Prieš biosferos atsiradimą Žemėje buvo trys materijos ciklai: mineralų ciklas - magminių produktų judėjimas iš gelmių į paviršių ir atgal; dujų ciklas - oro masių, kurias periodiškai šildo Saulė, cirkuliacija,vandens ciklas - vandens garavimas ir jo pernešimas oro masėmis, krituliai (lietus, sniegas).Šiuos tris ciklus vienija vienas terminas - geologinis (abiotinis) ciklas. Atsiradus gyvybei, dujų, mineralų ir vandens ciklai pasipildė biotinis (biogeninis) ciklas - cheminių elementų ciklas, kurį atlieka gyvybinė organizmų veikla. Kartu su geologiniu, vienas biogeocheminis ciklas medžiagų Žemėje.
Geologinis ciklas.
Maždaug pusė Saulės energijos, pasiekiančios Žemės paviršių, sunaudojama vandens garavimui, uolienų dūlėjimui, mineralų tirpimui, oro masių judėjimui, o kartu su jomis vandens garams, dulkėms ir kietosioms dūlėjimo dalelėms.
Vandens ir vėjo judėjimas sukelia dirvožemio eroziją, mechaninių ir cheminių kritulių judėjimą, persiskirstymą ir kaupimąsi hidrosferoje ir litosferoje. Šis ciklas vyksta ir šiandien.
Didelio susidomėjimo vandens ciklas. Per vienerius metus iš hidrosferos išgaruoja apie 3,8 10 14 tonų vandens, o į Žemės vandens apvalkalą su krituliais grįžta tik 3,4 10 14 tonų vandens. Trūksta dalis nukrenta ant žemės. Iš viso sausumoje iškrenta apie 1 10 14 tonų kritulių, išgaruoja apie 0,6 10 14 tonų vandens. Litosferoje susidaręs vandens perteklius nuteka į ežerus ir upes, o vėliau į Pasaulinį vandenyną (2.4 pav.). Paviršinis nuotėkis yra apie 0,2 10 14 tonų, likusieji 0,2 10 14 tonų vandens patenka į podirvio vandeninguosius sluoksnius, iš kurių vanduo teka į upes, ežerus ir vandenyną, taip pat papildo požeminio vandens rezervuarus.
biotinis ciklas. Jis pagrįstas organinių medžiagų sintezės procesais, vėliau jų sunaikinimu į pirminius mineralus. Organinių medžiagų sintezės ir naikinimo procesai yra gyvosios medžiagos egzistavimo pagrindas ir pagrindinis biosferos funkcionavimo bruožas.
Bet kurio organizmo gyvybinė veikla neįmanoma be medžiagų apykaitos su aplinka. Medžiagų apykaitos procese organizmas suvartoja ir pasisavina reikalingas medžiagas bei išskiria atliekas, mūsų planetos dydis nėra begalinis, o galiausiai visos naudingos medžiagos virstų nenaudingomis atliekomis. Tačiau evoliucijos procese buvo rastas puikus sprendimas: be organizmų, galinčių sukurti gyvą medžiagą iš negyvosios medžiagos, atsirado ir kitų organizmų, kurie šią sudėtingą organinę medžiagą skaido į pradinius mineralus, paruoštus naujam naudojimui. „Vienintelis būdas ribotam kiekiui suteikti begalybės savybes“, – rašė V.R. Williamsas turi priversti jį suktis išilgai uždaros kreivės.
Gyvosios ir negyvosios gamtos sąveikos mechanizmas susideda iš negyvosios materijos įtraukimo į gyvybės sritį. Po keleto gyvų organizmų negyvos medžiagos transformacijų ji grįžta į ankstesnę būseną. Toks ciklas įmanomas dėl to, kad gyvuose organizmuose yra tokie patys cheminiai elementai kaip ir negyvojoje gamtoje.
Kaip vyksta šis ciklas? V.I. Vernadskis pagrindė, kad pagrindinis iš kosmoso gaunamos energijos (daugiausia saulės) keitiklis yra žalioji augalų medžiaga. Tik jie gali sintetinti pirminius organinius junginius veikiami saulės energijos. Mokslininkas apskaičiavo, kad visas energiją sugeriančios augalų žaliosios medžiagos paviršiaus plotas, priklausomai nuo metų laiko, svyruoja nuo 0,86 iki 4,2% Saulės paviršiaus ploto. Tuo pačiu metu Žemės paviršiaus plotas
Gyvūnai, kurių maistas yra augalai ar kiti gyvūnai, savo organizme sintetina naujus organinius junginius.
Gyvūnų ir augalų liekanos yra maistas kirminams, grybams ir mikroorganizmams, kurie galiausiai paverčia juos pirminiais mineralais, išskirdami anglies dioksidą. Šie mineralai vėl naudojami kaip pradinė žaliava augalams gaminti pirminius organinius junginius. Taip ratas užsidaro ir prasideda naujas atomų judėjimas.
Tačiau medžiagų ciklas nėra visiškai uždaras. Dalis atomų palieka ciklą, juos fiksuoja ir organizuoja naujos gyvų organizmų formos ir jų gyvybinės veiklos produktai. Į litosferą, hidrosferą ir troposferą prasiskverbę gyvi organizmai pagamino ir atlieka milžinišką geocheminį darbą, susijusį su esamų medžiagų judėjimu ir perskirstymu bei naujų medžiagų kūrimu. Tai yra laipsniško biosferos vystymosi esmė, nes tai išplečia biogeocheminių ciklų apimtį ir sustiprina biosferą. Kaip pažymėjo V. I. Vernadskis, biosferoje vyksta nuolatinis biogeninis atomų judėjimas „sūkurių“ pavidalu.
Skirtingai nuo geologinio, biotinis ciklas pasižymi nereikšmingu energijos suvartojimu. Kaip jau minėta, apie 1% saulės energijos, pasiekiančios Žemės paviršių, išleidžiama pirminės organinės medžiagos kūrimui. Šios energijos pakanka sudėtingiausiems planetos biogeocheminiams procesams vykdyti.
Didelis medžiagų ciklas gamtoje sukelia saulės energijos sąveika su gilia Žemės energija ir vykdo medžiagos persiskirstymą tarp biosferos ir gilesnių Žemės horizontų.
Nuosėdinės uolienos, susidarančios dėl magminių uolienų dūlėjimo, judriose žemės plutos zonose vėl panardinamos į aukštos temperatūros ir slėgio zoną. Ten jie ištirpsta ir susidaro magma – naujų magminių uolienų šaltinis. Po to, kai šios uolienos pakyla į žemės paviršių ir patiria atmosferos procesus, jos vėl virsta naujomis nuosėdinėmis uolienomis. Naujasis ciklas tiksliai nepakartoja senojo, o įveda kažką naujo, kas laikui bėgant lemia labai reikšmingus pokyčius.
Varomoji jėga didysis (geologinis) ciklas yra egzogeninis ir endogeninis geologiniai procesai.
Endogeniniai procesai(vidinės dinamikos procesai) vyksta veikiant vidinei Žemės energijai, išsiskiriančiai dėl radioaktyvaus skilimo, cheminių mineralų susidarymo reakcijų, uolienų kristalizacijos ir kt. (pavyzdžiui, tektoniniai judėjimai, žemės drebėjimai, magmatizmas). , metamorfizmas).
Egzogeniniai procesai(išorinės dinamikos procesai) vyksta veikiant išorinei Saulės energijai. Pavyzdžiai: uolienų ir mineralų atmosferos poveikis, naikinimo produktų pašalinimas iš kai kurių žemės plutos sričių ir jų perkėlimas į naujas sritis, naikinimo produktų nusėdimas ir kaupimasis, kai susidaro nuosėdinės uolienos. Į Ex.pr. rel. atmosferos, hidrosferos, taip pat gyvų organizmų ir žmonių geologinis aktyvumas.
