Круговорот углерода в природе схема

Все вещества, все химические элементы постоянно циркулируют в биосфере. Они переходят из живых организмов в окружающую среду и обратно. Одних элементов в природе много, они преобладающие, других меньше, некоторых совсем мало (микроэлементы).

1. Сначала надо определиться, в виде каких соединений углерод находится в природе.

В атмосфере нашей планеты и в Мировом океане — это углекислый газ — CO2

В живых организмах — все органические соединения основаны на углероде

в земной коре в виде осадочных отложений или ископаемого топлива

2. Как осуществляется переход от одного соединения углерода к другому:

переход от CO2 к органическим соединениям: все растения на земле поглощают углекислый газ и с помощью энергии света производят органические вещества (фотосинтез). То же самое делают водоросли в водной среде. Т.о. углерод находится в структуре растения.

переход от органических соединений обратно к CO2: здесь возможны 2 пути :

путь1 : участие микроорганизмов в круговороте углерода: растение погибает, служит пищей для редуцентов (грибы и бактерии). Т.о., роль микроорганизмов в круговороте углерода — перерабатывание органических веществах до неорганических.
Этот путь может быть немного длиннее, если растение съедается животными (консументами 1-го порядка, затем они поедаются консументами 2-го порядка и т.д.) — углерод возвращается в атмосферу в виде CO2 за счет дыхания животных или в случае их смерти за счет деятельности редуцентов.

путь 2: растения погибают и оказываются в слое земли (под землей). Так образуется ископаемое топливо — нефть, торф,уголь.

Углерод может накапливаться на дне морей и океанов в виде известняка (останки погибших водных организмов)

Если мы рассматриваем перемещение углерода из атмосферы в живые организмы и обратно, то более точно такой круговорот называется “Круговорот углерода в биосфере”.

Если углерод перешел из атмосферы в состав отложений или топлива, то это уже “Круговорот углерода в биогеосфере”

Влияние человека (антропогенное влияние) на круговорот углерода:

(это одна из многочисленных теорий и предположений причин глобального потепления на нашей планете, но в формате подготовки к ЕГЭ рассматривается именно этот вариант)

Естественно, человек выделяет углекислый газ (CO2) в результате дыхания;

При сжигании различных видов топлива в атмосферу выделяется ОГРОМНОЕ количество CO2 (+ выхлопные газы машин).
Это нарушает сложившийся за миллиарды лет баланс на Земле, что приводит к Парниковому эффекту — большая концентрация CO2 играет роль стекла — под действием солнца атмосфера нагревается сильнее, чем обычно.

  • В ЕГЭ это вопрос А26— Биосфера и круговорот веществ

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•10 11 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. Наши ученые рассчитали, что за счет возможного расширения посевных площадей под культуры сельскохозяйственных растений и увеличения их урожайности продукты фотосинтеза (а значит, и пищевые ресурсы) могут быть увеличены примерно в 20–30 раз.

Это интересно:  Малый и большой круг кровообращения человека схема

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.

Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, всего 0,03% (по объему). Общее содержание его в атмосфере доходит до 6,4•10 11 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.

Вмешательство человека частично возвращает в атмосферу этот «ископаемый углерод»: при сжигании угля, горючих сланцев, нефти и т. п. на фабриках, заводах, в паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания он снова возвращается в атмосферу, главным образом в виде СО2 и реже в виде СО.

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 огромных количествах углерод содержится в газах (в виде СО2, СО и СН4), выделяющихся из вулканов во время извержений. Вычислено, что только один действующий вулкан Котопахи в Эквадоре в течение года выделяет свыше 10 млн т СО2. 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.

Это интересно:  Лимфатическая система человека схема

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. Если растормошить палкой тину на дне болота, метан будет выделяться в виде пузырей. При замерзании болот скопления метана иногда образуются подо льдом. Если пробить отверстие во льду над таким пузырем и поднести к нему спичку, газ будет гореть в виде факела. 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. Углекислый газ может также синтезироваться в глубинных пространствах Земли (так называемый ювенильный СО2). Если, например, поверхностные воды, содержащие кислоты, проникают до карбонатных пород, то в результате их взаимодействия будет выделяться углекислый газ. 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.

Это интересно:  Бегущие огни на светодиодах своими руками схема

Круговорот углерода

Рис. 76. Круговорот углерода в биосфере

Круговорот углерода — это биогеохимический цикл углерода в природе.

Углекислый газ, поглощаясь растениями, в процессе фотосинтеза превращается в углеводы, липиды, белки и другие органические вещества. Эти вещества потребляются живот­ными, которые в процессе дыхания снова выделяют в атмосферу углекислый газ. Останки растений и животных и их отходы расщепляются микроорганизмами и минерализуются. Конечным продуктом минерализации является углекислый газ, который выделяется из почвы и водных бассейнов в атмосферу (рис. 76).

Некоторая часть углерода удерживается в почве в составе органических веществ. В морской воде углерод накапливается в виде угольной кислоты и её солей, мела, известняка, кораллов. В виде осадочных пород углерод долгое время не участвует в биогенной миграции. Со временем в результате процессов горообразования эти осадочные породы поднимаются вверх и под воздействием химических изменений вовлекаются в круговорот. Материал с сайта http://wikiwhat.ru

Углерод также выделяется в атмосферу в составе отходов автомашин, производственных предприятий. Широко используемые в хозяйственной деятельности человека энергетические ресурсы — нефть, каменный уголь, горючие газы, торф и древесина — обра­зовались в результате круговорота углерода. Они образовались в условиях недостатка кислорода, из не успевших минерализоваться органических веществ. Эти полезные ископаемые вновь выделяются в атмосферу в виде углекислого газа в составе дымовых отходов заводов, фабрик и электростанций.

Круговорот углерода в природе

Углерод непрерывно циркулирует в биосфере Земли под влиянием химических и прочих процессов.

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:

  • углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO2;
  • растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);
  • растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.

В случае же растворения исходной молекулы CO2 в морской воде также возможно несколько вариантов:

  • углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);
  • углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк (см.Цикл преобразования горной породы) или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием CO2 на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.

Составной частью этих поисков является установление количества CO2, находящегося в тканях растений (например, в только что посаженном лесу) — ученые называют это стоком углерода. Поскольку правительства разных стран пытаются достичь международного соглашения по ограничению выбросов CO2, вопрос сбалансированного соотношения стоков и выбросов углерода в отдельных государствах стал главным яблоком раздора для промышленных стран. Однако ученые сомневаются, что накопление углекислого газа в атмосфере можно остановить одними лесопосадками.

Статья написана по материалам сайтов: him.1sept.ru, wikiwhat.ru, elementy.ru.

«

Помогла статья? Оцените её
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars
Загрузка...
Добавить комментарий