Круговороты веществ 1 Круговорот кислорода 2 Круговорот фосфора

Круговороты веществ 1. Круговорот кислорода 2. Круговорот фосфора 3. Круговорот воды 4. Круговорот углерода

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, круговорот веществ в системе: геохимический поток суши - гидрографическая сеть - океан - воздушные массы - аэрозоли - геохимический поток суши. Наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы. малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в поступлении химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы; превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.

Определение: • Биогеохимические цикл – круговорот химических элементов: из неорганической природы через растительные и животные организмы обратно в неорганическую, различные стадии которого проходят внутри экосистемы. • Совершается с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций. • Из более, чем 90 химических элементов в природе 30 -40 требуется организмам, следовательно, участвуют в биогеохимических циклах.

Биогеохимические циклы можно разделить на три типа: 1. - Круговорот газов, в которых атмосфера служит главным резервуаром элемента (углерод, азот, кислород); 2. - Круговороты осадочные, элементы которых в твердом состоянии входят в состав осадочных пород (фосфор, сера и др. ); 3. - Круговорот воды.

Круговорот вещества в биосфере ь Миграция химических элементов на Земле организована в циклы, называемые круговоротами. ь Цикл состоит из звеньев и переходов между звеньями. ь Звено – любое природное тело (вода, почва, атмосфера, растение, животное и т. д. ) ь Переход – это процесс, в результате которого элементы переходят от одного звена к другому, например, растворение, осаждение, дыхание, поедание и т. п. ь В звеньях и переходах элемент м. б. представлен одной или несколькими химическими формами. ь В цикле элемент последовательно переходит все звенья и возвращается в исходное состояние – цикл замкнулся.

Круговорот кислорода Если учитывать воду, содержащуюся в тканях, то, например, тело человека содержит 62, 8% кислорода и 19, 4% углерода. В атмосфере содержание кислорода составляет 20, 95% (Величина насыщения крови кислородом зависит не от процентного содержания его в воздухе, а от парциального давления кислорода, т. е. той части общего атмосферного давления, которая приходится на долю кислорода. Например, на уровне моря содержание кислорода в воздухе равно 20, 9%, а парциальное давление 158, 84 мм рт. ст. ; в альвеолярном воздухе, т. е. воздухе, при тех же условиях содержание кислорода не превышает 14, 5%, парциальное давление равно 103, 38 мм рт. ст. , а в венозной крови парциальное давление кислорода еще ниже и равно 40 мм рт. ст. )

Круговорот кислорода 1. 2. 3. 4. 5. В основном круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. Кислород выделяется в процессе фотосинтеза. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде солей и окислов (карбонаты, сульфаты, окислы железа и т. д. ). Атмосферный кислород и кислород, содержащийся в поверхностных минералах имеет биогенное происхождение. Существует и абиотический путь образования О 2: диссоциация молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием солнечной радиации.

Круговорот кислорода усложнен способностью элемента образовывать различные химические соединения. Создается много эпициклов, происходящих между лито- и атмосферой, или между гидро- , лито- и атмосферой.

Круговорот воды - самый значительный по переносимым массам и затратам энергии на Земле Вода в трех агрегатных состояниях присутствует в атмосфере, гидросфере, литосфере. Если воду, находящуюся в различных гидрогеологических формах, равномерно распределить по земному шару, то образуются слои, толщина которых следующая: Ш Для Мирового океана – 2700 м, Ш Для ледников – 100 м, Ш Для подземных вод – 15 м Ш Для поверхностных пресных вод – 0, 4 м, Ш Для атмосферной влаги – 0. 03 м - играет основную роль в циркуляции воды (Рамад, 1981, с. 68)

В связи с тем, что атмосферная влага распределяется очень неравномерно , наблюдаются и большие различия в количестве осадков в разных районах биосферы. Среднее содержание водяного пара в атмосфере в зависимости от географической широты: ь 2. 5 мм на Сев. полюсе, ь 10 мм на 45°с. ш. , ь 45 мм на экваторе, ь 20 мм на 45° ю. ш. , ь 8 мм на Юж. полюсе (имеется ввиду толщина слоя воды, образованного при конденсации водяного пара из столба воздуха с поперечным сечением 1 см 2, ) (Ф. Рамад, 1981, С. 69).

Круговорот воды Основные процессы, обеспечивающие круговорот воды – испарение, инфильтрация, сток

1. Вода поступает в атмосферу в процессе испарения с суши и с водной поверхности под действием солнечной энергии (70 % поверхности Земли занимают океаны и моря). 2. Влажный воздух, поднимаясь вверх, где меньше давление, расширяется и охлаждается. Происходит конденсация водяного пара в атмосфере , образуются облака и выпадают осадки (в виде дождя, снега или росы). 3. Над океанами выпадает 7/9 общего количества осадков, над сушей – 2/9 – возобновляемый источник

Круговорот воды - самый значительный по переносимым массам и затратам энергии на Земле • Испарение и транспирация воды происходят с поглощением световой энергии. • При конденсации водяных паров в воздухе, что, в конечном счете, служит причиной выпадения осадков, содержащаяся в водяном паре потенциальная энергия высвобождается в виде тепла.

4. Вода, выпавшая на суше, расходуется на инфильтрацию (просачивание). В процессе фильтрации через почву вода обогащается минеральными и органическими веществами, образуя подземные воды. Ш Вода, впитавшаяся в почву, или удерживается в почве в количестве, зависящем от водоудерживающей способности почвы, и возвращается в атмосферу при испарении, Ш или просачивается вниз по трещинам под действием силы тяжести, достигая непроницаемого слоя горной породы, накапливается и называется грунтовыми водами. Ш Далее вода вытекает на поверхность и образует родники, а родники питают ручьи и т. д. , формируя поверхностный сток.

5. Испарение – процесс, противоположный инфильтрации 1. Кроме испарения с поверхности почвы, 2. вода испаряется с поверхности растений – происходит транспирация. 3. Эвапотранспирация – сочетание испарения и транспирации. 4. Суммарное испарение играет гл. роль в круговороте воды на континентах. 5. Количество воды, выделяемое растениями, тем больше, чем лучше они ею снабжаются. Например, 1 га леса испаряет от 20 до 50 т воды в день. На сухой почве (в Швеции) 1 га елового леса испаряет 2100 т/год, на влажной – 4000 т/год (Ф. Рамад, 1981, С. 70). 6. При испарении в воздух поднимаются только молекулы воды, а соли и другие вещества остаются на земле. Когда водяной пар конденсируется , из него образуется только вода, т. о. земля и атмосфера работают как гигантский опреснитель и очиститель.

Правило Вальтера: • Увеличению растительного материала в среднем на 1 т/год соответствует увеличение осадков на 100 мм Растительный покров играет важную роль в поддержании равновесия круговорота воды в природе

Экологические проблемы Разрушение экосистем суши, особенно лесных, ведет к снижению мощности транспирации. Следствие: - расширение пустынь, - рост засушливости и числа засух. Например, 63% Африканского континента стали суше в 1931 – 1990 гг. , площадь сухих и гиперсухих территорий выросла на 54 млн. га, а влажные зоны сократились на 26 млн. га (Данилов-Данилян, Лосев, 2000).

6. Сток - последняя составляющая круговорота воды на суше. Сток воды (по поверхности вода стекает в ручьи, реки, далее в океан) восполняет потери воды от испарения. Почему При уменьшении плотности растительного покрова сток становится основной причиной эрозии почв?

Вода как природный ресурс • По характеру воздействия человека все ресурсы (объект, условия и процессы природы, используемые или которые будут использованы в будущем в общественном производстве) подразделяют на исчерпаемые и неисчерпаемые. • Водные ресурсы для биосферы в целом считаются неисчерпаемыми. • Более 90% имеющейся на Земле воды связано в горных породах, образующих земную кору.

Оценка запасов водных ресурсов в биосфере: • • 1386 млн. км 3 – общие запасы воды; 1338 млн. км 3 – Мировой океан (96, 5%); 35 млн. км 3 -запасы пресной воды суши; Из них – 70% - ледники, снега Арктики, Антарктики, Гренландии; • Более 10, 5 млн. км 3 - подземные воды; • 95000 км 3 – реки, озера (0, 007%) • (по данным Международного гидрологического десятилетия// Курьер, март 1978, С. 5 -9)

Возобновляемые ресурсы пресной воды: • Питание вод суши идет за счет влаги, приносимой с поверхности океана (опреснитель) – 119000 км 3, • Из них примерно 45000 км 3 выносятся в океан реками и • примерно 2000 км 3 – ледниковый сток Арктики и Антарктиды. • Речной сток (45000 км 3), ежегодно формируемый за счет выпадения осадков на суше, составляет возобновляемые водные ресурсы. В чем сущность водной проблемы?

Диаграмма распределения и использования мировых запасов воды (Медоуз и др. , 1994 г. )

22 марта – Международный день воды Зачем и почему нужно экономить воду? http: //www. diets. ru/post/458870/ v Для того, чтобы 1 куриное яйцо оказалось на тарелке для завтрака, требуется 450 л воды. v Для того, чтобы получить 1, 3 л фруктового сока, требуется 120 л воды (Химия и общество, 1995, 560 с. )

Круговорот фосфора

ТОЛЬКО ФАКТЫ v. Среднему взрослому требуется около одного грамма фосфора в день. Ради сбалансированной диеты одного человека необходимо добывать 22, 5 кг фосфорита в год для нужд сельского хозяйства. v. В среднем человеческом теле содержится около 650 г фосфора. v От эрозии почвы теряется по меньшей мере столько же фосфора, сколько попадает в пищу. Например, в США в бассейне реки Иллинойс каждый килограмм выращенной кукурузы обходится примерно в 1, 2 кг эродированной почвы. v. Бурный рост растительности, произошедший 40 млн лет назад под действием фосфора, забрал из атмосферы такое количество углекислого газа, что наступил период глобального похолодания. Это дополнительное количество фосфора стало результатом поднятия Гималайско-Тибетского плато.

v. Основным источником неорганического фосфора являются апатиты – изверженные породы, и фосфориты – осадочные породы. v. Весь фосфор находится в литосфере, его содержание не превышает 1%. v. Примерно 40% мировых запасов фосфора находятся в распоряжении одной единственной страны - Марокко, которую иногда называют "фосфорной Саудовской Аравией".

40% мировых запасов Фосфора находятся в Марокко – «фосфорная Саудовская Аравия» На долю четырех стран (США, Китай, ЮАР, Марокко) и территории Западной Сахары приходятся 83% мировых запасов фосфоритов и 2/3 объема их ежегодной добычи

Фосфат-ион (PO 4)-3 Круговорот фосфора относительно прост и неполон. Почему?

Круговорот фосфора: 1. Фосфор проходит примерно 46 циклов начального и повторного использования. 2. После этого путем выветривания и поверхностных стоков этот элемент попадает в океан, 3. где, прежде чем перейти в донные отложения, 4. он еще около 800 раз перерабатывается морскими организмами. 5. Через десятки миллионов лет, в результате тектонического поднятия этот же фосфор может снова оказаться на суше. 6. Итак, в океане идет седиментация органических веществ (трупы, отходы жизнедеятельности) на дне моря и, следовательно, фосфор выключается из круговорота.

Механизм возвращения фосфора из океанов на сушу в естественных условиях совершенно не способен компенсировать потери этого элемента на седиментацию (осаждение). Частичное поступление фосфора из океана на сушу идет за счет птиц и рыболовства. При рассмотрении круговорота фосфора в биосфере за сравнительно короткий период можно отметить, что он полностью не замкнут. П. Дювиньо (1967) подчеркивал, что … « фосфор – наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека» . Круговорот фосфора

Нарушению круговорота фосфора способствуют: 1. Перепахивание и культивация разрушают структуру почвы и лишают ее внешней защиты, что увеличивает выведение с полей фосфора вместе с поверхностными стоками. 2. Борьба с наводнениями. Ж. В мире науки, 2009, август. Д. Ваккар. Фосфор. Грядущий кризис.

В результате чересчур большое количество фосфора из эродированной почвы, а также из отходов жизнедеятельности людей и животных оказывается в океанах, морях и водоемах, где он становится причиной бесконтрольного массового развития обычных водорослей и цианобактерий (синезеленых водорослей). После отмирания эти водоросли опускаются на дно, и их гниение создает там "мертвые зоны", лишая другие водные организмы кислорода и способствуя уменьшению количества рыбы.

Самая большая в водах США «мертвая зона» , площадь которой в июле 2008 г. превышала 20 тыс. кв. км, находится вблизи дельты Миссисипи. (Справа на сделанном в 2001 г. спутниковом снимке видны отложения, которые эта река выносит в Мексиканский залив). Во всем мире сегодня существует более 400 подобных «мертвых зон» , имеющих суммарную площадь более 245 тыс. кв. км.

Основные этапы эвтрофикации: а) 1 стадия – увеличивающееся загрязнение; б) 2 стадия – разложение водорослей; в) 3 стадия – аэробное разложение, потребление кислорода после отмирания водорослей: г) 4 стадия – анаэробное разложение

• На 2 -й стадии обогащение вод питательными элементами вызывает интесивное развитие водорослей в эпилимнионе (верхний слой теплых вод).

Вопрос: что произошло с видовым составом водорослей? Произошла ли смена доминантных видов?

На 2 -й стадии идет: • нарастание биомассы водорослей. Вопросы: 1. Что происходит с прозрачностью (мутностью) воды? 2. Как меняется цвет воды? 3. Почему фотосинтез в эвтрофных озерах протекает лишь в поверхностном слое? 4. В каких слоях водоема происходит повышение концентрации растворенного кислорода ?

На 3 -й стадии • Происходит отмирание значительной массы водорослей, что влечет за собой сильное уменьшение кислорода, содержащегося в нижних слоях. • Детрит подвергается аэробной деградации в результате деятельности многочисленных сапрофитов. • Отмечается интенсивное отложение донных илов. • Сумма всех изменений вызывает изменения зооценоза озера: исчезновение лососевых, скачок продуктивности карповых (неприхотливые травоядные). • Вопрос: какой экологический фактор для лососевых стал лимитирующим?

Уменьшение улова в озерах Верхнее, Эри и Мичиган с 1953 по 1965 гг. (Рамад, 1981)а) – окуневые; б) – озерная форель; в) – голец из озера Эри

Основные этапы эвтрофикации: а) 1 стадия – увеличивающееся загрязнение; б) 2 стадия – разложение водорослей; в) 3 стадия – аэробное разложение, потребление кислорода после отмирания водорослей: г) 4 стадия – анаэробное разложение

• Лекции в рамках проекта «Environmental Governance for Environmental Curricula» • Lecture "From non-renewable resource to eutrophication – challenge for global phosphorus governance" by Agnieszka Karczmarczyk (20 сентября 2012 г. ) • http: //tube. sfu-kras. ru/video/1223#0

Круговорот азота В целом среднее поступление нитратного азота абиотического происхождения при осаждении из атмосферы в почву не превышает 10 кг (год/га), свободные бактерии дают 25, а симбиотические – 200 кг (год/га). Преобладающая часть связанного азота перерабатывается денитрифицирующими бактериями в N 2 и вновь возвращается в атмосферу. Лишь около 10% аммонифицированного и нитрифицированного азота поглощается из почвы высшими растениями и оказывается в распоряжении многоклеточных представителей

Круговорот серы

Круговорот углерода

Круговорот углерода • Общая масса углерода в ископаемом топливе оценивается в 3, 2 х1015 т, что соответствует средней скорости накопления 7 млн. т/год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадало из круговорота, терялось в нем. • Отсюда степень разомкнутости (несовершенства) круговорота составляет 0, 01%, а соответственно и степень замкнутости – 99, 99%. Скореллированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна. • В постоянном круговороте находится 0, 2% мобильного запаса углерода. Углерод биомассы обновляется за 12, атмосферы - за 8 лет. Огромный контраст между краткостью данных периодов, постоянством и возрастом биосферы подтверждает высочайшую сбалансированность «мира углерода» .

Изучение фотосинтеза в школьном курсе биологии Английский химик Джозеф Пристли искал способ очистки воздуха http: //festival. 1 september. ru/…