загрузка...
загрузка...
На головну

Кругообіг речовини і енергії - одне з основних властивостей динаміки географічної оболонки

  1. III. 10.1. Поняття про сприйняття і характеристика основних його особливостей
  2. III. 13.1. Поняття про уяву, його основних видах і процесах
  3. V. 17.3. Структура характеру та симптомокомплекси його властивостей
  4. XI. Пристосування ТА ІНШІ ЕЛЕМЕНТИ, властивості. Здібностей та обдарувань АРТИСТА
  5. Автоматичний урівноважений міст. Призначення основних елементів схеми. Принцип роботи приладу
  6. АГРЕГАТНЕ СТАН РЕЧОВИНИ
  7. АГРЕСИВНОСТІ ЯК властивості ОСОБИСТОСТІ

Міжструктурні кругообіг речовини і енергії.Найважливішою особливістю географічної оболонки є кругообіг речовини і енергії. Роль їх в природі колосальна, так як вони забезпечують багаторазовість одних і тих же процесів і явищ, а також спрямований характер їх розвитку.

Кругообіг речовин - багаторазове участь речовини в процесах, що протікають в геосфері планети. кругообіг енергії - Використання енергії в геосистемах для забезпечення кругообігу речовини.

Так як кругообіг речовини і енергії в географічній оболонці носять відкритий характер, переважання в них прибуткової або витратної частин свідчить про тенденції розвитку даної системи, її стійкість або нестійкість. У країнах, що розвиваються природних системах завжди превалює прибуткова складова, що забезпечує розширене здійснення процесів і явищ. У зв'язку з тим що закон збереження речовини і енергії було встановлено для замкнутих (фізичних і хімічних) систем, а відкриті природні системи в той час не досліджувалися, він нині зазнає критики з точки зору його всеосяжності. Очевидно, що розглядати баланс прибутково-видаткової частини географічної оболонки при її вільних контактах з Космосом і встановленими надходженнями речовини і енергії з Всесвіту недоцільно. Однак саме дисбаланс обумовлює можливість вдосконалення геосистем (як він сприяв формуванню Сонячної системи) і, ймовірно, є більш загальною закономірністю, ніж твердження про збереження речовини і енергії стосовно до природних систем.

Які можуть бути кругообіг і як їх можна класифікувати? Оскільки ми вивчаємо географічну оболонку та її компоненти, то і природні кругообіг доцільно розглядати стосовно її окремих сферах і речовини кожної з них. Взаємодія структурних частин географічної оболонки, розсіювання їх речовини протікають не хаотично, а являють собою окремі ланки загального міжструктурні кругообігу речовини і енергії, що зв'язує атмосферу, гідросферу, літосферу і біосферу в єдине ціле - географічну оболонку Землі.

Так як результатом загального кругообігу речовини і енергії є відокремлення і функціонування географічної оболонки, то такий круговорот можна іменувати загальногеографічні (Глобальним) кругообігом речовини і енергії. В його основу покладено уявлення В. І. Вернадського, А. Е. Ферсмана та інших вчених про великий геохимическом циклі, або великому географічному круговороті речовини (рис. 7.7).

Вихідним ланкою загальногеографічного кругообігу речовини і енергії є земна поверхня. Під впливом сонячної енергії тут виникають динамічні явища в тропосфері і гідросферу, супроводжувані переносом тепла і вологи, формуються зона активного життя і кора вивітрювання - структурні частини географічних ландшафтів. це зона гіпергенезу в трактуванні А. Е. Ферсмана, увінчана тонким шаром сучасних ландшафтів. Слід звернути увагу на поняття «Земна поверхня». З одного боку, це геометрична безтілесна площину розділу кам'яної тверді планети з повітряному або водному середовищами, з іншого - це поверхня земної кори з її приповерхностной частиною, де відбувається зміна її вигляду. В останньому випадку земна поверхня стає об'єктом певного виду, обумовленим її постійною зміною в ході розвитку географічної оболонки. Так її розглядають більшість природних наук і автори цього підручника.

Географічний кругообіг протікає повільно навіть за геологічними масштабами часу. Він не є абсолютно замкнутим. У різні геологічні епохи з неоднаковою силою проявляються тектонічні процеси, в безперервній еволюції знаходиться органічне життя і тому якісно відмінні ландшафти кожного кругообігу і ін.

Мал. 7.7. Великий географічний кругообіг (Ф. М. Мілько, 1990): 1 приземні шари повітря; 2 - область максимального скупчення живої речовини (Биострим); 3- Кора вивітрювання; 4 - вивержені породи; 5 корінні породи іншого складу

Географічний кругообіг речовини і енергії представляє синтез приватних кругообігів, головні з яких - літосферних (геологічний) кругообіг, круговорот води, біологічний круговорот. Це не просте додавання, а виникнення нового явища зі своїми особливостями.

