Круговорот воды в природе

• КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

На тему: «Круговорот воды в природе» 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 

Введение 

     Известно, что человеческий организм почти  на 65% состоит из воды. Вода входит в  состав  тканей, без нее невозможно нормальное функционирование организма, осуществление  процесса обмена, поддержание теплового баланса, удаление продуктов метаболизма и т.д.  
Потеря организмом большого количества воды опасна для жизни человека. В жарких районах без воды человек может погибнуть через 5-7 суток, а без пищи при наличии воды человек может жить длительное время. Даже в холодных поясах для сохранения нормальной работоспособности человеку нужно около 1,5-2,5 литров воды в сутки.

     Если  количество воды, которое теряет человек, достигает 10% массы тела в сутки, наступает значительное снижение работоспособности, а если оно возрастает до 25%, то это  обычно приводит к смерти. Однако даже при большой потере воды все нарушенные процессы в организме быстро восстанавливаются, если организм пополнится водой до нормы.  

     Использование в быту.  Еда и напитки: Вода, используемая для питья, приготовления пищи, льда, напитков, консервов, и многих других пищевых продуктов, только маленькая часть обширного спектра ее применения. Однако это требует соблюдения стандарта качества на питьевую воду

     Промышленное  применение. Использование воды в  промышленности зависит от характера  и объема промышленности конкретного региона. Это могут быть системы охлаждения и отопления, производство пищевых продуктов, переработка отходов производства и т.д.

     Недостаток  влаги служит ограничивающим фактором, определяющим границы жизни и  ее зональное распределение. При недостатке воды у животных и растений вырабатываются приспособления к ее добыванию и сохранению.

1. Состояния воды 

     Вода  в природе может встречаться  в трёх состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Вода способна переходить из одного состояния в другое- из твердого в жидкое ( таять) , из жидкого в твёрдое ( замерзать), из жидкого в газообразное (испаряться), из газообразного в жидкое, превращаясь в капельки воды. 
 

Рис 1. Состояния  воды: твердое, жидкое, газообразное. 

     Жидкая  вода на поверхности планеты бывает двух видов: соленая и пресная. Соленая вода находится в морях и океанах, пресная - в реках, озерах, ручьях, водохранилищах, болотах. Подземные воды могут быть как пресными, так и солеными. В таком случае последние называются минеральными водами.

     Площадь морей и океанов на Земле во много раз превосходит площадь  всех рек, озер, болот и водохранилищ вместе взятых. Поэтому, соленой воды на нашей планете во много раз  больше, чем пресной.

     Вода  в твёрдом состоянии  может  быть представлена в виде снега и льда. Лед на Земле находится в ледниках .Ледники могут быть горными и покровными. Горные ледники находятся на наиболее высоких горных вершинах, где из-за низких температур в течение всего года выпавший снег не успевает таять. Наиболее крупные ледники находятся в горах Кавказа, Гималаев, Тянь-Шаня, Памира¹.

     Газообразная  вода - это водяной пар в атмосфере, который мы видим с земли в  виде облаков. Облака образуются на разных высотах, и поэтому имеют разный вид и форму. В зависимости  от этого облака делят на слоистые, перистые, кучевые и т.д. 

2. Круговорот воды  в природе 

Рис 2. Круговорот воды в природе. 

     Вода  находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается  в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

     Круговорот  воды является одним из грандиозных  процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее.

     В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений².

     Наиболее  замедленной частью круговорота  воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное  движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

     Круговорот  воды на поверхности Земли складывается из 520 тыс. км  выпадающей и такой  же массы испаряющейся воды. При  этом на континентах выпадает в год 109000 км , а испаряется 72000км . Разница  в 37000 км  и есть цифровое значение полного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (448000 км ), чем выпадает осадков (441000 км ). Разность покрывается стоком речных вод.

     Огромный  круговорот воды сопровождает процесс  созидания органического вещества. Выделяемый растениями кислород образуется при реакции фотосинтеза за счет расщепления воды. Однако на фотосинтез расходуется всего около 1% воды, проходящей из почвы через растения в атмосферу. Чтобы вырастить 1 ц пшеницы, растения должны пропустить через себя не менее 10000 кг воды. По расчетам, при формировании общепланетарной биомассы всех ныне существующих живых организмов в результате фотосинтеза было расщеплено такое количество воды, которое в 3,5 раза больше количества, находящегося во всех реках мира.

     Время, необходимое для прохождения всей воды нашей планеты через систему биологического круговорота, можно определить следующим образом. Общая масса воды в наружных оболочках Земли - земной коре, гидросфере и атмосфере  составляет 160000000 млрд. т. Масса воды, захватываемая годовой продукцией фотосинтезирующих организмов, около 800 млрд.т/г. Период полного оборота всей воды в процессе образования живого вещества примерно 2 млн. лет. Таким образом, вся огромная масса гидросферы Земли за 2 млн. лет проходит через растительные организмы, масса которых ничтожно мала  по сравнению с водной оболочкой.

     Круговые  движения воды не ограничиваются поверхностью Земли. Значительное количество воды присутствует в горных породах в виде пленочных  и поровых вод, еще больше входит ее в состав минералов, образующихся в зоне гипергенеза. Все глинистые минералы, оксиды железа и другие распространенные в этой зоне соединения содержат в своем составе воду. Подсчитано, что в 16-ти километровом слое земной коры содержится примерно 200 млн. км  воды. Поступая в глубинные зоны земной коры, связанные формы воды постепенно освобождаются и включаются в метаморфические, магматические и гидротермические процессы.  С вулканическими газами и горячими источниками глубинные воды поступают на поверхность.

