Кругообіг вуглецю в атмосфері, вплив зростання вмісту діоксиду вуглецю на метаболічні процеси у рослин

Міністерство освіти, науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

 

Харківська національна  академія міського господарства

 

 

 

 

 

 

 

Контрольна  робота № 3

на тему: «Кругообіг вуглецю в атмосфері, вплив зростання вмісту діоксиду вуглецю на метаболічні процеси у рослин»

з дисципліни «Метеорологія і кліматологія»

студента заочної  форми навчання ІІI курсу

спеціальності ЕОНС

шифр залікової  книжки 211058

Кучма Тетяни Олександрівни

 

                    Перевірив:

Виставна Ю.Ю.

 

Харків – ХНАМГ  – 2012

З М  І С Т

 

1. Атмосферне повітря

 

2. Кругообіг вуглецю в атмосфері

 

3. Діоксид  вуглецю

 

4. Вплив діоксиду вуглецю на метаболічні процеси у рослин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Атмосферне  повітря

 

 

              Атмосферне повітря — це фізична суміш газів, які у зв'язку зі зміною густини атмосфери на різних висотах змінюють лише свій парціальний тиск. Практично співвідношення різних газів атмосфери однакове до висоти 80— 100 км. Крім постійних складників атмосфери, у ній можуть міститися як різноманітні домішки природного походження, так і забруднення, зумовлені антропогенною дією. Постійний газовий склад атмосфери підтримується за рахунок біологічного колообігу речовин екологічних систем біосфери, невід'ємною складовою частиною якої є атмосфера, а також за рахунок безперервного переміщення мас повітря в горизонтальному і вертикальному напрямках.

              Головними компонентами цієї складної суміші газів, які не є хімічною сполукою, слід вважати азот і кисень. Конкретніші відомості про хімічний склад атмосферного повітря наведено в табл. 2.

 

 

 

             Кисень є основним складником повітря. Без нього неможливе життя. Це безбарвний газ, добре розчиняється у воді, і йому зобов'язане все живе на Землі своїм виникненням та існуванням. Кисень входить майже до всіх органічних речовин. Його наявність у повітрі потрібна для дихання, горіння і гниття. Джерелом кисню у природі є фотосинтез. Зелені рослини, використовуючи сонячну енергію, поглинають воду й діоксид вуглецю з повітря і виробляють вуглець, потрібний їм для харчування та росту. При цьому вони виробляють вільний кисень. Унаслідок фотосинтезу рослинність Землі утворює понад 100 млрд тонн органічних речовин. У процесі фотосинтезу засвоюється близько 200 млрд тонн діоксиду вуглецю і виділяється в навколишнє середовище приблизно 145 млрд тонн вільного кисню. Процесами фотосинтезу головним чином визначається колообіг кисню в природі і зберігається постійний склад атмосферного повітря. Слід також врахувати, що внаслідок згоряння великої кількості палива, корозії металів та інших хімічних процесів атмосфера Землі втрачає щорічно понад 10 млрд тонн кисню.

              В організмі людини міститься 65% кисню. У стані спокою людина поглинає за годину 25 л кисню і виділяє 22,6 л вуглецю діоксиду. Усі тканини і клітини організму людини безперервно поглинають кисень. Добова потреба у кисні варіює в межах від 300 до 1000 л. і більше залежно від фізичного навантаження. У табл. 3 наведено склад атмосферного і видихуваного повітря.

 

 

 

 

 

 

 

Кругообіг вуглецю в атмосфері

               Біологічний колообіг вуглецю пов’язаний з життєдіяльністю організмів. Біологічний цикл полягає в тому, що вуглець у вигляді СО₂ поглинається із тропосфери рослинами. Потім із біосфери знову повертається в геосферу : з рослинами вуглець потрапляє до організму тварин та людини, а потім при гнитті тваринних та рослинних матеріалів – до ґрунту, і у вигляді СО₂ – до атмосфери.

               Вуглець – основний біогенний елемент. Він відіграє важливу роль в утворенні живої речовини біосфери. Вуглекислий газ із атмосфери в процесі фотосинтезу, який здійснюють зелені рослини, асимілюється і перетворюється на численні різноманітні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорганізми, морський фітопланктон, завдяки виключній швидкості розмноження, виробляють на рік близько

1,5• 107 т вуглецю у вигляді органічної маси.

               Рослини часто поїдаються тваринами. При цьому утворюються більш або менш складні трофічні зв’язки. В остаточному підсумку органічна речовина в результаті дихання організмів, розкладу їхніх трупів, процесів бродіння, гниття та горіння перетворюється на вуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які, в свою чергу, дають початок багатьом іншим каустобіолітам – кам’яному вугіллю, нафті, горючим газам. Біологічний цикл вуглецю закінчується або окисненням і поверненням у атмосферу, або відкладенням у вигляді вугілля або нафти.

