Кругообіг речовин
Вода і її кругообіг. Води земної кулі знаходяться в постійній взаємодії і в процесі кругообігу пов’язані воєдино. Під впливом сонячної радіації з поверхні океанів, морів, річок, озер, льодовиків, снігового покриву і льоду, грунту і рослинності відбувається випаровування води. Випаровування з поверхні океанів і морів – основне джерело надходження вологи в атмосферу. Велика частина цієї вологи випадає у вигляді атмосферних опадів безпосередньо на поверхню океанів і морів, здійснюючи так званий малий кругообіг. Менша її частка бере участь у великому круговороті, вступаючи в складні взаємодії із земною поверхнею. Великий кругообіг включає в себе ряд місцевих влагооборота і являє собою багатогранний процес переміщення, витрачання та відновлення вологи на земній поверхні, в надрах землі і в атмосфері. Атмосферні опади, зрошуючи поверхню материків, частково просочуються в грунт, частково стікають по схилах і утворюють струмки, річки, озера, болота. Поглинута грунтом вода частиною випаровується безпосередньо або транспірірующей рослинами, частиною просочується вглиб і формує підземні води. Останні беруть участь у живленні річок, озер або досягають моря підземними шляхами.
Волога, що надійшла в атмосферу в результаті випаровування з поверхні суші і її водойм, доповнює ту кількість її, яке надходить з океану. Повітряними течіями вона переноситься вглиб материка і, випадаючи у вигляді дощу і снігу, зрошує території, більш-менш віддалені від океану. Випали опади знову випаровуються, просочуються, стікають по земній поверхні. Стік води річок, що впадають в океан, завершує великий кругообіг води на земній кулі. Спрощена схема представлена??на рис. 2.3. Насправді явище кругообігу значно складніше.
Кругообіг води складається з декількох ланок, головні з яких атмосферний, океанічне, материкове. В атмосферному ланці відбувається перенесення вологи в процесі атмосферної циркуляції та освіта атмосферних опадів. Одноразовий запас вологи в атмосфері невеликий, всього 14 тис. Км3 ,. але при постійному поновленні цієї вологи в процесі випаровування з поверхні Землі обсяг опадів, що випадають на цю поверхню, дорівнює 525 тис. км3. Таким чином, в середньому кожні 10 діб волога атмосфери поновлюється.
Для океанічного ланки кругообігу характерно безперервне відновлення запасів вологи в атмосфері шляхом випаровування. З поверхні океанів в атмосферу надходить 86,0% загальної кількості вологи, що випарувалася на земній кулі.
Материкове ланка по активності участі його вод у кругообігу відрізняється великою різноманітністю. У цій ланці М. І. Львович в свою чергу виділяє грунтове, літогенний, річкове, озерне, льодовикове і біологічне ланки.
Грунт здійснює обмін вологою як з атмосферою, річками та озерами, так і з надрами землі – літогенний ланкою. Обмін цей відбувається шляхом просочування, стікання по поверхні, випаровування і транспірації порівняно швидко, в межах одного року.
Ступінь рухливості води в літогенний ланці неоднакова. Найбільш активно беруть участь у загальному кругообігу води підземні води, що залягають поблизу земної поверхні до рівня дренування їх річковою мережею і живлять річки. Тривалість їх обміну – від місяця до кількох років. З віддаленням від земної поверхні, на великих глибинах, підземні води стають менш рухливі.
Річки повертають в океан води, які надійшли в процесі кругообігу на сушу. Обмін води, що міститься в руслах річок, відбувається досить швидко: в середньому, за даними різних авторів, за 12-25 діб. Але якщо до обсягу руслових вод додати обсяг проточних озер, то активність водообміну значно зменшиться і його тривалість зросте до трьох років.
У льодовиках як би законсервовані великі маси води у вигляді льоду. Рух льоду повільне, тому тривалість обміну води (льоду) в льодовиках коливається, за різними даними, від 8300 до 15 000 років.
Аналіз активності водообміну розкриває вельми цікаву і важливу рису ресурсів прісних вод – їх відносно швидке відновлення.
Таким чином, кругообіг води в природі, совершающийся під впливом сонячного тепла і сили тяжіння, об’єднує кілька геофізичних процесів, що відбуваються в його ланках, – це випаровування, перенесення вологи в атмосфері, її конденсація і випадання опадів, просочування їх у грунт і гірські породи, стік поверхневих і підземних вод.
Особливу роль у кругообігу води займають біологічні процеси – транспірація і фотосинтез. В середньому витрата води на транспірацію приблизно дорівнює 30 000 км3 в рік (по Львовичу). Ця величина перевищує 40% сумарного випаровування з усією суші і становить 7% випаровування з поверхні земної кулі, включаючи океан.
