Учебно-методический комплекс дисциплины. СД. Ф.7 Геоэкология и природопользование. Основная образовательная программа подготовки специалиста по специальности (специальностям) (стр. 18 )

       Закон Вернадского: миграция химических элементов в биосфере происходит при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, существовавшим и существующим в биосфере со времени ее образования.         

Энергетика биосферы. Энергетический баланс

       Все процессы преобразования веществ в ходе круговоротов требуют затрат энергии. Живые организмы для своего существования также должны постоянно расходовать и пополнять энергию. Ни один организм не способен продуцировать энергию, она может быть получена только из вне. Первичным источником энергии, используемой биосферой,  является Солнце. Энергетические функции в биосфере выполняются в основном растениями. В основе лежит фотосинтез.  Часть  энергии накапливается в отмершей органике, а часть рассеивается в пространстве в виде тепла.

Энергетика биосферы (Большаков, с.75, с.79).

Фотосинтез и дыхание - два противоположных процесса в природной среде, составляющих основу энергетических процессов в биосфере.

Биотический круговорот, происходящий на уровне биогеоценоза, обеспечивается взаимодействием 3 групп организмов: продуценты – автотрофы, поглощающие энергию Солнца и неорганические вещества, для создания ОВ, или хемотрофы;  консументы или гетеротрофы – потребители готового ОВ или др. организмов,  в зависимости от условий – миксотрофы;  редуценты или деструкторы, разлагающие ОВ - остатки всех трофических  уровней (грибы, бактерии, б/п - черви).

       От Солнца Земля получает ~99% энергии. Она усваивается в процессе фотосинтеза, затем трансформируется в химическую энергию биологических молекул и в конце концов рассеивается в пространстве в виде теплового излучения. В различных климатических  зонах различное количество энергии поступает. В распределении Солнечной энергии  важна роль атмосферы и океана. 30% энергии рассеивается  частицами атмосферы или отражается облаками. Она не участвует в циркуляции атмосферы. 20% солнечного излучения поглощается, проходя через атмосферу. Из них 1-3% (ультрафиолетового) поглощается молекулами озона О3. Это защищает от губительного действия ультрафиолета на биоту. Около 50% энергии достигает поверхности суши и океана. Часть отражается. Часть превращается в тепловую (испарение воды).

       В процессе фотосинтеза связывается всего ~0.02%, получемой энергии от Солнца. Около 1/2 расходуется тут же на дыхание. Остальное идет на наращивание биомассы. Суть фотосинтеза: в хлоропластах (специальных органеллах) в присутствии  света (фотонов) из воды и СО2  синтезируется молекула сахаров (глюкоза) с выделением  свободного О2. В молекуле хлорофилла  происходят окислительно-восстановительные  реакции и образование ОВ.

       Трофическая цепь – (последовательный перенос вещества и энергии от их источника) в биоценозе есть цепь энергетическая. Первичным источником энергии всех биосистем является Солнце, оно обеспечивает жизнь. Различные элементы биоценоза не генерируют энергию, все они последовательно превращают лучистую энергию Солнца в энергию химических связей. Усвоенная консументами энергия расходуется на дыхание, совершение работы и поддержание жизнедеятельности, некоторая часть идет на рост и размножение (согласно 1 закона термодинамики). Поступившая в круговорот энергия может быть использована только один раз (Денисов и др. с.105).

       1 закон термодинамики (закон сохранения энергии):  энергия может переходить из одной формы в др. Она не исчезает бесследно и не возникает из ничего (Большаков и др., с.68). …Взаимное превращение тепловой и механической энергии происходит в строго эквивалентных количествах (Денисов и др. с.105). Энергия может переходить из одной формы (энергия света) в др. (потенциальная энергия пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает бесследно.

       В силу 2-го закона термодинамики (закон энтропии) процесс передачи энергии  неизбежно связан с рассеиванием энергии на каждом трофическом уровне, т. е. с ее потерями и возрастанием энтропии. КПД  процессов преобразов энергии всегда  1. Определенная доля энергии теряется при отмирании организмов, а также не усваивается из пищи. Все элементы биоценоза частично диссипируют высокосортную энергию в тепло в процессах дыхания и совершения работы.

       Однако при всем разнообразии расходов энергии максимальные затраты энергии  идут на дыхание, в сумме с неусвоенной пищей составляя до 90% от потребляемой энергии. Тогда результативный поток энергии, переходящей на следующий более высокий трофический уровень, составляет в среднем около 10% энергии, полученной данным уровнем. В результате на верхние трофические уровни (к хищникам) переходит всего тысячная доля % от энергии зеленых растений. Эта закономерность  наз. обычно «правилом 10%». Это показывает, насколько низок КПД всех биол. систем и велико значение процессов диссипации энергии в биосфере. В результате, количество энергии, доступное для потребления, падает по мере возрастания трофического уровня организма. Это приводит к коротким пищевым цепям (4-6 звеньев).

Хемосинтетики.

       Имеют иные пути синтеза глюкозы. Могут производить ОВ в присутствии света или без него. Напр., серные бактерии получают необходимые компоненты для синтеза из сероводорода, а не из воды. Энергия получается при окислении сероводорода до серы или сульфата. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, водород без участия энергии  Солнца. Ферробактерии окисл. Fe2+  до Fe3+ и энергию используют для окисления СО2.

       

       Итак, энергия излучения преобразуется в энергию соединений углерода. ОВ в организмах животных в присутствии О2 сгорает до образования СО2 и воды. Освобождающаяся энергия преобразуется в химическую энергию АТФ,  которая используется в процессах синтеза белка, нуклеиновых кислот, транспорта веществ, в работе мышц.

Вопросы для самоконтроля.

Уровни организации жизни. Уровни организации живой материи. Аксиома Сочавы об иэрархической структуре биосферы. Биогеохимические круговороты веществ. Большой геологический и малый биотический круговороты. Энергетика биосферы. Основа энергетических процессов в биосфере. Поток вещества. Поток энергии.

Лекция 9. Тема:  Геоэкологические проблемы атмосферы

План лекции:

Состав и баланс газов в атмосфере, их нарушения. Изменения климата. Естественные и искусственные источники загрязнения атмосферы. Антропогенные изменения атмосферы: ацидификация - кислотные дожди (осадки); парниковый эффект; проблемы озонового экрана; смог. Влияние загрязнений и изменения состава атмосферы на состояние и жизнь живых организмов и человека. Меры по охране атмосферного воздуха: утилизация отходов, очистные сооружения, малоотходные технологии, нормирование уровня загрязнений. Организованный выброс загрязняющих атмосферу веществ.

Основные понятия и положения:

Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли, формирующейся в результате геологической эволюции и непрерывной деятельности живых организмов. Состав современной атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого действиями авто - и гетеротрофных организмов и различными геохимическими явлениями глобального масштаба.

       Геоэкологическая роль атмосферы.

       Будучи частью биосферы, наружной оболочкой Земли, атмосфера предотвращает резкие колебания температуры на поверхности планеты, уменьшает поступление избыточных доз УФ радиации и космического излучения, является носителем газов, обеспечивающих важные жизненные процессы у растений и животных. Атмосфера является средой распространения микроорганизмов, пыльцы, семян, плодов, насекомых, птиц, млекопитающих.

       Структура и состав атмосферы (Сауков, с.89).

       Атмосфера - внешняя (наружная) оболочка планеты. Она отлична от др. геосфер как по составу, так и по физическим и химическим свойствам. Атмосфера – это газовая оболочка, не имеющая четко выраженной границы и сущестующая благодаря гравитационному притяжению Земли. Приземная атмосфера в силу своего промежуточного положения между литосферой и космическим пространством и своего газового состава создает условия для жизнедеятельности организмов.

       Атмосфера выступает центральным компонентом климатической системы. Компоненты и параметры атмосферы  характеризуют погоду, т. е. постоянно меняющееся состояние атмосферы. Одновременно эти же компоненты характеризуют и климат, т. е.  усредненный многолетний режим погоды.

       Характерно газообразное состояние подавляющей массы ее атомов и свободное  состояние основных ее элементов - азота и кислорода.  Благодаря этому они свободно распространяются  в гидро - и литосфере и обеспечивают протекание важных геохимических процессов.

       Состав надземной атмосферы - тропосферы (от 16-18 км на экваторе до 7-8 км над полярными областями).  Содержит водяной пар и облака. Выше тропосферы не поднимается земная пыль и микроорганизмы. Состав тропосферы (вес.%): N - 75.51, O - 23.01, Ar - 1.28, CO2 - 0.04, меньше Ne, Kr, He, Xe (за вычетом водяных паров).  Роль СО2, парниковый эффект. Присутствует аммиак и окислы азота. Присутствуют газы радиоактивного происхождения - гелий, радий, торон.

       Выше тропосферы существует стратосфера (до 70 км). В ней присутствует защитный для организмов “озоновый экран”, в котором молекулы О2 под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца преобразуются в молекулы озона - О3. Озон - хороший окислитель.

       Источники и состав загрязнения атмосферного воздуха

       Атмосфера Земли состоит из механической смеси газов. Атмосферный воздух (без пыли и влаги) состоит из N – 78.09%, O2  - 20.95%, аргона – 0.93% и СО2 – 0.03%.