Как происходит круговорот углерода в природе

Биогеохимический цикл углерода, схема круговорота газа в природе

> Наука > Биология > Биогеохимический круговорот углерода в природе

Углерод относится к химическим элементам, без деятельности которых невозможна жизнь на нашей планете. Он находится в каждом атоме биологической структуры и берёт на себя функцию строительного материала.

Перманентный (постоянный) процесс перемещения углерода из органических структур в неживые тела называется круговоротом углекислого газа на планете.

Такая деятельность позволяет поддерживать способность к существованию каждого атома биосферы.

…

• Круговорот углерода в природе
• Дыхательный обмен
• Деятельность мельчайших существ
• Углерод на суше
• Биогеохимический цикл углерода в океане
• Роль человека
• Значение круговорота

Круговорот углерода в природе

В окружающей среде имеются две разновидности соединений: органические (живые) и неорганические (мёртвые). К первым относят вещества биологического происхождения (углеводы, белки и липиды). В их структуре находится ряд важнейших макроэлементов.

В неорганических соединениях, возникающих путём взаимодействия химических реакций, совсем отсутствует углерод. К ним относят металлы, газы, оксиды, соли и т. д. Биосфера, используя углерод в качестве основополагающего элемента, трансформирует одно состояние в другое.

Наука называет этот процесс «круговоротом веществ»:

• Атмосфера, водная среда и земля наполнены неорганическими соединениями, попадающими в пищевой тракт простейших живых существ (грибы, растения).
• Последних поглощают высшие животные.
• Когда эти создания погибают, мельчайшие организмы начинают перерабатывать мёртвую плоть обратно в состояние металла или соли.

Таким представляется общий принцип круговорота углекислого газа в природе. Однако, если рассматривать вопрос глубже, возникают различные нюансы.

: энергетический и пластический обмен — процессы в клетке.

Дыхательный обмен

СО2 обнаруживается в воздухе и минеральных запасах земли. Он образуется вследствие процессов дыхания, горения и гниения.

Флора легко усваивает углерод, трансформировавшийся в газ, а после перерабатывает его в органику. В структуре листьев растений происходит фотосинтез — процесс образования кислорода из хлорофилла и солнечного света.

С помощью особых пигментов представители флоры вбирают и запасают энергию на биологических мембранах.

Качество и скорость поглощения зависит от категории самого растения. Животные обязаны своим существованием именно флоре, производящей в огромных количествах необходимый в дыхании кислород.

Деятельность мельчайших существ

Вирусы, бактерии и паразиты могут с большим правом называться началом и концом всякой пищевой цепи. Благодаря действию мельчайших существ высшие растения и представители животного мира получают необходимую энергию для существования. Умершие организмы попадают в структуру почвы или достигают дна океана.

Без деятельности вирусов и бактерий плоть животных или тело растений оставались бы лежать в нетронутом состоянии. Перерабатывая мёртвую структуру, мельчайшие существа способствуют выделению углекислого газа или его простых соединений. Следовательно, питание получают живые организмы, а круговорот элементов начинается вновь.

: сколько мышц у человека можно насчитать?

Некоторые создания совсем не нуждаются в кислороде, чтобы расщепить мёртвую структуру. Анаэробные бактерии процветают в водной среде и способны образовывать чёрное сернистое железо, которое придаёт рекам или болотам характерный цвет.

Симбиоз — выгодное взаимодействие двух организмов — является частью круговорота углерода в биосфере. Некоторые животные неспособны расщепить клетчатку (целлюлозу), имеющую сложную структуру.

Однако природа поместила в желудки парнокопытных полезные микроорганизмы. Последние легко справляются с расщеплением целлюлозы до простых элементов, получая при этом пищу.

Желудок парнокопытных усваивает переработанную клетчатку.

Углерод на суше

В атмосфере находится треть этого элемента. Растениям, которые выступают главным звеном пищевой цепи, достаточно такого количества, чтобы получить необходимую энергию в процессе фотосинтеза.

Травоядные животные приспособлены к употреблению листьев, кореньев и стеблей. Хищники созданы, чтобы поедать более слабых любителей флоры.

Органические вещества, образовавшиеся после смерти плотоядного, проникают в глубокие слои грунта, где перерабатываются активными насекомыми, бактериями и вирусами.

Жизнедеятельность мельчайших организмов стимулирует образование солей и газов, которые внедряются в структуру растений. Макроэлементы могут надолго задержаться в глубоких слоях грунта, но чаще они высвобождаются в процессе горения торфа, метана и нефти. Круговорот веществ возобновляется.

Биогеохимический цикл углерода в океане

Процесс взаимодействия элементов в водной среде несколько сложнее, чем на земле. Углекислый газ долго растворяется в жидкости, и взаимодействие веществ замедлено.

В гидросфере классифицируют три резервуара с этим элементом: поверхность, глубокие воды и область радиоактивных веществ. За переработку углекислоты отвечает планктон, находящийся в верхних слоях океана. Здесь начинается пищевая цепочка.

Затем высшие организмы поглощают слабых, а погибая, опускаются на самое дно, где подвергаются тщательной переработке со стороны микроорганизмов.