літосферні кругообігвиявляються подвійно. По-перше, це дійсно переміщення речовини найрізноманітнішими механічними шляхами, що відповідає поняттю «Круговорот гірських порід». По-друге, це зміна матеріального складу переміщуються або перебувають в стані спокою гірських порід (перенесення мінеральних речовин в земній корі), і такі процеси частіше називають геохімічними круговоротами.

Кругообіг гірських порід. Виниклі продукти вивітрювання корінних порід і біогенні накопичення в земній корі перетворюються в комплекси осадових порід. Під впливом високих температур і тиску, а також впливу глибинних розчинів, осадові породи піддаються метаморфизации. На великих глибинах метаморфічні породи знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, порушення якого в силу різних причин (зміна тиску, надходження додаткового тепла та ін.) Може спричинити утворення магми. Що знаходиться під тиском магма, насичена газоподібними продуктами надр, проривається в верхні шари земної кори і, охолоджуючись, переходить в вивержені кристалічні породи або виливається на поверхню Землі. У зоні гіпергенезу знову відбувається руйнування магматичних, осадових і метаморфічних гірських порід. Продукти вивітрювання переносяться водою, льодом або вітром і відкладаються (на суші або на дні водойм) у вигляді пухких осадових відкладень, які ущільнюються в процесі діагенеза. На продуктах вивітрювання формуються ландшафти - початкова ланка нового загальногеографічного циклу.

Геохімічний круговорот. Наслідком багатьох кругообігів в літосфері є зміна хімічного складу гірських порід внаслідок міграції - Перенесення мінеральної речовини і перерозподілу хімічних елементів. Цей процес здійснюється потоками води (твердий і іонний стік річок, перенос океанічними течіями), повітря (винос солей з моря на сушу, перенесення в атмосфері пилу і продуктів горіння і ін.), Льодовиками, зсувами, грязьовими потоками, під час обвалів, а також рослинами і тваринами. Деякі складові цього процесу показані на рис. 7.8.

механічної міграцією називають переміщення речовини, що відбувається без зміни його хімічного складу. Цей процес починається з руйнування речовини - фізичного вивітрювання, і в подальшому здійснюється агентами міграції - повітрям, водою, льодовиками і ін. В результаті механічної міграції частина твердої речовини видаляється з континентів в океани або переміщається від піднесених ділянок суші до знижень і формує кластіческіе гірські породи (пісок, конгломерат і ін.), на які припадає понад 90% маси осадових гірських порід. Механічна міграція становить верхню (надземну) частину великого литосферного кругообігу (рис. 7.9), або спадну частина літодінаміческіх потоку, за термінологією Н. А. Флоренсова. Протягом року механічна міграція охоплює приблизно 1010 т гірських порід (за 10 млн років цей процес може перемістити всі речовина континентів, які перебувають вище рівня моря). З них 195 ? 109 т потрапляє в моря, тобто покидає континенти.

хімічної міграцією називають зміну властивостей переміщуваного речовини і його хімічного складу. Цей процес починається з руйнування речовини за рахунок хімічного вивітрювання повітряними і водними мігрантами. серед повітряних мігрантів важливе значення мають елементи, які можуть вступати в хімічні сполуки - водень, кисень, вуглець, азот. Їх атоми багато разів «проціджують» через живу речовину, грунт і гідросферу, т. Е. Здійснюють дуже швидкі кругообіг. Виключно активний кисень, тому від нього залежить міграція більшості інших елементів. Окрему групу становлять водні мігранти. Серед них особливо рухливі аніони сірки, хлору, бору, брому. Вони утворюють легкорозчинні солі, накопичуються в воді при випаровуванні і легко поглинаються організмами (сірка входить до складу білків). Результатом їх акумуляції є поклади солі, гіпсу, мірабіліту і сольові кірки в пустелях. Ступінь рухливості водних мігрантів не завжди пояснюється їх власними властивостями (наприклад, розчинність в воді). Міграційну здатність елементів послаблюють поглинання їх організмами в ході біогенної акумуляції та ґрунтовими колоїдами, процеси адсорбції і осадження. Підсилюють міграційну здатність процеси мінералізації органічних сполук, розчинення і десорбція. В цілому баланс мінерального речовини континентів різко негативний, що видно з табл. 7.5. Він компенсується певною мірою загальним підняттям континентів в зв'язку з дією механізму ізостатичного компенсації врівноваження. Звертають на себе увагу велика частка еолового виносу речовини і спалювання мінерального палива в видаткової статті балансу.

