Didelis geologinis ir mažas biologinis. Didelis (geologinis) ir mažasis (biogeocheminis) medžiagų ciklas

Prieš biosferos atsiradimą Žemėje buvo trys materijos ciklai: mineralų ciklas - magminių produktų judėjimas iš gelmių į paviršių ir atgal; dujų ciklas - oro masių, kurias periodiškai šildo Saulė, cirkuliacija,Vandens ciklas - vandens garavimas ir jo pernešimas oro masėmis, krituliai (lietus, sniegas).Šiuos tris ciklus vienija vienas terminas - geologinis (abiotinis) ciklas. Atsiradus gyvybei, dujų, mineralų ir vandens ciklai pasipildė biotinis (biogeninis) ciklas - cheminių elementų ciklas, kurį atlieka gyvybinė organizmų veikla. Kartu su geologine, viena biogeocheminis ciklas medžiagų Žemėje.

Geologinis ciklas.

Maždaug pusė Saulės energijos, pasiekiančios Žemės paviršių, sunaudojama vandens garavimui, uolienų dūlėjimui, mineralų tirpimui, oro masių judėjimui, o kartu su jomis vandens garams, dulkėms ir kietosioms dūlėjimo dalelėms.

Vandens ir vėjo judėjimas sukelia dirvožemio eroziją, mechaninių ir cheminių kritulių judėjimą, persiskirstymą ir kaupimąsi hidrosferoje ir litosferoje. Šis ciklas vyksta ir šiandien.

Didelio susidomėjimo Vandens ciklas. Per vienerius metus iš hidrosferos išgaruoja apie 3,8 10 14 tonų vandens, o į Žemės vandens apvalkalą su krituliais grįžta tik 3,4 10 14 tonų vandens. Trūksta dalis patenka į žemę. Iš viso sausumoje iškrenta apie 1 10 14 tonų kritulių, išgaruoja apie 0,6 10 14 tonų vandens. Litosferoje susidaręs vandens perteklius nuteka į ežerus ir upes, o vėliau į Pasaulinį vandenyną (2.4 pav.). Paviršinis nuotėkis yra apie 0,2 10 14 tonų, likusieji 0,2 10 14 tonų vandens patenka į podirvio vandeninguosius sluoksnius, iš kurių vanduo teka į upes, ežerus ir vandenyną, taip pat papildo požeminio vandens rezervuarus.

biotinis ciklas. Jis pagrįstas organinių medžiagų sintezės procesais, vėliau jų sunaikinimu į pirminius mineralus. Organinių medžiagų sintezės ir naikinimo procesai yra gyvosios medžiagos egzistavimo pagrindas ir pagrindinis biosferos funkcionavimo bruožas.

Bet kurio organizmo gyvybinė veikla neįmanoma be medžiagų apykaitos su aplinka. Medžiagų apykaitos procese organizmas suvartoja ir pasisavina reikalingas medžiagas bei išskiria atliekas, mūsų planetos dydis nėra begalinis, o galiausiai visos naudingos medžiagos virstų nenaudingomis atliekomis. Tačiau evoliucijos procese buvo rastas puikus sprendimas: be organizmų, kurie gali kurti gyva materija Iš negyvų atsirado kiti organizmai, kurie šią sudėtingą organinę medžiagą suskaidė į pirminius mineralus, paruoštus naujam naudojimui. „Vienintelis būdas ribotam kiekiui suteikti begalybės savybes“, – rašė V.R. Williamsas turi priversti jį suktis išilgai uždaros kreivės.

Gyvosios ir negyvosios gamtos sąveikos mechanizmas susideda iš negyvosios materijos įtraukimo į gyvybės sritį. Po keleto gyvų organizmų negyvos medžiagos transformacijų ji grįžta į ankstesnę pradinę būseną. Toks ciklas įmanomas dėl to, kad gyvuose organizmuose yra tų pačių cheminių elementų kaip ir negyvojoje gamtoje.

Kaip vyksta šis ciklas? V.I. Vernadskis pagrindė, kad pagrindinis iš kosmoso (daugiausia saulės) gaunamos energijos keitiklis yra žalioji augalų medžiaga. Tik jie geba sintetinti pirminius organinius junginius veikiant saulės energijai. Mokslininkas apskaičiavo, kad visas energiją sugeriančios augalų žaliosios medžiagos paviršiaus plotas, priklausomai nuo metų laiko, svyruoja nuo 0,86 iki 4,2% Saulės paviršiaus ploto. Tuo pačiu metu Žemės paviršiaus plotas

Gyvūnai, kurių maistas yra augalai ar kiti gyvūnai, savo organizme sintetina naujus organinius junginius.

Gyvūnų ir augalų liekanos yra maistas kirminams, grybams ir mikroorganizmams, kurie galiausiai paverčia juos pirminiais mineralais, išskirdami anglies dioksidą. Šie mineralai vėl naudojami kaip pradinė žaliava augalams gaminti pirminius organinius junginius. Taip ratas užsidaro ir prasideda naujas atomų judėjimas.

Tačiau medžiagų ciklas nėra visiškai uždaras. Dalis atomų išeina iš ciklo, juos fiksuoja ir organizuoja naujos gyvų organizmų formos ir jų gyvybinės veiklos produktai. Į litosferą, hidrosferą ir troposferą prasiskverbę gyvi organizmai pagamino ir atlieka milžinišką geocheminį darbą, susijusį su esamų medžiagų judėjimu ir perskirstymu bei naujų medžiagų kūrimu. Tai yra laipsniško biosferos vystymosi esmė, nes tai išplečia biogeocheminių ciklų apimtį ir sustiprina biosferą. Kaip pažymėjo V.I. Vernadskis, biosferoje vyksta nuolatinis biogeninis atomų judėjimas „sūkurių“ pavidalu.

Skirtingai nuo geologinio, biotinis ciklas pasižymi nereikšmingu energijos suvartojimu. Kaip jau minėta, pirminės kūrimas organinės medžiagos Sunaudojama apie 1% saulės energijos, pasiekiančios Žemės paviršių. Šios energijos pakanka sudėtingiausiems planetos biogeocheminiams procesams vykdyti.

Biosferoje vyksta pasaulinis (didelis arba geologinis) medžiagų ciklas, egzistavęs iki pirmųjų gyvų organizmų atsiradimo. Jame dalyvauja labai įvairūs cheminiai elementai. Geologinis ciklas vyksta dėl saulės, gravitacinės, tektoninės ir kosminės energijos rūšių.

Atsiradus gyvajai medžiagai geologinio ciklo pagrindu, atsirado organinių medžiagų ciklas – mažas (biotinis arba biologinis) ciklas.

Biotinis medžiagų ciklas yra nenutrūkstamas, cikliškas, netolygus laike ir erdvėje medžiagų judėjimo ir transformacijos procesas, vykstantis tiesiogiai dalyvaujant gyviems organizmams. Tai nenutrūkstamas organinių medžiagų kūrimo ir naikinimo procesas, kuriame dalyvauja visos trys organizmų grupės: gamintojai, vartotojai ir skaidytojai. Biotiniuose cikluose dalyvauja apie 40 biogeninių elementų. Aukščiausia vertė gyviems organizmams yra anglies, vandenilio, deguonies, azoto, fosforo, sieros, geležies, kalio, kalcio ir magnio ciklai.

Vystantis gyvajai medžiagai, iš geologinio ciklo nuolat išgaunama vis daugiau elementų ir patenka į naują, biologinį ciklą. Bendra pelenų medžiagų masė, kuri kasmet dalyvauja biotiniame medžiagų cikle vien sausumoje, yra apie 8 milijardus tonų. Tai kelis kartus daugiau nei produktų, pagamintų ištisus metus išsiveržus visiems pasaulio ugnikalniams, masė. Medžiagų cirkuliacijos greitis biosferoje yra skirtingas. Gyvoji biosferos medžiaga atnaujinama vidutiniškai kas 8 metus, fitoplanktono masė vandenyne atnaujinama kasdien. Visas biosferoje esantis deguonis per gyvąją medžiagą praeina per 2000 metų, o anglies dioksidas – per 300 metų.

Ekosistemose vyksta lokalūs biotiniai ciklai, o biosferoje – biogeocheminiai atomų migracijos ciklai, kurie ne tik sujungia visus tris išorinius planetos apvalkalus į vientisą visumą, bet ir lemia nenutrūkstamą jos sudėties evoliuciją.

ATMOSFERA HIDROSFERA

­ ¯ ­ ¯

GYVOJI MEDŽIAGA

DIRVOŽEMIS

Biosferos evoliucija

Biosfera atsirado maždaug prieš 3,5 milijardo metų, kai atsirado pirmieji gyvi organizmai. Kai gyvenimas vystėsi, jis pasikeitė. Atsižvelgiant į ekosistemų tipo ypatybes, galima išskirti biosferos evoliucijos etapus.

1. Gyvybės atsiradimas ir vystymasis vandenyje. Scena siejama su egzistencija vandens ekosistemoms. Atmosferoje nebuvo deguonies.

2. Gyvų organizmų atsiradimas žemėje, žemės-oro aplinkos ir dirvožemio vystymasis bei sausumos ekosistemų atsiradimas. Tai tapo įmanoma dėl deguonies atsiradimo atmosferoje ir ozono ekrano. Tai įvyko prieš 2,5 milijardo metų.

3. Žmogaus atsiradimas, pavertimas biosocialia būtybe ir antropoekosistemų atsiradimas įvyko prieš 1 mln.

4. Protingos žmogaus veiklos įtakoje esančios biosferos perėjimas į naują kokybinę būseną – į noosferą.

Noosfera

Aukščiausia biosferos vystymosi pakopa yra noosfera – žmogaus ir gamtos santykių protingo reguliavimo etapas. Šį terminą 1927 metais įvedė prancūzų filosofas E. Leroy. Jis manė, kad noosfera apima žmonių visuomenę su savo pramone, kalba ir kitais protingos veiklos atributais. 30-40-aisiais. XX amžiuje V.I. Vernadskis plėtojo materialistines idėjas apie noosferą. Jis manė, kad noosfera atsiranda dėl biosferos ir visuomenės sąveikos, ją valdo glaudus gamtos dėsnių, mąstymo ir socialinių bei ekonominių visuomenės dėsnių ryšys, ir pabrėžė, kad

noosfera (proto sfera) – tai biosferos vystymosi etapas, kai protinga žmonių veikla taps pagrindiniu jos darnios plėtros veiksniu.

Noosfera yra nauja, aukščiausia biosferos pakopa, susijusi su žmonijos atsiradimu ir vystymusi joje, kuri, išmokusi gamtos dėsnių ir tobulinant technologijas, tampa pagrindine jėga, savo mastu prilyginama geologinėms, ir pradeda turėti. lemiamą įtaką procesų Žemėje eigai, iš esmės pakeisdamas ją jūsų darbu. Žmonijos formavimasis ir vystymasis pasireiškė naujų medžiagų ir energijos mainų tarp visuomenės ir gamtos formų atsiradimu, vis didėjančiu žmogaus poveikiu biosferai. Noosfera ateis tada, kai žmonija su mokslo pagalba galės prasmingai valdyti gamtos ir socialinius procesus. Todėl noosfera negali būti laikoma ypatingu Žemės apvalkalu.

Žmonių visuomenės ir gamtos santykių valdymo mokslas vadinamas noogenika.

Pagrindinis noogenikos tikslas – planuoti dabartį vardan ateities, o pagrindiniai jos uždaviniai – technologijų pažangos nulemtų žmogaus ir gamtos santykių pažeidimų taisymas bei sąmoningas biosferos evoliucijos valdymas. Turi būti suformuotas planuotas, moksliškai pagrįstas panaudojimas gamtos turtai, kuris numato medžiagų cikle atkurti tai, kas buvo sutrikdyta žmogaus, o ne spontaniškam, grobuoniškam požiūriui į gamtą, lemiančiam aplinkos blogėjimą. Tam būtina tvarios plėtros visuomenė, kuri tenkina dabarties poreikius, nepakenkdama ateities kartų galimybėms patenkinti savo poreikius.

Šiuo metu planeta susiformavo biotechnosfera – biosferos dalis, žmogaus radikaliai paversta inžinerinėmis ir techninėmis struktūromis: miestais, gamyklomis ir gamyklomis, karjerais ir kasyklomis, keliais, užtvankomis ir rezervuarais ir kt.

BIOSFERA IR ŽMOGUS

Žmonėms skirta biosfera yra buveinė ir gamtos išteklių šaltinis.

Gamtos turtai – gamtos objektai ir reiškiniai, kuriuos žmonės naudoja darbo procese. Jie suteikia žmogui maistą, drabužius ir pastogę. Pagal išsekimo laipsnį jie skirstomi į neišsenkantis ir neišsenkantis . Išsenka ištekliai skirstomi į atsinaujinantis Ir neatnaujinamas . Prie neatsinaujinančių išteklių priskiriami tie ištekliai, kurie neatsinaujina (arba atsinaujina šimtus kartų lėčiau nei sunaudojama): nafta, anglis, metalų rūdos ir dauguma naudingųjų iškasenų. Atsinaujinantys gamtos ištekliai – dirvožemis, augmenija ir gyvūnų pasaulis, mineralinės žaliavos (valgomosios druskos). Šie ištekliai nuolat atkuriami iš skirtingu greičiu: žvėrys – keletą metų, miškai – 60–80 metų, derlingumą praradusios dirvos – kelis tūkstančius metų. Vartojimo normos viršijimas per dauginimosi greitį lemia visišką išteklių išnykimą.

Neišsenkantis ištekliai yra vanduo, klimatas (atmosferos oro ir vėjo energija) ir erdvė: saulės spinduliuotė, jūros potvynių energija. Tačiau didėjanti aplinkos tarša reikalauja įgyvendinti aplinkosaugos priemones šiems ištekliams išsaugoti.

Žmogaus poreikių tenkinimas neįsivaizduojamas be gamtos išteklių naudojimo.

Visas žmogaus veiklos rūšis biosferoje galima sujungti į keturias formas.

1. Žemės paviršiaus struktūros pokyčiai(arimas, vandens telkinių sausinimas, miškų kirtimas, kanalų tiesimas). Žmonija tampa galinga geologine jėga. Žmogus naudoja 75 % žemės, 15 % upių vandenų, kas minutę iškertama 20 hektarų miškų.

· Geologiniai ir geomorfologiniai pokyčiai – daubų formavimosi procesų intensyvėjimas, purvo srovių ir nuošliaužų atsiradimas ir dažnis.

· Kompleksiniai (kraštovaizdžio) pokyčiai – kraštovaizdžių vientisumo ir natūralios struktūros pažeidimas, gamtos paminklų savitumas, produktyvių žemių praradimas, dykumėjimas.

Žemės biosferai būdingas tam tikras medžiagų ciklas ir energijos srautas. Medžiagų ciklas – tai pakartotinis medžiagų dalyvavimas procesuose, vykstančiuose atmosferoje, hidrosferoje ir litosferoje, įskaitant sluoksnius, kurie yra Žemės biosferos dalis. Medžiagos cirkuliacija vyksta nuolat tiekiant išorinę energiją iš Saulės ir vidinę energiją iš Žemės.

Priklausomai nuo varomosios jėgos, medžiagų cikle galima išskirti geologinius (didelis ciklas), biologinius (biogeocheminis, mažas ciklas) ir antropogeninius ciklus.

Geologinis ciklas (didelis medžiagų ciklas biosferoje)

Šis ciklas perskirsto medžiagą tarp biosferos ir gilesnių Žemės horizontų. Varomoji jėgaŠis procesas apima egzogeninius ir endogeninius geologinius procesus. Endogeniniai procesai vyksta veikiant vidinei Žemės energijai. Tai energija, kuri išsiskiria dėl radioaktyvaus skilimo, cheminių mineralų susidarymo reakcijų ir kt. Endogeniniai procesai apima, pavyzdžiui, tektoninius judėjimus ir žemės drebėjimus. Šie procesai lemia formavimąsi didelių formų reljefas (žemynai, vandenynų baseinai, kalnai ir lygumos). Egzogeniniai procesai vyksta veikiant išorinei saulės energijai. Tai apima atmosferos, hidrosferos, gyvų organizmų ir žmonių geologinį aktyvumą. Šie procesai lemia didelių reljefo formų (upių slėnių, kalvų, daubų ir kt.) išlyginimą.

Geologinis ciklas tęsiasi milijonus metų ir susideda iš to, kad uolienos sunaikinamos, o atmosferos produktai (įskaitant vandenyje tirpias maistines medžiagas) vandens srautais nunešami į Pasaulio vandenyną, kur jie sudaro jūrinius sluoksnius ir tik iš dalies grįžta į sausumą. kritulių. Geotektoniniai pokyčiai, žemyno slūgimo ir jūros dugno kilimo procesai, jūrų ir vandenynų judėjimas per ilgą laiką lemia tai, kad šie sluoksniai grįžta į sausumą ir procesas prasideda iš naujo. Šio medžiagų ciklo simbolis yra spiralė, o ne ratas, nes naujas ciklas tiksliai nepakartoja senojo, o įveda kažką naujo.

Didysis ciklas reiškia vandens ciklą (hidrologinį ciklą) tarp sausumos ir vandenyno per atmosferą (3.2 pav.).

Vandens ciklas kaip visuma vaidina svarbų vaidmenį formuojant gamtines sąlygas mūsų planetoje. Atsižvelgiant į augalų transpiraciją ir jo absorbciją biogeocheminiame cikle, visas vandens tiekimas Žemėje sugenda ir atsistato per 2 milijonus metų.

Ryžiai. 3. 2. Vandens ciklas biosferoje.

Hidrologiniame cikle visos hidrosferos dalys yra tarpusavyje susijusios. Kasmet jame dalyvauja daugiau nei 500 tūkst. km3 vandens. Šio proceso varomoji jėga yra saulės energija. Veikiamos saulės energijos, vandens molekulės įkaista ir dujų pavidalu pakyla į atmosferą (kasdien išgaruoja 875 km3 gėlo vandens). Kylant pamažu atvėsta, kondensuojasi ir susidaro debesys. Pakankamai atvėsę debesys išleidžia vandenį įvairių kritulių pavidalu, kurie nukrenta atgal į vandenyną. Vanduo, pasiekęs žemę, gali eiti dviem skirtingais keliais: arba įsiskverbti į dirvą (infiltracija), arba tekėti per ją (paviršinis nuotėkis). Paviršiuje vanduo teka į upelius ir upes, einančias į vandenyną ar kitas vietas, kur vyksta garavimas. Į dirvą įsigėrusį vandenį galima sulaikyti viršutiniai sluoksniai(horizontai) ir grįžta į atmosferą per transpiraciją. Toks vanduo vadinamas kapiliariniu. Vanduo, kurį nuneša gravitacija ir prasiskverbia pro poras bei įtrūkimus, vadinamas gravitaciniu. Gravitacijos vanduo prasiskverbia į nepralaidų uolienų ar tankaus molio sluoksnį, užpildydamas visas tuštumas. Tokios atsargos vadinamos požeminiu vandeniu, o viršutinė jų riba yra gruntinio vandens lygis. Požeminiai uolienų sluoksniai, kuriais lėtai teka požeminis vanduo, vadinami vandeningaisiais sluoksniais. Veikiamas gravitacijos, požeminis vanduo juda vandeninguoju sluoksniu, kol randa „išeitį“ (pavyzdžiui, susidaro natūralių šaltinių, kurie maitina ežerus, upes, tvenkinius, t. y. jie tampa paviršinio vandens dalimi). Taigi vandens ciklas apima tris pagrindines „kilpas“: paviršinį nuotėkį, garavimą-transpiraciją ir požeminį vandenį. Vandens ciklas Žemėje kasmet apima daugiau nei 500 tūkstančių km3 vandens ir vaidina svarbų vaidmenį formuojant gamtines sąlygas.

Biologinis (biogeocheminis) ciklas

(mažas medžiagų ciklas biosferoje)

Medžiagų biologinio ciklo varomoji jėga yra gyvų organizmų veikla. Tai yra didesnės dalies dalis ir atsiranda biosferoje ekosistemos lygiu. Mažasis ciklas susideda iš to, kad maisto medžiagos, vanduo ir anglis kaupiasi augalų medžiagoje (autotrofuose) ir yra išleidžiamos tiek augalų, tiek kitų organizmų (dažniausiai gyvūnų - heterotrofų), kurie minta šiais augalais, kūnų statybai ir gyvybės procesams. Organinių medžiagų skilimo produktai, veikiami skaidytojų ir mikroorganizmų (bakterijų, grybų, kirmėlių), vėl suyra į mineralinius komponentus. Šios neorganinės medžiagos gali būti pakartotinai panaudotos organinių medžiagų sintezei naudojant autotrofus.

Biogeocheminiuose cikluose skiriamas rezervinis fondas (medžiagos, nesusijusios su gyvais organizmais) ir mainų fondas (medžiagos, kurios yra susijusios tiesioginiu organizmų ir jų artimiausios aplinkos mainais).

Priklausomai nuo rezervinio fondo vietos, biogeocheminiai ciklai skirstomi į du tipus:

Dujų tipo ciklai su atsarginiu medžiagų fondu atmosferoje ir hidrosferoje (anglies, deguonies, azoto ciklai).

Nuosėdinio tipo girai su rezerviniu fondu in Žemės pluta(fosforo, kalcio, geležies ir kt. ciklai).

Tobulesnės yra dujų tipo cirkuliacijos, turinčios didelį mainų fondą. Be to, jie gali greitai susireguliuoti. Nuosėdų ciklai nėra tokie tobuli, jie yra inertiškesni, nes didžioji medžiagos dalis yra žemės plutos rezerviniame fonde gyviems organizmams nepasiekiama forma. Tokie ciklai lengvai sutrikdomi dėl įvairių poveikių, o dalis keičiamos medžiagos palieka ciklą. Tik dėl to jis gali grįžti į ciklą geologiniai procesai arba ekstrahuojant gyvąja medžiaga.

Biologinio ciklo intensyvumą lemia aplinkos temperatūra ir vandens kiekis. Pavyzdžiui, atogrąžų miškuose biologinis ciklas yra intensyvesnis nei tundroje.

Pagrindinių maistinių medžiagų ir elementų ciklai

Anglies ciklas

Visa gyvybė žemėje yra pagrįsta anglimi. Kiekviena gyvo organizmo molekulė yra sukurta anglies skeleto pagrindu. Anglies atomai nuolat migruoja iš vienos biosferos dalies į kitą (3. 3. pav.).

Ryžiai. 3. 3. Anglies ciklas.

Pagrindinės anglies atsargos Žemėje yra anglies dioksido (CO2) pavidalu, esančiu atmosferoje ir ištirpusio vandenynuose. Fotosintezės metu augalai sugeria anglies dioksido molekules. Dėl to anglies atomas paverčiamas įvairiais organiniais junginiais ir taip įtraukiamas į augalų struktūrą. Toliau pateikiamos kelios parinktys:

· anglies likučiai augaluose ® augalų molekulės naudojamos kaip maistas skaidytojams (organizmams, kurie minta negyva organine medžiaga ir tuo pačiu skaido ją į paprastus neorganinius junginius) ® anglis grįžta į atmosferą kaip CO2;

· augalus valgo žolėdžiai gyvūnai ® anglis grąžinama į atmosferą gyvūnams kvėpuojant ir jiems irstant po mirties; arba žolėdžius suės mėsėdžiai ir tada anglis vėl grįš į atmosferą tais pačiais būdais;

· augalai po mirties virsta iškastiniu kuru (pavyzdžiui, anglimi) ® anglis grįžta į atmosferą panaudojus kurą, išsiveržus ugnikalniams ir kitiems geoterminiams procesams.

Pirminės CO2 molekulės ištirpimo jūros vandenyje atveju galimi ir keli variantai: anglies dioksidas gali tiesiog grįžti į atmosferą (toks tarpusavio dujų mainų tipas tarp Pasaulio vandenyno ir atmosferos vyksta nuolat); anglis gali patekti į jūros augalų ar gyvūnų audinius, tada pamažu kaupsis nuosėdų pavidalu pasaulio vandenynų dugne ir ilgainiui virs kalkakmeniu arba iš nuosėdų vėl pereis į jūros vandenį.

CO2 ciklo greitis yra apie 300 metų.

Žmogaus įsikišimas į anglies ciklą (anglies, naftos, dujų deginimas, drėgmės pašalinimas) padidina CO2 kiekį atmosferoje ir šiltnamio efektas. Šiuo metu anglies ciklo tyrimas tapo svarbia atmosferos tyrime dalyvaujančių mokslininkų užduotimi.

Deguonies ciklas

Deguonis yra labiausiai paplitęs elementas Žemėje (jūros vandenyje yra 85,82% deguonies, atmosferos ore - 23,15%, o žemės plutoje - 47,2%). Deguonies junginiai yra būtini gyvybei palaikyti (jie atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį medžiagų apykaitos procesuose ir kvėpavime, yra baltymų, riebalų, angliavandenių dalis, iš kurių „susikuria“ organizmai). Didžioji deguonies dalis yra surištoje būsenoje (molekulinio deguonies kiekis atmosferoje sudaro tik 0,01 % viso deguonies kiekio žemės plutoje).

Kadangi deguonies randama daugelyje cheminiai junginiai, jo cirkuliacija biosferoje yra labai sudėtinga ir daugiausia vyksta tarp atmosferos ir gyvų organizmų. Deguonies koncentracija atmosferoje palaikoma fotosintezės būdu, dėl kurios žalieji augalai, veikiami saulės spindulių, anglies dvideginį ir vandenį paverčia angliavandeniais ir deguonimi. Didžiąją dalį deguonies gamina sausumos augalai - beveik ¾, likusią dalį - Pasaulio vandenyno fotosintetiniai organizmai. Galingas deguonies šaltinis yra fotocheminis vandens garų skilimas viršutiniuose atmosferos sluoksniuose, veikiant ultravioletiniams saulės spinduliams. Be to, deguonis užbaigia svarbiausią ciklą, patekdamas į vandens sudėtį. Nedidelis deguonies kiekis susidaro iš ozono veikiant ultravioletinei spinduliuotei.

Deguonies ciklo greitis yra apie 2 tūkstančius metų.

Miškų naikinimas, dirvožemio erozija ir įvairi paviršinė kasyba sumažina bendrą fotosintezės masę ir sumažina deguonies ciklą dideliuose plotuose. Be to, 25% deguonies, susidarančio dėl asimiliacijos, kasmet sunaudojama pramonės ir buities reikmėms.

Azoto ciklas

Biogeocheminis azoto ciklas, kaip ir ankstesni ciklai, apima visas biosferos sritis (3.4 pav.).

Ryžiai. 3. 4. Azoto ciklas.

Azotas yra įtrauktas žemės atmosfera nesurištoje formoje dviatominių molekulių pavidalu (maždaug 78 % viso atmosferos tūrio sudaro azotas). Be to, azotas yra įtrauktas į augalų ir gyvūnų organizmus baltymų pavidalu. Augalai sintetina baltymus, absorbuodami nitratus iš dirvožemio. Nitratai ten susidaro iš atmosferos azoto ir amonio junginių, esančių dirvožemyje. Atmosferos azoto pavertimo tokia forma, kurią gali naudoti augalai ir gyvūnai, procesas vadinamas azoto fiksavimu. Organinėms medžiagoms pūstant, nemaža dalis jose esančio azoto virsta amoniaku, kuris, veikiamas dirvožemyje gyvenančių nitrifikuojančių bakterijų, vėliau oksiduojasi į azoto rūgštį. Ši rūgštis, reaguodama su karbonatais dirvožemyje (pavyzdžiui, kalcio karbonatu CaCO3), sudaro nitratus. Dalis azoto skilimo metu laisvos formos visada išleidžiama į atmosferą. Be to, laisvas azotas išsiskiria degant organinėms medžiagoms, degant medienai, anglims, durpėms. Be to, yra bakterijų, kurios, esant nepakankamam oro patekimui, gali atimti iš nitratų deguonį, juos sunaikindamos ir išskirdamos laisvąjį azotą. Denitrifikuojančių bakterijų veikla lemia tai, kad dalis azoto iš žaliųjų augalų turimos formos (nitratai) tampa nepasiekiama (laisvas azotas). Taigi, ne visas azotas, kuris buvo negyvų augalų dalis, grįžta atgal į dirvą (dalis jo palaipsniui išsiskiria laisva forma).

Prie procesų, kompensuojančių azoto nuostolius, pirmiausia priskiriamos atmosferoje vykstančios elektros iškrovos, kurios visada gamina tam tikrą kiekį azoto oksidų (pastarieji su vandeniu gamina azoto rūgštį, kuri dirvožemyje virsta nitratais). Kitas dirvožemio azoto junginių pasipildymo šaltinis – gyvybinė vadinamųjų azotobakterijų, gebančių pasisavinti atmosferos azotą, veikla. Dalis šių bakterijų nusėda ant ankštinių šeimos augalų šaknų, todėl susidaro būdingi paburkimai – mazgeliai. Mazginės bakterijos, pasisavindamos atmosferos azotą, paverčia jį azoto junginiais, o augalai, savo ruožtu, pastarąjį paverčia baltymais ir kitomis sudėtingomis medžiagomis. Taigi gamtoje vyksta nenutrūkstamas azoto ciklas.

Kadangi kasmet kartu su derliumi iš laukų pašalinamos daugiausia baltymų turinčios augalų dalys (pavyzdžiui, grūdai), dirvožemyje „reikia“ tręšti trąšomis, kompensuojančiomis svarbiausių augalų elementų praradimą. augalų mityba. Daugiausia naudojamas kalcio nitratas (Ca(NO)2), amonio nitratas (NH4NO3), natrio nitratas (NANO3) ir kalio nitratas (KNO3). Taip pat vietoj cheminių trąšų naudojami patys ankštinių šeimos augalai. Jei dirbtinių azoto trąšų kiekis dirvoje yra per didelis, nitratai patenka ir į žmogaus organizmą, kur gali virsti nitritais, kurie yra labai toksiški ir gali sukelti vėžį.

Fosforo ciklas

Didžioji dalis fosforo yra uolienose, susidariusiose praėjusiais geologiniais laikais. Fosforo kiekis žemės plutoje svyruoja nuo 8 - 10 iki 20% (pagal masę) ir čia randamas mineralų (fluorapatito, chlorapatito ir kt.) pavidalu, kurie yra natūralių fosfatų – apatitų ir fosforitų – dalis. Fosforas gali patekti į biogeocheminį ciklą dėl uolienų dūlėjimo. Erozijos procesų metu fosforas patenka į jūrą mineralinio apatito pavidalu. Gyvi organizmai vaidina svarbų vaidmenį fosforo transformavime. Organizmai išgauna fosforą iš dirvožemio ir vandeninių tirpalų. Tada fosforas perduodamas maisto grandinėmis. Žūstant organizmams, fosforas grįžta į dirvožemį ir jūros dumblą ir susikaupia jūrinių fosfatų nuosėdų pavidalu, o tai savo ruožtu sudaro sąlygas susidaryti daug fosforo turinčioms uolienoms (3. 5 pav.).

Ryžiai. 3.5. Fosforo ciklas biosferoje (pagal P. Duvigneau, M. Tang, 1973; su pakeitimais).

Jei fosforo trąšos naudojamos neteisingai, dėl vandens ir vėjo erozijos (sunaikinimo veikiant vandeniui ar vėjui), iš dirvožemio pašalinamas didelis fosforo kiekis. Viena vertus, tai veda prie pernelyg didelio fosforo trąšų vartojimo ir išeikvojamos fosforo turinčių rūdų atsargos.

Kita vertus, padidėjęs fosforo kiekis jo transportavimo vandens keliuose sąlygoja spartų vandens augalų biomasės didėjimą, „vandens telkinių žydėjimą“ ir jų eutrofikaciją (turtėjimą maistinėmis medžiagomis).

Kadangi augalai iš dirvožemio pašalina nemažą kiekį fosforo, o natūralus fosforo junginių pasipildymas dirvožemyje yra itin menkas, fosforo trąšų įterpimas į dirvą yra viena svarbiausių priemonių produktyvumui didinti. Kasmet pasaulyje išgaunama apie 125 mln. tonų fosfato rūdos. Didžioji jo dalis išleidžiama fosfatinių trąšų gamybai.

Sieros ciklas

Pagrindinis sieros rezervinis fondas yra nuosėdose, dirvožemyje ir atmosferoje. Pagrindinis vaidmuo sieros įtraukime į biogeocheminį ciklą priklauso mikroorganizmams. Vieni jų yra reduktoriai, kiti – oksidatoriai (3. 6. pav.).

Ryžiai. 3. 6. Sieros ciklas (pagal Yu. Odum, 1975).

Gamtoje dideliais kiekiais žinomi įvairūs geležies, švino, cinko sulfidai ir kt.Sulfidinė siera biosferoje oksiduojama iki sulfatinės sieros. Sulfatus absorbuoja augalai. Gyvuose organizmuose siera yra aminorūgščių ir baltymų dalis, o augaluose – eterinių aliejų ir kt. Dirvožemyje ir jūros dumbluose esančių organizmų liekanų naikinimo procesus lydi sudėtingi sieros virsmai (mikroorganizmai sukuria daugybę tarpinių sieros junginių). Po gyvų organizmų mirties dalis sieros dirvožemyje mikroorganizmų redukuojama iki H2S, kita dalis oksiduojama iki sulfatų ir vėl įtraukiama į ciklą. Susidaręs vandenilio sulfidas atmosferoje oksiduojamas ir su krituliais grąžinamas į dirvą. Be to, vandenilio sulfidas gali iš naujo sudaryti „antrinius“ sulfidus, o sieros sulfatas sukuria gipsą. Savo ruožtu sulfidai ir gipsas vėl sunaikinami, o siera vėl pradeda migruoti.

Be to, ugnikalniai į atmosferą išskiria sierą SO2, SO3, H2S ir elementinės sieros pavidalu.

Sieros ciklas gali būti sutrikdytas dėl žmogaus įsikišimo. To priežastis – anglių deginimas ir chemijos pramonės išmetami teršalai, dėl kurių susidaro sieros dioksidas, kuris sutrikdo fotosintezės procesus ir veda prie augalijos žūties.

Taigi biogeocheminiai ciklai užtikrina biosferos homeostazę. Tačiau jie dažniausiai yra jautrūs žmogaus įtakai. O vienas iš galingiausių antiekologinių žmonių veiksmų yra susijęs su natūralių ciklų (jie tampa acikliniai) sutrikdymu ir net sunaikinimu.

Antropogeninis ciklas

Antropogeninio ciklo varomoji jėga yra žmogaus veikla. Šis ciklas apima du komponentus: biologinį, susijusį su žmogaus, kaip gyvo organizmo, funkcionavimu ir techninį, susijusį su žmonių ūkine veikla. Antropogeninis ciklas, skirtingai nei geologinis, ir biologinis, nėra uždaras. Šis uždarymo trūkumas sukelia gamtos išteklių išeikvojimą ir gamtinės aplinkos taršą.

Geologinė cirkuliacija medžiagos turi didžiausią greitį horizontalia kryptimi tarp sausumos ir jūros. Didelės cirkuliacijos prasmė yra ta, kad uolienos yra sunaikinamos, veikiamos oro sąlygų, o atmosferos produktai, įskaitant vandenyje tirpias maistines medžiagas, vandens srautais pernešami į Pasaulio vandenyną, formuojantis jūriniams sluoksniams ir į sausumą grįžta tik iš dalies, pvz. , su krituliais arba organizmais, kuriuos žmonės išgauna iš vandens. Tada per ilgą laiką vyksta lėti geotektoniniai pokyčiai – žemynų judėjimas, jūros dugno pakilimas ir kritimas, ugnikalnių išsiveržimai ir pan., dėl kurių susidarę sluoksniai grįžta į sausumą ir procesas prasideda iš naujo. .

Didelis geologinis medžiagos ciklas. Denudacijos procesų įtakoje vyksta uolienų sunaikinimas ir sedimentacija. Susidaro nuosėdinės uolienos. Stabilios nusėdimo zonose (dažniausiai vandenyno dugne) geografinio apvalkalo medžiaga patenka į giliuosius Žemės sluoksnius. Be to, veikiant temperatūrai ir slėgiui, vyksta metamorfiniai procesai, dėl kurių susidaro uolienos, medžiaga artėja prie Žemės centro. Žemės gelmėse, esant labai aukštai temperatūrai, atsiranda magmatizmas: uolienos tirpsta, magmos pavidalu kyla išilgai lūžių į žemės paviršių ir išsiveržimų metu išsilieja į paviršių. Taigi vyksta materijos ciklas. Geologinis ciklas tampa sudėtingesnis, jei atsižvelgsime į medžiagų mainus su kosmosu. Didysis geologinis ciklas nėra uždaras ta prasme, kad kai kurios medžiagos dalelės, patenkančios į Žemės žarnas, nebūtinai iškyla į paviršių, ir atvirkščiai, dalelė, kylanti išsiveržimo metu, galbūt niekada anksčiau nebuvo ant žemės paviršiaus.

Pagrindiniai energijos šaltiniai natūraliems procesams Žemėje

Saulės spinduliuotė yra pagrindinis energijos šaltinis Žemėje. Jo galią apibūdina saulės konstanta – energijos kiekis, praeinantis per vienetinį ploto plotą, statmeną saulės spinduliams. Vieno astronominio vieneto atstumu (ty Žemės orbitoje) ši konstanta yra maždaug 1370 W/m².

Gyvi organizmai naudoja Saulės energiją (fotosintezė) ir cheminių ryšių energiją (chemosintezė). Ši energija gali būti naudojama įvairiuose natūraliuose ir dirbtiniuose procesuose. Trečdalį visos energijos atspindi atmosfera, 0,02% sunaudoja augalai fotosintezei, o likusi dalis sunaudojama daugeliui natūralių procesų palaikyti – žemės, vandenyno, atmosferos šildymui, oro judėjimui. wt. Tiesioginis šildymas saulės spinduliais arba energijos konvertavimas naudojant fotoelementus gali būti naudojamas elektros energijai gaminti (saulės elektrinėse) ar kt. naudingo darbo. Tolimoje praeityje energija, sukaupta naftoje ir kitose iškastinio kuro rūšyse, taip pat buvo gaunama fotosintezės būdu.

Ši milžiniška energija veda į visuotinį atšilimą, nes po natūralių procesų yra spinduliuojama atgal ir atmosfera neleidžia jai grįžti.

2. Vidinė Žemės energija; pasireiškimas – ugnikalniai, karštosios versmės

18. Biotinės ir abiotinės kilmės energijos virsmai

Veikiančioje natūralioje ekosistemoje atliekų nėra. Visi organizmai, gyvi ar negyvi, potencialiai yra maistas kitiems organizmams: vikšras ėda lapiją, strazdas – vikšrus, vanagas – juodvarnį. Kai žūsta augalai, vikšrai, strazdai ir vanagai, juos savo ruožtu apdoroja skaidytojai.

Visi organizmai, vartojantys tą patį maistą, priklauso tam pačiam trofinis lygis.

Organizmai natūralios ekosistemos dalyvauja sudėtingame daugelio tarpusavyje susijusių maisto grandinių tinkle. Toks tinklas vadinamas maisto tinklas.

Energijos srautų piramidės: Su kiekvienu perėjimu iš vieno trofinio lygio į kitą viduje maisto grandinė arba tinkle, darbas atliktas ir įjungtas aplinką išsiskiria šiluminė energija, o energijos kiekis Aukštos kokybės, kurį naudoja kito trofinio lygio organizmai, mažėja.

10% taisyklė: Pereinant iš vieno trofinio lygio į kitą, prarandama 90% energijos ir 10% perkeliama į kitą lygį.

Kuo ilgesnė maisto grandinė, tuo daugiau prarandama naudingos energijos. Todėl mitybos grandinės ilgis dažniausiai neviršija 4 – 5 grandžių.

Žemės kraštovaizdžio sferos energija:

1) saulės energija: šiluminė, spindulinė

2) šiluminės energijos srautas iš Žemės žarnų

3) potvynio srovės energija

4) tektoninė energija

5) energijos asimiliacija fotosintezės metu

Vandens ciklas gamtoje

Vandens ciklas gamtoje – tai ciklinio vandens judėjimo žemės biosferoje procesas. Susideda iš garavimo, kondensacijos ir kritulių (atmosferos krituliai iš dalies išgaruoja, iš dalies sudaro laikinus ir nuolatinius kanalizaciją ir rezervuarus, iš dalies prasiskverbia į žemę ir susidaro Požeminis vanduo), taip pat mantijos degazavimo procesai: vanduo iš mantijos nuolat teka. vandens buvo rasta net dideliame gylyje.

Jūros praranda dėl garavimo daugiau vandens nei jie gauna su krituliais, sausumoje situacija yra atvirkštinė. Vanduo nuolat cirkuliuoja pasaulyje, o jo viso lieka nepakitęs.

75% Žemės paviršiaus yra padengta vandeniu. Žemės vandens apvalkalas yra hidrosfera. Didžioji jo dalis yra sūrus jūrų ir vandenynų vanduo, o mažesnė dalis yra gėlo vandens ežerai, upės, ledynai, požeminis vanduo ir vandens garai.

Žemėje vanduo yra trijų agregacijos būsenų: skysto, kieto ir dujinio. Be vandens gyvi organizmai negali egzistuoti. Bet kuriame organizme vanduo yra terpė, kurioje vyksta cheminės reakcijos, be kurios gyvi organizmai negali gyventi. Vanduo yra vertingiausia ir būtiniausia gyvų organizmų gyvybei medžiaga.

Gamtoje yra keletas vandens ciklų tipų:

Didysis, arba pasaulinis, ciklas – vandens garai, susidarę virš vandenynų paviršiaus, vėjų nunešami į žemynus, ten patenka kritulių pavidalu ir grįžta į vandenyną nuotėkio pavidalu. Šiame procese keičiasi vandens kokybė: garuojant, sūrus jūros vandens virsta gėlu, o užterštas vanduo išvalomas.

Mažas, arba okeaninis, ciklas – vandens garai, susidarę virš vandenyno paviršiaus, kondensuojasi ir krituliais nukrenta atgal į vandenyną.

Intrakontinentinis ciklas – ant žemės paviršiaus išgaravęs vanduo vėl patenka į žemę kritulių pavidalu.

Galų gale judėjimo procese esančios nuosėdos vėl pasiekia Pasaulio vandenyną.

Perdavimo greitis įvairių tipų vanduo labai skiriasi, skiriasi ir vartojimo bei vandens atnaujinimo laikotarpiai. Jie skiriasi nuo kelių valandų iki kelių dešimčių tūkstančių metų. Atmosferos drėgmė, susidaranti garuojant vandeniui iš vandenynų, jūrų ir sausumos ir esanti debesų pavidalu, atsinaujina vidutiniškai kas aštuonias dienas.

Vandenys, sudarantys gyvus organizmus, atkuriami per kelias valandas. Tai pati aktyviausia vandens mainų forma. Vandens atsargų atsinaujinimo laikotarpis kalnų ledynuose yra apie 1600 metų, poliarinių šalių ledynuose gerokai ilgesnis – apie 9700 metų.

Visiškas Pasaulio vandenyno vandenų atsinaujinimas įvyksta maždaug per 2700 metų.

Saulės spinduliuotės, judančios ir besisukančios žemės sąveikos poveikis.

IN Ši problema reikėtų atsižvelgti į sezoninį kintamumą: žiema/vasara. Apibūdinkite, kad dėl Žemės sukimosi ir judėjimo saulės spinduliuotė patenka netolygiai, o tai reiškia, kad klimato sąlygos keičiasi atsižvelgiant į platumą.

Žemė į ekliptikos plokštumą pasvirusi 23,5 laipsnio.

Spinduliai sklinda skirtingais kampais. Radiacijos balansas. Svarbu ne tik kiek gauna, bet ir kiek praranda, o kiek lieka, atsižvelgiant į albedo.

Atmosferos veikimo centrai

Didelės nuolatinio aukšto ar žemo slėgio sritys, susijusios su bendra atmosferos cirkuliacija - atmosferos veikimo centrai. Jie nustato dominuojančią vėjų kryptį ir yra geografinių oro masių tipų formavimosi centrai. Sinoptiniuose žemėlapiuose jie išreiškiami kaip uždaros linijos – izobarai.

Priežastys: 1) Žemės nevienalytiškumas;

2) fizinio skirtumo žemės ir vandens savybės (šilumos talpa)

3) paviršiaus albedo skirtumas (R/Q): vanduo – 6%, ekv. miškai – 10-12%, platūs miškai – 18%, pievos – 22-23%, sniegas – 92%;

4) Koriolis F

Tai sukelia OCA.

Atmosferos veikimo centrai:

● nuolatinis– juose ištisus metus yra aukštas arba žemas slėgis:

1. pusiaujo žema juosta slėgis, kurio ašis šiek tiek migruoja nuo pusiaujo sekančio Saulę link vasaros pusrutulio - Pusiaujo depresija (priežastys: didelis Q kiekis ir vandenynai);

2. išilgai vienos subtropinės aukščio juostos. spaudimas šiaurėje ir Južas. pusrutuliai; kai kurie vasarą migruoja į aukštesnes subtropines vietoves. platumos, žiemą - į žemesnes; suskaidyti į vandenynų seriją anticiklonai: šiaurėje. pusrutuliai – Azorų anticiklonas (ypač vasarą) ir Havajų; pietuose - Pietų Indijos, Ramiojo vandenyno pietuose ir Pietų Atlanto vandenyne;

3. nuosmukio sritys. slėgis virš vandenynų didelėse vidutinio klimato zonų platumose: šiaurėje. pusrutuliai – Islandijos (ypač žiemą) ir Aleuto minimumai, pietuose – ištisinis žemo slėgio žiedas, supantis Antarktidą (50 0 S);

4. padidintos sritys slėgis virš Arkties (ypač žiemą) ir Antarktidoje – anticiklonai;

● sezoninis– gali būti atsekamos kaip aukšto arba žemo slėgio zonos per vieną sezoną, kitu metų laiku pasikeičiančios į priešingo ženklo atmosferos veikimo centrą. Jų egzistavimas yra susijęs su staigiu sausumos paviršiaus temperatūros pasikeitimu per metus, palyginti su vandenynų paviršiaus temperatūra; vasaros perkaitimas žemėje sukuria palankias sąlygas čia formuotis žemiems plotams. spaudimas, žiemos hipotermija – aukštesnėms vietovėms spaudimas. Viskas. pusrutuliai į aukštesnes žiemos zonas. spaudimas apima Azijos (Sibiro), kurių centras yra Mongolija, ir Kanados aukštumas bei Pietų Australijos, Pietų Amerikos ir Pietų Afrikos rekordus. Vasaros žemos zonos slėgis: šiaurėje. pusrutuliai – Pietų Azijos (arba Vakarų Azijos) ir Šiaurės Amerikos minimumai, pietuose. – Australijos, Pietų Amerikos ir Pietų Afrikos žemiausios kainos).

Atmosferos veikimo centrams būdingas tam tikras orų tipas. Todėl oras čia gana greitai įgauna pagrindinio paviršiaus savybes – karšta ir drėgna pusiaujo depresijoje, šalta ir sausa Mongolijos anticiklone, vėsu ir drėgna Islandijos žemumoje ir kt.

Planetų šilumos mainai ir jų priežastys

Pagrindinės planetinės šilumos mainų savybės. Saulės energija, kurią sugeria Žemės rutulio paviršius, išleidžiama garavimui ir šilumos perdavimui turbulentiniais srautais. Vidutiniškai apie 80% visos planetos išgaruoja, o likusieji 20% visos šilumos patenka į turbulentinius šilumos mainus.

Šilumos mainų procesai ir jos komponentų geografinės platumos pokyčiai vandenyne ir sausumoje yra labai unikalūs. Rudenį ir žiemą visa šiluma, kurią sugeria žemė pavasarį ir vasarą, visiškai prarandama; su subalansuotu metiniu šilumos biudžetu, todėl visur pasirodo lygus nuliui.

Pasaulio vandenyne dėl didelės vandens šiluminės talpos ir judrumo šiluma kaupiasi žemose platumose, iš kur srovėmis perduodama į aukštąsias platumas, kur jos suvartojimas viršija pasiūlą. Tokiu būdu padengiamas vandens ir oro šilumos mainuose susidaręs deficitas.

Pasaulio vandenyno pusiaujo zonoje, kai sugeriama daug saulės spinduliuotės ir sunaudojama mažiau energijos, metinis šilumos biudžetas turi maksimalias teigiamas reikšmes. Nutolus nuo pusiaujo, teigiamas metinis šilumos biudžetas mažėja, nes padidėja šilumos mainų, daugiausia garavimo, suvartojimo komponentai. Iš tropikų pereinant prie vidutinio klimato platumų, šilumos biudžetas tampa neigiamas.

Žemėje visa pavasario-vasaros laikotarpiu gauta šiluma išleidžiama rudens-žiemos laikotarpiu. Per ilgą Žemės istoriją Pasaulio vandenyno vandenys sukaupė didžiulį šilumos kiekį, lygų 7,6 * 10^21 kcal. Tokios didelės masės susikaupimas paaiškinamas dideliu vandens šiluminiu pajėgumu ir intensyviu jo maišymu, kurio metu okeanosferos storyje vyksta gana sudėtingas šilumos persiskirstymas. Visos atmosferos šiluminė talpa yra 4 kartus mažesnė nei dešimties metrų vandens sluoksnio Pasaulio vandenyne.

Nepaisant to, kad saulės energijos dalis, einanti į turbulentinį šilumos mainą tarp Žemės paviršiaus ir oro, yra palyginti nedidelė, ji yra pagrindinis paviršinės atmosferos dalies šildymo šaltinis. Šių šilumos mainų intensyvumas priklauso nuo oro ir požeminio paviršiaus (vandens ar žemės) temperatūrų skirtumo. Žemosiose planetos platumose (nuo pusiaujo iki maždaug keturiasdešimtosios abiejų pusrutulių platumos) orą daugiausia šildo sausuma, kuri nesugeba kaupti saulės energijos ir visą gaunamą šilumą atiduoda atmosferai. Dėl turbulentinės šilumos mainų oro apvalkalas per metus gauna nuo 20 iki 40 kcal/cm^2, o žemos drėgmės zonose (Sachara, Arabija ir kt.) – net daugiau nei 60 kcal/cm^2. Vandenys šiose platumose kaupia šilumą, turbulentinės šilumos mainų procese į orą išskiria tik 5-10 kcal/cm^2 per metus ar mažiau. Tik tam tikrose vietose (ribotame plote) vanduo vidutiniškai per metus būna šaltesnis, todėl šilumą gauna iš oro (pusiaujo zonoje, šiaurės vakaruose Indijos vandenynas, taip pat prie vakarinės Afrikos ir Pietų Amerikos pakrantės).

Visos mūsų planetoje esančios medžiagos yra cirkuliacijos procese. Saulės energija Žemėje sukelia du medžiagų ciklus:

1) Didelis (geologinis arba abiotinis);

2) Mažas (biotinis, biogeninis arba biologinis).

Medžiagų ciklai ir kosminės energijos srautai sukuria biosferos stabilumą. Kietosios medžiagos ir vandens ciklas, atsirandantis veikiant abiotiniams veiksniams (negyva gamta), vadinamas didelis geologinis ciklas. Per didelį geologinį ciklą (trunkantį milijonus metų) uolienos sunaikinamos, dyla, medžiagos ištirpsta ir patenka į Pasaulio vandenyną; vyksta geotektoniniai pokyčiai, žemynų nuslūgimas ir jūros dugno pakilimas. Vandens ciklo laikas ledynuose – 8000 metų, upėse – 11 dienų. Tai didysis ciklas, aprūpinantis gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir daugiausia lemiantis jų egzistavimo sąlygas.

Puikus geologinis ciklas Biosferoje yra du svarbūs dalykai:

a) atliekama visoje geologinė raidaŽemė;

b) yra šiuolaikinis planetinis procesas, kuris vaidina pagrindinį vaidmenį tolimesnis vystymas biosfera.

Dabartiniame žmogaus vystymosi etape dėl to puikus žiedas Teršalai, tokie kaip sieros ir azoto oksidai, dulkės ir radioaktyvios priemaišos, taip pat gabenami dideliais atstumais. Labiausiai užterštos buvo Šiaurės pusrutulio vidutinio klimato platumos.

Mažas, biogeninis arba biologinis medžiagų ciklas vyksta kietoje, skystoje ir dujinėje fazėse, dalyvaujant gyviems organizmams. Biologinis ciklas, priešingai nei geologinis ciklas, reikalauja mažiau energijos. Mažasis ciklas yra didelio ciklo dalis ir vyksta biogeocenozių lygyje (viduje ekosistemos) ir slypi tame, kad dirvožemio maistinės medžiagos, vanduo ir anglis kaupiasi augalinėje medžiagoje ir išleidžiami organizmui kurti. Organinių medžiagų skilimo produktai skyla į mineralinius komponentus. Mažas žiedas neuždarytas, kuri yra susijusi su medžiagų ir energijos patekimu į ekosistemą iš išorės ir su dalies jų išleidimu į biosferos ciklą.

Dideliame ir mažame cikle dalyvauja daug cheminių elementų ir jų junginių, tačiau svarbiausi iš jų yra tie, kurie lemia esamą biosferos raidos etapą, siejamą su žmogaus ūkine veikla. Tai apima žiedus anglis, siera ir azotas(jų oksidai - pagrindinių oro teršalų), ir fosforas (fosfatai yra pagrindinis kontinentinių vandenų teršalas). Beveik visi teršalai laikomi kenksmingais ir klasifikuojami kaip ksenobiotikai.

Šiuo metu didelę reikšmę turi ksenobiotikų – toksiškų elementų – ciklus, gyvsidabris (maisto teršalas) produktai) ir švinas (benzino sudedamoji dalis). Be to, daugelis antropogeninės kilmės medžiagų (DDT, pesticidai, radionuklidai ir kt.), kurios daro žalą biotai ir žmonių sveikatai, patenka iš didelio ciklo į mažąją.

Biologinio ciklo esmė slypi dviejų priešingų, bet tarpusavyje susijusių procesų - kūryba organinės medžiagos ir jos sunaikinimas gyva substancija.

Skirtingai nuo didelio, mažojo žiedo trukmė skiriasi: išskiriami sezoniniai, metiniai, daugiamečiai ir pasaulietiniai mažieji žiedai..

Gyre cheminių medžiagų iš neorganinės aplinkos per augmeniją ir gyvūnus atgal į neorganinę aplinką naudojant saulės energiją vadinamos cheminės reakcijos biogeocheminis ciklas .

Mūsų planetos dabartis ir ateitis priklauso nuo gyvų organizmų dalyvavimo biosferos funkcionavime. Medžiagų cikle gyvoji medžiaga arba biomasė atlieka biogeochemines funkcijas: dujų, koncentracijos, redokso ir biochemines.

Biologinis ciklas vyksta dalyvaujant gyviems organizmams ir susideda iš organinių medžiagų dauginimosi iš neorganinių ir šios organinės medžiagos skaidymo iki neorganinės per maisto trofinę grandinę. Gamybos ir naikinimo procesų intensyvumas biologiniame cikle priklauso nuo šilumos ir drėgmės kiekio. Pavyzdžiui, mažas organinių medžiagų skilimo greitis poliariniuose regionuose priklauso nuo šilumos trūkumo.

Svarbus biologinio ciklo intensyvumo rodiklis yra cheminių elementų cirkuliacijos greitis. Apibūdinamas intensyvumas indeksas , lygus miško paklotės masės ir paklotės santykiui. Kuo didesnis indeksas, tuo mažesnis cirkuliacijos intensyvumas.

Indeksas spygliuočių miškuose - 10 - 17; plačialapis 3 - 4; savana ne daugiau kaip 0,2; atogrąžų miškuose ne daugiau kaip 0,1, t.y. Čia biologinis ciklas yra intensyviausias.

Elementų (azoto, fosforo, sieros) srautas per mikroorganizmus yra eilės tvarka didesnis nei per augalus ir gyvūnus. Biologinis ciklas nėra visiškai grįžtamas, jis glaudžiai susijęs su biogeocheminiu ciklu. Cheminiai elementai biosferoje cirkuliuoja įvairiais biologinio ciklo keliais:

yra sugeriamos gyvosios medžiagos ir įkraunamos energija;

palikti gyvą medžiagą, išskirdama energiją į išorinę aplinką.

Šie ciklai yra dviejų tipų: dujinių medžiagų ciklas; nuosėdų ciklas (rezervas žemės plutoje).

Patys žiedai susideda iš dviejų dalių:

- rezervinis fondas(tai ta medžiagos dalis, kuri nesusijusi su gyvais organizmais);

- mobilusis (biržų) fondas(mažesnė medžiagos dalis, susijusi su tiesioginiu pasikeitimu tarp organizmų ir jų artimiausios aplinkos).

Žiedai skirstomi į:

Gyres dujų tipas su rezerviniu fondužemės plutoje (anglies, deguonies, azoto ciklai) – geba greitai reguliuotis;

Gyres nuosėdinio tipo su rezerviniu fondužemės plutoje (fosforo, kalcio, geležies ciklai ir kt.) - yra inertiškesni, didžioji medžiagos dalis yra gyviems organizmams „nepasiekiama“ forma.

Žiedai taip pat gali būti skirstomi į:

- uždaryta(dujinių medžiagų, pavyzdžiui, deguonies, anglies ir azoto, cirkuliacija yra rezervas atmosferoje ir vandenyno hidrosferoje, todėl trūkumas greitai kompensuojamas);

- atviras(sukuriant rezervinį fondą žemės plutoje, pvz., fosforo – todėl nuostoliai prastai kompensuojami, t.y. susidaro deficitas).

Energetinis egzistencijos pagrindas biologiniai ciklaiŽemėje ir jų pradinė grandis yra fotosintezės procesas. Kiekvienas naujas ciklas nėra tikslus ankstesnio kartojimas. Pavyzdžiui, biosferos evoliucijos metu kai kurie procesai buvo negrįžtami, todėl susidarė ir kaupėsi biogeninės nuosėdos, padidėjo deguonies kiekis atmosferoje, pakito daugelio elementų izotopų kiekybiniai santykiai. ir kt.

Medžiagų cirkuliacija paprastai vadinama biogeocheminiai ciklai . Pagrindiniai biogeocheminiai (biosferos) medžiagų ciklai: vandens ciklas, deguonies ciklas, azoto ciklas(azotą fiksuojančių bakterijų dalyvavimas), anglies ciklas(aerobinių bakterijų dalyvavimas; kasmet apie 130 tonų anglies išsiskiria į geologinį ciklą), fosforo ciklas(dirvožemio bakterijų įsitraukimas; 14 milijonai tonų fosforo), sieros ciklas, metalo katijonų ciklas.