Di biosfer terdapat siklus zat global (besar, atau geologis), yang sudah ada sebelum munculnya organisme hidup pertama. Berbagai macam unsur kimia terlibat di dalamnya. Siklus geologi terjadi karena jenis energi matahari, gravitasi, tektonik, dan kosmik.
Dengan munculnya materi hidup, berdasarkan siklus geologi, muncullah siklus bahan organik - siklus kecil (biotik, atau biologis).
Daur biotik zat adalah proses pergerakan dan transformasi zat yang berkesinambungan, bersiklus, tidak merata dalam ruang dan waktu, yang terjadi dengan partisipasi langsung organisme hidup.
Ini adalah proses berkelanjutan penciptaan dan penghancuran bahan organik dan diwujudkan dengan partisipasi ketiga kelompok organisme: produsen, konsumen dan pengurai. Sekitar 40 elemen biogenik terlibat dalam siklus biotik. Siklus karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, fosfor, belerang, besi, kalium, kalsium dan magnesium sangat penting bagi organisme hidup.
Seiring berkembangnya materi hidup, semakin banyak unsur yang terus-menerus dikeluarkan dari siklus geologi dan memasuki siklus biologis yang baru. Total massa zat abu yang terlibat setiap tahunnya dalam siklus biotik zat di darat saja adalah sekitar 8 miliar ton. Jumlah ini beberapa kali lebih besar dibandingkan massa produk yang dihasilkan oleh letusan seluruh gunung berapi di dunia sepanjang tahun. Laju peredaran materi di biosfer berbeda-beda. Materi hidup di biosfer diperbarui rata-rata setiap 8 tahun, dan massa fitoplankton di lautan diperbarui setiap hari. Semua oksigen di biosfer melewati materi hidup dalam 2000 tahun, dan karbon dioksida – dalam 300 tahun.
Dalam ekosistem, terjadi siklus biotik lokal, dan di biosfer, terjadi siklus biogeokimia migrasi atom, yang tidak hanya menghubungkan ketiga kulit terluar planet ini menjadi satu kesatuan, tetapi juga menentukan evolusi komposisinya yang berkelanjutan.
¯ ¯
HIDROSFER SUASANA
ZAT HIDUP
TANAH
Biosfer muncul bersamaan dengan munculnya organisme hidup pertama sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu. Seiring berkembangnya kehidupan, kehidupan pun berubah. Tahapan evolusi biosfer dapat dibedakan dengan memperhatikan karakteristik jenis ekosistemnya.
1. Muncul dan berkembangnya kehidupan di air. Tahapan tersebut dikaitkan dengan keberadaan ekosistem perairan. Tidak ada oksigen di atmosfer.
2. Munculnya makhluk hidup ke darat, berkembangnya lingkungan darat-udara dan tanah serta munculnya ekosistem darat. Hal ini dimungkinkan berkat munculnya oksigen di atmosfer dan lapisan ozon. Terjadi 2,5 miliar tahun yang lalu.
3. Kemunculan manusia, transformasinya menjadi makhluk biososial dan munculnya antropoekosistem terjadi 1 juta tahun yang lalu.
4. Transisi biosfer di bawah pengaruh aktivitas cerdas manusia ke keadaan kualitatif baru - ke noosfer.
Noosfer
Tahap tertinggi dalam perkembangan biosfer adalah noosfer - tahap pengaturan wajar hubungan antara manusia dan alam. Istilah ini diperkenalkan pada tahun 1927 oleh filsuf Perancis E. Leroy. Dia percaya bahwa noosfer mencakup masyarakat manusia dengan industri, bahasa, dan atribut aktivitas cerdas lainnya. Pada usia 30-40an. abad XX V.I. Vernadsky mengembangkan gagasan materialistis tentang noosfer. Ia percaya bahwa noosfer muncul sebagai hasil interaksi biosfer dan masyarakat, diatur oleh hubungan erat antara hukum alam, pemikiran dan hukum sosial ekonomi masyarakat, dan menekankan bahwa
noosphere (bidang nalar) adalah tahap perkembangan biosfer ketika aktivitas cerdas manusia akan menjadi faktor penentu utama dalam pembangunan berkelanjutan.
Noosfer adalah tahap biosfer baru yang tertinggi, terkait dengan kemunculan dan perkembangan umat manusia di dalamnya, yang, dengan mempelajari hukum alam dan meningkatkan teknologi, menjadi kekuatan terbesar yang skalanya sebanding dengan kekuatan geologis, dan mulai memiliki a pengaruh yang menentukan terhadap jalannya proses di Bumi, mengubahnya secara mendalam melalui kerja keras Anda. Pembentukan dan perkembangan umat manusia tercermin dalam munculnya bentuk-bentuk baru pertukaran materi dan energi antara masyarakat dan alam, dalam semakin meningkatnya dampak manusia terhadap biosfer. Noosfer akan terjadi ketika umat manusia, dengan bantuan ilmu pengetahuan, akan mampu mengendalikan proses alam dan sosial secara bermakna. Oleh karena itu, noosfer tidak dapat dianggap sebagai cangkang khusus bumi.
Ilmu yang mengatur hubungan antara masyarakat manusia dan alam disebut noogenik.
Tujuan utama noogenik adalah merencanakan masa kini demi masa depan, dan tugas utamanya adalah memperbaiki pelanggaran hubungan antara manusia dan alam yang disebabkan oleh kemajuan teknologi, dan mengelola evolusi biosfer secara sadar. Pemanfaatan sumber daya alam yang terencana dan berlandaskan ilmu pengetahuan harus dibentuk, yang menyediakan pemulihan siklus zat-zat yang telah diganggu oleh manusia, sebagai lawan dari sikap predator yang spontan terhadap alam, yang menyebabkan kerusakan lingkungan. Hal ini memerlukan pembangunan berkelanjutan dalam masyarakat yang mampu memenuhi kebutuhan masa kini tanpa mengorbankan kemampuan generasi mendatang dalam memenuhi kebutuhannya.
Saat ini planet telah terbentuk bioteknosfer adalah bagian dari biosfer yang telah diubah secara radikal oleh manusia menjadi struktur teknik dan teknis: kota, pabrik dan pabrik, tambang dan pertambangan, jalan, bendungan dan waduk, dll.
BIOSFER DAN MANUSIA
Biosfer bagi manusia adalah habitat dan sumber sumber daya alam.
Sumber daya alam – benda dan fenomena alam yang dimanfaatkan manusia dalam proses persalinan. Mereka memberi seseorang makanan, pakaian, dan tempat tinggal. Menurut tingkat kelelahannya, mereka dibagi menjadi habis-habisnya dan tidak habis-habisnya . Habis sumber daya dibagi menjadi terbarukan Dan tidak terbarukan . Sumber daya tak terbarukan mencakup sumber daya yang tidak dapat diperbarui (atau diperbarui ratusan kali lebih lambat dibandingkan konsumsinya): minyak, batu bara, bijih logam, dan sebagian besar mineral. Sumber daya alam terbarukan - tanah, flora dan fauna, mineral (garam meja). Sumber daya ini terus-menerus dipulihkan pada tingkat yang berbeda-beda: hewan - beberapa tahun, hutan - 60-80 tahun, tanah yang kehilangan kesuburan - selama beberapa milenium. Melebihi tingkat konsumsi dibandingkan tingkat reproduksi menyebabkan hilangnya sumber daya sepenuhnya.
Tidak ada habisnya sumber daya meliputi air, iklim (energi atmosfer udara dan angin) dan ruang angkasa: radiasi matahari, energi pasang surut air laut. Namun, meningkatnya pencemaran lingkungan memerlukan penerapan langkah-langkah lingkungan untuk melestarikan sumber daya ini.