Didžiausios reljefo formos (žemynai ir vandenynų baseinai) ir stambios formos (kalnai ir lygumos) susidarė dėl endogeninių procesų, o vidutinės ir mažos reljefo formos (upių slėniai, kalvos, daubos, kopos ir kt.), išsidėsčiusios ant didesnių. formos – dėl egzogeninių procesų. Taigi endogeniniai ir egzogeniniai procesai yra priešingi. Pirmieji lemia didelių reljefo formų susidarymą, antrieji – jų išlyginimą.
Geologinio ciklo pavyzdžiai. Magminės uolienos dėl oro sąlygų virsta nuosėdinėmis uolienomis. Judančiose žemės plutos zonose jie pasineria giliai į Žemę. Ten, veikiant aukštai temperatūrai ir slėgiui, jie ištirpsta ir susidaro magma, kuri, iškilusi į paviršių ir kietėjanti, sudaro magmines uolienas.
Didelio ciklo pavyzdys – vandens ciklas tarp sausumos ir vandenyno per atmosferą (2.1 pav.).
Ryžiai. 2.1. Visuotinai priimta hidrologinė (klimato) schema
vandens ciklas gamtoje
Nuo Pasaulio vandenyno paviršiaus išgaruojanti drėgmė (sunaudoja beveik pusę Žemės paviršių pasiekiančios saulės energijos) perkeliama į žemę, kur iškrenta kritulių pavidalu, kurie paviršiaus ir požeminiu pavidalu grįžta į vandenyną. nuotėkis. Vandens ciklas taip pat vyksta pagal paprastesnę schemą: drėgmės išgarinimas nuo vandenyno paviršiaus - vandens garų kondensacija - krituliai tame pačiame vandenyno vandens paviršiuje.
Vandens ciklas kaip visuma vaidina svarbų vaidmenį formuojant gamtines sąlygas mūsų planetoje. Atsižvelgiant į augalų transpiraciją ir jo absorbciją biogeocheminiame cikle, visas vandens tiekimas Žemėje sugenda ir atsistato per 2 mln.
Taigi geologinis medžiagų ciklas vyksta nedalyvaujant gyviems organizmams ir perskirsto medžiagas tarp biosferos ir gilesnių Žemės sluoksnių.
Visos mūsų planetoje esančios medžiagos yra cirkuliacijos procese. Saulės energija Žemėje sukelia du medžiagų ciklus – didžiąją arba biosferą (apimanti visą biosferą) ir mažąją arba biologinę (ekosistemose).
Prieš biosferos medžiagų cirkuliaciją buvo geologinė, susijusi su uolienų susidarymu ir sunaikinimu bei vėlesniu naikinimo produktų – klastinių medžiagų ir cheminių elementų – judėjimu. Šiluminės žemės ir vandens paviršiaus savybės šiuose procesuose vaidino ir vaidina svarbų vaidmenį: absorbcija į saulės šviesos atspindį, šilumos laidumas į šilumos talpą. Vanduo sugeria daugiau saulės energijos, o žemės paviršius tose pačiose platumose labiau įkaista. Nestabilus Žemės paviršiaus hidroterminis režimas kartu su planetinės atmosferos cirkuliacijos sistema lėmė geologinę medžiagų cirkuliaciją, kuri pradiniame Žemės vystymosi etape kartu su endogeniniais procesais buvo susijusi su žemynų, vandenynų ir šiuolaikinių geosferos. Jo geologinį pasireiškimą rodo ir oro masės pernešami atmosferos produktai, o vanduo – jame ištirpę mineraliniai junginiai. Susidarius biosferai, organizmų atliekos buvo įtrauktos į didelį ciklą. Geologinis ciklas, nenutraukdamas savo egzistavimo, įgavo naujų bruožų: tai pradinė materijos judėjimo biosferoje stadija. Būtent jis aprūpina gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir daugiausia lemia jų egzistavimo sąlygas.
Didelis medžiagų ciklas biosferoje pasižymi dviem svarbiais punktais:
Vykdoma per visą Žemės geologinį vystymąsi;
Tai modernus planetinis procesas, kuris vaidina pagrindinį vaidmenį tolimesnėje biosferos raidoje (Radkevich, 1983).
Dabartiniame žmogaus vystymosi etape dėl didelio ciklo teršalai, tokie kaip sieros ir azoto oksidai, dulkės ir radioaktyviosios priemaišos, taip pat pernešami dideliais atstumais. Šiaurės pusrutulio vidutinio klimato platumų teritorija buvo labiausiai užteršta.
Mažasis arba biologinis medžiagų ciklas atsiskleidžia didelio, geologinio, apimančio visą biosferą, fone. Jis atsiranda ekosistemose, bet nėra uždaras, o tai susiję su medžiagos ir energijos patekimu į ekosistemą iš išorės ir kai kurių iš jų išleidimu į biosferos ciklą. Dėl šios priežasties žmonės kartais kalba ne apie biologinį ciklą, o apie energijos mainus ekosistemose ir atskiruose organizmuose.
Augalai, gyvūnai ir dirvožemio danga sausumoje sudaro sudėtingą pasaulinę sistemą, kuri formuoja biomasę, suriša ir perskirsto saulės energiją, atmosferos anglį, drėgmę, deguonį, vandenilį, azotą, fosforą, sierą, kalcį ir kitus elementus, dalyvaujančius organizmų gyvenime. Vandens aplinkos augalai, gyvūnai ir mikroorganizmai sudaro kitą planetų sistemą, kuri atlieka tą pačią funkciją – susieti saulės energiją ir biologinį medžiagų ciklą.
Biologinio ciklo esmė slypi dviejų priešingų, bet tarpusavyje susijusių procesų – organinės medžiagos susidarymo ir jos naikinimo – atsiradime. Pradinė organinių medžiagų formavimosi stadija vyksta dėl žaliųjų augalų fotosintezės, t.y. šios medžiagos susidarymas iš anglies dioksido, vandens ir mineralinių junginių naudojant Saulės spinduliavimo energiją. Augalai ištirpintu pavidalu iš dirvožemio išgauna sierą, fosforą, kalcį, kalį, magnį, manganą, silicį, aliuminį, varį, cinką ir kitus elementus. Žolėdžiai gyvūnai jau pasisavina šių elementų junginius augalinės kilmės maisto pavidalu. Plėšrūnai minta žolėdžiais gyvūnais, vartoja sudėtingesnės sudėties maistą, įskaitant baltymus, riebalus, aminorūgštis ir kt. Mikroorganizmams sunaikinant negyvų augalų ir gyvūnų liekanų organines medžiagas, paprasti mineraliniai junginiai patenka į dirvožemį ir vandenį. aplinka, kurią augalai gali pasisavinti, ir kitas etapas prasideda biologinis ciklas.
Skirtingai nuo didžiojo, mažojo žiedo trukmė skiriasi: išskiriami sezoniniai, metiniai, daugiamečiai ir pasaulietiniai mažieji. Tiriant medžiagų biologinį ciklą, pagrindinis dėmesys skiriamas metiniam ritmui, nulemtam metinės augmenijos vystymosi dinamikos.
1 puslapis
Geologinis ciklas (didelis medžiagų ciklas gamtoje) – medžiagų ciklas, kurio varomoji jėga yra egzogeniniai ir endogeniniai geologiniai procesai.
Geologinis ciklas – tai medžiagų cirkuliacija, kurios varomoji jėga yra egzogeniniai ir endogeniniai geologiniai procesai.
Geologinio ciklo ribos yra daug platesnės nei biosferos ribos, jos amplitudė apima žemės plutos sluoksnius, esančius toli už biosferos ribų. Ir, svarbiausia, gyvi organizmai atlieka antraeilį vaidmenį šio ciklo procesuose.
Taigi geologinis medžiagų ciklas vyksta nedalyvaujant gyviems organizmams ir perskirsto medžiagas tarp biosferos ir gilesnių Žemės sluoksnių.
Svarbiausią vaidmenį dideliame geologinio ciklo cikle atlieka maži materijos ciklai – tiek biosferos, tiek technosferos, kurių metu medžiaga ilgam išjungiama nuo didelio geocheminio srauto, virsta nesibaigiančiais sintezės ciklais ir skilimas.
Svarbiausią vaidmenį dideliame geologinio ciklo cikle atlieka maži materijos ciklai – tiek biosferos, tiek technosferos, kai medžiaga ilgam išjungiama nuo didelio geocheminio srauto, virsta nesibaigiančiais sintezės ciklais ir skilimas.
Ši anglis dalyvauja lėtame geologiniame cikle.
Būtent ši anglis dalyvauja lėtame geologiniame cikle. Gyvybę Žemėje ir atmosferos dujų balansą palaiko santykinai nedideli anglies kiekiai, esantys augalų (5 10 t) ir gyvūnų (5 109 t) audiniuose, dalyvaujančiuose mažajame (biogeniniame) cikle. Tačiau šiuo metu žmonės intensyviai uždaro medžiagų, įskaitant anglies, ciklą. Pavyzdžiui, apskaičiuota, kad bendra visų naminių gyvūnų biomasė jau viršija visų laukinių sausumos gyvūnų biomasę. Kultūrinių augalų plotai artėja prie natūralių biogeocenozių plotų, o daugelis kultūrinių ekosistemų savo produktyvumu, nuolat žmogaus didinamu, gerokai pranoksta natūralias.
Plačiausias laike ir erdvėje yra vadinamasis geologinis medžiagų ciklas.
Gamtoje yra 2 medžiagų cirkuliacijos tipai: didelis arba geologinis medžiagų ciklas tarp sausumos ir vandenyno; mažas arba biologinis – tarp dirvožemio ir augalų.
Vanduo, augalo išgautas iš dirvožemio, garų pavidalu patenka į atmosferą, vėliau, vėsdamas, kondensuojasi ir kritulių pavidalu grįžta į dirvą ar vandenyną. Geologinis vandens ciklas užtikrina mechaninį perskirstymą, nusodinimą, kietų nuosėdų kaupimąsi sausumoje ir rezervuarų dugne, taip pat mechaninio dirvožemio ir uolienų naikinimo procese. Tačiau cheminė vandens funkcija atliekama dalyvaujant gyviems organizmams arba jų medžiagų apykaitos produktams. Natūralūs vandenys, kaip ir dirvožemis, yra sudėtingos bioinertinės medžiagos.
Žmogaus geocheminė veikla tampa panaši į biologinius ir geologinius procesus. Geologiniame cikle denudacijos ryšys smarkiai padidėja.
Veiksnys, paliekantis pagrindinį pėdsaką bendram charakteriui ir biologiniam. Tuo pačiu metu geologinis vandens ciklas nuolat stengiasi visus šiuos elementus nuplauti iš griūvančios žemės sluoksnių į vandenyno baseiną. Todėl norint išsaugoti augalinius maisto elementus žemėje, juos reikia paversti tokia forma, kuri visiškai netirpi vandenyje. Šį reikalavimą tenkina gyva organinė medžiaga.
Visos planetoje esančios medžiagos yra cirkuliacijos procese. Saulės energija Žemėje sukelia du medžiagų ciklus: didelis (geologinis, biosferinis) Ir mažas (biologinis).
Didelis medžiagų ciklas biosferoje pasižymi dviem svarbiais punktais: jis vyksta per visą geologinį Žemės vystymąsi ir yra modernus planetinis procesas, kuris vaidina pagrindinį vaidmenį tolimesnėje biosferos raidoje.
Geologinis ciklas yra susijęs su uolienų susidarymu ir sunaikinimu bei vėlesniu naikinimo produktų – klastinių medžiagų ir cheminių elementų – judėjimu. Žemės ir vandens paviršiaus šiluminės savybės vaidino ir tebevaidina reikšmingą vaidmenį šiuose procesuose: saulės spindulių sugertis ir atspindėjimas, šilumos laidumas ir šiluminė talpa. Nestabilus Žemės paviršiaus hidroterminis režimas kartu su planetinės atmosferos cirkuliacijos sistema lėmė geologinę medžiagų cirkuliaciją, kuri pradiniame Žemės vystymosi etape kartu su endogeniniais procesais buvo susijusi su žemynų, vandenynų ir šiuolaikinių geosferos. Susidarius biosferai, organizmų atliekos buvo įtrauktos į didelį ciklą. Geologinis ciklas aprūpina gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir iš esmės lemia jų egzistavimo sąlygas.
Pagrindiniai cheminiai elementai litosfera: deguonis, silicis, aliuminis, geležis, magnis, natris, kalis ir kiti – dalyvauja dideliame cikle, pereinant iš gilių viršutinės mantijos dalių į litosferos paviršių. Magminė uoliena, susidariusi kristalizacijos būdu
magma, patekusi į litosferos paviršių iš Žemės gelmių, biosferoje patiria irimą bei oro sąlygas. Atmosferos poveikio produktai patenka į judrią būseną, vandens ir vėjo nunešami į žemas reljefo vietas, patenka į upes, vandenyną ir sudaro storus nuosėdinių uolienų sluoksnius, kurie laikui bėgant, pasinerdami į gylį vietovėse, kuriose yra padidėjusi temperatūra ir slėgis, patiria metamorfozę. , t.y. „perlydyti“. Šio tirpimo metu atsiranda nauja metamorfinė uoliena, kuri patenka į viršutinius žemės plutos horizontus ir vėl patenka į medžiagų ciklą. (32 pav.).
Ryžiai. 32. Geologinis (didysis) medžiagų ciklas
Lengvai judančios medžiagos – dujos ir natūralūs vandenys, sudarantys planetos atmosferą ir hidrosferą – patiria intensyviausią ir sparčiausią cirkuliaciją. Litosferos medžiaga cirkuliuoja daug lėčiau. Apskritai kiekvienas bet kurio cheminio elemento ciklas yra bendro didelio Žemėje esančių medžiagų ciklo dalis ir visi jie yra glaudžiai tarpusavyje susiję. Gyvoji biosferos medžiaga šiame cikle atlieka didžiulį darbą perskirstydama cheminius elementus, kurie nuolat cirkuliuoja biosferoje, pereidami iš išorinės aplinkos į organizmus ir vėl į išorinę aplinką.
Mažas arba biologinis medžiagų ciklas- Tai
medžiagų apykaita tarp augalų, gyvūnų, grybų, mikroorganizmų ir dirvožemio. Biologinio ciklo esmė slypi dviejų priešingų, bet tarpusavyje susijusių procesų – organinių medžiagų susidarymo ir jų naikinimo – atsiradime. Pradinį organinių medžiagų atsiradimo etapą lemia žaliųjų augalų fotosintezė, t.y. gyvosios medžiagos susidarymas iš anglies dioksido, vandens ir paprastų mineralinių junginių naudojant saulės energiją. Augalai (gamintojai) iš dirvožemio tirpale išgauna sieros, fosforo, kalcio, kalio, magnio, mangano, silicio, aliuminio, cinko, vario ir kitų elementų molekules. Žolėdžiai gyvūnai (pirmosios eilės vartotojai) šių elementų junginius pasisavina augalinės kilmės maisto pavidalu. Plėšrūnai (II eilės vartotojai) minta žolėdžiais gyvūnais, vartodami sudėtingesnės sudėties maistą, įskaitant baltymus, riebalus, aminorūgštis ir kitas medžiagas. Mikroorganizmams (skaidytojams) sunaikinant negyvų augalų ir gyvūnų liekanų organines medžiagas, į dirvožemį ir vandens aplinką patenka paprasti mineraliniai junginiai, kuriuos augalai gali pasisavinti, ir prasideda kitas biologinio ciklo etapas. (33 pav.).
