Схема круговорота углерода в природе, Круговорот углерода в природе - Энергетика: история, настоящее и будущее
Углекислый газ — продукт не только жизнедеятельности живых организмов. Функционирование энергетики в современном мире. Началось сжигание больших количеств горючих ископаемых, при котором в атмосферу возвращается углерод, фиксированный растениями миллионы лет назад. Материя, которая существует сейчас, — это все, что у нас когда-либо будет.
Мы находимся в нашем собственном пузыре, и, по сути, практически ничто не выходит из нашего мира и не входит в него. Мы не получаем межгалактических поставок необходимых элементов, таких как углерод. Это означает, что весь углерод на Земле и в атмосфере, равен тому количеству, которое у нас всегда было. Итак, когда формируются новые организмы, необходим углерод для образования ключевых молекул, таких как белок и ДНК.
Но откуда он берется? Вот тут и начинает работать круговорот углерода в природе. Как упоминалось ранее, углерод находится во многих различных формах и в разных местах. Мы уже знаем, что он находится в нашей атмосфере.
Но только некоторые организмы действительно могут использовать атмосферный углерод. Давайте начнем с рассмотрения процесса фотосинтеза , посредством которого углерод в атмосфере в форме CO 2 используется растениями. Растения могут производить органические вещества, используя несколько простых ингредиентов: CO 2 , воду или H 2 O и солнечную энергию.
Это можно представить следующим уравнением:. Теперь вы можете видеть, что в процессе фотосинтеза атомы углерода были взяты из углекислого газа и использованы для создания C 6 H 12 O 6 или глюкозы. И куда пойдет углерод дальше? Подумайте, кто может есть растения. Например, люди, которые должны добывать себе пищу, чтобы выжить.
Итак, когда мы едим растительные продукты, мы получаем из них глюкозу. Когда мы едим мясо, мы также можем получить глюкозу, так как животные питаются растениями. После переваривания глюкоза из растения расщепляется в наших клетках для выработки энергии. Этот процесс называется клеточным дыханием. По сути, это процесс, противоположный фотосинтезу, и его побочным продуктом является CO 2.
Организмы избавляются от этих отходов, выдыхая их обратно в атмосферу. Каждый раз, когда вы дышите, вы участвуете в круговороте углерода, потому что выдыхаете CO 2.
Таким образом, вы можете видеть, как углерод движется по всей планете и влияет на каждый организм. Некоторое количество углерода в нашем мире находится в подвешенном состоянии сотни или даже миллионы лет. Углерод задерживается в ископаемом топливе, таком как уголь и нефть.
Ископаемое топливо состоит из трансформированных останков живых организмов и содержит много энергии. Мы сжигаем ископаемое топливо для получения энергии, и в этом процессе углерод возвращается в атмосферу в форме CO 2. Еще одно место, где углерод задерживается на долгое время — это деревья.
Поскольку деревья живут очень долго, углерод не циркулирует, пока дерево не умрет или не сгорит. Затем CO 2 выпускается обратно в атмосферу, и цикл продолжается, поскольку этот углерод снова используется растениями для создания пищи.
Другой важный способ круговорота углерода в живых организмах — это разложение. Например, представьте, что сейчас осень, и листья меняют цвет и опадают на землю. Эти листья содержат углерод в виде глюкозы, образующийся в результате фотосинтеза.
Когда листья падают на землю, они со временем разлагаются. Разложение высвобождает атомы углерода обратно в почву. И через процесс дыхания, в конечном итоге, этот углерод будет выпущен обратно в атмосферу в виде CO 2. Круговорот углерода в природе — это процесс, при котором углерод перемещается между всеми оболочками Земли и живыми организмами. Растения забирают углекислый газ из воздуха и используют его для синтеза питательных веществ.
Затем животные едят растения, и углерод накапливается в их телах или выделяется в виде CO 2 при дыхании. Углерод также возвращается в атмосферу при сжигании древесины и ископаемого топлива или разложении мертвых организмов. Перейти к контенту. Search for:. Главная » Науки о природе » Биология. Схема круговорота углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах миллиардах тонн. В результате сжигания ископаемого топлива, человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу.
Изображение: Wikimedia Commons. Время чтения 5 мин. Подобный же круговорот углерода существует и в океане. Еще не установлено, какой из круговоротов — океанический или наземный — охватывает более значительные количества углерода. Суммарная масса живого органического вещества, поддерживаемая в результате фотосинтеза зеленых растений, известна только приблизительно. Не вызывает сомнений, что ее основная часть состоит из растений масса животных составляет малую долю общего количества вещества живых организмов и что в общей массе растений преобладают деревья.
В связи с этим планетарная величина биомассы в значительной мере определяется распространением лесов на континентах. Круговорот углерода в биосфере. Ширина изображенных путей круговорота пропорциональна массе углерода, идущего по данному пути.
Леса не только основные потребители двуокиси углерода на суше, но и главный резервуар биологически связанного углерода — млрд. Можно полагать, что среднее время круговорота углерода в земных организмах равно 10—17 годам и близко к аналогичному показателю для атмосферы. Масса углерода в атмосфере сравнима с массой углерода в живых организмах и продуктах их разложения на континентах. Но растения не только поглощают диоксид углерода.
Их рост — это цепь химических процессов и превращений, требующих энергии. Растения получают ее в результате реакций, в которых атмосферный кислород из воздуха или растворенный в воде используется для высвобождения энергии, накопленной за счет фотосинтеза. Этот процесс, при котором высвобождается двуокись углерода, называется дыханием. Дыхание происходит непрерывно, но особенно оно заметно ночью, когда фотосинтез прекращается.
Выделение диоксида углерода при дыхании происходит не только у растений, но и у любых живых существ, включая большинство бактерий. На фотосинтез уходит диоксида углерода больше, чем его выделяется при дыхании, то есть часть СО 2 фиксируется в растениях. За год на поверхности суши это составляет 20—30, а в океанах — 40 млрд. В быстро растущих влажных тропических лесах за год на 1 м 2 земли фиксируется от 1 до 2 кг углерода в форме двуокиси , что приблизительно равно количеству двуокиси углерода в столбе воздуха с основанием 1 м 2 , доходящем до границ атмосферы.
Углерод, фиксирующийся в процессе фотосинтеза на суше, рано или поздно возвращается в атмосферу при разложении мертвого органического вещества, которое окисляется в почве в ходе многочисленных сложных процессов. Пути круговорота углерода в море сильно отличаются от его путей на суше. В воде мертвые организмы, опускаясь вглубь, быстро разлагаются. Очень скоро то, что было живым, превращается в растворенное органическое вещество и остается в глубинах столетиями.
Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Двуокись углерода, растворенная в морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют при дыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается двуокись углерода, усвоенная фитопланктоном. Почти вся эта масса возвращается в атмосферу и гидросферу в результате окисления организмов и продуктов их жизнедеятельности.
Важно подчеркнуть, что цикл круговорота углерода в результате создания органического вещества полностью замкнут. Из общей массы органического углерода, ежегодно поглощаемого растениями, только очень небольшая часть переходит в литосферу и выходит из этого круговорота. Две гигантские системы — атмосфера и океан — тесно связаны между собой обменом двуокиси углерода, осуществляемым через поверхность океана.
Скорость этого обмена недавно вычислили по скорости, с которой радиоактивный изотоп углерод, образовавшийся в атмосфере при испытаниях ядерного оружия, исчез из воздуха.
Нейтроны, испускаемые при взрыве, взаимодействуя с азотом атмосферы, дают углерод В этой реакции атом азота 1 4 N захватывает нейтрон и высвобождает протон, превращаясь в 1 4 C цифра внизу указывает число протонов в ядре, цифра вверху — общее число протонов и нейтронов.
Последние крупные испытания ядерного оружия проводились в атмосфере в году. Из проб воздуха, взятых на разных высотах и в разных местах, видно, что за несколько лет атмосфера хорошо перемешалась. За это время количество углерода сильно уменьшилось, что можно объяснить лишь обменом между атмосферной двуокисью углерода, обогащенной углеродом, и океанской двуокисью углерода, гораздо менее радиоактивной.
Измерения показывают, что вся атмосферная двуокись углерода растворилась бы в море за 5—10 лет. Иначе говоря, за год около млрд. Некоторая часть органического углерода возвращается в атмосферу при окислении организмов и продуктов их жизнедеятельности в виде метана СН 4 и угарного газа СО. Метан образуется в основном в болотных районах, на затопленных рисовых полях и, может быть, в океанах. Поступивший в атмосферу метан довольно быстро окисляется и превращается в оксид углерода.
К этому источнику окиси углерода добавляется относительно небольшое количество СО, непосредственно образующееся при разложении организмов и сжигании топлива.
Ежегодное сжигание примерно 5 млрд. На деле же за год концентрация СО 2 в воздухе возрастает всего на 0,7 млн - 1 ; значит, две трети выделенной при сгорании двуокиси углерода быстро уходят из атмосферы или в океан, или в наземную флору. СО 2 является одним из наиболее стабильных метеорологических элементов.
Ее величина мало изменяется на различных высотах в тропосфере, на разных широтах и в годовом ходе. Тем не менее рост мощности источников и стоков углекислого газа в пространстве и времени приводит к некоторым изменениям его концентрации.
В результате этого между полюсами и экватором возникают два потока углекислого газа: в атмосфере — направленный от экватора к полюсу, в океане — направленный от полюса к экватору.
Примерно в середине прошлого века человек, сам того не сознавая, начал глобальный геохимический эксперимент. Началось сжигание больших количеств горючих ископаемых, при котором в атмосферу возвращается углерод, фиксированный растениями миллионы лет назад.
В наше время ежегодно 5—6 млрд. Если бы образующийся при сжигании углекислый газ равномерно распределялся в атмосфере и никуда из нее не уходил, это дало бы ежегодный прирост количества двуокиси углерода в воздухе на 2,3 млн - 1.
Массовые потоки углерода в наземном и морском круговороте. Все величины указаны в млрд. Общий прирост содержания углекислого газа в атмосфере составляет лишь немногим более одной трети двуокиси углерода, освобожденной при сгорании суммарный вес около млрд. Остальное, по-видимому, ушло в океан, но немалая доля пошла и на увеличение массы наземной флоры. Лабораторные опыты показали, что растения растут гораздо быстрее, если окружающий воздух обогащен двуокисью углерода. Значит, сжигая уголь, нефть и природный газ, человек удобряет поля и леса.
Считается, что биомасса суши за последние сто лет могла вырасти на целых 15 млрд. Однако конкретных доказательств того, что такой прирост действительно произошел, очень мало.
Человек изменял условия на Земле не только тем, что сжигал горючие ископаемые. За последние столетия были расчищены и отведены под сельскохозяйственные культуры большие площади, ранее занятые лесом.
В таких районах, конечно, изменился характер почвенного дыхания, и это отразилось бы на содержании СО 2 в атмосфере, если бы одновременно не усилилось сжигание горючих ископаемых. Во всяком случае динамическое равновесие между главными резервуарами. Поскольку даже самые быстрые процессы обмена СО 2 между резервуарами и выравнивание ее концентрации занимают десятки лет, новое равновесие установится еще не скоро.
Постепенно в процесс вовлекаются и глубины океанов; окончательное распределение углерода зависит от скорости смены воды в них порядка лет и скорости взаимодействия с донными осадками. Таким образом, главным регулятором круговорота углерода являются, несомненно, океаны, и количество двуокиси углерода в атмосфере в значительной мере определяется парциальным давлением СО 2 , растворенной в море, которое установилось в доисторический период.
На рис. Эта схема круговорота позволяет также судить о том, как глобальная углеродная система реагирует на вносимые изменения. Самые опасные нарушения в налаженном природой углеродном цикле — те, что делаются человеком.
Непрерывно возрастающий выброс диоксида углерода от мирового сжигания топлива уже отражается на климате. Это означает, что мы пока не умеем управлять глобальным равновесием в природе.
Использование топлива должно быть не стихийным, а контролируемым, с минимумом глобальных отрицательных последствий. Использование материалов сайта разрешено при условии наличия ссылки на сайт. Перепечатка материалов с других источников СМИ, наших партнеров возможен в случае указания первоисточника.
Бог проявил щедрость, когда подарил миру такого человека Светлане Плачковой посвящается. Главная Об издании Читать Книга 1. От огня и воды к электричеству Книга 2. Познание и опыт - путь к современной энергетике Книга 3. Развитие теплоэнергетики и гидроэнергетики Книга 4.
