Круговороты вещества и энергии

Круговорот вещества и
энергии.
Междисциплинарная кафедра ТПУ.
Доцент, кандидат географических наук
А.Е. Тябаев.
* Важнейшей особенностью динамики
Географической оболочки является наличие в
ней круговоротов вещества и связанной с ним
энергии.
* Роль круговоротов в природе колоссальна, так
как они обеспечивают многократность одних и
тех же процессов и явлений, а также
направленный характер их развития.
* Круговорот веществ – многократное участие
вещества в процессах, протекающих в
Атмосфере, Гидросфере и Литосфере, в том
числе в тех слоях, которые входят в Биосферу
планеты.
* Круговорот энергии – использование энергии в
геосистемах для обеспечения круговоротов
вещества.
* Круговороты вещества и
энергии в
Географической
оболочке носят
открытый, незамкнутый
характер.
* В развивающихся
природных системах
всегда преобладает
приходная составляющая
круговорота.
* Структурные части Географической оболочки взаимодействуют друг с другом,
между ними происходит перераспределение вещества.
* Это перераспределение протекает не хаотически, а представляют собой
отдельные звенья общего межструктурного круговорота вещества и энергии,
который связывает Атмосферу, Гидросферу, Литосферу и Биосферу в единое
целое – Географическую оболочку.
* Такой круговорот называют – Общегеографическим круговоротом
вещества и энергии.
* Исходным звеном общегеографического круговорота вещества и
энергии является земная поверхность.
* Земная поверхность - это поверхность земной коры с её
приповерхностной частью, где осуществляется модификация этой
поверхности с изменением её облика.
* Под влиянием солнечной энергии здесь возникают динамические
явления в тропосфере и водной оболочке, сопровождаемые
переносом тепла и влаги.
* Здесь формируются зона активной жизни и кора выветривания. Это
зона покрыта тонким слоем современных ландшафтов.
* Общегеографический
круговорот протекает
медленно даже по
геологическим масштабам
времени. Он не являются
совершенно замкнутыми.
* Общегеографический
круговорот вещества и
энергии представляют
синтез частных
круговоротов.
* Главнейшие из них –
литосферный круговорот,
круговорот воды,
биологический
круговорот, именно они
являются предметом
изучения.
Литосферные круговороты.
* Круговорот в литосфере осуществляется двояко.
* Во-первых, это действительно перемещение
вещества самыми разнообразными
механическими путями, что соответствует
понятию круговорот горных пород.
* Во-вторых, это изменение вещественного состава
перемещаемых или пребывающих в состоянии
покоя горных пород. Такие процессы чаще
называют геохимическими круговоротами.
* Продукты выветривания коренных пород и биогенные накопления в земной
коре превращаются в комплексы осадочных пород.
* Под влиянием высоких температур и давления, а также воздействия
глубинных растворов, осадочные породы подвергаются метаморфизации.
* Часть метаморфических пород на больших глубинах под действием большого
давления, поступление дополнительного тепла может перейти в состояние
жидкой магмы.
* Находящаяся под давлением магма, насыщенная газообразными продуктами
недр, прорывается в верхние слои земной коры и, охлаждаясь, переходит в
изверженные кристаллические породы или изливается в горячем виде на
поверхность Земли.
* Здесь вновь происходит разрушение кристаллических и осадочных горных
пород, на продуктах их выветривания формируются ландшафты – начальное
звено нового общегеографического цикла.
* Изверженные горные породы вновь разрушаются выветриванием, продукты
выветривания переносятся водой, льдом или ветром и отлагаются в другом
месте – на суше или на дне водоёмов – в форме рыхлых осадочных
отложений, которые впоследствии уплотняются и становятся осадочными
горными породами.
Круговорот горных пород
* Следствием многих круговоротов в литосфере
являются изменение химического состава горных
пород вследствие переноса минерального
вещества и перераспределение химических
элементов.
* Этот процесс осуществляется большей частью
потоками воды, воздуха, ледниками, оползнями,
грязевыми потоками, во время обвалов, а также
растениями и животными.
Геохимический круговорот
* Миграция вещества, происходящая в
литосферных круговоротах, играет определённую
роль в рельефообразующих процессах.
* А именно в процессах денудации (т. е.
разрушения и переноса) и аккумуляции (т. е.
отложения вещества), которые формируют
морфоскульптуры земной поверхности.
* Их образованию предшествует выветривание –
совокупность процессов физического разрушения
и химического преобразования горных пород и
минералов.
* Механической миграцией называют перемещение вещества,
происходящее без изменения его химического состава.
* Этот процесс начинается с разрушения вещества – физического
выветривания и в дальнейшем осуществляется агентами миграции –
воздухом, водой, ледниками и др.
* В результате механической миграции часть твёрдого вещества
удаляется с континентов в океаны или перемещается от более
поднятых участков суши к понижениям, формируются пластические
горные породы (например, песок, ), на которые приходится свыше
90% массы осадочных горных пород.
* Механическая миграция составляет надземную часть большого
литосферного круговорота.
* В течение года механическая миграция охватывает примерно 1010 т
горных пород (этот процесс может переместить всё вещество
континентов, находящихся выше уровня моря, за 10 млн. лет). Из них
195*109 т попадает в моря, т. е. покидает континенты.
* Химической миграцией называют изменение свойств перемещаемого
вещества и его химического состава.
* Этот процесс начинается с разрушения вещества за счёт химического
выветривания воздушными и водными мигрантами.
* Среди воздушных мигрантов важное значение в процессах круговорота
имеют элементы, которые могут вступать в химические соединения –
водород, кислород, углерод, азот. Их атомы много раз «процеживаются»
через живое вещество, почву и гидросферу, т. е. совершают очень
быстрые круговороты.
* Исключительно активен кислород, поэтому от него зависит миграция
большинства других элементов.
* Отдельную группу составляют водные мигранты.
* Среди них особенно подвижны анионы: сера, хлор, бор, бром. Они
образуют легкорастворимые соли, накапливаются в водах вследствие
испарения последних, легко поглощаются организмами (сера входит в
состав белков).
* Результатом их аккумуляции бывают залежи соли, гипса и солевые корки в
пустынях.
Круговорот серы
* Многие химические элементы земной коры при
контактных реакциях выходят за её пределы и
участвуют в других круговоротах.
* Они участвуют в процессах обмена между живым
веществом, Атмосферой, Гидросферой и
Литосферой, а также внутри этих сфер.
* В этой связи геохимические круговороты часто
выделяют в особую категорию и относят к
биогеохимическим круговоротам, что
соответствует той роли, которую они исполняют в
природе.
Глобальный круговорот воды
* Круговорот воды – это непрерывный процесс циркуляции влаги,
охватывающий Атмосферу, Гидросферу, Литосферу и Биосферу.
* Он происходит по условной схеме: выпадение атмосферных осадков,
поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение, перенос
водяного пара в атмосфере, его конденсация, повторное выпадение
атмосферных осадков.
* Основной источник поступления влаги в атмосферу (85%) –
поверхность Мирового океана, вклад суши порядка 14%.
* В процессе круговорота вода может переходить из одного
агрегатного состояния в другое.
* Круговорот воды может наблюдаться:
в атмосфере;
между атмосферой и поверхностью Земли;
между земной поверхностью и недрами литосферы;
внутри недр литосферы;
в гидросфере.
* Вода рассеянная в атмосфере, чаще – в тропосфере,
погребённая в земной коре либо составляющая собственно
Гидросферу, играет исключительную роль в
функционировании всей Географической оболочки как
динамической системы, находящейся в непрерывном
движении.
* Движущей силой глобального круговорота воды служит солнечная энергия,
вызывающая испарение с поверхности океанов и суши (с океанов в 6 раз
больше, чем с суши).
* Поступившая в Атмосферу влага переносится воздушными течениями в
горизонтальном и вертикальном направлениях, конденсируется и под
влиянием гравитации падает на Землю в форме осадков.
* Если осадки выпадают на суше, часть их через реки достаточно быстро
поступает в озёра и океан, другая часть идет на увлажнение почвы и
пополнение подземных вод, которые обновляются более медленно, принимая
участие в питании рек, озёр и морей с помощью источников и родников.
* Водные потоки играют большую разрушительную
и одновременно созидательную роль,
осуществляя эрозию, перенос минерального
вещества и теплоты, производя аккумуляцию
вещества.
* Вода обеспечивает удовлетворение
физиологических потребностей растений и
животных, широко используется в хозяйственных
целях человеком, который нарушает и усложняет
её оборот.
* Круговорот воды не замыкается только на Земле.
* Молекулы водяного пара, поднявшиеся в высокие слои атмосферы,
подвергаясь фотодиссоциации под действием ультрафиолетовых
лучей Солнца, распадаются на атомы кислорода и водорода.
* Вследствие высоких температур в термосфере скорость частиц
водорода делается больше космической, и они уходят из атмосферы
в межпланетное пространство.
* Очевидно, что ускользание одного атома водорода означает для
Земли потерю одной молекулы воды.
* В свою очередь, и Космос снабжает Землю водой, которая
содержится в метеоритном веществе и так называемых ледяных
кометах.
* По некоторым оценкам, этим путём за сутки на Землю поступаетоколо 80 м3 влаги, т. е. 25–30 тыс. тонн ежегодно.
* В природном круговороте воды можно выделить три основных звена:
материковое, океаническое и атмосферное.
* Попадая на поверхность суши в виде атмосферных осадков, вода либо
просачивается в почву (инфильтрация), либо стекает по поверхности,
формируя поверхностный и речной сток, а затем вливается в озера, моря и
океаны.
* Часть воды испаряется, причём испарение происходит непосредственно с
поверхности почвы и водоёмов, с поверхности надземных органов
растений, а также из почвы, коры выветривания и горных пород.
* Часть просочившейся в почву влаги перемещается в виде
внутрипочвенного стока, а также грунтовых и подземных вод.
* Грунтовые и подземные воды иногда изливаются на земную поверхность на
склонах, в местах выхода водоносных горизонтов, а также в руслах рек.
* Часть подземных вод пополняет водные запасы глубоких подземных
горизонтов и тем самым надолго выходит из активного водообмена.
* Активный водообмен совершается в пределах речных бассейнов, которые
образуют самоорганизующиеся системы русел и склонов.
Круговорот воды
на суше
* Специфический элемент континентального звена круговорота воды составляют
ледники. Материковые ледники Антарктиды и Гренландии под действием
собственной тяжести растекаются по краям.
* Масса ледников на Земле в течение геологической истории испытывала большие
колебания.
* Несколько раз на планете происходили крупные материковые оледенения, когда
огромные массы воды изымались из океана и сосредоточивались в виде
материковых ледниковых покровов на суше (в основном в околополярных
областях).
* В такие периоды уровень Мирового океана снижался на 100 м и более.
* Напротив, в межледниковые эпохи ледники исчезали почти полностью, что
приводило к повышению уровня океана.
* Океан нагревается главным образом сверху за счёт
поглощения солнечной радиации и теплового
противоизлучения атмосферы.
* Совокупность перемещений воды в океане складывается из
движений и круговоротов различных пространственных и
временных масштабов.
* Периоды движений колеблются от секунд до сотен лет, а
пространственные (горизонтальные и вертикальные)
масштабы – от миллиметров до тысяч километров.
* Помимо морских течений, составляющих общую циркуляцию
океаносферы, в океаническом звене участвуют также
турбулентные движения, поверхностные и внутренние
волны, приливные явления (колебания уровня и приливоотливные течения, явления апвеллинга и даунвеллинга,
переносящие её энергию в горизонтальном и вертикальном
направлениях.
* Циркуляция поверхностных вод почти полностью повторяет
сложившиеся в том или ином районе Мирового океана
главные системы ветров.
* Однако, объяснять циркуляцию океана только процессами в
Атмосфере нельзя, поскольку существуют и другие
источники, в том числе внеземного происхождения (Луна,
Солнце), порождающие приливные течения.
* Если рассчитать прибыль и убыль воды, создаваемые
поверхностными течениями, то не обнаружится баланса: в
одних районах воды поступает больше, чем убывает, а в
других – наоборот.
* Ответ следует искать в вертикальном обмене, который
связывает поверхностные течения с глубинными, т. е. в
погружении и подъёме водных масс.
* На глубине система течений отличается от поверхностной и во
многих случаях наблюдаются глубинные противотечения,
направленные в сторону, противоположную распространению
поверхностных вод.
* Океан обладает большой тепловой и динамической инерцией.
* Реакция океана на воздействие атмосферы запаздывает, и
своеобразно хранит «отпечатки» слостояния Атмосферы за
некоторый предшествующий период.
* Содержание воды в атмосфере невелико: при
осаждении на земную поверхность всей воды,
находящейся в атмосфере, образовался бы слой в 25
мм.
* Однако скорость влагооборота в атмосфере выше: за
год влага сменяется примерно 45 раз, то есть в
среднем 1 раз за 8 дней.
* В результате на земную поверхность за год выпадает
в среднем слой атмосферных осадков, равный 1,1
метра.
* Влага в атмосферу поступает за счёт испарения.
* Ежегодно с земной поверхности испаряется 577•1012 м3 воды,
причём 505•1012 м3 из них – с поверхности океана.
* На испарение затрачивается 80% радиационного бюджета.
* Столько же энергии выделяется при конденсации влаги в
атмосфере на уровне облаков, причем водяной пар,
перемещаясь на сотни и тысячи километров, переносит и
большое количество теплоты.
* Выделение в атмосферу скрытой теплоты парообразования при
конденсации – важнейший энергетический источник
атмосферных процессов.
* Вот почему водяной пар называют «основным топливом
атмосферы».
* Обмен воздухом, содержащим влагу, между экватором и
полюсами достигается в основном за счёт горизонтального
переноса воздушных масс.
* Вертикальные движения при этом не исключены, но скорость
их намного меньше скорости горизонтальных.
* Человечество наносит два удара по водным ресурсам
планеты: потребляет их и загрязняет.
* Потребление касается исключительно пресной воды.
* Главными потребителями пресной воды являются сельское
хозяйство, промышленность и население.
* В сельском хозяйстве наибольшее количество воды
расходуется на орошение (свыше 2 • 1012 м3), причем 80% её
безвозвратно покидает речную сеть, связываясь в
химические соединения или испаряясь.
* Суммарный водозабор на промышленные нужды составляет
0,7 • 1012 м3/год, из них 5— 10% изымаются безвозвратно
для обеспечения технологических процессов.
* На нужды населения используется около 0,2 • 1012 м3/год,
причем шестая часть воды не возвращается в речную сеть.
* Эти объёмы расходов по отношению к речному
стоку невелики.
* Однако в наиболее густонаселенных районах
Передней и Средней Азии, Африки и в некоторых
промышленных регионах Европы уже существует
ощутимый дефицит водных ресурсов, который
даже увеличивается.
* Чтобы восполнить этот дефицит, прибегают к
искусственному территориальному
перераспределению стока и мелиорации, что, в
свою очередь, не только создает
многочисленные экологические проблемы, но и
экономически не всегда оправдано.
* Глобальный круговорот воды своё количественное выражение находит в
водном балансе Земли.
* Он характеризует соотношение между количеством воды, поступающей на
земную поверхность в виде осадков, и уходящей с неё за счёт испарения в
определенный интервал времени.
* Среднегодовые количество осадков и испарения взаимно уравновешивают
друг друга и составляют 1030 мм или в единицах объема 525•1012 м3.
* На поверхность Мирового океана выпадает 458•1012 м3 воды – это на 47•1012
м3 меньше испарившейся с него влаги.
* Эта разность переносится на континенты и вместе с водой, испарившейся
на суше, формирует атмосферные осадки (119•1012 м3).
* Часть выпавшей на суше влаги снова вовлекается в испарение (72•1012 м3),
другая часть формирует сток (реки, ледники, подземные воды и др.),
который, в конечном счёте, направляется в океан, компенсируя
превышение атмосферных осадков над испарением.
* Однако не всюду на поверхности океанов испарение превышает осадки. В
умеренных и полярных областях, а также в приэкваториальной зоне
осадков выпадает больше, чем испаряется.
Мировой водный баланс
* Общую схему круговорота воды на поверхности Земли можно
описать уравнениями водного баланса:
Е0 = Хо + f – для поверхности Мирового океана и
Хс = Ес + f – для поверхности суши,
* где: Е0—испарение с поверхности океанов, Ес – испарение с
поверхности суши, Х0 – атмосферные осадки над океаном, Хс—
атмосферные осадки над сушей, f — сток с континентов (приток в
океан).
* Водный баланс связан с тепловым через испарение, так как на него
затрачивается тепло, которое освобождается при конденсации
водяного пара.
* Влагооборот сопровождается перераспределением тепла между
геосферами и отдельными районами Земли, что важно для
функционирования географической оболочки.
* Помимо этого в процессе влагооборота происходит обмен
веществом (солями, газами).
Испарение и сток воды по Материкам
Биологические круговороты
* Процессы созидания и разрушения органического вещества
образуют биологические круговороты.
* Они связаны с круговоротами воды, воздуха, энергии,
минеральных веществ, как множество деталей механизме
часов.
* Под биологическим круговоротом понимают поступление
химических элементов из почвы, воды и воздуха в живые
организмы, их превращение в новые соединения и
возвращение в окружающее пространство в процессе
жизнедеятельности организмов.
* Биологический (или биотический) круговорот – явление
непрерывное, циклическое, но неравномерное во времени
и пространстве.
* Оно сопровождается более или менее большими потерями
закономерного перераспределения вещества, энергии и
информации в пределах экологических систем различного
уровня – от биогеоценоза до Биосферы.
* Круговороты в биосфере имеют свою специфику, потому что
следует различать собственный биологический цикл жизни
организма и его вовлеченность в общегеографический круговорот,
и частные круговороты Атмосферы, Гидросферы, Литосферы, где
каждому виду отведена своя роль.
* Последние отношения составляют суть экосистемного подхода к
изучению круговоротов.
* Круговороты в биосфере
выглядят очень сложными, с
множеством связей и
взаимоотношений.
* Полного круговорота веществ
в пределах геосистем не
происходит, так как часть
веществ всегда уходит за их
пределы.
* Исходная ветвь
биологического круговорота –
фотосинтез, в результате
которого создается
органическое вещество.
* Одновременно с
1.
2.
Биологический круговорот
Круговорот азота
фотосинтезом в каждом
растении идет обратный
процесс – дыхание.
* Кроме того, растения погибают, утрачивают часть
надземных и подземных органов (листья, корни,
ветви и т. д.), образуя мёртвое органическое
вещество, которое минерализуется .
* Дыхание и разложение органического вещества
не уравновешивают полностью процесс
фотосинтеза.
* В нормально развивающихся фитоценозах
количество создаваемого органического
вещества превышает ту его часть, которая
разрушается, т. е. существует положительный
баланс органического вещества.
* Схематично этот процесс можно представить следующим образом:
1) в зелёных растениях на дневном свету идет фотосинтез: в хлорофилловых
зернах разлагается вода, водород используется на построение органических
соединений, а кислород выделяется в атмосферу;
2) органические вещества животных и растений после смерти организмов
разлагаются микробами до простейших соединений – СО2, воды, аммиака и др.;
3) минеральные соединения, возникшие описанным путём, снова поглощаются
растениями, животными, микробами и опять входят в состав сложных
органических веществ.
* Таким образом, одни и те же элементы многократно образуют органические
соединения живых организмов и многократно переходят в минеральное
состояние.
* Темпы биологического круговорота определяют важнейшие черты миграции
химических элементов в Ландшафтной оболочке и характер связей между
Атмосферой, Гидросферой и Литосферой.
* Значение биологического круговорота тем более велико, что он действует
уже многие сотни миллионов лет.
* Неотъемлемой частью
биологического круговорота
является процесс питания.
* Часть вновь создаваемого
органического вещества
вовлекается в трофические
(пищевые) цепи.
* Такие цепи состоят из
последовательного ряда
организмов, каждый из
которых является источником
пищи для последующего.
Биогеохимические круговороты
* Биогеохимический круговорот – часть биологического (биотического)
круговорота, который состоит из обменных циклов химических веществ,
тесно связанных с жизнью, – главным образом углерода, воды, азота,
фосфора, серы и биогенных катионов.
* Биогеохимические круговороты играют огромную роль в
Географической оболочке:
в ходе их реализации происходит смена биогенной аккумуляции
минеральных соединений (превращение СО2, Н2О, NН3, SО3 и т. п. в
сложные, богатые энергией органические вещества) на
минерализацию органических соединений с освобождением
энергии.
* В биогеохимическом круговороте противоположно направленные
процессы создания и разрушения органического вещества связаны
с круговоротами энергии и переносом минеральных веществ.
* Наиболее характерным в этом плане является формирование
почвенного покрова, в котором тесно переплетены круговороты
органического и неорганического вещества.
Биогеохимические круговороты
* Некоторые вещество продвигаясь по цепи
биогеохимического круговорота накапливаются в живых
организмах.
* Известно, что из более 90 химических элементов,
встречающихся в природе, 30 – 40 необходимы живым
организмам.
* Некоторые элементы, такие как углерод, водород и
азот, требуются в больших количествах, другие – в
малых или даже минимальных количествах.
* Каждый химический элемент, совершая круговорот в
экосистеме, следует по своему особому пути, но все
круговороты приводятся в движение энергией.
* Все участвующие в этих круговоротах элементы
попеременно переходят из органической формы в
неорганическую и обратно.
* Таким образом, важнейшее свойство потоков в экосистемах – их
цикличность.
* Вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот,
попадая сначала в организмы, затем в абиотическую среду и вновь
возвращаясь в организмы, но часто в иных количествах и состояниях.
* Ни один из биогеохимических круговоротов не осуществляется
изолированно, так как между круговоротами элементов существует
тесная связь.
* Особенностью биогеохимических круговоротов является то, что в них
участвуют не только биогенные элементы, но загрязняющие вещества.
* Некоторые из них не только циркулируют в окружающей среде, но и
имеют тенденцию накапливаться в организмах.
* В таких случаях концентрация какого-либо загрязняющие вещества
растёт по мере прохождения его вверх по пищевой цепи, так как
организмы быстрее поглощают загрязняющее вещество, чем
выделяют его.
* Примерами могут служить накопления ртути, пестицидов, тяжёлых
металлов, вовлекаемых в круговорот почвы.