Круговорот веществ и энергии в географической оболочке

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Марта 2013 в 17:52, доклад

Описание работы

Круговорот веществ - это повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер. Эти процессы имеют определенное поступательное движение, так как при так называемых циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ.
Жизнедеятельность биогеоценоза возможна только при условии постоянного притока энергии и круговорота веществ в географической оболочке.

Файлы: 1 файл

Глава 1.1.docx

— 572.75 Кб (Скачать файл)

Глава 1. Круговорот веществ и энергии в географической оболочке

Круговорот веществ - это повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер. Эти процессы имеют определенное поступательное движение, так как при так называемых циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ.

Жизнедеятельность биогеоценоза возможна только при условии постоянного  притока энергии и круговорота  веществ в географической оболочке. Однако, поскольку в жизнедеятельности биогеоценоза наряду с живыми организмами большое значение имеют химические и геологические факторы, рассматривать круговорот веществ следует с позиции биогеохимического цикла, т.е. циркуляции веществ между гидросферой, литосферой, атмосферой и живыми организмами.

Незамкнутые круговороты

Круговорот веществ никогда  не бывает полностью замкнутым в  круг, т.к. часть органических и неорганических веществ выносится за пределы  биогеоценоза и в то же время их запасы могут пополняться за счет притока извне. Неполная замкнутость циклов в масштабах геологического времени приводит к накоплению элементов в различных природных сферах Земли. Таким образом накапливаются полезные ископаемые - уголь, нефть, газ, известняки и т.п.

Постоянный приток энергии  в экосистему происходит за счет солнечного излучения, которое фотосинтезирующими организмами переводится в энергию  химических связей органических соединений. Передача энергии по пищевым цепям  подчиняется второму закону термодинамики: преобразование одного вида энергии  в другой идет с потерей части  энергии. При этом ее перераспределение  подчиняется строгой закономерности: энергия, получаемая экосистемой и  усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т.д. порядков, а затем редуцентам с падением потока энергии на каждом трофическом уровне. В связи с этим круговорота энергии не бывает.

О круговороте веществ  можно говорить только в очень  узком смысле биотического круговорота: поступления биогенных элементов (углерода, кислорода, азота и пр.) к живым организмам и возвращение  этих же биогенных элементов в  окружающую среду (т.е. потребление  и возврат биогенных элементов  происходит по кругу).

В географической оболочке круговорот веществ происходит как между геосферами (атмосферой, гидросферой, земной корой, гранитной, базальтовой и другими сферами) в пределах 10-20 км (местами 50-60 км) от поверхности Земли, так и между некоторыми геосферами и живыми организмами. Непосредственно непрерывный круговорот веществ наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосферы и в биосфере. К геологической силе в этом круговороте в настоящее время добавилась деятельность человека.

Таким образом, различают  два основных круговорота: 

  • большой (геологический) - продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
  • малый (биотический) - (часть большого), происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

которые в совокупности называются биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки, например, тела человека, которое состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.

 

Круговорот углерода - самый интенсивный биогеохимический цикл. В природе углерод существует в двух основных формах – в карбонатах (известняк, мел, мрамор [CaCO3]) и органических полезных ископаемых (нефть, уголь, природный газ). Все эти вещества обладают низкой химической активностью и потому лишь в очень незначительной степени используются живыми организмами. В биотическом круговороте участвуют преимущественно лишь те части углерода, которые находятся в атмосфере, гидросфере и живых организмах.

В атмосферном воздухе  углерод содержится в виде углекислого  газа, на долю которого приходится 0,03%. Последний поглощается растениями и идет на образование органического  вещества в процессе фотосинтеза. Растения поедаются растительноядными животными, в организме которых углерод  в составе органических соединений проходит по цепи обменных реакций. Часть  его накапливается в их организме, часть удаляется с продуктами жизнедеятельности. Углекислый газ  выделяется в процессе дыхания животных и растений. Погибшие растения и  животные подвергаются воздействию  микроорганизмов-редуцентов (бактерии, грибы), которые разлагая их, переводят углеродсодержащие вещества в углекислый газ, который вновь возвращается в атмосферу. При этом в биотический круговорот возвращается метан (СН4), вода и соединения азота (NH4, CO(NH2)2, NO2, NO3). Огромное количество метана выделяют метановые бактерии, которые обитают в почве и болотах. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности и сжигания человеком горючих ископаемых.

Основная часть поступающего в атмосферу диоксида углерода поглощается  океанами и морями (поскольку он хорошо растворяется в воде)

СО+ Н20 --> Н2СО--> Н+ НСО3 
и откладывается в виде нерастворимого в воде карбоната кальция после соединения карбонат-иона (НСО3) с кальцием

Са2+ + НСО3--> Са2СО+ Н+

Карбонат кальция выпадает в донные отложения водоемов. Он также поглощается водными организмами  и используется ими для постройки  раковинок (моллюски) или внешних покровов тела (ракообразные). Обыкновенный мел образован слежавшимися остатками раковинок ископаемых моллюсков. Таким образом доля излишнего СОпоглощается Мировым океаном и выводится из биотическогo круговорота. Однако способность Мирового океана к поглощению избытка СОне безгранична и, как считается, в настоящее время близка к исчерпанию. Соответственно атмосферная часть СОмедленно, но неуклонно повышается. По данным расчетов  в 2025 году в атмосферу Земли будет выпущено 26 млрд. тонн углерода в составе углекислого газа, что соответствует ежегодному приросту 3,4%.

Круговорот кислорода тесно взаимосвязан с круговоротом углерода поскольку оба элемента входят в состав углекислого газа и являются важнейшими компонентами всех органических соединений - углеводов, жиров и белков, нуклеиновых кислот, макроэргических соединений.

В количественном отношении  главной составляющей живой материи  является кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой.

Кислород, содержащийся в  атмосфере, имеет биогенное происхождение  и рассматривается как продукт  фотосинтеза, который поддерживает его содержание в атмосфере около 21% Кроме того, большое количество кислорода содержится в самых распространенных минералах земной коры - песчаных породах (SiO2), железных (Fe2O3) и алюминиевых (Al2O3) рудах, которое, однако, не участвует в биотическом круговороте, т.к. эти вещества обладают низкой химической активностью и потому лишь в очень незначительной степени используются живыми организмами. В биотическом круговороте участвуют преимущественно лишь те части кислорода, которые, как и углерод, находятся в атмосфере, гидросфере и живых организмах.

Свободный кислород используется для дыхания всеми аэробными  микроорганизмами и идет на окисление  органических веществ в результате чего выделяется конечный продукт окисления - углекислый газ. В составе углекислого газа кислород возвращается во внешнюю среду и этот его круговорот обеспечивает круговорот всех биогенных элементов, так как освобождение энергии из органических и неорганических соединений сопровождается расщеплением их в ходе окислительных реакций. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа.

Отметим, что, начиная с  определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой  анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом  веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.

Потребление атмосферного кислорода  и его возмещение растениями в  процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего  атмосферного кислорода требуется  около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет.

Часть кислорода, поступающего в атмосферу может фиксироваться литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксида железа, остальная часть циркулирует в биосфере в виде газов или сульфатов, растворенных в океанических и континентальных водах.

Таким образом, круговорот углерода и кислорода взаимосвязаны процессами фотосинтеза и дыхания: при фотосинтезе углекислый газ поглощается (фиксируется организмами), а углерод, содержащийся в нем используется для образования органических веществ при участии воды, света и фотосинтетических пигментов. Выделяющийся кислород образуется при расщеплении воды, а выделяющийся углекислый газ - за счет дыхания и разложения органических соединений.

Процессы фотосинтеза  с одной стороны, дыхания и  разложения органических соединений с  другой взаимно уравновешивают друг друга. Поэтому количество углерода и кислорода, участвующих в биотическом  круговороте остается достаточно постоянным. Вовлечение в эту систему углерода, образующегося в результате геологических  процессов (извержение вулканов, пожары и химическое взаимодействие с различными соединениями) незначительно, однако при  нарушении продукции и деструкции органического вещества возможны предпосылки  как для усиленного образования  органических полезных ископаемых (каменных углей, горючих сланцев и т.д.), так и для замедления этого  процесса.

Антропогенные факторы (развитие промышленности, сжигание органического  топлива, войны, вспашка почвы при  ведении сельского хозяйства, сокращение площади лесов - тропических лесов  Амазонской низменности, Тропической  Африки и Юго-Восточной Азии, являющихся основными производителями кислорода  на планете и пр.) могут более  выраженно нарушать равновесие между  этими биотическими элементами. За последние 100 лет, пусть и незначительно, но содержание кислорода в атмосфере понижается. Это не представляет опасности для дыхания живых организмов ни сейчас, ни в отдаленном будущем, однако приводит к уменьшению содержания озона в верхних слоях атмосферы ("озоновые дыры"), что способствует увеличению потока жесткого ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли.

Повышение концентрации СОв атмосфере вызывает парниковый эффект. Он обусловлен тем, что СОи другие парниковые газы, например, метан, препятствует тепловому потоку, излучаемому нагретой солнечными лучами земной поверхностью уходить в космическое пространство. Это приводит к постоянному повышению температуры надземного слоя атмосферы и пока к очень медленному (до 1-2 мм в год) повышению уровня Мирового океана, значительному сокращению площади вечных льдов Северного Ледовитого океана, отступлению на север кромки арктических льдов и южных границ зон тундры и лесотундры.

С другой стороны повышение  содержания пыли, дымов и других твердых загрязнителей в атмосфере  может снизить температуру приземных  слоев атмосферы, поскольку пыль отражает солнечные лучи в космическое  пространство, что уменьшает нагрев ими земной поверхности (эффект зеркала). Математическое моделирование последствий  военного конфликта даже с ограниченным применением ядерного оружия показало, что задымление и запыление атмосферы  может привести к понижению средней  температуры на поверхности Земли  на 5-6°С, что вызовет наступление нового ледникового периода ("ядерная зима").

От того, какой из возможных  сценариев развития атмосферных  процессов ("всемирный потоп" или "ледниковый период") может реализоваться  в результате вмешательства человека, во многом зависит будущее человечества.

Круговорот азота.   Азот является одним из основных биогенных элементов, входящий в состав белков. В живых организмах содержится в среднем 3% азота. На Земле запасы азота огромны. Только в атмосфере его содержание по объему составляет 79%.

Газообразный азот возникает  в результате реакции окисления  аммиака, образующегося при извержении вулканов (это ювенильный азот, который  ранее не входил в состав биосферы) и разложении биологических отходов. Однако в свободном состоянии  он не усваивается ни высшими растениями, ни животными. Молекулярный азот обладает очень слабой реакционной способностью, он не ядовит, но и не поддерживает жизненных  процессов. Само название "азот" в переводе с древнегреческого означает "безжизненный" (а - отрицательная частицы, "зоон" - жизнь).

Эукариоты могут использовать только "связанный азот", входящий в состав неорганических и органических веществ, таких как аммиак (NH4), нитриты (NО2-) и нитраты (NО3-), а также белков.

В органические соединения свободный (молекулярный) азот переводят  азотфиксирующие бактерии и сине-зеленые  водоросли. Кроме того, незначительная часть свободного азота под действием электрических разрядов в атмосфере может превращаться в соединении с водой в азотистую и азотную кислоты. Последние, поступая в почву, образуют соли. В связанном состоянии азот (в виде нитрат-ионов (NО3-) и ионов аммония (NH4+)) усваивается растениями [показать] и используется для синтеза белков.

Информация о работе Круговорот веществ и энергии в географической оболочке