Динамическое равновесие в окружующей среде ( Круговороты веществ, материальный баланс).

Человек находится в состоянии динамического равновесия с окружающей его экологической средой. В животном мире равновесие определяется стихийными силами. Человек способен обеспечить равновесие в результате предварительных рациональных суждений.

Так как в состоянии динамического равновесия с излучением энергия осциллятора в среднем остается неизменной, поглощаемая мощность должна быть равна испускаемой.

Между четырьмя веществами устанавливается состояние динамического равновесия, характеризующееся равенством скоростей прямой и обратной реакции.

Между четырьмя веществами устанавливается состояние динамического равновесия, характеризующееся равенством скоростей прямой и обратной реакций. В этом процессе устанавливается состояние динамического равновесия, называемое равновесием Будуара.

Окружающая среда находится в состоянии динамического равновесия: цикличность потоков материалов и энергии обеспечивает постоянное восстановление окружающей среды и поддерживает ее в состоянии, пригодном для существования живых организмов. Так, в результате гидрологического цикла (круговорота воды) живые организмы обеспечиваются чистой водой, необходимой для существования большинства из них. Круговорот азота, углерода, кислорода и других элементов также является своего рода источником жизни, поскольку в течение этих циклов осуществляется переход от неорганических к органическим и живым формам, которые снова превращаются в неорганические. Нарушение этих естественных циклов, вызванное деятельностью человека или действием каких-то природных факторов, приводит к переходящему или необратимому изменению биологической структуры с уничтожением определенных местных видов флоры и фауны.

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг.

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 6.7). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круго - Солнечная энергия Магматические породы Магматические породы Выветривание, перенос, отложение, окаменение Кристаллизация Осадочные породы Магма Метаморфизм Переплавление Метаморфические породы. Энергия радиоактивного распада ворота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Большой круговорот — это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана — конденсация водяного пара — выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транс-пирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический). В отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80° с.ш). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т. д. а, как мы уже отмечали, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2—3 %.В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называют биологическим Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности почвы. Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (СО,, Н20) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм, и т. д. Такие элементы называют биофилъными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций:— первая функция — газовая — основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы — продукт разложения отмершей органики;— вторая функция — концентрационная — организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов — первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода — водоросли (ламинария), фосфора — скелеты позвоночных животных;— третья функция — окислительно-восстановительная — организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;— четвертая функция — биохимическая — размножение, рости перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;— пятая функция — биогеохимическая деятельность человека — охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и другие, для хозяйственных и бытовых нужд человека. В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: 1) резервный фонд — это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте). В связи с этим следует отметить лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее — это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.

Уравнение материального баланса. ∑M’ +∑ M ₀=∑M”±ΔM –(материальный баланс), где ∑M’, ∑M” - Суммарные материальные потоки входящие и выходящие из системы.

Для оценки функционирования ТС не зависимо от её происхождения целесообразно воспользоваться моделью «черного ящика» сосредоточенными входами и выходами потока в-ва и энергии.

входной потоквыходной

Допустим что в системе происходит преобразование массы исходного в-ва М_исх взятого в определенной пропорции. Известные конечные продукты М₁ и отходы М₂ согласно закону сохранения массы: масса образующегося в-ва ровна массе исходного в-ва: М_исх = М₁ + М₂

Вся масса исход. в-ва поступившего в систему либо накапливается либо покидает ее если в результате хим. превращений одно в-во переходит в др. вся масса в-ва поступившего в замкнутую систему либо накапливается либо покидает систему тогда материальный баланс принимает вид: М_исх - М_вых = М_{накопленное}

Если при составлении материал баланса используются характеристики массового закона, то закон сохранения энергии будет Q_исх - Q_вых =Q_накоп

Когда накопление массы какого-либо в-ва не наблюдается и система находится в устойчивом состоянии то

Q_исх - Q_вых =0

Для составления уравнения материал баланса системе необходимо обрабатывать имеющиеся данные обработка включает:

- построение диаграммы или технологической схемы поставленной задачи с указанием потоков и кол-во параметров

- определение области решения задачи (пр: масса поступившего в-ва и т.д.)

- определение сквозных компонентов – Элемент частица или в-во которое, проходя через систему не изменяется; в качестве сквозного компонента часто вода кислород или инертное твердое в-во

- определение границ системы т.к. закон сохранения массы справедлив как для всей системы в целом, так и для отдельных участков, так что можно выбрать такой участок, через который проходит неизвестный компонент.