Екологічні знання - Добровольський В.В. - 2.1.2. Природні процеси

Природа постійно змінюється, все в ній рухається - від птаха до гори чи материка. Ніщо не зупиняється ні на мить - ні жива речовина, ні косна. Цей рух, ці зміни характеризуються природними процесами, які по своїй суті можуть бути фізичними, хімічними, біологічними чи комплексними. Для здійснення усякого процесу потрібна енергія, природним першоджерелом якої є Сонце та сама Земля. Завдяки енергії речовина переміщується, перетворюється, руйнується, створюється в безперервному процесі природних кругообігів. Розміри перетворень залежать від властивостей речовини та енергетичного потенціалу, що у випадку переміщення характеризується залежністю (5).

Аналіз залежності (5) з використанням даних табл. 2.2 виявляє, що найбільш рухомою з приведених природних речовин внаслідок малої густини є атмосферне повітря. Для переміщення одного кубометра води з певною швидкістю необхідно витратити майже у тисячу разів більше енергії, ніж для такого ж переміщення повітря.

Сонячна енергія є причиною переміщення повітряних мас в атмосфері, що наочно показується з допомогою рівняння стану повітря

де ∆T— зміна температури внаслідок підігріву (К); Q - поглинена енергія (ккал; кДж); М— маса речовини (кг); с — питома теплоємність, котра для повітря приземного шару дорівнює 0,24 ккал/(кг*град) (1,0 кДж/ (кг*град)).

Від того, наскільки прогріється повітря, залежить його температура і, як правило, густина. Легке повітря піднімається вгору, тяжче (тобто холодніше) - вниз. Особливості нагріву залежать від часу доби, особливостей рельєфу місцевості та багатьох інших факторів. У планетарному масштабі це явище проявляється в тому, що найбільше прогріваються тропічні райони, і там спостерігається постійний могутній потік нагрітого повітря вгору на декілька кілометрів. На висоті 10-17 кілометрів повітря розтікається від екватора на південь і на північ. На зміну теплому повітрю на екватор рухаються надземною поверхнею зустрічні потоки більш холодного повітря. Обертання планети відхиляє потоки - верхні стають західними, а нижні - східними, які називаються пасатами.

У глобальному циркуляційному колі повітря змінюється не лише його температура. Піднявшись над тропіками на висоту більше 10 кілометрів, повітря сильно охолоджується і втрачає майже всю вологу. Сухе повітря знижується, нагрівається біля земної поверхні і рухається далі як суховій. Саме на цих широтах (25-30 градусів) розміщуються пустелі: Сахара і Калахарі в Африці, Аравійська і Тар в Азії, пустеля в Австралії.

Важливим елементом тропосфери є хмари - накопичення дуже маленьких краплинок води, які вкривають майже половину поверхні планети. Хмари збираються поверхневими вітрами, які, в свою чергу, викликаються зниженням тиску на окремій території земної поверхні. Область пониженого тиску називається циклоном. Антициклоном називається область підвищеного атмосферного тиску біля поверхні Землі. В антициклоні сухе повітря опускається з верхніх шарів тропосфери. Тому тут ясне, безхмарне небо. Циклони і антициклони мають розміри до трьох тисяч кілометрів і середній термін життя біля тижня. Тому кажуть, що "пам'ять" атмосфери не перевищує тижня.

Внаслідок грози інколи виникає таке небезпечне природне явище, як вихор, або торнадо, коли на невеликій території утворюються два прошарки повітря різної температури, вологості і густини. Розвиваються вертикально-колові течії повітря з швидкістю 50-100 метрів за секунду. У вихор захоплюються сусідні маси повітря, і він починає рухатись над поверхнею землі. Енергія торнадо буває велетенською: в 1945 році у французькому місті Монвіль було повністю зруйновано фабрику, внаслідок чого загинули сотні робітників. У 1984 році торнадо з швидкістю майже 100 м/с пронісся по Іванівській області Росії і знищив тисячі гектарів лісу, зруйнував будівлі, згубив посіви. Над територією США в рік проноситься близько 700 торнадо, що спричиняє велику шкоду природі і людям.

Розглянуті фізичні процеси в атмосфері відбуваються одночасно з хімічними перетвореннями. На висоті 30-50 кілометрів під впливом ультрафіолетової частини сонячного випромінювання молекули води Н₂О розпадаються на водень і кисень. Легкий водень у кількості одного кілограма за секунду піднімається вгору в термосферу, а кисень залишається (8 кг/с). Дія грозових розрядів і сонячного ультрафіолету призводить до розпаду деяких молекул кисню на атоми, які, вступаючи в реакції з молекулами кисню, утворюють озон О₃. На висоті 30 кілометрів спостерігається найвища концентрація озону - одна молекула О₃ приходиться на сто тисяч молекул О₂. Якщо вилучити весь озон, то при нормальному тиску (тобто на рівні моря) він розміститься у прошарку товщиною близько трьох сантиметрів.

Нормальний природний стан озонового шару характеризується значеннями 300-320 о.Д. (одиниць Добсона).

Вода рухається під впливом різних причин. Вітер, тобто рух атмосферного повітря, викликає поверхневі нагонно-відгонні течії на всіх водних об'єктах. Ці течії, в свою чергу, стають тимчасовою причиною вертикальних переміщень мас води, так званого апвелінгу. На місце поверхневої прогрітої і насиченої газами (зокрема киснем) води з глибин піднімається холодна вода.

Річкова вода рухається під впливом земної гравітаційної сили. Швидкість течії залежить від стоку річки W (м/с) і площини перерізу потоку F (м²):

Маси морської води переміщуються у вигляді припливів і відпливів від дії сил притяжіння Місяця (більшою мірою) та Сонця (меншою мірою).

Всупереч силам земного тяжіння вода рухається знизу вгору в ґрунті і в рослинах завдяки капілярному ефектові змочування та силі вакууму випарювання.

Сонце є причиною гігантських океанських течій - теплих поверхневих Гольфстрім та Курасіво і холодних глибинних у протилежному напрямку протитечій. Відомий кліматолог Д. І. Воєйков назвав теплі течії трубами водяного опалення земної кулі". Гольфстрім кожної секунди переносить 83 мільйони кубічних метрів нагрітої на екваторі води в північному напрямку, прогріваючи води протягом тисяч кілометрів - його могутній вплив відчувається до Баренцового моря, де біля берегів заполярного Мурманська вода не замерзає суворою зимою.

Ще могутніша - 140*10 м/с - циркумполярна течія навколо Антарктиди ізолює "льодовий" материк і обумовлює більш суворий клімат, ніж в Арктиці.

Завдяки багатостановості, рухливості і теплоємності води гідросфера відіграє головну роль у створенні клімату Землі. Світовий океан є планетарним акумулятором - стабілізатором тепла, що неважко показати з допомогою залежності (6).

Враховуючи, що маса води Ма більша за масу атмосферного повітря М„ у 258 разів, визначимо, наскільки буде відрізнятись кількість акумульованого тепла водою і повітрям:

Отриманий результат яскраво підтверджує пріоритетне значення гідросфери в формуванні теплових процесів на планеті. Вночі і взимку вода підігріває поверхню Землі і атмосферу, а в спеку поглинає частку їхнього тепла. Вона переносить тепло з екватора до приполюсних регіонів, чим зменшує середню температуру в тропіках і підвищує в холодних краях. Цей процес нерівномірний. Існують райони особливо активної взаємодії між океаном та атмосферою - так звані енергоактивні Зони. Добре відома нью-фаундлендська енергоактивна зона у вигляді гідравлічного вихора діаметром біля 200 кілометрів на Гольфстрімі. Тут з кожного квадратного метра водної поверхні надходить в атмосферу 175 ват енергії за рік.

Передача теплоти супроводжується процесом випаровування води з утворенням в атмосфері дощових хмар. У цих хмарах накопичуються інші гази - сірчані і азотисті від виверження вулканів та інших літосферних процесів, окисли азоту, які утворюються при грозі від іонізації молекул азоту. Розчинені у волозі хмар гази утворюють кислоти, які надають дощам природну кислотність.

Сонячна енергія, перш ніж потрапити на земну поверхню, проходить "просіювання". Чотири відсотки сонячного випромінювання, а саме - ультрафіолетовий, згубний для живого, спектр (λ = 220...290 нанометрів (нм = 10^-9), поглинається озоном, шар якого розміщується на висоті 20...60 кілометрів. Озон при цьому частково руйнується. Його постійне поновлення відбувається внаслідок природних процесів.

Інфрачервоний спектр (λ > 1000 нм) частково поглинається водяною парою у верхніх шарах тропосфери - це ще чотири відсотки сонячної енергії.

Поглинута сонячна енергія підвищує температуру атмосферного повітря згідно з залежністю (6) на величину ∆T.

92 відсотки сонячної енергії (290 < λ < 2000 нм) проходить у нижні шари тропосфери. Половина не поглинається, а розсіюється повітрям, надаючи небу блакитний колір. Друга половина потрапляє на земну поверхню і частково поглинається літосферою, гідросферою, рослинами. А так зване альбедо, яке дорівнює 28 відсоткам від випромінювання Сонця на Землю, відбивається і повертається в атмосферу.

Світлова енергія Сонця на земній поверхні переходить у теплову — інфрачервону, поверненню якої в Космос заважають (бо поглинають) водяна пара і вуглекислий газ. Цей механізм підвищення температури на земній поверхні та в нижній атмосфері отримав назву парникового ефекту (природного). Він характеризується значенням ∆T = 31-32°С. Без природного парникового ефекту середня температура повітря на планеті була б мінусовою (-16÷17°С).

Широко розповсюдженим природним процесом є радіоактивне випромінювання - перетворення нестійких ізотопів хімічного елемента в інші ізотопи, що супроводжуються випромінюванням елементарних часток чи ядер, а також жорстким електромагнітним гама-випромінюванням. Відомо біля 50 природних радіоактивних ізотопів, серед яких лише ізотопи урану і торію мають період напіврозпаду, який вимірюється геологічним часом. Усі інші природні ізотопи називають вторинними, бо їх запас постійно поповнюється за рахунок розпаду довготривалих. Природний радіаційний фон створюється випромінюванням радіоактивних речовин на поверхні землі, в приземній атмосфері, у воді, в рослинах і тваринах. Головним джерелом надходження у навколишнє середовище природних радіоактивних речовин є гірські породи.

Одним з найбільших чудес природи є процес утворення органічної речовини - процес фотосинтезу, коли зелена суходольна чи водна рослина створює свою біомасу за рахунок світлової енергії Сонця (к = 380-710 нм), воли та вуглекислого газу згідно з залежністю (7)

Протягом року "середня" рослина (в розрахунку на один кілограм сухої речовини) поглинає 5,4 мегаджоулів сонячної енергії, споживає в процесі фотосинтезу 0,5 кілограма вуглекислого газу і 150 грамів води, виділяє 350 храмів кисню й утворює 300 грамів органічної речовини. Для "дихання" рослини, яке відбувається вночі паралельно з денним фотосинтезом, використовується 230 грамів кисню, 200 грамів органічної речовини, яка окислюється з утворенням 330 грамів вуглекислого газу та 100 грамів води і зі звільненням 3,6 мегаджоуля енергії, яка використовується для фізіологічних потреб рослини. Таким чином, біологічний "врожай" складає 100 ірамів органічної речовини, що дорівнює десяти відсоткам збільшення початкової біомаси, та 120 грамів кисню.

Активність фотосинтезу протягом дня міняється: при рожево-сутінковому світлі (вранці, ввечері, при невеликій хмарності) вона максимальна. Коли Сонце у зеніті - процеси уповільнюються і навіть можуть припинятись.

Вміст енергії в біомасі, накопиченої в процесі фотосинтезу, залежить від виду біомаси і складає за рік (кілоджоулів на квадратний метр): рослинність боліт — 35; рівнинний ліс середньої полоси - 20; луки та пасовища - 12; рослини на обробленому ґрунті - 11; тайга -10; рослинність в озерах і ріках - 10.

Ефективність використання теплових променів у процесі фотосинтезу невисока. Теоретично - це 15 відсотків, практично - 1 (зернові культури), 2 (цукрова тростина - одна з найбільш продуктивних рослин) відсотки.

Для живої природи одним з найголовніших процесів є процес живлення, за особливостями якого організм класифікується таким чином.

Автогроф - організм (зелена рослина), який утворює речовину свого тіла з неорганічних складових та забезпечує обмін речовин, використовуючи енергію Сонця (геліотроф чи фототроф) або енергію, яка вивільняється при хімічних реакціях (хемотроф) окислення аміаку, сірководню і інших речовин, наявних у воді, фунті і підґрунті. Автотрофи ще називають продуцентами, бо вони синтезують (продукують) органічну речовину за рахунок неорганічних сполук.

Гетеротроф - організм, який живиться готовими органічними речовинами і не здатний синтезувати органічну речовину з неорганічної. Ці організми ще називають консументами (на відміну віл продуцентів). Консументи можуть бути первинними (1-го порядку), якщо вживають рослинну їжу, вторинними (2-го порядку) - які вживають тварин, та мікроконсументами, або редуцентами (головним чином бактерії та гриби), - це ті, що руйнують мертві тіла, живляться частиною продуктів розпаду і вивільняють неорганічні біогенні речовини, які використовують рослини.

Мезотроф - організм, який, у залежності від умов живиться як автотроф чи як гетеротроф.

У свою чергу, кожну з цих груп можна ділити на більш дрібні, кожна з яких має свої особливості в процесі живлення. Наприклад, існують гетеротрофні бактерії, які споживають метан, котрий для більшості живих організмів є отрутою.

Після відмирання живої речовини відбуваються процеси її розкладу двох типів - окислення і бродіння. Окислення відбувається при наявності кисню і описується залежністю (7) у зворотному напрямку (справа наліво) з виділенням теплоти, СО₂ і Н₂О. У випадку, коли кисень відсутній, відбувається процес бродіння з виділенням вуглекислого газу і водню Ні (водневе бродіння), або метану СН₄ (метанове бродіння), або спирту С₂Н₅ОН (спиртове бродіння).

Контрольні запитання і завдання

1. Виконати необхідні розрахунки і графічно побудувати епюру швидкості руху повітря в атмосферному фронті постійної енергії висотою до 10 кілометрів, якщо швидкість над земною поверхнею дорівнює 10м/с.

2. Наскільки зміниться температура повітря в кімнаті розмірами 6*5*3 метри за рахунок охолодження 200 літрів води на 50 градусів?

3. В чому причина суховіїв?

4. Запишіть реакції утворення кисню, водню і озону в атмосфері.

5. Дайте характеристику озоновому прошарку

6. Перелічіть причини руху водних мас.

7. Визначити ширину річки, стік якої дорівнює 50 м³/с при швидкості 1 м/с, якщо середня глибина річки 2 метри.

8. Чому вода піднімається по стовбуру дерева вгору?

9. Які властивості води визначають її першорядну роль у забезпеченні клімату планети?

10. В чому причини природного парникового ефекту?

11. Назвіть три позитивні наслідки фотосинтезу.

12. Які процеси відбуваються після природного відмирання живої речовини?

13. В чому принципова різниця між процесами окислення і бродіння.

14. Чи можливо використання рівняння (7) для ілюстрації процесів в організмах тварин?

15. Розрахувати кількість енергії, яка надходить в атмосферу в зоні нью-фаундлендської енергоактивної зони.