Круговорот веществ и энергии

Образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообразном жидком или твердом состоянии которые в последствии становятся составными компонентами для новых циклов круговорота веществ. Из оставшихся 66 большая часть идет на нагревание атмосферы и суши испарение и круговорот воды в экосфере преобразуется в энергию ветров. Круговорот воды гидрологический цикл В результате круговорота воды происходит ее накопление очистка и перераспределение планетарного запаса воды.

2015-01-30

1.24 MB

31 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


Лекция 5

Круговорот веществ и энергии

Круговорот веществ и энергии в природе складывается из нескольких взаимосвязанных процессов:

  1.  Регулярно повторяющийся или непрерывный поток энергии, а также образование и синтез новых соединений.
  2.  Постоянный или периодический перенос и перераспределение энергии, вынос и направленное перемещение синтезированных соединений под влиянием физических, химических и биологических агентов.
  3.  Разложение и деструкция (разрушение) синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных факторов среды.
  4.  Образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообразном, жидком или твердом состоянии, которые в последствии становятся составными компонентами для новых циклов круговорота веществ.

Энергия Солнца

Родоначальником всех известных видов энергии, включая и ядерную, является Солнце. За трое суток Земля получает от Солнца такое количество энергии, какое могло бы освободиться при сжигании всех имеющихся природных запасов угля, газа, нефти и древесины.

Энергия Солнца излучается  в космос в виде спектра ультрафиолетового, видимого (светового) и инфракрасного излучения и других форм лучистой и электромагнитной энергии.

Рис. Поток энергии к земной поверхности и от нее

Около 34% энергии Солнца сразу же отражается назад в космос облаками, пылью и другими веществами находящимися в атмосфере, а также собственно поверхностью Земли. Из оставшихся 66% большая часть идет на нагревание атмосферы и суши, испарение и круговорот воды в экосфере, преобразуется в энергию ветров. И лишь незначительная часть этой энергии (0,023%)улавливается зелеными растениями и используется в процессе фотосинтез для образование органических соединений.

Круговорот воды (гидрологический цикл)

В результате круговорота воды происходит ее накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.

Рис. Упрощенная диаграмма круговорота воды

Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещают воду между океанами, атмосферой, сущей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение (превращение воды в водяной пар), конденсация (превращение водяного пара в капли жидкости), осадки (дождь, изморось, град, снег) и сток воды назад в море для возобновления цикла.

Под воздействие поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек, озер, почв и растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы Земли. Понижение температуры в отдельных частях атмосферы приводит к образованию массы мельчайших капелек воды в виде облаков или тумана. В конце концов капли воды сливаются вместе и становятся на столько тяжелыми, что выпадают на поверхность суши или водоема в виде атмосферных осадков.

В среднем молекула воды находится в воздухе около 10 дней, прежде чем попадает с осадками на землю. Примерно половина всех осадков на планете выпадает в зоне тропических лесов.

Часть пресной воды, выпадающей на землю, замерзает в ледниках. Однако в основном вода стекает в ближайшие озера, руки и ручьи, которые несут ее обратно в океан, тем самым замыкая кольцо круговорота.

Значительная часть воды просачивается глубоко в грунт. Там происходит накопление грунтовых вод в водоносных горизонтах. Однако циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод. Подземные источники и водотоки в итоге возвращаются на поверхность суши и в реки и озера, откуда снова испаряется или стекает в океан.

Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:

  •  забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или вторжению океанической соленой воды в подземные водоносные горизонты.
  •  сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог и жилья. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивается риск наводнений и повышает интенсивность стока, тем самым усиливая эрозию почв.

 

Биогеохимические круговороты

Любые элементы или их соединения необходимы для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения называются питательными веществами. Они включают как органические вещества (сахар и протеины) так и неорганические (вода, углекислый газ, кислород, нитраты, фосфаты, железо, мель).

Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важными для живых организмов. Эти элементы необходимые в больших количествах называются питательными макроэлементами. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, калий. Они составляют 97: массы человеческого тела.

Около 30 других элементов, необходимых для жизни в небольших или незначительных количествах, называют питательными микроэлементами. Это железо, медь, цинк, хлор, йод.

Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что не могут быть напрямую использованы живыми организмами. К счастью, элементы и их соединения, необходимые в качестве питательных веществ, находятся в постоянном круговороте и способны преобразовываться в необходимые для поглощения формы.

Круговорот веществ в биосфере обусловлен совместным действие биологических, геохимических и геофизических факторов.

Биологические циклы  обусловлены жизнедеятельностью организмов: питание, пищевые сети, размножение, рост, передвижение, смерть, разложение, минерализация.

Абиогенные циклы сложились намного раньше биологических; они включают в себя весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических и атмосферных процессов.

Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

К главным циклам можно отнести круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и биогенных катионов.

Круговорот углерода

Рис. Круговорот углерода в биосфере

Углерод является основным «строительным материалом» молекул органических соединений. Большинство наземных растений получают необходимый углерод, поглощая углекислый газ из атмосферы., концентрация которого там составляет 0,04%. Фитопланктон (микроскопические растения, плавающие в водных экосистемах) получают углерод их углекислого газ, растворенного в воде.

В процессе фотосинтеза растения – продуценты превращают углерод углекислого газа в углерод сложных органических соединений, например глюкозы:

углекислый газ + вода + солнечная энергия = глюкоза + кислород

Затем в процессе клеточного дыхания глюкоза и другие сложные органические соединения расщепляются и преобразуют углерод обратно в углекислый газ, для повторного использования продуцентами:

глюкоза + кислород = углекислый газ + вода + энергия

В круговороте углерода, а точнее наиболее подвижное его формы – углекислого газа, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, консументы, редуценты.

Углерод быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Некоторая часть планетарного углерода на длительные периоды «связывается» в форме ископаемых видов топлива – каменного и бурого угля, нефти, природного газа, торфа, сланцев – процесс образования которых в литосфере длился миллионы лет. В таком виде углерод остается «связанным» до тех пор пока не будет снова введен в атмосферу в форме углекислого газа, что происходит при добыче и сжигании минерального топлива.

Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, в результате быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:

  •  Сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать углекислый газ.
  •  Сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу, постепенное возрастание содержания которого, вызывает так называемый «парниковый эффект».

Круговорот азота

Рис. Круговорот азота в биосфере

Круговорот азота охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом (N03- и NH4). И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а точнее почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Правда, часть его окисляется в воздухе — во время грозовых разрядов — и поступает в почву с дождевой водой, но таким способом его фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

  •  при сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образуется диоксид азота (NO2),который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO3). Эта кислота становится компонентом кислотных осадков.
  •  использование удобрений приводит к выделению в атмосферу «парникового газа» закиси азота (N2O)
  •  увеличение количества нитратов и ионов аммония в водных экосистемах при смыве с удобрений с полей. Избыток питательных веществ приводит к быстрому росту водорослей, при разложении которых расходуется растворенный кислород, что приводит к массовым морам рыб.

Круговорот фосфора

Рис. Круговорот фосфора в биосфере

Фосфор, главным образом в виде фосфат-ионов (РО3- и НРО42-), является важным питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организмов химическая энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов. Общий круговорот фосфора можно разделить на две части — водную и наземную

Фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и затем обратно. Фосфор, высвобождаемый при медленном разрушении (или выветривании) фосфатных руд, растворяется почвенной влагой и поглощается корнями растений.

Животные получают необходимый им фосфор, поедая растения или других растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в виде экскрементов животных и продуктов разложения мертвых животных и растений возвращается в почву, в реки и в конце концов на дно океана в виде нерастворимых фосфатных осадочных пород.

Часть фосфора возвращается на поверхность суши в виде гуано — обогащенной фосфором органической массы экскрементов питающихся рыбой птиц (пеликанов, олушей, бакланов и т. п.). Однако несравнимо большее количество фосфатов ежегодно смывается с поверхности суши в океан в результате природных процессов и антропогенной деятельности. Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:

  •  добыча больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств;
  •  увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков. Избыток этих элементов способствует «взрывному» росту сине-зеленых водорослей и других водных растений, что нарушает жизненное равновесие в водных экосистемах.

6



 

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.
384. Биоэнергетика. Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики 206.82 KB
  Тема: Биоэнергетика Вопросы: Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики. Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики.
6645. Обмен веществ и энергии (метаболизм) 39.88 KB
  Поступление веществ в клетку. Благодаря содержанию растворов солей сахаров и других осмотически активных веществ клетки характеризуются наличием в них определенного осмотического давления. Разность концентрации веществ внутри и снаружи клетки называют градиентом концентрации.
6289. ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ 14.42 KB
  Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии. Понятие об обмене веществ в организме животных и человека.
3469. КРУГОВОРОТ ВОДЫ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД 10.91 MB
  Без воды жизнь существовать не может. На земле её очень много, около 70% поверхности покрыто морями и океанами, но это вода – солёная. Все основные наземные экосистемы, включая и человеческую, зависят от наличия пресной воды, содержащей менее 0,01% солей
7649. АНАЛИЗ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ 37.99 KB
  В этом примере электропотребление измеряется стационарным либо временно установленным счётчиком в то время как количество отводимого тепла в градирне водяного охлаждения вычисляется путём измерения температур охлаждающей воды в подающем и обратном трубопроводах и пересчётом разницы температур в коэффициент энергопотока. Данное вычисление осуществляется умножением теплоёмкости воды на скорость потока который определяется либо путём измерения разницы давления в насосе либо путём использования накладного расходомера. Если температура...
15750. Преобразование энергии в клетке. 4.68 MB
  Животные используют химическую энергию выделяющуюся при окислении органических веществ синтезированных растениями Рис. В биологических процессах проходящих при постоянных температурах и давлениях с незначительным изменением объема если не выделяются газы: где F - свободная энергии Гельмгольца: F =U – TS . Молекула отдавшая электрон оказывается в окисленном состоянии а принявшая электрон – в восстановленном. Соответственно процесс отдачи электрона называют окислением а принятия - восстановлением данного вещества.
18049. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии 883.75 KB
  Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики основанное на непосредственном использовании излучения Солнца с целью получения электрической энергии. Получение электрической энергии при помощи энергии Солнца позволяет доставить электричество в самые удаленные и труднодоступные участки планеты. Из-за поглощения при прохождении атмосферной массы Земли максимальный поток солнечного излучения...
3875. Исследование передачи электрической энергии на постоянном токе 13.69 KB
  Краткое содержание работы Лабораторная работа нацелена на изучение закономерностей передачи электрической энергии на постоянном токе от источника в нагрузку например через некоторою промежуточную цепь линию. Эти закономерности являются первой ступенью изучения передачи энергии от источника в нагрузку в самом общем случае например на переменном токе при передаче энергии в нагрузку через распределенную цепь. При подготовке к работе необходимо ознакомиться с методическими указаниями рабочим заданием изучить учебную литературу и ответить...
12318. Потенциал нетрадиционных источников энергии в системах теплоснабжени 50.83 KB
  Принципиальные схемы солнечного горячего водоснабжения . Солнечных водонагревательных коллекторов систем солнечного горячего водоснабжения . Теплопроизводительность плоских солнечных водонагревательных коллекторов в одно – и двухконтурной стемах солнечного горячего водоснабжения...
17563. Совершенствование ценовой стратегии Веллнесс-центра “Формула Энергии” 455.63 KB
  Описание деятельности веллнесс-центра “Формула Энергии”, её места на рынке, рассмотрена специфика ценообразования, применяемого на рынке фитнес-услуг, будет проанализирована ценовая стратегия компании. На основании вышеизложенного будут выдвинуты гипотезы, требующие проверки
© "REFLEADER" http://refleader.ru/
Все права на сайт и размещенные работы
защищены законом об авторском праве.