Биосфера. Круговорот веществ в биосфере. Глобальные изменения в биосфере.

В, казалось бы, ничтожно малой концентрации (0.04%) углерод присутствует в атмосфере Земли как диоксид СО2. Но этого достаточно, чтобы поддерживать жизнедеятельность земной растительности. Углерод содержится также в почве и осадочных породах – в наземной биосфере. Как уже говорилось, этот элемент в большом количестве присутствует в океане в виде живой и неживой морской органики и в уже растворенном виде. Еще одно хранилище углерода – ископаемые ресурсы, обычно, органического происхождения.

Где находится кислород в природе

Этим газом насыщены все стихии на планете:

• В атмосферном воздухе его содержится от 20 до 23%.
• В морской воде — 85%.
• В земной коре — 47% в составе минералов, силикатов и окислов — всего в более 1500 соединениях.

Нам в основном доступен кислород, который находится в составе воздуха, поэтому кажется, что здесь его запасы самые большие. Но нет, оказывается, основной запас этого газа пребывает в земной коре — до 99,5% от общего количества его на планете. А в атмосфере — всего 0,36%. Еще меньше — 0,01% — содержит биосфера в органике.

Откуда появляется углерод?

Круговорот углерода в природе, как и любого другого вещества, подразумевает, что он откуда-то берется, потом куда-то девается и возвращается назад. Посмотрим, как это происходит с углеродом.

• В атмосферу углерод выдыхают животные и люди.
• Отмершие организмы растений и животных обрабатываются бактериями, которые с участием кислорода выделяют при этом углекислый газ или метан, в котором также присутствует углерод.
• Углекислый газ образовывается также при сжигании нефти, угля, торфа и природного газа.
• Лесные пожары – тот же источник попадания этого газа в атмосферу.
• Еще один серьезный источник – деятельность активных вулканов, которые выбрасывают в атмосферу много углекислого газа, пара и диоксида серы.
• Производство цемента, как результат человеческой деятельности; используя нагревание карбоната кальция (СаСО3), выделяем большое количество углерода в атмосферу.
• Много говорят о глобальном потеплении. Нагреваясь, поверхность океана дополнительно выделяет углекислый газ из воды.

Кто и когда открыл кислород

В научном мире возник спор о приоритете открытия этого газа. С древности исследователи знали, что для горения нужен воздух, но сам процесс оставался загадкой. Возникала мысль, что в воздухе есть некая субстанция, поддерживающая горение.

Позже началось открытие различных газов, в том числе кислорода:

• Английский ученый Джозеф Пристли в 1774 году при нагревании красной окиси ртути выделил газ, в котором свеча горела ярче, вспыхивала тлеющая лучина.
• Но шведский химик Карл Шееле еще в 1772-м описал открытие «огненного воздуха», хотя не сделал сообщения об этом.
• Француз Антуан Лоран Лавуазье в 1775 году получил «наиболее чистую часть воздуха» и описал ее свойства. Он же дал название новому газу — «кислород» от греческого ‘кислотообразующий’.

Куда девается углерод?

Если бы весь попадающий в воздух углерод там и оставался, мы бы давно уже задохнулись, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Но круговорот углерода в природе предполагает, что из атмосферы он куда-то девается. Куда?

• Большое спасибо за очищение воздуха от углекислого газа нужно сказать деревьям, которые являются главными хранилищами этого элемента. Причем, углерод может сохраняться в них сотни лет. Особенно полезны в этом смысле молодые деревья, которые быстро растут и, значит, быстро расходуют углерод.
• Чем ниже температура, тем более растворимым становится углекислый газ, и холодная поверхность воды ближе к северному полюсу отлично его поглощает. Но глобальное потепление грозит тем, что океан начнет испарять углекислый газ назад в атмосферу. Это еще одна проблема, которая волнует ученых и все человечество.
• Еще одна серьезная фабрика по утилизации углерода – морские организмы, обитающие в верхних слоях океана. Они абсорбируют углерод для строительства своих клеток. Приблизительные подсчеты ученых говорят о 36 тысячах гигатонн углерода в мировом океане.
• Отмирая, морские обитатели (их твердые части) оседают на морском дне, со временем складываясь в осадочные породы.

Кислород и проблемы экологии

Потребление кислорода для обеспечения жизни огромно. Но значительная часть его расходуется в промышленности и в быту:

В индустриальном обществе возросло производство металлов, их обработка, в которых необходим этот газ. Предполагается, что развитие промышленного производства уменьшило количество кислорода в атмосфере в два раза.

Кислород в баллонах необходим для исследования морских глубин и космоса, жизненно важен в медицине для спасения людей.

Леса как легкие планеты: Pxhere

Антропогенное воздействие на круговорот углерода и его последствия

Основные формы влияния человека на цикл углерода:

• сжигание топлива: угля, нефти, газа и др., с которым связаны выбросы СО2 (ежегодно выбрасывает в атмосферу более 22 млрд т CO2);
• вырубка лесов и отчуждение земель под строительство сокращают продуктивность биосферы;
• уменьшение запасов органического вещества в почвах, которое вызвано эрозией пахотных земель и изъятием продуктов сельского хозяйства;
• загрязнением вод приводит к снижению продуктивности океанов и морей.

Последствия этих воздействий на круговорот углерода весьма ощутимо. Так, в период с 1980 по 1990 г. зарегистрирован рос концентрации СО2 в атмосфере с 0,0335% до 0,0355%. Долгое время рост объясняли только антропогенным влиянием. Однако исследования показали, что есть и другие причины роста.

Структура биосферы

Биосфера (от греч.bios — жизнь иsphaira — шар) — оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.

Термин биосфера

впервые применил Э. Зюсс (1875), понимавший её как тонкую плёнку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую лик Земли. Однако заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому, так как именно он развил представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания.Границы биосферы. Биосфера имеет определённые границы. Она занимает нижнюю часть атмосферы, верхние слои литосферы и всю гидросферу. Границы биосферы в большой степени условны. Обычно считают, что верхняя граница биосферы находится на высоте 22–24 км от поверхности Земли, где образуется озоновый экран. Здесь свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращаётся в озон (О2 → О3), который образует экран и отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи. Нижняя граница биосферы проходит по литосфере на глубине 3–4 км, а по гидросфере по дну Мирового океана, местами свыше 11 км. Более широкое распространение живых организмов ограничено лимитирующими факторами. Так, проникновению вверх препятствует космическое излучение, а проникновению вглубь — высокая температура земных недр.Вещество биосферы. В. И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере ряд типов веществ.

Распределение жизни в биосфере.

Масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы. Тем не менее живое вещество биосферы — это главнейший её компонент. Важнейшим свойством живого вещества является способность к воспроизводству и распространению по планете. Живое вещество распространено в биосфере неравномерно: пространства, густо заселенные организмами, чередуются с менее заселёнными территориями. Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трёх оболочек — атмосферы, литосферы и гидросферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В. И. Вернадский назвал «плёнками жизни». Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается. В настоящее время по видовому составу на Земле животные (более 2,0 млн видов) преобладают над растениями (0,5 млн). В то же время запасы фитомассы составляют 99% запасов живой биомассы Земли. Биомасса суши в 1000 раз превышает биомассу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличиваются от полюсов к экватору.

Биосфера — открытая система. Её существование невозможно без поступления энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличие от количества солнечной энергии, количество атомов вещества на Земле ограничено. Круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов. При отсутствии круговорота за короткое время был бы исчерпан, например, основной «строительный материал» живого — углерод. Биосфера Земли характеризуется определённым образом сложившимся круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ

— многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном потоке солнечной энергии. В зависимости от движущей силы, с определённой долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.Геологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Геологический круговорот веществ осуществляется без участия живых организмов.Биологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. С появлением человека возник антропогенный круговорот или обмен веществ.Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нём можно выделить две составляющие:биологическую , связанную с функционированием человека как живого организма, итехническую , связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)). В отличие от геологического и биологического круговоротов веществ, антропогенный круговорот веществ в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит кистощению природных ресурсов изагрязнению природной среды . Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества. Рассмотрим круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементовКруговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учётом транспирации воды растениями и поглощения её в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.

Круговорот углерода.

Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ. Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Скорость круговорота СО2, то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет. Круговорот кислорода.

Главным образом, круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (О2) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зелёных растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т. д. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши — почти 3/4, остальная часть — фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота — около 2 тыс. лет. Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

Круговорот азота.

Запас азота (N2) в атмосфере огромен (78% от её объёма). Однако растения поглощать свободный азот не могут, только в связанной форме, в основном в виде NH4+ или NO3-. Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передаётся по цепям питания. После отмирания живых организмов редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу. Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество излишне велико (такое часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений), то происходит загрязнение вод и продуктов питания, что вызывает заболевания человека.