Читайте также:
|
Одним из важнейших процессов в ГО является круговорот воды. Водные потоки выполняют большую разрушительную и одновременно созидательную работу, осуществляя эрозию, перенос минерального вещества и теплоты, производя аккумуляцию (накопление) вещества. Вода обеспечивает физиологические потребности растений, используется в хозяйственных целях человеком, что нарушает и усложняет природный круговорот воды.
В природном круговороте воды выделяют три основных звена:
1) материковое
2) океаническое
3) атмосферное.
1) Материковое звено круговорота воды. Попадая на поверхность суши в виде атмосферных осадков, вода либо просачивается в почву и кору выветривания (процесс инфильтрации), либо стекает по поверхности, формируя поверхностный и речной сток, а затем вливается в озера, моря, океаны (бассейны стока).
Часть воды испаряется непосредственно с поверхности почвы и водоемов, с поверхности надземных частей растений (транспирация), а также из почвы, коры выветривания и горных пород после подъема по капиллярам к поверхности.
Часть просочившейся в почву влаги перемещается в виде внутрипочвенного стока или в виде грунтовых и подземных вод. Грунтовые и подземные воды могут изливаться на земную поверхность на склонах, в руслах рек, в местах выклинивания водоносных горизонтов. Часть подземных вод пополняет запасы глубинных подземных вод, тем самым надолго выпадая из системы активного водообмена.
Активный водообмен совершается в пределах речных бассейнов – самоорганизующихся систем русел и склонов. Внешне речная сеть аналогична дереву: элементарные (первичные) потоки напоминают листья, более крупные водотоки соответствуют ветвям, а главная река соответствует стволу дерева, который заканчивается корнем (устьем реки).
Специфический элемент материкового звена круговорота воды – ледники. Материковые ледники Антарктиды и Гренландии под действием собственной тяжести растекаются по краям. Поступающие сверху новые порции снега в результате самоуплотнения переходят в фирновый лед, что восполняет убыль льда за счет растекания по краям. Скалывающиеся глыбы материкового льда, всплывая на поверхность моря, образуют айсберги. Горные ледники движутся от областей питания к областям абляции (таяния, испарения) в виде языков. Масса ледников на Земле в течение геологической истории испытывала большие колебания. Несколько раз на планете происходили крупные материковые оледенения, когда огромные массы воды изымались из океана и сосредотачивались в виде материковых ледниковых покровов на суше (в основном в околополярных областях). В эти периоды уровень Мирового океана снижался на 100 м и более. Напротив, в межледниковые эпохи ледники исчезали почти полностью, что приводило к повышению уровня океана.
2) Океаническое звено природного круговорота воды. Совокупность перемещений воды в океане складывается из движений и круговоротов различных пространственных и временных масштабов. Периоды движений колеблются от секунд (и менее) до многих сотен лет, а пространственные масштабы течений (в горизонтальной плоскости) и токов (вертикально) – от миллиметров до тысяч километров. В перемещениях вод в океане выделяют турбулентность, поверхностные и внутренние волны, приливы и отливы, океанические меандры и вихри, течения.
В соответствии с зональным распределением солнечной энергии по поверхности планеты, в океане и атмосфере создаются однотипные и генетически связанные циркуляционные системы. Перемещение и водных, и воздушных масс определяется неравномерным нагреванием и охлаждением поверхности Земли. От этого в одних районах возникают восходящие токи и убыль массы, в других – нисходящие и увеличение массы (воздуха или воды). Рождается импульс движения. Перенос масс – приспособление их к полю силы тяжести, стремление к равномерному распределению. Важнейшим механическим фактором океанической циркуляции является ветровое трение о поверхность воды, благодаря которому океан получает механическую энергию от атмосферы. Ветер вызывает дрейфовые течения, которые обуславливают сгон воды в одних районах и нагон в других. В результате возникают сгоновые и стоковые течения. Кроме данных причин образованию течений способствуют термохалийные факторы: получение и отдача теплоты, атмосферные осадки, испарение, через эти характеристики – влияние на соленость, вызывая вертикальное перемешивание.
Взаимодействие водной и воздушной оболочек начинается с тончайшего не более 1 мм слоя. С него происходит испарение, он воспринимает удары и трение воздуха, на него падают лучи Солнца. При волнении ветром срываются капли воды с растворенной в них солью. Это – механическое испарение. Воздушные пузырьки воды лопаются, и в воздухе оказывается водяной пар и кристаллы соли. Под действием солнечного тепла происходит физическое испарение. От поверхности воды отрываются молекулы воды, а с ними и соль. Так в атмосферу проникают пар и аэрозоли. При этом происходит перераспределение ионов соли: хлориды остаются в растворе, а сульфаты становятся аэрозолями, а затем поступают в атмосферу осадки. Этим, а также вымыванием солей из грунта материков объясняется преобладание в водах суши сульфатов, а в океане - хлоридов. Следовательно, при солевом обмене между океаном и атмосферой, образно называемым солевым дыхание океана, соли не только переходят из воды в воздух, но и меняется их состав. Речной сток восполняет убыль сульфатов в океане в процессе обмена солями в системе «океан – атмосфера – суша».
При постоянном перемещении водных масс в одних местах они сходятся, в других расходятся. Сходимость называется конвергенцией, расходимость – дивергенцией. При конвергенции вода накапливается, уровень океана повышается, увеличивается давление и плотность воды, и она опускается. При дивергенции происходит понижение уровня и подъем глубинной воды.
Выявлена следующая усредненная схема общей циркуляции океанических вод. В каждом полушарии по обе стороны от термического экватора существуют большие круговороты течений вокруг субтропических максимумов давления. В северном полушарии движение происходит по часовой стрелке, в южном – против (антициклонические циркуляционные системы). Например, в Атлантическом океане тропическое кольцо течений северного полушария включает Северное пассатное, Гольфстрим, Северо-Атлантическое, Канарское.
Между ними выявлены экваториальные межпассатные противотечения, направленные с запада на восток. В умеренных и субполярных широтах вокруг барических минимумов наблюдаются малые кольца течений (циклонические системы движения воды). Движение в них осуществляется в северном полушарии против часовой стрелки, а в южном полушарии существует мощное циркумполярное течение или Западный дрейф (течение западных ветров) в Южном океане на 40-50–х широтах. В Северной Атлантике такое кольцо включает Северо-Атлантическое течение, течение Ирмингера, Восточногренландское и Лабрадорское.
Антициклонические и циклонические кольца течений связаны между собой таким образом, что одно какое-либо течение может одновременно являться ветвью того и другого круговорота течений (например, Североатлантическое течение).
Наиболее устойчивыми являются Северное и Южное пассатные течения по обе стороны от экватора в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах (в последнем только Южное пассатное). Эти течения «перекачивают» воду с востока на запад. Компенсационные аналоги – экваториальные межпассатные течения в направлении с запада на восток. У восточных берегов материков в тропических широтах характерны теплые стоковые течения: Гольфстрим, Куросио, Бразильское, Мозамбикское, Мадагаскарское, Восточно-Австралийское. Вдоль западных берегов материков характерны холодные течения-аналоги в субтропических широтах: Калифорнийское, Канарское в северном полушарии и Перуанское, Бенгельское, Западно-Австралийское в южном полушарии.
В северной части Индийского океана муссонная циркуляция вызывает сезонные ветровые течения: Зимнее муссонное – с востока на запад и Летнее муссонное – с запада на восток. Летом в этой части хорошо выражено Сомалийское холодное течение. Оно образуется под действием юго-западного муссона, который отгоняет теплые поверхностные воды у полуострова Сомали, способствуя подъему глубинных холодных вод (зона прибрежного апвелинга).
В Северном Ледовитом океане движение воды и дрейф льдов происходит с востока на запад: от Новосибирских островов в Гренландское море (Трансатлантическое течение).
На глубине свыше 300 м система течений отличается от поверхностной. Обычно наблюдаются противотечения, направленные в противоположную поверхностным течениям сторону. Например, течение Кромвелла в Тихом океане, течения Ломоносова в Атлантическом.
Кроме горизонтального перемещения океанических вод существует и вертикальный водообмен. При вертикальном перемешивании происходит обмен между поверхностными и глубинными водами энергией, солями, питательными веществами. Наиболее интенсивный вертикальный водобмен происходит в зонах конвергенции (сходимости) и дивергенции (расходимости) потоков водных масс. Зоны дивергенции образуются в областях циклонических круговоротов (от центра к периферии), а также у берегов, где преобладает ветер с суши (сгон поверхностных вод). В антициклонических системах и в тех прибрежных зонах, где преобладает ветер с океана, происходит опускание вод.
3) Атмосферное звено природного круговорота воды. Содержание воды в атмосфере невелико: при осаждении всей воды образовался бы слой в 25 мм. Однако скорость влагообмена очень большая: в среднем 1 раз за 8 дней. В результате на земную поверхность в течение года выпадает в среднем слой атмосферных осадков = 1,1 м.
Влага в атмосфере поступает за счет испарения. 80 % радиационного баланса тратится на испарение. Столько же энергии выделяется при конденсации влаги в атмосфере на уровне облаков, причем водяной пар, перемещаясь на сотни и тысячи километров, переносит и большое количество теплоты. Выделение в атмосфере скрытой теплоты парообразования при конденсации – важнейший энергетический источник атмосферных процессов. Водяной пар образно называют «основным топливом атмосферы».
4) Хозяйственное звено круговорота воды. Основными потребителями воды (обычно пресной) являются сельское хозяйство, промышленность и население. В сельском хозяйстве наибольшее количество воды расходуется на орошение (≥ 2 1012 м3), причем 80 % ее безвозвратно покидает речную сеть (связывается в химических соединениях или расходуется на испарение). Суммарный водозабор на промышленные нужды составляет 0,7 1012 м3/год (5-10 % безвозвратно). На нужды населения используется около 0,2 1012 м3/год (шестая часть безвозвратно).
По отношению к речному стоку названные объемы невелики. Однако в наиболее густонаселенных районах Передней и Средней Азии, Африки и в некоторых промышленных регионах уже существует ощутимый дефицит водных ресурсов. Чтобы восполнить этот дефицит прибегают к территориальному перераспределению стока. Однако это создает в ряде случаев многочисленные экологические проблемы.
18.
ПРОДУЦЕНТЫ фотосинтезирующие
АВТОТРОФЫ (зеленые растения и пурпурные бактерии)
(самопитающиеся)
хемосинтезирующие (за счет окисления некоторых неорганических соединений: аммиак, сероводород) бактерии
КОНСУМЕНТЫ
ГЕТЕРОТРОФЫ
(питаются готовым органическим веществом)
К ним относятся животные, некоторые грибы и бактерии. Животные подразделяются на растительноядных, плотоядных и всеядных.
РЕДУЦЕНТЫ
САПРОФИТЫ
(грибы, бактерии; разлагают органические соединения
на простейшие минеральные)
Тропические цепи переплетаются, но могут быть и автономными. Примеры цепей питания в природе: злаки → кузнечики → лягушки →змеи → орел
водоросли → ракообразные → пескарь → окунь → человек
В природе наблюдается баланс органического вещества. Его составляющие:
биомасса – общее количество живого органического вещества в надземных и подземных сферах природного комплекса;
мертвое органическое вещество – сумма органического вещества, заключенного в погибших растениях и животных, лесной подстилке, торфяном горизонте почв, степной подстилке;
продукция – органическое вещество, произведенное за определенный промежуток времени;
опад – органическое вещество, отмирающее за определенный период (обычно за год);
чистая продукция – разность между продукцией и опадом.
Закономерности территориального распределения компонентов баланса органического вещества на суше связано с характером вводно-теплового режима природных комплексов. Тепло и влага влияют на фотосинтез, структуру и видовой состав биоценозов и скорость минерализации. Наибольшая годовая продукция наблюдается во влажных тропических лесах – 2,5-3,5 кг/м3.
Например, территориальные различия скорости разложения органического вещества (определяется по отношению массы мертвого органического вещества к опаду) выглядят следующим образом:
кустарничковые тундры – 92
тайга – 10-20
широколиственные леса – 3-4
субтропические леса – 0,7
влажные тропические леса - 0,1.
В тундре и в меньшей степени в тайге ежегодно отмирающее органическое вещество слабо разлагается. Это объясняется замедленной активностью микроорганизмов в условиях низких температур. Гораздо быстрее процессы минерализации идут в степях и саваннах. Наибольшей скоростью разложения органического вещества характеризуются влажные тропические леса, где высокие температуры сочетаются с хорошим увлажнением.
19. Биогеохимическиекруговороты. Основной химический элемент живой субстанции – углерод ( С). Источником углерода на поверхности Земли является дегазация магмы – значительная его часть вбрасывается в атмосферу при извержениях вулканов. Круговорот С может идти тремя путями. Во-первых, после гибели органики он высвобождается с помощью редуцентов и вновь попадает в атмосферу. Это обращаемая часть круговорота. Во-вторых, часть С захораняется вместе с отмершей органикой в литосфере в виде углей, нефти, битумов и др. При этом углерод может высвобождаться и вновь принимать участие в круговороте лишь при сгорании каустобилитов. В-третьих, часть С растворяется в воде, а затем с участием кальция осаждается биогенным путем в виде карбонатных толщ. В этом случае углерод может высвобождаться только в процессе метаморфизации горных пород. Очевидно, что в двух последних ветвях период полного круговорота С растягивается на сотни миллионов лет.
Круговорот кислорода заключается в образовании его при фотосинтезе, отчасти непосредственно при дегазации магмы и потреблениями его гетеротрофами при дыхании, а также связывается при реакциях окисления. В первом варианте кислород в составе СО2 вновь участвует в фотосинтезе, во втором – связывается в горных породах. В начале развития атмосферы почти весь свободный кислород связывался ГП; примерно начиная с девона, существует динамическое равновесие между потребляемым и высвобождающимся кислородом.
Круговорот азота также происходит в основном с биохимической составляющей. Он осуществляется с помощью азотфиксирующих бактерий и водорослей почвы, получающих азот из атмосферы. Они строят с его участием аминогруппы белков (-NH2). После гибели животных и растений связанный азот возвращается в почву. Оттуда он либо вновь поступает в состав организмов, либо в результате процессов нитрификации (возникновения нитратов) и денитрификации (восстановление свободного азота) снова оказывается в атмосфере в молекулярном виде.
20. Благодаря вертикальным и горизонтальным движениям блоков земной коры и магматической деятельности, процессам сноса происходит обмен веществом земной поверхности с мантией. Наиболее яркие проявления этого обмена – вулканизм и землетрясения. Вулканизм играл и играет большую роль в развитии природы земной поверхности. Вулканы извергают от 3 до 6 млрд. тонн вещества в год. Это пеплы, шлаки, лавовые потоки андезитового состава, газы и водяной пар. Водяной пар содержит все компоненты, составляющие атмосферу и гидросферу. Твердое вещество, выделяющееся при извержениях, формирует атмосферный аэрозоль, который, в свою очередь, является одним из факторов климатообразования. Предполагается, что земная кора слагается из вулканических пород и продуктов их метаморфизации. Другие типы движений в земной коре менее заметны, но их суммарный эффект значителен. Это медленные колебательные движения и горизонтальные перемещения. Горизонтальные движения блоков земной коры признаются в настоящее время большинством исследователей. Наибольшей популярностью для объяснения этого перемещения пользуется теория тектоники плит (новая глобальная тектоника). Согласно теории, литосфера состоит из шести основных плит. Плиты изостатически уравновешены на веществе астеносферы и перемещаются в горизонтальном направлении благодаря тепловой конвекции в мантии. В местах схождения плит в одних случаях происходит погружение одной плиты под другую (субдукция) и возникновение глубоководных желобов, сопровождающихся цепочками островов, в других – наблюдается столкновение плит и их взаимная деформация. Результатом такого столкновения, например, считают образование Гималаев при надвигании Индостана на Евразийскую плиту. В местах расхождения плит располагаются срединно-океанические хребты. В срединной зоне каждого хребта имеется грабен или рифт – место растяжения или разрыва литосферы. Одним из подтверждений расхождения плит в зоне срединно-океанических хребтов является разновозрастность осадочных отложений океанического дна: возраст увеличивается от хребтов к краям океанов. Общую схему круговорота минерального вещества в ГО и его обмена с мантией можно представить следующим образом. Осадочные породы, образующиеся на земной поверхности в результате процессов выветривания, переотложения и седиментации, при тектонических опусканиях попадают сначала в нижние слои земной коры и подвергаются там воздействию высокого давления и температур. В результате они превращаются в метаморфические породы. Последние, погружаясь все глубже, переплавляются и превращаются во вторичную магму. Одновременно магма поднимается вверх, происходят вулканические излияния и интрузивные внедрения, дифференциация и кристаллизация вещества магмы, его переработка экзогенными процессами и преобразование в осадочные породы. Так осуществляется главный литосферный круговорот. Обмен веществом с мантией – необходимое условие нормального функционирования ГО. Благодаря такому обмену происходит обогащение земной поверхности СО2 («строительный камень» органического вещества наряду с водой). При изучении истории формирования ГО было выяснено, что периоды интенсивного накопления органического вещества по времени совпадают с эпохами интенсивного вулканизма. Эти данные послужили А.Б. Ронову сформулировать геохимический принцип сохранения жизни: жизнь на Земле и других планетах возможна лишь до тех пор, пока эти планеты активны и происходит обмен энергией и веществом между их недрами и поверхностью.
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 134 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |