Круговорот серы и фосфора - типичный осадочный био-геохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.[ ...]
Круговорот веществ и превращение энергии обеспечивают динамическое равновесие и устойчивость биосферы в целом и отдельных ее частей. При этом в общем едином круговороте выделяются круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (большой геологический круговорот), а также малый биотический круговорот веществ в твердой, жидкой и газообразной фазах, происходящий при участии живых организмов.[ ...]
Круговорот углерода. Углерод является одним из самых, наверное, часто упоминаемых химических элементов при рассмотрении геологических, биологических, а в последние годы и технических проблем.[ ...]
Круговорот веществ - это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере, в том числе и тех их слоях, которые входят в биосферу планеты. При этом выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биогенный и биохимический).[ ...]
Геологический и биологический круговороты в значительной степени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды - основным причинам всех экологических проблем человечества.[ ...]
Круговороты основных биогенных веществ и элементов. Рассмотрим круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов (рис. 3-8). Круговорот воды относится к большому геологическому; а круговороты биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов) - к малому биогеохимичес-кому.[ ...]
Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохи-мическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.[ ...]
Круговорот фосфора. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания горных пород.[ ...]
Круговороты газового типа более совершенны, так как обладают большим обменным фондом, а значит способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.[ ...]
Геологический круговорот четко проявляется на пример« круговорота воды и циркуляции атмосферы. По оценкам, до половины поступающей от Солнца энергии расходуется на испарение воды. Ее испарение с поверхности Земли компенсируется выпадением осадков. При этом из Океана воды испаряется больше, чем возвращается с осадками, а на суше происходит обратное - осадков выпадает больше, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда - снова в Океан. В процессе геологического круговорота неоднократно изменяется агрегатное состояние воды (жидкая; твердая - снег, лед; газообразная - пары). Наибольшая циркуляция ее наблюдается в парообразном состоянии. Наряду с водой в геологическом круговороте в масштабах всей планеты с одного места в другое переносятся иные минеральные вещества.[ ...]
Круговорот воды. В начале раздела был рассмотрен ее геологический круговорот. В основном он сводится к процессам испарения воды с поверхности Земли и Океана и выпадению на них осадков. В пределах отдельных экосистем протекают дополнительные процессы, усложняющие большой круговорот воды (перехват, эвапотранспирация и инфильтрация).[ ...]
Геологические циклы. Взаимное расположение и очертание континентов и океанского дна постоянно изменяются. В пределах верхних оболочек Земли происходит непрерывная постепенная замена одних пород другими, называемая большим круговоротом вещества. Геологические процессы образования и разрушения гор являются величайшими энергетическими процессами в биосфере Земли.[ ...]
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ (на Земле) - многократно повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер. Общий К.в. складывается из отдельных процессов (круговорот воды, азота, углерода и др. веществ и химических элементов), которые не являются полностью обратимыми, так как происходит рассеяние вещества, его изъятие, захоронение, изменение состава и т. п. Различают биологический, биоге-охимический, геологический К.в., а также круговороты отдельных химических элементов (рис. 15) и воды. Деятельность человека на современном этапе развития в основном повышает интенсивность К.в. и оказывает влияние, соизмеримое по мощности с масштабами естественных планетарных процессов.[ ...]
КРУГОВОРОТ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ - это перемещения и превращения химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. Такие в большей или меньшей степени замкнутые пути были названы В.И.Вернадским “биогеохимическими циклами". Эти циклы можно подразделить на два основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Во всех биогеохимических циклах активную роль играет живое вещество. По этому поводу В.И.Вернадский (1965, с. 127) писал: “Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действенная его энергия огромна. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени ”. К главным циклам можно отнести круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и биогенных катионов. Ниже рассмотрим в качестве примера основные черты круговорота типичных биофильных элементов (углерода, кислорода и фосфора), играющих существенную роль в жизни биосферы.[ ...]
Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) - круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.[ ...]
Из-за геологических изменений лика Земли часть вещества биосферы может исключаться из этого круговорота. Например, такие биогенные осадки, как каменный уголь, нефть на многие тысячелетия консервируются в толще земной коры, но в принципе не исключено их повторное включение в биосферный круговорот.[ ...]
Знание круговоротов веществ на Земле имеет большой практический смысл, так как они существенно влияют на жизнь человека и, в то же время, подвергаются влиянию со стороны человека. Последствия этих воздействий стали сравнимы с результатами геологических процессов. Возникают новые пути миграции элементов, появляются новые химические соединения, существенно изменяются скорости оборота веществ в биосфере.[ ...]
Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Этот круговорот в системе «магматические породы - осадочные породы - метаморфические породы (преобразованные температурой и давлением) - магматические породы» происходит за счет процессов магматизма, метаморфизма, литогенеза и динамики земной коры (рис. 6.2). Символом круговорота веществ является спираль: каждый новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.[ ...]
Большой геологический круговорот вовлекает осадочные породы вглубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них элементы из системы биологического круговорота. В ходе геологической истории преобразованные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются деятельностью живых организмов, воды и воздуха и снова включаются в биосферный круговорот.[ ...]
Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.[ ...]
Таким образом, геологический цикл и круговорот горных пород состоит из: 1) выветривания, 2) образования осадков, 3) образования осадочных пород, 4) метаморфизма, 5) магматизации. Выход на дневную поверхность магмы и образования магматических пород повторяет весь цикл сначала. Полный цикл может прерываться на различных стадиях (3 или 4) в том случае, если в результате тектонических поднятий и денудации горные породы выйдут на дневную поверхность и подвергнутся повторному выветриванию.[ ...]
Громадное значение имеет геологическая деятельность бактерий. Бактерии принимают самое активное участие в круговороте веществ в природе, Все органические соединения и значительная часть неорганических подвергаются при этом существенным изменениям. И этот круговорот веществ является основой существования жизни на Земле.[ ...]
В гидросфере приостановление круговорота углерода связано с включением СО2 в состав СаСОз (известняк, мел, кораллы). В данном варианте углерод выпадает из кругооборота на целые геологические эпохи и не включается в понятие биосферного. Однако поднятие органогенных пород выше уровня моря приводит к возобновлению круговорота углерода за счет выщелачивания известняков и им подобных пород атмосферными осадками, а также биогенным путем - воздействием лишайников, корней растений.[ ...]
Вывод части углерода из естественного круговорота экосистемы и «резервирование» в виде ископаемых запасов органического вещества в недрах Земли является важной особенностью рассматриваемого процесса. В далекие геологические эпохи значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась в виде детрита. Позже слои детрита были погребены под слоями различных минеральных осадков, где под действием высоких температур и давления за миллионы лет превратились в нефть, уголь и природный газ (в зависимости от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в земле). Подобные процессы протекают и в настоящее время, но значительно менее интенсивно. Их результат - образование торфа.[ ...]
ЦИКЛ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ [от гр. kyklos - круг], биогеохимический круговорот - носящие циклический характер процессы обмена и трансформации химического элемента между компонентами биосферы (от неорганической формы через живое вещество вновь в неорганическую). Совершается с использованием преимущественно солнечной энергии (iфотосинтез) и частично энергии химических реакций (хемосинтез). См. Круговорот веществ. Биологический круговорот веществ. Геологический круговорот веществ.[ ...]
Все отмеченные и многие другие оставшиеся «за кадром» встречные геологические процессы, грандиозные по своим конечным результатам, во-первых, взаимосвязаны и, во-вторых, являются тем главным механизмом, который обеспечивает развитие литосферы, не прекращающееся и по сей день, ее участие в постоянном круговороте и преобразовании вещества и энергии, поддерживает наблюдаемое нами физическое состояние литосферы.[ ...]
Все эти планетарные процессы на Земле тесно переплетены, образуя общий, глобальный круговорот веществ, перераспределяющий энергию, поступающую от солнца. Он осуществляется через систему малых круговоротов. К большим и малым круговоротам подключаются тектонические процессы, обусловленные вулканической деятельностью и движением океанических плит в земной коре. В результате на Земле осуществляется большой геологический круговорот веществ.[ ...]
Почваг является неотъемлемым компонентом наземных биогеоценозов. Она осуществляет сопряжение (взаимодействие) большого геологического и малого биологического круговоротов веществ. Почва - уникальное гГо сложности вещественного состава природное образование. Вещество почвы представлено четырьмя физическими фазами: твердой (минеральные и органические частицы), жидкой (почвенный раствор), газообразной (почвенный воздух) и живой (организмы). Для почв характерна сложная пространственная организация и дифференциация признаков, свойств и процессов.[ ...]
Благодаря непрестанному функционированию системы «атмосфера-почва-растения-животные-микроорганизмы» сложился био-геохимический круговорот многих химических элементов и их соединений, охватывающих сушу, атмосферу и внутриконтиненталь-ные воды. Его суммарные характеристики сопоставимы с суммарным речным стоком суши, суммарным поступлением вещества из верхней мантии в биосферу планеты. Именно поэтому живое вещество на Земле уже многие миллионы лет является фактором геологического значения.[ ...]
