Саморегулирование в географической оболочке и цепи связей в геосистемах

Характерная черта динамики географической оболочки и ее компонентов - саморегулирование, которое базируется на принципе всеобщей связи явлений. Благодаря саморегулированию географическая оболочка сохраняет свою устойчивость и многие параметры геосистем находятся в состоянии динамического равновесия несмотря на резкие колебания внешних факторов. Примером саморегулирования может служить солевой состав Мирового океана: несмотря на различия в количестве атмосферных осадков, испарении и речном стоке, соотношение ионов солей в океанической воде остается почти постоянным (В.И.Вернадский даже предлагал принять это соотношение за константу нашей планеты). Другой пример - регулирование содержания диоксида углерода в географической оболочке на основе карбонатной системы Мирового океана.

Основная причина постоянства - всеобщая взаимосвязанность концентраций веществ. В соответствие с принципом Ле-Шателье - Брауна, нельзя изменить концентрацию одного компонента замкнутой термодинамической системы без изменения содержания остальных компонентов: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, оказывать внешнее воздействие, то в системе усиливается то направление процесса, течение которого ослабляет данное воздействие, и положение равновесия смещается в том же направлении. Это обстоятельство защищает систему от внешних возмущений. Другое дело определить, когда такое равновесие наступит. Надежность системы возрастает с увеличением ее сложности. В определенной мере этот принцип применим к открытой термодинамической системе, каковой является географическая оболочка. В большинстве незамкнутых геосистем действие этого принципа ограничено, так как всегда есть возможность стороннего поступления анализируемого компонента. Вопрос правомочности применения принципа Ле-Шателье - Брауна в географических системах чрезвычайно важен, так как на его основе оценивается состояние биосферы и возможности жизнедеятельности организмов.

Во многих случаях динамическое равновесие принимает форму автоколебаний (колебание величины относительно некоторого среднего ее значения). Таковы суточные и годовые колебания большинства физико-географических параметров. Например, автоколебательный характер имеют процессы природной системы солнечная радиация-испарение - облачность.

За счет солнечной радиации земная поверхность нагревается, что приводит к росту испарения. Поступившая в атмосферу влага конденсируется и образуются облака, которые частично задерживают приходящую коротковолновую солнечную радиацию. Уменьшение ее прихода на земную поверхность понижает температуру поверхности, вследствие чего снижается испарение. Соответственно, изменяется интенсивность и других процессов: уменьшается поступление влаги в атмосферу, рассеиваются облака, вновь увеличивается приход солнечной радиации и начинается новый цикл. Таким образом, четыре взаимосвязанных процесса контролируют друг друга, не давая возможности каждому выйти за определенные границы. У стрелки, идущей от облачности к солнечной радиации, стоит знак «-» (минус), который означает, что влияние облачности на солнечную радиацию отрицательно (при ее увеличении поступление коротковолновой солнечной радиации уменьшается, и наоборот). Этот триггер исполняет роль регулятора с отрицательной обратной связью, стабилизируя систему.

В системе положительной обратной связи все взаимодействующие факторы усиливают друг друга, поэтому она саморазвивается. По такой схеме развиваются тропические циклоны (выделяющаяся при конденсации влаги энергия способствует подъему масс воздуха на большую высоту, а, следовательно, и более интенсивной конденсации).

Перемещения вещества и энергии в географической оболочке связывают ее составляющие в целостную систему, в которой изменение одной части приводит к изменению остальных. Так, процесс дегляциации современного оледенения теоретически может привести к повышению уровня Мирового океана на несколько метров. В результате окажутся затопленными большие площади приморских равнин, произойдут изменения в характере тепло- и влагообмена и атмосферной циркуляции, интенсивности речной эрозии и как следствие - смещение географических зон. Однако реально в открытой системе географической оболочки такое явление вряд ли возможно.

В географической оболочке связи осуществляются неравномерно в пространстве и во времени. Горизонтальные перемещения воздуха, воды, минеральных частиц и других субстанций обычно в сотни и тысячи раз превышают вертикальные. Имеет место несимметричность взаимодействий: в одних направлениях перенос сильнее, чем в других. Перемещение разных субстанций происходит с разной скоростью. Все это определяет наличие участков, относительно слабо связанных с другими, с небольшими скоростями обмена вещества и энергии, - болота, замкнутые морские котловины, глубоководные части Мирового океана. Наряду с этим существуют регионы, отличающиеся большими скоростями обмена веществом и энергией - морские побережья, русла рек, предгорья, фронтальные зоны в океане, энергоактивные зоны литосферы.