Pemenuhan kebutuhan manusia tidak mungkin terpikirkan tanpa eksploitasi sumber daya alam.
Segala jenis aktivitas manusia di biosfer dapat digabungkan menjadi empat bentuk.
1. Perubahan struktur permukaan bumi(membajak tanah, mengeringkan badan air, menebang hutan, membangun kanal). Kemanusiaan menjadi kekuatan geologis yang kuat. Manusia menggunakan 75% lahan, 15% air sungai, 20 hektar hutan ditebang setiap menit.
· Perubahan geologi dan geomorfologi – intensifikasi proses pembentukan jurang, kemunculan dan frekuensi semburan lumpur dan tanah longsor.
· Perubahan kompleks (lanskap) – pelanggaran integritas dan struktur alami lanskap, keunikan monumen alam, hilangnya lahan produktif, penggurunan.
Sirkulasi geologi zat memiliki kecepatan tertinggi pada arah horizontal antara darat dan laut. Yang dimaksud dengan peredaran besar adalah batuan mengalami kerusakan, pelapukan, dan hasil pelapukan, termasuk unsur hara yang larut dalam air, terbawa oleh aliran air ke Samudera Dunia dengan terbentuknya strata laut dan kembali ke daratan hanya sebagian saja, misalnya , dengan curah hujan atau organisme yang diambil dari air oleh manusia. Kemudian, dalam jangka waktu yang lama, terjadi perubahan geotektonik yang lambat - pergerakan benua, naik turunnya dasar laut, letusan gunung berapi, dll., akibatnya strata yang terbentuk kembali ke daratan dan prosesnya dimulai lagi. .
Siklus geologi materi yang besar. Di bawah pengaruh proses penggundulan, terjadi penghancuran batuan dan sedimentasi. Batuan sedimen terbentuk. Di daerah dengan penurunan permukaan tanah yang stabil (biasanya dasar laut), material cangkang geografis memasuki lapisan dalam bumi. Selanjutnya, di bawah pengaruh suhu dan tekanan, terjadi proses metamorf, akibatnya terbentuklah batuan, materi bergerak mendekati pusat bumi. Di kedalaman bumi, dalam kondisi suhu yang sangat tinggi, terjadi magmatisme: batuan mencair, naik dalam bentuk magma sepanjang patahan ke permukaan bumi dan keluar ke permukaan saat terjadi letusan. Dengan demikian, terjadilah siklus materi. Siklus geologi menjadi lebih rumit jika kita memperhitungkan pertukaran materi dengan luar angkasa. Siklus besar geologi tidak tertutup dalam artian beberapa partikel materi yang jatuh ke dalam perut bumi belum tentu muncul ke permukaan, begitu pula sebaliknya, partikel yang naik pada saat terjadi letusan belum tentu pernah sampai ke permukaan bumi sebelumnya.
Sumber energi utama untuk proses alam di bumi
Radiasi Matahari merupakan sumber energi utama di Bumi. Kekuatannya dicirikan oleh konstanta matahari - jumlah energi yang melewati satuan luas yang tegak lurus terhadap sinar matahari. Pada jarak satu unit astronomi (yaitu, dalam orbit Bumi), konstanta ini kira-kira 1370 W/m².
Organisme hidup menggunakan energi matahari (fotosintesis) dan energi ikatan kimia (kemosintesis). Energi ini dapat digunakan dalam berbagai proses alami maupun buatan. Sepertiga dari seluruh energi dipantulkan oleh atmosfer, 0,02% digunakan oleh tumbuhan untuk fotosintesis, dan sisanya digunakan untuk memelihara banyak proses alami - pemanasan bumi, lautan, atmosfer, pergerakan udara. berat. Pemanasan langsung dengan sinar matahari atau konversi energi menggunakan fotosel dapat digunakan untuk menghasilkan listrik (pembangkit listrik tenaga surya) atau melakukan pekerjaan bermanfaat lainnya. Di masa lalu, energi yang tersimpan dalam minyak dan jenis bahan bakar fosil lainnya juga diperoleh melalui fotosintesis.
Energi yang sangat besar ini menyebabkan pemanasan global, karena setelah melalui proses alami, energi tersebut terpancar kembali dan atmosfer tidak memungkinkannya untuk kembali.
2. Energi dalam bumi; manifestasi – gunung berapi, sumber air panas
18. Transformasi energi yang berasal dari biotik dan abiotik
Dalam ekosistem alami yang berfungsi, limbah tidak ada. Semua organisme, hidup atau mati, berpotensi menjadi makanan bagi organisme lain: ulat memakan dedaunan, sariawan memakan ulat, elang dapat memakan burung hitam. Tanaman, ulat, sariawan, dan elang yang mati akan diproses oleh pengurai.
Semua organisme yang menggunakan jenis makanan yang sama termasuk dalam organisme yang sama tingkat trofik.
Organisme dalam ekosistem alami terlibat dalam jaringan kompleks dari banyak rantai makanan yang saling berhubungan. Jaringan seperti ini disebut jaringan makanan.
Piramida aliran energi: Dengan setiap transisi dari satu tingkat trofik ke tingkat trofik lainnya dalam rantai atau jaringan makanan, pekerjaan dilakukan dan energi panas dilepaskan ke lingkungan, dan jumlah energi berkualitas tinggi yang digunakan oleh organisme pada tingkat trofik berikutnya berkurang.
Aturan 10%: Ketika berpindah dari satu tingkat trofik ke tingkat trofik lainnya, 90% energi hilang dan 10% dipindahkan ke tingkat berikutnya.
Semakin panjang rantai makanan, semakin banyak energi berguna yang hilang. Oleh karena itu, panjang rantai makanan biasanya tidak melebihi 4 - 5 mata rantai.
Energi lanskap bumi:
1) energi matahari: panas, radiasi
2) aliran energi panas dari perut bumi
3) energi arus pasang surut
4) energi tektonik
5) asimilasi energi selama fotosintesis
Siklus air di alam
Daur air di alam merupakan proses peredaran air di biosfer bumi. Ini terdiri dari penguapan, kondensasi dan presipitasi (curah hujan atmosfer sebagian menguap, sebagian membentuk saluran dan reservoir sementara dan permanen, sebagian merembes ke dalam tanah dan membentuk air tanah), serta proses degassing mantel: air terus mengalir dari mantel . air telah ditemukan bahkan di kedalaman yang sangat dalam.
Lautan kehilangan lebih banyak air karena penguapan dibandingkan dengan yang diterimanya melalui curah hujan; di darat keadaannya justru sebaliknya. Air terus bersirkulasi di seluruh dunia, sementara jumlah totalnya tidak berubah.
75% permukaan bumi ditutupi air. Cangkang air bumi adalah hidrosfer. Sebagian besar merupakan air asin dari laut dan samudera, dan sebagian kecil merupakan air tawar dari danau, sungai, gletser, air tanah, dan uap air.
Di bumi, air ada dalam tiga keadaan agregasi: cair, padat dan gas. Tanpa air, organisme hidup tidak dapat hidup. Dalam organisme apa pun, air adalah media terjadinya reaksi kimia, yang tanpanya organisme hidup tidak dapat hidup. Air merupakan zat yang paling berharga dan esensial bagi kehidupan makhluk hidup.
Ada beberapa jenis siklus air di alam:
Siklus Besar atau Global - uap air yang terbentuk di atas permukaan lautan dibawa oleh angin ke benua, jatuh di sana dalam bentuk presipitasi dan kembali ke laut dalam bentuk limpasan. Dalam proses ini, kualitas air berubah: dengan penguapan, air laut yang asin berubah menjadi air tawar, dan air yang tercemar menjadi murni.
