Природные процессы
Природа постоянно меняется, все в ней движется - от птицы к горе или материка. Ничто не останавливается ни на минуту - ни живое вещество, ни КОСНА. Это движение, эти изменения характеризуются естественными процессами, которые по своей сути могут быть физическими, химическими, биологическими или комплексными. Для осуществления всякого процесса нужна энергия, естественным первоисточником которой является Солнце и сама Земля. Благодаря энергии вещество перемещается, превращается, разрушается, создается в непрерывном процессе природных круговоротов. Размеры преобразований зависят от свойств вещества и энергетического потенциала, в случае перемещения характеризуется зависимостью (5).
Анализ зависимости (5) с использованием данных табл. 2.2 обнаруживает, что наиболее подвижной из приведенных природных веществ вследствие малой плотности является атмосферный воздух. Для перемещения одного кубометра воды с определенной скоростью необходимо потратить почти в тысячу раз больше энергии, чем для такого же перемещения воздуха.
Солнечная энергия является причиной перемещения воздушных масс в атмосфере, наглядно показывается с помощью уравнения состояния воздуха
где ΔT- изменение температуры в результате подогрева (К); Q - поглощенная энергия (ккал кДж); М масса вещества (кг); с - удельная теплоемкость, которая для воздуха приземного слоя равна 0,24 ккал / (кг * град) (1,0 кДж / (кг * град)).
От того, насколько прогреется воздух, зависит его температура и, как правило, плотность. Легкий воздух поднимается вверх, тяжелее (т.е. холоднее) - вниз. Особенности нагрева зависят от времени суток, особенностей рельефа местности и многих других факторов. В планетарном масштабе это явление проявляется в том, что больше всего прогреваются тропические районы, и там наблюдается постоянный мощный поток нагретого воздуха вверх на несколько километров. На высоте 10-17 километров воздуха растекается от экватора к югу и к северу. На смену теплому воздуху на экватор движутся земной поверхностью встречные потоки более холодного воздуха. Вращение планеты отклоняет потоки - верхние становятся западными, а нижние - восточными, которые называются пассатами.
В глобальном циркуляционном кругу воздуха меняется не только его температура. Поднявшись над тропиками на высоту более 10 километров, воздух сильно охлаждается и теряет почти всю влагу. Сухой воздух снижается, нагревается у земной поверхности и движется дальше как суховей. Именно на этих широтах (25-30 градусов) размещаются пустыни Сахара и Калахари в Африке, Аравийская и Тар в Азии, пустыня в Австралии.
Важным элементом тропосферы есть облака - накопление очень маленьких капелек воды, которые покрывают почти половину поверхности планеты. Облака собираются поверхностными ветрами, которые, в свою очередь, вызываются снижением давления на отдельной территории земной поверхности. Область пониженного давления называется циклоном. Антициклоном называется область повышенного атмосферного давления у поверхности Земли. В антициклоне сухой воздух опускается с верхних слоев тропосферы. Поэтому здесь ясное, безоблачное небо. Циклоны и антициклоны имеют размеры до трех тысяч километров и средний срок жизни около недели. Поэтому говорят, что "память" атмосферы не превышает недели.
В результате грозы иногда возникает такое опасное природное явление, как вихрь, или торнадо, когда на небольшой территории образуются два слоя воздуха различной температуры, влажности и плотности. Развиваются вертикально-круговые течения воздуха с скоростью 50-100 метров в секунду. В вихрь увлекаются соседние массы воздуха, и он начинает двигаться над поверхностью земли. Энергия торнадо бывает огромной: в 1945 году во французском городе Монвиль было полностью разрушено фабрику, в результате чего погибли сотни рабочих. В 1984 году торнадо со скоростью почти 100 м / с пронесся по Ивановской области России и уничтожил тысячи гектаров леса, разрушил здания, потерял посевы. Над территорией США в год проносится около 700 торнадо, что вызывает большой вред природе и людям.
Рассмотрены физические процессы в атмосфере происходят одновременно с химическими превращениями. На высоте 30-50 километров под влиянием ультрафиолетовой части солнечного излучения молекулы воды Н 2 О распадаются на водород и кислород. Легкий водород в количестве одного килограмма в секунду поднимается вверх в термосферу, а кислород остается (8 кг / с). Действие грозовых разрядов и солнечного ультрафиолета приводит к распаду некоторых молекул кислорода на атомы, которые, вступая в реакции с молекулами кислорода, образуют озон О 3. На высоте 30 километров наблюдается самая высокая концентрация озона - одна молекула В 3 приходится на сто тысяч молекул В 2. Если изъять весь озон, то при нормальном давлении (т.е. на уровне моря) он разместится в слое толщиной около трех сантиметров.
Нормальный естественное состояние озонового слоя характеризуется значениями 300-320 А.Д. (единиц Добсона).
Вода движется под влиянием различных причин. Ветер, то есть движение атмосферного воздуха, вызывает поверхностные нагонных-отгонно течения на всех водных объектах. Эти течения, в свою очередь, становятся временной причиной вертикальных перемещений масс воды, так называемого апвеллинга. На место поверхностной прогретой и насыщенной газами (в частности кислородом) воды из глубин поднимается холодная вода.
Речная вода движется под воздействием земной гравитационной силы. Скорость течения зависит от стока реки W (м / с) и плоскости сечения потока F (м 2):
Массы морской воды перемещаются в виде приливов и отливов от действия сил притяжения Луны (в большей степени) и Солнца (в меньшей степени).
Вопреки силам земного притяжения вода движется снизу вверх в почве и в растениях благодаря капиллярному эффекту смачивания и силе вакуума выпаривания.
Солнце является причиной гигантских океанских течений - теплых поверхностных Гольфстрим и Курасиво и холодных глубинных в противоположном направлении противотечений. Известный климатолог Д. И. Воейков назвал теплые течения трубами водяного отопления земного шара ". Гольфстрим каждую секунду переносит 83 миллионов кубических метров нагретой на экваторе воды в северном направлении, прогревая воды на протяжении тысяч километров - его мощное влияние ощущается до Баренцева моря, где у берегов заполярного Мурманска вода не замерзает суровой зимой.
Еще более мощная - 140 * 10 м / с - циркумполярное течение вокруг Антарктиды изолирует "ледовый" материк и обусловливает более суровый климат, чем в Арктике.
Благодаря багатостановости, подвижности и теплоемкости воды гидросфера играет главную роль в создании климата Земли. Мировой океан является планетарным аккумулятором - стабилизатором тепла, нетрудно показать с помощью зависимости (6).
Учитывая, что масса воды Ма больше массы атмосферного воздуха М "в 258 раз, определим, насколько будет отличаться количество аккумулированного тепла водой и воздухом:
Полученный результат ярко подтверждает приоритетное значение гидросферы в формировании тепловых процессов на планете. Ночью и зимой вода подогревает поверхность Земли и атмосферу, а в жару поглощает часть их тепла. Она переносит тепло с экватора к приполюсном регионов, чем уменьшает среднюю температуру в тропиках и повышает в холодных краях. Этот процесс неравномерен. Существуют районы особенно активного взаимодействия между океаном и атмосферой - так называемые энергоактивные Зоны. Хорошо известная нью-фаундлендська энергоактивные зона в виде гидравлического вихря диаметром около 200 километров в Гольфстриме. Здесь с каждого квадратного метра водной поверхности поступает в атмосферу 175 ватт энергии в год.
Передача теплоты сопровождается процессом испарения воды с образованием в атмосфере дождевых облаков. В этих облаках накапливаются другие газы - серные и азотистые от извержения вулканов и других литосферных процессов, окислы азота, которые образуются при грозе от ионизации молекул азота. Растворенные в влаге облаков газы образуют кислоты, которые оказывают дождям естественную кислотность.
Солнечная энергия, прежде чем попасть на земную поверхность, проходит "просеивания". Четыре процента солнечного излучения, а именно - ультрафиолетовый, губительное для всего живого, спектр (λ = 220 ... 290 нанометров (нм = 10 -9), поглощается озоном, слой которого находится на высоте 20 ... 60 километров. Озон при этом частично разрушается. Его постоянное обновление происходит вследствие естественных процессов.
Инфракрасный спектр (λ> 1000 нм) частично поглощается водяным паром в верхних слоях тропосферы - это еще четыре процента солнечной энергии.
Поглощенная солнечная энергия повышает температуру атмосферного воздуха в соответствии с зависимостью (6) на величину ΔT.
92 процента солнечной энергии (290 <λ <2 000 нм) проходит в нижние слои тропосферы. Половина не поглощается, а рассеивается воздухом, предоставляя небу голубой цвет. Вторая половина попадает на земную поверхность и частично поглощается литосферы, гидросферы, растениями. А так называемое альбедо, равное 28 процентам от излучения Солнца на Землю, отражается и возвращается в атмосферу.
Световая энергия Солнца на земной поверхности переходит в тепловую - инфракрасную, возвращению которой в космос мешают (потому поглощают) водяной пар и углекислый газ. Этот механизм повышения температуры на земной поверхности и в нижней атмосфере получил название парникового эффекта (природного). Он характеризуется значением ΔT = 31-32 ° С. Без естественного парникового эффекта средняя температура воздуха на планете была бы отрицательной (-16 ÷ 17 ° С).
Широко распространенным природным процессом является радиоактивное излучение - превращение неустойчивых изотопов химического элемента в другие изотопы, сопровождающиеся излучением элементарных частиц или ядер, а также жестким электромагнитным гамма-излучением. Известно около 50 природных радиоактивных изотопов, среди которых только изотопы урана и тория имеют период полураспада, который измеряется геологическим время. Все другие природные изотопы называют вторичными, поскольку их запас постоянно пополняется за счет распада долговременных. Естественный радиационный фон создается излучением радиоактивных веществ на поверхности земли, в приземной атмосфере, в воде, в растениях и животных. Главным источником поступления в окружающую среду естественных радиоактивных веществ являются горные породы.
Одним из величайших чудес природы является процесс образования органического вещества - процесс фотосинтеза, когда зеленая Суходольная или водное растение создает свою биомассу за счет световой энергии Солнца (к = 380-710 нм), волы и углекислого газа согласно зависимости (7)
В течение года "средняя" растение (в расчете на один килограмм сухого вещества) поглощает 5,4 мегаджоулей солнечной энергии, потребляет в процессе фотосинтеза 0,5 килограмма углекислого газа и 150 граммов воды, выделяет 350 храмов кислорода и образует 300 граммов органического вещества. Для "дыхания" растения, которое происходит ночью параллельно с дневным фотосинтезом, используется 230 граммов кислорода, 200 граммов органического вещества, которое окисляется с образованием 330 граммов углекислого газа и 100 граммов воды и с освобождением 3,6 мегаджоуля энергии, используемой для физиологических потребностей растения. Таким образом, биологический «урожай» составляет 100 Ирам органического вещества, равна десяти процентам увеличения начальной биомассы и 120 граммов кислорода.
Активность фотосинтеза в течение дня меняется: при розово-сумеречном свете (утром, вечером, при небольшой облачности) она максимальна. Когда Солнце в зените - процессы замедляются и даже могут прекращаться.
Содержание энергии в биомассе, накопленной в процессе фотосинтеза, зависит от вида биомассы и составляет за год (килоджоулей на квадратный метр): растительность болот - 35; равнинный лес средней полосы - 20; луга и пастбища - 12; растения на обработанной почве - 11; тайга 10; растительность в озерах и реках - 10.
Эффективность использования тепловых лучей в процессе фотосинтеза невысока. Теоретически - это 15 процентов, практически - 1 (зерновые культуры), 2 (сахарный тростник - одна из наиболее продуктивных растений) процента.
Для живой природы одним из главных процессов является процесс питания, с особенностями которого организм классифицируется следующим образом.
Автогроф - организм (зеленое растение), который образует вещество своего тела из неорганических составляющих и обеспечивает обмен веществ, используя энергию Солнца (гелиотроф или фототрофы) или энергию, которая высвобождается при химических реакциях (хемотрофы) окисления аммиака, сероводорода и других веществ, имеющихся в воде, фунте и почве. Автотрофы еще называют продуцентами, потому что они синтезируют (производят) органическое вещество за счет неорганических соединений.
Гетеротрофам - организм, который питается готовыми органическими веществами и не способен синтезировать органическое вещество из неорганического. Эти организмы еще называют консументами (в отличие вол продуцентов). Консументы могут быть первичными (1-го порядка), если употребляют растительную пищу, вторичными (2-го порядка) - которые принимают животных, и микроконсументамы или редуцентами (главным образом бактерии и грибы), - это те, что разрушают мертвые тела, питаются частью продуктов распада и высвобождают неорганические биогенные вещества, которые используют растения.
Мезотроф - организм, который, в зависимости от условий питается как автотрофы или как гетеротрофы.
В свою очередь, каждая из этих групп можно делить на более мелкие, каждая из которых имеет свои особенности в процессе питания. Например, существуют гетеротрофные бактерии, которые потребляют метан, который для большинства живых организмов является ядом.
После отмирания живого вещества происходят процессы ее разложения двух типов - окисление и брожения. Окисление происходит при наличии кислорода и описывается зависимостью (7) в обратном направлении (справа налево) с выделением теплоты, СО 2 и Н 2 О. В случае, когда кислород отсутствует, происходит процесс брожения с выделением углекислого газа и водорода Нет (водородное брожение), или метана СН 4 (метановое брожение), или спирта С 2 Н 5 ОН (спиртовое брожение).
Контрольные вопросы и задания
1. Выполнить необходимые расчеты и графически построить эпюру скорости движения воздуха в атмосферном фронте постоянной энергии высотой до 10 километров, если скорость над земной поверхностью равна 10м / с.
2. Насколько изменится температура воздуха в комнате размерами 6 * 5 * 3 метра за счет охлаждения 200 литров воды на 50 градусов?
3. В чем причина суховеев?
4. Запишите реакции образования кислорода, водорода и озона в атмосфере.
5. Дайте характеристику озоновому слою
6. Перечислите причины движения водных масс.
7. Определить ширину реки, сток которой составляет 50 м 3 / с при скорости 1 м / с, если средняя глубина реки 2 метра.
8. Почему вода поднимается по стволу дерева вверх?
9. Какие свойства воды определяют ее первостепенную роль в обеспечении климата планеты?
10. В чем причины природного парникового эффекта?
11. Назовите три положительные последствия фотосинтеза.
12. Какие процессы происходят после естественного отмирания живого вещества?
13. В чем принципиальная разница между процессами окисления и брожения.
14. Возможно ли использование уравнения (7) для иллюстрации процессов в организмах животных?
15. Рассчитать количество энергии, поступающей в атмосферу в зоне нью-фаундлендськои энергоактивные зоны.
