Pagina curentă: 17 (cartea are 49 de pagini în total) [pasaj de lectură disponibil: 33 de pagini]

Font:

100% +

3.4. Mișcarea materiei și a energiei în biosferă

3.4.1. Ciclul substanțelor din biosferă

În toate perioadele geologice, geosfera ca înveliș exterior al Pământului, în care scoarța terestră, atmosfera (până la stratul de ozon), hidro- și biosfera interacționează și unde sunt concentrate viața umană și activitatea economică, s-a dezvoltat ca un întreg. . Unitatea, autoreglementarea și dezvoltarea au fost asigurate de mișcarea continuă a materiei și energiei în biosferă. Sursa primară de energie pentru ecosisteme este Soarele. Fluxul energiei solare pe Pământ și transformările sale sunt prezentate în Fig. 3.1.

Fluxul de energie trimis de Soare către planeta Pământ depășește 20 de milioane de EJ/an. Datorită formei sferice a Pământului, doar un sfert din acest flux se apropie de limita întregii atmosfere. Din aceasta, aproximativ 70% este reflectată, absorbită de atmosferă și emisă sub formă de radiație infraroșie cu undă lungă. Radiația solară care cade pe suprafața Pământului este de 1,54 milioane EJ/an.

Orez. 3.1. Fluxul energiei solare pe Pământ și transformarea acesteia (conform lui T.A. Akimova, V.V. Haskin, 1994):

Notă: Energia este exprimată în exajouli (EJ/an). 1 EJ = 10 18 J; secțiunea transversală orizontală a fluxului de energie este logaritmică. În fiecare etapă de transformare, cea mai mare parte a energiei se pierde.

Biosfera joacă un rol important în distribuția fluxurilor de energie pe Pământ. Aproximativ 1024 J de energie solară ajunge pe Pământ pe an; 42% din el este reflectat înapoi în spațiu, iar restul este absorbit. O altă sursă de energie este căldura din interiorul pământului: 20% din energie este returnată în spațiu sub formă de căldură, 10% este cheltuită pentru evaporarea apei de la suprafața Oceanului Mondial. În procesul de fotosinteză, plantele verzi transformă aproximativ 10 22 J de energie pe an, absorb 1,7 10 8 tone de dioxid de carbon, eliberează aproximativ 11,5 10 7 tone de oxigen și evaporă 1,6 10 13 tone de apă. Dispariția plantelor ar duce la o acumulare catastrofală de dioxid de carbon în atmosferă, iar în decurs de o sută de ani viața de pe Pământ în manifestările sale actuale ar muri. Odată cu fotosinteza, în biosferă au loc procese de oxidare a substanțelor organice în timpul respirației și descompunerii, care au aproape aceeași scară.

Organismele conțin toate elementele chimice cunoscute astăzi. Sinteza materiei vii necesită aproximativ 40 de elemente. Principalele elemente biogene joacă cel mai mare rol.

Nutrienți- Acestea sunt elemente chimice care sunt incluse constant în compoziția organismelor. Ele îndeplinesc funcții biologice vitale, adică sunt baza vieții. În primul rând, este oxigenul (constituind 70% din masa organismelor), carbonul (18%), hidrogenul (10%).

Alte elemente sunt necesare în cantități mai mici, dar sunt și necesare. Acestea sunt calciu, fier, potasiu, magneziu, sodiu, siliciu etc. Toate elementele trec alternativ de la materia vie la materie inertă (nevie), participând la cicluri biogeochimice mai mult sau mai puțin complexe.

Progresele în chimia analitică și analiza spectrală au extins lista elementelor biogene: oamenii de știință descoperă tot mai multe elemente noi care fac parte din organisme în cantități mici ( microelemente), și descoperă rolul biologic al multora dintre ele. Vernadsky credea că toate elementele chimice care sunt prezente în mod constant în celulele și țesuturile organismelor în condiții naturale joacă probabil un anumit rol fiziologic. Multe elemente sunt de mare importanță doar pentru anumite grupuri de ființe vii (de exemplu, borul este necesar pentru plante, vanadiul pentru ascidie etc.).

Conținutul anumitor elemente din organisme depinde nu numai de caracteristicile speciilor lor, ci și de compoziția mediului, hrana (în special, pentru plante, de concentrația și solubilitatea anumitor săruri din sol), caracteristicile de mediu ale organismului și alte factori. Toate elementele trec alternativ de la materia vie la materie inertă (nevie), participând la cicluri biogeochimice complexe, care pot fi împărțite în două grupe principale:

Ciclul gazelor și apei, în care principalul rezervor de elemente este atmosfera (ciclul carbonului, azotului, oxigenului);

Ciclul este sedimentar, ale cărui elemente în stare solidă se găsesc în rocile sedimentare (ciclul fosforului, fierului și sulfului).

Organismele participă la migrarea elementelor chimice atât direct (eliberarea de oxigen în atmosferă, oxidarea și reducerea diferitelor substanțe din sol și hidrosferă), cât și indirect (reducerea sulfaților, oxidarea compușilor de fier, mangan și altele). elemente). Migrarea biogenă a atomilor este cauzată de trei procese principale: metabolismul, creșterea și reproducerea organismelor.

Oamenii joacă un rol imens în activitatea biogeochimică, extragând anual miliarde de tone de rocă în timpul exploatării miniere. Influența umană asupra proceselor geochimice globale crește doar în fiecare an.

Energia solară de pe Pământ provoacă două cicluri de substanțe:

Biosfera este un proces planetar non-stop de redistribuire naturală, ciclică, dar neuniformă, a substanțelor, informațiilor și energiei care intră în mod repetat în ecosistemele biosferei. Acesta este așa-numitul marele cerc de schimb biotic;

Biogeocenotipic - multiplu ciclic, dar neuniform în timp și circulație deschisă a unei părți din substanțele, energie și informații incluse în ciclul biosferei în cadrul biogeocenozei. Acesta este așa-numitul cerc mic de schimb biotic.

Ambele cicluri sunt interconectate și reprezintă un singur proces.

În fig. 3.2. Este prezentată o diagramă de bază a ciclului biotic.

Orez. 3.2. Diagrama schematică a ciclului biologic (biotic) (conform K.F. Reimers, 1990)

Baza biosferei și a funcțiilor sale este, în primul rând, circulația unor substanțe atât de importante din punct de vedere biologic precum carbonul, oxigenul, fosforul, azotul și apa. Ciclul elementar este foarte diferit de simpla transformare fizică a energiei, care în cele din urmă este degradată sub formă de căldură și nu se mai folosește niciodată.

Ciclul carbonului este cea mai semnificativă pentru păstrarea proprietăților biosferei. Singura sursă de carbon folosită de plantele autotrofe pentru sinteza materiei organice este dioxidul de carbon (dioxid de carbon) - CO 2, care face parte din atmosferă sau este dizolvat în apă. Carbonul din roci (în principal carbonați) nu este practic folosit de autotrofi.

Ciclul carbonului începe cu fixarea dioxidului de carbon atmosferic în timpul fotosintezei (Fig. 3.3).

Orez. 3.3. Ciclul carbonului în biosferă

Ca rezultat al fotosintezei, carbohidrații se formează din dioxid de carbon și apă, iar oxigenul este eliberat în atmosferă. Unii dintre carbohidrații rezultați sunt folosiți de organismul fotosintetic însuși (o plantă verde sau unele microorganisme și protozoare) pentru a obține energie pentru creștere și dezvoltare, iar unii sunt folosiți de animale atunci când mănâncă aceste organisme. În acest caz, dioxidul de carbon scapă în mediu prin rădăcini, frunze și alte organe ale plantelor și este, de asemenea, eliberat de animale în timpul respirației.

Animalele și plantele moarte sunt descompuse treptat de microorganismele din sol, carbonul din țesuturile lor este oxidat la CO 2 și returnat în atmosferă. Un proces similar are loc nu numai pe uscat, ci și în ocean. Datorită activității fotosintetice prelungite, în atmosferă s-a acumulat suficient oxigen liber pentru ca viața proteică să înflorească. Mai mult, în prezent, factorul limitativ pentru procesul de fotosinteză nu este doar conținutul scăzut de CO 2 din atmosferă, ci și conținutul ridicat de oxigen. Plantele verzi fotosintetice și sistemul carbonatic al mării sunt foarte eficiente în îndepărtarea excesului de CO 2 din atmosferă, ceea ce poate duce la supraîncălzirea planetei și la suprimarea vieții.

Cu toate acestea, creșterea neobișnuită a consumului de combustibili fosili, a emisiilor de gaze din industrie, precum și a scăderii capacității de absorbție a plantelor verzi ca urmare a unei reduceri semnificative a pădurilor, în primul rând a pădurilor tropicale din Amazon și a pădurilor de taiga din Siberia, influența a unui număr de poluanți chimici din procesul de fotosinteză în sine încep să afecteze în mod semnificativ ciclul carbonului fondului atmosferic.

Scara ciclului carbonului poate fi judecată după următoarele cifre. Rezervele de carbon din atmosferă sunt estimate la 700 de miliarde de tone, în hidrosferă - la 50.000 de miliarde de tone Dacă presupunem că fotosinteza totală anuală, conform calculelor existente, este de 30, respectiv 150 de miliarde de tone, atunci durata carbonului. ciclul este de trei sau patru secole, iar după unele surse, 1000 de ani. Într-adevăr, conținutul de CO 2 din atmosferă nu scade, deoarece rezervele sale sunt reînnoite în mod constant datorită respirației, fermentației și arderii. Dimpotrivă, există un pericol real ca, ca urmare a dezvoltării producției industriale și a perturbării stării de echilibru a biosferei, conținutul de CO 2 din atmosferă să crească semnificativ, ceea ce va duce la o serie de efecte negative.

Ciclul apei în biosferă (Fig. 3.4) presupune că evapotranspirația este echilibrată de precipitații. La latitudinile mijlocii, plantele pot reține până la 25% din apa care cade sub formă de precipitații. Restul apei este absorbită în sol sau curge de-a lungul suprafeței în rezervoare. Datorită evaporării, o parte din apă se întoarce în atmosferă.

În Germania s-a realizat o contabilizare cantitativă a apei pluviale în toată țara. S-a dovedit că dintr-o rată anuală de precipitații de 771 mm, doar 367 mm, sau mai puțin de 50%, ajung în mare sub formă de scurgere a apelor pluviale; restul este apă, adică 404 mm, evaporându-se, revine în atmosferă. Plantele absorb și transpiră (se evaporă) 38% din precipitațiile în atmosferă. S-a demonstrat că doar 1% din umiditatea atmosferică este reținută și folosită pentru a crea materie vie.

Orez. 3.4. Ciclul apei în biosferă

În regiunile ecuatoriale, evaporarea joacă un rol și mai important. De exemplu, se știe că pădurile tropicale din Bazinul Congo se evaporă 2/3 din precipitațiile lor. În fiecare an, aproximativ 880 mm de apă se evaporă de pe suprafața Oceanului Mondial în atmosferă, 140 mm de apă se evaporă de pe uscat și aceeași cantitate cade pe Pământ sub formă de precipitații. Organismele vii joacă un rol activ în ciclul apei de pe Pământ. Se estimează că toată apa de pe planetă trece prin învelișul viu al Pământului în 2 milioane de ani. Din ocean se evaporă mai multă apă decât intră în el cu precipitații pe uscat, este invers. Precipitațiile în exces care cade pe uscat cad în calote glaciare și ghețari și sunt stocate acolo, reumplend apa subterană, de unde plantele o iau prin sistemul radicular și o folosesc pentru creștere și dezvoltare. Apele subterane hrănesc râurile și lacurile, din care se întorc în ocean cu scurgeri.

Îndepărtarea în spațiu a unei anumite cantități de apă sub formă de vapori și hidrogen este compensată în principal de apă juvenilă, adică. ridicându-se la suprafață din camere magmatice adânci ca urmare a activității vulcanice și a cutremurelor.

Ciclul azotului (Fig. 3.5) acoperă, de asemenea, toate zonele biosferei. Rezervele sale în atmosferă sunt practic inepuizabile, dar plantele superioare pot absorbi azotul numai după ce formează săruri ușor solubile cu hidrogenul sau oxigenul. Bacteriile fixatoare de azot joacă un rol fundamental în acest proces. Plantele care au absorbit azot sunt consumate ulterior de animale. Din punct de vedere energetic, ciclul azotului poate fi reprezentat ca o serie de etape care necesită energie din exterior sau o primesc din compuși bogati în energie. În timpul ciclului, azotul protoplasmatic este transferat din formă organică în formă anorganică ca urmare a activității mai multor tipuri de bacterii, fiecare dintre acestea îndeplinește o funcție individuală.

Orez. 3.5. Ciclul azotului în biosferă

Aerul atmosferic este un depozit de azot, deoarece este format din 78,09% din acesta, dar, după cum am menționat mai devreme, pentru ca plantele superioare să poată asimila azotul atmosferic, acesta trebuie să se combine cu oxigenul sau cu hidrogenul. Cu ajutorul bacteriilor fixatoare de azot, azotul atmosferic este transformat în forme ușor digerabile de către plante. Plantele care folosesc săruri care conțin azot pentru creștere și dezvoltare sunt consumate de animale. Produsele reziduale ale acestora din urmă sunt, de asemenea, descompuse în amoniac cu ajutorul bacteriilor, iar apoi legate de alte microorganisme de nitrați și nitriți etc. Astfel, azotul intră constant în atmosferă datorită activității vitale a bacteriilor denitrificatoare și se formează, de asemenea, în timpul descărcărilor electrice atmosferice (fulger) și este pornit din nou în ciclu datorită activității bacteriilor fixatoare de azot și a algelor verzi.

Ciclul azotului, ca orice alt proces, necesită energie. Bacteriile chemosintetice, care transformă amoniacul printr-o serie de procese în nitriți, obțin energie prin descompunere; bacterii denitrificatoare și fixatoare de azot – din alte surse.

Azotul poate fi fixat de multe bacterii, cum ar fi cele care trăiesc liber AzotobacterŞi Clostridium, bacterii nodulare simbiotice ale plantelor leguminoase, unele bacterii violete și diverse din sol. În plus, s-a demonstrat că algele și bacteriile care trăiesc pe frunzele și epifitele pădurilor tropicale pot fixa, de asemenea, azotul atmosferic, dintre care o parte este folosit indirect de copaci, cu toate acestea, nu s-a găsit o singură plantă superioară care ar putea obține independent azot din atmosfera și să o folosească în procesul vieții. Se știe că în biosferă în ansamblu se fixează în medie 140–700 mg/m3 de azot din aer pe an. Cea mai mare parte este fixarea biologică, doar o cantitate foarte mică fiind fixată prin procese fotochimice și electrice.

Ciclul fosforului (Fig. 3.6), spre deosebire de ciclul azotului, este un proces relativ simplu, deși nu este inferior ca importanță biosferei. Principalele rezerve de fosfor sunt conținute în diferite roci, care eliberează treptat fosfați către ecosistemele terestre prin leșiere și intemperii. Fosfații sunt consumați în primul rând de plante la diferite niveluri de organizare și sunt utilizați de acestea pentru sinteza substanțelor organice, precum aminoacizi, enzime etc. Când reziduurile de plante și cadavrele de animale sunt descompuse de bacterii, fosfații sunt returnați în sol și apoi folosit din nou de organismele vegetale și microbi. În plus, o parte din fosfați se efectuează cu ape de inundație în mare, ceea ce asigură dezvoltarea fitoplanctonului și existența organismelor dependente de acesta. O parte din fosforul conținut în apa de mare și în organismele marine poate fi returnat pe uscat atunci când sunt capturați pești, crustacee, alge etc.

Orez. 3.6. Ciclul fosforului în natură

Fosforul este unul dintre cele mai importante elemente ale materiei vii. Ia parte la principalele reacții biochimice care asigură activitatea vitală a organismului și integritatea acestuia. Datorită activității sale ridicate în mediu, fosforul liber este un element relativ rar. În fiecare an, oamenii extrag 2–2,5 milioane de tone de roci care conțin fosfor, care sunt folosite ca materii prime minerale pentru a produce o serie de produse, în timp ce cea mai mare parte a fosforului este exclusă din ciclu. Oferta de astfel de rase este limitată și există deja o lipsă a acestora.

Ciclul nutrienților asigură semnificativ fertilitatea solului. Pe uscat, principala sursă de cationi biogeni este solul, în care intră în timpul distrugerii rocilor părinte și sunt aduși și de precipitații. Cationii sunt adsorbiți de rădăcini și apoi distribuiți în diferite organe vegetative ale plantelor. Cationii biogene se acumulează în cea mai mare cantitate în frunze. Erbivorele mănâncă biomasă vegetală, ierbivorele sunt mâncate de prădători sau mor, iar mineralizarea excrementelor și a carcaselor returnează nutrienții înapoi în sol. În latitudinile temperate, majoritatea nutrienților minerali sunt stocați într-un strat gros de humus, în care se creează rezerve de nutrienți și nutrienți de bază. Prin urmare, cosirea ierbii, colectarea gunoiului în pădure, pășunatul animalelor, smulgerea cioturilor, arderea vegetației și îndepărtarea gazonului duce la dispariția unei astfel de resurse nutritive precum humusul. Ca urmare, ciclul nutrienților este perturbat, iar ecosistemul forestier este transformat într-un pustiu sau pajiște cu vegetație rară.

3.4.2. Modele de bază ale mișcării energiei în biosferă

Toate transformările substanțelor în procesul de circulație necesită energie. Niciun organism viu nu produce energie pe cont propriu; aceasta poate fi obținută numai din exterior. În biosfera modernă, principala sursă de energie pentru ciclul biogenic este Soarele. Conform calculelor brute, dacă energia radiației solare este considerată 100%, atunci doar 15% din aceasta ajunge la suprafața Pământului și doar 1% este legată sub formă de materie organică de plante, principalii producători de producție primară. Aproximativ jumătate din această energie este cheltuită pe procese vitale (pierderi de respirație). Restul de 50% se îndreaptă către creșterea biomasei. Producția netă corespunde astfel cu aproximativ 0,5% din energia solară care cade pe Pământ. Biomasa vegetală acumulată în timpul fotosintezei (producția primară) este o rezervă, o parte din care este folosită ca hrană de către organisme - heterotrofe (consumatori de ordinul I). Restul este cantitatea reală de masă de vegetație din ecosistem.

Potrivit lui Odum, „Ecologia este în esență studiul relației dintre lumină și sistemele ecologice și modul în care energia este convertită într-un sistem”.

Viața apare și se dezvoltă într-un flux de energie, care se acumulează parțial în biosisteme în diferite cicluri ale materiei. Anterior, erau luate în considerare doar ciclurile globale care acoperă întreaga biosferă în ansamblu. În plus, există cicluri mici caracteristice ecosistemelor individuale. În orice organism multicelular, este, de asemenea, posibil să se distingă mai multe cicluri necesare vieții, similare cu ciclurile biogeochimice ale biosferei.

Mișcări similare ale materiei pot fi observate în citoplasma organismelor unicelulare. Chiar și în sistemele non-biologice, cu o diferență suficient de mare de forțe la intrarea și la ieșirea sistemului, se poate observa tranziția acestuia la o stare neliniară, uneori destul de clar însoțită de apariția unor mișcări ciclice ale materiei sau auto-oscilații ( de exemplu, curgerea fluidului turbulent, celulele Bernard, reacțiile Belousov-Zhabotinsky etc.). Cu alte cuvinte, circulația intrasistemică a substanțelor este o modalitate de a acumula energie în sistem.

Mișcarea energiei în biosferă diferă semnificativ de mișcarea materiei.

Conform principiul creșterii entropiei fluxul de energie este întotdeauna îndreptat într-o singură direcție, circulația energiei este imposibilă. Materia vie reduce entropia unei părți din energie, acumulând-o în structurile sale. Dar cea mai mare parte a energiei, care trece prin biosferă, se degradează și părăsește planeta sub formă de energie termică de calitate scăzută. Energia poate fi stocată și apoi eliberată din nou, dar nu poate fi folosită din nou.

Imposibilitatea fundamentală de a utiliza energia termică pe fundalul unei creșteri progresive a cantității de energie eliberată de oameni direct pe planetă (combustie combustibil, fisiune nucleară, fuziune nucleară etc.) pe lângă energia solară, este una dintre cele mai importante. factori importanți în catastrofa de mediu iminente.

Se știe că consumul de energie de către omenire pe planeta noastră a fost istoric extrem de neuniform și a crescut în paralel cu rata de acumulare a informațiilor. De-a lungul întregii istorii a existenței lor, oamenii au consumat aproximativ 900–950 mii TWh de energie de toate tipurile, aproape două treimi din această cantitate având loc în ultimii 40–50 de ani. În ultimii 100 de ani, consumul global de energie a crescut de 14 ori. Consumul total de resurse energetice primare în acest timp a depășit 380 de miliarde de tone de combustibil standard, cu o eficiență energetică medie a tehnosferei egală cu 30%.

Contribuția relativă a diferiților purtători de energie la consumul total de energie se caracterizează prin următoarele valori medii: cărbune – 27%; petrol – 34, gaze – 17, hidroenergie – 6, energie nucleară – 8,5, alte surse – 7,5%.

Capacitatea energetică a tehnosferei actuale este aproximativ egală ca mărime cu 6% din capacitatea totală de producție a ecosferei.

3.4.3. Energia biosferei

Energie este capacitatea de a lucra. În ciuda faptului că toată știința modernă este impregnată de acest concept, natura energiei nu este încă pe deplin înțeleasă.

Pentru prima dată, conceptul de energie a fost elaborat cel mai pe deplin în termodinamică, ceea ce a dus la formularea celor mai fundamentale două legi care descriu proprietățile energiei.

Instalat acum peste 100 de ani prima lege a termodinamicii, sau legea conservării energiei, este una dintre legile fundamentale ale fizicii, care a fost confirmată în diverse domenii - de la mecanica newtoniană la fizica nucleară.

Conform acestei legi, energia nu poate fi distrusă sau obținută din nimic, ea poate trece doar de la o formă la alta, adică nu dispare niciodată sau este creată din nou.

Un caz special al acestei legi este prima lege a termodinamicii, care stabilește convertibilitatea reciprocă a tuturor tipurilor de energie: căldură Q, comunicat unui sistem neizolat (de exemplu, abur într-un motor termic), este cheltuit pentru creșterea energiei sale interne Δ Uși să-și facă treaba Oîmpotriva forțelor externe:

Q= Δ U+ O.

A doua lege a termodinamicii, sau legea creșterii entropiei, – toate procesele reale de transformare a energiei sunt însoțite de o creștere a entropiei, adică o tranziție a energiei la o stare mai dispersată.

Toate procesele din natură sunt supuse acestor legi ale termodinamicii și sunt direct legate de cantitatea și calitatea energiei utilizate.

Entropie este o mărime care caracterizează direcția proceselor naturale de transfer de căldură și, după cum s-a dovedit, orice proces de conversie a energiei în general.

Entropia se numește umbra energiei. Într-un sens mai larg, entropia este înțeleasă ca o măsură a calității, adică o măsură a concentrării și ordonării energiei. Energia termică cu o temperatură mai mare are entropie mai mică:

S= Q/ T,

adică o calitate mai mare decât aceeași cantitate de căldură la o temperatură mai scăzută. Prin urmare, pe măsură ce temperatura fluidului de lucru, de exemplu aburului, scade la temperatura ambiantă, este posibilă transformarea simultană a unei părți a energiei termice în lucru mecanic (motor termic). Cu cât calitatea energiei este mai mare, adică cu cât creșterea temperaturii aburului este mai mare peste temperatura ambiantă, cu atât este mai mare cantitatea de lucru care poate fi obținută.

Diferite tipuri de energie au calități diferite. De exemplu, mișcarea ordonată a particulelor unui corp solid (mișcare mecanică) are o calitate mai mare decât mișcarea haotică a acelorași particule cu aceeași viteză medie (mișcare termică). Prin urmare, orice mișcare mecanică în prezența frecării este însoțită de conversia spontană a unei părți a energiei mecanice în energie termică.

Când vine vorba de energie, mai ales în contextul crizei energetice, trebuie să ne amintim că pe Pământ există multă energie. O navă cu motor care navighează pe ocean se mișcă pe o mare de energie. Cu toate acestea, el este forțat să ducă cu el o rezervă de cărbune, deoarece energia oceanului este de proastă calitate. Pentru o utilizare benefică, este nevoie de energie de înaltă calitate, a cărei entropie este mai mică decât entropia energiei disipate în mediu. Energia oceanică poate fi folosită numai dacă există un frigider la o temperatură mai mică decât temperatura oceanului.

Este diferența de entropii la intrarea și la ieșirea fluxului de energie care generează factorul, care este notat prin concept rezistenţă, care pune în mișcare toate procesele din natură. În esență, orice forță are o natură entropică.

Prezența structurilor ordonate precum rețelele cristaline contribuie la ordonarea mișcării particulelor prin reducerea gradelor de libertate ale acestora. Principiul creșterii entropiei necesită o creștere a numărului de grade de libertate în fiecare proces de conversie a energiei reale. Prin urmare, toate structurile ordonate tind să se prăbușească. „Totul se prăbușește, totul moare, totul cade în haos” este o altă formulare a celei de-a doua legi a termodinamicii.

Pe lângă o astfel de distrugere, există o altă modalitate de a crește numărul de grade de libertate - complicând structura sistemului. Pe această cale se mișcă procesul evolutiv global. În același timp, natura nu se străduiește niciodată să realizeze un haos complet la un anumit nivel al ierarhiei sistemului. În acest caz, evoluția Universului s-ar opri destul de repede. De regulă, în cadrul unui nivel ierarhic dat se formează niște structuri stabile, din care se construiesc niveluri ierarhice superioare, caracterizate prin valori mai mari ale entropiei maxime posibile decât la nivelul anterior. Acest lucru permite o creștere continuă a entropiei.

De obicei, tendința spre haos se realizează în tendința unei substanțe de a se dispersa (de exemplu, dizolvarea zahărului în apă). Dar în cazul compușilor organici complecși, un haos mai mare (disiparea energiei) poate fi realizat tocmai atunci când substanța este concentrată. De exemplu, picăturile de ulei dispersate în apă au tendința de a se contopi într-o picătură mare, datorită faptului că moleculele de apă învăluie moleculele de hidrocarburi de ulei într-un fel de înveliș ordonat. Cu cât suprafața uleiului este mai mare, cu atât sunt mai ordonate moleculele de apă, ceea ce natura nu le poate permite, iar în haosul mișcării picăturilor, mai devreme sau mai târziu vor căpăta inevitabil o stare cu cea mai mică suprafață, adică se vor contopi într-o picătură mare.

Acesta este ceea ce probabil a servit drept începutul vieții unicelulare. Așa se formează picăturile coacervate într-o soluție de molecule de proteine, care au o structură stabilă și uneori destul de complexă și absorb substanțe strict definite din soluție.

În biosisteme, dorința de haos se realizează prin mecanisme și mai complexe. O celulă își poate crește suprafața, de exemplu, să dobândească forma unui elipsoid, cilindru (tijă) sau fir, să formeze excrescențe asemănătoare rădăcinii, pseudopode etc. Organismele multicelulare rezolvă o problemă similară într-un mod similar. Suprafața frunzelor și rădăcinilor plantelor crește. La animale, spre deosebire de plante, o astfel de creștere a suprafeței se realizează de obicei în interiorul corpului, pentru a nu interfera cu mișcarea. Este suficient să amintim suprafețele dezvoltate ale intestinelor, organelor respiratorii, sistemului circulator etc. De exemplu, suprafața totală a tuturor globulelor roșii ale unui adult este de aproximativ 3000 m2, lungimea totală a tuturor capilarelor este de aproximativ 100.000 km, etc.

Ceva similar se întâmplă în cadrul unor superorganisme precum ecosistemele. Aici, diferențierea se realizează prin creșterea nișelor ecologice și a diversității speciilor care locuiesc într-un ecosistem dat, prelungirea și complexitatea lanțurilor trofice, îmbunătățirea relațiilor intraspecifice și interspecifice etc. Toate acestea sunt o consecință a principiului creșterii entropiei.

Astfel, distrugerea structurii cerută de principiul creșterii entropiei este o componentă necesară a procesului de viață. Dar viața a învățat să folosească distrugerea spre bine, așa că distrugerea nu este neapărat însoțită de moartea sistemelor biologice. Distrugerea moderată, supusă anumitor restricții programate anterior, duce la extinderea și complexitatea vieții. Cea mai caracteristică în acest sens este diviziunea celulară. Aici moartea și nașterea se contopesc într-un singur proces.

Dacă mișcarea materiei este adesea organizată într-un ciclu global care acoperă multe ecosisteme ale biosferei, atunci este convenabil să luăm în considerare mișcarea energiei folosind exemplul unui singur ecosistem. Ecosistemele suficient de mari, cum ar fi biogeocenozele, au toate nivelurile intermediare prin care trece energia atunci când trece de la starea de lumină solară la starea de căldură, utilizate mai întâi în zonele tampon ale biosferei (atmosferă, hidrosferă, litosferă) și apoi radiate în spațiul cosmic (în părțile infraroșii ale spectrului electromagnetic).

Îndepărtarea entropiei din organism este o condiție indispensabilă pentru existența acestuia. Toate procesele vitale sunt însoțite de o creștere a entropiei interne a corpului: Δ S> 0. Pentru a nu muri, celula trebuie să consume entropie negativă (negentropie, informație) din mediu Δ S< 0, что равносильно выводу энтропии из организма. Для этого обычно используется энергия химических реакций. Нужно взять из окружающей среды необходимые компоненты (пища) и создать условия для протекания реакции, продуктами которой должны стать вещества, содержащие в своей структуре больше энтропии, чем исходные компоненты. Обычно в этих реакциях разрушаются структуры более сложных молекул (например, молекул белка, жиров или углеводов). Затем эти продукты распада удаляются из организма. Себе же организм оставляет нечто, характеризующееся разницей энтропии исходных компонентов и энтропии продуктов реакции. Это нечто называется energie liberă, care în raport cu un organism dat are entropie negativă (negentropie) și datorită căruia sunt puse în mișcare procese ordonate interne.

De exemplu, glucoza este folosită în organism pentru a forma dioxid de carbon și apă. Acesta este unul dintre cele mai universale procese care stau la baza respirației și a digestiei. Dioxidul de carbon și apa sunt îndepărtate din corp prin respirație, transpirație, excremente etc. Energia eliberată suferă o serie de transformări, asigurând astfel apariția tuturor proceselor fiziologice, funcțiilor motorii etc. Această parte a energiei este considerată o cheltuială. pe respiratie. Degradându-se parțial în fiecare astfel de transformare, energia se transformă treptat complet în căldură, care este apoi îndepărtată din corp în mediu.

Cu toate acestea, nu toată energia liberă trece prin corp în acest fel. O parte din energia liberă este utilizată pentru a organiza o serie de reacții endoterme, adică este legată în structuri moleculare complexe. În primul rând, acestea sunt reacții pentru sinteza proteinelor necesare, acizilor nucleici etc. În acest caz, o parte din energia liberă merge la eficientizarea structurii interne a corpului. Această energie acumulată în substanța corpului se numește produse.

O anumită proporție de alimente nu este absorbită de organism, prin urmare, energia nu este eliberată din acesta. Este excretat din organism împreună cu excrementele și este ulterior eliberat din acesta de către alte organisme.

Datorită prezenței compuși moleculari complecși în structura sa, acest organism poate servi ca hrană pentru un alt organism. În același timp, structura sa este supusă distrugerii mecanice și chimice. Energia liberă eliberată este utilizată în același mod ca în cazul descris mai sus. Astfel, se formează alimente, sau trofic, lanț, în care energia este transferată printr-un număr de organisme prin mâncarea unor organisme de către altele.

Fluxul de energie în biosferă. Învelișul viu al planetei absoarbe continuu nu numai energia Soarelui, ci și cea care vine din intestinele Pământului; energia este transformată și transferată de la un organism la altul și radiată în mediu. Ar trebui să înțelegeți clar care sunt sursele de energie din biosferă, unde curg fluxurile de energie și care este rolul lor în crearea biomasei.

S-a remarcat deja că singura sursă primară de energie externă de pe Pământ este lumina și radiația termică a Sunj (vezi capitolul 2). În fiecare an, aproximativ 21.1023 kJ cade pe suprafața pământului, din care doar aproximativ 40% cade pe zone ale Pământului acoperite cu plante, precum și pe rezervoare cu vegetație conținută în acestea. Ținând cont de pierderea energiei radiațiilor din cauza reflexiei și din alte motive, precum și de randamentul energetic al fotosintezei, care nu depășește 2%, cantitatea totală de energie stocată anual în produsele de fotosinteză va fi de ordinul a 20 1022 kJ . Pe lângă crearea de produse curate, acoperirea pământului viu folosește energia pe care o captează de la Soare pentru procesul de respirație. Aceste costuri cu energia reprezintă aproximativ 30-40% din energia cheltuită pentru crearea de produse curate. Astfel, vegetația terestră convertește un total de aproximativ 4,2 1018 kJ de energie solară pe an (pentru respirație și crearea de produse curate).

Crearea și existența biomasei este indisolubil legată de furnizarea de energie și substanțe din mediu. Majoritatea substanțelor din scoarța terestră trec prin organismele vii și sunt implicate în ciclul biologic al substanțelor care au creat biosfera și determină stabilitatea acesteia. Din punct de vedere energetic, viața din biosferă este susținută de un flux constant de energie de la Soare și de utilizarea sa în procesele de fotosinteză. Fluxul de energie solară, perceput de moleculele celulelor vii, este transformat în energia legăturilor chimice. În procesul de fotosinteză, plantele folosesc energia radiantă a luminii solare pentru a transforma substanțele cu conținut scăzut de energie (CO2 și H2O) în compuși organici mai complecși, unde o parte din energia solară este stocată sub formă de legături chimice.

Substanțele organice formate în timpul procesului de fotosinteză servesc ca sursă de energie pentru planta însăși sau sunt transferate în procesul de alimentație și asimilare ulterioară de la un organism la altul: de la plante la ierbivore, de la acestea la carnivore etc. Eliberarea energiei conținute în compușii organici are loc și în timpul procesului de respirație sau fermentație, distrugerea resturilor de biomasă uzate sau moartă este efectuată de diverse organisme clasificate ca saprofite (bacterii heterotrofe, ciuperci, unele animale și plante). Ele descompun biomasa rămasă în componente anorganice (mineralizare), facilitând implicarea compușilor și elementelor chimice în ciclul biologic, ceea ce asigură cicluri regulate de producere a materiei organice. Să subliniem că energia conținută în alimente nu circulă, ci se transformă treptat în energie termică. Ca urmare, energia solară absorbită de organisme sub formă de legături chimice se întoarce din nou în spațiu sub formă de radiație termică. Prin urmare, biosfera necesită un flux constant de energie din exterior. Această funcție cea mai importantă este îndeplinită de Soare, care asigură un flux constant de energie prin biosferă timp de multe miliarde de ani. În acest caz, radiația cu undă scurtă (lumina) vine pe Pământ, iar radiația termică cu undă lungă părăsește acesta. Este semnificativ faptul că echilibrul acestor energii nu este menținut: planeta emite ceva mai puțină energie în spațiu decât primește de la Soare. Această diferență (fracții de procent) este absorbită de biosferă, acumulând treptat dar constant energie. S-a dovedit a fi suficient ca viața să apară pe planetă într-o zi, să apară o biosferă pentru a continua să susțină toate procesele grandioase ale dezvoltării planetei.

Productivitatea biosferei. Biomasa modernă a Pământului este de aproximativ 1.841.1012 tone (din materie uscată). În același timp, biomasa pământului reprezintă aproximativ 1.837 1012 tone, din Oceanul Mondial - 3.9 109 tone Acest lucru se datorează eficienței mai scăzute a fotosintezei, deoarece utilizarea energiei radiante de la Soare pe zona oceanului este de 0,04. %, pe teren - 0,1%. Plantele verzi reprezintă 99% din biomasa pământului, animalele și microorganismele reprezintă 1%. Biomasa de pe uscat este distribuită inegal și crește de la poli la ecuator, iar diversitatea speciilor crește și ea.

Contribuția diferitelor continente la producția primară totală de pământ este aproximativ următoarea (N.M. Chernova și colab., 1995): Europa - 6, Asia - 28, Africa - 22, America de Nord - 13, America de Sud - 26, Australia cu insulele Oceania - 5%. Dacă comparăm productivitatea plantelor la 1 hectar, atunci aceasta este (ca procent din media pentru toate continentele) în Europa - 89, în Asia - 103, în Africa - 108, în America de Nord - 86, în America de Sud - 220, în Australia - 90. În același timp, productivitatea diferitelor sisteme ecologice este diferită, depinde de o serie de factori climatici, în primul rând de furnizarea de căldură și umiditate. Cele mai productive ecosisteme sunt pădurile tropicale, urmate de terenurile cultivate, stepele și pajiștile, deșerturile și zonele polare.

Să subliniem că biomasa Oceanului Mondial este de aproape 1000 de ori mai mică decât cea a pământului, deși suprafața acestuia ocupă 72,2% din întreaga suprafață a Pământului. Cu toate acestea, productivitatea specifică a biocenozelor oceanice este atât de mare încât fitomasa oceanelor, care este nesemnificativă în comparație cu pământul, creează anual producție netă comparabilă cu producția netă pe uscat. Astfel, în oceane se formează anual 5,51 1010 tone de masă vegetală, ceea ce reprezintă aproximativ o treime din producția totală de biomasă a planetei.

Creșterea și reproducerea organismelor care apar în biosferă asigură migrarea biogenă a atomilor, care în procesul de evoluție a determinat crearea sistemului natural modern. De-a lungul a sute de milioane de ani, plantele au absorbit cantități uriașe de dioxid de carbon și, în același timp, au îmbogățit atmosfera cu oxigen. Organismele vii influențează profund proprietățile naturale ale biosferei și ale întregii planete. Scheletele nevertebratelor au format roci sedimentare precum calcarul și creta; Cărbunele și uleiul s-au format din reziduurile vegetale. Solul are, de asemenea, o origine biogenă, care este un produs al activității vitale a microorganismelor, plantelor și animalelor în interacțiunea lor cu componentele anorganice ale naturii. Este important de subliniat faptul că apariția în procesul de evoluție a unor organisme mai complexe, dar mai puțin dependente de schimbările din mediu, precum și dezvoltarea unor ecosisteme relativ stabile, au condus la creșterea vitezei de mișcare a energiei și a substanțelor. în biogeocenozele formate.

Să prezentăm date care demonstrează în mod clar „presiunea vieții”. Masa totală a materiei vii care se află pe Pământ, de cel puțin 1 miliard de ani, depășește deja masa scoarței terestre. Într-adevăr, biomasa Pământului este de 1,84 1012 tone, adică. aproximativ 0,00001% din scoarța terestră (2 1019 tone), producția anuală de materie vie se apropie de 1,7 1011 tone Presupunând că în ultimul miliard de ani această producție a fost aproape de cea modernă, putem calcula cantitatea sa totală: 1,710 109 =. 1,7 1020 t, adică aproape cu un ordin de mărime mai mare decât masa scoarței terestre. Potrivit lui N.M. Chernova, dacă ar fi posibil să colecteze toată biomasa produsă pe Pământ în ultimii 600 de milioane de ani, ar acoperi Pământul cu un strat de sute de kilometri.

Potrivit lui V.I. Vernadsky, „filmul vieții” menționat mai sus a fost mult timp principala forță geologică care dă aspectul modern celor trei învelișuri ale Pământului: litosfera, hidrosfera și atmosfera. Dezvoltarea și caracterul acestor cochilii nu mai este determinată de factori astronomici, ci de factori bigeni. Singurele excepții sunt manifestările activității vulcanice, care sunt generate de straturile geofizice adânci ale Pământului.

Existența biosferei se bazează pe mișcarea continuă a materiei și a informațiilor în interiorul organismelor vii și între organisme și mediul lor. Această mișcare necesită energie, iar fiecare organism și biosfera în ansamblu funcționează ca motoarele termice. În plus, ei se supun în mod natural legilor (principiilor) de bază ale termodinamicii.

Prima lege sau lege a conservării energiei spune că „energia este invariabilă în raport cu orice proces”. Aceasta înseamnă că energia se poate schimba de la o formă la alta, dar cantitatea sa totală rămâne constantă. De exemplu, lumina poate fi convertită în căldură sau în energie chimică potențială stocată în materia organică a unei plante în timpul fotosintezei, dar cantitatea totală de energie va rămâne aceeași 1.

A doua lege (începutul) a termodinamicii afirmă că într-un sistem izolat, în timpul oricăror transformări de energie, o parte din aceasta este disipată și devine inaccesibilă pentru transformări ulterioare în cadrul sistemului dat. Dacă vorbim de energie termică, atunci energia disipată se transformă în mișcarea haotică a particulelor de materie din jur (de exemplu, în mișcarea termică a moleculelor). În special, căldura poate fi transferată dintr-un corp mai rece într-unul mai cald doar cu cheltuirea energiei mecanice sau alte energie non-termică, care va fi disipată (o altă formulare a celei de-a doua legi). Astfel, orice proces asociat cu transformările energetice duc la tranziția unei părți din energie în energie haos în sistem.

O măsură a aleatoriei sau dezordinei unui sistem izolat este o mărime numită entropie.În orice sistem izolat, au loc procese de disipare a energiei în cadrul sistemului și, în consecință, entropia crește (a treia formulare a celei de-a doua legi). Când entropia unui sistem izolat atinge maximul, temperatura din întregul sistem se egalizează, procesele din acesta îngheață, rămâne doar mișcarea haotică, iar sistemul este depășit de „moartea termică”. Din a doua lege rezultă că pentru apariția și creșterea structurilor ordonate într-un sistem este necesară furnizarea de energie concentrată din exterior.

gia, care corespunde unei temperaturi mai mari decât temperatura mișcării haotice din sistem. O parte din energia de intrare va merge pentru a crește energia potențială internă a acestor structuri, iar o parte va fi disipată sub formă de mișcare haotică în restul sistemului, în afara structurilor ordonate (Fig. 2.8). Energia acestei mișcări haotice corespunde celei mai scăzute temperaturi din sistem și nu poate fi utilizată în cadrul sistemului. Partea structural ordonată a sistemului eliberează în exterior entropia generată în el împreună cu energia disipată.

Orez. 2.8.

sistem termodinamic

În biosferă, producătorii folosesc direct energia concentrată a luminii solare și convertesc 1/10 din energia fotonilor captați în energie chimică potențială a materiei vii fotosintetizate, iar 9/10 cheltuiesc pentru evaporarea umidității și propriul metabolism, iar acestea 9/0 sunt disipate sub formă de căldură la temperatură scăzută. Consumatorii, saprofagii și detritivorii cheltuiesc energia chimică obținută din alimente în aproximativ aceleași proporții. Totul urmează regula 10% a lui Lindemann, ceea ce înseamnă în esență că, în cele din urmă, toată energia pe care o primește un ecosistem este disipată ca căldură la temperatură scăzută. Astfel, eficiența (sau „coeficientul de performanță” al organismelor ca motoare termice) este aproximativ aceeași la toate nivelurile trofice și este de aproximativ 10%.

În fig. Figura 2.9 prezintă fluxurile de energie în motorul termic al Pământului. Fluxul de radiație solară 5 0 cade pe regiunea exterioară a atmosferei, egal cu 1396 W m -2 sau aproximativ '/ 3 kcal m 2 s -1

Reflecţie

nori,

particule

suprafaţă

Infraroşu

radiatii

Însorit

radiatii

Absorbţie

Absorbţie

atmosferă

suprafaţă

Evaporare, radiație, convecție, conductivitate termică

oceanic

circulaţie

Energia dezintegrarii radioactive și compresia gravitațională a Pământului

Orez. 2.9. Motor termic Atmosferă-Pământ. Suprafața Pământului este principala sursă de încălzire și circulație a atmosferei, deși ea însăși își primește aproape toată energia de la Soare. Contribuția radioactivității și compresiei gravitaționale a Pământului la bilanțul energetic general este neglijabilă

(constanta solara). Acest flux este intersectat de discul Pământului cu o zonă de l/? 2 unde eu - raza Pământului, dar distribuită pe întreaga suprafață a Pământului 4 pYa 2(vezi Fig. 2.3). Prin urmare, fluxul de energie solară perpendicular pe suprafața Pământului este în medie de doar 349 W m 2. Are un spectru de lungimi electromagnetice

unde nale, corespunzătoare radiaţiei unui corp absolut negru 1 încălzit la 6000 K (Fig. 2.10).

Aproximativ 30% din această radiație este reflectată de nori și atmosfera înapoi în spațiu, iar aproximativ 15% este absorbită în atmosferă. Pe lângă nori, cele mai mici solide joacă un rol important în împrăștierea, absorbția și reflectarea radiației solare. aerosoli particule cu dimensiuni mai mici de câțiva microni (micrometri). Aproximativ 3% din radiația solară este absorbită de ozon și oxigen în stratul de ozon al atmosferei - aceasta este partea ultravioletă a radiației solare, iar 12% este captată de dioxidul de carbon (CO 2) și vaporii de apă (Fig. 2.10). 55% din radiația solară lovește suprafața Pământului, din care 5% este reflectată înapoi în spațiu fără a fi reținută în atmosferă. În total, 35% se reflectă direct în spațiu. Această valoare este reflectivitatea medie, sau albedo, Pământ. Energia absorbită de suprafața Pământului reprezintă aproximativ jumătate din radiația care intră în atmosfera superioară. Aproximativ jumătate din această radiație absorbită (energie expunere la soare) merge la evaporarea apei de la suprafața oceanelor și formarea norilor, iar a doua jumătate merge la încălzirea efectivă a suprafeței. Și doar o mică parte - aproximativ 1,5% - este capturată de plante și direct folosită pentru a susține viața.

400 Flux de radiație, PW/µm

electoral

(incomplet)

preluări

absorbția H 2 0 și C0 2

• 100 ?

Ultraviolet

Raze infrarosii

Orez. 2.10. Spectrele de radiații ale Soarelui (la marginea superioară a atmosferei Pământului) și ale Pământului. Regiunile spectrelor în care radiația este absorbită de gazele atmosferice indicate în figură sunt umbrite. Puterea radiației este exprimată în petawați pe lungime de undă de micrometru (µm). 1 PW (petawatt) = 10 15 W

Pe lângă radiația solară, suprafața Pământului este încălzită de un flux de căldură care vine din interiorul Pământului, dar acest flux este neglijabil în comparație cu fluxul de radiații al Soarelui.

Energia radiației absorbită de suprafață se întoarce în atmosferă în moduri diferite (Fig. 2.9). Căldura de evaporare acumulată de nori pătrunde în aer în timpul formării precipitațiilor, iar energia de încălzire este transferată în atmosferă prin fluxuri de căldură convective, radiații infraroșii ale suprafeței și, în proporție foarte mică, prin conductivitate termică. Energia conținutului de căldură al atmosferei este cheltuită pentru formarea circulației atmosferice, adică este transformată în energia cinetică a vântului și a valurilor mării, iar apoi prin frecare din nou în căldură.

Vaporii de apă, dioxidul de carbon și, parțial, metanul CH 4 și alte impurități atmosferice interceptează radiația infraroșie atât de la Soare, cât și de la Pământ (Fig. 2.10). Aceste impurități atmosferice acționează ca un acoperiș transparent al unei sere răspândite pe Pământ, transmitând partea cu unde scurte a spectrului către Pământ și reținând radiația termică cu undă lungă de pe Pământ. De aici numele lor - gaze cu efect de sera. Apărând datorită lor efect de seră joacă un rol critic în echilibrul termic al Pământului.

Deoarece temperatura medie a Pământului nu se modifică, Pământul ar trebui să radieze în spațiu din atmosfera superioară aceeași cantitate de energie pe care o primește de la Soare și alte surse mai puțin semnificative. Spectrul de lungimi de undă electromagnetice emise în spațiu de atmosfera superioară a Pământului corespunde radiației unui corp complet negru, cu o temperatură de aproximativ 250 K. Dacă nu ar exista efect de seră, atunci temperatura Pământului ar scădea la 250 K (adică, până la -23 ° C), iar viața pe Pământ ar fi cu greu posibilă, cel puțin în formele ei actuale. Cu toate acestea, radiația ieșită de pe suprafața Pământului, în mișcare în sus, este absorbită și reemisă în mod repetat de gazele cu efect de seră (inclusiv în direcția opusă), iar la fiecare nivel temperatura și fluxul de energie de ieșire scad. Prin urmare, temperatura medie a suprafeței Pământului este menținută la 288 K (15 °C), iar spectrul său de radiații corespunde acestei temperaturi (Fig. 2.10).

Este foarte probabil ca tranzițiile de la perioadele de încălzire pe Pământ la epocile glaciare și înapoi să fie strâns legate de fluctuațiile concentrațiilor de gaze cu efect de seră și particule de praf și aerosoli din atmosferă. Diferențele de albedo ale diferitelor tipuri de suprafețe joacă un rol important în aceste procese. Din fig. 2.11 este clar că o creștere a zonei ghețarilor și, parțial, a deșerurilor nisipoase duce la o creștere a albedo-ului Pământului în ansamblu, în timp ce o creștere a suprafeței oceanului și a vegetației duce la creșterea acestuia. (albedo) scadere.

Gazele cu efect de seră „încălzesc” Pământul, în timp ce particulele de aerosoli, care reflectă radiația solară înapoi în spațiu, îl „răcesc”.

Apă Iarbă Sol negru Nisip Gheață și zăpadă

Orez. 2.11.

În perioadele de intensificare temporară a activității vulcanice, conținutul de particule din atmosferă crește brusc, astfel încât temperatura medie de pe Pământ începe să scadă. În același timp, cresc ghețarii și, mai ales, calotele polare ale Pământului în apropierea polilor săi. Creșterea calotelor polare și reducerea suprafeței oceanului măresc albedo-ul Pământului, ceea ce accelerează procesul de răcire. În același timp, evaporarea de la suprafața oceanului scade, astfel încât conținutul de vapori de apă din aer și nebulozitatea scad. Aceasta duce la o scădere a albedo-ului, adică o creștere a încălzirii suprafeței Pământului și, la un moment dat, procesul începe să meargă în direcția opusă până când întregul sistem al motorului termic al Pământului revine la o stare apropiată de cea inițială. stat.

O împingere în direcția opusă este, de asemenea, posibilă dacă orice factor duce la încălzire. Un astfel de factor poate fi, de exemplu, o creștere antropică a concentrației de CO 2 în atmosferă din cauza arderii umane a unor cantități uriașe de combustibili fosili - petrol, cărbune și gaze naturale. Din fig. 2.10 este clar că C0 2 este cel care interferează cel mai mult cu radiația termică a Pământului în spațiu. Creșterea observată a concentrației de CO 2, în valoare de aproximativ 0,3% pe an, duce la o scădere a albedo-ului Pământului. În consecință, temperatura medie va crește. Dacă începe topirea intensă a calotelor polare și a ghețarului Groenlanda, rata de scădere a albedo va crește și mai mult și, în consecință, temperatura medie pe Pământ va crește și mai mult. Acest proces este parțial contracarat de dizolvarea excesului de CO 2 în ocean și absorbția acestuia de către vegetație, dar este posibil să nu fie suficiente. Această evoluție ar putea duce la încălzirea globală. Trebuie luat în considerare faptul că excesul de energie primit de suprafața Pământului va intra mai întâi în evaporare și se va transforma în vânt și curenți marini, ceea ce în sine duce la multe consecințe extrem de nedorite.

• Strict vorbind, în Univers, suma energiei și masei rămâne constantă, deoarece masa este convertită în energie radiantă în timpul reacțiilor nucleare, de exemplu, în adâncurile Soarelui și a altor stele sau într-un reactor nuclear. În același timp, un cuantum energetic de radiație se poate transforma într-o pereche de particule de material electron-pozitron. Cu toate acestea, astfel de transformări nu au loc în biosferă.
• A doua lege a termodinamicii poate fi considerată și ca o expresie a faptului că orice sistem tinde către o stare de echilibru stabil, în care entropia sistemului atinge maximul absolut.
• Un corp complet negru este un corp care absoarbe toate radiațiile care cad pe suprafața sa. Mai mult, un astfel de corp are și cea mai mare capacitate de a radia la o anumită temperatură. Un exemplu de corp absolut negru este deschiderea unui cuptor: razele care intră în el nu pot ieși înapoi, dar într-un cuptor care arde fluxul maxim de radiație iese din el.
• Aici și mai jos, calculele temperaturii se bazează pe legea Stefan-Boltzmann, conform căreia intensitatea radiației de la suprafața unui corp absolut negru E=aT58, unde a este constanta lui Boltzmann, egală cu 5,67 10-8 W m-2 K-4 și T - temperatura absolută în grade Kelvin, K. Lungimile undelor electromagnetice A.max, corespunzătoare maximelor spectrelor de radiație, sunt determinate de legea lui Wien Xmax [µm] = 2897/G.
• Principala sursă de particule de aerosoli din atmosferă este oceanul. Când valurile se prăbușesc, se formează picături microscopice de apă sărată, care se usucă rapid, formează particule de sare și

Biosfera ca mediu de viață. Învățăturile lui V.I. Vernadsky despre biosferă. Fotobios și chemobios. Circulația materiei, fluxurile de energie și informație ca mecanisme de integrare și homeostazie a biosferei. Noosfera și tehnosfera, dezvoltarea lor coadaptativă

Biosfera ca mediu de viață. Să mințim. Conceptul biosferei ca o înveliș specială a pământului a fost dezvoltat de V.I.

Biosfera este înțeleasă ca totalitatea sferelor pământești locuite de viață, reprezentând un glob aparte. sferă, în care sistemele vii joacă un rol principal. Biosfera este cel mai mare ecosistem din lume. Include partea de sol a atmosferei, întreaga hidrosferă, solurile și orizonturile superioare ale litosferei, care sunt combinate într-un sistem integral prin circulația materiei, fluxurile de energie și informații.

Cele mai răspândite bacterii din biosferă sunt sporii cărora s-au găsit în atmosferă până la o altitudine de 80 km, în grosimea gheții Antarcticii la toate adâncimile studiate. În litosferă se găsesc, conform diverselor surse, la adâncimi de 4,5 km, 6,82 și chiar 10 km. În ocean, organismele vii trăiesc la orice adâncime, inclusiv pe fundul depresiunilor de adâncime de până la 11,5 km. Cu toate acestea, majoritatea organismelor trăiesc în stratul de suprafață al atmosferei, la adâncimi mici ale oceanului (unde pătrunde lumina soarelui), în sol și la suprafața acestuia.

În biosferă, ca și ecosistemele, fluxurile de energie și funcționează informațional, circulația materiei operează și ele unesc toate subsistemele biosferei într-un sistem complex, integral, capabil de autoreglare.

Fotobios și chemobios. Se numește întregul set de organisme care trăiesc din energia Soarelui fotobiozomi. Organisme care folosesc substanțe chimice energie constituie chimiobios. Chemobios reprezintă aproximativ 1% din energia biosferei, restul aparține fotobios.

Circulația substanțelor și a energiei circulă în biosferă. Funcția principală a biosferei este de a efectua ciclul chimic. elemente. Glob. biot. ciclul are loc cu participarea tuturor organismelor care locuiesc pe planetă. Constă în circulația substanțelor între sol, atmosferă, hidrosferă și organismele vii. Datorită ciclului biologic, existența și dezvoltarea pe termen lung a vieții este posibilă cu o aprovizionare limitată de substanțe chimice disponibile. elemente.

În ciclul substanțelor se disting un mic cerc de schimb biotic (biogeocenotic) și un cerc mare (biosferă).

Cercul mare de schimb biotic- acesta este un proces planetar non-stop de redistribuire ciclică, neuniformă în timp și spațiu a materiei, energiei și informațiilor, intrând în mod repetat într-o ecologie continuu actualizată. sistemele biosferei. Cercul mare de schimb biotic se manifestă cel mai clar în ciclul apei și circulația atmosferică.

Ciclu biotic mic are loc pe baza unuia mare și constă în circulația apei între sol, plante și stomac. si microorganisme.

Ambele cicluri sunt interconectate și reprezintă, parcă, un singur proces. Atrăgând un mediu inert în numeroasele sale orbite, ciclul biotic al substanțelor asigură reproducerea materiei vii și are o influență activă asupra aspectului biosferei. Ciclul substanțelor se bazează pe prezența în biosferă a două tipuri principale de nutriție: autotrofă și heterotrofă.

Ciclul carbonuluiîncepe cu fixarea dioxidului de carbon atmosferic prin procesul de fotosinteză. Unii dintre carbohidrații formați în timpul fotosintezei sunt folosiți de plante pentru a obține energie, în timp ce cealaltă parte este consumată de animale. Dioxidul de carbon este eliberat în timpul respirației plantelor și animalelor. Plantele și animalele moarte se descompun, iar carbonul din țesuturile lor este oxidat și eliberat înapoi în atmosferă. Un proces similar are loc în ocean.

Ciclul azotului acoperă, de asemenea, toate zonele biosferei. Deși rezervele sale în atmosferă sunt practic inepuizabile, plantele superioare pot folosi azotul numai după ce îl combină cu hidrogenul sau oxigenul. Bacteriile fixatoare de azot joacă un rol important în acest proces.

Funcția homeostatică a biosferei efectuate la nivel global. nivel. În biosferă, rel. constanţa fizico-chimică condiţii (clima, radiaţii, geochimice, hidrochimice etc.) adecvate existenţei sistemelor vii în acesta. Se presupune că de peste 3,8 miliarde de ani viața pe planeta noastră nu a fost întreruptă. Timp de aproximativ 3 miliarde de ani, cea mai mare parte a suprafeței Pământului a menținut temperaturi în intervalul 0-60°C.

Homeostat. Funcția biosferei este îndeplinită de toate sferele sale și de interacțiunea lor, în care sistemele vii joacă un rol special. Ozon. ecranul limitează pătrunderea radiațiilor UV dăunătoare pe suprafața planetei; Capacitatea termică semnificativă a apei conferă hidrosferei proprietatea unui stabilizator termic asigură distribuția substanțelor chimice. substanțe și transfer de căldură; Din adâncurile litosferei, porțiuni proaspete de materie intră în ciclu. Sferele Pământului locuite de sisteme vii sunt habitatul lor și oferă o varietate de condiții pentru viață. Sistemele vii își transformă mediul, făcându-l potrivit pentru alte forme vii.

În conformitate cu principiul termodinamic al lui Ale-Chatelier-K.Brown, biosfera este capabilă să restabilească echilibrul, perturbată de influența unor cauze externe. În geolog. În istoria biosferei, au existat diverse dezastre care au distrus o parte semnificativă a biosferei. Unul dintre ei este Cretacic-Paleogenul, cunoscut pe scară largă în legătură cu dispariția dinozaurilor, amoniților și a unui număr de alte grupuri de organisme. Cu toate acestea, de-a lungul timpului, biosfera și-a restabilit integritatea și a fost parțial reînnoită. Dezastrele și refacerea ulterioară a biosferei au făcut parte din procesul de evoluție a naturii vii și a biosferei.

Energie Funcția biosferei este utilizarea și acumularea energiei solare, formarea fluxurilor de energie. Din 100% din energia solară care ajunge la suprafața Pământului, 30% este reflectată și ~46% este disipată sub formă de căldură; 23% sunt cheltuiți pe evaporare și precipitații, 0,2% pe vânt, valuri și curenți și 0,8% pe fotosinteză.

Legea ecologică piramide, conform cărora, la mutarea dintr-un trofeu. nivelul următor se pierde cea mai mare parte a energiei. Biomasa este în aceeași corespondență: biomasa consumatorului este de zeci de ori mai mică decât biomasa nivelului consumat.

Noosferă și tehnosferă, dezvoltare co-adaptativă.

Noosfera(sfera rațiunii), conform lui V.I Vernadsky, trebuie să ia inevitabil din biosferă ca urmare a evoluției acesteia. În noosferă, omul devine cea mai mare forță geologică pe care poate și trebuie să-și reconstruiască zona vieții cu munca și gândirea sa. Autodezvoltare haotică bazată pe mâncare. autoreglementarea în noosferă ar trebui înlocuită cu o strategie rezonabilă, bazată pe previziuni și planuri de reglementare a alimentației. procesele de dezvoltare.

Tehnosferă - tech. coajă, artificială spațiul, planetele transformate, sub influența activității umane productive. și produsele sale.

Doctrina noosferei, la dezvoltarea căreia au participat filosofi celebri E. Leroy și P. A. Florensky împreună cu V. I. Vernadsky, este percepută din punctul de vedere al zilelor noastre ca o știință socială. Utopie. Omul, bazându-se pe progresul științific și tehnologic, a devenit cu adevărat geolog. în ceea ce privește impactul forței, dar forța distructivă. Ideile de reorganizare a lumii pe baza progresului tehnic și a ingineriei sociale, foarte populare în a doua jumătate a secolului al XIX-lea și prima jumătate a secolului al XX-lea, atunci când au fost implementate în practică, au avut ca rezultat experimente monstruoase de totalitarism și s-au discreditat complet. Ideea noosferei, sublimă, dar departe de implementare practică, a scăpat de această soartă și continuă să se dezvolte. Conform conceptului modern, în noosferă oamenii vor învăța să controleze nu natura, ci, în primul rând, pe ei înșiși. Această nouă interpretare a ideii de noosferă conține conceptul de coevoluție (evoluție comună) a omului și a biosferei de N. N. Moiseev. Conform acestui concept, pentru starea sa fără criză, umanitatea ar trebui să consume nu de la 10 la 40% (conform diferitelor estimări) din produse biologice primare, dar nu mai mult de 1%. Acest lucru va permite unei persoane să fie ca un biolog. Mintea se potrivește în ecologia ta. nișă și mănâncă. cicluri biogeochimice. Pentru a realiza acest lucru, o persoană trebuie să treacă de la schimbarea lumii la îmbunătățirea pe sine, la fel cum în timpul tranziției de la paleolitic la neolitic, dezvoltarea tipului fizic al omului a fost înlocuită de cucerirea sa a naturii. Coevoluția este văzută ca coordonarea „strategiei rațiunii” și a „strategiei naturii”.

Biosfera este un sistem termodinamic deschis care primește energie sub formă de energie radiantă de la Soare și energie termică din procesele de descompunere radioactivă a substanțelor din scoarța terestră și miezul planetei. Energia radioactivă, a cărei pondere în balanța energetică a planetei a fost semnificativă în fazele abiotice, acum nu joacă un rol vizibil în viața biosferei, iar principala sursă de energie astăzi este radiația solară. În fiecare an, Pământul primește energie de la Soare, care este de aproximativ 10,5 * 1020 kJ. Cea mai mare parte a acestei energie este reflectată de nori, praf și suprafața pământului (aproximativ 34%), încălzește atmosfera, litosfera și oceanele, după care este disipată în spațiul cosmic sub formă de radiație infraroșie (42%), cheltuită pe evaporarea apei și formarea norilor (23%), asupra mișcării maselor de aer - formarea vântului (aproximativ 1%). Și doar 0,023% din energia solară care cade pe Pământ este captată de producători - plante superioare, alge și bacterii fototrofe - și stocată în procesul de fotosinteză sub formă de energie din legăturile chimice ale compușilor organici. Pe parcursul anului, ca urmare a fotosintezei, se formează aproximativ 100 de miliarde de tone de substanțe organice, care stochează cel puțin 1,8 * 1017 kJ de energie.

Această energie legată este folosită în continuare de consumatori și descompozitori în lanțurile trofice și, datorită ei, materia vie efectuează muncă - concentrează, transformă, acumulează și redistribuie elemente chimice în scoarța terestră, zdrobește și agregează materia nevii. Lucrarea materiei vii este însoțită de disiparea sub formă de căldură a aproape toată energia solară stocată în timpul fotosintezei. Doar o fracțiune de procent din această energie „fotosintetică” nu intră în lanțul trofic și este păstrată în rocile sedimentare sub formă de materie organică de turbă, cărbune, petrol și gaze naturale.

Deci, în procesul de lucru efectuat de biosferă, energia solară captată este transformată, adică merge să efectueze așa-numita muncă utilă și este disipată. Aceste două procese se supun a două legi naturale fundamentale - prima și a doua lege a termodinamicii. Prima lege a termodinamicii este adesea numită legea conservării energiei. Aceasta înseamnă că energia nu poate fi nici creată, nici distrusă, ea poate fi doar transformată dintr-o formă în alta. Cantitatea de energie nu se modifică.

În sistemele ecologice se produc multe transformări energetice: energia radiantă a Soarelui, datorită fotosintezei, este transformată în energia legăturilor chimice ale materiei organice a producătorilor, energia stocată de producători - în energia acumulată în materia organică a producătorilor. consumatori de diferite niveluri etc. Societatea umană modernă convertește, de asemenea, o cantitate imensă de energie în alta. A doua lege a termodinamicii determină direcția schimbărilor calitative ale energiei în timpul procesului de transformare a acesteia dintr-o formă în alta. Legea descrie raportul dintre munca utilă și cea inutilă în timpul tranziției energiei de la o formă la alta și oferă o idee despre calitatea energiei în sine.

A doua lege a termodinamicii, cred, domnește printre legile naturii. Și dacă ipoteza ta contrazice această lege, nu te pot ajuta. (A. Eddington, astronom englez.

Să ne amintim că energia se referă la capacitatea unui sistem de a lucra. Dar cu orice transformare a energiei, doar o parte din ea este cheltuită pentru a efectua lucrări utile. Restul este disipat iremediabil sub formă de căldură, adică. munca goală se efectuează asociată cu o creștere a vitezei de mișcare aleatorie a particulelor. Cu cât este mai mare procentul de energie cheltuită pentru efectuarea lucrărilor utile și, în consecință, cu cât procentul disipat sub formă de căldură este mai mic, cu atât se consideră mai mare calitatea energiei inițiale. Energia de înaltă calitate poate fi transformată în mai multe alte tipuri de energie fără costuri suplimentare de energie decât energia de calitate scăzută.

Energia de calitate scăzută este energia mișcării browniene aleatoare, adică termică. nu poate fi folosit pentru a face lucrări utile. Cantitatea de energie de calitate scăzută care nu este adecvată pentru a efectua lucrări utile se numește entropie. Mai simplu spus, entropia este o măsură a dezorganizării, dezordinei și aleatorii a sistemelor și proceselor.

Deci, conform celei de-a doua legi a termodinamicii, orice lucru este însoțit de transformarea energiei de înaltă calitate în energie de calitate din ce în ce mai scăzută - căldură - și duce la o creștere a entropiei.

Este imposibil să reduceți entropia într-un sistem închis termodinamic care nu primește energie din exterior - la urma urmei, toată energia de înaltă calitate a unui astfel de sistem se transformă în cele din urmă în energie de calitate scăzută și se degradează în căldură. Cu toate acestea, într-un sistem termodinamic deschis, este posibil să se contracareze creșterea entropiei prin utilizarea energiei de înaltă calitate venită din exterior și eliminarea energiei de calitate scăzută în afara sistemului.

Universul este un sistem închis, iar în el entropia este în continuă creștere. Dar biosfera este un sistem deschis care își menține propriul nivel scăzut de entropie, folosind o sursă externă de energie radiantă de înaltă calitate - Soarele - și disipând energie termică de calitate scăzută în spațiul cosmic. Prin urmare, pe lângă entropia fizică (entropia unui sistem închis), în ecologie folosesc conceptul de „entropie ecologică” - cantitatea de energie termică împrăștiată ireversibil în spațiu, care, totuși, este compensată de energia transformată a unui exterior. sursa - Soarele.