Круговорот воды в природе

Круговорот воды в природе

Вы уже знаете, что больше 70% поверхности земного шара покрыто водами Мирового океана. А еще есть озера, реки и другие водоемы. Вода, как известно, испаряется с поверхности водоемов практически в любую погоду. Но летом, в жару, этот процесс идет значительно быстрее и интенсивнее.

Водяные пары поднимаются  в верхние слои атмосферы, где конденсируются в облака и тучи, которые, при изменении погодных условий, всегда готовы разразиться дождем, градом, а зимой — снегом. Таким образом, вода, испарившаяся с поверхности нашей планеты, возвращается на нее. То же происходит и с водой, которую мы используем для питья, полива сельскохозяйственных угодий — она возвращается из организма в окружающий нас мир, просачивается в глубокие слои почвы, испаряется и — повторяет все тот же путь! Этот бесконечный круговорот позволяет нам обходится пусть и огромными, но все-таки конечными по своей сути мировыми запасами воды. В круговороте воды не участвуют (до поры до времени) только воды, связанные в кристаллической решетке минералов и погребенные в глубинах огромных ледников, покрывающих территорию Арктических земель и Антарктиды.  

Если пофантазировать  немного, то мы с вами пьем ту же воду, которую пили воины Александра Македонского и купаемся в тех же водах, в которых плескались бронтозавры и плавали ихтиозавры Юрского периода. Просто за миллионы лет вода эта миллионы раз проделала путь по тому самому кругу, который мы и называем Круговорот воды в Природе.

Круговорот азота  в природе

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме (см. Химические связи), при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N₂. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота  представляет собой ряд замкнутых  взаимосвязанных путей, по которым  азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные  микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся  материалов и переводят его в  молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH₃) или ионов аммония (NH₄⁺). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO₃^–). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Главный поставщик  связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное  состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо  чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в  результате естественных природных  процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Круговорот углерода в природе

Глобальный круговорот углерода в природе можно разделить  на две основные категории: геологический, временной цикл которого исчисляется  миллионами лет, и значительно более  быстрый – биологический с  временным циклом от нескольких дней до нескольких тысячелетий. Мы, люди, имеем  влияние на обе эти категории.

Глобальный углеродный круговорот являет собой перемещение  углерода между различными «резервуарами», и происходит благодаря множеству  различных химических, физических, геологических и биологических  процессов. Поверхность современного океана является наиболее активным буфером  обмена углерода на Земле, однако на больших  глубинах такого быстрого обмена с  атмосферой происходить не может.

В атмосфере Земли  углерод преимущественно существует в виде диоксида (CO2). И хотя его  содержание кажется ничтожно малым (около 0.04% и по утверждениям ученых продолжает расти), он играет важнейшую  роль в поддержании жизни на Земле. Существует еще несколько газов, таки как, например метан, содержащих  углерод, которые также играют свою роль в углеродном обмене. В концепции теории глобального потепления эти газы называют парниковыми, и считается, что именно повышение концентрации этих газов приводит к парниковому эффекту и как следствие к глобальному повышению температуры.

Углерод. Откуда он берется?

Углерод возвращается в оборот несколькими различными способами.

1.       Дыхание животных и растений.

2.       Разложение животных и растений. Этим занимаются бактерии, превращая части мертвых организмов животных и растений в углекислый газ в присутствии кислорода или метан в противном случае.

3.       Ну и кончено, сжигание ископаемого органического топлива: нефть, уголь, торф и природный газ. За эту часть выбросов несет ответственность человечество и наша с Вами цивилизация. И именно этой части экологи приписывают все возможные грехи. С доводами экологов трудно не согласится, особенно, учитывая масштабы этого действа. Добавьте к этому лесные пожары, причиной которых тоже зачастую становятся люди.

4.       Производство цемента приводит  к выбросу углерода в атмосферу при нагревании карбоната кальция (известняка, CaCO3).  

5.       Нагревание поверхности океанов приводит дополнительному выделению углекислого газа из морской воды.

6.       Ну и конечно, вулканическая деятельность – неотъемлемая часть углеродного цикла. Вулканы выбрасывают пар, углекислый газ и диоксид серы.

Круговорот фосфора  в природе

Фосфор по своей важности ничуть не уступает азоту, и участвует  в великом природном круговороте  веществ. Растительный и животный мир своим существованием во многом обязан фосфору.

Однако фосфор встречается  в природных условиях не так уж часто, и на его долю приходится лишь 0,08% массы земной коры. По распространенности он занимает тринадцатое место среди  других элементов. Интересно отметить, что в теле человека на долю фосфора  приходится примерно 1,16%. Из них 0,51%   приходится на костную ткань, около 0,25% - на мышечную и примерно 0,4% на нервную ткань.

Фосфор редко встречается  в больших количествах, и в  целом его следует отнести  к рассеянным элементам. В свободном  виде в природе он не встречается, так как легко окисляется, но содержится во многих минералах, число которых  уже составляет 190. Главнейшие из них - фторапатит, гидроксилапатит, фосфорит. Несколько реже встречаются вавианит, монацит,игонит, трифилит и в совсем ограниченных количествах - гит и торбернит.

Что касается минералов фосфора, то они делятся на первичные и вторичные. Среди первичных наиболее распространены вещества, представляющие в основном породы магматического происхождения. Химический состав апатита - фосфат кальция, содержащий некоторое количество фторида и хлорида кальция. но этим определяется существование минералов фторапати-хлорапатита. Они содержат от 5 до 36% РдОз. Обычно эти минералы в большинстве случаев встречаются в зоне магмы, (редко они обнаруживаются в местах, где продуктыизвержения соприкасаются с осадочными породами. Из всех известных месторождений фосфатов наиболее значительные имеются в Норвегии.  Крупное отечественное месторождение апатитов открыто академиком А. Е. Ферсманом в Хибинах в 1925 г. Ферсман писал: «Внешний вид этого минерала так разнообразен, что старые минералоги назвали его апатитом, что значит по-гречески «обманщик». То это прозрачные кристаллики, напоминающие берилл и даже кварц, то это плотные породы не отличимые от простого известняка, то это радиально-»чнстые шары, то порода зернистая и блестящая, как крупно-1риистый мрамор».

Апатиты под действием  различных почвенных кислот, жизнедеятельности  бактерии и процессов выветривания, вымывания включаются в биохимический  круговорот и легко усваиваются  растениями. Следует отметить, что фосфор усваивается только из иоренных солей фосфорной кислоты. Однако они частично вымываются из почвы, а большое количество фосфора уносится с урожаем. Все это приводит к постепенному истощению почвы. При внесении в почву фосфорных удобрений увеличивается урожайность.

Несмотря на значительные потребности в фосфорных удобрениях , особых опасений, связанных с истощением запасов сырья, по всей видимости, нет. Эти удобрения могут быть получены при комплексной переработке минерального сырья, морских  и различных геологических отложений, богатых фосфором.

При разложении богатых фосфором соединений органического происхождения  нередко образуются газообразные и  жидкие вещества. Иногда можно наблюдать  выделение газа с запахом гнилой рыбы - фосфористого водорода, или фосфина, РНз. Одновременно с фосфином идет образование другого продукта - ифосфина РаН4.  

Круговорот серы в природе

Сера входит в состав белков и также представляет собой жизненно важный элемент. В виде соединений с металлами сульфидов она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную для усвоения растворимую форму эти соединения переводятся хемосинтезирующими бактериями, способными получать энергию путём окисления восстановленных соединений серы. В результате образуются сульфаты, которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.