3. Круговорот других веществ

Круговорот  углерода

     Углерод в биосфере часто представлен  наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты  биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

     Миграция  углекислого газа в биосфере Земли  протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его  в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем  захоронении их в литосфере в  виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород.

     Так, в далекие геологические эпохи  сотни миллионов лет назад  значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а  накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации³.

     По  второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы  в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

     В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается  в процессе фотосинтеза в дневное  время. В ночное время часть его  выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

Рис 3. Круговорот углерода.

Круговорот  кислорода

     Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен  кислорода среды с живыми организмами  или их остатками после гибели.

     В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода  в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.

     Свободный кислород современной земной атмосферы  является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и  его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода  и процессами окисления и гниения  различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода⁴.  

Круговорот  азота

     При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них  азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве   трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:

     2HN0з  + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н

     Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при .недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

     Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к  полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам относятся, прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.

     Таким образом, в природе совершается  непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

Круговорот  фосфора и серы

     Фосфор  входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического  фосфатиона (PO43-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи.

     Растения  поглощают PO43- из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме так называемого органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы.

     При каждом переходе велика вероятность окисления содержащего фосфор соединения в процессе клеточного дыхания для получения организмом энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.

     В отличие, например, от углекислого газа, который, где бы он ни выделялся в  атмосферу, свободно переносится в  ней воздушными потоками пока снова  не усвоится растениями, у фосфора  нет газовой фазы и, следовательно, нет "свободного возврата" в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы.

     Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может  вернуться на сушу с помощью рыбоядных  птиц, но это очень небольшая часть  общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.

     Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены  почвы циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя, например, урожай вместе с накопленными из почвы биогенами на большие расстояния к потребителям.

     Сера  встречается в природе как  в свободном состоянии (самородная сера), так и в различных соединениях. Очень распространены соединения серы с различными металлами. Из соединений серы в природе распространены также сульфаты, главным образом, кальция и магния. Наконец, соединения серы содержаться в организмах растений и животных.

     Сера  широко используется в народном хозяйстве. В виде серного цвета серу используют для уничтожения некоторых вредителей растений. Она применяется также для приготовления спичек, ультрамарина (синяя краска), сероуглерода и ряда других веществ.

     Круговорот  серы происходит в атмосфере и литосфере.  Поступление серы в атмосферу происходит в виде сульфатов, серного ангидрида  и серы из литосферы при вулканических извержениях, в виде сероводорода за счет распада пирита (FeS2 ) и органических соединений. Антропогенным источником  поступления серы в атмосферу являются тепловые электростанции и другие объекты, где происходит сжигание угля, нефти и других углеводородов, а поступление серы в литосферу, в частности в почву, происходит с удобрениями и органическими соединениями⁵.

     Перенос соединений серы в атмосфере осуществляется воздушными потоками, а выпадение на земную поверхность либо в виде пыли, либо с атмосферными осадками в виде дождя (кислотные дожди) и снега.

     На  поверхности Земли в почве  и водоемах происходит связывание сульфатных и сульфитных соединений серы кальцием с образованием гипса (CaSO4). Помимо этого происходит захоронение серы в осадочных породах с органическими остатками растительного и животного происхождения, из которых в дальнейшем происходит образование угля и нефти.

     В почве изменение соединений серы происходит с участием сульфобактерий использующих сульфатные соединения и  выделяющих  сероводород, который  поступая в атмосферу и окисляясь  снова переходит в сульфаты. Кроме  этого сероводород в почве  может восстанавливаться до серы, которая денитрифицирующими бактериями окисляется до сульфатов.  

Заключение

     Одно  из замечательных открытий геохимии заключается в установлении того, что движение многих химических элементов  осуществляется в виде круговых процессов - круговоротов. Именно эти элементы слагают земную кору, жидкую и газовую оболочки нашей планеты. Их круговороты могут происходить на ограниченном пространстве и на протяжении небольших отрезков времени, а может охватывать всю наружную часть планеты и огромные периоды. При этом малые круговороты входят в более крупные, которые в своей совокупности складываются в колоссальные биогеохимические круговороты. Они тесно связаны с окружающей средой.

       В биосфере, как и в каждой  экосистеме, постоянно осуществляется  круговорот углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и других химических элементов. Энергия поступает в экосистемы во время фотосинтеза, а рассеивается главным образом в виде тепла, когда организмы используют ее для своей жизнедеятельности. Вследствие непрерывно происходящих потерь энергии необходимо, чтобы она столь же непрерывно поступала в экосистемы в виде энергии солнечного света. В отличие от этого вода и элементы питания совершают непрерывный круговорот.

     Рассмотренная мною тема является очень актуальной в свете современной экологической ситуации. Вода – это источник жизни на земле. Но, как выясняется не бесконечный. Дело в том, что загрязнение водных ресурсов земли имеет в настоящий момент глобальный характер.

     Очень важно обеспечить «природе» нормальное функционирование ее базовых циклов обмена веществ. 

Список  литературы 

1. Захаров Е.И., Качурин Н.М., Панферова И.В. Основы общей экологии: Учеб. пособие. - Тула: ТулГТУ, 2002.
2. Мирасов О.Б. Физика вокруг нас. - М., 2006.
3. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2 т. - М.:Мир, 2006.
4. Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 2003.
5. Реймерс Н. Ф. Охрана природы и окружающей человека Среды. – М., 2004.
6. Семенов В.П. Кашина О.М. Физические процессы в природе. - М., 2006.
7. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология. - М.: Высш. шк., 2006.
8. Фазилов Н.Р. Физика природы. - М., 2000.