Круговороты воды, углерода и азота
Основной маршрут, 8–9 классы. Здесь вы свяжете знакомые вещества с природными процессами: научитесь различать место накопления и перенос вещества, читать три схемы и проверять простой баланс. Понадобятся закон сохранения массы, свойства воды и формулы соединений углерода и азота.
Молекула воды может попасть из озера в атмосферу и вернуться с осадками. Атом углерода может перейти из CO2 в органическое вещество, а затем снова оказаться в углекислом газе. В этих случаях возвращается элемент или вещество, но меняются место, химическая форма и скорость переноса.
Запас и поток: два разных вопроса
Круговорот — совокупность взаимосвязанных переносов и превращений вещества между природными резервуарами. У круговорота нет единственной начальной точки и обязательной одинаковой длительности всех путей.
Запас показывает, сколько вещества находится в выбранном резервуаре в данный момент. Поток показывает, сколько его переходит за единицу времени. Для сравнения сначала выбирают одну величину: например, массу воды или массу элемента N.
Озеро — резервуар; 1000 м3 воды в нём — запас. Приток 20 м3 в сутки — поток, а испарение — название процесса. Единицы помогают различать ответы: м3 и м3/сутки обозначают разные величины. Даже при постоянном запасе через резервуар может проходить большой поток.
Если все поступления и потери за выбранный интервал учтены в одинаковых единицах, применяют баланс:
Конечный запас = начальный запас + поступило − убыло.
При химических превращениях удобнее считать массу выбранного элемента: масса его соединения меняется также за счёт других элементов. Закон сохранения не требует постоянства каждого отдельного запаса.
Вода: перенос и изменения состояния
Основные резервуары воды — океан, поверхностные и подземные воды, лёд, атмосфера и организмы. Испарение переносит воду в атмосферу; растения участвуют в этом через транспирацию — выделение водяного пара. При конденсации возникают капли; осадки возвращают воду к поверхности. Дальше возможны поверхностный сток и инфильтрация — просачивание в грунт. Подземная вода тоже движется и может питать реки.
При испарении молекулы H2O сохраняются: пар не является смесью H2 и O2. Белое облако — капли или кристаллики, а не сам невидимый пар. Солнечная энергия и сила тяжести поддерживают движение воды. Подробнее о состояниях и химических реакциях — в уроке о воде.
Разбор: запас изменился, круговорот продолжается
В условной модели в озере было 1000 м3 воды. За сутки поступило 120 м3, со стоком ушло 90 м3, испарилось 20 м3. Других поступлений и потерь нет. Все объёмы потоков, включая испарившуюся воду, приведены к объёму жидкой воды при одной плотности; это не объём водяного пара.
Vкон = 1000 + 120 − 90 − 20 = 1010 м3.
Запас вырос на 10 м3, хотя за сутки из озера выбыло 110 м3. «Вода возвращается в природе» не означает, что каждое озеро ежедневно получает ровно столько, сколько теряет. Чистота воды — отдельный вопрос: перенос воды не гарантирует удаления всех растворённых примесей.
Углерод: меняется и резервуар, и химическая форма
Углерод находится в атмосферном CO2, живом веществе и почве, растворённых формах в океане, карбонатных породах и ископаемом топливе. Фотосинтез связывает углерод CO2 в органических веществах; дыхание и разложение возвращают часть углерода в CO2. В природе существуют быстрые и медленные пути, поэтому один замкнутый рисунок не задаёт одинакового времени оборота всех запасов.
Для материального баланса фотосинтеза используют школьную суммарную запись с глюкозой как выбранным продуктом:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 (свет, фотосинтетическая система).
Для фотосинтеза нужен приток световой энергии. При дыхании часть энергии передаётся окружающей среде в виде теплоты; возвращение вещества не создаёт заново солнечный свет. Суммарная запись не означает одну стадию или образование только свободной глюкозы. При полном аэробном окислении глюкозы суммарный баланс обратный, но биохимические пути различны. Растения тоже дышат; дыхание продолжается и в темноте. Подробный разбор уже есть в теме углеводов и фотосинтеза.
Океан обменивается CO2 с атмосферой, а растворённый неорганический углерод представлен не только молекулами CO2, но и гидрокарбонатными и карбонатными формами. Поглощение океаном не бесконечно и не устраняет все последствия роста атмосферного CO2. Свойства газа разобраны в уроке об углероде и его оксидах.
Разбор: масса CO2 не равна массе углерода
В условной модели из атмосферы связали 44 г CO2, а затем при дыхании вернули 22 г CO2. Других углеродных потоков нет. Примем M(CO2) = 44 г/моль, M(C) = 12 г/моль.
m(C)связано = 44 · 12/44 = 12 г; m(C)возвращено = 22 · 12/44 = 6 г.
Органический резервуар получил в итоге 6 г углерода. Это не масса всей новой биомассы: в неё входят и другие элементы, а для сырой массы нужно дополнительно учитывать воду. Тот же баланс атмосферы составляет −6 г C, или −22 г CO2 в принятой модели.
Азот: не всякая форма одинаково доступна
Большой атмосферный запас N2 не означает, что любое растение непосредственно использует этот газ. Некоторые микроорганизмы способны к биологической фиксации: переводу азота N2 в восстановленные соединения, из которых образуется органический азот. Для питания растений важны, в частности, NH4+ и NO3−; возможности их усвоения зависят от организма и условий.
| Процесс | Что происходит с азотом | Чего не следует путать |
|---|---|---|
| Фиксация | Азот N2 связывается в соединения; биологический путь осуществляют определённые микроорганизмы. | Это не простое растворение N2 и не обязательная способность любого растения. |
| Усвоение | Из доступных соединений строятся азотсодержащие вещества организма. | Получение растением нитрата не тождественно фиксации атмосферного газа. |
| Аммонификация | Органический азот остатков и выделений переходит в аммиачную/аммонийную форму. | Это не превращение нитрата в N2. |
| Нитрификация | При обычном аэробном пути NH4+ последовательно окисляется через NO2− до NO3−. | Азот не исчезает и не превращается в новый элемент. |
| Денитрификация | При подходящих восстановительных условиях нитратный азот через промежуточные формы может возвращаться в N2. | Одна стрелка не означает одну стадию; возможны и другие газообразные продукты, например N2O. |
На схеме меняются форма и местонахождение N. Для баланса суммируют массу азота во всех учитываемых формах, а не складывают без пересчёта массы NH4+ и NO3−. Например, если в замкнутой учебной системе из 8 г аммонийного азота 3 г перешли в нитратный, осталось 5 г аммонийного и появилось 3 г нитратного: всего по-прежнему 8 г N. Кислород, водород и заряды учитывают отдельно в полных уравнениях.
Различие NH3, NH4+ и их кислотно-основных превращений повторите в уроке об азоте и аммиаке.
Как деятельность человека меняет потоки
Забор подземной воды и изменение поверхности территории меняют водные потоки и запасы. Сжигание ископаемого топлива переносит углерод из геологического запаса в атмосферу быстрее, чем его возвращают многие медленные пути. Удобрения увеличивают поступление доступных соединений азота; часть может попасть со стоком в водоёмы. Избыточное питание способно усилить рост водорослей, а разложение накопившегося органического вещества — расход растворённого кислорода.
Поэтому замкнутость общей схемы не гарантирует постоянства концентраций или экологической безопасности. Нужны данные о поступлении, удалении, объёме среды и времени. Примените это различие к загрязнениям, ПДК и обращению с ресурсами.
Восемь вопросов с объяснениями
Распределите три записи: «подземная вода», «500 м3 в водоносном слое», «инфильтрация 15 м3/сутки». Где резервуар, запас и поток?
Ответ с объяснением
Подземная вода задаёт природный резервуар; 500 м3 — запас на выбранный момент; 15 м3/сутки — величина потока. Само слово «инфильтрация» называет процесс, а число с единицей времени — его темп в данной модели.
В водохранилище было 2000 м3. За интервал поступило 300 м3, ушло со стоком 240 м3, испарилось 80 м3. Других потоков нет; все объёмы приведены к жидкой воде при одной плотности. Найдите конечный запас. Нарушается ли сохранение вещества?
Ответ с объяснением
2000 + 300 − 240 − 80 = 1980 м3 в принятой объёмной модели. Запас уменьшился на 20 м3, но вода учтена во внешних потоках; её уменьшение в одном резервуаре не означает исчезновения вещества.
Ученик объясняет осадки так: «Над океаном H2O распадается на H2 и O2, а в облаке они соединяются». Исправьте объяснение.
Ответ с объяснением
Обычное испарение переносит H2O в газовую фазу без такого разложения. При охлаждении и конденсации возникают капли; возможны ледяные частицы. Электролиз воды — другое, химическое превращение с затратой энергии.
В изолированной для учёта углерода модели связали 88 г CO2, затем вернули в атмосферу 22 г CO2. Найдите чистый прирост органического углерода при M(CO2) = 44 г/моль, M(C) = 12 г/моль. Равен ли он массе всей биомассы?
Ответ с объяснением
Из атмосферы в итоге убыло 66 г CO2; это 66 · 12/44 = 18 г C. Столько углерода прибавилось в учтённом органическом резервуаре. Масса биомассы не определяется: нужны доли остальных элементов и, при необходимости, воды.
Доказывает ли отсутствие света, что растение совсем не выделяет CO2? Достаточно ли одного дневного измерения фотосинтеза для суточного баланса углерода?
Ответ с объяснением
Нет: дыхание растения продолжается и в темноте. Для суточного баланса нужны потоки за весь интервал, включая дыхание и другие учитываемые переносы. Один положительный поток не равен чистому приросту запаса.
Сопоставьте: N2 связан микроорганизмами; NH4+ окислен через нитрит до нитрата; нитратный азот восстановлен до N2. Какие процессы названы? Все ли они являются фиксацией?
Ответ с объяснением
Соответственно фиксация, нитрификация и денитрификация. Только первый процесс связывает атмосферный N2. Второй меняет форму уже связанного азота, третий возвращает часть связанного азота в газообразную форму.
В учебной замкнутой системе было 10 г аммонийного азота. После нитрификации осталось 4 г аммонийного азота; других азотных превращений и потерь нет. Сколько азота перешло в нитратную форму? Сколько азота всего?
Ответ с объяснением
В нитратной форме 10 − 4 = 6 г N, всего 4 + 6 = 10 г N. Это массы элемента, а не массы ионов. Из них нельзя получить массу всего раствора без дополнительных данных.
После увеличения притока соединений азота водоём «зацвёл», а позднее содержание O2 уменьшилось. Почему из этой записи нельзя заключить, что нитраты просто «сгорели», непосредственно израсходовав весь кислород?
Ответ с объяснением
Один из возможных путей — усиление роста организмов и последующее дыхание/разложение органического вещества с расходом O2. Учитывают также другие процессы и обмен с атмосферой. Наблюдение не задаёт одной реакции нитрата и не является полным кислородным балансом.
Связанные темы и источники
Повторите воду, углерод и оксиды, азот и аммиак; для развёрнутого фотосинтеза перейдите к углеводам. Расчёты концентраций и экологический смысл связаны с химией окружающей среды.
Научная опора: USGS: резервуары и потоки воды; NASA: круговорот углерода; NASA: обмен углерода с океаном; OpenStax: биогеохимические циклы; USGS: азот в поверхностных и подземных водах. Схемы, численные условия и вопросы созданы для этого курса; они не являются данными конкретного водоёма или экосистемы.