Пространственные и временные различия в характере взаимодействий определяют необходимость тщательного анализа цепей связей в геосистемах при воздействии на природную среду.

Целостность географической оболочки - это взаимосвязь и взаимозависимость ее компонентов. Она обусловливается непрерывным круговоротом и обменом веществ и энергии. Каждый компонент природы, развиваясь по своим законам, испытывает на себе влияние других компонентов и в свою очередь оказывает на них воздействие. Взаимодействие и взаимопроникновение всех компонентов географической оболочки, осуществляемое круговоротом веществ, связывает их в единое целое. Доказательством целостности географической оболочки служит тот простой факт, что изменение хотя бы одного компонента неизбежно влечет за собой изменение других.

Например, географы выявили такую зависимость: в годы, когда в Баренцевом море увеличивается ледовитость, уровень воды в крупных африканских озерах понижается. И наоборот, годы с малым количеством льдов соответствуют годам с высоким уровнем озер. Все это объясняется не чудом, а усилением или уменьшением движения воздушных масс. Если возрастает количество и скорость перемещения воздушных масс, особенно в меридиональном направлении, то уменьшается ледовитость арктических морей. В экваториальной зоне, наоборот, это вызывает увеличение количества выпадающих осадков, что и отражается на уровне озер.

Знание закона целостности географической оболочки имеет большое практическое значение. Если хозяйственная деятельность человека не учитывает этот закон, то она часто приводит к нежелательным последствиям.

Закон целостности географической оболочки требует изучения территории, прежде чем проводить какие-либо хозяйственные мероприятия.

Землеведение, билет № 37

Географическая зональность - основная закономерность распределения ландшафтов на поверхности Земли, состоящая в последовательной смене природных зон, обусловленной характером распределения лучистой энергии Солнца по широтам и неравномерностью увлажнения.
Географической зональности подчинены процессы в атмосфере, гидросфере, экзогенные процессы образования рельефа, образование почв, формирование и изменение биосферы.
В горах на зональность накладывается и замещает ее высотная поясность.
В некоторых случаях главными в формировании ландшафта становятся не зональные, а местные условия (азональность).

Читай лекции по физгео - климат (Алисов, и т.д.)

Землеведение, билет № 38

Круговорот энергии и вещества в литосфере

Выделяют четыре геосферы: атмосферу, гидросферу, биосферу и литосферу, взаимосвязанные между собой, составляющие единую систему планеты Земля.

Функционирование первых трех геосфер: атмосферы, гидросферы и биосферы обусловлено круговоротами энергии и вещества в них, вызванных поступлением на Землю солнечной (космической) энергии и наличием у нее гравитационного поля. Следовательно, и в четвертой геосфере: литосфере, также происходит круговорот энергии и вещества, вызванный теми же причинами: солнечной энергией и гравитационным полем.

Круговорот энергии и вещества в литосфере составляет систему геологических процессов. К геологическим процессам относятся гипергенез - разрушение горных пород на поверхности суши, седиментогенез (осадконакопление) - отложение слоев глин, песков на дне морей, вулканизм и другие.

Круговорот энергии состоит из трех звеньев: начального, промежуточного и заключительного. Сначала кинетическая энергия в виде потенциальной накапливается в веществе. Затем потенциальная энергия переходит в кинетическую тепловую, которая выделяется из вещества. Суть заключительного звена в удалении освобожденной тепловой энергии.

Круговорот вещества также состоит из трех звеньев. Вначале различные вещества перемешиваются с усреднением химического состава. Затем вещество разделяется на две части разного химического состава. После одна часть вещества, поглотившая выделенную тепловую энергию, удаляется.

Как называется процесс, суть которого в удалении на поверхность нагретой части вещества?

Начальное звено круговорота. Граниты, базальты, песчаники и другие горные породы на поверхности литосферы, поглощая солнечную радиацию, разрушаются до обломков или глины. Происходит это следующим образом.

Гранит, состоящий из белого кварца, серого и (или) красного полевого шпата и черной слюды, утром нагревается теплым воздухом или прямыми солнечными лучами. При нагреве минералы расширяются: больше черная слюда и меньше белый кварц, сдавливая, деформируя друг друга. Вечером процесс происходит противоположный. В результате многократных сжатий и растяжений в граните появляются трещинки. Гранит разрушится на обломки.

В обломках накопится много потенциальной свободной поверхностной энергии (преобразованная солнечная радиация).

Вода с содержащимися в ней газами, солями, кислотами, обычно органическими, разрушает крупные кристаллы гранита (минералы силикаты) до тонкодисперсной глины и аморфного минерала опала.

2Na[AISi₃O₈] + nH₂O → Na₂O + AI₂O₃•2SiO₂•2H₂O + 4SiO₂•nH₂O

плагиоклаз каолинит опал

Аморфные и тонкодисперсные вещества более энергонасыщенные, чем крупнокристаллические. В каолините (белой глине) и опале накопилась солнечная радиация в виде внутренней энергии (расстояния между атомами их увеличились), а в глине и геохимическая (координационное число алюминия в плагиоклазе с 4 увеличилось до 6 в глине).

Продукты гипергенеза, насыщенные аккумулированной солнечной энергией, под действием гравитационного поля сносятся в пониженные участки рельефа, в конечном счете попадая на дно морей и океанов. Там они накапливаются в виде слоев глин и песков, формируя слоистую оболочку. Такой процесс назван седиментогенезом - осадконакоплением.

Большую часть (около 80%) слоистой оболочки слагают глинистые породы. Поэтому в дальнейшем слоистую оболочку будем называть глиной. Химический состав глины = (гранит + базальт)/2, или средний (промежуточный) между гранитом и базальтом.

Суть начального звена круговорота энергии и вещества в литосфере в поглощении веществом солнечной энергии и усреднении химического состава его путем перемешивания при транспортировке продуктов гипергенеза разного химического состава.

Промежуточное звено круговорота. Накопившейся слой глины в результате прогибания дна моря перекрывается новыми слоями. Масса их сдавливает глину, удаляет из нее воду, уменьшает расстояние между атомами, что вызывает перекристаллизацию вещества. Сначала глинистые частицы цементируются мельчайшими кристалликами, и пластичная глина становится непластичным аргиллитом. С глубиной размеры возникающих кристаллов увеличиваются. Из мелких кристаллов формируются кристаллические сланцы, затем среднекристаллические гнейсы и крупнокристаллические граниты.

Перекристаллизация вещества сопровождается освобождением из него тепла (аккумулированной солнечной энергии). При перекристаллизации аргиллита в кристаллический сланец тепла выделится больше, чем при перекристаллизации сланца в гнейс, и еще меньше в гранит. Формируется геотермический градиент с регрессивным, замедляющимся приростом тепла.

Чтобы вещество глины, состав которого (гранит + базальт)/2, превратилось в гранитное, из глины должна удалиться базальтовая часть вещества. Она в виде нагретого водно-силикатного раствора базальтового состава находится в порах и трещинках между минералами гранита.

Суть промежуточного звена круговорота в перекристаллизации глины в кристаллический гранит с появлением нагретого водно-силикатного раствора базальтового состава.

Заключительное звено круговорота. Нагретый базальтовый раствор, как разуплотненный и легкий, поднимается, по пути контактируя с более холодными вмещающими горными породами. По второму началу термодинамики раствор нагревает окружающие породы, остывая сам. Начнется его кристаллизация, вязкость возрастет, и подъем прекратится.

Но, на более высоком уровне раствор получит из окружающих перекристаллизующихся пород тепла больше, чем ниже, что не позволит ему охладиться. Такие добавки тепловой энергии сбоку во все увеличивающемся количестве будут на всем пути подъема раствора. Достигнув поверхности литосферы, раствор, называемый людьми лавой, произведет извержение вулкана.

Лава действительно изливается на поверхность, но магма для этого не нужна. Поэтому на глубине нет эндогенной энергии. Освободившееся из вещества глины при ее перекристаллизации тепло сразу с базальтовым раствором удаляется к поверхности каменной оболочки.

Вулканизм - заключительное звено круговорота энергии и вещества в литосфере, суть которого в удалении нагретого базальтового раствора, возникшего при перекристаллизации глины в гранит, на поверхность литосферы.

Базальтовый раствор не назван расплавом потому, что расплав - это индивидуальное вещество в жидком состоянии, кристаллизующееся при температуре плавления. Индивидуальное, означает чистое. Например, чистое золото в жидком состоянии - расплав. Но стоит в него попасть атому серебра, как расплавленное вещество станет раствором серебра в золоте. В природе нет чистых веществ, а, стало быть, и расплавов.

Итак, в каменной оболочке земного шара, как в любой природной системе, происходит круговорот энергии и вещества, вызванный поступлением на Землю солнечной энергии и наличием у нее гравитационного поля. Вулканизм - заключительное звено этого круговорота, суть которого в удалении на поверхность нагретого базальтового раствора, возникшего при перекристаллизации глины в гранит. Излияние расплавленной лавы создает иллюзию подъема эндогенной глубинной тепловой энергии. На самом деле, удаляется в виде тепла солнечная энергия, накопившаяся в глине при ее образовании из кристаллических и других пород на поверхности литосферы.

Круговорот веществ и энергии в биосфере.

Все живые организмы находятся во взаимосвязи с неживой природой и включаются в непрерывный круговорот веществ и энергии. В результате происходит биогенная миграция атомов. Необходимы для жизни химические элементы переходят из внешней среды в организм. При расписании органических веществ эти элементы опять возвращаются в окружающую среду.

В атмосфере всегда присутствуют газы: азот — 78%, кислород — 20,9%, углекислый газ — 0,033% и другие газы-примеси, в том числе пара воды. Эти газы превращаются живой биомассой планеты. В процессе фотосинтеза зеленые растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Углекислый газ используется на построение органических веществ и через растительные организмы, в виде питательных веществ, переходит в организм животных. Кислород используется всеми живыми организмами в процессе дыхания, для окисает органических веществ, при разложении отмерших остатков организмов. В результате этих процессов образуется углекислый газ, который опять выделяется в атмосферу. Свободный азот атмосферы поглощается в почве бактериями, которые фиксируют азот, и превращается в доступный для усвоения растениями состояние. Из почвы соединения азота поглощаются растениями для синтеза органических веществ. После отмирания другая группа микроорганизмов превращает азот и освобождает его в атмосферу.

Следовательно, благодаря сбалансированному круговороту газов состав атмосферы всегда находится на постоянном уровне. Атмосфера имеет биогенное происхождение. В воздушный круговорот включается 98,3% всех веществ.

Большие запасы Фосфора находятся в горных породах. При разрушении горных пород Фосфор поступает в почву, а следовательно усваивается живыми организмами. Но часть фосфатов растворяется в воде и вымывается в Мировой океан, где оседает на дне в виде отложений.

Вода также принимает участие в круговороте. В процессе фотосинтеза она используется для синтеза органических веществ, а при дыхании и разложении органических остатков выделяется в окружающую среду. Кроме этого, вода нужна всем живым организмам. В ней растворяются минеральные соли и органические вещества, необходимые для усвоения живыми организмами. В водной среде происходит круговорот Натрия, Магния, Кальция, Феруму, Сульфуру и других элементов, которые в целом составляют 1,7% от общего количества веществ, которые принимают участие в круговороте.

В результате круговорота веществ происходит непрерывное перемещение химических элементов из живых организмов в неживую природу и наоборот. Круговорот веществ состоит из двух противоположных процессов, связанных с аккумуляцией элементов в живых организмах и минерализацией в результате их расписания. Образование живого вещества преобладает на поверхности Земли, а минерализация — в почве и морских глубинах.

Одновременно с миграцией атомов происходит и превращение энергии. Единственным источником энергии на Земле является солнце. Часть теплая тратится на обогрев земли и испарение воды. И только 0,2% солнечной энергии накапливается в процессе фотосинтеза. Эта энергия превращается в энергию химических связей органических веществ, при расщеплении и окисает которых в процессе питания выделяется и опять тратится на процессы жизнедеятельности организмов: рост, движение, размножение, развитие. Этот процесс незамкнут, потому есть необходимость в постоянном поступлении солнечной энергии.

Следовательно, биосфера являет собой большую систему, которая состоит из разнородных компонентов, связанных между собой процессами превращения энергии и вещества. Миграция веществ замкнута в циклы, компонентами которых являются тела живой и неживой природы. Цикличность процессов обеспечивает непрерывное существование биосферы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: