Круговорот речовин на Землі

1.         З яких частин складається біогеохімічний круговорот речовин?

Круговорот речовин на Землі - повторювані процеси перетворення й переміщення речовини в природі, що мають більш-менш виражений циклічний характер. Ці процеси мають певний поступальний рух, тому що при так званих циклічних перетвореннях у природі не відбувається повного повторення циклів, завжди є ті або інші зміни в кількості й сполуці речовин, що утворяться.

Круговорот речовин на Землі складається з безлічі різноманітних повторюваних в основних рисах процесів перетворення й переміщення речовини. Окремі циклічні процеси являють собою послідовний ряд змін речовини, що чергуються з тимчасовими станами рівноваги. Як тільки речовина вийшла з даної термодинамічної системи, з якої воно перебувало в рівновазі, відбувається його подальша зміна, поки воно не вернеться частково до первісного стану. Повного повернення до первісного стану ніколи не відбувається. Яскравою ілюстрацією цього може служити круговорот води в природі.

Схема круговороту води

З поверхні океану випаровується щорічно величезна кількість води, але при цьому порушується її ізотопна сполука: вона стає бідніше важким воднем у порівнянні з океанічною водою (у результаті фракціонування ізотопів водню при випарі). Між поверхневим шаром води океану й масою води більше глибоких його зон існує свій регулярний, сталий обмін. Між парами води й водою атмосфери й водойм установлюються локальні тимчасові рівноваги. Пари води в атмосфері конденсуються, захоплюючи гази атмосфери й вулканічні гази, а потім вода обрушується на сушу. Частина води при цьому входить у хімічні сполуки, інша у вигляді кристаллогидратной, сорбированной і багатьох ін. форм зв'язується пухкими опадами земної кори, погребается разом з ними й надовго залишає основний цикл. Опади в процесі метаморфизации й занурення в глиб Землі під впливом тиску й високої температури (наприклад, інтрузії) втрачають воду, що піднімається по порах порід і з'являється у вигляді гарячих джерел або пластових вод на поверхні Землі, або, нарешті, викидається з парами при вулканічній діяльності разом з деякою кількістю ювенільних вод і газів. Інша ж, основна маса води, витягаючи розчинні сполуки з порід літосфери, руйнуючи їх, стікає ріками назад в океан.

Інший приклад - круговорот кальцію. Вапняки (як і ін. породи) на континенті руйнуються, і розчинні солі кальцію (двовуглекислі й ін.) ріками зносяться в море. Щорічно в морі скидається з континенту близько 5-10⁸ т кальцію. У теплих морях вуглекислий кальцій інтенсивно споживається нижчими організмами - форамініферами, коралами й ін. - на будівлю своїх кістяків. Після загибелі цих організмів їхні кістяки з вуглекислого кальцію утворять опади на дні морів. Згодом відбувається їх метаморфизация, у результаті чого формується порода - вапняк. При регресії моря вапняк оголюється, виявляється на суші й починається процес його руйнування. Але сполука знову, що утвориться вапняку, трохи інший. Так, виявилося, що палеозойські вапняки більше багаті вуглекислим магнієм і супроводжуються доломітом, вапняки ж більше молоді - бідніше вуглекислим магнієм, а утворення шарів доломітів у сучасну епоху майже не відбувається. Нарешті, при виливі лави вапняки частково можуть бути нею асимільовані, тобто ввійти у великий К. в.

Т. о., окремі циклічні процеси, що складають загальний круговорот речовин на Землі, ніколи не є повністю оборотними. Частина речовини в повторюваних процесах перетворення розсіюється й відволікається в частки круговороты або захоплюється тимчасовими рівновагами, а інша частина, що вертається до колишнього стану, має вже нові ознаки.

Тривалість того пли іншого циклу можна умовно оцінити по того часу, що було б необхідно, щоб вся маса даної речовини могла обернутися один раз на Землі в тім або іншому процесі.

Табл. 1. - Час, достатнє для повного обороту речовини

У круговороті речовин беруть участь хімічні елементи й сполуки, більше складні асоціації речовини й організми. Процеси зміни речовини можуть носити переважно характер механічного переміщення, фізико-хімічного перетворення, ще більш складного біологічного перетворення або носити змішаний характер.

Класифікація круговороту речовин на Землі ще не розроблена. Можна говорити, наприклад, про круговоротах окремих хімічних елементів або про біологічний круговорот речовин у біосфері; можна виділити круговорот газів атмосфери або води, твердих речовин у літосфері й, нарешті, круговорот речовин у межах 2-3 суміжних геосфер. Вивченням круговороту речовин займалися багато росіян учені. В. И. Вернадський виділив геохімічну групу так званих циклічних хімічних елементів; до них відносять практично все широко розповсюджені й багато рідких хімічних елементів, наприклад вуглець, кисень, азот, фосфор, сірку, кальцій, хлор, мідь, залізо, йод. В.Р. Вільямс і багато хто ін. розглядали біологічні цикли азоту, вуглекислоти, фосфору й ін. у зв'язку з вивченням родючості ґрунтів. Із циклічності хімічних елементів особливо важливу роль у біогенному циклі грають вуглець, азот, фосфор, сірка.

Вуглець – основний біогенний елемент; він відіграє найважливішу роль в утворенні живої речовини біосфери. Вуглекислий газ із атмосфери в процесі фотосинтезу, здійснюваного зеленими рослинами, асимілюється й перетворюється в різноманітні й численні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорганізми, морський фітопланктон, завдяки винятковій швидкості розмноження продуцируют у рік близько 1,5-10¹¹ т вуглецю у вигляді органічної маси, що відповідає 5,86-10²⁰дж (1,4-10²⁰кал) енергії. Рослини частково поїдаються тваринами (при цьому утворяться більш-менш складні харчові ланцюги). У підсумку органічна речовина в результаті подиху організмів, розкладання їхніх трупів, процесів шумування, гниття й горіння перетворюється у вуглекислий газ або відкладає у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які, у свою чергу, дають початок многим ін. каустобиолитам - кам'яним вугіллям, нафті, горючим газам.

Схема круговороту вуглецю

У процесах розпаду органічних речовин, їхньої мінералізації величезну роль грають бактерії (наприклад, гнильні), а також багато грибів (наприклад, цвілеві).

В активному круговороті вуглецю бере участь дуже невелика частина всієї його маси. Величезна кількість вугільної кислоти законсервовано у вигляді викопних вапняків і ін. порід. Між вуглекислим газом атмосфери й водою океану, у свою чергу, існує рухлива рівновага.

Табл. 2. - Зміст вуглецю на поверхні Землі й у земній корі.

Багато водних організмів поглинають вуглекислий кальцій, створюють свої кістяки, а потім з них утворяться шари вапняків. Атмосфера поповнюється вуглекислим газом завдяки процесам розкладання органічної речовини, карбонатів і ін., а також у результаті індустріальної діяльності людини. Особливо потужним джерелом є вулкани, гази яких складаються головним чином з вуглекислого газу й пар води. Деяка частина вуглекислого газу й води, що викидаються вулканами, відроджується з осадових порід, зокрема вапняків.

Джерелом азоту на Землі був вулканогенний NH₃, окислений O₂ (процес окислювання азоту супроводжується порушенням його ізотопної сполуки - ¹⁴N-¹⁵N). Основна маса азоту на поверхні Землі перебуває у вигляді газу (N₂) в атмосфері. Відомі два шляхи його залучення в біогенний круговорот: 1) процеси електричного (у тихому розряді) і фотохімічного окислювання азоту повітря, що дають різні окисли азоту (NO₂, NO'₃ і ін.), які розчиняються в дощовій воді й вносяться таким чином у ґрунти, воду океану; 2) біологічна фіксація N₂ клубеньковыми бактеріями, вільними азотфиксаторами й ін. мікроорганізмами. Значення азоту в обміні речовин організмів загальновідомо. Він входить до складу білків і їхніх різноманітних похідних. Залишки організмів на поверхні Землі або поховані в товщі порід піддаються руйнуванню при участі численних мікроорганізмів. У цих процесах органічний азот піддається різним перетворенням. У результаті процесу денітрифікації при участі бактерій утвориться елементарний азот, що вертається безпосередньо в атмосферу. Так, наприклад, спостерігаються підземні газові струмені, що складаються майже із чистого N₂. Біогенний характер цих струменів доводиться відсутністю в їхній сполуці аргону (⁴⁰Ar), звичайного в атмосфері. При розкладанні білків утворяться також аміак і його похідні, що попадають потім у повітря й у воду океану. У біосфері в результаті нітрифікації - окислювання аміаку й ін. азотсодержащих органічних сполук при участі бактерії Nitrosomonas і нітробактерій - утворяться різні окисли азоту (N₂O, NO, N₂O₃ і N₂O₅). Азотна кислота з металами дає солі. Калійна селітра утвориться на поверхні Землі в кисневій атмосфері в умовах жаркого й сухого клімату в місцях відкладень залишків водоростей. Скупчення селітри можна спостерігати в пустелях на дні ніш видування. У результаті діяльності денитрифицирующих бактерій солі азотної кислоти можуть відновлюватися до азотистої кислоти й далі до вільного азоту.

Схема круговороту азоту

Джерело фосфору в біосфері - апатит, що зустрічається у всіх магматичних породах. У перетвореннях фосфору більшу роль грає жива речовина. Організми витягають фосфор із ґрунтів, водяних розчинів. Фосфор входить до складу білків, нуклеиновых кислот, лецитинов, фітину й ін. органічних сполук; особливо багато фосфору в костях тварин. Із загибеллю організмів фосфор вертається в ґрунт і в донні відкладення. Він концентрується у вигляді морських фосфатних конкрецій, відкладень костей риб, гуано, що створює умови для утворення багатих фосфором порід, які, у свою чергу, служать джерелами фосфору в біогенному циклі.

Схема круговороту фосфору

Круговорот сірки також тісно пов'язаний з живою речовиною. Сірка у вигляді трёхокиси (SO₃), двоокису (SO₂), сірководню (H₂S) і головним чином елементарної сірки викидається вулканами. Крім того, у природі є у великій кількості різні сульфіди металів: заліза, свинцю, цинку й ін. Сульфідна сірка окисляється в біосфері при участі численних мікроорганізмів до сульфатної сірки (SO''₄) ґрунтів і водойм. Сульфати поглинаються рослинами. В організмах сірка входить до складу амінокислот і білків, а в рослин, крім того, - до складу ефірних масел і т.д. Процеси руйнування залишків організмів у ґрунтах і в илах морів супроводжуються дуже складними перетвореннями сірки. При руйнуванні білків за участю мікроорганізмів утвориться сірководень, що далі окисляється або до елементарної сірки, або до сульфатів. У цьому процесі беруть участь різноманітні мікроорганізми, що створюють численні проміжні сполуки сірки. Сірководень може знову утворити "вторинні" сульфіди, а сульфатна сірка - покладу гіпсу. У свою чергу, сульфіди й гіпс знову піддаються руйнуванню, і сірка відновляє свою міграцію.

У цілому вся речовина літосфери інтенсивно піддається перетворенням, беручи участь у так званому малому й великому круговороті речовин. Під впливом променів Сонця, кисню, вуглекислого газу, води, живої речовини відбувається руйнування речовини поверхні Землі. Продукти руйнування несуться вітром або, будучи розчинені у воді, скидаються в моря й океани, де вони осаджуються, відкладаються на дні, ущільнюються, цементуються, утворять шаруваті осадові породи, а потім під впливом тиску перетворюються в кристалічні сланці. Цей круговорот речовини Землі називають малим.

Схема малого круговороту речовин на Землі

У великому круговороті речовин беруть участь кристалічні сланці й ін. породи, що утворяться в процесі малого круговороту речовин. У результаті подальшого занурення вони попадають у магматичну область Землі, піддаються дії тиску й високої температури, переплавляються й у вигляді вивержених магматичних порід можуть бути знову винесені на поверхню Землі. Вивчення круговороту речовин на Землі представляє глибокий практичний інтерес. Вплив людини на природні процеси стає усе значніше. Наслідку цього впливу стали порівнянні з результатами геологічних процесів: у біосфері виникають нові шляхи міграції речовин і енергії, з'являються багато тисяч хімічних сполук, колись їй не властивих. Створюються нові водні басейни; тим самим міняється круговорот води. У руках людини концентруються величезні запаси металів, фосфатів, сірки, синтезуються колосальні кількості азотсодержащих речовин для добрива полів і т.д. Міняється звичайний хід геохімічних процесів. Глибоке вивчення всіх природних перетворень речовин на Землі - необхідна умова раціонального впливу людини на середовище його перебування й зміни природних умов у бажаному для нього напрямку.

Літ.: Вернадський В. И., Нариси геохімії, 4 изд., М.- Свердловськ, 1934; Ферсман А. Е., Геохімія, т. 1-4, Л., 1933-39; Виноградов А. П., Геохімія рідких і неуважних хімічних елементів у ґрунтах, М., 1950; його ж. Введення в геохімію океану, М., 1967; Вільямс В. Р., Собр. соч., т. 6, М., 1951; Більша радянська енциклопедія, М., 2001.

2.         Які небезпечні ущербообразующие геохімічні процеси Ви знаєте?

До ущербообразующим геохімічних процесів можна віднести наступні:

1. Зміна водного балансу між поверхневими, ґрунтовими й глибокими підземними водами. Найбільш звичайним його наслідком є підвищення рівня ґрунтових вод, викликуване двома односпрямованими процесами.

Перший процес - заміна природного ґрунтового покриву забудованими й заасфальтованими територіями, що практично виключає з водного балансу випар з поверхні ґрунту й протечки водопровідних і каналізаційних систем, круглогодично обеспечивающие можливість заповнення ресурсів ґрунтових вод (другий процес). Обоє ці обставини, у сполученні з повною або частковою ліквідацією природних дренажних систем, приводять до підйому дзеркала ґрунтових вод, подтапливанию підстав і фундаментів будинків і споруджень, зниженню несучої здатності ґрунтів підстави й, як наслідок, деформація, а в критичних ситуаціях - руйнування будинків і споруджень.

2. У цей час із всіх небезпечних процесів підтоплення має максимальне поширення, його наслідки можуть бути загрозливими або катастрофічними. З 1092 міст Росії підтоплене близько 70%. Підтоплення веде до підвищення сейсмічності забудованих територій на 1–2 бали. До забруднення ґрунтових вод важкими металами, нафтопродуктами, хлоридами, сполуками сірки, пестицидами, а в ряді випадків і радіонуклідами в результаті витоку стічних вод з каналізаційних мереж, інфільтрації атмосферних опадів у місцях складування промислових і побутових відходів. Техногенне підтоплення особливо небезпечно, тому що носить схований характер, його розвиток провокує виникнення зсувів, карсту й т.д.

Підтоплення, що активно розвивається в будь-яких кліматичних умовах, супроводжується масштабними екологічними наслідками й завдає шкоди здоров'ю населення. Гострота проблеми найбільш висока на сильно урбанизированных територіях, де концентрація населення сполучається з наявністю потужних джерел шкідливого впливу на навколишнє середовище. Так, підтоплення від 80 до 100% площі урбанизированных територій, характерне для Ярославської, Самарской, Саратовской, Краснодарської, Барнаульской і Новосибірської агломерацій, приводить до істотного росту витрат на забезпечення комфортного середовища проживання людини.

3. У випадках, коли виробляється промислова експлуатація глибоких обріїв підземних вод і виникає адекватна депрессионная лійка, за умови постійного заповнення ґрунтового водоносного обрію, про що сказане вище, підсилюється інфільтрація ґрунтових вод у глибокі обрії. Цей процес активізації вертикального руху підземних вод супроводжується розвитком процесів суффозии (виносу тонкоземистого матеріалу) або карсту (розчинення й выщелачивания карбонатного матеріалу вапняків з утворенням карстових порожнин).

4. Зміна геодинамической ситуації, викликане додаткової, і притім нерівномірної пригрузкой поверхні за рахунок привнесених мас матеріалів будівельних конструкцій, у межах території міста. Цей фактор додаткової пригрузки може супроводжуватися також одночасною відкачкою підземних вод, у випадку їхньому використанні для питних або технічних цілей. Як наслідок на тлі загального опускання поверхні міст (під дією ізостатичних сил і вилучення підземних вод з порового простору гірських порід підстави міста), активізуються місцеві, осередкові зсувні й солифлюкционные процеси, здатні в умовах міської забудови привести до деформації будинків, і комунікацій (зсуви).

5. Уваги заслуговує розвиток несприятливої інженерно-екологічної ситуації міст і селищ, розташованих у мерзлотних умовах. Узимку, коли поверхня землі починає замерзати, підземні води виявляються затиснутими між непроникними шарами (шаром багаторічної мерзлоти внизу й замерзлою поверхнею землі вгорі). Вода перебуває під сильним напором, ища собі виходу назовні, вона спучує ґрунт, образуя крижані бугри – гидролокалиты. Гидролокалиты й полою (коли вода замерзає на поверхні) широко поширені в Східному Сибірі, Забайкалье, Далекому Сході, Канаді й в інших районах поширення багаторічної мерзлоти.

6. Порушення геохімічного балансу поверхні, ґрунтів підстави й конструкцій будинків і споруджень - ще один геоэкологический процес, що відбувається в екстремальних кліматичних умовах і що робить вирішальний вплив на тривалу стійкості надземних будівельних конструкцій. Його суть полягає в тому, що в умовах коли випаровуваність перевищує кількість опадів, при стійкому підтопленні внутріквартальних територій і відсутності дренажу надмерзлотних вод, видалення якої те частини зайвої вологи з поверхні й із ґрунтів сезонно поталого шару відбувається в результаті її випару. Випар, у свою чергу, приводить до послідовного й безперервного зростання мінералізації надмерзлотних вод. Однак відомо, що чим вище мінералізація води, тим більше низькі температури потребны для її замерзання. Наслідок цього процесу - збереження залишкових або формування нових лінз рідкої води, що має негативну температуру, що існують круглогодично. Такі отрицательнотемпературные води одержали назву криопэги від латинського криос - холод, і пэги - води. При міграції лінз криопэгов у випадку, якщо лінза переміститься в підставу будинку може привести до деформації фундаменту й самого будинку.

3.         Що загального можна знайти між функціональною структурою екологічної системи й організацією господарства, наприклад, фермерського?

Екологія (від греч. житло, місцеперебування й поняття, навчання) — наука, що вивчає взаємини організмів один з одним і із середовищем їхнього перебування. Уперше термін “екологія” увів в 1866 р. німецький біолог Эрнст Геккель. Екологія - це наука про виживання людства в умовах екологічної кризи, тобто в умовах напруженого стану у взаєминах суспільства з навколишнім середовищем через невідповідність виробничих сил і виробничих відносин суспільства природоресурсному потенціалу біосфери.

Екологічна система - закрита, функціонально єдина сукупність організмів (рослин, тварин і мікроорганізмів), що населяють загальну територію й здатних до тривалого існування при повністю замкнутому круговороті речовин (тобто при відсутності матеріального обміну через її границі). Принцип екологічної системи використовується в організації господарства, наприклад фермерського. Основу такої штучно створюваної екологічної системи становлять рослини, які за рахунок енергії світла в процесі фотосинтезу поглинають двоокис вуглецю й виділяють кисень, тобто здійснюють регенерацію атмосфери. Біомаса рослин використовується в їжу людиною й тваринами, які, у свою чергу, можуть входити в харчовий раціон людини. Невикористана біомаса рослин, продукти життєдіяльності людини й тварин розкладаються мікроорганізмами до води, двоокису вуглецю й мінеральних речовин, які знову використовуються рослинами. Таким чином, у фермерському господарстві виникає замкнута система круговороту речовин, що схожа на функціональну структуру екологічної системи.

Похожие работы

Учення В.І. Вернадського про ноосферу

Скачать

26709

0

0

... — міняє явища життя, геологічні процеси, енергетику планети". Тут не вистачало тільки терміну "ноосфера", контур же самої концепції в цій роботі по історії науки вже цілком обкреслений. Учення В.І. Вернадського про ноосферу вперше зі всією послідовністю і переконливістю розповсюдило на геологію історичний принцип, розкрило становлення нашої планети як процес, що складається з історично наступних ...

Характеристика грунтів господарства

Скачать

74815

13

1

... бонітету, який дорівнює 51 це відповідає V класу бонітету. Отже грунти даного господарства середні за якістю. 7. Розрахунок балансу гумусу в грунтах господарства Під вмістом гумусу в грунті розуміють різницю між статтями набходження і витрат за однаковий проміжок часу. Виділяють три типи балансу гумусу: Бездифіцитний – коли витрати гумусу поповнюються його новоутворенням. Позитивний – ...

Вплив живих організмів на географічну оболонку

Скачать

112837

0

0

... чних елементів з перемінною валентністю (V, Mn, Fe). Четверта – біохімічна. Ця функція пов’язана із ростом, розмноженням и переміщенням живих організмів у просторі. Розмноження призводить до швидкого поширення живих організмів, "розповзанню" їх в різні географічні області. П’ята – біогеохімічна діяльність людини. Вона охоплює все більшу кількість речовини земної кулі для потреб промисловості, ...

Живлення рослин

Скачать

79048

0

0

... . Йому належать відкриття анаеробної фіксації азоту і з'ясування ролі мікроорганізмів ґрунту в перетворенні гумусових речовин. Важливими в теоретичному і практичному відношеннях для мінерального живлення рослин з'явилися роботи основоположника радянської школи агрохімії Д Н. Прянишникова (1865-1948). Він установив, що правильне використання мінеральних добрив є могутнім чинником регулювання фізі ...