               В процесах розпаду органічних речовин величезну роль відіграють бактерії та гриби. В активному колообігу вуглецю бере участь дуже невелика частка всієї його маси.    

Величезну кількість вугільної  кислоти законсервовано у вигляді  вапняків та інших порід. Між вуглекислим  газом атмосфери і води океану, в свою чергу, існує рухома рівновага.

               Водні організми поглинають вуглекислий кальцій, утворюють свої кістяки, а потім з них утворюються пласти вапняків. Із атмосфери було вилучено і захоронено в десятки тисяч разів більше вуглекислого газу, ніж в ній перебуває зараз. Атмосфера поповнюється вуглекислим газом завдяки процесам розкладу органічної речовини, карбонатів тощо, а також в результаті індустріальної діяльності людини. Особливо потужним джерелом є вулкани, гази яких складаються головним чином із вуглекислого газу та водяної пари. Деяка частина вуглекислого газу і води, що виділяються при вивержені вулканів, виділяється з осадових порід, зокрема вапняків, при контакті магми з ними і їх асиміляції магмою. В процесі колообігу вуглецю відбувається неодноразове його фракціонування по ізотопному складу, особливо у магматогенному процесі (утворення СО2, алмазів, карбонатів), при біогенному перетворенні органічної речовини (вугілля, нафти, тканин організмів тощо).

              Життя на Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються відносно невеликою кількістю вуглецю, що бере участь у малому колообігу і міститься в тканинах рослин та тварин.

 

              Вуглець бере участь у повільному геологічному колообігу.

              За останні 200 років відбулися значні зміни в континентальних екосистемах внаслідок зростання антропогенного впливу. Коли землі, зайняті лісами і травами перетворюються на сільськогосподарські угіддя, органічна речовина, тобто жива речовина рослин і мертва органічна речовина ґрунтів, окиснюється і потрапляє в атмосферу в формі СО₂. Якась кількість елементарного вуглецю може бути похована в ґрунті у вигляді деревного вугілля (як продукт, що залишився від згоряння лісу) і, таким чином, вилучатися із швидкого обігу в вуглецевому циклі. Вміст вуглецю в різних компонентах екосистем змінюється, оскільки відновлення і деструкція органічної речовини залежать від географічної широти і типу рослинності. Були проведені численні дослідження, які мали на меті розв’язати існуючу невизначеність в оцінці змін запасів вуглецю в континентальних екосистемах. Очевидно, інтенсивність фотосинтезу зростає зі збільшенням концентрації СО₂ в атмосфері. Основні характеристики глобального вуглецевого циклу добре вивчені. Стало можливим створення кількісних моделей, які можуть бути покладені в основу прогнозів підвищення концентрації в атмосфері при використанні певних сценаріїв викиду.

              Якщо інтенсивність викидів в атмосферу залишиться постійною, або буде зростати дуже повільно, то до кінця ХХІ століття концентрація атмосферного СО₂ не більше, ніж на 60% перевищить доіндустріальний рівень. Якщо інтенсивність викидів протягом найближчих чотирьох десятиріч зростатиме в середньому на 1-2% за рік в майбутньому темпи і зростання сповільняться, то подвоєння вмісту СО₂ в атмосфері порівняно з доіндустріальним рівнем відбудеться до кінця ХХІ століття.

              Більше 99 % вуглецю в атмосфері знаходиться у вигляді вуглекислого газу.

 

                                                          Вуглекислий газ в атмосфері

 

 

              Зміни концентрації атмосферної вуглекислоти ( крива Кілінг). Вимірювання в обсерваторії на горі Мауна-Лоа, Гаваї.

              Щорічні коливання концентрації атмосферної вуглекислоти на планеті визначаються, головним чином, рослинністю середніх (40-70 ) широт Північної півкулі.

              Вегетація в тропіках практично не залежить від сезону, сухий пояс пустель 20-30 (обох півкуль) дає малий внесок у кругообіг вуглекислоти, а смуги суші, найбільш вкриті рослинністю, розташовані на Землі асиметрично (в Південній півкулі в середніх широтах знаходиться океан).

             Тому з Березень по Вересень внаслідок фотосинтезу вміст СО₂ в атмосфері падає, а з Жовтня по Лютий - підвищується. Вклад в зимовий приріст дають як окислення деревини (гетеротрофне дихання рослин, гниття, розкладання гумусу, лісові пожежі), так і спалювання викопних палив ( вугілля, нафти, газу), помітно збільшується в зимовий сезон.

Діоксид Вуглецю

 

               Діоксид вуглецю (С0₂) міститься в чистому атмосферному повітрі в кількості 0,03%. Це безбарвний газ, кислуватий на смак, зі своєрідним запахом, розчинний у воді. Джерелом діоксиду вуглецю служить в основному дихання людей, тварин, частинки рослин, процеси розкладання органічних речовин та виділення газу з ґрунту.

               Велику роль у збереженні рівноваги діоксиду вуглецю в атмосфері відіграє відкрита поверхня морів і океанів. На вміст діоксиду вуглецю в атмосфері істотно впливає згорання палива. Нагромадження цього газу протягом останніх десятиріч досягло рівня, що становить щорічно 5 млрд тонн вуглецю. Ці додаткові кількості діоксиду вуглецю тягнуть за собою небажані наслідки. Оскільки діоксид вуглецю має властивість пропускати короткохвильову сонячну радіацію і затримувати вихідну довгохвильову радіацію, виникає так званий парниковий ефект, який призводить до розігрівання атмосфери. Крім того, змінюється прозорість атмосфери внаслідок підвищення вмісту аерозолю в повітрі, отже, змінюється радіаційний режим. Над містами утворюються "острови теплоти" з температурою повітря на 2 — 3 °С вищою, ніжу приміських зонах, а це, своєю чергою, негативно впливає на мікроклімат і біосферу навколишніх районів. Регулятором вмісту вуглецю діоксиду в атмосферному повітрі є рослинний світ. Великі нагромадження вуглецю діоксиду спостерігаються в герметично замкнених приміщеннях, у бродильних приміщеннях пивоварних заводів, у цехах цукрового та інших виробництв, у глибоких колодязях і шахтах.

               Фізіологічна роль діоксиду вуглецю полягає в тому, що його вміст у повітрі легенів і крові впливає на нормальний процес дихання. Споживання кисню клітинами організму супроводжується утворенням діоксиду вуглецю, який під час дихання виділяється з організму. Кількісне відношення виділеного діоксиду вуглецю до вдихуваного кисню, тобто дихальний коефіцієнт, становить 0,7—1,0. Отже, діоксид вуглецю є антагоністом кисню в організмі і головним регулятором дихання.     

               Підвищення вмісту вуглецю діоксиду у вдихуваному повітрі негативно впливає на організм. За наявності 3% С0₂ у повітрі дихання людини прискорюється і поглиблюється, а поступове його підвищення спричинює відчуття тиску в голові і головний біль, шум у вухах, психічне збудження. Наявність у повітрі 20% вуглецю діоксиду через кілька секунд зумовлює параліч мозкових центрів.

               Небезпека нагромадження вуглецю діоксиду в повітрі закритих приміщень збільшується у зв'язку з тим, що одночасно супроводжується зменшенням відсоткового вмісту кисню в повітрі.

               Санітарно-гігієнічне значення діоксиду вуглецю, на думку професора М. Петенкофера, полягає в тому, що у повітрі житлових приміщень, навіть у разі антисанітарного їхнього утримання, кількість С0₂ не впливає шкідливо на організм людини. Одначе разом із накопиченням вуглецю діоксиду у повітрі паралельно нагромаджуються різні інші шкідливі газоподібні речовини, які зумовлюють виникнення неприємного "житлового повітря" і шкідливо впливають на організм людини. Отже, діоксид вуглецю є відносним показником токсичності повітря, спричиненої іншими речовинами, і тому гігієнічною нормою вуглецю діоксиду в повітрі житлових приміщень прийнято вважати зменшений його вміст, що досягає лише 1%. Таким чином, діоксид вуглецю є пасивним показником ступеня чистоти повітря житлових приміщень. Ця норма служить основою для розрахунків проектування і облаштування вентиляції приміщень.

 

 

Вплив діоксиду вуглецю на метаболічні  процеси у рослин

Структура аденозинтрифосфату - головного                                                                                                посередника в енергетичному  обміні речовин

 

              Метаболізм (від грецької - "Перетворення, зміна"), або обмін речовин - набір хімічних реакцій, які виникають в живій організмі для підтримки життя. Ці процеси дозволяють організмам рости і розмножуватися, зберігати свої структури і відповідати на дії навколишнього середовища.

              Досліджень з впливу СО₂  багато. Основні з них були сфокусовані в останні 10 років на застосуванні технічного СО₂ в теплицях.

               Складніше знайти наукові вишукування по впливу СО₂ на с / г культури на відкритому ґрунті. Їх майже немає. Парадоксальним чином саме дискусії останніх років про глобальне потепління надали допомогу нашим дослідженням. Спочатку було проведено дослідження про те, як будуть реагувати рослини на підвищення вмісту СО₂. І результати виявилися приголомшливими.

(див. відео на:http://www.co2science.org/education/truthalerts/v13/cowpea.php)

               Фотосинтез протікає у більшості рослин при наявності 0,04% CO₂ (400 ppm) у повітрі лише субоптимально. Максимальний результат досягається при дозуванні в 3-5 разів вище, тобто при утриманні (800-1500 ppm)% Vol CO₂.