Великий геологічний кругообіг речовини. Великий (геологічний) та малий (біогеохімічні) кругообіг речовин

Геологічний кругообігречовин має найбільшу швидкість у горизонтальному напрямку між сушею та морем. Сенс великого кругообігу в тому, що гірські породи зазнають руйнування, вивітрювання, а продукти вивітрювання, у тому числі розчинні у воді поживні речовини, зносяться потоками води в Світовий океан з утворенням морських напластувань і повертаються на сушу лише частково, наприклад, з опадами або витягнутими людиною з води організмами. Далі протягом тривалого тимчасового відрізка протікають повільні геотектонічні зміни - рух материків, підняття та опускання морського дна, вулканічні виверження і т.д., в результаті яких напластування, що утворилися, повертаються на сушу і процес починається знову.

Великий геологічний кругообіг речовини. Під впливом денудаційних процесів відбувається руйнація гірських порід і осадонакопичення. Утворюються осадові породи. У областях стійкого занурення (зазвичай це океанічне дно) речовина географічної оболонки входить у глибокі верстви Землі. Далі під впливом температури і тиску йдуть метаморфічні процеси, у яких утворюються гірські породи, речовина просувається ближче до центру Землі. У надрах Землі за умов дуже високих температур відбувається магматизм: породи плавляться, піднімаються як магми по розломам до земної поверхні і виливаються поверхню при виверженнях. Таким чином, здійснюється кругообіг речовини. Геологічний кругообіг ускладнюється, якщо враховувати обмін речовиною з космічним простором. Великий геологічний кругообіг не є замкнутим у тому сенсі, що якась частка речовини, що потрапила в надра Землі, зовсім не обов'язково вийде на поверхню, і навпаки, частка, що піднімається при виверженні, могла ніколи раніше не знаходитися на земній поверхні

Основні джерела енергії природних процесів Землі

Випромінювання Сонця - основне джерело енергії Землі. Його потужність характеризується сонячною постійною кількістю енергії, що проходить через майданчик одиничної площі, перпендикулярну сонячним променям. На відстані одну астрономічну одиницю (тобто орбіті Землі) ця постійна дорівнює приблизно 1370 Вт/м².

Живі організми використовують енергію Сонця (фотосинтез) та енергію хімічних зв'язків (хемосинтез). Ця енергія може використовуватись у різних природних та штучних процесах. Третина всієї енергії відбивається атмосферою, 0,02 % використовується рослинами для фотосинтезу, а решта підтримки багатьох природних процесів – обігрів землі, океану, атмосфери рух пов. мас. Пряме нагрівання сонячним промінням або перетворення енергії за допомогою фотоелементів може бути використане для виробництва електроенергії (сонячними електростанціями) або виконання іншої корисної роботи. Шляхом фотосинтезу було у минулому отримано і енергія, запасена у нафти та інших видах викопного палива.

Це величезна енергія веде до загального потепління, тому що після того, як пройшла через природні процеси, випромінюється назад і атмосфера не дає їй піти назад.

2. Внутрішня енергія Землі; прояв - вулкани, гарячі джерела

18. Перетворення енергії біотичного та абіотичного походження

У функціонуючій природній екосистемі немає відходів.Всі організми, живі або мертві, потенційно є їжею для інших організмів: гусениця їсть листя, дрізд живиться гусеницями, яструб здатний з'їсти дрозда. Коли рослини, гусениця, дрізд та яструб гинуть, вони у свою чергу переробляються редуцентами.

Всі організми, що користуються одним типом їжі, належать до одного трофічного рівня.

Організми природних екосистем залучені до складної мережі багатьох пов'язаних між собою харчових ланцюгів. Така мережа називається харчової мережі.

Піраміди енергетичних потоків:З кожним переходом з одного трофічного рівня в інший в межах харчового ланцюга або мережі відбувається робота і в навколишнє середовище виділяється теплова енергія, а кількість енергії високої якості, яку використовують організми наступного трофічного рівня, знижується.

Правило 10%:при переході з одного трофічного рівня в інший 90% енергії втрачається, і 10% передається наступного рівня.

Чим довше харчовий ланцюг, тим більше губиться корисної енергії. Тому довжина харчового ланцюга зазвичай не перевищує 4 – 5 ланок.

Енергетика ландшафтної сфери Землі:

1) сонячна енергія: теплова, промениста

2) потік теплової енергії з надр Землі

3) енергія припливних течій

4) тектонічна енергія

5) асиміляція енергії при фотосинтезі

Кругообіг води в природі

Кругообіг води у природі – процес циклічного переміщення води у земній біосфері. Складається з випаровування, конденсації та опадів (атмосферні опади частково випаровуються, частково утворюють тимчасові та постійні водостоки та водоймища, частково – просочуються в землю та утворюють підземні води), а також процеси дегазації мантії: з мантії безперервно надходить вода. вода виявлена навіть на величезній глибині.

Моря втрачають через випаровування більше води, ніж одержують із опадами, на суші - положення зворотне. Вода безперервно циркулює на земній кулі, причому її загальна кількість залишається постійним.

75% поверхні Землі вкриті водою. Водна оболонка Землі – гідросфера. Більшу її частину становить солона вода морів та океанів, а меншу - прісна вода озер, річок, льодовиків, ґрунтові води та водяна пара.

На землі вода існує у трьох агрегатних станах: рідкому, твердому та газоподібному. Без води неможливе існування живих організмів. У будь-якому організмі вода є середовищем, у якому відбуваються хімічні реакції, без яких не можуть жити живі організми. Вода є найціннішим і найнеобхіднішим речовиною для життєдіяльності живих організмів.

Розрізняють кілька видів кругообігів води в природі:

Великий, або світовий, кругообіг - водяна пара, що утворилася над поверхнею океанів, переноситься вітрами на материки, випадає там у вигляді атмосферних опадів і повертається в океан у вигляді стоку. У цьому процесі змінюється якість води: при випаровуванні солона морська вода перетворюється на прісну, а забруднена - очищається.

Малий, або океанічний, кругообіг - водяна пара, що утворилася над поверхнею океану, сконденсується і випадає у вигляді опадів знову в океан.

Внутрішньоконтинентальний кругообіг - вода, яка випарувалася над поверхнею суші, знову випадають на сушу у вигляді атмосферних опадів.

Зрештою, опади в процесі руху знову досягають Світового океану.

Швидкість перенесення різних видів води змінюється у межах, і періоди витрат, і періоди оновлення води також різні. Вони змінюються від кількох годин до кількох десятків тисячоліть. Атмосферна волога, що утворюється при випаровуванні води з океанів, морів та суші та існує у вигляді хмар, оновлюється в середньому через вісім днів.

Води, що входять до складу живих організмів, відновлюються протягом кількох годин. Це найактивніша форма водообміну. Період оновлення запасів води в гірських льодовиках становить близько 1600 років, у льодовиках полярних країн значно більше - близько 9700 років.

Повне оновлення вод Світового океану відбувається приблизно через 2700 років.

Ефекти взаємодії сонячного випромінювання, що рухається і обертається землі.

У цьому питанні слід розглянути сезонну мінливість: зима/літо. Розписати, що через обертання та рух Землі, сонячне випромінювання надходить нерівномірно, а значить, кліматичні умови змінюються з широтою.

Земля нахилена до площини екліптики 235 градуса.

Промені проходять під різними кутами. Радіаційний баланс. Важливо не тільки, скільки отримує, а й скільки втрачає, і скільки залишається з урахуванням альбедо.

Центри дії атмосфери

Великі області високого або низького тиску, пов'язані із загальною циркуляцією атмосфери – центри дії атмосфери. Вони визначають панівне напрям вітрів і є осередками формування географічних типів повітряних мас. На синоптичних картах вони виражаються замкнутими лініями – ізобарами.

Причини: 1) неоднорідність Землі;

2) відмінність фіз. властивостей суші та води (теплоємність)

3) відмінність у альбедо поверхонь (R/Q): вода – 6%, екв. ліси – 10-12%, шир.ліси – 18%, луг – 22-23%, сніг – 92%;

4) F Коріоліса

Це спричиняє ОЦА.

Центри дії атмосфери:

● перманентні– у них високий або низький тиск існує цілий рік:

1. екваторіальна смуга зниж. тиску, вісь якої дещо мігрує від екватора слідом за Сонцем у бік літньої півкулі - Екваторіальна депресія (причини: велика кількість Q та океани);

2. по одній субтропічній смузі підвищення. тиску в Півн. та Пд. півкулі; кілька мігрують влітку у вищі субтропіч. широти, взимку - у нижчі; розпадаються на ряд океаніч. антициклонів: у Пн. півкулі - Азорський антициклон (особливо влітку) н Гавайський; в Південно-Південно-Індійський, Південно-Тихоокеанський та Південно-Атлантичний;

3. області пониж. тиску над океанами у високих широтах помірних поясів: у Пн. півкулі - Ісландський (особливо взимку) і Алеутський мінімуми, в Південно-суцільна кільце зниженого тиску, що оточує Антарктиду (50 0 пд.ш.);

4. області підвищення. тиску над Арктикою (особливо взимку) та Антарктидою – антициклони;

● сезонні- Простежуються як області високого або низького тиску протягом одного сезону, змінюючись в інший сезон на центр дій атмосфери протилежного знака. Їх існування пов'язане з різкою зміною протягом року температури поверхні суші по відношенню до температури поверхні океанів; літній перегрів суші створює сприятливі умови на формування тут областей пониж. тиску, зимове переохолодження - для областей підвищення. тиску. Все в. півкулі до зимових областей підвищ. тиску відносяться Азіатський (Сибірський) з центром у Монголії та Канадський максимуми, в Південно-Австралійський, Південно-Американський та Південно-Африканський максимуми. Літні області пониж. тиску: в Пн. півкулі - Південно-Азіатський (або Передньоазіатський) та Північно-Американський мінімуми, на Пд. - Австралійський, Південно-Американський та Південно-Африканський мінімуми).

Центрам впливу атмосфери властивий певний тип погоди. Тому повітря тут порівняно швидко набуває властивостей підстилаючої поверхні - жарке і вологе в Екваторіальній депресії, холодне і сухе в Монгольському антициклоні, прохолодне і вологе в Ісландському мінімумі і т.д.

Планетарний теплообмін та його причини

Основні риси планетарного теплообміну. Сонячна енергія, що поглинається поверхнею земної кулі, витрачається потім на випаровування та перенесення тепла турбулентними потоками. На випаровування йде у середньому по планеті близько 80%, але в турбулентний теплообмін - інші 20% від загального тепла.

Процеси теплообміну та зміни з географічною широтою його складових в океані та на суші відрізняються великою своєрідністю. Все тепло, що поглинається сушею навесні та влітку, повністю втрачається восени та взимку; при збалансованому річному бюджеті тепла він, отже, повсюдно виявляється рівним нулю.

У Світовому океані завдяки великій теплоємності води та її рухливості у низьких широтах відбувається накопичення тепла, звідки воно переноситься течією у високі широти, де його витрачання перевищує надходження. Таким чином, покривається дефіцит, що створюється в теплообміні води з повітрям.

В екваторіальній зоні Світового океану при великій величині сонячної радіації, що поглинається, і зниженому витрачанні енергії річний бюджет тепла має максимальні позитивні значення. З віддаленням від екватора позитивний річний бюджет тепла зменшується через збільшення витратних складових теплообміну, переважно випаровування. З переходом від тропіків до помірних широт бюджет тепла стає негативним.