Биота биосферы обусловливает преобладающую часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.И.Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно (для разных круговоротов от 103 до 105) пропустили через себя, через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объем Мирового океана, ббльшую часть массы почв, огромную массу минеральных веществ. И не только «пропустили, но и в соответствии со своими потребностями видоизменили всю земную среду.[ ...]
Разумеется, исчерпаемы и все невозобновимые ресурсы. К ним относится подавляющее большинство ископаемых: горные материалы, руды, минералы, возникшие в геологической истории Земли, а также выпавшие из биотического круговорота и погребенные в недрах продукты древней биосферы - ископаемое топливо и осадочные карбонаты. Некоторые минеральные ресурсы и сейчас медленно образуются при геохимических процессах в недрах, глубинах океана или на поверхности земной коры. В отношении полезных ископаемых большое значение имеет доступность и качество ресурса, а также количественное соотношение межцу неизвестными, но предполагаемыми ресурсами (77), оцененными потенциальными (77), реальными разведанными (Р) и эксплуатационными (Э) запасами, причем обычно Н > П > Р > Э (рис. 6.6).[ ...]
Изучение океана как физической и химической системы продвигалось значительно быстрее, чем его изучение как биологической системы. Гипотезы о происхождении и геологической истории океанов, вначале спекулятивные, приобрели прочную теоретическую основу.[ ...]
Живые организмы являются в целом очень мощным регулятором потоков вещества на земной поверхности, избирательно удерживая те или иные элементы в биологическом круговороте. ’ Ежегодно в биологический круговорот азота вовлекается в 6-20 раз больше, чем в геологический, а фосфора - в 3-30 раз; в то же время сера, наоборот, вовлекается в 2-4 раза больше в геологический круговорот, чем в биологический (табл. 4).[ ...]
Сложная система обратных связей способствовала не только увеличению видовой дифференциации, но и формированию определенных природных комплексов, имеющих специфику в зависимости от условий среды и геологической истории той или иной части биосферы. Любая совокупность в биосфере закономерно взаимосвязанных организмов и неорганических компонентов среды, в которой осуществляется круговорот веществ, называется экологической системой или экосистемой.[ ...]
Синтетические детергенты (моющие средства, тензиды). Составляют обширную группу искусственных ПАВ, которые производятся во всем мире в огромных количествах. Эти вещества в больших объемах поступают в геологическую среду с бытовыми сточными водами. Большинство их не относится к токсикантам, однако синтетические детергенты способны разрушать различные экосистемы, нарушать естественные процессы геохимического круговорота веществ в грунтах и подземных водах.[ ...]
Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3 - 101в т), кристаллических породах (1,0 1016 т), в каменном угле и нефти (3,4 1015 т). Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются участвующими в малом (биогенном) круговороте относительно небольшими количествами углерода, содержащегося в растительных (5 10й т) и животных (5 109 т) тканях. Однако в настоящее время человек интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе углерода. Так, например, подсчитано, что суммарная биомасса всех домашних животных уже превышает биомассу всех диких наземных животных. Площади культивируемых растений приближаются к площадям естественных биогеоценозов, и многие культурные экосистемы по своей продуктивности, непрерывно повышаемой человеком, значительно превосходят природные.[ ...]
Попадая со сточными водами в водоемы, фосфат насыщает, а порой перенасыщает их экологические системы. Обратно на сушу фосфор в естественных условиях возвращается практически только с пометом и после гибели рыбоядных птиц. Абсолютное большинство фосфатов образует донные отложения, и круговорот вступает в свою самую замедленную фазу. Лишь геологические процессы, протекающие миллионы лет, реально могут поднять океанические отложения фосфатов, после чего возможно повторное включение фосфора в описанный круговорот.[ ...]
Величины, характеризующие годовой вынос отложений с каждого континента, приведены в табл. 17. Легко заметить, что наибольшая потеря почвы характерна для Азии - континента с самыми древними цивилизациями и наиболее сильной эксплуатацией земли. Хотя скорость процесса изменчива, в периоды минимальной геологической активности накопление растворенных минеральных питательных веществ происходит на низменностях и в океанах за счет возвышенных местностей. При этом особенно важное значение приобретают местные биологические механизмы возвращения, благодаря которым потеря веществ не превышает их поступления из подстилающих пород (об этом шла речь при рассмотрении круговорота кальция). Иными словами, чем дольше жизненно важные элементы будут оставаться в данной области, вновь и вновь используясь сменяющимися поколениями организмов, тем меньше нового материала потребуется извне. К сожалению, как мы уже заметили в разделе о фосфоре, человек часто нарушает это равновесие, обычно непреднамеренно, а просто потому, что до конца не понимает всей сложности развившегося за многие тысячелетия симбиоза между жизнью и неорганической материей. Например, сейчас предполагают (хотя это еще не доказано), что плотины, препятствующие ходу лососей в реки на нерест, приводят к сокращению численности не только лосося, но и непроходной рыбы, дичи и даже к уменьшению продукции древесины в некоторых северных областях Запада США. Когда лососи нерестятся и гибнут в глубине материка, они оставляют там запас ценных питательных веществ, возвращенный из моря. Удаление из леса больших масс древесины (причем содержащиеся в ней минеральные вещества не возвращаются в почву в отличие от того, что происходит в природе, когда упавшие деревья разлагаются), без сомнения, также обедняет нагорья, обычно в ситуациях, когда фонд питательных веществ и без того беден.[ ...]
Пятая функция - это биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории земного шара и заслуживает внимательного отношения и изучения. Таким образом, все живое население нашей планеты - живое вещество - находится в постоянном круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим круговоротом (рис. 12.20).[ ...]
Другим процессом, движущим углерод, является образование хумуса с помощью сапрофагов и последующую минерализацию вещества под действием грибов и бактерий. Это весьма медленный процесс, скорость которого обусловлена количеством кислорода, химическим составом почвы, ее температурой. При недостатке кислорода и высокой кислотности происходит накопление углерода в торфе. Аналогичные процессы в отдаленные геологические эпохи сформировали залежи угля и нефти, что останавливало процесс круговорота углерода.[ ...]
В качестве примера рассмотрим средообразующую роль лесной экосистемы. Продукция и биомасса леса являются запасами органического вещества и накопленной энергии, созданными в процессе фотосинтеза растениями. Интенсивность фотосинтеза определяет скорость поглощения диоксида углерода и выделения кислорода в атмосферу. Так, при образовании 1 т растительной продукции в среднем поглощается 1,5- 1,8 т СО2 и выделяется 1,2-1,4 т 02. Биомасса, включая и мертвое органическое вещество, - основной резервуар биогенного углерода. Часть этого органического вещества выводится из круговорота на длительное время, образуя геологические отложения.[ ...]
Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) - великий русский ученый, академик, основатель биогеохимии и учения о биосфере. Его по праву относят к числу крупнейших универсалистов мировой науки. Научные интересы В.И. Вернадского чрезвычайно широки. Он внес существенный вклад в минералогию, геохимию, радиогеологию, кристаллографию; провел первые исследования закономерностей состава, строения и миграции взаимодействующих элементов и структур земной коры, гидросферы и атмосферы. В 1923 г. сформулировал теорию о ведущей роли живых организмов в геохимических процессах. В 1926 г. в книге «Биосфера» В.И. Вернадский выдвинул новую концепцию биосферы и роли живого вещества в космическом и земном круговороте веществ. Преобразования природы в результате человеческой, деятельности видятся В.И. Вернадскому как мощный планетарный процесс («Научная мысль как геологическое явление», 1936) и как возможность перерастания биосферы в ноосферу - сферу разума.
Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:
1) Большой (геологический или абиотический);
2) Малый (биотический, биогенный или биологический).
Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Время круговорота воды в ледниках 8 000 лет, в реках - 11 дней. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.
Большой, геологический круговорот в биосфере характеризуется двумя важными моментами:
а) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;
б) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.
На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества - оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.
Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут , что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.
В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды - главнейшие загрязнители атмосферы ), а также фосфора (фосфаты -главный загрязнитель материковых вод) . Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков.
В настоящее время большое значение имеют круговороты ксенобиотиков - токсичных элементов - ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина) . Кроме того, из большого круговорота в малый поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.
Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - созидания органического вещества и его разрушения живым веществом.
В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты .
Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительность и животных обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом .
Настоящее и будущее нашей планеты зависит от участия живых организмов в функционировании биосферы. В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.
Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи. Интенсивность продукционных и деструкционных процессов в биологическом круговороте зависит от количества тепла и влаги. Например, низкая скорость разложения органического вещества полярных районов зависит от дефицита тепла.
Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. Интенсивность характеризуется индексом , равным отношению массы лесной подстилки к опаду. Чем больше индекс, тем меньше интенсивность круговорота.
Индекс в хвойных лесах - 10 - 17; широколиственных 3 - 4; саванне не более 0,2; влажных тропических лесах не более 0,1 , т.е. здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.
Поток элементов (азота, фосфора, серы) через микроорганизмы на порядок выше, чем через растения и животных. Биологический круговорот не является полностью обратимым, он тесно связан с биогеохимическим круговоротом. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота:
поглощаются живым веществом и заряжаются энергией;
покидают живое вещество, выделяя энергию во внешнюю среду.
Эти циклы бывают двух типов: круговорот газообразных веществ; осадочный цикл (резерв в земной коре).
Сами круговороты состоят из двух частей:
- резервного фонда (это часть вещества, не связанная с живыми организмами);
- подвижного (обменного) фонда (меньшая часть вещества, связанная с прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).
Круговороты делят на:
Круговороты газового типа с резервным фондом в земной коре (круговороты углерода, кислорода, азота) - способны к быстрой саморегуляции;
Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.) - более инертны, основная масса вещества находится в «недоступном» живым организмам виде.
Круговороты также можно разделить на:
- замкнутые (круговорот газообразных веществ, например, кислорода, углерода и азота - резерв в атмосфере и гидросфере океана, поэтому нехватка быстро компенсируется);
- незамкнутые (создающие резервный фонд в земной коре, например, фосфор - поэтому потери плохо компенсируются, т.е. создается дефицит).
Энергетической основой существования биологических круговоротов на Земле и их начальным звеном является процесс фотосинтеза. Каждый новый цикл круговорота не является точным повторением предыдущего. Например, в ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, в результате чего происходило образование и накопление биогенных осадков, увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т.д.
Циркуляцию веществ принято называть биогеохимическими циклами . Основные биогеохимические (биосферные) циклы веществ: цикл воды, цикл кислорода, цикл азота (участие бактерий-азотфиксаторов), цикл углерода (участие аэробных бактерий; ежегодно около 130 т углерода сбрасывается в геологический цикл), цикл фосфора (участие почвенных бактерий; ежегодно в океаны вымывается 14 млн.т фосфора), цикл серы, цикл катионов металлов.
Большой круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.
Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму - источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.
Движущей силой большого (геологического) круговорота являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.
Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) происходят под влиянием внутренней энергии Земли, выделяющейся в результате радиоактивного распада, химических реакций образования минералов, кристаллизации горных пород и др. (например, тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм).
Экзогенные процессы (процессы внешней динамики) протекают под влиянием внешней энергии Солнца. Примеры: выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. К Экз.пр. относ. геологическая деятельность атмосферы, гидросферы, а также живых организмов и человека.
Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы рельефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), наложенные на более крупные формы – за счет экзогенных процессов. Таким образом, эндогенные и экзогенные процессы – противоположны. Первые ведут к образованию крупных форм рельефа, вторые к их сглаживанию.
Примеры геологического круговорота. Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные. В подвижных зонах земной коры они погружаются в глубь Земли. Там под влиянием высоких температур и давлений переплавляются и образуют магму, которая, поднимаясь на поверхность и, застывая, образует магматические породы.
Примером большого круговорота может служить и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Общепринятая схема гидрологического (климатического)
круговорота воды в природе
Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана - конденсация водяного пара - выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.
Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.
Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.
До возникновения биосферы на Земле были три круговорота веществ: минеральный круговорот - перемещение магматических продуктов из глубин на поверхность и обратно ; газовый круговорот - циркуляция воздушных масс, периодически разогреваемых Солнцем, круговорот воды - испарение воды и перенос ее воздушными массами, выпадение осадков (дождь, снег). Эти три круговорота объединяют единым термином - геологический (абиотический) круговорот. С появлением жизни к газовому, минеральному и водному круговоротам добавился биотический (биогенный) круговорот - круговорот химических элементов, осуществляемый жизнедеятельностью организмов. Вместе с геологическим образовался единый биогеохимический круговорот веществ на Земле.
Геологический круговорот.
Около половины достигающей поверхности Земли солнечной энергии расходуется на испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов, перемещение воздушных масс и вместе с ними паров воды, пыли, твердых частиц выветривания.
Движение воды и ветра приводит к эрозии почв, перемещению, перераспределению и накоплению механических и химических осадков в гидросфере и литосфере. Данный круговорот происходит и в настоящее время.
Большой интерес представляет круговорот воды. Из гидросферы за один год испаряется примерно 3,8 10 14 т воды, а возвращается с осадками в водную оболочку Земли только 3,4 10 14 т воды. Недостающая часть выпадает на сушу. Всего осадков на сушу выпадает около 1 10 14 т, а испаряется примерно 0,6 10 14 т воды. Излишки воды, образующиеся в литосфере, стекают в озера и реки, а затем в Мировой океан (рис. 2.4). Поверхностный сток равен примерно 0,2 10 14 т, оставшиеся 0,2 10 14 т воды поступают в подпочвенные водоносные горизонты, откуда вода поступает в реки, озера и океан, а также пополняет резервуары грунтовых вод .
биотический круговорот . В его основе лежат процессы синтеза органических веществ с последующим их разрушением на исходные минералы. Процессы синтеза и разрушения органических веществ являются фундаментом существования живого вещества и основной особенностью функционирования биосферы.
Жизнедеятельность любого организма невозможна без обмена веществ с окружающей средой. В процессе обмена организм потребляет и усваивает необходимые вещества и выделяет отходы жизнедеятельности, размеры нашей планеты не бесконечны, и в конечном итоге все полезное вещество было бы переработано в бесполезные отбросы. Однако в процессе эволюции был найден великолепный выход: кроме организмов, умеющих строить живое вещество из неживого, появились и другие организмы, разлагающие это сложное органическое вещество на исходные минералы, готовые к новому использованию. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойства бесконечного, - писал В.Р. Вильямс, - это заставить его вращаться по замкнутой кривой».
Механизм взаимодействия живой и неживой природы состоит из вовлечения неживой материи в область жизни. После ряда превращений неживой материи в живых организмах происходит возврат ее в прежнее исходное состояние. Такой круговорот возможен из-за того, что живые организмы содержат те же химические элементы, что и неживая природа.
Как же происходит такой круговорот? В. И. Вернадский обосновал, что главным преобразователем энергии, поступающей из космоса (в основном солнечной), является зеленое вещество растений. Только они способны синтезировать первичные органические соединения под воздействием солнечной энергии. Ученый подсчитал, что общая площадь поверхности зеленого вещества растений, поглощающей энергию, в зависимости от времени года составляет от 0,86 до 4,2% от площади поверхности Солнца. В то же время площадь поверхности Земли
Животные, пищей для которых являются растения или другие животные, синтезируют в своем организме новые органические соединения.
Останки животных и растений служат пищей для червей, грибков и микроорганизмов, которые в конечном итоге превращают их в исходные минералы, выделяя при этом углекислый газ. Эти минералы вновь служат первоначальным сырьем для создания первичных органических соединений растениями. Так круг замыкается и начинается новое движение атомов.
Вместе с тем круговорот веществ не является абсолютно замкнутым. Часть атомов выходит из круговорота, закрепляется и организуется новыми формами живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Проникая в литосферу, гидросферу и тропосферу, живые организмы производили и производят огромную геохимическую работу по перемещению и перераспределению имеющихся веществ и созданию новых. В этом суть поступательного развития биосферы, так как при этом расширяется сфера биогеохимических циклов и укрепляется биосфера. Как отмечал В. И. Вернадский, в биосфере наблюдается постоянное биогенное движение атомов в виде «вихрей».
В отличие от геологического биотический круговорот характеризуется незначительным потреблением энергии. Как уже отмечалось, на создание первичного органического вещества расходуется около 1% солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. Этой энергии достаточно для функционирования сложнейших биогеохимических процессов на планете.
Геологический кругооборот веществ имеет наибольшую скорость в горизонтальном направлении между сушей и морем. Смысл большого кругооборота в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан с образованием морских напластований и возвращаются на сушу лишь частично, например, с осадками или с извлеченными человеком из воды организмами. Далее в течение длительного временного отрезка протекают медленные геотектонические изменения - движение материков, поднятие и опускание морского дна, вулканические извержения и т.д., в результате которых образовавшиеся напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
Большой геологический круговорот вещества. Под действием денудационных процессов происходит разрушение горных пород и осадконакопление. Образуются осадочные породы. В областях устойчивого погружения (обычно это океаническое дно) вещество географической оболочки входит в глубокие слои Земли. Далее под действием температуры и давления идут метаморфические процессы, в результате которых образуются горные породы, вещество продвигается ближе к центру Земли. В недрах Земли в условиях очень высоких температур происходит магматизм: породы плавятся, поднимаются в виде магмы по разломам к земной поверхности и выливаются на поверхность при извержениях. Таким образом, осуществляется круговорот вещества. Геологический круговорот осложняется, если учитывать обмен веществом с космическим пространством. Большой геологический круговорот не является замкнутым в том смысле, что какая-то частица вещества, попавшая в недра Земли, совсем не обязательно выйдет на поверхность, и наоборот, частица, поднимающаяся при извержении, могла никогда раньше не находиться на земной поверхности
Основные источники энергии природных процессов на Земле
Излучение Солнца - основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной - количеством энергии, проходящей через площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли) эта постоянная равна приблизительно 1370 Вт/м².
Живые организмы используют энергию Солнца (фотосинтез) и энергию химических связей (хемосинтез). Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Треть всей энергии отражается атмосферой, 0,02 % используется растениями для фотосинтеза, а остальное на поддержание многих природных процессов – обогрев земли, океана, атмосферы движение возд. масс. Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Путём фотосинтеза была в далёком прошлом получена и энергия, запасённая в нефти и других видах ископаемого топлива.
Это огромная энергия ведет к всеобщему потеплению,потому что после того,как прошла через природные процессы излучается обратно и атмосфера не дает ей уйти обратно.
2. Внутренняя энергия Земли; проявление – вулканы, горячие источники
18. Преобразования энергии биотического и абиотического происхождения
В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в свою очередь перерабатываются редуцентами.
Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню.
Организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью.
Пирамиды энергетических потоков: С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.
Правило 10%: при переходе с одного трофического уровня на другой 90% энергии теряется, и 10% передается на следующий уровень.
Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной энергии. Поэтому длина пищевой цепи обычно не превышает 4 - 5 звеньев.
Энергетика ландшафтной сферы Земли:
1) солнечная энергия: тепловая, лучистая
2) поток тепловой энергии из недр Земли
3) энергия приливных течений
4) тектоническая энергия
5) ассимиляция энергии при фотосинтезе
Круговорот воды в природе
Круговорот воды в природе – процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков (атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично - просачиваются в землю и образуют подземные воды), а также процессы дегазации мантии: из мантии непрервыно поступает вода. вода обнаружена даже на огромной глубине.
Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше - положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.
75% поверхности Земли покрыты водой. Водная оболочка Земли – гидросфера. Большую ее часть составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую - пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар.
На земле вода существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов.
Различают несколько видов круговоротов воды в природе:
Большой, или мировой, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная - очищается.
Малый, или океанический, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан.
Внутриконтинентальный круговорот - вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадают на сушу в виде атмосферных осадков.
В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана.
Скорость переноса различных видов воды изменяется в широких пределах, так и периоды расходов, и периоды обновления воды также разные. Они изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды из океанов, морей и суши и существует в виде облаков, обновляется в среднем через восемь дней.
Воды, входящих в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1 600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше - около 9 700 лет.
Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно через 2 700 лет.
Эффекты взаимодействия солнечного излучения, движущейся и вращающейся земли.
В данном вопросе следует рассмотреть сезонную переменчивость: зима/лето. Расписать, что из-за вращения и движения Земли, солнечное излучение поступает неравномерно, а значит, климатические условия меняются с широтой.
Земля наклонена к плоскости эклиптики 23,5 градуса.
Лучи проходят под разными углами. Радиационный баланс. Важно не только, сколько получает,но и сколько теряет, и сколько остается с учетом альбедо.
Центры действия атмосферы
Крупные области устойчивого высокого или низкого давления, связанные с общей циркуляцией атмосферы – центры действия атмосферы . Они определяют господствующее направление ветров и служат очагами формирования географических типов воздушных масс. На синоптических картах они выражаются замкнутыми линиями – изобарами.
Причины : 1) неоднородность Земли;
2) различие физ. свойств суши и воды (теплоемкость)
3) различие в альбедо поверхностей (R/Q): вода – 6%, экв. леса – 10-12%, шир.леса – 18%, луг – 22-23%, снег – 92%;
4) F Кориолиса
Это вызывает ОЦА.
Центры действия атмосферы :
● перманентные – в них высокое или низкое давление существует круглый год:
1. экваториальная полоса пониж. давления, ось которой несколько мигрирует от экватора вслед за Солнцем в сторону летнего полушария - Экваториальная депрессия (причины: большое количество Q и океаны);
2. по одной субтропической полосе повыш. давления в Сев. и Юж. полушарии; несколько мигрируют летом в более высокие субтропич. широты, зимой - в более низкие; распадаются на ряд океанич. антициклонов: в Сев. полушарии - Азорский антициклон (особенно летом) н Гавайский; в Юж.- Южно-Индийский, Южно-Тихоокеанский и Южно-Атлантический;
3. области пониж. давления над океанами в высоких широтах умеренных поясов: в Сев. полушарии - Исландский (особенно зимой) и Алеутский минимумы, в Юж.- сплошное кольцо пониженного давления, окружающее Антарктиду (50 0 ю.ш.);
4. области повыш. давления над Арктикой (особенно зимой) и Антарктидой – антициклоны;
● сезонные – прослеживаются как области высокого или низкого давления на протяжении одного сезона, сменяясь в другой сезон на центр действий атмосферы противоположного знака. Их существование связано с резким изменением в течение года темп-ры поверхности суши по отношению к темп-ре поверхности океанов; летний перегрев суши создаёт благоприятные условия для формирования здесь областей пониж. давления, зимнее переохлаждение - для областей повыш. давления. В Сев. полушарии к зимним областям повыш. давления относятся Азиатский (Сибирский) с центром в Монголии и Канадский максимумы, в Юж.- Австралийский, Южно-Американский и Южно-Африканский максимумы. Летние области пониж. давления: в Сев. полушарии - Южно-Азиатский (или Переднеазиатский) и Северо-Американский минимумы, в Юж. - Австралийский, Южно-Американский и Южно-Африканский минимумы).
Центрам действия атмосферы присущ определенный тип погоды. Поэтому воздух здесь сравнительно быстро приобретает свойства подстилающей поверхности – жаркий и влажный в Экваториальной депрессии, холодный и сухой в Монгольском антициклоне, прохладный и влажный в Исландском минимуме и т.д.
Планетарный теплообмен и его причины
Основные черты планетарного теплообмена . Солнечная энергия, поглощаемая поверхностью земного шара, расходуется затем на испарение и перенос тепла турбулентными потоками. На испарение уходит в среднем по всей планете около 80%, а на турбулентный теплообмен - остальные 20% от общего тепла.
Процессы теплообмена и изменения с географической широтой его составляющих в океане и на суше отличаются большим своеобразием. Все тепло, поглощаемое сушей весной и летом, полностью теряется осенью и зимой; при сбалансированном годовом бюджете тепла он, следовательно, повсеместно оказывается равным нулю.
В Мировом океане благодаря большой теплоемкости воды и ее подвижности в низких широтах происходит накопление тепла, откуда оно переносится течениями в высокие широты, где расходование его превышает поступление. Таким образом покрывается дефицит, создающийся в теплообмене воды с воздухом.
В экваториальной зоне Мирового океана при большой величине поглощаемой солнечной радиации и пониженном расходовании энергии годовой бюджет тепла имеет максимальные положительные значения. С удалением от экватора положительный годовой бюджет тепла уменьшается из-за увеличения расходных составляющих теплообмена, главным образом испарения. С переходом от тропиков к умеренным широтам бюджет тепла становится отрицательным.
В пределах суши все тепло, получаемое в весенне-летнее время, расходуется в осенне-зимний период. В водах же Мирового океана за долгую историю Земли накопилось огромное количество тепла равное 7,6 * 10^21 ккал. Аккумуляция столь большой массы объясняется высокой теплоемкостью воды и ее интенсивным перемешиванием, в процессе которого происходит довольно сложное перераспределение тепла в толще океаносферы. Теплоемкость всей атмосферы в 4 раза меньше, чем у десятиметрового слоя вод Мирового океана.
Несмотря на то что удельный вес солнечной энергии, идущей на турбулентный теплообмен между поверхностью Земли и воздухом, сравнительно невелик, он является основным источником нагревания приповерхностной части атмосферы. Интенсивность этого теплообмена зависит от разности температур между воздухом и подстилающей поверхностью (водой или сушей). В низких широтах планеты (от экватора примерно до сороковых широт обоих полушарий) воздух нагревается главным образом от суши, неспособной аккумулировать солнечную энергию и отдающей все получаемое тепло атмосфере. За счет турбулентного теплообмена воздушная оболочка получает от 20 до 40 ккал/см^2 в год, а в областях с малым увлажнением (Сахара, Аравия и др.) - даже более 60 ккал/см^2. Воды же в этих широтах накапливают тепло, отдавая воздуху в процессе турбулентного теплообмена лишь 5-10 ккал/см^2 в год и менее. Только в отдельных районах (ограниченной площади) вода в среднем за год оказывается холоднее и потому получает тепло от воздуха (в экваториальной зоне, на северо-западе Индийского океана, а также у западного побережья Африки и Южной Америки).
