Круговорот углерода. Принципы и значение. Общие представления о круговороте углерода Круговорот углерода определение

Нужно отметить тот факт, что абсолютно вся жизнь на Земле имеет в своем основании химические элементы углеродного типа. Каждая составляющая, которая принадлежит живому организму, имеет строение скелета углеродного типа. Словом, углерод с нами везде и всюду.

К тому же, атомы, относящиеся, непосредственно, к углероду, непрерывно осуществляют миграцию из одной области биосферы, которая принадлежит более узкой оболочке земли и на которой есть жизнь, в совершенно иную. Если основываться на примерах, то круговорот представленного элемента в природе можно проконтролировать, но только на этапе динамики.

Наиболее важные и значимые запасы углерода представляются в виде диоксида углерода, которые, так или иначе распространены в атмосфере. Именно поэтому, стоит изучить все те составляющие углекислого газа, которые содержатся в атмосфере.

Важным этапом является то, что растения осуществляют процесс поглощения молекул, после чего и происходит превращение атома в самые разные воссоединения органического типа. Этот процесс является неотъемлемой частью структуры всех растений на земле.

Помимо всего этого, углерод способен оставаться и производить все важные процессы до тех пор, пока растение не придет к своему концу жизни. Как правило, в таком случае, все молекулы идут напрямую в пищу в виде редуцента. Стоит напомнить, что редуцент, в свою очередь, является тем организмом, который питается омертвевшими составляющими органического типа, после чего идет полное разрушение его до самых элементарных соединений антибазисной категории.

Так, на завершающем этапе, представленный химический элемент возвращается в среду в вариации газа углекислой категории. Обозначение, которого известно всем – общепринятая формула СО2.

Стоит не забывать о том, что растения могут быть поглощены животными травоядного класса. На таком этапе, элемент возвращается либо обратно в атмосферу, либо же животные травоядного класса подвергаются съедению более хищными видами фауны. В первом случае, процесс дыхания осуществляется тогда, когда животное разлагается на самом последнем этапе.

Второй процесс может быть осуществим только после того, как углерод возвратится сразу же в живую среду. Растения также могут просто погибнуть и в завершении, оказаться под земной корой. Если такой процесс все же осуществился, то растения преобразуются в топливо ископаемого типа, к примеру, в уголь.

Если же исходные элементы углекислого газа просто растворятся в воде морского типа, то может произойти следующее:

Химический элемент возвращается обратно в живую среду. Именно эта вариация совместного обмена газами между океаном и атмосферой, происходит очень часто. Точно с таким же успехом, представленный химический элемент может войти в строение растений или же животного организма – обитателя морских просторов.
В случае если химический элемент войдет в структуру отложений осадочного типа, то он просто вымоется из живой среды и не усвоится. В процессе всего того времени, пока существует планета Земля, углерод всегда замещался углекислым газом, который в свою очередь попадал в атмосферу при извержениях вулканического типа.

На сегодняшний день, ко всем перечисленным факторам прибавились еще и все те выбросы, которые непосредственно образуются при процессе сжигания топлива ископаемого класса. В последнее время ощутимым камнем преткновения является то, что правительства различных стран уже несколько лет пытаются прийти к международному соглашению в углекислого газа.

Но ученые еще не могут быть уверены в том, что процесс накопления углекислого газа в живой среде можно приостановить одними лишь посадками растений и обширных лесопосадок. Надо отметить, что такой процесс как круговорот углерода в живой среде еще не является до конца открытым. Ученые постоянно работают над этим, и с каждым годом в науке происходят еще более удивительные открытия.

Этот элемент присутствует в любой живой молекуле. Под воздействием внешних факторов он переходит из одной формы в другую. Круговорот углерода в природе обеспечивает возможность существования организмов на Земле. Без этих циклов превращений планета станет безжизненной .

Вконтакте

Где присутствует углерод

По распространенности химических элементов элемент занимает 15 место. По важности — это один из основных участников геохимических реакций. Значение вещества в природе сложно недооценить. Оно переходит из неорганического состояния в органическое, строит живые .

Встретить его можно в:

(углекислый газ 0,04 % от общей массы воздуха);
гидросфере (в виде растворенного в водах мирового океана СО2, в составе питающихся им бактерий верхнего слоя);
литосфере (полезные ископаемые: нефть, газ, уголь, известняк, мел);
биосфере (в составе любых живых организмов планеты).

Все оболочки Земли тесно связаны. Освобождение элемента, переход из одного вида в другой происходит внутри каждой.

Молекулы проникают в соседнюю сферу. Описывая кратко круговорот углерода в природе, схема выглядит так:

это бесконечная незамкнутая цепь перехода вещества из органического состояния в неорганическое и обратно.

С одной стороны фотосинтезирующие растения и вода, с другой стороны — гетеротрофы, то есть потребляющие организмы (животные).

Что происходит в атмосфере

Углерод в атмосфере имеется всегда. Он присутствует в виде углекислого газа (0,04 %), метана (0,0002 %), окиси углерода (следы). Количество постоянно меняется. Это связано с деятельностью человека, сезонными факторами, температурой окружающей среды.

Откуда поступает вещество

Круговорот углекислого газа в природе– это основной вид перехода и превращений в воздушной оболочке Земли. Постоянными источниками являются:

живые существа, выдыхающие углекислоту;
продукты разложения органических остатков (бактерии перерабатывают трупы животных, гниющие растения, выделяется СН4);
продукты горения природного (уголь, нефть, газ) или синтетического топлива;
выбросы вулканических газов во время извержения (первичная углекислота в атмосфере);
пожары;
хозяйственная деятельность человека (выделение СО2 при производстве цемента: СаСО3->СаО+СО2);
повышение температуры мирового океана и высвобождение диоксида элемента.

Важно! Осенью и зимой содержание СО2 в воздухе выше, чем летом и весной. Так человек воздействует на круговорот углерода в природе, схема которого отыщется на порталах, посвященных защите окружающей среды.

А чем поглощается

В природе существует неустойчивое равновесие. Двуокись вещества выводится из атмосферы и замещается другими.

Воды Мирового океана поглощают углекислоту . Особенно активно процесс идет вблизи полюсов. При понижении температуры растворимость газа увеличивается.

Растения на свету поглощают СО2. В результате фотосинтеза выделяется . Молодые быстрорастущие побеги – основная «фабрика» переработки.

Круговорот углерода в природе, схема — это постоянный процесс изменения концентрации газа, поглощения и замещения его кислородом.

Как идет процесс в биосфере

Оболочка соединяет все известные сферы присутствием жизни. В ней постоянно идут обменные процессы. Химические реакции, превращение энергии поддерживают существование живых существ. Круговорот углерода в биосфере самый значительный и масштабный.

Газообмен гидросферы с атмосферой

Гидросфера обменивается углекислотой с воздушной оболочкой Земли. Не весь растворенный газ возвращается обратно. Часть усваивают бактерии верхних слоев. Ими питаются микроорганизмы. Создается пищевая цепочка. Элемент переходит из неорганического состояния в органическое.

Умершие живые существа опускаются на дно. Под давлением воды отложения спрессовываются. Глубинные микроорганизмы и бактерии перерабатывают ил.

Они влияют на круговорот элемента. Образуются полезные ископаемые: газ, нефть, уголь. Углерод перешел из органического состояния в неорганическое. В таком виде он сохраняется миллионы лет.

В верхних слоях содержится больше растворенного кислорода. В нижних – диоксида элемента и азота. Баланс неустойчив. При повышении температуры концентрация газов меняется. При изменении видового состава бактерий и микроорганизмов происходит перемещение кислорода вниз, азота и СО2 — вверх. Газообмен с воздушной оболочкой нарушается.

Движение углерода в литосфере

Диоксид вещества через мелкие поры попадает в почву. Часть его растворяется водой или испаряется. Другая — перерабатывается аэробными бактериями. Плодородный слой обогащается. В благоприятной среде развиваются растения. После отмирания гумус обогащается вновь. Наблюдается бесконечный переход: неорганика – органика – неорганика.

Слои утолщаются, уплотняются. Со временем под действием внешних факторов образуются осадочные полезные ископаемые. В их состав входит данное вещество. Нефть, газ, все виды угля, торф, известняк, мел — надолго консервируют элемент в неорганическом состоянии.

Важно! Элемент в составе в круговороте временно не участвует! Цикл углерода не бывает абсолютно замкнутым.

Фотосинтез: особая часть большого кругооборота

Этот процесс по мощности соизмерим с ядерной реакцией. Более совершенного и экономного механизма производства соединений не существует.

Фотосинтез – часть круговорота элемента в . Он превращает неорганические вещества в органические. Насыщение атмосферы освобожденным кислородом регулирует газовый баланс. В результате этого процесса образуются питательные вещества: сахар, крахмал. Растения потребляют то, что сами производят.

Фотосинтез имеет две фазы: световую и темновую. Под воздействием солнечной энергии во время первой стадии происходит накопление клетками углекислого газа и воды. На этом этапе от молекулы воды отщепляется кислород. Происходит выделение газа в атмосферу.

Темновая стадия происходит без доступа солнечных лучей. Углекислота связывается. Дополнительными продуктами являются органические соединения (углеводы). Углекислый газ в природе одновременно является строительным материалом, а также источником питания, оздоравливающим планету веществом.

Схематическое изображение процесса

Важно! Круговорот карбона в природе – результат постоянных физических и химических превращений в биосфере Земли. Атомы С движутся во всех оболочках планеты. Это полностью отражает развитие жизни.

Основная часть вещества присутствует в составе диоксида. Из атмосферы она поглощается растениями. В процессе фотосинтеза происходит образование органических веществ и освобождение кислорода.

Схема круговорота углерода в природе отражает процесс обмена карбоном между всеми оболочками Земли. Оксид вещества (IV) из атмосферы поглощается верхними слоями гидросферы. Частично он испаряется, участвует в кругообороте воды в природе. Остальное количество перерабатывается организмами, оседает на дно. Образуются осадочные породы. Карбон на время исключается из кругооборота.

Человек разрабатывает месторождения полезных ископаемых, производит и сжигает топливо. Возвращенный в процесс диоксид снова попадает в атмосферу. Количество превышает допустимые нормы. Баланс нарушается. Биосфера не справляется с избыточным содержанием карбона. Включается механизм накопления.

Схема круговорота углерода в природе выделяет части вещества:

присутствующие в клетках живых растений;
попавшие в организм травоядных животных с пищей (выделяются при дыхании в виде СО2);
попавшие в организм плотоядных существ при потреблении травоядных (выделяются при дыхании);
отмершие части растений (при переработке организмами образуют осадочные породы).

Процесс химических и физических преобразований карбона последовательный и разомкнутый . Регулируется биосферой. Его скорость зависит от внешних факторов (температуры, влажности, скорости движения воздушных масс, деятельности человека).

Антропогенное влияние на процесс

Хозяйственная деятельность человека приводит к изменению содержания элемента в биосфере. Добыча полезных ископаемых, их переработка возвращает в кругооборот не участвующее количество вещества. Примеры того, как человечество влияет на процесс:

сжигание топлива дополнительно увеличивает выбросы диоксида С на 22 млрд. т/год;
изменение качественного состава пахотных земель увеличивает объем СО2 в атмосфере;
уменьшение площади лесов снижает эффективность фотосинтеза;
увеличение температуры вод Мирового океана увеличивает выделение углекислоты, снижает поглощение;
загрязнение окружающей среды нарушает газообмен.

Загрязнение вод Мирового океана приводит к гибели микроорганизмов, бактерий. Процесс усваивания вещества нарушен. Газообмен прекращен. СО2 перестает растворяться. Количество в атмосфере возрастает.

Схематично выразить, как человечество негативно воздействует на круговорот углерода, можно так:

Увеличение концентрации СО2 –> ускоренный распад органических остатков –> изменение климата –> создание запасов СО2 –> уменьшение восстановительной способности биосферы –> дополнительные выбросы СО2.

Биосфера не отвечает увеличением собственной продуктивности на повышение концентрации диоксида углерода. Исследования показывают накопление запасов СО2 в атмосфере. Цикл углерода меняет сбалансированное течение. Последствия непредсказуемы.

В природе существуют круговороты веществ. Это цикличные незамкнутые процессы.

Значение углерода в природе велико. Этот элемент присутствует в составе любой живой молекулы, является строительным материалом и источником питания.

Круговорот углерода на планете

Цикл обращения углерода в природе

Вывод

Круговорот углерода в биосфере происходит с разной скоростью и количественным составом участвующих компонентов. Непродуманная хозяйственная деятельность человека приводит к катастрофическим последствиям. К ресурсам требуется относиться бережно.

Круговорот углерода в природе

Важнейшие биогеохимические круговороты

Углерод - основная составляющая углеводов, белков, нуклеиновых кислот и других жизненно важных органических соединений.

В основе круговорота углерода в природе в основном лежат реакции окисления и восстановления углерода. Принципиальная схема круговорота углерода в природе приведена на рис. 3.

Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза превращается в органическое вещество растений:

Растения (органическое вещество) поедаются животными:

Органическое вещество в результате (сжигания) жизнедеятельности организмов, разложения трупов и других процессов выделяется в атмосферу в виде СО 2 (и Н 2 О), и запасается в виде гумуса, торфа. Последние являются основой превращения их в каменные угли, нефть и газы.

Источниками поступления углекислого газа в атмосферу является также вулканическая деятельность, разложение органических веществ, Мировой океан и деятельность человека, связанная со сжиганием угля, нефти, газа.

Круговорот углерода в гидросфере значительно сложнее континентального, поскольку возврат этого элемента в виде СО 2 зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи воды. По этой причине в целом показатели годичного круговорота углерода в Мировом океане почти вдвое ниже, чем на суше.

В водных системах огромное количество угольной кислоты (Н 2 СО 3) законсервировано в виде известняков и других пород. Часть углерода ускользает из круговорота и «уходит в геологию» в виде торфа, угля, нефти и карбонатных отложений водных систем.

Между сушей и Мировым океаном происходит постоянная миграция углерода. Здесь преобладает его вынос с суши в океан в виде карбонатов и органических соединений. Поступление углерода из Мирового океана на сушу осуществляется только в виде СО 2 , переносимого воздушными течениями. СО 2 атмосферы и гидросферы полностью обменивается живыми организмами за 395 лет.

Суммарное количество СО 2 (т) составляет:

в атмосфере - 2,3 ∙10 12

в Мировом океане - 1,3 ∙10 14

в литосфере (в связанном состоянии) - 2 ∙10 17

в живом веществе биосферы - около 2,3 ∙10 12

Рис.3. Схема круговорота углерода

Основные отрицательные последствия нарушения круговорота углерода человеком проявляется в сокращении площадей лесов, разрушении почвы, сжигании топлива. Часть углерода накапливается в атмосфере в форме углекислого газа и метана, обуславливая парниковый эффект.

За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение 3-4 лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, за четыре года может обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за данный срок завершает свой цикл (Гришина, 1976). Цикл углерода гумосферы охватывает 300-400 лет. При этом цикл биологического круговорота углерода не замкнут: данный элемент часто выходит из круговорота на длительный срок в виде карбонатов, торфов, углей, гумуса. С другой стороны нарушение цикла происходит и благодаря поступлению в атмосферу глубинного углекислого газа и окиси углерода.

После рассмотрения свойств и особенностей углеродсодержащих соединений следует еще раз подчеркнуть ведущую роль углерода-органогена № 1:

во-первых, атомы углерода формируют скелет молекул органических соединений;

во-вторых, атомы углерода играют ключевую роль в окислительно-восстановительных процессах, поскольку среди атомов всех органогенов именно для углерода наиболее характерна окислительно-восстановительная двойственность.

В биосфере нашей планеты происходит множество сложных процессов, вызванных жизнедеятельностью организмов, воздействием человека и эволюционными изменениями, происходящими в толще недр и в глубинах океанов. Основным из них является круговорот углерода. Без него невозможна жизнь на Земле.

По большому счету, круговорот углерода представляет собой глобальный механизм, отвечающий за усвоение и выделение в атмосферу Усвоение углерода всем нам известно в качестве фотосинтеза, и за эту часть отвечают растения. Выделение/возвращение углекислоты происходит посредством ее выдыхания живыми организмами, работы промышленных предприятий и процессов разложения

Схема круговорота углерода позволит более полно представить этот процесс, состоящий из двух этапов:

Усвоение углекислого газа (CO 2) растениями, микроскопическими живыми организмами и последующее преобразование его в более сложные основные химические соединения
Возвращение углекислоты в атмосферу посредством дыхания живых существ и иными путями.

Однако круговорот углерода представляет более сложный процесс. Так, после смерти организмов часть из них перерабатывается бактериями и действительно возвращается в атмосферу за довольно короткий срок. Но часть останков превращается в мертвую органическую массу.

Именно эти останки органики через несколько сотен лет будут преобразованы, и в итоге превратятся в уголь, нефть или торф. Данные ископаемые будут использованы человеком в различных целях, и углерод из них будет возвращен в атмосферу.

Отдельно хочется остановиться на процессе возвращения CO 2 в круговорот углерода.

Жиры. Расщепление жиров различного происхождения возможно благодаря участию в этом процессе микроорганизмов, обладающих ферментами, направленными на расщепление этого соединения. В результате образуется глицерин и высшие кислоты жирового ряда. Глицерин распадается на (ПВК). Она, в зависимости от условий, превратится в воду, кислоту или спирт, а в воздух будет выделена молекула углерода.

Углеводы. Эти вещества являются основными носителями клетчатки, которая

усваивается и перерабатывается лишь некоторыми микроорганизмами. В процессе ее переработки образуется глюкоза, которую окисляют практически все виды грибков и бактерий. В результате глюкоза будет расщеплена на воду и углекислый газ. Это - не единственный вариант. Процесс окисления может привести к образованию метана, но с обязательным выделением углерода.

В связи с тем, что все процессы неодинаковы по срокам своего протекания, выделяют два типа круговорота данного вещества в биосфере:

Геологический (формирование полезных ископаемых) - может исчисляться тысячами и миллионами лет.
и разложение растений и животных) - очень активный процесс, который может занимать от нескольких дней до нескольких лет.

Безусловно, представленное здесь описание является весьма поверхностным и не отражает всей сути химических и иных процессов, благодаря которым на планете поддерживается круговорот углерода.

В ходе химических и физических процессов в земной биосфере постоянно проходит круговорот углерода (С). Этот элемент является важнейшим компонентов всех живых организмов. Атомы углерода постоянно циркулируют в различных сферах нашей планеты. Так, цикл карбона отображает динамику жизни на Земле в целом.

Как осуществляется круговорот карбона

Большая часть углерода входит в состав атмосферы, а именно в виде углекислого газа. В водной среде также имеется диоксид углерода. Вместе с тем, как происходит и воздуха в природе, совершается оборот С в окружающей среде. Что касается углекислого газа, то из атмосферы он поглощается растениями. Далее происходит фотосинтез, после которого образуются различные вещества, в состав которых входит карбон. Общее количество углерода разделяется на части:

некоторое количество остается в составе молекул растений, присутствуя в них до момента отмирания дерева, цветка или травы;
вместе с флорой карбон попадает в организм животных, когда те питаются растительностью, и в процессе дыхания они выдыхают СО2;
когда плотоядные животные съедают травоядных, то С попадает в организм хищников, выделяясь потом через органы дыхания;
часть углерода, оставшись в растениях, попадает в грунт, когда они отмирают, и в результате карбон соединяется с атомами иных элементов, и вместе они принимают участие в образовании топливных полезных ископаемых, таких как уголь.

Схема круговорота углерода

Когда углекислый газ попадает в водную среду, испаряется и поступает в атмосферу, принимая участие в круговороте воды в природе. Часть карбона поглощается морской флорой и фауной, а когда они отмирают, то и углерод скапливается на дне акватории вместе с останками растений и животных. Значительная часть С растворяется в воде. Если карбон входит в состав пород, топливных либо осадочных, то эта часть теряется из атмосферы.

Стоит отметить, что углерод поступает в воздух благодаря извержениям вулканов, при выдыхании углекислого газа живыми существами и выбросам различных веществ при сжигании топлива. В связи с этим сейчас ученые установили, что в воздухе накапливается избыточное количество СО2, что приводит к парниковому эффекту. В данный момент, переизбыток этого соединения значительно загрязняет воздушную среду, негативно влияет на экологию всей планеты.

Познавательное видео о круговороте углерода

Таким образом, углерод – это важнейший элемент в природе, участвует во многих процессах. От его количества в той или иной оболочке Земли зависит ее состояние. Чрезмерное количеств карбона может привести к загрязнению окружающей среды.