями - и запасается в процессе фотосинтеза в виде энергии химических связей органических соединений. За год в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т органических веществ, в которых запасается не менее 1,8 * 1017 кДж энергии.
Эта связана энергия далее используется консументами и редуцентами в цепях питания, и за его счет живое вещество выполняет работу - концентрирует, трансформирует, аккумулирует и перераспределяет химические элементы в земной коре, раздробляет и агрегирует неживую вещество. Работа живого вещества сопровождается рассеянием в виде тепла почти всей запасенной в процессе фотосинтеза солнечной энергии. Лишь доли процента этой «фотосинтетической» энергии не попадают в цепи питания и консервируются в осадочных породах в виде органического вещества торфа, угля, нефти и природного газа.
Итак, в процессе работы, которую осуществляет биосфера, уловленного солнечная энергия трансформируется, то есть идет на выполнение так называемой полезной работы, и рассеивается. Эти два процесса подчиняются двум фундаментальным естественным законам - первом и втором законам термодинамики. Первый закон термодинамики часто называют законом сохранения энергии. Это означает, что энергия не может быть ни рожден, ни уничтожена, она может быть только трансформирована из одной формы в другую. Количество энергии при этом не меняется.
В экологических системах происходит много преобразований энергии: лучистая энергия Солнца благодаря фотосинтезу превращается в энергию химических связей органического вещества продуцентов, энергия, запасенная продуцентами, - на энергию, аккумулированную в органическом веществе консументов разных уровней, и т. д. Современное человеческое общество также превращает огромные количества одной энергии на другую. Второй закон термодинамики определяет направление качественных изменений энергии в процессе ее трансформации из одной формы в другую. Закон описывает соотношение полезной и бесполезной работы при переходе энергии из одной формы в другую и дает представление о качестве самой энергии.
Второй закон термодинамики, я считаю, царит среди законов Природы. И если ваша гипотеза противоречит этому закону, я ничем не могу вам помочь. (А. Эддингтон, английский астроном.
Вспомним, что во энергией понимают способность системы совершать работу.Но при любой трансформации энергии лишь часть ее расходуется на выполнение полезной работы. Остальные же безвозвратно рассеивается в виде тепла, т.е. осуществляется пустая работа, связанная с увеличением скорости беспорядочного движения частиц. Чем больший процент энергии расходуется на выполнение полезной работы и, соответственно, чем меньше процент при этом рассеивается в виде тепла, тем выше считается качество исходной энергии. Высококачественная энергия может быть без дополнительных энергетических затрат трансформирована в большее количество других видов энергии, чем низкокачественная.
Энергией низкого качества есть энергия беспорядочного броуновского движения, то есть тепловая. ее нельзя использовать для выполнения полезной работы. Количество энергии низкого качества, непригодной для совершения полезной работы, называют энтропией. Упрощенно энтропия - это мера дезорганизации, беспорядка, случайности систем и процессов.
Итак, по второму закону термодинамики, любая работа сопровождается трансформацией высококачественной энергии в энергию низшего и низкого качества - тепло - и приводит к росту энтропии.
Снизить энтропию в термодинамически закрытой системе, которая не получает энергии извне, невозможно - ведь вся качественная энергия такой системы в конце концов превращается в низкокачественную, деградирует к теплу.Однако в открытой термодинамической системе возможно противодействовать росту энтропии, используя для этого высококачественную энергию, поступающую извне, и отводя низкокачественную энергию за пределы системы.
Вселенная является закрытой системой, и в нем энтропия постоянно растет.Зато биосфера является открытой системой, которая поддерживает собственный низкий уровень энтропии, используя для этого внешний источник качественной лучистой энергии - Солнце - и рассеивая в космическое пространство низкокачественную тепловую энергию. Поэтому, кроме энтропии физической (энтропии замкнутой системы), в экологии используют понятие «энтропия экологическая» - количество необратимо рассеянной в пространстве тепловой энергии, которая, однако, компенсируется трансформируемой энергией внешнего источника - Солнца.
Энтропия экологическая.
В Космосе энтропия возрастает с течением времени, но внутри хаоса существуют островки порядка. Один из важнейших среди них - жизнь.
Живые системы за счет высоко упорядоченной энергии Солнца с низко упорядоченных компонентов окружающей среды создают свой, выше, чем в окружающей среде, порядок. По популярным среди физиков выражению, живет питается не энергией, оно питается чужим порядком (например, порядком солнечного света, химических связей органических веществ). В процессе же упорядочивания живое вещество необратимо рассеивает энергию, которая течет сквозь экосистемы, то есть создает энтропию экологическую. Тепловое рассеяние энергии экосистемами происходит двумя основными путями:
1) обычных потерь тепла за разницы в температурах биоты и среды обитания;
2) потери тепла организмами и их группировками в процессах метаболизма (в частности дыхания) в связи с высвобождением энергии в ходе экзотермических реакций.
С точки зрения второго закона термодинамики биосфера не является «безотходным производством»: отходы ее деятельности - это не вещество, а это низкокачественная тепловая энергия, излучаемая за пределы планеты, то есть энтропия.
Считают, что эволюция биосферы происходила в направлении уменьшения экологической энтропии. Ведь за постоянного количества энергии, поступающей, чем меньше тепла излучается, тем более выполняется полезной работы, тем более упорядоченный становится система. Например, в системе продуцент - редуценты полезная работа заключается в противодействии распада тел лишь двух звеньев - продуцентов и редуцентов, а в системе продуцент-консументы-редуценты - уже в поддержании организации трех компонентов. При равенстве внешней энергии в обоих случаях вторая система, которая осуществляет больше полезной работы, излучать меньше тепла, т.е. иметь низкую экологическую энтропию. Из этого следует, что чем длиннее являются цепи питания, тем они энергетически совершенные.
Растения поглощают энергию Солнца.
Эта энергия циркулирует в системе, которую мы называем биотой и можем изобразить в виде багатосхидчастои пирамиды. Нижняя ступенька - почва.Ступенька, на которой располагаются растения, опирается а грунт; ступенька, на которой размещаются насекомые - на растения; птицы и грызуны - на насекомых, и так далее, через различные группы животных, к вершине, на которой находятся крупные хищники. Виды, составляющие одну ступеньку, объединяются не происхождением или внешним сходством, а типом пищи.Линии зависимости, отражающие передачи энергии, содержащейся в пище, от ее первичного источника (растения) - через ряд организмов, каждый из которых поедает предыдущего и съедается следующим, называются цепями питания. Земля, таким образом, - это не просто грунт, а источник энергии, циркулирующей в системе, состоящей из почвы, растений и животных. Цепи питания - это живые каналы, подающие энергию вверх, а смерть и тление возвращают ее в грунт. Система не замкнута - часть энергии теряется в процессе тления, часть добавляется поглощением из воздуха, накапливается в почве, торфе и лесах-долгожителях, но это система, которая действует постоянно, своеобразный фонд жизни, медленно накапливается и находится в постоянном обращении. (Л. Олдо, виднейший американский эколог, лесовод, охотовед).
Большое количество биомассы и энергии при переходе с одного трофического уровня на другой рассеивается, расходуется на поддержание температуры тела организмов, на превращение в СО2; не вся биомасса низшего уровня используется как пища организмами высшего уровня и не вся усваивается организмами. Иначе говоря, по второму, законом термодинамики, энергия переходит в тепло, рассеивается в окружающей среде и теряется в пространстве. Как отмечалось выше, по подсчетам экологов, только 10% биомассы одного трофического уровня превращается в биомассу второго уровня (так называемое правило десяти процентов). Поток энергии в цепях питания зависит от длины конкретной цепи, которая определяется количеством трофических уровней. Продуценты, синтезирующие органическое вещество, относятся к первому трофического уровня. Консументы, поедающие органическое вещество продуцентов, например травоядные животные (фитофаги), - до второго уровня; консументы, которые поедают фитофагов (например, хищники, охотящиеся на травоядных), находятся на третьем уровне и т. д. Редуценты, которые разлагают органические вещества на минеральные компоненты, находящиеся на последнем трофической уровне и завершают цепь питания. Они окончательно высвобождают энергию, связанную ранее продуцентами.
Поедая или раскладывая органическое вещество представителей предыдущего трофического уровня, консументы или редуценты получают вещество и энергию, необходимые для процессов метаболизма, построения и поддержания собственного тела. При этом около 90% энергии, запасенной в потребленной органике, рассеивается в виде тепла и только в среднем 10% используется на построение и поддержание тела того, кто эту органическое вещество употребил. Например, консументы первого порядка (фитофаги), которые поедают продуцентов, содержатся в виде органического вещества своего тела лишь 10% энергии, связанной растениями в процессе фотосинтеза; в теле консументы второго порядка (плотоядным, питающийся фитофагами) запасается только 1% поглощенной солнечной энергии, а хищник, питается этим плотоядным (консументы третьего порядка), в своих клетках содержит только 0,1% солнечной энергии, связанной растениями.
Продукты жизнедеятельности и отмершие тела как продуцентов, так и консументов становятся источником энергии для редуцентов - бактерий и грибов, разлагающих (минерализируют) эту органическое вещество и получают от 0,01 до 10% запасенной энергии Солнца в зависимости от того, к какому трофического уровня принадлежал объект питания. Через такие большие потери энергии при переходе ее из одного трофического уровня на следующий цепи питания не могут быть длинными и обычно насчитывают не более пяти звеньев: звено продуцентов, одну-три звена консументов, звено редуцентов.Круговорот веществ в биосфере.
Существование жизни на Земле зависит не только от потока энергии, но и от круговорота веществ в биосфере. Все живые организмы получают из окружающей среды химические элементы, которые затем используют на построение или поддержание своих тел и на обеспечение процессов размножения. Всего известно около 80 элементов, необходимых биоте. С продуктами жизнедеятельности или после смерти эти элементы снова попадают в окружающую среду - атмосферу, гидросферу или литосферу, и в дальнейшем используются другими организмами. Итак, в биосфере постоянно происходит круговорот веществ. Прямо или косвенно этот круговорот осуществляется за счет солнечной энергии и сил гравитации.
Химические элементы, используемые живым веществом в больших количествах и обычно составляют не менее 0,1% общей массы организма, называют макроэлементами. К макроэлементов относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, калий, магний и кальций. Все эти элементы, за исключением кислорода и водорода, называют также биогенными элементами, поскольку живое вещество избирательно и в значительном количестве поглощает их из неживого среды и концентрирует в клетках. Элементы, необходимые организмам в меньших количествах (до 0,1%), относятся к микроэлементам. Это медь, цинк, молибден, бор, йод, кремний и др. Макро-и микроэлементы используются живыми существами в составе определенных молекул. Элемент, входящий в состав молекулы, из которой он может быть усвоен организмом, называют доступным, или элементом в доступной форме.Часто для разных групп организмов доступные формы одного и того же элемента разные.
Круговороты кислорода и водорода.
Кислород и водород входят в состав всех органических соединений. Они поглощаются продуцентами в составе воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза, всеми другими организмами - с органическим веществом, созданным продуцентами, при дыхании (из атмосферы или из водного раствора) и употребление питьевой воды. Как конечные продукты биологического круговорота, водород и часть кислорода возвращаются в неживое среду также в виде воды, а кислород, кроме того, выделяется в молекулярной форме в атмосферу растениями-продуцентами как один из конечных продуктов фотосинтеза.
Круговорот углерода.
Углерод - это основа органических веществ. Он входит в состав белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и других веществ, необходимых для существования живого вещества. К первичным источников углерода в биосфере принадлежат атмосферное углекислый газ, что составляет 0,036% общего объема тропосферы, и углекислый газ, растворенный в воде Мирового океана, где его количество в 50 раз выше, чем в атмосфере.
student.zoomru.ru
Неорганический углерод доступен только для производителей - растений и небольшой группы хемотрофных бактерий. Вследствие процессов фото-и хемосинтеза углерод связывается в молекулы сахаров, которые спустя используются для создания других органических соединений. В таком виде углерод становится доступным для консументов и редуцентов. В результате процессов дыхания и брожения органические вещества в клетках окисляются с выделением энергии и углекислого газа, который снова или попадает в атмосферу, либо растворяется в воде, а также образует ионы карбонатов.Органическое вещество погибших особей также распадается с образованием углекислого газа. Этот процесс осуществляется редуцентами. Если по каким причинам отмершие остатки не были использованы редуцентами, они накапливаются в литосфере и со временем трансформируются в углеродсодержащие ископаемые - торф, уголь, нефть.. Атмосферный азот, находящийся в молекулярной форме, доступный только для немногочисленной группы азотфиксирующих бактерий и синезеленых водорослей. Азотфиксаторив, усваивая молекулярный азот, привлекают его в состав органического вещества своего тела, то есть переводят в органическую форму. После отмирания органический азот трансформируется в минеральную форму (аммоний, нитраты или нитриты) амонификуючимы и нитрифицирующих бактериями. Минеральный азот доступен только для растений, которые усваивают его и переводят в органическую форму (в частности в белки и нуклеиновые кислоты), и в таком виде азот становится доступным для консументов - животных и грибов. После их отмирания азот снова используется бактериями амонификаторамы и нитрификаторов. Минеральный азот используют также бактерии денитрификаторы, которые, наконец, переводят его в молекулярную форму и возвращают в атмосферу. Цикл замыкается.
Кругооборот фосфора
В отличие от азота, источником фосфора является не атмосфера, а земная кора. В процессе выветривания горных пород фосфор переходит в почвенный раствор и становится доступным для растений. Он входит прежде в состав нуклеиновых кислот, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), фосфолипидов. С этими органическими веществами фосфор передается цепями питания от продуцентов к консументов и возвращается в почву в виде органических остатков и продуктов жизнедеятельности. В результате процессов минерализации, осуществляемые бактериями-редуцентами, фосфор снова переходит в неорганические формы и становится доступным для растений.
Однако в природе зачастую именно недостаток фосфора сдерживает развитие биоты. С одной стороны, фосфорные соединения быстро вымываются в Мировой океан. Этому способствуют процессы эрозии почвы. Много фосфора выносится в океан и с неочищенными сточными водами. В океане этот фосфор частично используется микро-и макроскопическими водорослями, а затем потребляется морскими консументами и редуцентами. Некоторая часть фосфора может перевидкладатися на суше. Например, помет морских рыбоядных птиц, который содержит много фосфора, накапливается в птичьих колониях и на птичьих базарах, образуя так называемое гуано - полезное ископаемое, интенсивно добывается в некоторых странах и используется для производства фосфатных минеральных удобрений (например, в Чили). Но большая часть фосфора накапливается на дне
с отмершими остатками морской биоты. Этот фосфор может вновь стать доступным для биоты только со временем в геологическом измерении, например после поднятия определенных участков морского дна (правда, сегодня человек уже начал разрабатывать и морские месторождения фосфоритов). Кроме того, на суше значительная часть минерального фосфора образует нерастворимые комплексы с грунтовыми частицами и становится недоступной для продуцентов, следовательно, и для других звеньев трофических цепей. Лишь некоторые почвенные грибы способны удалять фосфорные соединения из этих комплексов.
Круговорот серы.
Сера - это необходимый компонент многих органических веществ, среди которых прежде всего следует отметить аминокислоту цистеин.
Главным источником серы является растворенные в воде продукты выветривания горных пород (чаще сульфиды железа - основной компонент колчедана) или сероводород и сернистый газ, выделяемых в атмосферу вулканами, гейзерами, горячими источниками. Сероводород, окисленный атмосферным кислородом до сернистого газа, растворяется в водяном паре атмосферы и выпадает с дождем на поверхность планеты. В состав живого вещества сера попадает путем поглощения растворенных в воде ионов сульфатов растениями-продуцентами. Затем сера в составе растительных белков цепями питания попадает в консументов и редуцентов. В анаэробных условиях (например, в болотах) редуценты разлагают белки с выделением серы в виде сероводорода, который может быть окисленный до молекулярной серы или до растворимых сульфатов и сульфидов. В такой форме сера вновь становится доступной для продуцентов.
Сегодня круговорот серы под воздействием человека претерпевает существенные изменения: почти треть серы, циркулирующей в биосфере, попадает в атмосферу с димогазовимы выбросами заводов, фабрик и тепловых электростанций. Эта «лишняя» сера, растворяясь в атмосфере с образованием серной и сернистой кислот, выпадает в виде кислотных дождей, приводящих к быстрой деградации многих экосистем.
Круговороты калия, магния и кальция.
Эти элементы в виде ионов попадают в живом веществе в процессе поглощения воды растениями, а также во время употребления питьевой воды.Они выполняют разнообразные функции. Например, калий необходим для работы калий-натриевого насоса клеток, магний - обязательная составляющая хлорофилла, кальций необходим для поддержания постоянного рН цитоплазмы, является главным компонентом панцирей, домиков, скелетов многих животных.Подобно азота, фосфора и серы, эти элементы мигрируют трофическими цепями от продуцентов через консументы к редуцентов. После гибели организма они быстро переходят в водные растворы и вновь становятся пригодными для дальнейшего использования.
В морях кальций и магний частично изымаются из биологического круговорота и консервируются в осадочных породах. Например, микроскопические морские водоросли кокколитофорид перевидкладають кальций в виде карбонатов на поверхности клеток, образуя так называемые кокколитов. После отмирания клеток кокколитов не успевают полностью раствориться в воде и оседают на дно, формируя меловые осадочные породы. Лишь в геологическом масштабе времени, после поднятия определенных участков дна, кальций, накопленный в мелу, высвобождается в процессе выветривания и снова становится доступным для биоты.
Великий круговорот веществ и влияние на него антропогенного фактора
Энергия Солнца и силы гравитации движут два круговороты веществ: биологический и геологический. Биологический круговорот быстрый и разомкнут: начальная и конечная звена замыкаются через доступные неорганические вещества. Геологический круговорот медленный и замкнут. Часть веществ из биологического круговорота поступает в геологический в виде отмерших остатков, образуя осадочные породы, которые со временем под действием давления, температуры и других факторов трансформируются в граниты. Тектонические поднятия вызывают вынесения части гранитных пород на поверхность. Граниты выветриваются, и, как следствие, создается фонд доступных веществ, в дальнейшем снова вовлекаются в биологического круговорота.
Процессы круговорота веществ в биосфере осуществляются сбалансировано.Подавляющее большинство веществ, вовлеченных в биологического круговорота, возвращается в минеральный состояние и становится доступной для повторного использования живым веществом. Лишь небольшая часть откладывается в осадочных породах, но эти потери компенсируются веществами, которые высвобождаются из горных пород в результате процессов выветривания.
Баланс и согласованность биологического и геологического циклов достигаются благодаря живом веществе: за счет длительных процессов видообразования в случае появления новых ресурсов или новых условий среды и за счет формирования многочисленных прямых, обратных и косвенных связей между различными организмами и факторами среды. Обычно ускорение выветривания горных пород приводит к росту количества биогенных веществ, в свою очередь стимулирует увеличение количества живого вещества и в конце концов повышает интенсивность процессов вынесения веществ в Мировой океан. Это приводит к интенсивному накоплению донных осадков. Количество доступных веществ в биосфере начинает быстро уменьшаться. Биосфера переходит на «голодный» режим, сопровождающийся массовым вымиранием видов, усилением конкурентной борьбы за ресурсы и ускорением процессов образования новых, более конкурентоспособных и «экономных» видов. Однако вымирание происходит гораздо быстрее, чем видообразования. Примером могут служить каменноугольный и меловой периоды, когда чрезвычайно быстро накапливались осадочные породы в результате катастрофического вымирания многих видов палеозойской и ранньомезозойськои флоры и фауны. Вымирание завершалось появлением на планете новых классов и типов (отделов) животных и растений. Еще продолжаются дискуссии о причинах нарушения баланса между биологическим и геологическим крутообигамы, однако катастрофические последствия этого и медленные темпы их устранения очевидны.
Сегодня ситуация аналогичная, но, в отличие от предыдущих эпох, причина ее известна: это деятельность человека - так называемый антропогенный фактор
Во-первых, это довольно сильное искусственное ускорение процессов выветривания осадочных и гранитных пород, связанное с добычей и переработкой полезных ископаемых, сжиганием угля, нефти, торфа, природного газа. В результате в атмосфере увеличивается содержание углекислого газа, оксидов серы, через кислотные дожди уменьшается рН почвы, что приводит к переходу многих элементов в растворенное состояние. Некоторые из них в больших концентрациях токсичны и опасны для живого (например, тяжелые металлы - медь, цинк, свинец). Процессы круговорота веществ в биологическом цикле замедляются - ведь гибнут носители живого вещества. Но чем больше элементов переходит в раствор, тем больше их вымывается в Мировой океан. Ускоренные темпы гибели биоты, замедленные темпы повторного использования доступных минеральных веществ, рост скорости их вымывание вызывают переобогащения Мирового океана биогенными элементами. Вследствие этого учащаются вспышки «цветение» океана микроскопическими водорослями, которые нередко бывают токсическими и подавляют развитие консументов, которые их потребляют. Так, по сравнению с прошлыми веками частота вспышек «цветения» в Мировом океане возросла в 50-130 раз! Все это ускоряет процессы извлечения из биосферы доступных биогенных веществ их консервации в донных отложениях.
Во-вторых, человек в процессе своей хозяйственной деятельности создает многочисленные вещества (например, пластмассы), которые в дальнейшем не могут быть ни использованы продуцентами, ни разложены доступные минеральных веществ редуцентами. Они образуют особую группу антропогенных «осадочных» пород - отходы нашей цивилизации, археологи почему-то назвали «культурным слоем». Эти отходы итоге будут трансформированы в литосфере в граниты и затем в процессе выветривания снова станут доступными для живого вещества, но произойдет это в геологических измерениях времени - через миллионы лет. Поэтому есть реальная угроза того, что доступные ресурсы биосферы могут быть переработаны на отходы быстрее, чем завершится цикл геологического круговорота. Что в этом случае произойдет с биосферой (в том числе и с человеком), предугадать несложно.
student.zoomru.ru
Энергетический баланс биосферы - соотношение между поглощаемой и излучаемой энергией. Определяется приходом энергии Солнца и космических лучей, которая усваивается растениями в ходе фотосинтеза, часть преобразуется в другие виды энергии и еще часть рассеивается в космическом пространстве.
Круговорот в биосфере - повторяющиеся процессы превращений и пространственных перемещений веществ, имеющие определенное поступательное движение, выражающееся в качественных и количественных различиях отдельных циклов.
Выделяют два вида круговорота:
большой (геологический) (круговорот веществ протекает от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет, включая в себя такие процессы, как круговорот воды и денудация суши. Денудация суши складывается из общего изъятия вещества суши (52990 млн.т/год), общего привноса вещества на сушу (4043 млн.т/год) и составляет 48947 млн.т/год. Антропогенное вмешательство ведет к ускорению денудации, приводя, например, к землетрясениям в зонах водохранилищ, построенных в сейсмоактивных районах)
малый (биотический) (круговорот вещества происходит на уровне биогеоценоза или биогеохимического цикла)
Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – C02. Источником является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних слоев земной коры.
Миграция C02 в биосфере Земли протекает двумя путями:
1-й путь закладывается в поглощение его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцы, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далёкие геологические эпохи сотни млн. лет назад значительная часть фотосинтетического органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах млн. лет, этот детрит под действием высоких t и P (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь (в зависимости от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах). Теперь в ограниченных количествах добывают это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определённом смысле завершают круговорот углерода.
По 2-му пути миграция С осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в h3CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где существуют растения, CO2 атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания CO2 в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.
Азот.
При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в Nh5, который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется в азотную кислоту. Она вступая в реакцию с находящимся в почве карбонатами (например с СаСО3), образует нитраты:
2HN03 + СаСО3 Са(NО3)2 + СО2 + Н20
Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигание дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать O2 от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Т.о., далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы возмещения потери азота. К таким процессам относятся прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращаясь в почве в нитраты. Другим источником попадания азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образования характерных вздутий — «клубеньков». Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важных элементов питания растений.
Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах P содержится в виде неорганического фосфатиона (PO43-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают PO43- из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме т.н. органического фосфата. По пищевым цепям P переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика вероятность окисления содержащегося P соединения в процессе клеточного дыхания для получения органической энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл. В отличие, например, от CO2, который, где бы он ни выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками, пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет «свободного возврата» в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.
Кислород. Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели.
В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.
Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.
studfiles.net
соотношение между поглощаемой и излучаемой энергией. Определяется приходом энергии Солнца и космических лучей, которая усваивается растениями в ходе фотосинтеза, часть преобразуется в другие виды энергии и еще часть рассеивается в космическом пространстве.
Состав воздуха. Внешне наша планета окружена оболочкой из воздуха. От земной поверхности она простирается вверх на несколько тысяч километров. Поэтому можно сказать, что мы живем на дне воздушного океана. Воздушную оболочку Земли называютатмосферой. Почему воздух не рассеивается в космическом пространстве? Его удерживает земное притяжение. Поэтому атмосфера вращается вместе с Землей как единое целое.
Атмосферный воздух - это смесь газов. В его состав входит 20 различных газов. Однако основными являются азот (78%) и кислород (21%). На другие приходится всего 1%. Такой состав газов почти везде на Земле одинаков до высоты 100 км.
Каждый из газов выполняет свою роль. Азотвходит в состав различных соединений, из которых состоят все живые существа.Кислороднеобходим всем живом для дыхания.Углекислый газ - "Утеплитель" Земли. К ней он пропускает солнечные лучи, а ее тепло задерживает.Озонав атмосфере очень мало. Однако на высоте 20-30 км он концентрируется и образует озоновый слой. Этот слой задерживает ультрафиолетовые солнечные лучи, губительные для всего живого.
Кроме того, в воздухе содержится водяной пар. Есть в нем и разныетвердые примеси:пыль, пепел от лесных пожаров и вулканических извержений, кристаллики льда и морской соли, сажа. Так, над пустынями в атмосфере много пыли, над океанами - кристалликов соли, над большими городами - сажи.
Нижней пределом атмосферы считают земную поверхность. Однако воздух проникает в поры и трещины горных пород. Оно есть в воде, почве, Живых организмах. В атмосфере воздуха распределено неравномерно: с высотой его количество уменьшается. Примерно 50% всей массы воздуха располагается высоты 5 км, и почти все (99,5%) - до высоты 80 км. У земной поверхности, где притяжения сильнее, воздух плотнее и тяжелее. С высотой оно становится более разреженным. Поэтому четкой верхней границы атмосфера не имеет. Условно ее проводят на высоте 3 000 км. Там атмосфера постепенно переходит в космическое пространство.
Строение атмосферы. Как можно рассмотреть строение атмосферы, если воздух прозрачен и внешне не отличается в разных ее частях? Выяснилось, что с высотой изменяется плотность, содержание водяного пара, температура и другие особенности воздуха. По этим признакам в атмосфере выделяют отдельные слои: тропосферу, стратосферу, верхние слои.
Тропосфера- Нижний (приземный) слой атмосферы. Его толща над полюсами составляет 9 км, в средних широтах - 11 км, над экватором - до 18 км. Тропосфера является плотным слоем: в ней сосредоточено около 80% всей массы воздуха. В тропосфере находится почти вся водяная пара, из которой образуются облака, а затем и осадки. Поэтому именно в тропосфере формируется погода Земли.
Стратосфераразмещается над тропосферой и простирается до высоты в 55 км. Воздух там очень разреженный. В нем почти нет примесей и водяного пара. Поэтому облака, как правило, отсутствуют. На высоте 20-30 км концентрируется газ озон, образуя озоновый слой. Он поглощает смертоносное ультрафиолетовые лучи Солнца, губительное для всего живого на Земле.
У верхних слоях атмосферывоздух так сильно разрежен, что почти не поглощает солнечное тепло и не рассеивает солнечный свет. Поэтому космонавты, пролетая там, видят небо не голубым, а черным. Там одновременно светят и Солнце, и звезды. Крайняя внешняя часть атмосферы составлена в основном из атомов кислорода, гелия и водорода. Они могут преодолевать земное притяжение и "ускользать" в космическое пространство.
studfiles.net
