Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow Экологические знания

ПРИРОДНАЯ СРЕДА

Основные принципы

Природное вещество

Природа (в широком смысле), или среду (в более узком), представляет собой совокупность бесконечного количества образований живой (биотической) и абиотической материи, окружающей нас во всем безграничном многообразии проявлений.

Природное вещество - любой химический элемент или химические соединения, которые возникают во время химических реакций, биологических и физических процессов, входящих в природный круговорот веществ. По В.И. Вернадским, она может быть разной по происхождению: вещество биогенная - создается и перерабатывается жизнью, вещество биокосное - создается одновременно живыми организмами и косного процессами, вещество КОСНА - образуется процессами, в которых живое вещество не участвует, вещество жива - совокупность тел живых организмов, населяющих Землю.

Процессы образования и разрушения, то есть переутворення природного вещества, происходят непрерывно и на разных уровнях - от капли воды до Земли. Основой природного вещества - как живой, так и неживой - одни и те же химические элементы. Составляющие среды, как правило, содержат небольшое разнообразие химических элементов. Например, одна из самых сложных природных веществ - органическое вещество - состоит на 99% из трех элементов - углерода, кислорода и водорода (табл. 2.1).

Таблица 2.1 Сравнительный содержание основных элементов

Элемент (% на 100 атомов)

Живое вещество

Твердое вещество

(литосфера)

Жидкое вещество

(гидросфера)

Газообразное вещество

(атмосфера)

Водород

49,8

2,92

66,4000

-

Кислород

24,9

60,40

33,0000

21,00

Углерод

24,9

0,16

0,0014

0,03

Особенностью каждой вещества, отличает ее от другой, является свойство - категория, характеризующая физическую, химическую, биологическую или комплексную отличие от другого. Широкой комплексной свойством является качество, характеризующее объект в целом, а не отдельные его свойства.

Количественно свойство оценивается с помощью показателя (или показателей) (табл. 2.2).

Таблица 2.2 Свойства и показатели

Название свойства

Показатель

Значение показателя

Название

Обозначение

Размерность

Вода

Атмосферный воздух

Грунт

Весомость

Плотность (удельный вес)

r

Кг / м 3

1000

1,2

1300-2500

Подвижность

Коэффициент внутреннего трения

n

г / (см * с)

0,011

0,018 * 10 -2

Теплоемкость

Удельная теплоемкость

с

кал / (г * град)

1,00

0,24

Теплопроводность

Коэффициент

теплопроводности

λ

Кал / (см * c * град)

1,3

2,2 * 10 -5

В табл. 2.2 приведены свойства и показатели трех главных веществ природной среды - воды, атмосферного воздуха и почвы.

Природная вода - это вещество с уникальными свойствами, которые не только еще полностью не объяснены, но даже не все известны. Анализ обычной воды показывает, что это смесь нескольких разновидностей с общей химической формулой Н 2 0.

Кроме приведенных в табл. 2.2 свойств, вода характеризуется растворимостью - способностью растворять практически все вещества. Больше всего в воде растворено солей - до 35 граммов в килограмме океанской воды (18 г / кг - в Черном море). Пресной вода считается, когда в ней не более одного грамма соли. Именно такая вода является наиболее ценной, необходимой для поддержки наземной биосферы. Она составляет лишь один-два процента от общих запасов воды. Для практического использования людьми пригодна значительно меньшая часть, потому что главные запасы пресной воды (75 процентов) хранятся в виде льда и снега. Замерзшая пресная вода Антарктики равна 23 * 10 6 км 3 в то время как воды всех рек и озер - 180 * 10 3 км 3

В воде хорошо растворяются и газы. Жизненно необходимого водным животным кислорода растворена такое количество (в зависимости от температуры воды):

Соотношение растворенных в воде веществ определяет реакцию воды, придавая ей кислого или щелочного характера. Критерием, который сказывается рН, является концентрация водородных ионов Н + Численно рН = lg (1 / Н +) По значению рН воды распределяется следующим образом: рН = 7 - химически чистая; рН = 6,5-7,5 - нейтральная; рН = 5,5-6,5 - слабо кислая; рН <5,5 - сильно кислая; рН = 8-10 - слабо щелочная; рН> 10 - сильно щелочная.

Температура воды влияет не только на ее розчиненисть, но и на другие свойства. Подвижность, которая определяется силой внутреннего трения, значительно увеличивается при повышении температуры:

Вода может находиться в трех агрегатных состояниях - жидком, газообразном и твердом, что делает ее главным участником процессов круговорота вещества и энергии в природе. Изменение состояния значительно изменяет свойства воды - переход из жидкости в газ увеличивает объемы более чем в тысячу раз и в 1,09 - до твердого состояния. Для фазовых переходов требуются значительные изменения энергетического состояния, которые на один килограмм воды равны: r = 540 ккал (2260 кДж) - скрытая теплота парообразования (или теплота конденсации в случае перехода пары в воду); λ = 79,8 ккал (334 кДж) - теплота замерзания воды (или теплота таяния льда).

Природная вода - это сложная совокупность твердых и газообразных элементов в химически чистой жидкости Н 2 О, которую легко можно получить путем конденсации водяного пара. Конденсат применяется только в технических целях, потому что это "мертвая", "искусственная" вода. Свойства природной воды до конца не выяснены. Почему "талая" вода, полученная из льда несколько часов назад, гораздо полезнее для животных и растений, чем та же к замерзанию или через несколько дней после оттаивания? Почему при понижении температуры плотность воды увеличивается до температуры 4 градуса, а далее - уменьшается? Перечень проблемных вопросов можно продолжать ...

Атмосферный воздух - это смесь почти двадцати газов, главными из которых являются азот (78,19% объема), кислород (20,94%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%). Приведенное в табл. 2.2. значение плотности не является постоянным - оно зависит от других показателей воздуха согласно так называемому r = уравнением состояния, в котором Р - атмосферное давление (кг / м2), Т - температура (К), R - универсальная газовая постоянная. Величина R для атмосферного воздуха равна 29,3 кг * м / кг * град (287 Дж / кг * град).

В табл. 2.3 приведены данные об изменении показателей атмосферного воздуха в зависимости от высоты над поверхностью моря.

Таблица 23 Влияние высоты на показатели воздуха

Показатель атмосферного воздуха

Высота над уровнем моря (км)

0

1

2

3

5

10

15

Давление Р (кг * м 2)

10330

860

784

700

530

260

120

Температура (К)

288

282

275

269

256

223

217

Плотность (г / м 3)

Тысяче двести двадцать пять

1 110

1 012

910

730

410

190

Важной для биосферы свойством атмосферного воздуха является его влажность - абсолютная d (количество водяного пара в одном килограмме воздуха) или относительная j (в процентах к наибольшему количеству влаги, которая может находиться в парообразном состоянии при температуре воздуха). Связь между абсолютной и относительной влажностью при постоянной температуре 20 ° С такой:

Влажность относительная j (%)

100

90

80

70

60

50

Влажность абсолютная d (г / кг)

17,3

13,5

11,9

10,4

8,9

7,4

Максимально возможная влажность воздуха соответствует требованиям j = 100% и зависит от температуры следующим образом:

Приведенные данные свидетельствуют о большом количестве влаги, которая может сконденсироваться из воздуха при охлаждении. Например, при уменьшении температуры ночью до 20 ° С с дневной 30 ° С при стопроцентной влажности воздуха в виде утренней росы выпадет Δd = d 30 -d 20 = 27,3 - 15,0 = 12,3 граммов с каждого килограмма насыщенного влагой воздуха.

Для использования расчетов, связанных с влажным воздухом, используют диаграммы, предложенные Л. К. Рамзин.

Грунт - самый верхний и самый тонкий слой земной коры - сложное образование, В.И. Вернадский назвал биокосная система. Это сложный биогеоценоз - единство минеральной и органической вещества, продуктов жизнедеятельности организмов, воздуха и воды. 40-50 лет в почве не остается ни доли минеральной массы, которая не была бы переработана кем живым. Например, дождевой червь пропускает через пищеварительную 5 килограммов грунта в год.

Грунт - это сложная трехфазный система, в которой твердое пронизано множеством щелей, заполненных газоводною смесью, температура и влажность которой стабильны, чем над поверхностью почвы. В почве накапливаются органические и минеральные вещества. Все это обеспечивает большую насыщенность почвы жизнью - на один квадратный метр площади приходится миллиарды клеток простейших, микроскопических грибов и бактерий, миллионы коловраток, нематод и тихоходок, тысячи клещей, колембол и других членистоногих, сотни червей, моллюсков и других беспозвоночных. На освещенных поверхностях находится множество фотосинтезирующих клеток зеленых, желто-зеленых, диатомовых и сине-зеленых водорослей.

Между почвой и подпочвенным горизонтом происходит непрерывный обмен веществ. Атмосферные осадки инициируют движение грунтовых вод, которые размывают и переносят соли, глинистые и песчаные материалы. Пористая структура позволяет поступать вглубь воздуху, кислород и азот которого химическим путем "перерабатывают" вещества.

Грунт обеспечивает возможность существования растительном миру, то есть основой поддержания жизни на суше и первоисточником существования земной биоты. Участки открытого грунта занимают не более десяти процентов земной поверхности. Остальное - это горы, пустыни, снега, ледники, тундра, земли проживания людей и их промышленной деятельности.

В зависимости от геологической основы почвы бывают песчаные, супесчаные, подзолистые, черноземы и другие. Отличаются они составом и строением. Выдающийся почвовед В.В. Докучаев (1846-1903) указывал, что разница между черноземом и подзол, кроме многих признаков, определяется и в их строении. Подзол - борошноподибний, пылевой, чернозем-зернистый, подобный губке, которая пронизана порами и прекрасно пропускает через себя воздух и воду. Именно в структуре чернозема его главное преимущество ...

Показателем производительности, то есть ценности, почвы является содержание в нем гумуса - органического вещества. Чем больше гумуса, тем лучше тепловой, водный и воздушный режим почвы. Тем он богаче главными элементами питания растений. Тем активнее в нем идет образование нитратов и углекислоты, необходимой для фотосинтеза. Тем лучше фиксируется атмосферный азот микроорганизмами, которые живут в корневом горизонте почвы. Гумус - органическая часть почвы - представляет собой совокупность продуктов микробиологической деятельности и продуктов распада растительных и других остатков. Состав гумуса (в%): углерод - 58; кислород - 30-39; водород - 4,5; азот - 1,5-7,0; пепловая вещество - 2-8. Присутствуют также калий, сера, фосфор, кальций, натрий, железо и другие.

Гумус накапливается на поверхности почвы в виде десяти-, двадцатисантиметровый прослойки. Только в черноземах глубина гумуса может достигать метра и более. Во времена В.В. Докучаева на гектаре чернозема было до 300 тонн гумуса, то есть 10-13 процентов. Сейчас - 150-100 и даже 50 тонн. Процесс гумусоутворення очень медленный - несколько процентов за десятки лет.

Почва является верхним слоем земной коры и тесно связан с основой. На глубине 10-20 километров земная кора имеет такой химический состав: кислород - 49,13; кремний - 26,00; калий и магний - по 2,35; водород -1,00%.

Элементы соединены в природные химические образования земной коры, которые называют минералами. Они возникают и разрушаются в результате физико-химических процессов, которые происходят с разной скоростью во всех слоях земной коры. В зависимости от происхождения минеральных накоплений в земной коре рассматривают магматические образования - результат застывания магмы, которая попала из глубин в кору, осадной породы возникли в результате разрушения и переформирования ранее сформированных горных пород и метаморфические породы - продукты изменений магматических и осадных образований под воздействием высоких температур и давления. Верхняя часть земной коры на 95% состоит из магматических образований. Поверхностные слои горных пород начальный субстратом, из которого под влиянием растительности, микроорганизмов и животных образуются почвы.

В табл. 2.4 приведены данные, характеризующие зависимость от глубины залегания свойств современного южного чернозема.

Таблица 2.4 Показатели южного чернозема

Показатель

Глубина взятия пробы грунта (см)

0-10

25-30

40-50

55-60

70-80

рН водный

6,9

7,6

7,6

7,9

8,0

рН солевой

6,2

6,4

6,9

7,5

7,5

Общая пористость (%)

61,6

51,6

49,9

46,1

43,1

Общее содержание гумуса

(%)

3,1

2,6

1,5

0,9

0,6

Валовой азот (%)

0,16

0,15

о, п

0,09

-

Живое вещество - это совокупность живых существ (растений, животных, микроорганизмов и т.д.), которые существуют в атмосфере, гидросфере и почве. Несмотря на вроде бы большую разницу между живым и неживым, постоянно стоит вопрос: что такое "живое", как и когда оно возникло на Земле? Есть немало примеров, когда невозможно отличить живое существо от представителя неживой природы. Это, прежде всего, вирусы, которые вне живой клетки "мертвые как камень", а в ее недрах обнаруживают черты живого. Недавно выявленным бактериям и другим микроорганизмам, которые находятся в неживом состоянии - анабиозе, более десяти тысяч лет.

Главным признаком жизни А. И. В паре н считает обмен веществ, В.А. Бнгельгард - способность воспроизводить себе подобных, трансформацию энергии, возбудимость, движение. В.А. Трапезников уверен, что наиболее характерным признаком живого организма является процесс управления или наличие механизмов самоорганизации.

Нет единства ученых и в вопросах происхождения жизни. А.И. Опарин и многие другие уверены в эволюционном зарождении жизни на Земле из неживых природных образований (воды, аммиака, метана и других) за счет действия излучений различного типа (короткого ультрафиолета, радиоактивного и других). Базой таких утверждений является тот факт, что и живая, и неживая материя состоит из одинаковых химических элементов.

В. И. Вернадский и его последователи, опираясь на отсутствие исторических фактов и неспособность современной науки воспроизвести процессы зарождения жизни из неживой материи, склоняются к космического происхождения жизни на Земле. А. Блюменфельд, используя современную вычислительную технику, подсчитал, что вероятность самозарождения живого организма из неживых блоков практически равна нулю.

Несмотря на сравнительно небольшую массу, которая в тысячу раз меньше массы гидросферы, живое вещество по многообразию значительно опережает неживую: если количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет около двух тысяч, то в состав живого вещества входит более двух миллионов органических соединений. Сегодня насчитывается около двух миллионов видов организмов, из них полтора миллиона приходится на животных и полмиллиона - на растения.

Распределение живого на животный и растительный мир произошел примерно миллиард лет назад. Они отличаются, во-первых, структурой клеток и их способностью к росту, во-вторых, средством питания, в-третьих, способностью двигаться.

Больше всего распространены животные - это насекомые (более одного миллиона видов), моллюски (более ста тысяч), членистоногие (пятьдесят тысяч). По десять тысяч видов имеют птицы и кишечнополостные. Группа высших животных - млекопитающих - насчитывает шесть тысяч видов.

Из пятисот видов растений половина приходится на покрытосеменных. Сто видов составляют бактерии и грибы, двадцать пять тысяч - водоросли.

Многообразие водной флоры и фауны значительно беднее материковую - в воде обитают лишь 180 000 видов животных и около 20 000 видов растений. Наибольшее распространение имеет небольшой (4-6 см) морской рачок криль - его насчитывается до двух миллиардов тонн. Многие кальмаров - их суммарный вес примерно равна массе всех рыб.

Как известно, океан - это колыбель биосферы. Только 350000000 лет назад живые организмы начали переселяться из воды на сушу. Жизнь возникла в воде том, что:

- Мировой океан содержал большое количество питательных веществ;

- Слой воды глубиной 10-12 м полностью нейтрализует пагубное действие коротковолновых ультрафиолетовых лучей.

И сегодня в воде остались самые крупные и тяжелые представители живого - киты. Считают, что тому есть две причины: во-первых, водным жителям не нужно тратить энергию на терморегулирования тела и, во-вторых, благодаря невесомости пребывания в воде не требует затрат энергии на преодоление гравитационных сил.

Менее 40 процентов водной поверхности - акватории - приходится на долю неглубоких биологически продуктивных участков, которые производят больше 500000000000 тонн органического вещества. Среди нектона, плавающих животных - рыбы, кальмары и другие головоногие моллюски, морские млекопитающие (киты и ластоногие). Бентос - это глубинные придонные и донные морские организмы - моллюски, ракообразные, колючкошкири. Водоросли (бурые, красные, зеленые) составляют фитобентос.

Гидросфера сохранила много тайн из истории жизни на Земле.

В воде живут одни из древнейших представителей водных животных - осетровые рыбы.

Некоторые микроорганизмы имеют эффективность фотосинтеза на порядок выше, чем сухопутные растения, благодаря рациональной строении. Например, клетка хлореллы выполняет все жизненные функции же: она воспринимает питательные вещества из окружающей среды, в ней проходят все процессы "пищеварения", и она же является органом размножения. Клетка не отдает часть солнечной энергии на содержание и деятельность других клеток. КПД хлореллы равна 7-29%.

На дне Тихого океана в районе, который находится на расстоянии 400 километров к западу от залива Пьюджст-Саунд, обнаружено сверхгорячего источник с температурой воды около 400 ° С. В этой воде живут моллюски и черви. В другом месте на глубине три километра является одноклеточные животные, которые питаются водородом, азотом и тяжелыми металлами. В глубинах океана вблизи "черных курильщиков" миллиарды хемосинтезирующих бактерий потребляют ядовитые сероводород и метан.

За многовековую историю биосфера пережила и периоды расцвета, когда почти на всей планете бушевала тропическая растительность, и периоды резкого похолодания, когда ледники достигали границ современных субтропиков. Ученые дали этому явлению название "волны жизни". Они выделяют 6 максимумов жизни, которые состоялись 0,25; 0,5-0,7; 0,9-1,0; 1,7-2,1; 2,6-2,8 и 3,5-3,7 миллиардов лет назад и совпали с периодами усиления магматизма и вулканизма, когда из недр планеты увеличивались поступления питательных веществ.

В каждый геологический период представители живого приспосабливались к новым условиям или исчезали, не сумев или не успев приспособиться.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислить виды вещества по определению В. И. Вернадского.

2. Что такое свойство вещества?

3. Назовите показатели определенного свойства воды (воздуха).

4. Определить, что такое удельная теплоемкость воды (воздуха).

5. Определить, что такое природная вода.

6. Что такое рН воды?

7. Какая вола считается пресной?

8. Построить графическую зависимость содержания кислорода в воде от температуры.

9. Почему наблюдаются естественные заморы рыбы зимой?

10. В чем причина природных заморов рыбы летом?

11. Объяснить понятие "теплота парообразования". 12.3 чего состоит атмосферный воздух?

13. Почему на высокой горе человеку не хватает воздуха?

14. Определить, сколько росы выпадет из воздуха влажностью 80% при снижении температуры с 35 ° С до 30 ° С.

15. Что такое фунт?

16. Обоснуйте свойства и показатели почвы.

17. Обоснуйте признаки живого вещества.

18. Сравните живом веществе водную и наземную по многообразию условий существования.

19. Насколько изменится массовая количество воздуха в комнате размером 6 * 5 * 3 метра при увеличении температуры с 15 до 20 ° С?

 
< 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