Лекция 5
Круговорот веществ и энергии
Круговорот веществ и энергии в природе складывается из нескольких взаимосвязанных процессов:
Регулярно повторяющийся или непрерывный поток энергии, а также образование и синтез новых соединений.
Постоянный или периодический перенос и перераспределение энергии, вынос и направленное перемещение синтезированных соединений под влиянием физических, химических и биологических агентов.
Разложение и деструкция (разрушение) синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных факторов среды.
Образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообразном, жидком или твердом состоянии, которые в последствии становятся составными компонентами для новых циклов круговорота веществ.
Энергия Солнца
Родоначальником всех известных видов энергии, включая и ядерную, является Солнце. За трое суток Земля получает от Солнца такое количество энергии, какое могло бы освободиться при сжигании всех имеющихся природных запасов угля, газа, нефти и древесины.
Энергия Солнца излучается в космос в виде спектра ультрафиолетового, видимого (светового) и инфракрасного излучения и других форм лучистой и электромагнитной энергии.
Рис. Поток энергии к земной поверхности и от нее
Около 34% энергии Солнца сразу же отражается назад в космос облаками, пылью и другими веществами находящимися в атмосфере, а также собственно поверхностью Земли. Из оставшихся 66% большая часть идет на нагревание атмосферы и суши, испарение и круговорот воды в экосфере, преобразуется в энергию ветров. И лишь незначительная часть этой энергии (0,023%) улавливается зелеными растениями и используется в процессе фотосинтеза для образования органических соединений.
Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический).
Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.
КАРТИНКА
Осадочные горные породы (образованные за счет выветривания магматических пород) в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются --> магма (источник новых магматических пород). --> магм. породы поднимаются на з.поверхность (процессы выветривания) --> трансформация в новые осадочные породы.
Большой круговорот – это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу.
Круговорот воды (гидрологический цикл)
В результате круговорота воды происходит ее накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.
Рис. Упрощенная диаграмма круговорота воды
(испарение воды с поверхности океана --> переносится на сушу --> выпадает в виде осадков --> в виде поверхностного и подземного стока снова в океан).
Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещают воду между океанами, атмосферой, сущей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение (превращение воды в водяной пар), конденсация (превращение водяного пара в капли жидкости), осадки (дождь, изморось, град, снег) и сток воды назад в море для возобновления цикла.
Под воздействием поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек, озер, почв и растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы Земли. Понижение температуры в отдельных частях атмосферы приводит к образованию массы мельчайших капелек воды в виде облаков или тумана. В конце концов капли воды сливаются вместе и становятся на столько тяжелыми, что выпадают на поверхность суши или водоема в виде атмосферных осадков.
В среднем молекула воды находится в воздухе около 10 дней, прежде чем попадает с осадками на землю. Примерно 1/2 всех осадков на планете выпадает в зоне тропических лесов.
Часть пресной воды, выпадающей на землю, замерзает в ледниках. Однако в основном вода стекает в ближайшие озера, руки и ручьи, которые несут ее обратно в океан, тем самым замыкая кольцо круговорота.
Значительная часть воды просачивается глубоко в грунт. Там происходит накопление грунтовых вод в водоносных горизонтах. Однако циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод. Подземные источники и водотоки в итоге возвращаются на поверхность суши и в реки и озера, откуда снова испаряется или стекает в океан.
Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:
забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или вторжению океанической соленой воды в подземные водоносные горизонты.
сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог и жилья. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивается риск наводнений и повышает интенсивность стока, тем самым усиливая эрозию почв.
В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3. Круговорот воды играет основную роль в формировании природных условий на планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.