Води, що стікають по земній поверхні, не всі потрапляють в океани і моря. Спадаючі до океанів покатости, стік з яких спрямований в океан, називаються стічними або периферійними областями стоку. Замкнуті простору, що не мають зв’язку з океанами, стік з яких не досягає океану, називаються областями внутрішнього стоку або безстічними (по відношенню до океану). Води цих областей витрачаються на випаровування або шляхом стоку, або з поверхні кінцевих замкнутих водойм, куди вони стікають. Області внутрішнього стоку обмінюються вологою з периферійними областями тільки шляхом перенесення її повітряними течіями в атмосфері або в незначній мірі підземними шляхами.
Загальна площа периферійних областей земної кулі становить 117 млн. Км2 і майже в 4 рази перевершує площу областей внутрішнього стоку, рівну 32 млн. Км2. Велика периферійна область в нашій країні – спадаюча до Арктичним морях, з якою збирають свої води річки Сибіру: Об, Єнісей, Лена, Яна, Індигірка, Колима та ін. Величезні периферійні області спрямовані до Атлантичного океану, з них стікають великі ріки світу: Амазонка, Міссісіпі, Нігер, Конго, і багато річок Європи: Нева, Західна Двіна, Вісла, Одра, Ельба, Рейн, Луара та ін.
Велика область внутрішнього стоку – Арало-Каспійська, До неї належать басейни річок Волги, Уралу, Кури, Сирдар’ї, Амудар’ї та ін. До безстічним ж областей відносяться пустелі Сахара, Аравійська та Центрально-Австралійська.
Природні цикли основних біогенних речовин. Для забезпечення життєдіяльності рослин і тварин потрібні різні хімічні елементи, але тільки деякі з них мають переважне значення. Основа життя – білки, вуглеводи і жири складаються з шести основних елементів: водню, вуглецю, азоту, кисню, фосфору і сірки. Крім фосфору вони все утворюють розчинні і леткі сполуки і таким чином беруть участь у повторному циклі води.
У процесі фотосинтезу зелені рослини і водорості на світлі виділяють кисень, причому не з вуглекислого газу, як це вважалося раніше, а з води.
У первинній атмосфері Землі було мало або зовсім не було кисню, тому перші організми були анаеробними. Накопичення кисню почалося в докембрії. Зараз запаси вільного кисню оцінюються приблизно в 1,6 * 1015 т.
Кисень є найпоширенішим елементом на Землі. У гідросфері його міститься 85,82% за масою, в літосфері 47%, в атмосфері 23,15%. Кисень стоїть на першому місці за кількістю утворених ним мінералів (1364). Серед них переважають силікати, кварц, оксиди заліза, карбонати і сульфати. У живих організмах міститься в середньому близько 70% кисню. Він входить до складу більшості органічних сполук (білків, жирів, вуглеводів і т. д.) і до складу органічних сполук скелета.
Вільний кисень відіграє велику роль в біохімічних і фізіологічних процесах, особливо в аеробному диханні.
В області вільного кисню формуються різко окислювальні умови, на відміну від середовищ, в яких кисень відсутній (в магмі, глибоких горизонтах підземних вод, илах морів і озер, в болотах), де утворюється відновна обстановка.
Величезне значення для атмосфери має також двоокис вуглецю. Його вміст в атмосфері до промислової революції, в 1800 г становило 0,029%, а в даний час її зміст перевищило 0,033%. В океані цього газу розчинено в 50 разів більше.
Вуглець у великих кількостях міститься в земній корі, насамперед у карбонатних породах – 9,6 * 1015 т і горючих копалин (вугілля, нафта, сланці, бітуми, гази, торф). Розвідані запаси горючих копалин по вуглецю оцінюються в 1013 т.
Синтезовані рослинами вуглеводи (глюкоза, сахароза, крохмаль та інші) є головним джерелом енергії для більшості гетеротрофних організмів.
Повітря за обсягом майже на 80% складається з молекулярного азоту N2 і являє собою найбільший резервуар цього елемента. Природний цикл азоту є більш складним, ніж вуглецю. Більшість біологічних форм не можуть засвоювати газоподібний азот. Тому спочатку відбувається фіксація азоту – перетворення N2 в неорганічні сполуки, які відбуваються як фізико-хімічними, так і біологічним шляхом. Основними фіксаторами азоту є бактерії, грибки і водорості (насамперед синьо-зелених).
У процесі циклу продуцент – консумент – редуценти нітрати стають складовою частиною білків, нуклеїнових кислот та інших компонентів. Загиблі організми є об’єктом діяльності редуцентов – бактерій і грибів, при цьому вони азот перетворюють на аміак. І далі в нітрит і назад газоподібний азот (рис 2.4).
Фосфор, необхідний тваринам і рослинам для побудови білків протоплазми, надходить в круговорот за рахунок ерозії фосфатних порід і гуано, мінералізації продуктів життєдіяльності і органічних залишків. Фосфати споживаються рослинами. Що не утворює летких сполук фосфор має тенденцію накопичуватися в море. Винос фосфору з моря на сушу здійснюється в основному з рибою і з послідом морських птахів (рис 2.5).
Сірка відноситься до вельми поширеним хімічним елементам, які зустрічаються у вільному стані – самородна сірка і у вигляді сполук – сульфідів, полісульфідів і сульфатів. Відомо більше 150 мінералів сірки, серед яких домінують сульфати. У природі широко поширені процеси окислення сульфідів до сульфатів, які назад відновлюються до H2S і сульфідів. Ці реакції відбуваються за активної участі мікроорганізмів, насамперед десульфірующіх бактерій і серобактерий.
У вигляді органічних і неорганічних сполук сірка постійно присутня у всіх живих організмах і є важливим біогенним елементом, вона входить до складу широко поширених сполук: амінокислот, коферментів, вітамінів.
Організми в основному складаються з перерахованих вище елементів, однак вони не зможуть жити, якщо не будуть містити в достатніх кількостях деякі катіони: калій, кальцій, магній і натрій, які відносяться до групи макроелементів, тому що їх зміст виражається в сотих частках сухої речовини. Деякі речовини потрібні організмам в дуже маленьких кількостях, до них, наприклад, відносяться залізо, бор, цинк, мідь, марганець, молібден і аніон хлору. Мікроелементи виражаються у мільйонних частках сухої речовини. У харчовий ланцюг вони надходять в основному через кругообіг води. Вони володіють високою біологічною активністю і беруть участь у всіх процесах життєдіяльності: білковому, жировому, вуглеводному, вітамінному, мінеральному обміні, газо-і теплообміні, тканинної проникності, клітинному розподілі, освіті кісткового скелета, кровотворенні, росту, розмноженні, імунобіологічних реакціях.
Цикли деяких токсичних елементів. Другорядні для живих організмів хімічні елементи, також як і життєво важливі, мігрують між організмами і середовищем. У природних екологічних системах вони містяться в таких концентраціях і формах, що не чинять негативного впливу на організми. В даний час стала досить гострою проблема токсичних речовин.
Ртуть, також як і інші важкі метали, майже не впливав на організми до настання індустріальної ери, тому що її концентрації в природі були невеликі, а вона сама хімічно малорухливі. Розробка родовищ та промислове використання ртуті (у електротехнічному обладнанні, термометрах, фарбах і фунгіцидах) збільшили її потік в екосистеми. Чистий елемент не токсичний. Перетворення в токсичні органічні сполуки ртуті, такі як метилртуть і етілртуть, відбувається завдяки бактеріям, присутнім в детриту і опадах. Ці сполуки легко розчиняються, рухливі і дуже отруйні. Хімічної основою агресивної дії ртуті є її спорідненість із сіркою, зокрема з сірководневою групою в білках. Ці молекули зв’язуються з хромосомами і клітинами головного мозку. Риби та молюски можуть накопичувати їх до концентрацій небезпечних для людини, що вживає їх в їжу, викликаючи хвороба Мінамата.
Кадмій являє собою один з найнебезпечніших токсикантів середовища, він значніше токсичнее свинцю. В останні 30-40 років він знаходить все більше технічне застосування. Його попадання в харчові ланцюги пов’язано з його промисловими викидами в повітря і воду. Кадмій має властивість накопичуватися в організмах тварин і рослин. Отруєння кадмієм отримало назву кадміоз або Хвороба Ітай-ітай (в перекладі з японської “боляче”).
Стронцій-90 і цезій-137 – продукти поділу атома, що мають великий період напіврозпаду. Ці раніше маловивчені елементи тепер є об’єктами пильної уваги у зв’язку з їх великою небезпекою для людини і тварин. Вони потрапляють у навколишнє середовище при виробництві та використанні різних джерел ядерної енергії. Ці речовини активно циркулюють по харчових ланцюгах і накопичуються в тканинах тварин і рослин. Це пов’язано з тим, що стронцій за властивостями схожий на кальцій, а цезій – на калій. Стронцій може надавати також канцерогенну дію.
Діхлордіфенілтріхлоретан або просто ДДТ – пестицид (пестіс – зараза, Ціде – вбиваю, лат.), Що використовувався, а місцями використовуваний досі в сільському господарстві для боротьби з комахами. Свого часу його відкриття було відзначено Нобелівською премією. Він малорастворим і ніколи не надходить у верхні шари атмосфери і при цьому зустрічається всюди. Його виявляють у тканинах пінгвінів Антарктиди. Він в основному мігрує по харчових ланцюгах, при цьому наприкінці харчового циклу його концентрація може збільшитися в 1000 разів. Зараз його використання заборонено.
Діоксини – це група речовин, в яку входять сотні видів хлор-, бром – і хлорброморганіческіх циклічних ефірів. Діоксини утворюються в багатьох технологічних процесах різних виробництв, включаючи спалювання відходів, біологічну очистку стічної води і згоряння палива в двигунах. Ці речовини перевершують по своїй токсичності сполуки важких металів.
(2 votes, average: 2.50 out of 5)