У межах суші все тепло, що отримується у весняно-літній час, витрачається в осінньо-зимовий період. У водах Світового океану за довгу історію Землі накопичилося величезна кількість тепла рівну 7,6 * 10 ^ 21 ккал. Акумуляція такої великої маси пояснюється високою теплоємністю води та її інтенсивним перемішуванням, у процесі якого відбувається досить складний перерозподіл тепла у товщі океаносфери. Теплоємність усієї атмосфери в 4 рази менша, ніж у десятиметрового шару вод Світового океану.

Незважаючи на те, що питома вага сонячної енергії, що йде на турбулентний теплообмін між поверхнею Землі та повітрям, порівняно невелика, вона є основним джерелом нагрівання приповерхневої частини атмосфери. Інтенсивність цього теплообміну залежить від різниці температур між повітрям і поверхнею, що підстилає (водою або сушею). У низьких широтах планети (від екватора приблизно до сорокових широт обох півкуль) повітря нагрівається головним чином від суші, нездатної акумулювати сонячну енергію і віддає все атмосфері, що отримується тепло. За рахунок турбулентного теплообміну повітряна оболонка отримує від 20 до 40 ккал/см2 на рік, а в областях з малим зволоженням (Сахара, Аравія та ін) - навіть більше 60 ккал/см2. Води ж у цих широтах накопичують тепло, віддаючи повітря в процесі турбулентного теплообміну лише 5-10 ккал/см2 на рік і менше. Тільки в окремих районах (обмеженій площі) вода в середньому за рік виявляється холоднішою і тому одержує тепло від повітря (в екваторіальній зоні, на північному заході Індійського океану, а також біля західного узбережжя Африки та Південної Америки).

Сонячна енергія на Землі викликає два круговороти речовин: великий (геологічний), що найбільш яскраво виявляється в кругообігу води та циркуляції атмосфери, і малий, біологічний(Біотичний), що розвивається на основі великого і полягає в безперервному, циклічному, але нерівномірному в часі та просторі, і супроводжується більш-менш значними втратами закономірного перерозподілу речовини, енергії та інформації в межах екологічних систем різного рівня організації. Обидва круговороти взаємно пов'язані і представляють єдиний процес.

Триває мільйони років. Гірські породи руйнуються, вивітрюються і потоками вод зносяться Світовий океан, де утворюють потужні морські напластування. Частина хімічних сполук розчиняється у воді чи споживається біоценозом. Великі повільні геоктонічні зміни, процеси, пов'язані з опусканням материків та підняттям морського дна, переміщення морів та океанів протягом тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу і починається знову.

Біологічний кругообіг, будучи частиною великого, відбувається лише на рівні біогеоценозу у тому, що поживні речовини грунту, води, повітря акумулюються у рослинах, витрачаються створення їхньої маси і життєві процеси у яких. Продукти розпаду органічної речовини під впливом бактерій знову розкладаються до мінеральних компонентів, доступних рослин, і залучаються ними потік речовини.

Взаємодія абіотичних факторів і живих організмів екосистеми супроводжується безперервним кругообігом речовини між біотопом і біоценозом у вигляді органічних, то мінеральних сполук, що чергуються. Обмін хімічних елементів між живими організмами та неорганічним середовищем, різні стадії якого відбуваються всередині екосистеми, називають біогеохімічним кругообігом, або біогеохімічним циклом

Існування подібних кругообігів створює можливість для саморегуляції (гомеостазу) системи, що надає екосистемі стійкість: дивовижна сталість відсоткового змісту різних елементів.

Основні біохімічні круговороти .

Кругообіг води

Близько третини енергії Сонця, що надходить на Землю, витрачається на приведення в рух кругообігу води. Море втрачає через випар води більше, ніж отримує з опадами. На суші ситуація протилежна. Тобто значна частина опадів, що підтримують екосистеми суші, приходить до нас із моря.

Однак чималий внесок у кругообіг води вносить і рослинність даної конкретної місцевості, особливо в областях, що знаходяться в глибині континенту, або «екранованих» від моря грядою гір. Справа в тому, що вода, що надходить у рослини з ґрунту, майже повністю (97-99%) випаровується через листя. Це називається транспірацією. Випаровування охолоджує листя та сприяє руху в рослинах біогенних елементів.

Кругообіг вуглецю

Вуглець є одним із найнеобхідніших для життя компонентів. До складу органічної речовини він включається у процесі фотосинтезу. Потім основна його маса надходить у харчові ланцюги тварин і накопичується в їхніх тілах у вигляді різного роду вуглеводів.

Головну роль кругообігу вуглецю грає атмосферний і гідросферний фонди вуглекислого газу СО2. Цей фонд поповнюється при диханні рослин та тварин, а також при розкладанні мертвої органіки. Деяка частина вуглецю вислизає з кругообігу в поховання. Однак людина останнім часом досить успішно розробляє ці поховання, повертаючи в кругообіг життя вуглець та інші важливі для життя елементи, накопичені за мільйони років. Фотосинтезуючий зелений пояс та карбонатна система моря підтримують постійний рівень СО2 в атмосфері.

Кругообіг азоту

Азот входить до складу амінокислот, що є основним будівельним матеріалом для білків. Основним джерелом азоту є атмосфера, звідки в ґрунт, а потім у рослини азот потрапляє лише у формі нітратів, які є результатом діяльності організмів-азотіксіксаторів (окремі види бактерій, синьо-зелених водоростей та грибів).

Друге джерело азоту для рослин – результат розкладання органіки, зокрема білків. При цьому, на початку утворюється аміак, який перетворюється бактеріями-нітрифікаторами на нітрати та нітрити.

Повернення азоту в атмосферу відбувається в результаті діяльності бактерій-денітрифікаторів, що розкладають нітрати до вільного азоту та кисню.

Кругообіг фосфору

Фосфор є необхідним компонентом нуклеїнових кислот (РНК та ДНК), що виконують у біосистемах функції, пов'язані із записом, зберіганням та читанням інформації про будову організму. Фосфор – досить рідкісний елемент. Фосфор зустрічається лише в небагатьох хімічних сполуках. Він циркулює, переходячи з органіки в фосфати, які потім можуть використовуватися рослинами. Особливість кругообігу фосфору в тому, що в ньому відсутня газоподібна фаза. Тобто основним резервуаром фосфору є не атмосфера, а гірські породи та інші відкладення, що утворилися минулими епохами. Ці породи піддаються ерозії, вивільняючи фосфати в екосистеми. Після неодноразового споживання його організмами суші та моря фосфор зрештою виводиться у донні опади. Це загрожує дефіцитом фосфору. У минулому морські птахи, мабуть, повертали фосфор у кругообіг. Зараз основним постачальником фосфору є людина, яка виловлює велику кількість морської риби, а також переробляє донні відкладення у фосфати.

Кругообіг сірки

Сірка є елементом, необхідним синтезу багатьох білків. Для біосистем потрібно дуже мало сірки.

Кругообіг сірки здійснюється через повітря, воду та ґрунт. Сульфат SO4 аналогічно нітрату та фосфату - основна доступна форма сірки, яка відновлюється рослинами та включається до білків. Потім вона проходить харчовими ланцюгами екосистем і повертається в кругообіг з екскрементами тварин. Основними джерелами надходження сполук сірки в біосферу є виробнича діяльність людини (спалювання вугілля та сірковмісних вуглеводнів), вулкани, розкладання органіки та розпад сірковмісних руд та мінералів.

Шляхи повернення елементів у кругообіг :

через мікробне розкладання;
через екскременти тварин;
прямою передачею від рослини до рослини в симбіозі;
фізичними процесами (блискавка, іонізація тощо);
за рахунок енергії палива (наприклад, при промисловій фіксації азоту);
автоліз (саморозчинення) – вивільнення поживних речовин із залишків рослин та екскрементів без участі мікроорганізмів.

Якщо не руйнувати природні механізми рециркуляції і не отруювати їх, то вони в основному мимоволі реалізують повернення у кругообіг води та елементів живлення. На жаль, людина так прискорює рух багатьох речовин, що круговороти стають недосконалими або процес втрачає циклічність: в одних місцях виникає нестача, а в інших – надлишок якихось речовин.

У біосфері відбувається глобальний (великий, або геологічний) кругообіг речовин, який існував і до появи перших живих організмів. До нього залучені найрізноманітніші хімічні елементи. Геологічний кругообіг здійснюється завдяки сонячній, гравітаційній, тектонічній та космічній видах енергії.

З появою живої речовини на основі геологічного круговороту виник кругообіг органічної речовини - малий (біотичний, або біологічний) кругообіг.

Біотичний кругообіг речовин – безперервний, циклічний, нерівномірний у часі та просторі процес переміщення та перетворення речовин, що відбувається за безпосередньою участю живих організмів. Він є безперервним процесом створення і руйнування органічної речовини і реалізується за участю всіх трьох груп організмів: продуцентів, консументів і редуцентів. До біотичних круговоротів залучено близько 40 біогенних елементів. Найбільше значення для живих організмів мають кругообіги вуглецю, водню, кисню, азоту, фосфору, сірки, заліза, калію, кальцію та магнію.

З розвитком живої матерії з геологічного круговороту постійно витягується дедалі більше елементів, які входять у новий, біологічний кругообіг. Загальна маса зольних речовин, що щорічно залучається до біотичного кругообігу речовин тільки на суші, становить близько 8 млрд. тонн. Це у кілька разів перевищує масу продуктів виверження всіх вулканів світу протягом року. Швидкість круговороту речовини у біосфері різна. Жива речовина біосфери оновлюється загалом за 8 років, маса фітопланктону в океані оновлюється щодня. Весь кисень біосфери проходить через живу речовину за 2000 років, а вуглекислий газ – за 300 років.

У екосистемах здійснюються локальні біотичні круговороти, а біосфері – біогеохімічні цикли міграції атомів, які пов'язують усі три зовнішні оболонки планети на єдине ціле, а й обумовлюють безперервну еволюцію її складу.

АТМОСФЕРА ГІДРОСФЕРА

 ¯ ¯

ЖИВА РЕЧОВИНА

ГРУНТ

Еволюція біосфери

Біосфера виникла із зародженням перших живих організмів приблизно 3,5 млрд років тому. У розвитку життя вона змінювалася. Етапи еволюції біосфери можна назвати з урахуванням характеристики типу екосистем.

1. Виникнення та розвиток життя у воді. Етап пов'язаний із існуванням водних екосистем. Кисень у атмосфері був відсутній.

2. Вихід живих організмів на сушу, освоєння наземно-повітряного середовища та ґрунту та поява наземних екосистем. Це стало можливим завдяки появі кисню в атмосфері та озонового екрану. Сталося 2,5 млрд років тому.

3. Поява людини, перетворення її на біосоціальну істоту та виникнення антропоекосистем відбулося 1 млн. років тому.

4. Перехід біосфери під впливом розумної діяльності в новий якісний стан – в ноосферу.

Ноосфера

Вищим етапом розвитку біосфери є ноосфера - етап розумного регулювання взаємовідносин між людиною та природою. Цей термін запровадив у 1927 році французький філософ Е. Леруа. Він вважав, що ноосфера включає людське суспільство з його індустрією, мовою та іншими атрибутами розумної діяльності. У 30-40-х роках. ХХ ст. В.І. Вернадський розвинув матеріалістичні уявлення про ноосферу. Він вважав, що ноосфера виникає в результаті взаємодії біосфери та суспільства, керується за рахунок тісного взаємозв'язку законів природи, мислення та соціально-економічних законів суспільства, і наголошував, що

ноосфера (сфера розуму) – стадія розвитку біосфери, коли розумна діяльність людей стане основним, визначальним чинником її сталого розвитку.

Ноосфера - нова, вища стадія біосфери, пов'язана з виникненням і розвитком в ній людства, яке, пізнаючи закони природи і вдосконалюючи техніку, стає найбільшою силою, порівнянною за масштабами з геологічними, і починає впливати на хід процесів на Землі, глибоко змінюючи її своєю працею. Становлення та розвиток людства виявилося у виникненні нових форм обміну речовиною та енергією між суспільством і природою, у зростаючому впливі людини на біосферу. Ноосфера настане тоді, коли людство з допомогою науки зможе осмислено керувати природними та соціальними процесами. Тому не можна ноосферу вважати особливою оболонкою Землі.

Науку управління взаємовідносинами між людським суспільством та природою називають ноогенікою.

Основна мета ноогеніки – планування сьогодення заради майбутнього, та її головні завдання – виправлення порушень у відносинах людини і природи, викликаних прогресом техніки, свідоме управління еволюцією біосфери. Повинно сформуватися планове, науково обґрунтоване використання природних ресурсів, що передбачає відновлення у кругообігу речовин того, що порушила людина, на противагу стихійному, хижацькому ставленню до природи, що призводить до погіршення навколишнього середовища. Для цього необхідний сталий розвиток суспільства, який задовольняє потреби сьогодення і не ставить під загрозу здатність майбутніх поколінь задовольняти свої потреби.

В даний час на планеті сформувалася біотехносфера – частина біосфери, докорінно перетворена людиною в інженерно-технічні споруди: міста, заводи та фабрики, кар'єри та шахти, дороги, греблі та водосховища тощо.

БІОСФЕРА І ЛЮДИНА

Біосфера для людини є і довкіллям, і джерелом природних ресурсів.

Природні ресурси – природні об'єкти та явища, які людина використовує у процесі праці. Вони забезпечують людині їжу, одяг, житло. За ступенем виснаження вони поділяються на вичерпні та невичерпні . Вичерпні ресурси поділяються на відновлювані і невідновні . До невідновних відносять ті ресурси, які не відроджуються (або відновлюються в сотні разів повільніше, ніж витрачаються): нафта, кам'яне вугілля, металеві руди та більшість корисних копалин. Відновні природні ресурси – ґрунт, рослинний та тваринний світ, мінеральна сировина (кухонна сіль). Ці ресурси постійно відновлюються з різною швидкістю: тварини – кілька років, ліси – 60-80 років, ґрунти, що втратили родючість – протягом кількох тисячоліть. Перевищення темпів витрачання над швидкістю відтворення веде до повного зникнення ресурсу.

Невичерпні ресурси включають водні, кліматичні (атмосферне повітря та енергія вітру) та космічні: сонячна радіація, енергія морських припливів та відливів. Однак зростання забруднення навколишнього середовища вимагає здійснення природоохоронних заходів для збереження цих ресурсів.

Задоволення людських потреб неможливо без експлуатації природних ресурсів.

Усі види діяльності у біосфері можна поєднати у чотири форми.

1. Зміна структури земної поверхні(орання земель, осушення водойм, вирубування лісів, будівництво каналів). Людство стає потужною геологічною силою. Людина використовує 75% суші, 15% річкових вод, щохвилини вирубується 20 га лісів.

· Геолого-геоморфологічні зміни – інтенсифікація процесів утворення ярів, поява та почастішання селів та зсувів.

· Комплексні (ландшафтні) зміни – порушення цілісності та природної структури ландшафтів, унікальності пам'яток природи, втрата продуктивних земель, опустелювання.

Біосфера Землі характеризується певним чином сформованим кругообігом речовин і потоком енергії. Кругообіг речовин - багаторазова участь речовин у процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері та літосфері, у тому числі в тих шарах, що входять до складу біосфери Землі. Кругообіг речовина здійснюється при безперервному надходженні зовнішньої енергії Сонця та внутрішньої енергії Землі.

Залежно від рушійної сили, всередині круговороту речовин можна виділити геологічний (великий кругообіг), біологічний (біогеохімічний, малий кругообіг) та антропогенний кругообіг.

Геологічний кругообіг (великий кругообіг речовин у біосфері)

Цей кругообіг здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими горизонтами Землі. Рушійною силою цього процесу є екзогенні та ендогенні геологічні процеси. Ендогенні процеси відбуваються під впливом внутрішньої енергії Землі. Це енергія, що виділяється в результаті радіоактивного розпаду, хімічних реакцій утворення мінералів та ін. До ендогенних процесів відносять, наприклад, тектонічні рухи, землетруси. Ці процеси ведуть до утворення великих форм рельєфу (материки, океанічні западини, гори та рівнини). Екзогенні процеси протікають під впливом зовнішньої енергії Сонця. До них належать геологічна діяльність атмосфери, гідросфери, живих організмів та людини. Ці процеси ведуть до згладжування великих форм рельєфу (річкові долини, пагорби, яри та ін.).

Триває геологічний кругообіг мільйони років і полягає в тому, що гірські породи зазнають руйнування, а продукти вивітрювання (у тому числі розчинні у воді поживні речовини) зносяться потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу з опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків та підняття морського дна, переміщення морів та океанів протягом тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу та процес починається знову. Символом цього круговороту речовин є спіраль, а чи не коло, т.к. новий цикл круговороту не повторює точно старий, а вносить щось нове.

До великого кругообігу відноситься кругообіг води (гідрологічний цикл) між сушею і океаном через атмосферу (рис. 3.2).

Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання їх у біогеохімічному циклі, весь запас води Землі розпадається і відновлюється на 2 млн. років.

Мал. 3. 2. Кругообіг води у біосфері.

У гідрологічному циклі всі частини гідросфери пов'язані між собою. У ньому щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води. Рушійною силою цього процесу є сонячна енергія. Молекули води під впливом сонячної енергії нагріваються і піднімаються як газу атмосферу (щодобово випаровується – 875 км3 прісної води). У міру підняття вони поступово охолоджуються, конденсуються та утворюють хмари. Після достатнього охолодження хмари звільняють воду у вигляді різних опадів, що падають у океан. Вода, що потрапила на землю, може йти двома різними шляхами: або вбиратися в ґрунт (інфільтрація), або стікати по ньому (поверхневий стік). По поверхні вода стікає в струмки та річки, що прямують до океану або інші місця, де відбувається випаровування. Вода, що ввібралася в грунт, може утримуватися в її верхніх шарах (горизонтах) і повертатися в атмосферу шляхом транспірації. Така вода називається капілярною. Вода, яка захоплюється силою тяжкості і просочується вниз по порах та тріщинах називається гравітаційною. Просочується гравітаційна вода до непроникного шару гірської породи або щільної глини, заповнюючи всі порожнечі. Такі запаси називаються грунтовими водами, які верхня межа – рівнем грунтових вод. Підземні шари породи, якими повільно течуть грунтові води називаються водоносними горизонтами. Під дією сили тяжіння ґрунтові води рухаються водоносним шаром до тих пір, поки не знайдуть «вихід» (наприклад, утворюючи природні джерела, які живлять озера, річки, ставки, тобто стають частиною поверхневих вод). Таким чином, кругообіг води включає три основні «петлі»: поверхневого стоку, випаровування-транспірації, ґрунтових вод. У кругообігу води Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води і грає основну роль формуванні природних умов.

Біологічний (біогеохімічний) кругообіг

(малий кругообіг речовин у біосфері)

Рушійною силою біологічного кругообігу речовин є діяльність живих організмів. Він є частиною великого і відбувається у межах біосфери лише на рівні екосистем. Складається малий кругообіг у тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин (автотрофи), витрачаються на побудову тіл та життєві процеси, як рослин, так і інших організмів (як правило, тварин – гетеротрофів), які поїдають ці рослини. Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черв'яки) знову розкладаються до мінеральних компонентів. Ці неорганічні речовини можуть бути використані для синтезу автотрофами органічних речовин.

У біогеохімічних кругообігах розрізняють резервний фонд (речовини, які пов'язані з живими організмами) і обмінний фонд (речовини, пов'язані прямим обміном між організмами та його безпосереднім оточенням).

Залежно від розташування резервного фонду біогеохімічні кругообіги ділять на два типи:

Кругообіги газового типу з резервним фондом речовин в атмосфері та гідросфері (кругообіги вуглецю, кисню, азоту).

Кругообіги осадового типу з резервним фондом у земній корі (кругообіги фосфору, кальцію, заліза та ін.).

Кругообіги газового типу, володіючи великим обмінним фондом, є досконалішими. І, крім того, вони здатні швидко саморегулюватися. Кругообіги осадового типу менш досконалі, вони більш інертні, тому що основна маса речовини міститься в резервному фонді земної кори в недоступному живим організмам вигляді. Такі кругообіги легко порушуються від різного роду впливів, і частина матеріалу, що обмінюється, виходить з круговороту. Повернутися знову до кругообігу вона може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною.

Інтенсивність біологічного круговороту визначається температурою навколишнього середовища та кількістю води. Наприклад, біологічний кругообіг інтенсивніше протікає у вологих тропічних лісах, ніж у тундрі.

Кругообіги основних біогенних речовин та елементів

Кругообіг вуглецю

Все земне життя засноване на вуглеці. Кожна молекула живого організму побудована з урахуванням вуглецевого скелета. Атоми вуглецю постійно мігрують із однієї частини біосфери до іншої (рис. 3. 3.).

Мал. 3. 3. Кругообіг вуглецю.

Основні запаси вуглецю Землі перебувають у вигляді що міститься у атмосфері і розчиненого в Світовому океані діоксиду вуглецю (CO2). Рослини поглинають молекули вуглекислого газу, у процесі фотосинтезу. В результаті атом вуглецю перетворюється на різноманітні органічні сполуки і таким чином включається до структури рослин. Далі можливо кілька варіантів:

· вуглець залишається в рослинах ® молекули рослин йдуть у їжу редуцентам (організмам, які харчуються мертвою органічною речовиною і при цьому руйнують його до простих неорганічних сполук) ® вуглець повертається в атмосферу як CO2;

· рослини з'їдаються травоїдними тваринами ® вуглець повертається в атмосферу в процесі дихання тварин та при їх розкладанні після смерті; або травоїдні тварини будуть з'їдені м'ясоїдними і тоді вуглець знову ж таки повернеться в атмосферу тими ж шляхами;

· рослини після загибелі перетворюються на викопне паливо (наприклад, у вугілля) ® вуглець повертається в атмосферу після використання палива, вулканічних вивержень та ін геотермальних процесів.

У разі розчинення вихідної молекули CO2 у морській воді також можливо кілька варіантів: вуглекислий газ може просто повернутися в атмосферу (цей вид взаємного газообміну між Світовим океаном та атмосферою відбувається постійно); вуглець може увійти в тканини морських рослин або тварин, тоді він поступово накопичуватиметься у вигляді відкладень на дні Світового океану і врешті-решт перетвориться на вапняк або з відкладень знову перейде в морську воду.

Швидкість кругообігу CO2 становить близько 300 років.

Втручання людини у кругообіг вуглецю (спалювання вугілля, нафти, газу, дегуміфікація) призводить до зростання вмісту CO2 в атмосфері та розвитку парникового ефекту. В даний час дослідження кругообігу вуглецю стало важливим завданням для вчених, які займаються вивченням атмосфери.

Кругообіг кисню

Кисень є найпоширенішим елементом Землі (у морській воді міститься 85,82% кисню, в атмосферному повітрі 23,15%, у земній корі 47,2%). Сполуки кисню незамінні підтримки життя (грають найважливішу роль процесах обміну речовин, і диханні, входить до складу білків, жирів, вуглеводів, у тому числі «побудовані» організми). Головна маса кисню перебуває у зв'язаному стані (кількість молекулярного кисню в атмосфері становить лише 0,01% від загального вмісту кисню в земній корі).

Так як кисень міститься в багатьох хімічних сполуках, його кругообіг у біосфері дуже складний і головним чином відбувається між атмосферою та живими організмами. Концентрація кисню в атмосфері підтримується завдяки фотосинтезу, в результаті якого зелені рослини під дією сонячного світла перетворюють діоксид вуглецю та воду на вуглеводи та кисень. Переважна більшість кисню продукується рослинами суші – майже ¾, решта – фотосинтезуючими організмами Світового океану. Потужним джерелом кисню є фотохімічне розкладання водяної пари у верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетових променів сонця. Крім того, кисень здійснює найважливіший кругообіг, входячи до складу води. Незначна кількість кисню утворюється з озону під впливом ультрафіолетової радіації.

Швидкість кругообігу кисню близько 2 тис. років.

Вирубування лісів, ерозія грунтів, різні гірничі виробки на поверхні зменшують загальну масу фотосинтезу та знижують кругообіг кисню на значних територіях. Крім того, на промислові та побутові потреби щорічно витрачається 25 % кисню, що утворюється внаслідок асиміляції.

Кругообіг азоту

Біогеохімічний кругообіг азоту, так само як і попередні кругообіги, охоплює всі галузі біосфери (рис. 3.4).

Мал. 3. 4. Кругообіг азоту.

Азот входить до складу земної атмосфери у незв'язаному вигляді у формі двоатомних молекул (приблизно 78% всього обсягу атмосфери посідає частку азоту). Крім того, азот входить до складу рослин та тварин організмів у формі білків. Рослини синтезують білки, поглинаючи нітрати із ґрунту. Нітрати утворюються там із атмосферного азоту та амонійних сполук, наявних у грунті. Процес перетворення атмосферного азоту на форму, засвоювану рослинами і тваринами, називається зв'язуванням азоту. При гниття органічних речовин значна частина азоту, що міститься в них, перетворюється на аміак, який під впливом живуть у грунті нітрифікуючих бактерій окислюється потім на азотну кислоту. Ця кислота, вступаючи в реакцію з карбонатами, що знаходяться в грунті (наприклад, з карбонатом кальцію СаСОз), утворює нітрати. Деяка частина азоту завжди виділяється при гнитті у вільному вигляді в атмосферу. Крім того, вільний азот виділяється під час горіння органічних речовин, при спалюванні дров, кам'яного вугілля, торфу. Крім цього, існують бактерії, які за недостатнього доступу повітря можуть забирати кисень від нітратів, руйнуючи їх із виділенням вільного азоту. Діяльність денітрифікуючих бактерій призводить до того, що частина азоту з доступної для зелених рослин форми (нітрати) переходить у недоступну (вільний азот). Таким чином, далеко не весь азот, що входив до складу загиблих рослин, повертається назад у ґрунт (частина його поступово виділяється у вільному вигляді).

До процесів, що відшкодовують втрати азоту, відносяться, перш за все, електричні розряди, що відбуваються в атмосфері, при яких завжди утворюється деяка кількість оксидів азоту (останні з водою дають азотну кислоту, що перетворюється в грунті на нітрати). Іншим джерелом поповнення азотних сполук грунту є життєдіяльність про азотобактерій, здатних засвоювати атмосферний азот. Деякі з цих бактерій поселяються на коренях рослин із сімейства бобових, викликаючи утворення характерних здуття - бульбочок. Бульбякові бактерії, засвоюючи атмосферний азот, переробляють його в азотні сполуки, а рослини, у свою чергу, перетворюють останні на білки та інші складні речовини. Таким чином, у природі відбувається безперервний кругообіг азоту.

У зв'язку з тим, що щорічно з урожаєм з полів забираються найбагатші на білки частини рослин (наприклад, зерно), ґрунт «вимагає» вносити добрива, що відшкодовують спад у ній найважливіших елементів живлення рослин. В основному використовують нітрат кальцію (Ca(NO)2), нітрат амонію (NH4NO3), нітрат натрію (NANO3) та нітрат калію (KNO3). Також замість хімічних добрив використовують самі рослини з сімейства бобових. Якщо кількість штучних азотних добрив, що вносяться в ґрунт, надмірно велика, то нітрати надходять і в організм людини, де вони можуть перетворюватися на нітрити, що мають велику токсичність і здатні викликати онкологічні захворювання.

Кругообіг фосфору

Переважна більшість фосфору міститься у гірських породах, що утворилися минулі геологічні епохи. Зміст фосфору у земній корі становить від 8 - 10 до 20 % (за вагою) і він тут у вигляді мінералів (фторапатит, хлорапатит та інших.), які входять до складу природних фосфатів - апатитів і фосфоритів. У біогеохімічний кругообіг фосфор може потрапити в результаті вивітрювання гірських порід. Ерозійними процесами фосфор виноситься у морі як мінералу апатиту. У перетвореннях фосфору велику роль грають живі організми. Організми витягують фосфор із ґрунтів та водних розчинів. Далі фосфор передається ланцюгами харчування. З загибеллю організмів фосфор повертається в грунт і в мули морів, і концентрується у вигляді морських фосфатних відкладень, що створює умови для створення багатих фосфором порід (рис. 3. 5.).

Мал. 3.5. Кругообіг фосфору в біосфері (за П. Дювіньо, М. Танг, 1973; зі змінами).

При неправильному застосуванні фосфорних добрив, внаслідок водної та вітрової ерозії (руйнування під дією води чи вітру) велика кількість фосфору видаляється із ґрунту. З одного боку, це призводить до перевитрати фосфорних добрив та виснаження запасів фосфоровмісних руд.

З іншого боку, підвищений вміст фосфору на водних шляхах його перенесення викликає бурхливе збільшення біомаси водних рослин, «цвітіння водойм» та їх евтрофікацію (збагачення поживними речовинами).

Оскільки рослини виносять із ґрунту значну кількість фосфору, а природне поповнення фосфорними сполуками ґрунту вкрай незначне, то внесення у ґрунт фосфорних добрив є одним із найважливіших заходів щодо підвищення врожайності. Щорічно у світі видобувають приблизно 125 млн. т фосфатної руди. Більшість її витрачається виробництво фосфатних добрив.

Кругообіг сірки

Основний резервний фонд сірки знаходиться у відкладах, у ґрунті та атмосфері. Головна роль у залученні сірки до біогеохімічного кругообігу належить мікроорганізмам. Одні їх відновники, інші – окислювачі (рис. 3. 6.).

Мал. 3. 6. Кругообіг сірки (за Ю. Одумом, 1975).

У природі у великій кількості відомі різні сульфіди заліза, свинцю, цинку та ін. Сульфідна сірка окислюється в біосфері до сірки. Сульфати поглинаються рослинами. У живих організмах сірка входить до складу амінокислот та білків, а у рослин, крім того, до складу ефірних олій тощо. Процеси руйнування залишків організмів у ґрунтах та в мулах морів супроводжуються складними перетвореннями сірки (мікроорганізми, створюють численні проміжні сполуки сірки). Після загибелі живих організмів частина сірки відновлюється в ґрунті мікроорганізмами до H2S, інша частина окислюється до сульфатів і знову входить у кругообіг. Сірководень, що утворився в атмосфері, окислюється і повертається в грунт з опадами. Крім того, сірководень може знову утворити «вторинні» сульфіди, а сірка сульфат створює гіпс. У свою чергу сульфіди та гіпс знову зазнають руйнування, і сірка відновлює свою міграцію.

Крім того, сірка у вигляді SO2, SO3, H2S та елементарної сірки викидається вулканами в атмосферу.

Кругообіг сірки може бути порушений втручанням людини. Виною тому стає спалювання кам'яного вугілля та викиди хімічної промисловості, внаслідок чого утворюється сірчистий газ, що порушує процеси фотосинтезу та призводить до загибелі рослинності.

Таким чином, біогеохімічні цикли забезпечують гомеостаз біосфери. При цьому вони значною мірою схильні до впливу людини. І однією з найпотужніших антиекологічних дій людини пов'язане з порушенням і навіть руйнуванням природних кругообігів (вони стають ациклічними).

Антропогенний кругообіг

Рушійною силою антропогенного кругообігу є діяльність людини. Цей кругообіг включає дві складові: біологічну, пов'язану з функціонуванням людини як живого організму, і технічну, пов'язану з господарською діяльністю людей. Антропогенний кругообіг на відміну і геологічного та біологічного не є замкнутим. Ця незамкнутість стає причиною виснаження природних ресурсів та забруднення природного середовища.

Кругообіг речовин у природі - циклічний процес перетворення і переміщення окремих хімічних елементів та їх сполук. Відбувся протягом усієї історії розвитку Землі і продовжується в даний час. Завжди має місце певне відхилення у складі та кількості циркулюючої речовини, тому в природі немає повного повторення циклу. Це визначає поступальний розвиток Землі як планети. Особливо характерний кругообіг речовин для геологічної стадії розвитку, коли формувалися осн. оболонки Землі. За масштабом прояву першому місці перебуває геологічний кругообіг. Він являє собою рух речовини переважно у внутрішніх оболонках: підйом в результаті висхідних тектонічних рухів і вулканізму; перенесення його по горизонталі у зовнішніх оболонках та акумуляція; низхідні рухи - поховання опадів, занурення внаслідок низхідних тектонічних рухів. На глибині відбувається метаморфізм, плавлення речовини з утворенням магми та метаморфічних гірських порід. Основну роль у створенні географічної оболонки відіграє кругообіг води.

З часу появи життя Землі почався біологічний кругообіг. Він забезпечує безперервні перетворення, в результаті яких речовини після використання одними організмами переходять у форму, що засвоюється для інших організмів. Енергетичною основою є сонячна енергія, що надходить на Землю. Рослинні організми поглинають мінеральні речовини, які через харчові ланцюги потрапляють до організму тварин, потім за допомогою редуцентів (бактерій, грибів та ін.) повертаються в ґрунт чи атмосферу. Від інтенсивності цього кругообігу залежить кількість і різноманітність живих організмів на Землі та обсяг накопичуваної ними біомаси. Макс. інтенсивність біологічного круговороту на суші спостерігається у вологих тропічних лісах, де рослинні залишки майже не накопичуються і мінеральні речовини, що вивільняються, відразу ж поглинаються рослинами. Дуже низька інтенсивність круговороту в болотах і тундрі, де залишки рослин, що не встигають розкластися, накопичуються. Особливе значення мають кругообіг біогенних хімічних елементів, насамперед вуглецю. Рослинні організми витягують із атмосфери до 300 млрд. т вуглекислого газу (чи 100 млрд. т вуглецю) щорічно. Рослини частково поїдають тваринами, частково відмирають. Органічна речовина в результаті дихання організмів, розкладання їх залишків, процесів бродіння та гниття перетворюється на вуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, з яких надалі утворюються вугілля, нафта, горючий газ. В активному кругообігу вуглецю бере участь дуже невелика його частина, значна кількість законсервована у вигляді горючих викопних вапняків та інших гірських порід. основ. маса азоту зосереджена у атмосфері (3,8510№? т); у водах Світового океану його міститься 2510№і т. У кругообігу азоту провідна роль належить мікроорганізмам: азотофіксаторам, нітрифікаторам та денітрифікаторам. Щороку на суші в кругообіг залучається бл. 4510? т азоту, у водному середовищі у 4 рази менше. Азотовмісні сполуки з відмерлих залишків перетворюються нітрифікуючими мікроорганізмами на оксиди азоту, які згодом розкладаються денітрифікуючими бактеріями з виділенням молекулярного азоту. З живою речовиною пов'язані також круговороти кисню, фосфору, сіркита багатьох інших елементів. Наслідки впливу людини на кругообіг речовин стають все значнішими. Вони стали порівняні з результатами геологічних процесів: у біосфері виникають нові шляхи міграції речовин, з'являються нові хімічні сполуки, яких не було раніше, змінюється кругообіг води.