Мал. 7.9. Великий літосферних круговорот: 1 - Поглинання речовини і енергії; 2 - Надходження речовини та енергії в Космос і мантію; 3 - виділення енергії в ході великого кругообігу; 4 - зростання інформації (різноманітності); 5 - Зменшення інформації; 6 - Початок нового циклу кругообігу

Таблиця 7.5 Сучасний баланс мінерального речовини суші

 Стаття балансу  Мінеральна речовина, 1012 кг / рік
 витрата
 твердий стік  14,1
 іонний стік  1,6-1,7
 Денудація в областях розвитку сучасного покривного зледеніння  2,2-2,3
 морська абразія  0,7-1,1
 еоловий винос  2,0-4,0
 Спалювання мінерального палива  2,6
 всього  23,2-25,7
 прихід
 Зв'язування води і речовини атмосфери прівиветріваніі  1,1-1,6
 вулканогенний акумуляція  1,8
 биогенная акумуляція  1,0
 Акумуляція речовини, що надходить з Космосу  ?0,02
 всього  2,9-4,4

Багато хімічні елементи земної кори при контактних реакціях виходять за її межі і беруть участь в інших круговоротах, здійснюючи обмін між живою речовиною, атмосферою, гідросферою та літосферою, а також всередині цих сфер. У такому випадку поняття перенесення мінеральної речовини за своїм змістом ширше, ніж геохімічні кругообіг, в зв'язку з чим їх часто виділяють в особливу категорію і відносять до біогеохімічного кругообігу.

Глобальний кругообіг води.Розсіяна в атмосфері, похована в земній корі або складова власне гідросферу вода відіграє виняткову роль у функціонуванні всієї географічної оболонки як динамічній системі, що знаходиться в безперервному русі.

кругообіг води - Це безперервний процес циркуляції вологи, що охоплює атмосферу, гідросферу, літосферу і біосферу. Він відбувається за умовною схемою: випадання атмосферних осад-

 ков, поверхневий і підземний стік, інфільтрація, випаровування, перенесення водяної пари в атмосфері, його конденсація, повторне випадання атмосферних опадів. Рушійною силою глобального кругообігу води служить сонячна енергія, що викликає випаровування з поверхні океанів і суші. Основне джерело надходження вологи в атмосферу (85%) - поверхня Світового океану, а з поверхні суші надходить близько 14%. У процесі кругообігу вода може переходити з одного агрегатного стану в інше. Виділяють кругообіг води в атмосфері, між атмосферою і поверхнею Землі, між земною поверхнею і надрами літосфери, всередині надр літосфери, в гідросфері.

Ось як описує круговорот води в природі С. В. Калесник: «Випаровування води з поверхні океану, конденсація водяної пари в атмосфері і випадання атмосферних опадів на поверхні океану утворюють малий кругообіг. Але коли водяна пара переноситься повітряними течіями на сушу, круговорот води стає складніше. Частина опадів, що випали на поверхню суші, випаровується і надходить назад в атмосферу, інша частина наземними і підземними шляхами стікає в пониження рельєфу і живить ріки й стоячі водойми. Процес випаровування води і випадання опадів на суходіл може повторюватися багато разів, але, врешті-решт, волога, принесена на сушу повітряними течіями з океану, знову повертається в океан річковим ипідземним стоком, завершуючи свій великий круговорот ».

Кругообіг води не замикається тільки на Землі. Молекули водяної пари, підняті у високі шари атмосфери, піддаючись фотодиссоциации під дією ультрафіолетових променів Сонця, розпадаються на атоми кисню і водню. Внаслідок високих температур в термосфере швидкість часток водню перевищує космічну, і він іде з атмосфери в міжпланетний простір. Очевидно, що ускользание одного атома водню означає для Землі втрату однієї молекули води. У свою чергу, і Космос постачає Землю водою, яка міститься в метеоритний речовині і крижаних кометах. За деякими оцінками, цим шляхом за добу на Землю надходить близько 80 м3 вологи, тобто 25 - 30 тис. Т щорічно.

У природному кругообігу води можна виділити три основні ланки: материковое, океанічне і атмосферний.

Материкове ланка круговороту води. Потрапляючи на поверхню суші у вигляді атмосферних опадів, вода або просочується в грунт (інфільтрація), або стікає по поверхні, формуючи поверхневий і річкового стоку, і потім надходить в озера, моря і океани (рис. 7.10). Частина води випаровується, причому випаровування відбувається як безпосередньо з поверхні грунту, водойм і надземних органів рослин, так і з грунту, кори вивітрювання і гірських порід після підйому по капілярах до поверхні. Частина інформації, що просочилася в ґрунт вологи переміщається у вигляді внутрипочвенного стоку, а також грунтових і підземних вод. Грунтові і підземні води іноді виходять на земну поверхню на схилах, в місцях виклинювання водоносних горизонтів, а також в руслах річок. Частина підземних вод поповнює водні запаси глибоких підземних горизонтів і тим самим надовго виходить з активного водообміну.

Мал. 7.10. Світовий обсяг кругообігу води за день, км3

Специфічний елемент континентального ланки кругообігу води становлять льодовики. Маса льодовиків на Землі протягом геологічної історії відчувала великі коливання. Кілька разів на планеті відбувалися великі материкові зледеніння, коли величезні маси води вилучалися з океану і зосереджувалися у вигляді льодовикових покривів на суші (в основному в приполярних областях). У такі періоди рівень Світового океанам знижувався на 100 м і більше. Навпаки, в міжльодовикові епохи; льодовики зникали майже повністю, що призводило до підвищення; рівня океану.

Океанічне ланка круговороту води. Океан нагрівається головним чином зверху за рахунок поглинання сонячної радіації і теплового протівоізлученія атмосфери. Геотермічний потік, що йде до океанічного дна із земних надр, невелика й не справляє значного впливу на тепловий режим океану, крім його найглибоководнішою зони. Нагрівання води океану зверху повідомляє їй гідростатичну стійкість (нагріваються верхні шари мають меншу щільність, ніж нижележащие більш холодні), внаслідок чого вертикальні руху в океані виражені слабше, ніж в атмосфері. Цьому сприяє і більш висока щільність води в порівнянні з повітрям.

Сукупність переміщень води в океані складається з власних фізичних зусиль і кругообігів різних просторових і часових масштабів. Періоди рухів коливаються від кількох секунд до сотень років, а просторові (горизонтальні і вертикальні) масштаби - від декількох міліметрів до тисяч кілометрів. Крім морських течій, що становлять загальну циркуляцію океаносфери, в океанічному ланці беруть участь також турбулентні явища, поверхневі і внутрішні хвилі, приливні явища (коливання рівня і припливно-відливні течії), меандри і вихори, явища апвеллинга і даунвеллінга, які переносять енергію води в горизонтальному і вертикальному напрямках.

Відповідно до зональним розподілом сонячної енергії по поверхні планети, в океані і атмосфері створюються генетично взаємопов'язані циркуляційні системи, утворені однотипними водними і повітряними масами. Найважливішим механічним фактором виникнення океанічної циркуляції є вітрове тертя об поверхню води, завдяки чому океан отримує механічну енергію від атмосфери. Вітер викликає дрейфові течії, які обумовлюють зганяння води в одних районах і нагон в інших, в результаті чого виникають градієнтні течії.

Утворенню течій сприяють також термохалінної фактори: отримання і віддача теплоти, атмосферні опади, випаровування, приплив води з материків впливають на температуру і солоність води, а тим самим на її щільність. Більш щільні шари опускаються, що призводить до вертикального перемішування, а потім і до горизонтального переносу (адвекции).

Однією з характерних особливостей циркуляції поверхневих вод Світового океану є система кругообігів окремих елементів. З рис. 7.11 видно, що морські течії утворюють в кожному океані циркуляційні системи. Виняток становить Течія Західних вітрів (течія Західних Вітрів, або Великий Східний дрейф), який утворює безперервний струм води навколо земної кулі в середніх широтах Південної півкулі, у якого немає аналога в Північній півкулі.

Циркуляція поверхневих вод майже повністю повторює склалися в тому чи іншому районі Світового океану головні системи вітрів, проте, як показав І. В. Максимов, пояснювати циркуляцію океану тільки процесами в атмосфері не можна, оскільки існують і інші джерела, в тому числі позаземного походження (Місяць , Сонце).

Якщо розрахувати прибуток і спад води, обумовлені поверхневими течіями, то виявиться дисбаланс: у одних районах води надходить більше, ніж зменшується, в інших - навпаки. Відповідь слід шукати в вертикальному обміні, який пов'язує поверхневі течії з глибинними. На глибині система течій відрізняється від поверхневої і в багатьох випадках спостерігаються глибинні протитечії, спрямовані в бік, протилежний поширенню поверхневих вод. Наприклад, протягом Кромвелла в Тихому океані на глибині 100-400 м рухається із заходу на схід під поверхневим Південним Пасатною течією, протягом Ломоносова в Атлантичному океані також проходить під Південним Пасатною плином із заходу на схід. Однак і в поверхневих системах формуються поверхневі протитечії, що розмежовують потоки одного напрямку (наприклад, Міжпасатним протівотеченія Тихого і Атлантичного океанів).

У конкретні моменти часу поля течій, що становлять океанічне ланка, будуть відрізнятися від середньої картини. Подібно річках, вони можуть химерно змінювати напрямки (меандрировать) або утворювати завихрення, подібно повітряним або руслових потоків.

Океан має велику теплової та динамічної інерцією і його реакція на вплив атмосфери запізнюється. За висловом А. С. Монина, океан є свого роду «запам'ятовуючим пристроєм», що зберігає «відбитки» атмосфери за певний попередній період.

Атмосферний ланка круговороту води. Вміст води в атмосфері невелика: при випаданні на земну поверхню всієї води, що знаходиться в атмосфері, утворився б шар в 25 м. Однак швидкість влагооборота в атмосфері вище: за рік волога змінюється приблизно 45 раз (в середньому 1 раз за 8 днів). В результаті на земну поверхню за рік випадає в середньому шар атмосферних опадів, що дорівнює 1,1 м.

