Auf globaler Ebene sind biochemische Wasserkreisläufe und Kohlendioxid sind unserer Meinung nach die wichtigsten für die Menschheit. Biochemische Zyklen sind durch das Vorhandensein kleiner, aber mobiler Stoffe in der Atmosphäre gekennzeichnet.

Atmosphärischer CO 2 -Pool im Kreislauf im Vergleich zu Kohlenstoffvorräten in den Ozeanen, fossilen Brennstoffen und anderen Reservoirs Erdkruste, ist relativ klein.

Mit dem Aufkommen des wissenschaftlichen und technischen Fortschritts beginnen zuvor ausgeglichene Kohlenstoffströme zwischen Atmosphäre, Kontinenten und Ozeanen in Mengen in die Atmosphäre zu gelangen, die von Pflanzen nicht vollständig aufgenommen werden können.

Es gibt unterschiedliche Schätzungen über den Einfluss menschlicher Aktivitäten auf die Anreicherung der Atmosphäre mit CO 2, aber alle Autoren sind sich einig, dass Wälder die wichtigsten Kohlenstoffspeicher sind, da Waldbiomasse 1,5-mal mehr und im Boden enthaltener Humus 4-mal mehr enthält CO 2 als in der Atmosphäre.

Pflanzen sind ein guter Regulator des CO 2 -Gehalts in der Atmosphäre. Die meisten Pflanzen zeichnen sich durch eine Steigerung der Photosyntheseintensität mit einem erhöhten Kohlendioxidgehalt in der Luft aus

Photosynthetisch“ grüner Gürtel„Die Erde und das Karbonatsystem des Meeres halten einen konstanten CO2-Gehalt in der Atmosphäre aufrecht. Allerdings führt der rasante Anstieg des Verbrauchs fossiler Brennstoffe sowie eine Abnahme der Aufnahmekapazität des „Grünen Gürtels“ dazu die Tatsache, dass der CO 2 -Gehalt in der Atmosphäre allmählich zunimmt. Es wird davon ausgegangen, dass sich der CO 2 -Gehalt in der Atmosphäre verdoppelt (vor Beginn des aktiven menschlichen Einflusses auf die Umwelt waren es 0,29 %). Es ist möglich, dass die globale Temperatur um 1,5 – 4,5 °C ansteigt. Dies kann zum Abschmelzen der Gletscher und in der Folge zu einem Anstieg des Meeresspiegels sowie zu negativen Folgen in der Landwirtschaft führen Nationales Forschungsprogramm zum Agrarmanagement bei sich erwärmendem oder abkühlendem Klima.

Neben CO 2 ist Kohlenmonoxid CO in geringen Mengen in der Atmosphäre vorhanden – 0,1 Teile pro Million und Methan CH 4 – 1,6 Teile pro Million. Diese Kohlenstoffverbindungen sind aktiv am Kreislauf beteiligt und haben daher eine kurze Verweilzeit in der Atmosphäre: CO – etwa 0,1 Jahr, CH 4 – 3,6 Jahre und CO 2 – 4 Jahre. Kohlenmonoxid und Methan entstehen bei der unvollständigen oder aeroben Zersetzung organischer Stoffe und werden in der Atmosphäre zu CO 2 oxidiert.

Die Anreicherung von CO im globalen Maßstab scheint nicht real zu sein, aber in Städten, in denen die Luft stagniert, steigt die Konzentration dieser Verbindung, was sich negativ auf die Gesundheit der Menschen auswirkt.

Methan entsteht durch die Zersetzung organischer Stoffe in sumpfigen Gebieten und flachen Meeren. Nach Ansicht einiger Wissenschaftler ist Methan wirksam nützliche Funktion- Es erhält die Stabilität der Ozonschicht, die alles Leben auf der Erde vor den schädlichen Auswirkungen der ultravioletten Strahlung schützt.

Der Wasservorrat in der Atmosphäre ist, wie in Abbildung 11 dargestellt, klein, seine Umsatzrate ist höher und seine Verweilzeit ist kürzer als bei CO 2. Wie der CO 2 -Kreislauf beeinflussen menschliche Aktivitäten auch den Wasserkreislauf.

Aus energetischer Sicht lassen sich zwei Teile des CO 2 -Kreislaufs unterscheiden: der „obere“ Teil, der von der Sonne angetrieben wird, und der „untere“ Teil, in dem Energie freigesetzt wird. Wie bereits erwähnt, werden etwa 30 % der gesamten auf der Erdoberfläche ankommenden Sonnenenergie dafür aufgewendet, den Wasserkreislauf in Gang zu setzen.

Aus ökologischer Sicht sollte auf zwei Aspekte des Wasserkreislaufs besonderes Augenmerk gelegt werden. Erstens verliert das Meer durch Verdunstung mehr Wasser als es durch Niederschläge erhält, das heißt, ein erheblicher Teil des Niederschlags, der Landökosysteme, einschließlich Agrarökosysteme, unterstützt, besteht aus Wasser, das von der Meeresoberfläche verdunstet ist. Zweitens nimmt durch menschliches Handeln der Oberflächenabfluss zu und die Wiederauffüllung des Fonds nimmt ab. Grundwasser. Es gibt bereits Gebiete, in denen im vorigen Jahrhundert angesammeltes Grundwasser genutzt wird. Daher ist Wasser in diesem Fall eine nicht erneuerbare Ressource. Sobald das Grundwasser erschöpft ist, wird es aus anderen Gebieten zugeführt, was die Investition zusätzlicher Energie erfordert.

Die Rolle von Wasser bei den Prozessen in der Biosphäre ist enorm. Ohne Wasser ist der Stoffwechsel in lebenden Organismen nicht möglich. Mit dem Aufkommen des Lebens auf der Erde wurde der Wasserkreislauf relativ komplex, da das einfache Phänomen der physiologischen Verdunstung durch den komplexeren Prozess der biologischen Verdunstung (Transpiration) ergänzt wurde, der mit dem Leben von Pflanzen und Tieren verbunden ist.

Beschreiben Sie kurz den Wasserkreislauf in der Natur auf die folgende Weise. Wasser erreicht die Erdoberfläche in Form von Niederschlägen, die hauptsächlich aus Wasserdampf entstehen, der durch physikalische Verdunstung und Verdunstung von Wasser durch Pflanzen in die Atmosphäre gelangt. Ein Teil dieses Wassers verdunstet direkt an der Gewässeroberfläche oder indirekt über Pflanzen und Tiere, der andere Teil speist das Grundwasser (Abbildung 1.13).

Die Art der Verdunstung hängt von vielen Faktoren ab. Somit verdunstet von einer Flächeneinheit in einem Waldgebiet deutlich mehr Wasser als von der Oberfläche eines Gewässers. Mit abnehmender Vegetationsbedeckung nimmt auch die Transpiration und damit die Niederschlagsmenge ab.

Der Wasserfluss im Wasserkreislauf wird durch Verdunstung und nicht durch Niederschlag bestimmt. Die Fähigkeit der Atmosphäre, Wasserdampf aufzunehmen, ist begrenzt. Eine Erhöhung der Verdunstungsraten führt zu einer entsprechenden Zunahme der Niederschläge. Das in der Luft zu jedem Zeitpunkt in Form von Dampf enthaltene Wasser entspricht einer durchschnittlichen Schicht von 2,5 cm Dicke, die gleichmäßig über die Erdoberfläche verteilt ist. Die Niederschlagsmenge, die pro Jahr fällt, beträgt durchschnittlich 65 cm. Folglich zirkuliert der Wasserdampf von der atmosphärischen Front etwa 25 Mal pro Jahr (einmal alle zwei Wochen).

Wassergehalt in Wasserteilchen und Boden hunderte Male mehr als in der Atmosphäre, aber es fließt mit der gleichen Geschwindigkeit durch die ersten beiden Fonds. Die durchschnittliche Transportzeit von Wasser in flüssiger Phase über die Erdoberfläche beträgt etwa 3650 Jahre, 10.000 Mal länger als die Transportzeit in der Atmosphäre. Der Mensch hat im Prozess der Wirtschaftstätigkeit einen starken Einfluss auf die Grundlage des Wasserkreislaufs – der Wasserverdunstung.

Die Verschmutzung von Gewässern und vor allem Meeren und Ozeanen mit Erdölprodukten verschlechtert den Prozess der physikalischen Verdunstung stark und führt zu einer Verringerung der Waldfläche – der Transpiration. Dies kann nur Auswirkungen auf die Natur des Wasserkreislaufs in der Natur haben.

Abbildung 1.13 – Wasserkreislauf

Globale Kreisläufe lebenswichtiger Nährstoffe zerfallen in der Biosphäre in viele kleine Kreisläufe, die auf die lokalen Lebensräume verschiedener biologischer Gemeinschaften beschränkt sind. Sie können mehr oder weniger komplex sein und unterschiedlich empfindlich auf verschiedene Arten äußerer Einflüsse reagieren. Aber die Natur hat verfügt, dass diese biochemischen Kreisläufe unter natürlichen Bedingungen „vorbildliche abfallfreie Technologien“ sind. Der Kreislauf deckt 98–99 % der Nährstoffe ab und nur 1–2 % gehen nicht einmal in den Abfall, sondern in die geologische Reserve (Abbildung 1.14).

1.8 Grundlagen der Nachhaltigkeit der Biosphäre

Die Stabilität von Ökosystemen und ihrer gesamten Biosphäre hängt von vielen Faktoren ab (Abbildung 1.15), von denen der wichtigste wie folgt lautet:

Abbildung 1.15 – Faktoren der Biosphärenstabilität

1. Die Biosphäre nutzt Externe Quellen Energie: Sonnenenergie und die Energie der Erwärmung des Erdinneren, um seine Organisation zu rationalisieren, effektiver Einsatz freie Energie ohne Umweltverschmutzung zu verursachen Umfeld. Durch die ständige Nutzung einer bestimmten Energiemenge und deren Abgabe in Form von Wärme ist in der Biosphäre ein evolutionär etablierter Wärmehaushalt entstanden.

Für Biozönosen gilt das Gesetz (Prinzip) der „Energieleitfähigkeit“: Der durch die trophischen Ebenen der Biozönose fließende Energiefluss wird ständig unterbrochen.

Im Jahr 1942 formulierte R. Lindeman das Gesetz der Energiepyramide oder das Gesetz (Regel) von 10 %, nach dem aus einer trophischen Ebene ökologische Pyramide bewegt sich im Durchschnitt etwa 10 % der auf der vorherigen Ebene der ökologischen Pyramide erhaltenen Energie auf eine höhere Ebene („entlang der Leiter“ Produzent – ​​Verbraucher – Zersetzer).

2. Die Biosphäre verbraucht Stoffe (hauptsächlich leichte Nährstoffe) hauptsächlich in Form von Kreisläufen. Biogeochemische Kreisläufe von Elementen sind evolutionär herausgearbeitet und führen nicht zur Anhäufung von Abfall.

3. In der Biosphäre gibt es eine große Vielfalt an Arten und biologischen Gemeinschaften. Konkurrenz- und Raubbeziehungen zwischen Arten tragen zur Herstellung des Gleichgewichts zwischen ihnen bei. Gleichzeitig gibt es praktisch keine dominanten Arten mit übermäßiger Anzahl, was die Biosphäre vor ernsthaften Gefahren durch interne Faktoren schützt.

Die Artenvielfalt trägt dazu bei, die Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen gegenüber Auswirkungen zu erhöhen externe Faktoren. Gen Pool Tierwelt- ein unschätzbares Geschenk, dessen Potenzial bisher nur in geringem Umfang genutzt wurde.

4. Fast alle für lebende Materie charakteristischen Muster haben adaptive Bedeutung. Biosysteme sind gezwungen, sich an sich ständig ändernde Lebensbedingungen anzupassen. In der sich ständig verändernden Lebensumgebung passt sich jede Art von Organismus auf seine eigene Weise an. Dies kommt in der Regel der ökologischen Individualität zum Ausdruck: Keine zwei Arten sind identisch.

Die ökologische Spezifität von Arten wird durch das sogenannte Anpassungsfähigkeitsaxiom betont: Jede Art ist an eine streng definierte Reihe spezifischer Existenzbedingungen angepasst – eine ökologische Nische.

5. Die Selbstregulierung oder Aufrechterhaltung der Populationsgröße hängt von einer Kombination abiotischer und biotischer Faktoren ab. Jede Population interagiert mit der Natur als integrales System.

Populationsmaximumregel: Die Größe natürlicher Populationen wird durch die Erschöpfung der Nahrungsressourcen und Brutbedingungen, die Unzulänglichkeit dieser Ressourcen und die zu kurze Zeitspanne der Beschleunigung des Bevölkerungswachstums begrenzt.

Jede Population hat eine streng definierte genetische, phänotische, geschlechtsspezifische und andere Struktur. Es kann nicht aus weniger Individuen bestehen als nötig ist, um seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen zu gewährleisten.

Das Prinzip der Mindestgröße ist für keine Art konstant; es ist streng spezifisch für jede Population. Bei Überschreitung des Minimums droht der Bevölkerung der Tod: Sie kann sich nicht mehr regenerieren.

Die Zerstörung jedes dieser Faktoren kann zu einer Verringerung der Stabilität sowohl einzelner Ökosysteme als auch der Biosphäre insgesamt führen.

Verwandte Informationen.

Thema Nr. 5. Globale Kreisläufe grundlegender Nährstoffe

Fragen:

Globaler und lokaler Wasserkreislauf.

Kohlenstoffzyklus. Veränderungen der Kohlendioxidbilanz im Laufe der Zeit: langfristige Trends und saisonale Schwankungen.

Sauerstoffkreislauf.

Stickstoffkreislauf. Die Rolle von Mikroorganismen bei der Aufrechterhaltung des Stickstoffkreislaufs: ammonifizierende Bakterien, nitrifizierende Bakterien.

Phosphorkreislauf, seine geringe Isolierung. Phosphor als limitierender Faktor.

Schwefelkreislauf. Die Rolle von Mikroorganismen bei der Aufrechterhaltung des Schwefelkreislaufs. Verschmutzung von Gewässern mit Schwefelwasserstoff.

Ziel: Ideenbildung zum grenzüberschreitenden Transfer von Grundnährstoffen (Wasser, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor).

1. Globaler und lokaler Wasserkreislauf

Sonnenenergie auf der Erde verursacht zwei Stoffkreisläufe: große oder geologische, die sich am deutlichsten im Wasserkreislauf und der atmosphärischen Zirkulation manifestieren, und kleine, biologische (biotische), die sich auf der Grundlage des Großen entwickeln und aus einem kontinuierlichen, zyklischen, aber zeitlich und räumlich ungleichmäßig und begleitet von mehr oder weniger erheblichen Verlusten bei der natürlichen Umverteilung von Materie, Energie und Information innerhalb von Ökosystemen verschiedener Organisationsebenen.

Der bedeutendste Kreislauf auf der Erde hinsichtlich der übertragenen Massen und des Energieverbrauchs ist der planetarische Wasserkreislauf – der Wasserkreislauf.

Im flüssigen, festen und dampfförmigen Zustand ist Wasser in allen drei Hauptbestandteilen der Biosphäre vorhanden: der Atmosphäre, der Hydrosphäre und der Lithosphäre. Alle Wasser vereinen sich allgemeines Konzept„Hydrosphäre“. Die Bestandteile der Hydrosphäre sind durch ständigen Austausch und Wechselwirkung miteinander verbunden. Wasser, das sich ständig von einem Zustand in einen anderen bewegt, vollzieht kleine und große Kreisläufe. Die Verdunstung von Wasser von der Meeresoberfläche, die Kondensation von Wasserdampf in der Atmosphäre und der Niederschlag an der Meeresoberfläche bilden einen kleinen Kreislauf. Wenn Wasserdampf durch Luftströmungen an Land transportiert wird, wird der Kreislauf viel komplexer. In diesem Fall verdunstet ein Teil des Niederschlags und gelangt wieder in die Atmosphäre, der andere Teil speist Flüsse und Stauseen, kehrt aber letztendlich über Fluss- und Untergrundabflüsse in den Ozean zurück, wodurch der große Kreislauf geschlossen wird.

Der biotische (biologische) Kreislauf bezeichnet den Stoffkreislauf zwischen Boden, Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen. Nach der Definition von N.P. Remezov, L.E. Rodin und N.I. Bazilevich ist der biotische (biologische) Kreislauf der Fluss chemischer Elemente aus Boden, Wasser und Atmosphäre in lebende Organismen, die Umwandlung einströmender Elemente in neue komplexe Verbindungen und deren Rückkehr in der Prozess der Lebensaktivität mit dem jährlichen Rückgang eines Teils der organischen Substanz oder mit vollständig abgestorbenen Organismen, die Teil des Ökosystems sind.

2. Kohlenstoffkreislauf. Veränderungen der Kohlendioxidbilanz im Laufe der Zeit: langfristige Trends und saisonale Schwankungen

Die Migration von CO 2 in der Biosphäre erfolgt auf zwei Arten.

Der erste Weg besteht darin, es während der Photosynthese unter Bildung von Glukose und anderen organischen Substanzen aufzunehmen, aus denen alle Pflanzengewebe aufgebaut sind. Anschließend werden sie über Nahrungsketten transportiert und bilden das Gewebe aller anderen Lebewesen im Ökosystem. Es ist zu beachten, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelner Kohlenstoff in der Zusammensetzung vieler Organismen während eines Zyklus „vorhanden“ ist, gering ist, da bei jedem Übergang von einer trophischen Ebene zur anderen eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass das organische Molekül, das ihn enthält, vorhanden sein wird bei der Zellatmung abgebaut, um Energie zu gewinnen. Die Kohlenstoffatome gelangen dann als Kohlendioxid wieder in die Umwelt, wodurch ein Zyklus abgeschlossen und der Beginn des nächsten vorbereitet wird. An Land mit Vegetation wird tagsüber durch den Prozess der Photosynthese atmosphärisches Kohlendioxid absorbiert. Nachts wird ein Teil davon von Pflanzen an die Außenumgebung abgegeben. Beim Absterben von Pflanzen und Tieren an der Oberfläche kommt es zur Oxidation organischer Stoffe unter Bildung von CO 2.

Auch bei der Verbrennung organischer Stoffe gelangen Kohlenstoffatome wieder in die Atmosphäre. Ein wichtiges und interessantes Merkmal des Kohlenstoffkreislaufs besteht darin, dass in fernen geologischen Epochen, vor Hunderten von Millionen Jahren, ein erheblicher Teil der bei den Prozessen der Photosynthese entstandenen organischen Substanz weder von Verbrauchern noch von Zersetzern genutzt wurde, sondern sich in der Lithosphäre ansammelte in Form von fossilen Brennstoffen: Öl, Kohle, Ölschiefer, Torf usw. Diese fossilen Brennstoffe werden in großen Mengen abgebaut, um den Energiebedarf unserer Industriegesellschaft zu decken. Indem wir es verbrennen, schließen wir gewissermaßen den Kohlenstoffkreislauf.

Beim zweiten Weg erfolgt die Kohlenstoffmigration durch die Schaffung eines Karbonatsystems in verschiedenen Reservoirs, in dem CO 2 in H 2 CO 3, HCO 3, CO 2 umgewandelt wird. Mit Hilfe von in Wasser gelöstem Calcium (oder Magnesium) werden Carbonate (CaCO 3) auf biogenen und abiogenen Wegen ausgefällt. Es bilden sich dicke Kalksteinschichten. Laut A. B. Ronov beträgt das Verhältnis von vergrabenem Kohlenstoff in Photosyntheseprodukten zu Kohlenstoff in Karbonatgesteinen 1:4. Neben dem großen Kohlenstoffkreislauf gibt es eine Reihe kleiner Kohlenstoffkreisläufe auf der Landoberfläche und im Ozean.

Definitionen
Die CO2- und Wasserkreisläufe im globalen Maßstab sind wohl die wichtigsten biogeochemischen Kreisläufe für die Menschheit. Beide zeichnen sich durch kleine, aber hochmobile Stoffe in der Atmosphäre aus, die sehr empfindlich auf durch menschliche Aktivitäten verursachte Störungen reagieren und Wetter und Klima beeinflussen können. Mittlerweile ist weltweit ein Netzwerk von Messstationen entstanden, um signifikante Veränderungen in den CO2- und H2O-Kreisläufen zu identifizieren, von denen die Zukunft des Menschen auf der Erde im wahrsten Sinne des Wortes abhängt.
Erläuterungen
Im CO2-Kreislauf (Abb. 4.9, 4) ist der atmosphärische Fonds im Vergleich zu den Kohlenstoffreserven in den Ozeanen, in fossilen Brennstoffen und anderen Reservoirs der Erdkruste sehr klein. Es wird angenommen, dass vor Beginn des Industriezeitalters die Kohlenstoffströme zwischen Atmosphäre, Kontinenten und Ozeanen ausgeglichen waren (durchgezogene Linien in Abb. 4.9, A). Ho, in den letzten hundert Jahren ist der CO2-Gehalt durch neue anthropogene Einträge stetig gestiegen (gestrichelte Linien in Abb. 4.9, A). Als Haupteinnahmequelle gilt die Verbrennung fossiler Brennstoffe, aber auch die Entwicklung der Landwirtschaft und die Entwaldung tragen dazu bei.
Es mag überraschend erscheinen Landwirtschaft Dies führt letztendlich zum Verlust von CO2 aus dem Boden (d. h. es trägt mehr zur Atmosphäre bei, als es entzieht), aber Tatsache ist, dass die CO2-Fixierung durch Nutzpflanzen (von denen viele nur einen Teil des Jahres aktiv sind) dies nicht ausgleicht die Menge an CO2, die vor allem durch häufiges Pflügen aus dem Boden freigesetzt wird. Durch die Abholzung von Wäldern kann natürlich der im Holz gespeicherte Kohlenstoff freigesetzt werden, insbesondere wenn es sofort verbrannt wird. Die Zerstörung von Wäldern, insbesondere bei der anschließenden Nutzung dieser Flächen für die Landwirtschaft oder den Städtebau, führt zur Humusoxidation im Boden.
Über das „CO2-Problem“ und seine Auswirkungen verschiedene Arten Für menschliche Aktivitäten zur Anreicherung der Atmosphäre mit dieser Verbindung gibt es die Verordnung Nr. 1383

Reis. 4.9. A. Kohlendioxidkreislauf. Die Zahlen stellen den CO2-Gehalt (in Milliarden Tonnen) in den Hauptteilen der Biosphäre und in den Flüssen zwischen HIiMiTs (an den Pfeilen) dar. (Daten aus dem Bericht des US Council on Environmental Quality von 1981) B. Wasserkreislauf. Der H2O-Gehalt in den Hauptteilen der Biosphäre und in den Strömungen zwischen ihnen (mit Pfeilen) ist in Geogrammen (1020) angegeben (Daten von Hutchinson, 1957).

viele verschiedene Standpunkte. Nach einer extremen Sichtweise (Woodwell et al., 1978) erzeugt die Zerstörung biotischer Reservoire genauso viel wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Nach der gegenteiligen Auffassung (Broecker et al., 1979) spielt die erste der genannten Quellen eine sehr untergeordnete Rolle. Bolin (1977) nimmt eine Zwischenposition ein. Alle,

Wir stimmen jedoch darin überein, dass Wälder wichtige Kohlenstoffspeicher sind, da Waldbiomasse 1,5-mal mehr Kohlenstoff enthält und Waldhumus 1-mal mehr Kohlenstoff enthält als in der Atmosphäre.
Die schnelle Oxidation von Humus und die Freisetzung von gasförmigem CO2, das normalerweise vom Boden zurückgehalten wird, äußert sich auch in anderen, subtileren und erst kürzlich entdeckten Effekten. Dazu gehört der Einfluss von CO auf den Kreislauf anderer Nährstoffe. Beispielsweise zeigte Nelson (19(7)), der die Schalen von Muscheln untersuchte, dass infolge der Abholzung der Wälder und des Pflügens von Land die Menge einiger Spurenelemente im Bodenwasser abnahm. Er entdeckte, dass Muschelschalen aus 1000–2000 Jahre alten indischen Küchenhaufen 50–100 % mehr Mangan und Barium enthalten als Schalen moderner Weichtiere. Durch den Eliminierungsprozess gelangte Nelson zu dem Schluss, dass die Geschwindigkeit der Auswaschung von Mangan und Barium aus den darunter liegenden Gesteinen abnahm, da der Fluss von CO2-reichem, saurem Wasser, das tief im Boden zirkuliert, abnahm. Mit anderen Worten: Wasser fließt jetzt eher schnell über die Bodenoberfläche als durch Humusschichten zu filtern. Ein Ökologe wird sagen, dass die moderne menschliche Veränderung der Landschaft den Stofffluss vom Reservefonds zum Austauschfonds spürbar beeinflusst hat. Wenn wir verstehen, was passiert, und wissen, wie wir die Situation korrigieren können, müssen solche Veränderungen nicht destruktiv sein. Agronomen sind zu dem Schluss gekommen, dass es zur Aufrechterhaltung der Ernteerträge heute in vielen Gebieten notwendig ist, den Düngemitteln Spurenmengen bestimmter mineralischer Elemente (Mikroelemente) zuzusetzen, da Agrarökosysteme diese Elemente nicht so gut im Kreislauf halten wie natürliche.
Erinnern wir uns daran, wie die Moderne Erdatmosphäre mit niedrigem CO2-Gehalt und sehr hohem O2-Gehalt. Die Entwicklung der Atmosphäre wird in Kap. kurz besprochen. 2, Abschnitt 4, im Zusammenhang mit der Gaia-Hypothese (siehe auch Abb. 8.11). Als vor mehr als 2 Milliarden Jahren Leben auf der Erde erschien, bestand die Atmosphäre, wie die moderne Atmosphäre des Jupiter, aus vulkanischen Gasen (wie ein Geologe sagen würde, die Atmosphäre entstand durch die „Entgasung der Erdkruste“), es hatte viel CO2 und wenig Sauerstoff (und vielleicht gab es überhaupt keinen), und die ersten Organismen waren anaerob. Dadurch, dass die Produktion (P) im Mittel die Atmung (/?) leicht überstieg, reichert sich im Laufe der geologischen Zeit Sauerstoff in der Atmosphäre an und der CO2-Gehalt nimmt ab. Es wird auch angenommen, dass die Anreicherung von Sauerstoff durch geologische und rein chemische Prozesse erleichtert wurde, wie etwa die Freisetzung von O2 aus Eisenoxiden oder die Bildung reduzierter Stickstoffverbindungen und die Spaltung von Wasser durch ultraviolette Strahlung unter Freisetzung von Sauerstoff (Cloud, 1980). . Sowohl niedrige CO2- als auch hohe O2-Konzentrationen dienen heute als limitierende Faktoren für die Photosynthese;
Die meisten Pflanzen zeichnen sich dadurch aus, dass die Intensität der Photosynthese zunimmt, wenn im Experiment der CO2-Gehalt steigt oder der O2-Gehalt sinkt. Daher erweisen sich grüne Pflanzen als sehr empfindliche Regulatoren des Gehalts dieser Gase.
Der photosynthetische „Grüne Gürtel“ der Erde und das Karbonatsystem des Meeres sorgen für einen konstanten CO2-Gehalt in der Atmosphäre. Aber der schnell zunehmende Verbrauch fossiler Brennstoffe (stellen Sie sich vor, wie viel CO2 freigesetzt würde, wenn mindestens die Hälfte des in Abb. 4.9, A markierten riesigen Bestands an fossilen Brennstoffen verbrannt würde) geht einher mit einer Abnahme der Absorptionskapazität von Der „grüne Gürtel“ beginnt, die Möglichkeiten zu überschreiten natürliche Kontrolle, sodass der CO2-Gehalt in der Atmosphäre nun allmählich ansteigt. Bedenken Sie, dass die Stoffströme am Ein- und Ausgang kleiner Börsenfonds den größten Veränderungen unterliegen. Es wird angenommen, dass die Erdatmosphäre zu Beginn der Industriellen Revolution (um 1800) etwa 290 Teile pro Million (0,29 %) CO2 enthielt. Als 1958 erstmals genaue Messungen durchgeführt wurden, lag der CO2-Gehalt bei 315, 1980 stieg er auf 335 Teile pro Million. Wenn sich die CO2-Konzentration gegenüber dem vorindustriellen Niveau verdoppelt, was bis Mitte des nächsten Jahrhunderts der Fall sein könnte, wird sich das Klima auf der Erde wahrscheinlich erwärmen; Die Temperaturen werden im Durchschnitt um 1,5 bis 4,5 °C ansteigen, was zusammen mit dem Anstieg des Meeresspiegels (infolge des Abschmelzens der Polkappen) und veränderten Niederschlagsmustern die Landwirtschaft zerstören könnte. Wie kürzlich gezeigt wurde (Gornitze et al., 1982; Etkins und Epstein, 1982), hat der mittlere Meeresspiegel bereits begonnen, in diesem Jahrhundert um etwa 12 cm zu steigen. Diese Bedrohungen (Klimawandel und Küstenüberschwemmungen) müssen berücksichtigt werden Berücksichtigung bei der Planung der nationalen und internationalen Energiepolitik. Übersichten zum „CO2-Problem“ finden sich bei Baes et al. (1977) und in den Berichten der Kommissionen des Council on Environmental Quality (1981) und der National Academy of Sciences (1979).
Im nächsten Jahrhundert wird ein neues, aber prekäres Gleichgewicht zwischen steigenden CO2-Werten (die zur Erwärmung der Erde beitragen) und zunehmender Luftverschmutzung durch Staub und andere Partikel, die Strahlung reflektieren und dadurch die Erde abkühlen, hergestellt werden. Jede daraus resultierende wesentliche Änderung des Wärmehaushalts der Erde wird sich auf das Klima auswirken [gute Rezension mögliche Konsequenzen Veränderungen im Erdklima geben Bryson (Bryson,
1974)].
Neben CO2 sind zwei weitere Kohlenstoffverbindungen in geringen Mengen in der Atmosphäre vorhanden: Kohlenmonoxid (CO) – etwa 0,1 Teile pro Million und Methan (CH4) – etwa 1,6 Teile pro Million.

Million. Diese Verbindungen befinden sich wie CO2 in einer schnellen Zirkulation und haben daher eine kurze Verweilzeit – etwa 1 Jahr für CO, 3,6 Jahre für CH4 und 4 Jahre für CO2. Sowohl CO als auch CH4 entstehen durch unvollständige oder anaerobe Zersetzung organischer Stoffe; In der Atmosphäre werden beide zu CO2 oxidiert. Die gleiche Menge CO, die durch natürliche Zersetzung in die Atmosphäre gelangt, wird nun in die Atmosphäre eingetragen unvollständige Verbrennung fossile Brennstoffe, insbesondere mit Abgasen. Die Ansammlung von Kohlenmonoxid, einem tödlichen Gift für den Menschen, stellt im globalen Maßstab keine Bedrohung dar, aber in Städten, in denen die Luft stagniert, beginnt der Anstieg der Konzentration dieses Gases in der Atmosphäre alarmierend zu werden. Konzentrationen von bis zu 100 ppm sind in Gebieten mit starkem Verkehr keine Seltenheit (ein Raucher, der täglich eine Schachtel Zigaretten konsumiert, nimmt bis zu 400 ppm auf, was die Menge an Sxyhämoglobin in seinem Blut um 3 % reduziert, was zu Anämie führen kann andere Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems, die mit Sauerstoffmangel einhergehen).
Es wird angenommen, dass Methan eine positive Funktion hat: Es erhält die Stabilität der Ozonschicht in der oberen Atmosphäre aufrecht, die tödliche Wirkungen verursacht UV-Strahlung Sonne (siehe S. 113). Die Methanproduktion ist eine der wichtigen Funktionen der Feuchtgebiete und Flachmeere der Welt. Gute Rezension des Kohlenstoffkreislaufs als Ganzes wird von Garrels, Mackenzie und Hunt (1975; Kapitel 6) gegeben.
- Wie aus dem Diagramm des Wasserkreislaufs (Abb. 4.9Т/?) hervorgeht, ist der Wasservorrat in der Atmosphäre klein, seine Umschlagsgeschwindigkeit Bbinie1 und seine Speicherzeit sind kürzer als die von UO2. Der Wasserkreislauf wird ebenso wie der CO2-Kreislauf zunehmend von den globalen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten beeinflusst. Während Niederschläge und Flussströme mittlerweile weltweit überwacht werden, müssen wir schnell eine bessere Kontrolle über alle wichtigen Wege erlangen, über die sich Wasser im Kreislauf bewegt.
In Abb. In Abb. 4.10 wird der Wasserkreislauf aus energetischer Sicht dargestellt, wobei sein „oberer“ Teil hervorgehoben wird, der von der Sonne angetrieben wird, und der „untere“ Teil, in dem Energie freigesetzt wird, die von Ökosystemen und Wasserkraftwerken genutzt werden kann. Wie in der Tabelle gezeigt. 3,3, etwa ein Drittel aller kommt auf die Erde Solarenergie dafür aufgewendet, den Wasserkreislauf in Gang zu setzen. Dies ist ein weiteres Beispiel für den kostenlosen Service, den uns Solarenergie bietet. Allzu oft unterschätzen wir Dienstleistungen, für die wir nicht bezahlen müssen. Aber wenn jemand gegen dieses System verstößt, muss er dafür teuer bezahlen!
Besonderes Augenmerk sollte auf zwei Aspekte des Wasserkreislaufs gelegt werden: „
Das Meer verliert durch Verdunstung mehr Wasser, als es durch Niederschläge aufnimmt; An Land ist die Situation umgekehrt. Mit anderen Worten: Ein Großteil des Sediments, das terrestrische Ökosysteme unterstützt, einschließlich der meisten Agrarökosysteme, die menschliche Nahrung produzieren, besteht aus aus dem Meer verdunstetem Wasser. In vielen Bereichen

Reis. 4.10. Die Energie des Wasserkreislaufs wird in Form von zwei Pfaden dargestellt: Der obere wird durch Sonnenenergie angetrieben, und der untere versorgt Seen, Flüsse und Feuchtgebiete mit Energie und verrichtet Arbeiten, die für den Menschen direkt nützlich sind (z. B. bei ein Wasserkraftwerk). Oberflächenabfluss füllt sich auf und wird durch Grundwasserreservoirs wieder aufgefüllt, obwohl diese Reservoirs in vielen trockenen Gebieten mittlerweile schneller von Menschen gepumpt als wieder aufgefüllt werden.

In Gebieten wie dem Mississippi-Tal wird angenommen, dass 90 % der Niederschläge aus dem Meer stammen (Benton et al., 1950). Es wird geschätzt, dass Süßwasserseen und -flüsse 0,25 Geogramm Wasser enthalten (1 Geogramm – IO20 g oder IO14 t), und der jährliche Durchfluss beträgt 0,2 Geogramm, sodass die Umschlagszeit etwa ein Jahr beträgt. Die Differenz zwischen Jahresniederschlag (1,0 Geogramm) und Abfluss (0,2 Geogramm) beträgt 0,8; Dabei handelt es sich um die Menge des jährlichen Wasserzuflusses in unterirdische Grundwasserleiter. Wie bereits angedeutet, wird durch menschliches Handeln die Erdoberfläche wasserundurchlässig gemacht

Materialien, die Anlage von Stauseen an Flüssen, der Bau von Bewässerungssystemen, die Verdichtung von Ackerland, die Rodung von Wäldern usw.) nimmt zu und die Wiederauffüllung ist sehr groß wichtiger Fonds Grundwasser nimmt ab. In den USA etwa die Hälfte Wasser trinken, das meiste Wasser für die Bewässerung und in vielen Teilen des Landes stammt das meiste Wasser für die Industrie aus Grundwasser. In trockenen Gebieten wie den westlichen Great Plains sind unterirdische Grundwasserleiter hauptsächlich mit „fossilem“ Wasser gefüllt, das sich dort in früheren, feuchteren geologischen Perioden angesammelt hat und nicht mehr nachgefüllt wird. Daher ist Wasser hier wie Öl eine nicht erneuerbare Ressource. Dies zeigt sich in der stark bewässerten Getreideanbauregion im Westen von Nebraska, Oklahoma, Texas und Kansas, wo die Grundwasserleiter der Ogallala-Formation, die Hauptwasserquelle, innerhalb von 30 bis 40 Jahren erschöpft sein werden. Danach muss das Land als Weideland oder zum Anbau dürreresistenter Pflanzen genutzt werden, es sei denn, die Wasserversorgung aus den großen Flüssen des Mississippi-Tals beginnt – ein sehr teures und energieintensives Projekt, das sich auszahlen muss für alle Steuerzahler im Land. Im Jahr 1982 war es unmöglich vorherzusagen, welche Entscheidung getroffen werden würde, aber eines war klar: Die politischen Differenzen würden groß sein; Viele werden den wirtschaftlichen Zusammenbruch erleiden, der unvermeidlich ist, wenn eine nicht erneuerbare Ressource ohne Rücksicht auf die Zukunft ausgebeutet wird.
In Abb. Abbildung 4.11 zeigt ein grafisches Modell des „unteren“ Teils des Wasserkreislaufs und zeigt, wie sich Lebensgemeinschaften an veränderte Bedingungen im sogenannten Flusskontinuum anpassen (Gefälle von kleinen zu großen Flüssen; siehe Vannote et al., 1980). Im Oberlauf sind die Flüsse klein und oft völlig beschattet, so dass die Wassergemeinschaft wenig Licht erhält. Verbraucher sind hauptsächlich auf Blätter und andere organische Abfälle angewiesen, die aus dem Einzugsgebiet gebracht werden. Im Detritus dominieren große organische Partikel wie Blattfragmente, und die Fauna wird hauptsächlich durch Wasserinsekten und andere Primärverbraucher repräsentiert, die Ökologen, die Flussökosysteme untersuchen, als mechanische Zerstörer einstufen. Das Ökosystem des Oberlaufs ist heterotroph; das P/R-Verhältnis ist viel kleiner als eins.
Im Mittellauf sind Flüsse breiter, nicht beschattet und weniger abhängig von organischem Material aus ihren Einzugsgebieten, da autotrophe Algen und aquatische Makrophyten dafür sorgen Primärprodukte. Hier überwiegt fein gemahlenes organisches Material, und in der Fauna gibt es Filtrierer mit entsprechenden Vorrichtungen zum Sammeln von Nahrungsmitteln (Fänger und Filter). Der Stoffwechsel der Gemeinschaft ist autotroph, das P/R-Verhältnis ist gleich I oder höher (Abb. 4.11). Im Mittellauf des Flusses sind meist ein Maximum an Artenvielfalt und tägliche Temperaturschwankungen zu beobachten. Im Unterlauf eines großen Flusses ist die Strömung langsam, das Wasser meist trüb, wodurch die Lichteindringtiefe abnimmt und das Wasserfoto geschwächt wird.

Reis. 4.11. Flusskontinuum. Veränderung des Gemeinschaftsstoffwechsels und der Vielfalt der Partikelgrößen organischer Stoffe von Quellbächen bis hin zu großen Flüssen. (Vannote et al., 1980.)

Synthese. Hier wird der Fluss wieder heterotroph und höchstens trophisch Artenvielfalt nimmt ab"
In Flüssen, wie auch anderswo in der Biosphäre, sind Organismen nicht auf die passive Anpassung an einen Veränderungsgradienten beschränkt physische Faktoren Umfeld. Durch ihr gemeinsames Handeln führen Flusstiere beispielsweise Nährstoffe wieder in den Kreislauf zurück und reduzieren deren Abtransport ins Meer. Wasserinsekten, Fische und andere Organismen sammeln suspendierte und gelöste Stoffe, halten sie zurück, leiten sie durch die Nahrungskette und mobilere Arten während ihres Lebens Lebenszyklus kann diese Substanzen gegen die Strömung oder vom Fluss in das Einzugsgebiet bewegen. Limnologen nennen diesen Prozess „spiralförmige Bewegung von Substanzen“ (Elwood und Nelson, 1975).
Einen hervorragenden Überblick über den Wasserkreislauf gibt Hutchinson (1957) in Kap. 4 von „Treatise on Limnology“ und Garrels, Mackenzie und Hunt (Garrels, Mackenzie, Hunt, 1975, Kap. 5) im Buch „Chemical Cycles and the Global External Environment“.

Wie Sie wissen, alles strukurelle Komponenten Biosphären sind durch Komplexe eng miteinander verbunden biogeochemische Kreisläufe Migration von Stoffen und Energie. Es finden Prozesse des gegenseitigen Austauschs und der Interaktion statt verschiedene Level: zwischen Geosphären (Atmosphäre, Hydro, Lithosphäre), zwischen Naturgebiete, einzelne Landschaften, ihre morphologischen Teile usw. Allerdings dominiert überall ein einziger allgemeiner Prozess des Austauschs von Materie und Energie, der Phänomene unterschiedlicher Größenordnung erzeugt – von atomar bis planetarisch. Viele Elemente kehren nach einer Kette biologischer und chemischer Umwandlungen in die Zusammensetzung derselben chemischen Verbindungen zurück, in der sie sich im ursprünglichen Moment befanden. Gleichzeitig sind die lebenden Organismen selbst die Hauptantriebskraft für das Funktionieren globaler und kleiner (sowie lokaler) Kreisläufe.
Die Rolle biogeochemischer Kreisläufe bei der Entwicklung der Biosphäre ist äußerst groß, da sie für die Wiederholung derselben sorgen organische Formen wobei ein begrenztes Volumen der Ausgangssubstanz an den Kreisläufen teilnimmt. Die Menschheit kann nur staunen, wie klug die Natur strukturiert ist, die dem „unglücklichen Homo sapiens“ selbst vorgibt, wie er die sogenannte abfallfreie Produktion zu organisieren hat. Beachten wir jedoch, dass es in der Natur keine vollständig geschlossenen Kreisläufe gibt: Jeder von ihnen ist gleichzeitig geschlossen und offen. Ein elementares Beispiel für einen Teilkreislauf ist Wasser, das, nachdem es von der Meeresoberfläche verdunstet ist, teilweise dorthin zurückkehrt.
Zwischen einzelnen kleinen Zyklen bestehen komplexe Zusammenhänge, die letztlich zu einer ständigen Umverteilung von Materie und Energie zwischen ihnen führen, zur Beseitigung einer Art asymmetrischer Phänomene in der Entwicklung von Zyklen. So lagen in der Lithosphäre Sauerstoff und Silizium im gebundenen Zustand im Überschuss vor, in der Atmosphäre im freien Zustand – Stickstoff und Sauerstoff, in der Biosphäre – Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Es sollte auch beachtet werden, dass der Großteil des Kohlenstoffs darin konzentriert war Sedimentgestein Lithosphäre, wo Karbonate den Großteil des Kohlendioxids ansammelten, das bei Vulkanausbrüchen in die Atmosphäre freigesetzt wurde.
Wir dürfen nicht vergessen, dass zwischen dem Weltraum und der Erde eine sehr enge Verbindung besteht, die mit einer gewissen Konvention im Rahmen der globalen Zirkulation betrachtet werden sollte (da sie, wie bereits erwähnt, nicht geschlossen ist). Aus dem Weltraum empfängt unser Planet Strahlungsenergie (Sonnen- und kosmische Strahlung), Teilchen der Sonne und anderer Sterne, Meteoritenstaub usw. Die Rolle der Sonnenenergie ist besonders wichtig. Die Erde wiederum gibt einen Teil der Energie zurück, leitet Wasserstoff in den Weltraum ab usw.
Viele Wissenschaftler, angefangen bei V.I. Wernadski, betrachten das Globale biogeochemischer Kreislauf Da Elemente in der Natur einer der wichtigsten Faktoren für die Aufrechterhaltung des dynamischen Gleichgewichts in der Natur sind, wurden in ihrem Entwicklungsprozess zwei Phasen unterschieden: die Antike und die Moderne. Es gibt Grund zu der Annahme, dass der Zyklus in der Antike anders war. Aufgrund des Fehlens vieler Unbekannter (Namen der Elemente, ihrer Masse, Energie usw.) ist es jedoch nahezu unmöglich, die Zyklen vergangener geologischer Epochen zu simulieren („ehemalige Biosphären“).
Hinzu kommt, dass der Hauptteil der lebenden Materie aus C, O, H, N besteht, die Hauptquellen der Pflanzenernährung sind CO2, NO und andere Mineralien. Unter Berücksichtigung der Bedeutung von Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff für die Biosphäre sowie der spezifischen Rolle von Phosphor werden wir kurz auf ihre globalen Kreisläufe eingehen, die als „privat“ oder „klein“ bezeichnet werden. (Es gibt auch lokale Zirkulationen, die mit einzelnen Landschaften verbunden sind.)