Роль человека

«Царь природы» давно покинул рамки животной жизнедеятельности и старается подстроить под свои нужды окружающую биосферу, злоупотребляя использованием ресурсов:

• Человек стремительно уменьшает количество растений на планете, что приводит к перенасыщению атмосферы углекислым газом.
• На промышленных фабриках сжигается чрезмерное количество полезных ископаемых. Это провоцирует дисбаланс химических элементов в биосфере.
• Антропогенная деятельность, по одной из версий, вызывает постепенное глобальное потепление. Парниковые газы задерживают отдачу инфракрасного излучения Землёй в космос, поэтому на планете растёт средняя температура. В числе последствий глобального потепления называется расширение Мирового океана, что приведёт к гибели большего количества представителей биосферы.

Значение круговорота

За миллионы лет существования планеты в её структуре накопилось огромное число углекислоты. В истории известны различные вариации процесса обмена (медленные, постепенные и катастрофические).

Жизнь не обладала бы потенциалом к развитию, если исключить перемещение углерода из одних соединений в другие.

Этот элемент представляется главным компонентом при построении всякой биологической системы:

• Углеводы стимулируют рост растений и питают тела животных. Они распадаются в пищеварительном тракте.
• Гликоген, образующийся в печени, выступает как дополнительный ресурс энергии для высших организмов.
• Углерод — строительный материал белка, которой создаётся из аминокислот.

Значение элемента для поддержания жизненных процессов невозможно переоценить. Его циркуляция от органики к мёртвым объектам способствует расцвету новых структур и необходимому разрушению того, что устарело. На примере перемещения углерода легко проследить динамическую составляющую биологических процессов.

Отзывы и комментарии

Источник: https://obrazovanie.guru/nauka/biologiya/biogeohimicheskij-krugovorot-ugleroda-v-prirode.html

Круговорот углерода, азота, фосфора, кислорода,воды

Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО3. Лишь около 10 000 млрд т углерода находится в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ).

В неживой органике углерода: в океане — 3000 млрд т, в почве — 700 млрд т. углерода в биомассе (млрд т): наземные растения — 450, поверхностные слои моря — 500, фито-, зоопланктон и рыбы — 1020.

В атмосфере воздуха в виде СО2 — около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО2 воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

В процессе фотосинтеза СО2 превращается в сахара, жиры и другие вещества. Например:

6CO2 + 6H2O + hv— С6H12O6 + 6O2. (1.1)

Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыхания животных и растений (около 10 млрд т), разложения организмов в почве (в виде СО2, углеводородов, меркаптанов; около 25 млрд т).

Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмосферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.

; 5 млрд т) и природный его диоксид — при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускаются на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбонатные осадочные породы, а неразложившееся органическое вещество — ископаемое углеродное топливо. Обмен СО2 воздуха с поверхностными морскими водами составляет: растворение в воде 100 млрд т, выделение из воды — 97 млрд т.

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организмами: а) потребление СО2 в процессе фотосинтеза органических веществ, б) выделение СО2 при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма.

Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СО2 на суше и основным хранилищем биологически связанного углерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топливо, что исключает углерод из оборота на длительное время миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО2 в результате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.

Круговорот азота

Океан воздуха, окружающий Землю, содержит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: получение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез оксидов азота в атмосфере грозовыми разрядами — 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами — 30, бобовыми — 14, синезелеными водорослями — 10; синтез азотных удобрений человеком — 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Протеины при отмирании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты.

Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется.

Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с участием бактерий Nitrosomonos (реакция нитрификации):

NH3 + 1,5O2 — HNO2 + H2O + 273 кДж/моль. (1.2)

Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца.

Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ.

Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нитрификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в животные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СО2, Н2О, NH3. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде растворимых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенсируются соединениями азота из вулканических газов.

Денитрификация

Денитрификация — это процесс освобождения связанного азота посредством его восстановления с участием бактерий денитрификаторов. Например:

C6H12O6 + 8HNO2 — 6CO2 + 10H2O + 12N2 + 2394 кДж/моль (1.3)

Денитрификация идет в анаэробных условиях, т.е. в отсутствие кислорода как на суше (43 млрд т/год), так и в море (40 млрд т/год) с образованием 83 млрд т азота в год. На суше бактерии активны в почвах, богатых соединениями азота и углерода, особенно в навозе.

Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации (83 млрд т/год), в биосфере идет его накопление в количестве около 92 — 83 = 9 млрд т/год. Причина излишка — производство человеком избыточного количества азотных удобрений.

Таким образом, круговорот азота нарушен на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами.

Человечество ожидают новые осложнения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих отбросов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.

Круговорот фосфора

Значение фосфора для биосферы. Фосфор — составная часть важнейших для организмов органических соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав сложных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существенную роль в дыхании и размножении организмов.

При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустойчивость растений, увеличивается в них содержание ценных веществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фосфор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кислоты — ионов Н2РО4-, НРО42-. В почве их образуют три группы усвояемых фосфорных соединений: природные, органические и промышленные.

Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования — ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений составляет 20-60%. Промышленность выпускает фосфорные удобрения, которые хорошо усваиваются растениями.

Это двойной суперфосфат Са(Н2РО4)2-Н2О, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцентами); б) потребление животными (консументами), редуцентами; в) дефосфорилирование. В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн т в год.

Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложениях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс.

т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Считается, что круговорот фосфора — единственный в природе пример простого незамкнутого цикла.

Человек, производя фосфорные водорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн т в год апатита и фосфоритов. При таком расходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

Круговорот кислорода

Запасы кислорода в биосфере очень большие, примерно 50% ее массы. В ней он самый распространенный элемент. Основное количество связанного кислорода приходится на гидросферу и литосферу.

В песке его около 53%, глине 56%, воде — 89%. Свободный кислород содержится в атмосфере в количестве 1 200 000 млрд т, что составляет лишь 0,01% его общего количества.

Большая часть атмосферного кислорода — продукт фотосинтеза растений.

Схема круговорота кислорода: а) генерация растениями в процессе фотосинтеза (около 16 млрд т/год); б) потребление живыми организмами при дыхании; в) расход на окисление биогенного вещества.

C6H12O6 + 6O2 — 6CO2 + 6H2O + 2880 кДж/моль. (1.4)

Большое количество энергии, которая выделяется при дыхании и окислении веществ в организме с участием кислорода, идет на поддержание жизнедеятельности высших организмов, которая требует значительных энергетических затрат, например, при перемещениях. Для низших организмов большое выделение тепла опасно. Они приспособились проводить окисление органики в анаэробных условиях (без О2) с помощью ферментов (см. выше).

Скорость круговорота кислорода в биосфере в нашу эпоху составляет около 2500 лет.

Небольшая часть кислорода постепенно уходит в осадочные породы: карбонаты, сульфаты. Однако эти процессы идут весьма медленно и в целом не влияют на главный круговорот атмосферного кислорода.

Опасность представляет антропогенный фактор. Так, за последние 100 лет человеком при сжигании топлива изъято из атмосферы около 250 млрд т кислорода и добавлено около 380 млрд т СО2.

Ежегодный прирост расхода кислорода человеком около 5%.

Круговорот воды

Воды на Земле много — 1,5 млрд км3, но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды — 29 млн км3 (75%) — находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около 13 млн км3 — в атмосфере, 1 млн км3 — в живых организмах. Лишь всего 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км3, представляют объем ежегодно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40-45 тыс. км3)

1. испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца;

2. перенос паров воды с воздушными массами;

3. выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега;

4. поглощение воды растениями и почвой,

5. сток воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны. Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Земле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды — основы жизни, но и тепла, поглощающегося при испарении воды и выделяющегося при ее конденсации.

Круговорот воды в экосистемах

Здесь различают 4 фазы:

1. перехват, т.е. поглощение воды листьями, кроной, до того как она достигнет почвы;

2. эвапотранспирация: (лат. evaporatio — испарение, transpirere — испарение растениями) — отдача воды экосистемой в атмосферу за счет ее биологического испарения растениями и испарения с поверхности почвы;

3. инфильтрация — просачивание воды в почву, затем перенос грунтовых вод и испарение;

4. сток — потеря воды экосистемой за счет ее стока в ручьи, реки и затем в моря, океаны.

Величина эвапотранспирации — это сумма биологической тран-спирации воды растениями и испарения ее с поверхности почвы. В Европе она оценивается как 3-7 тыс. т/га в год, из них около 1 тыс. т/га за год воды испаряется с поверхности почвы.

Велика биологическая транспирации воды растениями, что необходимо для извлечения питательных веществ и поддержания температурного режима тканей. Так, за день одна береза испаряет 75 л воды, бук — 100 л, липа — 200 л, 1 га леса — 50000 л.

Коэффициент транспирации — количество воды, транспирируемое растением в сезон для создания 1 кг сухого вещества. Он весьма велик и составляет от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 т воды.

Пример схемы круговорота воды

Рассмотрим типичное распределение осадков, количество которых составило 770 мм/год.

Эвапотранспирация воды идет в объеме 400 мм/год и слагается из следующих видов (мм/год): перехват кронами — 10, транспирация растениями — 290, испарение с поверхности почвы — 100.

Поверхностный сток воды, равный испарению воды с поверхности моря, составляет 370 мм/год. Его слагаемые (мм/год):

• подземный сток — 80
• физическое испарение — 265
• нужды человека — 25

Как видно из примера, растениями транспирируется почти 40% воды [« (290 / 770)-100%]. Однако на формирование биомассы используется лишь около 1% воды [« (10 / 770)-100%].

На бытовые нужды человеком расходуется порядка 3% воды.

В отличие от углерода, азота и фосфора вода проходит через экосистемы почти без потерь.

Статьи из той же категории

Источник: https://www.aboutecology.ru/ucheniya_o_biosfere/krugovorot_veschestva_v_biosfere/krugovorot_ugleroda_azota_fosfora_kisloroda_vodyi.html

Круговорот углерода в природе

Углерод – важнейший элемент нашей планеты, хотя его на Земле в 49 раз меньше, чем кислорода, и в 26 раз меньше, чем кремния.

В таблице распространенности элементов он занимает 15-е место
(в процентах от массы земной коры).

Значение углерода в природе, однако, зависит не столько от количества его атомов, находящихся в различных геосферах, сколько от свойств самого атома элемента и его участия в геохимических реакциях.

На рисунке (см. с. 2) изображены главнейшие циклы превращения углерода в природе, происходящие в атмо-, био-, гидро- и литосфере.

В рисунке находит отражение и факт активного вмешательства в этот процесс человека с его могучей техникой.

Стрелками, направленными в разные стороны, условно указаны пути поступления углерода в атмосферу и обратные пути его поглощения из атмосферы. Рассмотрим эти пути.

Рис. Круговорот углерода (в млрд т)

Углерод – важнейшая составная часть живых организмов.

С его превращением связан такой важный жизненный процесс, как ассимиляция – поглощение растением из атмосферы оксида углерода (СО2) и последующее образование углеводов, белков и других органических веществ.

Этот процесс осуществляется за счет энергии солнечных лучей (с помощью хлорофилла зеленых растений) и ведет к ее накоплению в растениях в виде энергии химических связей.

В настоящий период развития жизни на Земле зеленые растения связывают ежегодно громадное количество углерода – около 1,5•1011 т. Некоторые ученые считают, что до появления растительной жизни на Земле в земной атмосфере было неизмеримо больше углекислого газа, чем теперь, а свободного кислорода даже не было, т.к. он весь уходил на окислительные процессы.

Процесс фотосинтеза – это практически единственный путь образования органических веществ на Земле. В результате этого процесса растения Земли из углекислого газа, воды, минерализованных соединений азота, серы и других элементов образуют огромные количества органических веществ – около 450 млрд т в год. Расчеты показывают, что на одного жителя Земли это составляет около 180 т в год.

Из сказанного нетрудно понять, что фотосинтез – это первоисточник пищевых продуктов для человека и животных.

Поэтому возникает необходимость постоянной заботы о всемерном расширении площадей для наиболее ценных пищевых и кормовых растений и увеличения их урожайности.

Растениями питаются животные, в результате чего углерод идет на построение тела животных. Окисляясь при дыхании животных и растений, углерод снова выделяется в атмосферу. Горение, тление животных и растительных остатков также ведет к возвращению углерода в виде СО2 в атмосферу. К такому же результату приводят и процессы брожения.

углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, всего 0,03% (по объему). Общее содержание его в атмосфере доходит до 6,4•1011 т.

Однако количество углекислого газа, поглощаемого растениями, в десятки раз превышает его количество в земной атмосфере. По
В.И.

Вернадскому углерод, претерпевая различные превращения, много раз в течение одного года поглощается живым веществом и снова выделяется из него.

Но возврат углекислого газа в атмосферу является неполным. Значительная часть углерода, поглощенного живым веществом из атмосферы, не возвращается в нее или возвращается только через долгие геологические периоды, иногда через сотни миллионов лет.

Главные пути потери углерода для данного цикла – это образование органических минералов и карбонатов щелочных и щелочноземельных металлов – Nа2СО3, K2СО3, СаСО3, МgСО3 и др.

Образовавшиеся продукты рассеиваются в земной коре, но иногда дают скопления углерода в виде каменных углей, горючих сланцев, нефти, ископаемых смол, известняков, доломитов, мергелей и других минералов и горных пород.

Большие скопления углерода, выходящего из жизненного цикла, образовались в прежние геологические эпохи и образуются в настоящее время при наличии соответствующих условий в водной среде. Здесь осаждаются продукты, из которых образуются угли, нефти, битумы, сапропелиты.

К последним относятся породы, образовавшиеся из сапропеля – гнилостного ила из микроскопических растений, трупов и отходов водных животных (горючие сланцы, богхед и некоторые другие сорта угля).

При жизнедеятельности простейших, кораллов, моллюсков и других животных очень много углерода связывается путем образования карбонатов.

В течение геологического времени эти процессы привели к осаждению огромного количества карбонатов, содержащих углерод в несколько сот раз больше, чем все его количество в атмосфере, океане, живом веществе, каменном угле и нефти (в запасах, технически доступных человеку).

Вмешательство человека и здесь приводит к образованию свободного углекислого газа: из карбонатов при получении извести и производстве цементов, при технологических процессах, основанных на брожении, например при хлебопечении, виноделии, пивоварении и т.п.

Несомненно, что с развитием техники количество СО2, возвращаемого в атмосферу, прогрессивно увеличивается и принимает такие размеры, что их уже нельзя не учитывать при изучении геохимических процессов. По Кларку, еще с 1919 г.

, при сжигании только одного каменного угля человек возвращает в атмосферу свыше 1 млрд т СО2, что составляет уже около 0,05% всей массы этого газа в атмосфере (2200 млрд т).

Таким образом, человек с его мощной современной техникой стал новым значительным геохимическим фактором.

Приводит ли эта деятельность человека к увеличению количества СО2 в атмосфере, а вследствие этого и к изменению климата Земли в сторону его потепления? Вопрос этот еще не выяснен.

Дело в том, что культурная деятельность человека ведет и к обратному процессу – увеличению площади, занятой под посевы культурных растений, что приводит к дополнительному поглощению углекислого газа из атмосферы. Академик В.И.

Вернадский говорил, что, может быть, здесь «выдерживается среднее динамическое равновесие, столь характерное для явлений в биосфере».

В прежние геологические периоды, когда вулканическая деятельность была более активной, в атмосферу выделялось очень большое количество углекислого газа. Газы некоторых вулканов почти целиком (до 97%) состоят из СО2.

Если в составе газов действующих вулканов находится оксид углерода(II) вместе с другими горючими газами (Н2, СН4, S2 и др.), то при соединении с кислородом эти газы воспламеняются, и из кратера начинает выбрасываться настоящее пламя.

При этой реакции воспламенения из оксида углерода(II) и кислорода образуется СО2. В большом количестве выделяется углекислый газ из земли в областях затухающей вулканической деятельности (углекислые источники, термы, земные трещины и т.п.).

Близ Неаполя в Италии среди местных жителей и путешественников пользуется известностью так называемая «Собачья пещера». Человек, попадающий в нее, чувствует себя нормально, а собака задыхается. В чем же здесь загадка? Оказывается, что в пещере из земли выделяется углекислый газ.

При отсутствии вентиляции он, будучи тяжелее воздуха, скапливается слоем толщиной около полуметра у поверхности земли, достигая концентрации 14%. Такое насыщение воздуха углекислым газом смертельно для всех животных.

Задохнулся бы в такой атмосфере и человек, если бы он вздумал отдохнуть, лежа на земле.

Таких мест на земле очень много. Наибольшей известностью пользуется глубокая темная долина, образовавшаяся из кратера потухшего вулкана, – «Долина смерти» на острове Ява, в которой даже такие крупные животные, как кабаны и тигры, погибают от удушья. «Пасть смерти» в Западной Америке – другой образчик такой ловушки.

В каменноугольных копях и нефтяных месторождениях углерод выделяется главным образом в виде метана СН4 (рудничный газ), являясь иногда причиной ужасных катастроф. Много метана выделяется из болот (болотный газ), где он образуется при гниении растений.

Такой «опыт» прекрасно описан в книге А.Н.Толстого «Детство Никиты».

«…Никита и Мишка Коряшонок пошли на деревню через сад и пруд короткой дорогой.

На пруду, где ветром сдуло снег со льда, Мишка на минутку задержался, вынул перочинный ножик и коробку спичек, присел и, шмыгая носом, стал долбить синий лед в том месте, где в нем был внутри белый пузырь.

Эта штука называлась “кошкой” – со дна пруда поднимались болотные газы и вмерзали в лед пузырями. Продолбив лед, Мишка зажег спичку и поднес к скважине – “кошка” вспыхнула, и надо льдом поднялся желтоватый бесшумный язык пламени.

– Смотри, никому про это не говори, – сказал Мишка, – мы на той неделе на нижний пруд пойдем “кошки” поджигать, я там одну знаю – огромаднейшая, целый день будет гореть».

Все описанные выше процессы должны были в конечном итоге привести к значительному накоплению в атмосфере углерода в виде углекислого газа (т.к. СО и СН4 постепенно окисляются в СО2).

Но в природе есть мощный регулятор количества СО2 в атмосфере – масса воды морей и океанов.

Вода выделяет углекислый газ в воздух, когда упругость находящегося в воздухе углекислого газа уменьшается, и поглощает его обратно, если упругость паров увеличивается.

Такая закономерность имеет огромное значение в химии земной коры. Роль этого фактора станет еще более понятной, если принять во внимание, что общая площадь океанов, морей и пресноводных бассейнов почти в 10 раз превышает площадь, занятую растительностью суши.

Углекислый газ поступает в водоемы вместе с дождем или непосредственно растворяется в поверхностных водах. Воды океана всегда содержат растворимые бикарбонаты и газообразный углекислый газ. Стоит заметить, что морская вода является слабо щелочной – факт, имеющий огромное значение для жизни водных организмов.

В итоге можно отметить следующие пути поступления углерода в атмосферу: при вулканических выделениях; из углекислых источников; в виде природных газов в каменноугольных шахтах, нефтяных месторождениях и т.п.; из вод океанов, морей и пресноводных бассейнов; при дыхании животных и растений, при химических процессах, проходящих после их смерти; при процессах брожения; при горении, обжиге карбонатов.

Поглощение углерода из атмосферы происходит: при процессах ассимиляции и образовании соединений углерода, устойчивых в пределах тела организмов при их жизни; при процессах превращения продуктов жизнедеятельности животных в минералы, содержащие углерод; при поглощении углекислого газа водой океанов, морей, рек и т.п.

Перечисленным далеко не исчерпываются пути перемещения (миграции) углерода. Одним из источников углекислого газа в атмосфере является, например, космический углерод: при сгорании угольных метеоритов непрерывно увеличивается количество СО2 в земной атмосфере.

Термическое разложение карбонатов (известняков, мела, мрамора) в недрах Земли также ведет к образованию углекислого газа.

Связывание углерода происходит при выветривании минералов, содержащих кремний и алюминий (силикатов и алюмосиликатов): при этом процессе углерод замещает в минералах кремний.

Все это приводит нас к выводу, что природу нужно рассматривать не как случайное скопление предметов и явлений, оторванных друг от друга, а как единое целое, где предметы и явления органически связаны друг с другом, зависят друг от друга и обусловливают друг друга.

Материал подготовил П.А.КОШЕЛЬ

Источник: https://him.1sept.ru/view_article.php?id=200801313

Круговорот углерода – значение в природе: схема цикла газа в биосфере, как человек воздействует на цикличность

Этот элемент присутствует в любой живой молекуле. Под воздействием внешних факторов он переходит из одной формы в другую. Круговорот углерода в природе обеспечивает возможность существования организмов на Земле. Без этих циклов превращений планета станет безжизненной.

Где присутствует углерод

По распространенности химических элементов элемент занимает 15 место. По важности — это один из основных участников геохимических реакций. Значение вещества в природе сложно недооценить. Оно переходит из неорганического состояния в органическое, строит живые клетки.

Встретить его можно в:

• атмосфере (углекислый газ 0,04 % от общей массы воздуха);
• гидросфере (в виде растворенного в водах мирового океана СО2, в составе питающихся им бактерий верхнего слоя);
• литосфере (полезные ископаемые: нефть, газ, уголь, известняк, мел);
• биосфере (в составе любых живых организмов планеты).

Все оболочки Земли тесно связаны. Освобождение элемента, переход из одного вида в другой происходит внутри каждой.

Молекулы проникают в соседнюю сферу. Описывая кратко круговорот углерода в природе, схема выглядит так:

это бесконечная незамкнутая цепь перехода вещества из органического состояния в неорганическое и обратно.

С одной стороны фотосинтезирующие растения и вода, с другой стороны — гетеротрофы, то есть потребляющие организмы (животные).

Что происходит в атмосфере

Углерод в атмосфере имеется всегда. Он присутствует в виде углекислого газа (0,04 %), метана (0,0002 %), окиси углерода (следы). Количество постоянно меняется. Это связано с деятельностью человека, сезонными факторами, температурой окружающей среды.

Откуда поступает вещество

Круговорот углекислого газа в природе– это основной вид перехода и превращений в воздушной оболочке Земли. Постоянными источниками являются:

• живые существа, выдыхающие углекислоту;
• продукты разложения органических остатков (бактерии перерабатывают трупы животных, гниющие растения, выделяется СН4);
• продукты горения природного (уголь, нефть, газ) или синтетического топлива;
• выбросы вулканических газов во время извержения (первичная углекислота в атмосфере);
• пожары;
• хозяйственная деятельность человека (выделение СО2 при производстве цемента: СаСО3->СаО+СО2);
• повышение температуры мирового океана и высвобождение диоксида элемента.

Важно! Осенью и зимой содержание СО2 в воздухе выше, чем летом и весной. Так человек воздействует на круговорот углерода в природе, схема которого отыщется на порталах, посвященных защите окружающей среды.

А чем поглощается

В природе существует неустойчивое равновесие. Двуокись вещества выводится из атмосферы и замещается другими.

Воды Мирового океана поглощают углекислоту. Особенно активно процесс идет вблизи полюсов. При понижении температуры растворимость газа увеличивается.

Растения на свету поглощают СО2. В результате фотосинтеза выделяется кислород. Молодые быстрорастущие побеги – основная «фабрика» переработки.

Круговорот углерода в природе, схема — это постоянный процесс изменения концентрации газа, поглощения и замещения его кислородом.

Как идет процесс в биосфере

Оболочка соединяет все известные сферы присутствием жизни. В ней постоянно идут обменные процессы. Химические реакции, превращение энергии поддерживают существование живых существ. Круговорот углерода в биосфере самый значительный и масштабный.

Газообмен гидросферы с атмосферой

Гидросфера обменивается углекислотой с воздушной оболочкой Земли. Не весь растворенный газ возвращается обратно. Часть усваивают бактерии верхних слоев. Ими питаются микроорганизмы. Создается пищевая цепочка. Элемент переходит из неорганического состояния в органическое.

Умершие живые существа опускаются на дно. Под давлением воды отложения спрессовываются. Глубинные микроорганизмы и бактерии перерабатывают ил.

В верхних слоях содержится больше растворенного кислорода. В нижних – диоксида элемента и азота. Баланс неустойчив. При повышении температуры концентрация газов меняется. При изменении видового состава бактерий и микроорганизмов происходит перемещение кислорода вниз, азота и СО2 — вверх. Газообмен с воздушной оболочкой нарушается.

Движение углерода в литосфере

Диоксид вещества через мелкие поры попадает в почву. Часть его растворяется водой или испаряется. Другая — перерабатывается аэробными бактериями. Плодородный слой обогащается. В благоприятной среде развиваются растения. После отмирания гумус обогащается вновь. Наблюдается бесконечный переход: неорганика – органика – неорганика.

Слои утолщаются, уплотняются. Со временем под действием внешних факторов образуются осадочные полезные ископаемые. В их состав входит данное вещество. Нефть, газ, все виды угля, торф, известняк, мел — надолго консервируют элемент в неорганическом состоянии.

Важно! Элемент в составе полезных ископаемых в круговороте временно не участвует! Цикл углерода не бывает абсолютно замкнутым.

Фотосинтез: особая часть большого кругооборота

Этот процесс по мощности соизмерим с ядерной реакцией. Более совершенного и экономного механизма производства соединений не существует.

Фотосинтез – часть круговорота элемента в биосфере. Он превращает неорганические вещества в органические. Насыщение атмосферы освобожденным кислородом регулирует газовый баланс. В результате этого процесса образуются питательные вещества: сахар, крахмал. Растения потребляют то, что сами производят.

Фотосинтез имеет две фазы: световую и темновую. Под воздействием солнечной энергии во время первой стадии происходит накопление клетками углекислого газа и воды. На этом этапе от молекулы воды отщепляется кислород. Происходит выделение газа в атмосферу.

Темновая стадия происходит без доступа солнечных лучей. Углекислота связывается. Дополнительными продуктами являются органические соединения (углеводы). Углекислый газ в природе одновременно является строительным материалом, а также источником питания, оздоравливающим планету веществом.

Схематическое изображение процесса

Важно! Круговорот карбона в природе – результат постоянных физических и химических превращений в биосфере Земли. Атомы С движутся во всех оболочках планеты.

Это полностью отражает развитие жизни.

Основная часть вещества присутствует в составе диоксида. Из атмосферы она поглощается растениями.

В процессе фотосинтеза происходит образование органических веществ и освобождение кислорода.

Схема круговорота углерода в природе отражает процесс обмена карбоном между всеми оболочками Земли. Оксид вещества (IV) из атмосферы поглощается верхними слоями гидросферы. Частично он испаряется, участвует в кругообороте воды в природе. Остальное количество перерабатывается организмами, оседает на дно. Образуются осадочные породы. Карбон на время исключается из кругооборота.

Человек разрабатывает месторождения полезных ископаемых, производит и сжигает топливо. Возвращенный в процесс диоксид снова попадает в атмосферу. Количество превышает допустимые нормы. Баланс нарушается. Биосфера не справляется с избыточным содержанием карбона. Включается механизм накопления.

Схема круговорота углерода в природе выделяет части вещества:

• присутствующие в клетках живых растений;
• попавшие в организм травоядных животных с пищей (выделяются при дыхании в виде СО2);
• попавшие в организм плотоядных существ при потреблении травоядных (выделяются при дыхании);
• отмершие части растений (при переработке организмами образуют осадочные породы).

Процесс химических и физических преобразований карбона последовательный и разомкнутый. Регулируется биосферой. Его скорость зависит от внешних факторов (температуры, влажности, скорости движения воздушных масс, деятельности человека).

Антропогенное влияние на процесс

Хозяйственная деятельность человека приводит к изменению содержания элемента в биосфере. Добыча полезных ископаемых, их переработка возвращает в кругооборот не участвующее количество вещества. Примеры того, как человечество влияет на процесс:

• сжигание топлива дополнительно увеличивает выбросы диоксида С на 22 млрд. т/год;
• изменение качественного состава пахотных земель увеличивает объем СО2 в атмосфере;
• уменьшение площади лесов снижает эффективность фотосинтеза;
• увеличение температуры вод Мирового океана увеличивает выделение углекислоты, снижает поглощение;
• загрязнение окружающей среды нарушает газообмен.

Загрязнение вод Мирового океана приводит к гибели микроорганизмов, бактерий. Процесс усваивания вещества нарушен. Газообмен прекращен. СО2 перестает растворяться. Количество в атмосфере возрастает.

Схематично выразить, как человечество негативно воздействует на круговорот углерода, можно так:

Увеличение концентрации СО2 –> ускоренный распад органических остатков –> изменение климата –> создание запасов СО2 –> уменьшение восстановительной способности биосферы –> дополнительные выбросы СО2.

Биосфера не отвечает увеличением собственной продуктивности на повышение концентрации диоксида углерода. Исследования показывают накопление запасов СО2 в атмосфере. Цикл углерода меняет сбалансированное течение. Последствия непредсказуемы.

В природе существуют круговороты веществ. Это цикличные незамкнутые процессы.

Значение углерода в природе велико. Этот элемент присутствует в составе любой живой молекулы, является строительным материалом и источником питания.

Круговорот углерода на планете

Цикл обращения углерода в природе

Вывод

Круговорот углерода в биосфере происходит с разной скоростью и количественным составом участвующих компонентов. Непродуманная хозяйственная деятельность человека приводит к катастрофическим последствиям. К ресурсам требуется относиться бережно.

Источник: https://uchim.guru/himiya/krugovorot-ugleroda-v-prirode.html

Краткое описание круговорота углерода в природе

1001student.ru > Химия > Краткое описание круговорота углерода в природе

Жизнь на Земле состоит из непрекращающихся циклов различных элементов, циркулирующих между биологическими организмами и земными оболочками (литосфера, атмосфера и гидросфера).

Наиболее важным процессом, обеспечивающим жизнедеятельность всех живых существ, является круговорот углерода в природе. Реферат по этой теме охватывает краткое описание факторов, влияющих на взаимодействие всех соединений.

Основные принципы

Химический элемент углерод (карбонеум) занимает шестую позицию в таблице Дмитрия Менделеева. Распространённость углерода объясняется его постоянной валентностью, которая равна четырём атомам.

Благодаря этому образуется связь с другими химическими элементами. Все молекулы, из которых состоит любой организм, имеют в своей основе углеродный скелет.

Любые соединения, существующие на земле, представлены двумя классами:

• органическими — они появляются в результате жизнедеятельности всех живых существ;
• неорганическими — причиной их возникновения могут быть химические реакции.

Преобразование одного соединения в другое называется круговорот веществ в природе. Схема представляет собой движение атомов основных элементов, таких как фтор, кислород, азот и другие. Однако лидирующую позицию в цикле занимает углерод.

Значительная часть карбонеума, находящаяся в газообразном состоянии, попадает в атмосферу. При соединении с кислородом образуется углекислый газ, а также метан и угарный газ. Зная основные принципы, можно кратко описать круговорот углерода в природе.

Биосферный процесс

Цикл, в который вовлекаются животный и растительный мир, выглядит как перемещение химических веществ через пищевую цепь любого живого организма. Это биологический круговорот углерода в природе, схема и рисунок которого представляет следующую упрощённую последовательность:

• фотосинтез растений с поглощением углекислого газа и выделением кислорода;
• переработка погибшей флоры другими организмами (грибами, гнилостными бактериями). Если органические остатки попадают в почву, они преобразуются в полезные ресурсы (уголь, торф);
• поедание растений травоядной фауной, которая становится пищей для хищников. Углерод возвращается атмосферу во время дыхания живых организмов либо при разложении после их гибели.

Важную роль в непрерывном обороте углерода играет Мировой океан. Растворённый C в гидросфере находится в приповерхностном слое, глубоких водах и придонных морских осадках.

Углекислота на начальном этапе поглощается планктоном, который становится пищей для высших обитателей морской стихии. Погибшие организмы оказываются на дне, где в процесс переработки включаются микроорганизмы.

Количество углерода в океане в 100 раз выше, чем в атмосфере.

Углекислый газ — это конечный продукт метаболизма. Его образует полный распад различных аминокислот, белков, углеводов. При дыхании кислород усваивается организмом, CO2 выводится через дыхательные пути.

После попадания газа в атмосферу процесс кругооборота повторяется. Углеродный оборот в биосфере происходит с участием солнечной энергии, без которой жизнь была бы невозможна.

Геохимический цикл

Оборот углерода, происходящий без участия биологических организмов, называется геохимическим круговоротом. Особенности этого цикла заключаются в продолжительных по времени изменениях и в природных катаклизмах.

Особенно мощное воздействие на цикл оказывает вулканическая деятельность планеты.

Во время извержения вулканов образуется CO2 и вода, часть которых попадает в осадочные породы, постепенно перерождаясь в известняки.

В недрах земли находятся аллотропные углероды (нефть, уголь, графит, карбид, алмазы). В случае нахождения элемента в глубине грунта, он не попадает в атмосферу и временно теряется из неё. Высвобождение C из почвы происходит в результате горения метана, нефти или торфа. Так возобновляется оборот элемента в природе.

Значение элемента

В процессе многолетних исследований учёными было установлено, что для существования жизни отдельных организмов и планеты в целом углерод имеет решающее значение.

Кратко охарактеризовать роль элемента можно с помощью следующих данных:

• участие в синтезе веществ;
• процессе дыхания;
• в энергетическом обмене;
• присутствие в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК);
• содержание элемента в аденозинтрифосфате (АТФ) — универсальном источнике энергии.

Не менее высока роль C в промышленности и производстве. Он позволяет изготавливать материалы с высокой электропроводностью, а также непроводящую электричество продукцию. Аллотропные модификации углерода охватывают довольно широкий диапазон. Самые известные из них — графит и алмаз.

Влияние цивилизации

Хозяйственная деятельность человека оказывает существенное влияние на содержание углекислого газа в атмосфере, что вызывает дисбаланс углеродного оборота. Рост населения, освоение новых территорий приводит к вырубке лесных массивов.

Также с каждым годом всё больше сжигается топлива, в результате чего повышается концентрация CO2 в атмосфере.

Такая стратегия в дальнейшем неизбежно приведёт к экологической катастрофе и парниковому эффекту. Избыток тепловой энергии в нижних слоях атмосферы станет причиной роста температуры воздуха и таяния ледников. Повышение уровня воды в Мировом океане грозит затоплением обширных территорий суши и исчезновением многих видов флоры и фауны.

Мировые запасы

За время существования планеты Земля, на ней зарождались, вымирали и появлялись новые существа. За миллионы лет в природе накопились колоссальные запасы углерода, равные 6х106 млрд тонн. В эту массу входят как ископаемые углеродсодержащие вещества, так и все живые организмы.

Круговое перемещение элемента позволяет накапливать примерно 400 миллиардов тонн C, часть которого остаётся в неорганических соединениях. Остаток непрерывно циркулирует в живой природе, давая ей возможность продолжать существование.

Источник: https://1001student.ru/himiya/kratkoe-opisanie-krugovorota-ugleroda-v-prirode.html