Siklus kecil, atau samudera, - uap air yang terbentuk di atas permukaan laut mengembun dan jatuh sebagai presipitasi kembali ke laut.
Siklus intrakontinental - air yang menguap di atas permukaan tanah kembali jatuh ke darat dalam bentuk presipitasi.
Pada akhirnya, sedimen dalam proses pergerakannya kembali mencapai Samudera Dunia.
Laju perpindahan berbagai jenis air sangat bervariasi, dan periode aliran serta periode pembaruan air juga berbeda. Durasinya bervariasi dari beberapa jam hingga beberapa puluh ribu tahun. Kelembapan atmosfer, yang terbentuk dari penguapan air dari lautan, lautan, dan daratan serta terdapat dalam bentuk awan, diperbarui rata-rata setiap delapan hari.
Perairan yang membentuk organisme hidup dipulihkan dalam beberapa jam. Ini adalah bentuk pertukaran air yang paling aktif. Periode pembaruan cadangan air di gletser pegunungan adalah sekitar 1.600 tahun, di gletser negara kutub lebih lama - sekitar 9.700 tahun.
Pembaruan lengkap perairan Samudra Dunia terjadi dalam waktu sekitar 2.700 tahun.
Pengaruh interaksi antara radiasi matahari, bumi yang bergerak dan berputar.
Dalam hal ini, variabilitas musiman harus dipertimbangkan: musim dingin/musim panas. Jelaskan bahwa akibat rotasi dan pergerakan bumi, radiasi matahari datang secara tidak merata, yang berarti kondisi iklim berubah seiring dengan garis lintang.
Bumi condong ke bidang ekliptika sebesar 23,5 derajat.
Sinar melintas pada sudut yang berbeda. Keseimbangan radiasi. Yang penting bukan hanya berapa banyak yang diterimanya, tapi juga berapa banyak yang hilang, dan berapa banyak yang tersisa, dengan mempertimbangkan albedo.
Pusat aksi atmosfer
Area luas dengan tekanan tinggi atau rendah yang persisten terkait dengan sirkulasi umum atmosfer - pusat aksi atmosfer. Mereka menentukan arah angin yang dominan dan berfungsi sebagai pusat pembentukan tipe geografis massa udara. Pada peta sinoptik dinyatakan sebagai garis tertutup - isobar.
Penyebab: 1) heterogenitas bumi;
2) perbedaan fisik sifat-sifat tanah dan air (kapasitas panas)
3) perbedaan albedo permukaan (R/Q): air – 6%, eq. hutan – 10-12%, hutan gugur – 18%, padang rumput – 22-23%, salju – 92%;
4) Koriolis F
Hal ini menyebabkan OCA.
Pusat aksi atmosfer:
● permanen– mereka memiliki tekanan tinggi atau rendah sepanjang tahun:
1. pita rendah khatulistiwa tekanan, yang sumbunya agak bermigrasi dari khatulistiwa mengikuti Matahari menuju belahan bumi musim panas - Depresi khatulistiwa (alasan: sejumlah besar Q dan lautan);
2. sepanjang satu jalur ketinggian subtropis. tekanan di Utara dan Yuzh. belahan bumi; beberapa bermigrasi di musim panas ke daerah subtropis yang lebih tinggi. garis lintang, di musim dingin - ke garis lintang yang lebih rendah; terpecah menjadi rangkaian samudera anticyclones: di Utara. belahan bumi - Anticyclone Azores (terutama di musim panas) dan Hawaii; di Selatan - India Selatan, Pasifik Selatan dan Atlantik Selatan;
3. daerah yang mengalami kemunduran. tekanan di atas lautan di garis lintang tinggi di zona beriklim sedang: di Utara. belahan bumi - minimum Islandia (terutama di musim dingin) dan Aleut, di Selatan - cincin terus menerus bertekanan rendah yang mengelilingi Antartika (50 0 S);
4. wilayah yang meningkat tekanan di Kutub Utara (terutama di musim dingin) dan Antartika - antisiklon;
● musiman– dapat ditelusuri sebagai daerah bertekanan tinggi atau rendah selama satu musim, berubah pada musim lain menjadi pusat aksi atmosfer dengan tanda yang berlawanan. Keberadaan mereka dikaitkan dengan perubahan tajam sepanjang tahun suhu permukaan tanah sehubungan dengan suhu permukaan lautan; Lahan yang terlalu panas di musim panas menciptakan kondisi yang menguntungkan bagi pembentukan daerah dataran rendah di sini. tekanan, hipotermia musim dingin - untuk daerah yang lebih tinggi tekanan. Semua masuk. belahan bumi ke daerah musim dingin yang lebih tinggi. tekanannya mencakup wilayah tertinggi di Asia (Siberia) yang berpusat di Mongolia dan wilayah tertinggi di Kanada, serta wilayah tertinggi di Australia Selatan, Amerika Selatan, dan Afrika Selatan. Daerah rendah musim panas tekanan: di Utara. belahan bumi - minimum Asia Selatan (atau Asia Barat) dan Amerika Utara, di Selatan. - Terendah Australia, Amerika Selatan dan Afrika Selatan).
Pusat aksi atmosfer dicirikan oleh jenis cuaca tertentu. Oleh karena itu, udara di sini relatif cepat memperoleh sifat-sifat permukaan di bawahnya - panas dan lembab di Depresi Khatulistiwa, dingin dan kering di Antisiklon Mongolia, sejuk dan lembab di Dataran Rendah Islandia, dll.
Pertukaran panas planet dan penyebabnya
Fitur utama pertukaran panas planet. Energi matahari yang diserap oleh permukaan bumi kemudian digunakan untuk penguapan dan perpindahan panas melalui aliran turbulen. Rata-rata, sekitar 80% dari seluruh planet mengalami penguapan, dan 20% sisanya dari total panas digunakan untuk pertukaran panas yang bergejolak.
Proses pertukaran panas dan perubahan garis lintang geografis komponen-komponennya di lautan dan di darat sangatlah unik. Semua panas yang diserap daratan pada musim semi dan musim panas hilang seluruhnya pada musim gugur dan musim dingin; dengan anggaran panas tahunan yang seimbang, maka di semua tempat ternyata sama dengan nol.
Di Samudra Dunia, karena kapasitas panas air yang tinggi dan mobilitasnya, panas terakumulasi di lintang rendah, kemudian dipindahkan melalui arus ke lintang tinggi, di mana konsumsinya melebihi pasokannya. Dengan cara ini, defisit yang terjadi pada pertukaran panas air dengan udara dapat ditutupi.
Di zona khatulistiwa Samudra Dunia, dengan banyaknya radiasi matahari yang diserap dan berkurangnya konsumsi energi, anggaran panas tahunan memiliki nilai positif maksimum. Dengan jarak dari khatulistiwa, anggaran panas tahunan positif menurun karena peningkatan komponen konsumsi pertukaran panas, terutama penguapan. Dengan peralihan dari daerah tropis ke daerah beriklim sedang, anggaran panas menjadi negatif.
Di dalam daratan, semua panas yang diterima pada periode musim semi-musim panas dihabiskan pada periode musim gugur-musim dingin. Selama sejarah panjang Bumi, perairan Samudra Dunia telah mengumpulkan sejumlah besar panas sebesar 7,6 * 10^21 kkal. Akumulasi massa sebesar itu dijelaskan oleh kapasitas panas air yang tinggi dan pencampurannya yang intens, di mana terjadi redistribusi panas yang agak rumit di ketebalan oseanosfer. Kapasitas panas seluruh atmosfer 4 kali lebih kecil dibandingkan dengan lapisan air setinggi sepuluh meter di Samudra Dunia.
Meskipun porsi energi matahari yang digunakan dalam pertukaran panas turbulen antara permukaan bumi dan udara relatif kecil, energi matahari merupakan sumber utama pemanasan bagian dekat permukaan atmosfer. Intensitas pertukaran panas ini bergantung pada perbedaan suhu antara udara dan permukaan di bawahnya (air atau tanah). Di garis lintang rendah planet ini (dari khatulistiwa hingga kira-kira garis lintang keempat puluh di kedua belahan bumi), udara dipanaskan terutama oleh daratan, yang tidak mampu mengakumulasi energi matahari dan melepaskan semua panas yang diterimanya ke atmosfer. Karena pertukaran panas yang bergejolak, cangkang udara menerima 20 hingga 40 kkal/cm^2 per tahun, dan di daerah dengan kelembapan rendah (Sahara, Arab, dll.) - bahkan lebih dari 60 kkal/cm^2. Perairan di garis lintang ini mengakumulasi panas, hanya melepaskan 5-10 kkal/cm^2 per tahun atau kurang ke udara dalam proses pertukaran panas yang bergejolak. Hanya di wilayah tertentu (wilayah terbatas) yang rata-rata airnya lebih dingin setiap tahunnya sehingga menerima panas dari udara (di zona khatulistiwa, di barat laut Samudera Hindia, serta di lepas pantai barat Afrika dan Amerika Selatan).
Ilmuwan Rusia terkemuka, Akademisi V.I. Vernadsky.
Lingkungan- kulit terluar Bumi yang kompleks, yang berisi seluruh kumpulan organisme hidup dan bagian materi planet yang terus-menerus mengalami proses pertukaran dengan organisme tersebut. Ini adalah salah satu geosfer terpenting di Bumi, yang merupakan komponen utama lingkungan alam sekitar manusia.
Bumi terdiri dari konsentris kerang(geosfer) baik internal maupun eksternal. Yang internal meliputi inti dan mantel, dan yang eksternal meliputi: litosfer - cangkang bumi yang berbatu-batu, termasuk kerak bumi (Gbr. 1) dengan ketebalan 6 km (di bawah laut) hingga 80 km (sistem pegunungan); hidrosfer - cangkang air bumi; suasana- selubung gas bumi, terdiri dari campuran berbagai gas, uap air dan debu.
Pada ketinggian 10 hingga 50 km terdapat lapisan ozon, dengan konsentrasi maksimum pada ketinggian 20-25 km, melindungi bumi dari radiasi sinar ultraviolet berlebihan yang berakibat fatal bagi tubuh. Biosfer juga termasuk di sini (termasuk geosfer eksternal).
Biosfer - kulit terluar bumi yang meliputi sebagian atmosfer sampai ketinggian 25-30 km (sampai lapisan ozon), hampir seluruh hidrosfer dan bagian atas litosfer sampai kedalaman kurang lebih 3 km
Beras. 1. Skema struktur kerak bumi
(Gbr. 2). Keunikan bagian-bagian ini adalah bahwa mereka dihuni oleh organisme hidup yang menyusun materi hidup di planet ini. Interaksi bagian abiotik dari biosfer- udara, air, batu dan bahan organik - biota menyebabkan terbentuknya tanah dan batuan sedimen.
Beras. 2. Struktur biosfer dan rasio permukaan yang ditempati oleh unit-unit struktural dasar
Siklus zat di biosfer dan ekosistem
Semua senyawa kimia yang tersedia bagi organisme hidup di biosfer terbatas. Menipisnya bahan kimia yang cocok untuk asimilasi seringkali menghambat perkembangan kelompok organisme tertentu di wilayah daratan atau lautan. Menurut akademisi V.R. Williams, satu-satunya cara untuk memberikan sifat-sifat yang terbatas pada yang tak terbatas adalah dengan membuatnya berputar sepanjang kurva tertutup. Oleh karena itu, stabilitas biosfer tetap terjaga berkat siklus zat dan aliran energi. Tersedia dua siklus utama zat: besar - geologis dan kecil - biogeokimia.
Siklus Geologi Hebat(Gbr. 3). Batuan kristal (beku) berubah menjadi batuan sedimen karena pengaruh faktor fisik, kimia dan biologi. Pasir dan tanah liat adalah sedimen khas, produk transformasi batuan dalam. Namun pembentukan sedimen terjadi tidak hanya karena rusaknya batuan yang ada, tetapi juga melalui sintesis mineral biogenik - kerangka mikroorganisme - dari sumber daya alam - perairan samudera, laut, dan danau. Sedimen berair lepas, karena diisolasi di dasar waduk dengan bagian material sedimen baru, tenggelam ke kedalaman, dan terkena kondisi termodinamika baru (suhu dan tekanan lebih tinggi), kehilangan air, mengeras, dan berubah menjadi batuan sedimen.
Selanjutnya, batuan ini tenggelam ke cakrawala yang lebih dalam, di mana terjadi proses transformasi mendalam ke kondisi suhu dan tekanan baru - proses metamorfisme terjadi.
Di bawah pengaruh aliran energi endogen, batuan dalam mencair, membentuk magma - sumber batuan beku baru. Setelah batuan ini naik ke permukaan bumi, di bawah pengaruh proses pelapukan dan transportasi, batuan tersebut kembali berubah menjadi batuan sedimen baru.
Dengan demikian, siklus besar tersebut disebabkan oleh interaksi energi matahari (eksogen) dengan energi dalam (endogen) bumi. Ini mendistribusikan kembali zat-zat antara biosfer dan cakrawala yang lebih dalam di planet kita.
Beras. 3. Siklus besar (geologis) zat (panah tipis) dan perubahan keanekaragaman kerak bumi (panah lebar padat - pertumbuhan, panah patah - penurunan keanekaragaman)
Oleh Pilin Besar Siklus air antara hidrosfer, atmosfer, dan litosfer yang digerakkan oleh energi matahari disebut juga. Air menguap dari permukaan waduk dan daratan kemudian kembali ke bumi dalam bentuk presipitasi. Di lautan, penguapan melebihi curah hujan di daratan, justru sebaliknya. Perbedaan ini dikompensasi oleh aliran sungai. Vegetasi daratan memainkan peran penting dalam siklus air global. Transpirasi tumbuhan di area tertentu di permukaan bumi dapat menyebabkan hingga 80-90% curah hujan yang turun di sini, dan rata-rata untuk semua zona iklim - sekitar 30%. Berbeda dengan siklus besar, siklus kecil zat hanya terjadi di dalam biosfer. Hubungan antara siklus air besar dan kecil ditunjukkan pada Gambar. 4.
Siklus pada skala planet tercipta dari pergerakan siklus lokal atom yang tak terhitung jumlahnya yang didorong oleh aktivitas vital organisme dalam ekosistem individu, dan pergerakan tersebut disebabkan oleh penyebab lanskap dan geologi (limpasan permukaan dan bawah tanah, erosi angin, pergerakan dasar laut, vulkanisme, pembangunan gunung. , dll. ).
Beras. 4. Hubungan antara siklus geologi besar (GGC) air dan siklus biogeokimia kecil (SBC) air
Berbeda dengan energi, yang pernah digunakan oleh tubuh diubah menjadi panas dan hilang, zat bersirkulasi di biosfer sehingga menciptakan siklus biogeokimia. Dari lebih dari sembilan puluh unsur yang ditemukan di alam, organisme hidup membutuhkan sekitar empat puluh unsur. Yang paling penting dibutuhkan dalam jumlah besar - karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen. Siklus unsur dan zat terjadi karena proses pengaturan mandiri yang melibatkan semua komponen. Proses-proses ini bebas limbah. Ada hukum penutupan global siklus biogeokimia di biosfer, beroperasi di semua tahap perkembangannya. Dalam proses evolusi biosfer, peran komponen biologis dalam penutupan proses biogeokimia semakin meningkat.
siapa siklusnya. Manusia memiliki pengaruh yang lebih besar pada siklus biogeokimia. Namun perannya memanifestasikan dirinya dalam arah yang berlawanan (pilin menjadi terbuka). Dasar dari siklus biogeokimia zat adalah energi Matahari dan klorofil tumbuhan hijau. Siklus terpenting lainnya—air, karbon, nitrogen, fosfor, dan belerang—berhubungan dan berkontribusi pada siklus biogeokimia.
Siklus air di biosfer
Tumbuhan menggunakan hidrogen dalam air selama fotosintesis untuk membangun senyawa organik, melepaskan molekul oksigen. Dalam proses respirasi semua makhluk hidup, selama oksidasi senyawa organik, air terbentuk kembali. Dalam sejarah kehidupan, semua air bebas di hidrosfer telah berulang kali melalui siklus pembusukan dan pembentukan baru pada makhluk hidup di planet ini. Sekitar 500.000 km 3 air terlibat dalam siklus air di Bumi setiap tahunnya. Siklus air dan cadangannya ditunjukkan pada Gambar. 5 (dalam nilai relatif).
Siklus oksigen di biosfer
Bumi memiliki atmosfer unik dengan kandungan oksigen bebas yang tinggi berkat proses fotosintesis. Pembentukan ozon di lapisan atas atmosfer berkaitan erat dengan siklus oksigen. Oksigen dilepaskan dari molekul air dan pada dasarnya merupakan produk sampingan dari aktivitas fotosintesis pada tumbuhan. Secara abiotik, oksigen muncul di lapisan atas atmosfer akibat fotodisosiasi uap air, namun sumber ini hanya mencakup seperseribu persen oksigen yang dihasilkan melalui fotosintesis. Ada keseimbangan cairan antara kandungan oksigen di atmosfer dan hidrosfer. Di dalam air kira-kira 21 kali lebih sedikit.
Beras. 6. Diagram siklus oksigen: panah tebal - aliran utama suplai dan konsumsi oksigen
Oksigen yang dilepaskan dikonsumsi secara intensif dalam proses respirasi semua organisme aerobik dan dalam oksidasi berbagai senyawa mineral. Proses-proses ini terjadi di atmosfer, tanah, air, lumpur dan batuan. Telah terbukti bahwa sebagian besar oksigen yang terikat dalam batuan sedimen berasal dari fotosintesis. Dana pertukaran O di atmosfer tidak lebih dari 5% dari total produksi fotosintesis. Banyak bakteri anaerob juga mengoksidasi bahan organik melalui proses respirasi anaerobik, menggunakan sulfat atau nitrat.
Penguraian lengkap bahan organik yang dihasilkan tanaman membutuhkan jumlah oksigen yang sama persis dengan yang dilepaskan selama fotosintesis. Tertimbunnya bahan organik pada batuan sedimen, batu bara, dan gambut menjadi dasar pemeliharaan dana pertukaran oksigen di atmosfer. Semua oksigen di dalamnya melewati siklus penuh melalui organisme hidup dalam waktu sekitar 2000 tahun.
Saat ini, sebagian besar oksigen di atmosfer terikat sebagai akibat dari transportasi, industri, dan bentuk aktivitas antropogenik lainnya. Diketahui bahwa umat manusia telah menghabiskan lebih dari 10 miliar ton oksigen bebas dari total 430-470 miliar ton yang dipasok melalui proses fotosintesis. Jika kita memperhitungkan bahwa hanya sebagian kecil oksigen fotosintetik yang masuk ke dana pertukaran, aktivitas manusia dalam hal ini mulai mencapai proporsi yang mengkhawatirkan.
Siklus oksigen berkaitan erat dengan siklus karbon.
Siklus karbon di biosfer
Karbon sebagai unsur kimia merupakan dasar kehidupan. Ia dapat bergabung dengan banyak unsur lain dalam berbagai cara untuk membentuk molekul organik sederhana dan kompleks yang membentuk sel hidup. Dalam hal distribusi di planet ini, karbon menempati urutan kesebelas (0,35% dari berat kerak bumi), namun dalam materi hidup rata-rata menyumbang sekitar 18 atau 45% biomassa kering.
Di atmosfer, karbon merupakan bagian dari karbon dioksida CO 2 dan, pada tingkat lebih rendah, metana CH 4 . Di hidrosfer, CO 2 dilarutkan dalam air, dan kandungan totalnya jauh lebih tinggi daripada di atmosfer. Lautan berfungsi sebagai penyangga yang kuat untuk pengaturan CO 2 di atmosfer: seiring dengan peningkatan konsentrasi karbon dioksida di udara, penyerapan karbon dioksida oleh air meningkat. Beberapa molekul CO 2 bereaksi dengan air membentuk asam karbonat, yang kemudian terdisosiasi menjadi ion HCO 3 - dan CO 2- 3. Ion-ion ini bereaksi dengan kation kalsium atau magnesium untuk mengendapkan karbonat pH air yang konstan.
Karbon dioksida di atmosfer dan hidrosfer merupakan dana pertukaran dalam siklus karbon, yang kemudian diambil oleh tumbuhan darat dan alga. Fotosintesis mendasari semua siklus biologis di Bumi. Pelepasan karbon tetap terjadi selama aktivitas pernapasan organisme fotosintetik itu sendiri dan semua heterotrof - bakteri, jamur, hewan yang termasuk dalam rantai makanan karena bahan organik hidup atau mati.
Beras. 7. Siklus karbon
Yang paling aktif adalah kembalinya CO2 ke atmosfer dari tanah, di mana aktivitas berbagai kelompok organisme terkonsentrasi, penguraian sisa-sisa tumbuhan dan hewan yang mati, dan respirasi sistem akar tanaman terjadi. Proses integral ini disebut sebagai “respirasi tanah” dan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pengisian kembali dana pertukaran CO2 di udara. Sejalan dengan proses mineralisasi bahan organik, humus terbentuk di tanah - kompleks molekuler yang kompleks dan stabil yang kaya akan karbon. Humus tanah merupakan salah satu penyimpan karbon penting di darat.
Dalam kondisi di mana aktivitas destruktor terhambat oleh faktor lingkungan (misalnya, ketika rezim anaerobik terjadi di tanah dan dasar waduk), bahan organik yang terakumulasi oleh vegetasi tidak terurai, dan seiring waktu berubah menjadi batuan seperti batu bara atau coklat. batu bara, gambut, sapropel, serpih minyak, dan lainnya yang kaya akan akumulasi energi matahari. Mereka mengisi kembali dana cadangan karbon, terputus dari siklus biologis untuk waktu yang lama. Karbon juga disimpan sementara dalam biomassa hidup, sampah mati, bahan organik terlarut di lautan, dan lain-lain. Namun dana cadangan karbon utama secara tertulis bukanlah organisme hidup atau bahan bakar fosil, tapi batuan sedimen - batugamping dan dolomit. Pembentukannya juga dikaitkan dengan aktivitas makhluk hidup. Karbon dari karbonat ini terkubur dalam waktu lama di perut bumi dan memasuki siklus hanya pada saat erosi, ketika batuan tersingkap dalam siklus tektonik.
Hanya sebagian kecil dari persen karbon dari jumlah total di Bumi yang berpartisipasi dalam siklus biogeokimia. Karbon dari atmosfer dan hidrosfer melewati organisme hidup berkali-kali. Tumbuhan darat mampu menghabiskan cadangannya di udara dalam 4-5 tahun, cadangan di humus tanah - dalam 300-400 tahun. Pengembalian karbon ke dana pertukaran sebagian besar terjadi karena aktivitas organisme hidup, dan hanya sebagian kecil (seperseribu persen) yang dikompensasi oleh pelepasan dari perut bumi sebagai bagian dari gas vulkanik.
Saat ini, ekstraksi dan pembakaran cadangan bahan bakar fosil yang sangat besar menjadi faktor kuat dalam transfer karbon dari cadangan ke dana pertukaran biosfer.
Siklus nitrogen di biosfer
Atmosfer dan materi hidup mengandung kurang dari 2% dari seluruh nitrogen di Bumi, namun nitrogen inilah yang mendukung kehidupan di planet ini. Nitrogen adalah bagian dari molekul organik terpenting - DNA, protein, lipoprotein, ATP, klorofil, dll. Dalam jaringan tumbuhan, rasionya terhadap karbon rata-rata 1:30, dan pada rumput laut I:6. Siklus biologis nitrogen adalah oleh karena itu juga terkait erat dengan karbon.
Nitrogen molekuler di atmosfer tidak dapat diakses oleh tanaman, yang dapat menyerap unsur ini hanya dalam bentuk ion amonium, nitrat, atau dari tanah atau larutan air. Oleh karena itu, kekurangan nitrogen seringkali menjadi faktor yang membatasi produksi primer - kerja organisme yang terkait dengan pembuatan zat organik dari zat anorganik. Namun demikian, nitrogen atmosfer banyak terlibat dalam siklus biologis karena aktivitas bakteri khusus (pengikat nitrogen).
Mikroorganisme amonifikasi juga memainkan peran besar dalam siklus nitrogen. Mereka menguraikan protein dan zat organik lain yang mengandung nitrogen menjadi amonia. Dalam bentuk amonium, nitrogen sebagian diserap kembali oleh akar tanaman, dan sebagian lagi dicegat oleh mikroorganisme nitrifikasi, yang merupakan kebalikan dari fungsi kelompok mikroorganisme - denitrifikasi.
Beras. 8. Siklus nitrogen
Dalam kondisi anaerobik di tanah atau perairan, mereka menggunakan oksigen dari nitrat untuk mengoksidasi zat organik, sehingga memperoleh energi untuk kehidupan mereka. Nitrogen direduksi menjadi nitrogen molekuler. Fiksasi nitrogen dan denitrifikasi kira-kira seimbang. Oleh karena itu, siklus nitrogen terutama bergantung pada aktivitas bakteri, sementara tumbuhan berintegrasi ke dalamnya, menggunakan produk antara dari siklus ini dan sangat meningkatkan skala sirkulasi nitrogen di biosfer melalui produksi biomassa.
Peran bakteri dalam siklus nitrogen begitu besar sehingga jika hanya 20 spesies bakteri yang dimusnahkan, kehidupan di planet kita akan terhenti.
Fiksasi nitrogen non-biologis dan masuknya oksida serta amonia ke dalam tanah juga terjadi dengan curah hujan selama ionisasi atmosfer dan pelepasan petir. Industri pupuk modern mengikat nitrogen di atmosfer pada tingkat yang lebih tinggi daripada fiksasi nitrogen alami untuk meningkatkan produksi tanaman.
Saat ini, aktivitas manusia semakin mempengaruhi siklus nitrogen, terutama terhadap kelebihan perpindahannya ke bentuk terikat selama proses kembali ke keadaan molekuler.
Siklus fosfor di biosfer
Unsur ini, yang diperlukan untuk sintesis banyak zat organik, termasuk ATP, DNA, RNA, diserap oleh tanaman hanya dalam bentuk ion asam ortofosfat (P0 3 4+). Ia termasuk unsur yang membatasi produksi primer baik di darat maupun khususnya di lautan, karena dana pertukaran fosfor di tanah dan perairan kecil. Siklus unsur ini pada skala biosfer tidak tertutup.
Di darat, tanaman mengambil fosfat dari tanah, yang dilepaskan oleh pengurai dari sisa-sisa organik yang membusuk. Namun pada tanah yang bersifat basa atau asam, kelarutan senyawa fosfor menurun tajam. Dana cadangan utama fosfat terkandung dalam batuan yang terbentuk di dasar laut pada masa geologis masa lalu. Selama pencucian batuan, sebagian dari cadangan ini masuk ke dalam tanah dan tersapu ke badan air dalam bentuk suspensi dan larutan. Di hidrosfer, fosfat digunakan oleh fitoplankton, melewati rantai makanan ke hidrobion lainnya. Namun, di lautan, sebagian besar senyawa fosfor terkubur bersama sisa-sisa hewan dan tumbuhan di dasar, diikuti dengan transisi batuan sedimen ke dalam siklus geologi besar. Di kedalaman, fosfat terlarut berikatan dengan kalsium, membentuk fosfor dan apatit. Di biosfer sebenarnya terjadi aliran fosfor searah dari batuan daratan ke kedalaman lautan; sehingga dana pertukarannya di hidrosfer sangat terbatas.
Beras. 9. Siklus fosfor
Endapan fosfor dan apatit terestrial digunakan dalam produksi pupuk. Masuknya fosfor ke badan air tawar adalah salah satu alasan utama “mekarnya” mereka.
Siklus belerang di biosfer
Siklus belerang, yang diperlukan untuk pembentukan sejumlah asam amino, bertanggung jawab atas struktur tiga dimensi protein dan dipertahankan di biosfer oleh berbagai bakteri. Tautan individu dalam siklus ini melibatkan mikroorganisme aerobik yang mengoksidasi sulfur residu organik menjadi sulfat, serta pereduksi sulfat anaerobik yang mereduksi sulfat menjadi hidrogen sulfida. Selain kelompok bakteri belerang yang terdaftar, mereka mengoksidasi hidrogen sulfida menjadi unsur belerang dan kemudian menjadi sulfat. Tanaman hanya menyerap ion SO2-4 dari tanah dan air.
Cincin di tengah menggambarkan proses oksidasi (O) dan reduksi (R) yang menukarkan belerang antara kumpulan sulfat yang tersedia dan kumpulan besi sulfida jauh di dalam tanah dan sedimen.
Beras. 10. Siklus belerang. Cincin di tengah menggambarkan proses oksidasi (0) dan reduksi (R), yang melaluinya pertukaran belerang antara kumpulan sulfat yang tersedia dan kumpulan besi sulfida yang terletak jauh di dalam tanah dan sedimen
Akumulasi belerang utama terjadi di lautan, dimana ion sulfat terus mengalir dari daratan melalui limpasan sungai. Ketika hidrogen sulfida dilepaskan dari air, sebagian belerang dikembalikan ke atmosfer, di mana ia dioksidasi menjadi dioksida, berubah menjadi asam sulfat dalam air hujan. Penggunaan sulfat dan unsur sulfur dalam jumlah besar dalam industri serta pembakaran bahan bakar fosil melepaskan sulfur dioksida dalam jumlah besar ke atmosfer. Hal ini membahayakan tumbuh-tumbuhan, hewan, manusia dan menjadi sumber hujan asam, yang memperburuk dampak negatif campur tangan manusia dalam siklus belerang.
Kecepatan peredaran zat
Semua siklus zat terjadi pada kecepatan yang berbeda (Gbr. 11)
Dengan demikian, siklus seluruh unsur biogenik di planet ini didukung oleh interaksi kompleks berbagai bagian. Mereka terbentuk oleh aktivitas kelompok organisme dengan fungsi berbeda, sistem limpasan dan penguapan yang menghubungkan lautan dan daratan, proses sirkulasi massa air dan udara, aksi gaya gravitasi, tektonik lempeng litosfer dan besar lainnya. proses geologi dan geofisika skala besar.
Biosfer bertindak sebagai satu sistem kompleks di mana berbagai siklus zat terjadi. Pendorong utama dari hal ini siklus adalah materi hidup di planet ini, semua organisme hidup, menyediakan proses sintesis, transformasi dan dekomposisi bahan organik.
Beras. 11. Laju peredaran zat (P. Cloud, A. Jibor, 1972)
Dasar dari pandangan ekologis dunia adalah gagasan bahwa setiap makhluk hidup dikelilingi oleh banyak faktor berbeda yang mempengaruhinya, yang bersama-sama membentuk habitatnya - sebuah biotope. Karena itu, biotope - bagian wilayah yang homogen dalam hal kondisi kehidupan spesies tumbuhan atau hewan tertentu(kemiringan jurang, taman hutan kota, danau kecil atau sebagian danau besar, tetapi dengan kondisi homogen - bagian pantai, bagian perairan dalam).
Ciri-ciri organisme dari suatu biotope tertentu tersusun komunitas kehidupan atau biocenosis(hewan, tumbuhan dan mikroorganisme danau, padang rumput, garis pantai).
Suatu komunitas yang hidup (biocenosis) membentuk satu kesatuan dengan biotopenya, yang disebut sistem ekologi (ekosistem). Contoh ekosistem alam adalah sarang semut, danau, kolam, padang rumput, hutan, kota, pertanian. Contoh klasik ekosistem buatan adalah pesawat luar angkasa. Seperti yang Anda lihat, tidak ada struktur tata ruang yang ketat di sini. Dekat dengan konsep ekosistem adalah konsepnya biogeocenosis.
Komponen utama ekosistem adalah:
- lingkungan tak hidup (abiotik). Ini adalah air, mineral, gas, serta bahan organik dan humus;
- komponen biotik. Diantaranya adalah: produsen atau produsen (tumbuhan hijau), konsumen atau konsumen (makhluk hidup yang memakan produsen), dan pengurai atau pengurai (mikroorganisme).
Alam beroperasi dengan sangat ekonomis. Dengan demikian, biomassa yang diciptakan oleh organisme (substansi tubuh organisme) dan energi yang dikandungnya ditransfer ke anggota ekosistem lainnya: hewan memakan tumbuhan, hewan tersebut dimakan oleh hewan lain. Proses ini disebut rantai makanan, atau trofik. Di alam, rantai makanan sering kali berpotongan, membentuk jaring-jaring makanan.
Contoh rantai makanan: tumbuhan - herbivora - predator; sereal - tikus lapangan - rubah, dll. dan jaring makanan ditunjukkan pada Gambar. 12.
Dengan demikian, keadaan keseimbangan biosfer didasarkan pada interaksi faktor lingkungan biotik dan abiotik, yang dipertahankan melalui pertukaran materi dan energi yang berkelanjutan antara seluruh komponen ekosistem.
Dalam sirkulasi tertutup ekosistem alami, bersama dengan ekosistem lainnya, partisipasi dua faktor diperlukan: keberadaan pengurai dan pasokan energi matahari yang konstan. Di ekosistem perkotaan dan buatan, terdapat sedikit atau tidak ada pengurai, sehingga limbah cair, padat, dan gas menumpuk sehingga mencemari lingkungan.
Beras. 12. Jaring-jaring makanan dan arah aliran materi
Agar biosfer tetap eksis, sehingga pergerakan (perkembangannya) tidak terhenti, maka peredaran zat-zat penting secara biologis harus terus terjadi di Bumi. Peralihan zat-zat penting secara biologis dari mata rantai ke mata rantai hanya dapat dilakukan dengan pengeluaran energi tertentu, yang sumbernya adalah Matahari.
Energi matahari menyediakan dua siklus materi di Bumi:
- siklus geologis (abiotik), atau besar;
- siklus biologis (biotik), atau kecil.
Siklus geologi paling jelas terwujud dalam siklus air dan sirkulasi atmosfer.
Bumi menerima sekitar 21 · 10 20 kJ energi radiasi setiap tahunnya dari Matahari. Sekitar setengahnya dihabiskan untuk penguapan air. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya siklus besar.
Siklus air di biosfer didasarkan pada fakta bahwa total penguapan dari permukaan bumi dikompensasi oleh curah hujan. Pada saat yang sama, lebih banyak air yang menguap dari laut dibandingkan kembali melalui curah hujan. Sebaliknya, di darat, curah hujan yang turun lebih banyak daripada air yang menguap. Kelebihannya mengalir ke sungai dan danau, dan dari sana kembali ke laut.
Dalam proses siklus geologis air, senyawa mineral berpindah dari satu tempat ke tempat lain dalam skala planet, dan keadaan agregat air juga berubah (cair, padat - salju, es; gas - uap). Air bersirkulasi paling intensif dalam bentuk uap.
Dengan munculnya makhluk hidup berdasarkan sirkulasi atmosfer, air, senyawa mineral terlarut di dalamnya, yaitu. berdasarkan abiotik, siklus geologi, siklus bahan organik, atau kecil, muncul, siklus biologis.
Seiring berkembangnya materi hidup, semakin banyak unsur yang terus-menerus dikeluarkan dari siklus geologi dan memasuki siklus biologis yang baru.
Berbeda dengan perpindahan dan pergerakan unsur mineral secara sederhana pada siklus besar (geologi), pada siklus kecil (biologis) momen terpenting adalah sintesis dan penghancuran senyawa organik. Kedua proses ini berada dalam hubungan tertentu yang mendasari kehidupan dan merupakan salah satu ciri utamanya.
Berbeda dengan siklus geologi, siklus biologis mempunyai energi yang lebih rendah. Seperti diketahui, hanya 0,1-0,2% energi matahari yang masuk ke Bumi dihabiskan untuk pembuatan bahan organik (hingga 50% untuk siklus geologi). Meskipun demikian, energi yang terlibat dalam siklus biologis dihabiskan untuk pekerjaan besar dalam menciptakan produksi primer di Bumi.
Dengan munculnya materi hidup di Bumi, unsur-unsur kimia terus bersirkulasi di biosfer, berpindah dari lingkungan luar ke organisme dan kembali ke lingkungan luar.
Peredaran unsur-unsur kimia sepanjang jalur yang kurang lebih tertutup, yang terjadi dengan menggunakan energi matahari melalui organisme hidup, disebut siklus biogeokimia (siklus).
Siklus biogeokimia utama adalah siklus oksigen, karbon, nitrogen, fosfor, belerang, air dan nutrisi.
Siklus karbon.
Di darat, siklus karbon dimulai dengan fiksasi karbon dioksida oleh tumbuhan selama fotosintesis. Karbohidrat kemudian terbentuk dari karbon dioksida dan air serta oksigen dilepaskan. Dalam hal ini, sebagian karbon dilepaskan selama respirasi tanaman sebagai karbon dioksida. Karbon yang terfiksasi pada tumbuhan sampai batas tertentu dikonsumsi oleh hewan. Hewan juga melepaskan karbon dioksida saat mereka bernapas. Hewan dan tumbuhan yang mati diurai oleh mikroorganisme sehingga menyebabkan karbon dalam bahan organik yang mati teroksidasi menjadi karbon dioksida dan dilepaskan kembali ke atmosfer.
Siklus karbon serupa terjadi di lautan.
Siklus nitrogen.
Siklus nitrogen, seperti siklus biogeokimia lainnya, mencakup seluruh wilayah biosfer. Siklus nitrogen dikaitkan dengan konversinya menjadi nitrat karena aktivitas bakteri pengikat nitrogen dan nitrifikasi. Nitrat diserap oleh tanaman dari tanah atau air. Tumbuhan dimakan oleh hewan. Akhirnya, pengurai mengubah nitrogen kembali menjadi bentuk gas dan melepaskannya kembali ke atmosfer.
Dalam kondisi modern, manusia telah melakukan intervensi dalam siklus nitrogen dengan menanam kacang-kacangan pengikat nitrogen di area yang luas dan secara artifisial mengikat nitrogen alami. Pertanian dan industri diperkirakan menyediakan nitrogen tetap hampir 60% lebih banyak dibandingkan ekosistem darat alami.
Siklus nitrogen serupa diamati di lingkungan perairan.
Siklus fosfor.
Berbeda dengan karbon dan nitrogen, senyawa fosfor ditemukan pada batuan yang mengikis dan melepaskan fosfat. Kebanyakan dari mereka berakhir di laut dan samudera dan sebagian dapat dikembalikan ke darat melalui rantai makanan laut yang diakhiri dengan burung pemakan ikan. Beberapa fosfat masuk ke dalam tanah dan diserap oleh akar tanaman. Penyerapan fosfor oleh tanaman bergantung pada keasaman larutan tanah: dengan meningkatnya keasaman, fosfat yang praktis tidak larut dalam air diubah menjadi asam fosfat yang sangat larut. Tumbuhan tersebut kemudian dimakan oleh hewan.
Mata rantai utama dalam siklus biogeokimia adalah berbagai organisme, keragaman bentuknya menentukan intensitas siklus dan keterlibatan hampir semua elemen kerak bumi di dalamnya.
Secara umum, setiap siklus suatu unsur kimia merupakan bagian dari siklus besar umum zat-zat di Bumi, yaitu. mereka berkerabat dekat.
Sebelum munculnya biosfer, ada tiga siklus materi di Bumi: siklus mineral - pergerakan produk beku dari kedalaman ke permukaan dan sebaliknya; siklus gas - sirkulasi massa udara yang dipanaskan secara berkala oleh Matahari,Siklus air - penguapan air dan perpindahannya melalui massa udara, curah hujan (hujan, salju). Ketiga siklus ini disatukan oleh satu istilah - siklus geologi (abiotik). Dengan munculnya kehidupan, siklus gas, mineral dan air ditambah dengan siklus biotik (biogenik). - siklus unsur kimia yang dilakukan oleh aktivitas vital organisme. Bersama dengan geologi, satu siklus biogeokimia zat di Bumi.
Siklus geologi.
Sekitar setengah dari energi matahari yang mencapai permukaan bumi dihabiskan untuk penguapan air, pelapukan batuan, pelarutan mineral, pergerakan massa udara dan juga uap air, debu, dan partikel padat pelapukan.
Pergerakan air dan angin menyebabkan erosi tanah, pergerakan, redistribusi dan akumulasi presipitasi mekanis dan kimia di hidrosfer dan litosfer. Siklus ini masih terjadi hingga saat ini.
Sangat menarik Siklus air. Sekitar 3,8 · 10 14 ton air menguap dari hidrosfer dalam satu tahun, dan hanya 3,4 · 10 14 ton air yang kembali ke lapisan air bumi bersama dengan curah hujan. Bagian yang hilang jatuh ke darat. Secara total, sekitar 1 · 10 14 ton curah hujan turun di darat, dan sekitar 0,6 · 10 14 ton air menguap. Kelebihan air yang terbentuk di litosfer mengalir ke danau dan sungai, dan kemudian ke Samudra Dunia (Gbr. 2.4). Limpasan permukaan kira-kira 0,2 · 10 14 ton, sisa 0,2 · 10 14 ton air masuk ke akuifer bawah tanah, dari mana air mengalir ke sungai, danau dan laut, dan juga mengisi kembali reservoir air tanah.
siklus biotik. Hal ini didasarkan pada proses sintesis zat organik dengan penghancuran selanjutnya menjadi mineral asli. Proses sintesis dan penghancuran zat organik merupakan landasan keberadaan makhluk hidup dan ciri utama berfungsinya biosfer.
Aktivitas kehidupan organisme apa pun tidak mungkin terjadi tanpa adanya metabolisme dengan lingkungan. Dalam proses metabolisme, tubuh mengkonsumsi dan mengasimilasi zat-zat yang diperlukan dan melepaskan produk limbah; ukuran planet kita tidak terbatas, dan pada akhirnya semua zat yang berguna akan diolah menjadi limbah yang tidak berguna. Namun, dalam proses evolusi, solusi yang sangat baik ditemukan: selain organisme yang dapat membangun materi hidup dari materi tak hidup, muncul organisme lain yang menguraikan bahan organik kompleks ini menjadi mineral awal, siap untuk digunakan baru. “Satu-satunya cara untuk memberikan sifat tak terhingga pada kuantitas terbatas,” tulis V.R. Williams, adalah membuatnya berputar sepanjang kurva tertutup."
Mekanisme interaksi antara alam hidup dan alam mati terdiri dari keterlibatan benda mati dalam alam kehidupan. Setelah serangkaian transformasi benda mati pada organisme hidup, ia kembali ke keadaan semula. Siklus seperti itu dimungkinkan karena organisme hidup mengandung unsur kimia yang sama dengan alam mati.
Bagaimana siklus ini terjadi? V.I. Vernadsky membuktikan bahwa pengubah utama energi yang berasal dari luar angkasa (terutama matahari) adalah materi hijau tumbuhan. Hanya mereka yang mampu mensintesis senyawa organik primer di bawah pengaruh energi matahari. Ilmuwan menghitung bahwa total luas permukaan materi hijau tumbuhan yang menyerap energi, bergantung pada waktu dalam setahun, berkisar antara 0,86 hingga 4,2% dari luas permukaan Matahari. Pada saat yang sama, luas permukaan bumi
Hewan yang makanannya tumbuhan atau hewan lain mensintesis senyawa organik baru di dalam tubuhnya.
Sisa-sisa hewan dan tumbuhan berfungsi sebagai makanan bagi cacing, jamur dan mikroorganisme, yang pada akhirnya mengubahnya menjadi mineral asli, melepaskan karbon dioksida. Mineral-mineral ini kembali berfungsi sebagai bahan baku awal pembuatan senyawa organik primer oleh tanaman. Dengan demikian lingkaran ditutup dan pergerakan atom baru dimulai.
Namun, siklus zat tidak sepenuhnya tertutup. Beberapa atom keluar dari siklus, ditetapkan dan diorganisir oleh bentuk-bentuk baru organisme hidup dan produk limbahnya. Menembus ke dalam litosfer, hidrosfer, dan troposfer, organisme hidup telah menghasilkan dan sedang melakukan pekerjaan geokimia yang sangat besar pada pergerakan dan redistribusi zat-zat yang ada dan penciptaan zat-zat baru. Inilah inti dari perkembangan biosfer yang progresif, karena hal ini memperluas cakupan siklus biogeokimia dan memperkuat biosfer. Seperti yang dicatat oleh V.I. Vernadsky, di biosfer terdapat pergerakan biogenik atom yang konstan dalam bentuk “vortisitas”.
Berbeda dengan siklus geologi, siklus biotik ditandai dengan konsumsi energi yang tidak signifikan. Seperti yang telah disebutkan, sekitar 1% energi matahari yang mencapai permukaan bumi dihabiskan untuk pembuatan bahan organik primer. Energi ini cukup untuk berfungsinya proses biogeokimia paling kompleks di planet ini.