Волога в атмосферу надходить за рахунок випаровування. Щорічно з земної поверхні випаровується 577 ? 1012 м3 води, причому 505 ? 1012 м3 з них - з поверхні океану. На випаровування витрачається 80% радіаційного бюджету. Стільки ж енергії виділяється при конденсації вологи в атмосфері на рівні хмар, причому водяна пара, переміщаючись на сотні і тисячі кілометрів, переносить і велика кількість тепла. Виділення в атмосферу прихованого тепла пароутворення при конденсації - найважливіший енергетичний джерело атмосферних процесів. Ось чому водяна пара називають «основним паливом атмосфери».

Обмін повітрям, що містить вологу, між екватором і полюсами досягається в основному за рахунок горизонтального переносу повітряних мас. Вертикальні руху при цьому не виключені, але швидкість їх набагато менше швидкості горизонтальних.

Господарська ланка круговороту води. Думка про необмежені запаси прісної води на Землі ґрунтовно переглянуто. Головними споживачами води (зазвичай прісної) є сільське господарство, промисловість і населення. У сільському господарстві найбільше (понад 2 ? 1012 м3) Кількість води витрачається на зрошення, причому 80% її безповоротно залишає річкову мережу в складі хімічних сполук або при випаровуванні. Суммарнийводозабор на промислові потреби становить 0,7 ? 1012 м3/ Рік, з них 5-10% вилучаються безповоротно для забезпечення технологічних процесів. На потреби населення використовується близько 0,2 ? 1012 м3/ Рік, причому шоста частина води не повертається в річкову мережу. Слід враховувати, що стічні води практично для будь-якого знешкодження необхідно розбавляти чистими, на що вНині витрачається приблизно 40% всіх світових ресурсів якісної води.

Мал. 7.11. Поверхневі течії Світового океану (С. Нешіба, 1991): центральний круговорот північній частині Тихого океану: 1 - Куросіо; 2 - Північно-Тихоокеанське; 3 - Каліфорнійське; 4 - Північне Пасатне; центральний круговорот південній частині Тихого океану: 5 - Східно-Австралійська; 6 - Західних Вітрів (частина Антарктичного циркумполярної течії); 7 - Гумбольдта (Перуанська); 8 - Південна Пасатна; центральний круговорот Північної Атлантики: 9 - Гольфстрім; 10 - Північно-Атлантичний; 11 - Канарська; 12 - Північне Пасатне; центральний круговорот Південної Атлантики: 13 - Бразильське; 14 - Західних Вітрів (частина Антарктичного циркумполярної течії); 75 - Бен-гельська; 16- Південна Пасатна; центральний круговорот Індійського океану: 17 - Мису Голкового; 18 - Західних Вітрів (частина Антарктичного циркумполярної течії); 19 - Західно-Австралійське; 20 - Південна Пасатна; субарктический круговорот північній частині Тихого океану: 21 - Аляскинское; 22 - Аляскинский потік; 23 - схилового протягом Берингової моря; 24 - Камчатський; 25 - Ойясіо; субтропічний круговорот Північної Атлантики: 26 - Ірмінгера; 27 - Східно-Гренландское; 28 - Лабрадорское; інші елементи циркуляції: 29 - Межпассатное протитечія; 30 - Сомалійська течія

Стосовно до річкового стоку названі обсяги невеликі. Однак в найбільш густонаселених районах Передньої і Середньої Азії, Африки, в деяких промислових регіонах Росії вже існує відчутний дефіцит водних ресурсів, який навіть збільшується. Щоб його заповнити, вдаються до штучного територіального перерозподілу стоку і меліорації, що в свою чергу не тільки створює численні екологічні проблеми, а й економічно не завжди виправдано.

Світовий водний баланс. Кількісне вираження глобальний кругообіг води знаходить в водному балансі Землі - співвідношенні між кількістю води, що надходить на земну поверхню ввигляді опадів, і йде з неї за рахунок випаровування в певний інтервал часу. Середньорічні кількість опадів і випаровування взаємно врівноважують один одного і складають 1030 мм, або 525 ? 1012 м3.

На поверхню Світового океану випадає 458 ? 1012 м3 води, що на 47 ? 1012 м3 менше випарувалася з нього вологи. Ця різниця переноситься на континенти і разом з водою, що випарувалася на суші, формує атмосферні опади (119 ? 1012 м3). Частина випала на суші вологи знову втягується в випаровування (72 ? 1012 м3), Інша частина формує стік (річки, льодовики, підземні води і ін.), Який пливе у відкритий океан, компенсуючи перевищення атмосферних опадів над випаровуванням. Однак не всюди на поверхні океанів випаровування перевищує опади. У помірних і полярних областях, а також в приекваторіальній зоні опадів випадає більше, ніж випаровується.

Загальну схему кругообігу води на поверхні Землі можна описати рівняннями водного балансу:

для поверхні Світового океану

E0 = X0+ F;

для поверхні суші

Ec = Xc-f,

де Е0 - Випаровування з поверхні океанів; Ес - випаровування з поверхні суші; Х0 - атмосферні опади над океаном; Хс - атмосферні опади над сушею; f - Стік з континентів.

Водний баланс пов'язаний з тепловим через випаровування, так як на нього витрачається тепло, яке звільняється при конденсації водяної пари. Вологооборот супроводжується перерозподілом тепла між геосферами і окремими районами Землі, що важливо для функціонування географічної оболонки. Крім цього, в процесі влагооборота відбувається обмін речовиною (солями, газами).

Біологічні кругообіг.Процеси творення і руйнування органічної речовини утворюють біологічні кругообіг. Вони пов'язані з круговоротами води, повітря, енергії, мінеральних речовин подібно до того, як безліч деталей складають єдиний годинниковий механізм. Кругообіг основних речовин в біосфері по Г. Хатчинсону показаний на рис. 7.12.

під біологічнимкруговоротом розуміють надходження хімічних елементів з ґрунту, води і повітря в живі організми, їх перетворення в нові з'єднання і повернення в навколишній простір в процесі життєдіяльності організмів. Біологічний (або биотический, по Н. Ф. Реймерс) круговорот - явище безперервне, циклічне, нерівномірне в часі і просторі. Воно супроводжується більш-менш значними втратами речовини, енергії та інформації в межах екологічних систем різного рівня організації - від біогеоценозу до біосфери.

Кругообіг в біосфері мають свою специфіку (рис. 7.13), оскільки розрізняють власний біологічний цикл життя організму, його залученість в загальногеографічний круговорот і приватні кругообіг атмосфери, гідросфери, літосфери, де кожному виду відведена своя роль.

Кругообіг в біосфері виглядають дуже складними, з безліччю лінійних і нелінійних зв'язків і взаємин. Повного кругообігу речовин в межах геосистем не відбувається, так як частина речовин завжди йде за їх межі.

Вихідна гілка біологічного кругообігу - фотосинтез, в результаті якого створюється органічна речовина. Одночасно з фотосинтезом в кожній рослині йде зворотний процес - дихання. Крім того, рослини гинуть, втрачають частину надземних і підземних органів, утворюючи мертве органічна речовина детрит, яке розкладається (Минерализуется). Дихання і розкладання органічної речовини не врівноважують повністю процес фотосинтезу. У нормально розвиваються фитоценозах кількість створюваного органічної речовини перевищує ту його частину, яка руйнується, тобто існує позитивний баланс органічної речовини. Схематично цей процес можна представити таким чином:

1) в зелених рослинах на денному світлі йде фотосинтез: в хлорофілових зернах розкладається вода, водень використовується на побудову органічних сполук, а кисень виділяється в атмосферу;

2) органічні речовини тварин і рослин після смерті організмів розкладаються мікробами до найпростіших сполук - СО2, Води, аміаку та ін .;

3) мінеральні сполуки, що виникли описаним шляхом, знову поглинаються рослинами, тваринами, мікробами і знову входять до складу складних органічних речовин.

Таким чином, одні й ті ж елементи багаторазово утворюють органічні сполуки живих організмів і багаторазово переходять в мінеральне стан. Темпи біологічного кругообігу визначають найважливіші риси міграції хімічних елементів в ландшафтній оболонці і характер зв'язків між атмосферою, гідросферою та літосферою. Значення біологічного кругообігу тим більше велика, що він діє вже багато сотень мільйонів років.

 Мал. 7.13. Принципова схема біологічного кругообігу (по Н. Ф. Реймерс)

Трофічні (харчові) ланцюга. Невід'ємною частиною біологічного кругообігу є процес харчування. Частина новостворюваного органічної речовини втягується в трофічні (Харчові) ланцюга. Такі ланцюги складаються з послідовного ряду організмів, кожен з яких є джерелом їжі для подальшого. Організми, які синтезують необхідні їм поживні речовини з простих неорганічних сполук, називають автотрофними (Самопітающіміся), в харчовому ланцюгу - продуцентами. Фотосинтезирующие автотрофи (зелені рослини, пурпурні бактерії) використовують сонячну енергію, яка запасається в органічній речовині і після цього витрачається всіма учасниками трофічного ланцюга. Хемосинтезирующие автотрофи (деякі види бактерій) отримують енергію за рахунок окислення або розкладання хімічних сполук (аміаку, сірководню, піриту і ін.).

Мал. 7.12. Кругообіг основних речовин в біосфері (по Г. Хатчинсону)

Інший тип організмів - гетеротрофні, які харчуються готовими органічними речовинами. Гетеротрофи поділяють на консументів і редуцентов. До консументам відносять тварин. За типом харчування вони поділяються на рослиноїдних (харчуються рослинами) і м'ясоїдних (харчуються іншими тваринами). Багато тварин всеїдні. редуценти - Гриби та деякі бактерії - розкладають органічні сполуки на найпростіші мінеральні. Вони ніби замикають біологічний круговорот речовин. Ще один тип гетеротрофного харчування - паразитизм. Він поширений у деяких видів тварин і рослин. Трофічні ланцюги не ізольовані одна від одної і, переплітаючись, вони складають харчові мережі. Принцип освіти харчових мереж полягає в тому, що кожен продуцент має не одного, а кілька консументов. У свою чергу, консументи, серед яких переважають полифаги, користуються не одним, а кількома джерелами живлення.

Головні потоки речовини і енергії трехступенной трофічного ланцюга зображені на рис. 7.14.

Мал. 7.14. Потоки речовини і енергії, що проходять через три трофічні ступені (по П. Дювіньо і М. Тангу): С - фотоактивного радіація, засвоюється зеленим листом; Пв - Валова продуктивність рослини; Пч - Чиста продуктивність; К - частина рослин, яку з'їдає рослиноїдних; Н - непоедаемие залишки; Е - екскременти; А2 - Валова продукція, засвоюється рослиноїдних; А3 - Валова продукція, засвоюється хижаками; П2 - Чиста продукція на рівні рослиноїдних; П3 - Чиста продукція на рівні хижаків; Дь Д2, Д3 - Втрати на дихання на різних рівнях

біогеохімічні кругообіги. Згідно Н. Ф. Реймерс, під биогеохимическим кругообігом слід розуміти частину біологічного кругообігу, складену обмінними циклами хімічних речовин, тісно пов'язаних з життям - головним чином вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки і біогенних катіонів.

Біогеохімічні кругообіги грають величезну роль в географічній оболонці: в ході їх реалізації биогенная акумуляція мінеральних сполук (перетворення СО2, Н2О, NH3, SO3 та інших з'єднань в складні, багаті енергією органічні речовини) змінюється мінералізацією органічних сполук із звільненням енергії. Подвійна назва ці протилежно спрямовані процеси творення і руйнування органічної речовини отримали тому, що вони пов'язані з круговоротами енергії і перенесенням мінеральних речовин.

Розподіл енергії не єдине явище, обумовлене харчовими ланцюгами. Деякі речовини в міру просування по ланцюзі не розсіюються, а навпаки, накопичуються. Відомо, що з понад 90 хімічних елементів, що зустрічаються в природі, 30 - 40 необхідні живим організмам. Деякі елементи, такі як вуглець, водень і азот, потрібні у великих кількостях, інші в малих або навіть мінімальних. Хоч би яка була потреба в них, все елементи беруть участь в біогеохімічних круговоротах.

Кожен хімічний елемент, здійснюючи кругообіг в екосистемі, слід за своїм особливим шляхом, але все кругообіг наводяться в рух енергією, і беруть участь в них елементи поперемінно переходять з органічної форми в неорганічну і назад.

Як приклад наведемо круговорот вуглецю.

кругообіг вуглецю - Процес звільнення і зв'язування діоксиду вуглецю (СО2), Включаючи розчинення у воді океанів, що йде практично по двом циклам - океанічному і континентальному, об'єднання між якими відбувається через атмосферне цикл СО2. Баланс вуглецю в біосфері в даний час позитивний в зв'язку з антропогенними викидами. Вуглець бере участь в циклі з невеликим, але досить рухомим фондом в атмосфері (рис. 7.15). Завдяки буферної системі карбонатного циклу, круговорот набуває стійкість.

Вуглець - основний хімічний елемент живої субстанції. Він утворює стійкі сполуки, його атоми здатні з'єднуватися в цепочкообразно і колоподібність молекули складної будови. Вуглець поглинається з атмосфери або води зеленими рослинами в процесі фотосинтезу і виділяється рослинами і тваринами при диханні, а також при бактеріальному розкладанні їх залишків. Зелені рослини земної кулі протягом 4 років поглинають весь запас вуглецю в атмосфері і за 300 років - весь вуглець гідросфери. Кругообіг вуглецю звернемо в повному обсязі. Частина його атомів в формі сполук - органічних (кам'яне і буре вугілля, нафта, горючі гази, торф, сапропель) і неорганічних (карбонат кальцію і ін.) - Захороняется в опадах. Концентрація вуглецю в органічних і неорганічних породах значно перевищує його вміст у водах океанів, атмосфері і живу речовину. При виверженнях вулканів і горообразовательних процесах похований вуглець повертається в географічну оболонку і знову втягується в біогеохімічний круговорот.

Мал. 7.15. Кругообіг вуглецю (по Т. А. Айзатулліну)

Даний приклад показує, що критичними моментами біогеохімічних циклів є захоплення (рівень продуцентів) і повернення (рівень редуцентов) речовин з фізичної середовища. Ці моменти пов'язані з реакціями відновлення і окислення. Відновлення хімічних речовин здійснюється в результаті за рахунок енергії сонячного випромінювання. На кожному етапі перенесення енергії відбувається її розсіювання, що закінчується на рівні редуцентов, які окислюють елементи до стану, в якому вони вже можуть бути захоплені продуцентами.

Таким чином, найважливіша властивість потоків в екосистемах - їх циклічність. Речовини в екосистемах здійснюють практично повний круговорот, потрапляючи спочатку в організми, потім в абиотическую середу і знову повертаючись в організми, але часто в інших кількостях і станах. Між круговоротами елементів існує тісний зв'язок (рис. 7.16).

Особливістю біогеохімічних кругообігів є те, що в них беруть участь не тільки біогенні елементи, а й сторонні, в тому числі багато забруднюючі речовини (Поллютанти).

Мал. 7.16. Загальна схема циркуляції вуглецю, водню і кисню

Деякі з них не тільки циркулюють у навколишньому середовищі, а й мають тенденцію накопичуватися в організмах. У таких випадках концентрація поллютанта, виявленого в організмах, наростає в міру проходження його вгору по харчовому ланцюгу, так як організми швидше поглинають забруднююча речовина, ніж виділяють його.

Загальні зауваження про круговоротах.Кругообіг в просторі завжди тривимірні і їх треба розглядати по вертикалі, горизонталі та в часі.

Всі описані кругообіг не є круговоротами в точному сенсі цього слова. Вони не цілком замкнуті, і кінцева стадія кругообігу зовсім не тотожна його початковій стадії. Розрив між ними утворює вектор спрямованого зміни - розвиток. Рослини, наприклад, віддають грунті більше речовин, ніж отримують від неї, так як їх органічна маса створена в основному за рахунок вуглекислого газу атмосфери, а не за рахунок елементів, які надійшли з грунту через кореневу систему. Виверження гірську породу можна розплавити, але при цьому не утворюється вихідна магма, так як материнська магма, кристаллизуясь і перетворюючись в тверде тіло, віддає багато летючі речовини в атмосферу і гідросферу. Вода, що нагнітається пасатами в Карибське море, - це не та вода, яка пішла звідси раніше з потоком Гольфстріму, хоча деякі струменя цього потоку і зробили повний оборот за годинниковою стрілкою навколо Саргассова моря.

Процеси фотосинтезу, що йдуть за допомогою молекул хлорофілу, вливають в організм потік енергії сонячних променів разом з речовинами неживої природи, створюючи матеріальну і енергетичну бази усього життя на Землі і віддаючи в навколишній простір частина вільного кисню. Процеси дихання, здійснювані з допомогою молекул гемоглобіну, вивільняють енергію, пов'язану фотосинтезом, і повертають в неживу природу частина пов'язаного кисню, вуглецю і водню. За сучасними розрахунками, вільний кисень утворюється зі швидкістю 1,55 ? 109 т в рік, а витрачається - 2,16 ? 1010 т, тобто витрата більше ніж на порядок перевищує прихід. При цьому враховується тільки фотосинтетичний кисень, а глибинний кисень, «вивергатися» з надр при процесах дегазації, з розрахунків виключений. Його кількості повинні бути досить значними, так як ізотопний аналіз кисню повітря показав, що більша його частина складається з глибинного кисню.

Кругообіг охоплюють всі геосфери. Рух речовини в одній з систем географічної оболонки носить часом характер своєрідного «поділу праці». Так, киснем дихають всі аеробні організми, а поверненням його в атмосферу займаються тільки зелені рослини. В біогеоценозах продуценти (зелені рослини і ряд бактерій) створюють органічну речовину з мінерального, консументи харчуються готовими органічними речовинами, а редуценти (головним чином бактерії і гриби) руйнують живу або мертву органічну речовину і переводять його в мінеральне.

За ступенем складності кругообіг дуже різні: одні з них зводяться переважно до механічних рухів (циркуляція атмосфери, морські течії), інші супроводжуються зміною агрегатного стану речовини (круговорот води), по-третє відбувається його хімічна трансформація (біологічний круговорот).

Речовина, що вступило в круговорот, нерідко відчуває перебудову в проміжних ланках, змінюючи свій фізичний чи хімічний стан. Вільний кисень, поглинений з повітря рослиною при диханні, зв'язується всередині нього, і перестає бути вільним. В атмосферу рослина виділяє вільний кисень іншого походження, отриманий в процесі фотосинтезу шляхом розщеплення молекули води. Подання про перетвореннях речовини і енергії в проміжних ланках кругообігу органічно входять в поняття кругообігу. Тому розділяти уявлення про кругообіг від уявлення про взаємообмін речовини і енергії не зовсім правильно.

При аналізі круговоротов речовин слід пам'ятати про їх природної мінливості, пов'язаної з різним станом геосфер і ритмічністю (циклічністю) природних процесів і явищ. Порядки і ритміка різних середовищ і процесів можуть бути синхронними і асинхронними, що обумовлює накладення (інтерференції) або ослаблення (релаксацію) ефектів.



Попередня   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   Наступна

Вертикальна поясність географічної оболонки | Загальні риси будови земної поверхні | нуклеарні структури | контактні зони | Бар'єри в географічній оболонці | ландшафтні системи | Простір і час в географічній оболонці | ГЛАВА 7. ДИНАМІКА ГЕОГРАФІЧНОЇ ОБОЛОНКИ | Джерела енергії в географічній оболонці | Радіаційний баланс Землі |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати