Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow Экология

Составляющие энергетического баланса в биосфере

Поток энергии на земном шаре имеет три источника:

а) солнечная энергия;

б) энергия земных недр;

в) кинетическая энергия вращения Земли и ее спутника Луны как космических тел

Главной частью в системе управления биосферой является энергия Солнца. Всю биосферу можно расценивать как единое природное образование, поглощает энергию из космического пространства и направляет ее на внутреннюю работу. В биосфере энергия только переходит из одной формы в другую и рассеивается в виде тепла. Особенностью поведения энергии в биосфере является ее односторонняя направленность - концентрированная энергия, пройдя ряд преобразований, рассеивается в виде тепла. Основными преобразователями энергии в биосфере живые организмы. Изготовители превращают свободную лучевую энергию Солнца (концентрированная энергия) в химически связанную, которая затем переходит (по пищевым цепям) от одних биосферных структур к другим (рис. 3.1).

Основные направления потоков энергии на земном шаре

Рис. 3.1. Основные направления потоков энергии на земном шаре.

При каждом переходе часть энергии превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве. В более детальном виде схема планетарного потока энергии показана на рис.3.2.

Планетный поток энергии



Рис. 3.2. Планетный поток энергии


Судьба летнего притока солнечной энергии такова:

1) отражается-30%;

2) прямо превращается в тепло - 40 / о,

3) испарение, осадки-23%;

4) ветер, волны-0,2%;

5) фотосинтез-0,08%.

Таким образом, только небольшая часть солнечной энергии И%) потрачена на фотосинтез, но именно она является источником всей жизни на Земле. Однако, те примерно 70% энергии Солнца, превращаются в тепло, идут на испарение, ветер, теряются зря, потому что эта энергия поддерживает нужную для жизни температуру, приводит в действие системы погоды, обеспечивает круговорот воды, без чего невозможна жизнь на Земле . Нормальное функционирование биосферы возможно лишь в условиях, когда ничем не сдерживается поступления и передача концентрированной энергии, и сток тепловой энергии.

Биохимические круговороты вещества

С потоками энергии тесно связаны потоки вещества. За счет процессов миграции химических элементов все геосферы Земли связаны единым циклом круговорота этих элементов. Круговорот, движущей силой которого являются тектонические процессы и солнечная энергия, получил название большого (геологического) круговорота.

Схематично это можно представить так. Изверженные глубинные породы мантийного происхождения (базальта) тектоническими процессами выводятся из недр Земли в биосфере. Под действием солнечной энергии и живого вещества они выветриваются, переносятся, превращаются в разнообразные осадочные породы. Затем за счет тектонических движений снова попадают в зону больших давлений и температур Земли, где из них освобождается солнечная энергия, осуществляется метаморфизм и создание гранитных пород. Гранитные породы опять за счет тектонических движений попадают в биосферу. Таким образом, большой круговорот вещества можно рассматривать как эволюцию земной коры от океанического (базальтового) типа к материкового (гранитного). Мощность большого круговорота примерно 2 х 10 16 т / год.

Возникновение жизни на Земле способствовало появлению новой формы миграции химических элементов - биогенной. На большой (геологический) наложился малый (биогенный) круговорот вещества. В малом круговороте перемещаются в основном углерод (2 х 10 "т / год) и фосфор (10 +8 т / год). Оба круговороты протекает сейчас одновременно и тесно связаны между собой.

Живые организмы в биосфере инициируют круговорот веществ и приводят к возникновению биогеохимических циклов. Биохимические циклы - это циклическое перемещение биогенных элементов: углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора, кальция, калия и др. от данного компонента биосферы к другим так, что на определенных участках этого круговорота они входят в состав живого вещества.

Перемещение вещества в биохимических циклах одновременно обеспечивает жизнедеятельность живых организмов.

Главными оценочными параметрами эффективности и направления работы биогеохимического цикла является количество биомассы, ее элементарный состав и активное функционирование живых организмов.

Химические элементы, участвующих в строительстве живого вещества и необходимые для его синтеза, получили название биогенных.

Состав абиотической части нашей планеты примерно таков: Fe -36%, 0 2 - 25%, Si * 23%, Mg "10%, S * 3%, Ni * 2%, другие - 15% .. состав биомассы совсем другой: В 2 "70%, С" 15%, Н = 11%, остальные = 4%.

Принцип цикличности в преобразованиях и перемещениях вещества в биосфере является основополагающим. Хранение цикличности - условие существования биосферы.

Центральное место в биосфере занимают биохимические циклы: углерода, воды, азота и фосфора. Эти циклы в наибольшей степени подверглись трансформации при формировании техносферы и агросферы, и изучение их стало важной задачей экологии.

Биохимический цикл углерода базируется на атмосферном депо, которое удерживает его в количестве, примерно равной 700 млрд. Тонн в форме углекислого газа (рис.3.3). Этот цикл инициируется фото синтезом и дыханием, оба процесса идут так интенсивно, что у растений и животных на долю углерода приходится до 40-50% общей массы. Остатки отмерших растений и животных способствуют образованию гумуса. Аналогично образуется и торф. В этих двух формах умещается до 99% углерода нашей планеты. Скорость круговорота углерода исчисляется в среднем от 300 до 1000 лет.


Биогеохимический цикл воды, биогеохимический цикл углерода

Рис. 3..3. Биогеохимический цикл углерода

Рис. 3.4. Биогеохимический цикл воды

Большинство воды засоленная. Пресной воды на планете всего 2% от общего ее количества. Тела всех живых организмов достаточно сильно обводненные: у животных на долю воды приходится 70%, а у растений - 90-95% от их массы. Общий круговорот воды инициируется потоком солнечной радиации. Испарения и трансляция переводят воду из жидкого состояния в газообразное, и она поступает в атмосферу. Атмосферные осадки обеспечивают обводнение континентов (хотя часть осадков выпадает непосредственно над водоемами). Количественные показатели круговорота воды определяются климатом и сами определяют климат. Главным параметром оценки интенсивности круговорота воды служит эватранспирации с ее разделением на испарение и собственную транспирацию. Непосредственно на формирование биомассы привлекается всего где-то 1% воды от общего ее количества, что на планете. На образование 1 кг биомассы используется 130-230 кг воды, и поэтому круговорот достаточно активным. Вода морей и океанов, а также подземные воды служат как депо воды.

Моря теряют от испарения больше (1200 мм / год), чем получают от осадков (1100 мм / год). Эта разница обеспечивает обводнение континентов. На суше среднее годовое количество осадков составляет 710 мм, а испарение - 470 мм. Обратная поступления воды к океанам и морям идет через поверхностный и подземный стоки. Сельскохозяйственное и промышленное производство, не меняя общего количества воды в ее биохимическом цикле, существенно перераспределяет поступления воды разным регионам. Оказалось, что мелиорацией охвачены огромные территории. Оторванность мелиоративных проектов от экологических концессий привела в конечном итоге к запустелювання, обмилення год, высыхание замкнутых водоемов, расположенных в условиях континентального климата. Ярким примером является обводнение юга Средней Азии за счет забора воды из Амударьи и Сырдарьи, завершившееся трагедией Арала. Существенное влияние на цикл воды оказывает промышленное производство. Большинство его видов связанные с использованием большого количества воды, которая возвращается в депо уже очень загрязненной.

Биогеохимический цикл азота

Биогеохимический цикл азота. Это один из самых быстрых круговоротов веществ (рис.3.5.). Реализуется он, в основном, за счет деятельности различных групп живых организмов и, в первую очередь, при активном участии микробов. Основным депо азота является газообразный азот атмосферы. Связывания осуществляется свободно существующими азотфиксаторы (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органические вещества, которые

Рис. 3.5. Биогеохимический цикл азота

вмещает связанный азот, минерализуются за счет Аммонификация и нитрофикации, что делает доступным для высших растений нитратный и аммонийный азот. Общие оценки фиксации атмосферного азота противоречивые и в среднем для планеты составляют от 100-170 мг / м 2 в год до 1-20г / м 2 в год. Это соответствует примерно 126 млн. Тонн азота в год.

В антропогенную эпоху на круговорот азота большое влияние оказывает производство синтетических азотных удобрений. Оно заключается в связывании азота воздуха и поэтапного его превращения сначала в аммиак, затем в азотную кислоту, необходимую для получения нитратов. Этот процесс стал широкомасштабным и привлек в биогеохимический цикл азота из атмосферного депо большую его количество. Введение антропогенного азота в его биогеохимический цикл равен 6,4 x 10 +7 т азота в год (Garrels et al., 1973)

Из всех синтетических минеральных удобрений азотные удобрения требуют наиболее энергетических затрат при их производстве и поэтому являются самыми дорогими. Однако, в сельском хозяйстве не разработаны технологии безотходного применения азотных удобрений. Нитраты полностью используются культурными растениями и существенно загрязняют грунтовые воды и водоемы. Проблема нитратного загрязнения окружающей среды в наше время стала одной из наиболее актуальных.

Биогеохимический цикл фосфора. Этот цикл имеет наиболее простой характер (рис.3.6.). Основной запас фосфора сосредоточен на планете в виде горных пород и минералов. При их выветривании создаются фосфаты, используемые растениями для построения органических веществ своего тела. После отмирания растений фосфор минерализуются микроорганизмы-редуценты. Потери фосфора из биохимического цикла связаны в основном с вынесением фосфора в моря и океаны. Оттуда обратно на сушу он может попасть только через рыбу или гуано.

Фосфорные удобрения производят в основном из горных пород. Такой перевод фосфора из депо в активную часть биохимического цикла так же, как в случае с азотом, имеет негативные последствия. Не используется культурными растениями фосфор в результате ветровой эрозии поступает в водоемы, приводящих к авторификаии. Замечательной особенностью природных экосистем является повторное использование биогенных веществ. Хотя в биогеохимических циклах некоторые из таких элементов и теряются, поступая в депо, и делаются доступными для растений, в естественных экосистемах масштаб этих процессов незначительный.

Биосфера обладает мощной буферной действием в отношении многих внешних воздействий. Это обеспечивает общую устойчивость и создает благоприятные стабильные условия существования организмов. В рамках биосферы смягчается действие ветра, засушливость воздуха и почвы, поддерживается определенное соотношение между концентрацией кислорода и углекислого газа в атмосфере, сужается амплитуда колебаний температуры. Но все эти качества биосферы не могут противостоять неразумным действиям человека и резко падают при антропогенных воздействиях. Так, засухи сравнительно безопасны для природных экосистем, но они наносят ощутимые убытки агроэкосистемы. Сохранить почвенно - климатические условия крупных регионов планеты и обеспечить их устойчивость можно только при наличии в этих регионах достаточно больших по площади природных биомов.

Для устойчивости биогеохимических циклов большое значение имеют депо биогенных химических веществ в почве. Почва - это совершенно особое по своим свойствам природное тело. В биосфере почву выполняет множество специфических функций. Он обеспечивает растения всеми необходимыми питательными веществами, содержит в себе большое количество влаги, препятствует ее быстрому стоку в год. В сельском хозяйстве почву является компонентом производства.

Биогеохимический цикл фосфора

Рис.3.6. Биогеохимический цикл фосфора

Важными участниками биогеохимических циклов является почвенные микроорганизмы. Грунт одновременно служит депо для многих веществ, за счет которого гасятся флуктуации, возникающие при переходе вещества из одного звена биогеохимического цикла к другой. Особенно важен в этом гумус почвы. В нем продукты разложения органических веществ содержатся длительное время. Антропогенная природопользования вносит в природные циклы немало препятствий. Так, распространенность сжигания топлива приводит к поступлению в атмосферу около 20 млрд. Тонн углекислого газа и 700 млн. Тонн других газов и твердых частиц. Вырубка лесов приводит к вынесению из экосистемы леса тысячи тонн азота, кремния, фосфора.

Эти процессы ведут к появлению нового техногенного типа круговорот; химических элементов. Перенесенные в урбанизированные районы или в агроэкосистемы, эти вещества оказываются или совсем или временно исключены из природного их кругооборота. Нормальное функционирование биосферы возможно, если антропогенная деятельность не препятствует осуществлению природных биогеохимических циклов, разрушение которых может привести к деградации биосферы.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее