Syklusen av stoffer i biosfæren er en syklisk, gjentatt gjentatt prosess med felles, sammenkoblet transformasjon og bevegelse av stoffer. Tilstedeværelsen av syklusen av stoffer er en nødvendig betingelse eksistensen av biosfæren. Etter å ha blitt brukt av noen organismer, må stoffer omdannes til en form som er tilgjengelig for andre organismer. En slik overgang av stoffer fra en kobling til en annen krever energiforbruk, derfor er det bare mulig med deltakelse av solenergi. Ved bruk av solenergi oppstår to sammenkoblede sykluser av stoffer på planeten: stor - geologisk og liten - biologisk (biotisk).
Geologisk syklus av stoffer- prosessen med migrering av stoffer, utført under påvirkning av abiotiske faktorer: forvitring, erosjon, vannbevegelse, etc. Levende organismer deltar ikke i den.
Med fremveksten av levende materie på planeten, biologisk (biotisk) syklus. Alle levende organismer tar del i det, absorberer noen stoffer fra miljøet og frigjør andre. For eksempel, i løpet av livet, forbruker planter karbondioksid, vann, mineraler og frigjør oksygen. Dyr bruker oksygen frigjort av planter for å puste. De spiser planter og assimilerer som et resultat av fordøyelsen organiske stoffer som dannes under fotosyntesen. De frigjør karbondioksid og ufordøyd matrester. Etter at planter og dyr dør, danner de en masse dødt organisk materiale (detritus). Detritus er tilgjengelig for nedbrytning (mineralisering) av mikroskopiske sopp og bakterier. Som et resultat av deres vitale aktivitet kommer ytterligere mengder inn i biosfæren. karbondioksid. Og organiske stoffer omdannes til de originale uorganiske komponentene - biogener. De resulterende mineralforbindelsene, som kommer inn i vannmasser og jord, blir igjen tilgjengelige for planter for fiksering gjennom fotosyntese. Denne prosessen gjentas i det uendelige og er lukket i naturen (sirkulasjon). For eksempel passerer alt atmosfærisk oksygen langs denne banen i løpet av omtrent 2 tusen år, og karbondioksid tar omtrent 300 år å gjøre dette.
Energien i organisk materiale avtar når det beveger seg gjennom næringskjeder. Mest av det spres i miljøet i form av varme eller brukes på å opprettholde de vitale prosessene til organismer. For eksempel på respirasjon av dyr og planter, transport av stoffer i planter, så vel som på prosessene for biosyntese av levende organismer. I tillegg inneholder ikke biogenene som dannes som følge av aktiviteten til nedbrytere, energi tilgjengelig for organismer. I i dette tilfellet vi kan bare snakke om strømmen av energi i biosfæren, men ikke om syklusen. Derfor er betingelsen for en bærekraftig eksistens av biosfæren konstant sirkulasjon av stoffer og energiflyt i biogeocenoser.
Geologisk og biologisk syklus Sammen danner de en generell biogeokjemisk syklus av stoffer, som er basert på syklusene nitrogen, vann, karbon og oksygen.
Nitrogen syklus
Nitrogen er et av de vanligste grunnstoffene i biosfæren. Hovedtyngden av biosfærens nitrogen finnes i atmosfæren i gassform. Som du vet fra et kjemikurs er de kjemiske bindingene mellom atomer i molekylært nitrogen (N 2) veldig sterke. Derfor er de fleste levende organismer ikke i stand til å bruke det direkte. Derfor er et viktig stadium i nitrogensyklusen dens fiksering og konvertering til en form som er tilgjengelig for organismer. Det er tre måter å fiksere nitrogen på.
Atmosfærisk fiksering. Under påvirkning av atmosfæriske elektriske utladninger (lyn) kan nitrogen reagere med oksygen og danne nitrogenoksid (NO) og dioksid (NO 2). Nitrogenoksid (NO) oksideres veldig raskt av oksygen og omdannes til nitrogendioksid. Nitrogendioksid løses opp i vanndamp og kommer inn i jorda i form av salpetersyre (HNO 2) og salpetersyre (HNO 3) med nedbør. I jorda, som et resultat av dissosiasjonen av disse syrene, dannes nitritt (NO 2 –) og nitrationer (NO 3 –). Nitritt og nitrationer kan allerede absorberes av planter og inkluderes i det biologiske kretsløpet. Atmosfærisk nitrogenfiksering står for ca. 10 millioner tonn nitrogen per år, som er ca. 3 % av årlig nitrogenfiksering i biosfæren.
Biologisk fiksering. Det utføres av nitrogenfikserende bakterier, som omdanner nitrogen til former som er tilgjengelige for planter. Takket være mikroorganismer er omtrent halvparten av alt nitrogen bundet. De mest kjente bakteriene er de som fikserer nitrogen i knuter på belgfrukter. De leverer nitrogen til planter i form av ammoniakk (NH 3). Ammoniakk er svært løselig i vann og danner ammoniumion (NH 4+), som absorberes av planter. Derfor er belgfrukter de beste forgjengerne til kulturplanter i vekstskifte. Etter at dyr og planter dør og nedbrytningen av restene deres, blir jorda beriket med organiske og mineralske nitrogenforbindelser. Deretter bryter forråtningsaktive (ammonifiserende) bakterier ned nitrogenholdige stoffer (proteiner, urea, nukleinsyrer) fra planter og dyr til ammoniakk. Denne prosessen kalles ammonifikasjon. Mesteparten av ammoniakken oksideres deretter ved å nitrifisere bakterier til nitritter og nitrater, som igjen brukes av planter. Nitrogen føres tilbake til atmosfæren gjennom denitrifikasjon, som utføres av en gruppe denitrifiserende bakterier. Som et resultat reduseres nitrogenforbindelser til molekylært nitrogen. En del av nitrogenet i nitrat- og ammoniumformer kommer inn i akvatiske økosystemer med overflateavrenning. Her tas nitrogen opp vannlevende organismer eller kommer inn i organiske sedimenter i bunnen.
Industriell fiksering. En stor mengde nitrogen fikseres årlig industrielt under produksjon av mineralsk nitrogengjødsel. Nitrogen fra slik gjødsel absorberes av planter i ammonium- og nitratformer. Volumet av nitrogengjødsel produsert i Hviterussland er for tiden rundt 900 tusen tonn per år. Den største produsenten er OJSC GrodnoAzot. Denne bedriften produserer urea, ammoniumnitrat, ammoniumsulfat og annen nitrogengjødsel.
Omtrent 1/10 av kunstig tilført nitrogen brukes av planter. Resten går inn i akvatiske økosystemer med overflateavrenning og grunnvann. Dette fører til akkumulering av store mengder nitrogenforbindelser i vannet, tilgjengelig for absorpsjon av planteplankton. Som et resultat er rask spredning av alger (eutrofiering) og, som et resultat, død i akvatiske økosystemer mulig.
Vannets kretsløp
Vann er hovedkomponenten i biosfæren. Det er et medium for oppløsning av nesten alle elementer i løpet av syklusen. Det meste av biosfærevannet er representert av flytende vann og vann evig is(mer enn 99 % av alle vannreserver i biosfæren). En liten del av vannet er i gassform - dette er atmosfærisk vanndamp. Biosfærens vannsyklus er basert på det faktum at fordampningen fra jordens overflate kompenseres av nedbør. Når vann når landoverflaten i form av nedbør, bidrar det til ødeleggelse av bergarter. Dette gjør mineralene som gjør dem tilgjengelige for levende organismer. Det er fordampningen av vann fra planetens overflate som bestemmer dens geologiske syklus. Den bruker omtrent halvparten av den innfallende solenergien. Fordampningen av vann fra overflaten av hav og hav skjer raskere enn det kommer tilbake med nedbør. Denne forskjellen kompenseres av overflate- og dypavrenning på grunn av det faktum at nedbør råder over fordampning på kontinentene.
Økningen i intensiteten av vannfordampning på land skyldes i stor grad den vitale aktiviteten til planter. Planter trekker vann fra jorda og overfører det aktivt til atmosfæren. Noe av vannet i plantecellene brytes ned under fotosyntesen. I dette tilfellet fikseres hydrogen i form av organiske forbindelser, og oksygen slippes ut i atmosfæren.
Dyr bruker vann for å opprettholde osmotisk og saltbalanse i kroppen og frigjøre det til det ytre miljøet sammen med metabolske produkter.
Karbon syklus
Karbon som et kjemisk grunnstoff er tilstede i atmosfæren som karbondioksid. Dette bestemmer den obligatoriske deltakelsen av levende organismer i syklusen til dette elementet på planeten Jorden. Hovedveien som karbon tas fra uorganiske forbindelser går over i sammensetningen av organiske stoffer, hvor det er et obligatorisk kjemisk element - dette er prosessen med fotosyntese. Noe karbon slippes ut i atmosfæren som karbondioksid under respirasjon av levende organismer og under nedbrytning av dødt organisk materiale av bakterier. Karbonet som absorberes av planter konsumeres av dyr. I tillegg bruker korallpolypper og bløtdyr karbonforbindelser for å bygge skjelettstrukturer og skjell. Etter at de dør og legger seg, dannes det kalksteinavsetninger i bunnen. Dermed kan karbon utelukkes fra syklusen. Fjerning av karbon fra syklusen over en lang periode oppnås gjennom dannelse av mineraler: kull, olje, torv.
Gjennom hele planetens eksistens ble karbon som ble fjernet fra syklusen kompensert ved at karbondioksid kom inn i atmosfæren når vulkanutbrudd og under andre naturlige prosesser. For tiden har naturlige prosesser for karbonpåfylling i atmosfæren blitt supplert med betydelige menneskeskapt påvirkning. For eksempel når du brenner hydrokarbonbrensel. Dette forstyrrer karbonsyklusen på jorden, som har vært regulert i århundrer.
En økning i karbondioksidkonsentrasjonen over et århundre på bare 0,01 % har ført til en merkbar manifestasjon av drivhuseffekten. Den gjennomsnittlige årlige temperaturen på planeten økte med 0,5 ° C, og nivået på verdenshavet steg med nesten 15 cm. Ifølge forskere, hvis den gjennomsnittlige årlige temperaturen øker med ytterligere 3-4 ° C, vil den evige isen begynne å smelte. Samtidig vil nivået på verdenshavet stige med 50-60 cm, noe som vil føre til oversvømmelse av en betydelig del av landet. Dette regnes som globalt økologisk katastrofe, fordi omtrent 40 % av jordens befolkning bor i disse territoriene.
Oksygen syklus
I biosfærens funksjon spiller oksygen en ekstremt viktig rolle i de metabolske prosessene og respirasjonen til levende organismer. Nedgangen i mengden oksygen i atmosfæren som et resultat av respirasjonsprosessene, drivstoffforbrenning og forfall kompenseres av oksygenet som frigjøres av planter under fotosyntesen.
Oksygen ble dannet i jordens primære atmosfære mens den avkjølte seg. På grunn av sin høye reaktivitet gikk den fra gassform til sammensetningen av forskjellige uorganiske forbindelser (karbonater, sulfater, jernoksider, etc.). Dagens oksygenholdige atmosfære på planeten ble dannet utelukkende på grunn av fotosyntese utført av levende organismer. Oksygeninnholdet i atmosfæren har vært stigende til dagens nivå i lang tid. Å opprettholde kvantiteten på et konstant nivå er foreløpig bare mulig takket være fotosyntetiske organismer.
Dessverre har menneskelig aktivitet, som har ført til avskoging og jorderosjon de siste tiårene, redusert intensiteten av fotosyntesen. Og dette forstyrrer i sin tur det naturlige forløpet til oksygensyklusen over store områder av jorden.
En liten del av atmosfærisk oksygen er involvert i dannelsen og ødeleggelsen av ozonskjermen under påvirkning av ultrafiolett stråling fra solen.
Grunnlaget for den biogene syklusen av stoffer er solenergi. Hovedbetingelsen for en bærekraftig eksistens av biosfæren er konstant sirkulasjon av stoffer og energiflyt i biogeocenoser. Levende organismer spiller en stor rolle i nitrogen-, karbon- og oksygensyklusene. Grunnlaget for den globale vannsyklusen i biosfæren er gitt av fysiske prosesser.
I dag forvandler planter og dyr det naturlige miljøet. Eksempler på dette er korallrev i havet, torvavsetninger i sumper, spredning av lav, spredning av alger som ødelegger fjell og mikroorganismer. Nesten alle kjemiske elementer deltar i den biologiske syklusen periodiske tabell D.I. Mendeleev, men blant dem skiller de viktigste, vitale seg ut.
Karbon. Kilder til karbon i naturen er like mange som de er forskjellige. I mellomtiden er det bare karbondioksid, som enten er i gassform i atmosfæren eller i oppløst tilstand i vann, som er kilden til karbon som tjener som grunnlag for å behandle det til organisk materiale til levende vesener. Karbondioksid fanget av planter omdannes til sukker under fotosyntesen, og omdannes til proteiner, lipider etc. ved andre biosyntetiske prosesser Disse ulike stoffene tjener som karbohydraternæring for dyr og ikke-grønne planter. På den annen side respirerer alle organismer og frigjør karbon til atmosfæren i form av karbondioksid. Når døden inntreffer, brytes saprofagene ned og mineraliserer lik, og danner næringskjeder, på slutten av hvilke karbon ofte kommer inn i syklusen igjen i form av karbondioksid (den såkalte "jordrespirasjonen"). Akkumulering av døde plante- og dyrerester bremser karbonsyklusen: saprofage dyr og saprofytiske mikroorganismer som lever i jorda, omdanner restene som er akkumulert på overflaten til humus. Graden av påvirkning av organismer på humus er langt fra den samme, og kjedene av sopp og bakterier som fører til den endelige mineraliseringen av karbon er av ulik lengde. Som regel brytes humus raskt ned.
Noen ganger kan kjeden være kort og ufullstendig. I dette tilfellet er forbrukerkjeden ikke i stand til å handle på grunn av mangel på luft eller for høy surhet, som et resultat av at organiske rester samler seg i form av torv og danner torvmyrer. I noen torvmyrer med frodig dekke av spagnummoser når torvlaget 20 m eller mer. Det er her syklusen stopper. Ansamlinger av fossile organiske forbindelser i form av petroleum indikerer at syklusen har avtatt på geologiske tidsskalaer.
Karbonsyklusen avtar også i vann ettersom karbondioksid samler seg i form av kritt, kalkstein, dolomitt eller korall. Ofte forblir disse karbonmassene utenfor syklusen i hele geologiske perioder til de stiger over havet. Fra dette øyeblikket, som et resultat av oppløsning av kalkstein og eller under påvirkning av lav, så vel som røttene til blomstrende planter, begynner inkluderingen av karbon og kalsium i syklusen.
NITROGEN. Nitrogensyklusen er ganske kompleks. inneholder 78 % nitrogen, men for at det skal kunne brukes av de aller fleste levende organismer, må det fikseres i form av visse kjemiske forbindelser. Nitrogenfiksering skjer under vulkansk aktivitet, under lynutladninger i atmosfæren og under forbrenning av meteoritter. Mikroorganismer, både frittlevende og levende på røttene og noen ganger på bladene til enkelte planter, er imidlertid av uforlignelig større betydning i prosessen med nitrogenfiksering. Av de frittlevende bakteriene er nitrogen fiksert av aerobe organismer (dvs. de som lever med tilgang til oksygen), samt anaerobe organismer (dvs. lever uten tilgang til oksygen). Mengden nitrogen fiksert av slike frittlevende bakterier varierer fra 2 - 3 kg til 5 - 6 kg per 1 ha per år. Blågrønnalger som lever i jorda spiller tilsynelatende en viss rolle i nitrogenfikseringen.
Når de kommer inn i jorda med stoffskifteprodukter og rester av planter og dyr, brytes organiske stoffer ned til mineralske stoffer, mens bakterier omdanner nitrogenet til organiske stoffer til ammoniumsalter.
Nitrogens evne til å endre valensen over et bredt spekter bestemmer dens spesifikke rolle i dannelsen av forskjellige organiske forbindelser.
Stor på overflaten av kloden er velkjent. Fordampning fra vannforekomster forårsaket av solenergi skaper atmosfærisk fuktighet. Denne fuktigheten kondenserer til skyer som bæres av vinden. Når skyene avkjøles, faller det nedbør i form av regn og snø. Nedbør absorberes av jorda eller flyter over overflaten. Vann går tilbake til hav og hav. Mengden vann som fordampes av planter er vanligvis stor. Hvis det er mye fuktighet og vann til planter, øker fordampningen. Ett bjørketre fordamper 75 liter vann per dag, bøk - 100 liter, lind - 200 liter og 1 hektar skog - fra 20 til 50 tusen liter. En bjørkeskog, massen av løvverk per 1 ha er bare 4940 kg, fordamper 47 tusen liter vann per dag, mens en granskog, massen av nåler per 1 ha er 31 tusen kg. - bare 43 tusen liter okser i latskap. Hvete bruker 3750 tonn vann per 1 hektar i utbyggingsperioden, noe som tilsvarer 375 mm nedbør.
Oksygen i kvantitative termer er hovedkomponenten i levende materie. Hvis vi tar hensyn til vannet i vevene, så inneholder for eksempel menneskekroppen 62,8% oksygen og 19,4% karbon. Betraktet som en helhet er oksygen, sammenlignet med karbon og hydrogen, dets hovedelement.
Oksygensyklusen er komplisert av det faktum at dette elementet kan danne mange kjemiske forbindelser. Som et resultat oppstår mange mellomliggende sykluser mellom og atmosfæren eller mellom og disse to miljøene.
Oksygen, fra en viss konsentrasjon, er svært giftig for celler og vev, selv i aerobe organismer. Den franske forskeren Louis Pasteur (1822 - 1895) beviste at ingen levende anaerob organisme tåler oksygenkonsentrasjoner som overstiger atmosfærisk oksygen med 1 % (Pasteur-effekt).
Oksygensyklusen skjer hovedsakelig mellom atmosfæren og levende organismer. Prosessen med å produsere og frigjøre oksygen som en gass under fotosyntese er det motsatte av prosessen med å konsumere det under respirasjon. I dette tilfellet blir organiske stoffer ødelagt og oksygen interagerer med hydrogen. I noen henseender ligner oksygensyklusen omvendt syklus av karbondioksid: bevegelsen til den ene skjer i motsatt retning av bevegelsen til den andre.
Svovel. Den dominerende delen av syklusen til dette elementet er av sedimentær natur og forekommer i jord og vann. Hovedkilden til svovel tilgjengelig for levende vesener er alle slags sulfater. Den gode løseligheten til mange sulfater i vann letter tilgangen til uorganisk svovel til økosystemer. Ved å absorbere sulfater gjenoppretter planter dem og produserer svovelholdige aminosyrer.
Ulike organiske avfall fra biocenosen brytes ned av bakterier, som til slutt produserer hydrogensulfid fra sulfoproteiner som finnes i jorda. Noen bakterier kan også produsere hydrogensulfid fra sulfater, som de reduserer under anaerobe forhold. Disse bakteriene, ved å bruke sulfater, får den energien som er nødvendig for deres metabolisme.
På den annen side er det bakterier som igjen kan oksidere hydrogensulfid til sulfater, noe som igjen øker tilførselen av svovel tilgjengelig for produsentene. Slike bakterier kalles kjemosyntetiske, siden de kan produsere cellulær energi uten deltakelse av lys, bare gjennom oksidasjon av enkle kjemikalier. Så i biosfæren inneholder sedimentære bergarter hovedreservene av svovel, som hovedsakelig finnes i form av pyritt, så vel som sulfater, for eksempel gips.
Fosfor. Fosforsyklusen er relativt enkel og svært ufullstendig. Fosfor er et av hovedbestanddelene i levende materie, der det er inneholdt i ganske store mengder. Fosforreserver tilgjengelig for levende vesener er helt konsentrert i litosfæren. De viktigste kildene til uorganisk fosfor er magmatiske bergarter (for eksempel apatitter) eller sedimentære bergarter (for eksempel fosforitter). Mineralfosfor er et sjeldent element i biosfæren; i jordskorpen er det ikke mer enn 1 % av det, som er hovedfaktoren som begrenser produktiviteten til mange økosystemer. Uorganisk fosfor fra bergarter jordskorpen er involvert i sirkulasjon ved utvasking og oppløsning i kontinentalt farvann. Den går inn i terrestriske økosystemer, absorberes av planter, som med sin deltakelse syntetiserer ulike organiske forbindelser, og er dermed inkludert i trofiske forhold. Deretter blir organiske fosfater, sammen med lik, avfall og sekreter fra levende vesener, returnert til bakken, hvor de igjen blir utsatt for mikroorganismer og omdannet til mineralortofosfater, klare til konsum av grønne planter og andre autotrofer (fra de greske autos - seg selv og trofe - mat, ernæring).
Fosfor blir brakt inn i akvatiske økosystemer av rennende vann. Elver beriker kontinuerlig havene med fosfater, noe som fremmer utviklingen av planteplankton og levende organismer lokalisert på ulike nivåer av næringskjedene i ferskvann eller hav. Historien til ethvert kjemisk element i landskapet består av utallige sykluser, varierende i skala og varighet. Motsatte prosesser - biogen akkumulering og mineralisering - danner en enkelt biologisk syklus av atomer.
Tundralandskap dannes under kalde forhold med kort sommerperiode og er derfor uproduktive. Lav jord er grunnårsaken til mange av tundraens trekk. "Livsbølger" er også assosiert med varmemangel: i år med varmere somre øker produksjonen av levende stoffer. Noen planter blomstrer i tundraen bare i gunstige år (for eksempel ildgress i den arktiske tundraen). Planter i tundraen vokser sakte. Lav vokser med 1 - 10 mm per år; einer med en stammediameter på 83 mm kan ha opptil 544 årringer. Ikke bare påvirkes påvirkningen av lave temperaturer, men også mangelen tilstrekkelig mengde ernæringsmessige elementer.
I mange tundraer spiller moser og lav en viktig rolle. Det er landskap der de dominerer.
I tundraen er plantebiomassen 170,3 u/ha, hvorav 72 % er i den underjordiske delen. Årlig økning i biomasse er 23,5 c/ha, og årlig forsøpling er 21,9 c/ha. Dermed er den sanne økningen, lik forskjellen mellom vekst og søppel, veldig liten - 1,6 c/ha (i den nordlige taigaen - 10 c/ha, i den sørlige taigaen - 30 c/ha, i de fuktige tropene - 75 c/ha).
På grunn av den lave temperaturen går nedbrytningen av rester av organismer i tundraen sakte, mange grupper av mikroorganismer fungerer ikke eller virker veldig svakt (bakterier som bryter ned fiber osv.). Dette fører til akkumulering av organisk materiale på overflaten og i jorda.
Løvskoger i Russland er fordelt i den europeiske delen, på,. Disse er alle områder med et fuktig temperert-varmt klima. Biomassen her er ikke mye mindre enn i de fuktige tropene (3000-5000 c/ha), men den årlige produksjonen og den grønne assimilerende massen er flere ganger mindre. Produktene varierer fra 80 til 150 c/ha (i de fuktige tropene - 300 - 500 c/ha), grønn assimilerende masse i eikeskog utgjør 1 % av biomassen og når 40 c/ha (8 % og 400 c/ha) i de fuktige tropene).
Bredbladede trær er relativt rike på aske, spesielt blader (opptil 5%). Det er mye Ca i asken til bladene - opptil 20% eller 0,6 - 3,8% per tørrstoff, mindre K (0,15 - 2,0%) og Si (0,4 - 2,8%), enda mindre Mg , A1, P, så vel som Fe, Mn, Na, C1.
I taigaen er ikke biomassen mye dårligere enn de fuktige tropene og løvskogene. I den sørlige taigaen overstiger biomassen 3000 c/ha og bare i den nordlige taigaen synker den til 500 - 1500 c/ha. Zoomassen i taigaen er ubetydelig (i den sørlige taigaen - 0,01 % av biomassen).
Mer enn 60% av biomassen er representert av tre, bestående av fiber (ca. 50%), lignin (20 - 30%), hemicellulose (mer enn 10%).
Årsproduksjonen i den sørlige taigaen er nesten den samme som i løvskog (85 c/ha mot 90 c/ha i eikeskog), i den nordlige taigaen er den mye mindre (40 - 60 c/ha). Plantestrø i den sørlige taigaen er mindre enn i eikeskog og er lik 55 c/ha (i eikeskog 65 c/ha); i den nordlige taigaen er det enda mindre - 35 c/ha.
De fuktige tropene okkuperer store områder i de ekvatoriale, sørlige og sør-sentrale regionene. De var enda mer utbredt i tidligere geologiske epoker (fra slutten av Devon). Overfloden av varme er kombinert her med en overflod av nedbør; varme og fuktighet begrenser ikke den eneste biologiske syklusen av atomer. atomer forekommer med samme intensitet gjennom året, periodisiteten av migrasjon er svakt uttrykt.
Overfloden av varme og fuktighet bestemmer den store årlige produksjonen av levende stoffer i de fuktige tropene. Produksjonsmengden her er 2 - 3 ganger større enn i løvskog og taiga, og når 300 - 500 c/ha. Når det gjelder forholdet mellom biomasse og produksjon, overjordisk og underjordisk, grønn og ikke-grønn biomasse, og mange andre indikatorer, skiller de fuktige tropene seg heller ikke nevneverdig fra andre fuktige skoglandskap. Men når det gjelder mengden kalium i biomasse, skiller de fuktige tropene seg fra løvskog. Biomassen til dyr i de fuktige tropene er omtrent 1 % av biomassen (45 c/ha). Disse er hovedsakelig termitter, maur og andre laverestående dyr. I følge denne indikatoren skiller de fuktige tropene seg kraftig fra taigaen, der bare 3,6 c/ha zoom akkumuleres (0,01% av biomassen). Dekomponering stor masse organiske stoffer metter vann med karbondioksid og organiske syrer. Hovedelementene som kommer inn i vannet i løpet av den biologiske syklusen er Si og Ca, K. Mg, Al, Fe, Mn, S. Bladene til tropiske trær har et høyt Si-innhold. I løpet av den biologiske syklusen vaskes regnvann ut av bladene. et stort nummer av N, P, K, Ca, Mg, Na, CI, S og andre grunnstoffer.
Stepper og ørkener er like i mange eiendommer. Biomassen i steppene er en størrelsesorden mindre enn i skogslandskap – fra 100 til 350 c/ha. Det meste av det, i motsetning til skog, er konsentrert i røttene (70 - 90%). Biomassen til dyr i steppene er omtrent 6 %. Årlig produksjon er 13 - 50 c/ha, dvs. 30 - 50 % av biomassen.
Hvert år er hundrevis av kilo vannløselige stoffer (per 1 ha) involvert i den biologiske syklusen av atomer i steppene, det vil si betydelig mer enn i taigaen (eng-stepper - 700 kg/ha; sørlige taiga - 155 kg/ ha). I engstepper returneres 700 kg/ha vannløselige stoffer årlig med søppel, og i tørre - 150 kg/ha (i granskogene i den sørlige taigaen - 120 kg/ha). I søppel spiller baser en viktig rolle, og nøytraliserer organiske syrer fullstendig.
I motsetning til skogslandskap, akkumulerer steppejord 20 - 30 ganger mer organisk materiale enn biomasse (i engstepper - opptil 8000 c/ha humus; i tørre stepper - 1000 - 1500 c/ha). For stepper og ørkener er de mest karakteristiske elementene Ca, Na og Mg, som akkumuleres under salinisering i vann, jord og forvitringsprodukter.
Av mineralsammensetning alle steppegress er delt inn i tre grupper: korn med høyt innhold Si og lavt N-innhold; belgfrukter med betydelig akkumulering av K, Ca og N; forbyr å innta en mellomstilling.
Alle stoffer på planeten er i ferd med å sirkulere. Solenergi forårsaker to sykluser av stoffer på jorden: stor (geologisk, biosfære) Og liten (biologisk).
Den store syklusen av stoffer i biosfæren er preget av to viktige punkter: den skjer gjennom hele jordens geologiske utvikling og er en moderne planetarisk prosess som tar en ledende rolle i den videre utviklingen av biosfæren.
Den geologiske syklusen er assosiert med dannelsen og ødeleggelsen av bergarter og den påfølgende bevegelsen av ødeleggelsesprodukter - klastisk materiale og kjemiske elementer. De termiske egenskapene til overflaten av land og vann spilte og fortsetter å spille en betydelig rolle i disse prosessene: absorpsjon og refleksjon av solstråler, termisk ledningsevne og varmekapasitet. Det ustabile hydrotermiske regimet på jordoverflaten, sammen med det planetariske atmosfæriske sirkulasjonssystemet, bestemte den geologiske sirkulasjonen av stoffer, som i det innledende stadiet av jordens utvikling, sammen med endogene prosesser, var assosiert med dannelsen av kontinenter, hav og moderne geosfærer. Med dannelsen av biosfæren ble avfallsproduktene fra organismer inkludert i det store kretsløpet. Det geologiske kretsløpet forsyner levende organismer med næringsstoffer og bestemmer i stor grad betingelsene for deres eksistens.
De viktigste kjemiske elementene litosfære: oksygen, silisium, aluminium, jern, magnesium, natrium, kalium og andre - delta i en stor syklus, som går fra de dype delene av den øvre mantelen til overflaten av litosfæren. Magmatisk bergart dannet ved krystallisering
magma, etter å ha kommet til overflaten av litosfæren fra dypet av jorden, gjennomgår nedbrytning og forvitring i biosfæren. Forvitringsprodukter går inn i en mobil tilstand, bæres av vann og vind til lave områder av relieffet, kommer inn i elver, havet og danner tykke lag av sedimentære bergarter, som over tid, stuper til dybden i områder med økt temperatur og trykk, gjennomgår metamorfose , dvs. "omsmeltet". Under denne smeltingen dukker det opp en ny metamorf bergart som kommer inn i de øvre horisontene av jordskorpen og går igjen inn i syklusen av stoffer (Fig. 32).
Ris. 32. Geologisk (stor) syklus av stoffer
Lett mobile stoffer - gasser og naturlig vann, som utgjør atmosfæren og hydrosfæren på planeten. Litosfærematerialet sykluser mye saktere. Generelt er hver syklus av ethvert kjemisk element en del av den generelle store syklusen av stoffer på jorden, og de er alle tett sammenkoblet. Det levende stoffet i biosfæren i denne syklusen utfører en enorm jobb med å omfordele kjemiske elementer som kontinuerlig sirkulerer i biosfæren, og beveger seg fra eksternt miljø inn i organismer og igjen inn i det ytre miljø.
Liten eller biologisk syklus av stoffer- Dette
sirkulasjon av stoffer mellom planter, dyr, sopp, mikroorganismer og jord. Essensen av den biologiske syklusen ligger i forekomsten av to motsatte, men sammenkoblede prosesser - dannelsen av organiske stoffer og deres ødeleggelse. Den første fasen av fremveksten av organiske stoffer skyldes fotosyntese av grønne planter, det vil si dannelsen av levende stoffer fra karbondioksid, vann og enkle mineralforbindelser ved bruk av solenergi. Planter (produsenter) trekker ut molekyler av svovel, fosfor, kalsium, kalium, magnesium, mangan, silisium, aluminium, sink, kobber og andre grunnstoffer fra jorda i løsning. Planteetende dyr (forbrukere av første orden) absorberer forbindelser av disse elementene i form av mat av planteopprinnelse. Rovdyr (forbrukere av II-orden) lever av planteetere og spiser mat med en mer kompleks sammensetning, inkludert proteiner, fett, aminosyrer og andre stoffer. I prosessen med ødeleggelse av organiske stoffer fra døde planter og dyrerester av mikroorganismer (nedbrytere), kommer enkle mineralforbindelser inn i jorda og vannmiljøet, tilgjengelig for assimilering av planter, og neste runde av den biologiske syklusen begynner (Fig. 33).
Den vitale aktiviteten til et økosystem og sirkulasjonen av stoffer i det er bare mulig under betingelse av en konstant strøm av energi. Den viktigste energikilden på jorden er solstråling. Solens energi omdannes av fotosyntetiske organismer til energien til kjemiske bindinger av organiske forbindelser. Energioverføring via matkjeder adlyder termodynamikkens andre lov: transformasjonen av en type energi til en annen innebærer tap av en del av energien. Samtidig er omfordelingen underlagt et strengt mønster: energien som mottas av økosystemet og assimileres av produsenter, forsvinner eller, sammen med deres biomasse, overføres irreversibelt til forbrukerne av den første, andre, etc. ordrer, og deretter til nedbrytere med et fall i energiflyt på hvert trofisk nivå. I denne forbindelse er det ingen energisyklus.
I motsetning til energi, som bare brukes én gang i et økosystem, brukes stoffer gjentatte ganger på grunn av at forbruket og transformasjonen deres skjer i en sirkel. Denne syklusen utføres av levende organismer i økosystemet (produsenter, forbrukere, nedbrytere) og kalles den biologiske syklusen av stoffer.
Biologisk syklus av stoffer, eller liten - inntreden av stoffer fra jorda og atmosfæren i levende organismer med en tilsvarende endring i deres kjemiske form, deres tilbakeføring til jorda og atmosfæren i løpet av organismenes liv og med rester etter døden, og re -inntreden i levende organismer etter prosesser med ødeleggelse og mineralisering ved hjelp av mikroorganismer. Denne forståelsen av den biologiske syklusen av stoffer (ifølge N.P. Remezov, L.E. Rodin og N.I. Bazilevich) tilsvarer det biogeocenotiske nivået. Det ville være mer nøyaktig å snakke om den biologiske syklusen til kjemiske elementer i stedet for stoffer, siden ulike stadier Stoffets syklus kan endres kjemisk. Ifølge V.A. Kovda (1973), den årlige verdien av den biologiske syklusen av askeelementer i jord-plantesystemet overstiger betydelig verdien av den årlige geokjemiske strømmen av disse elementene til elver og hav og er målt til et kolossalt tall på 109 t/år.
Økologiske systemer i land og hav binder og omfordeler solenergi, atmosfærisk karbon, fuktighet, oksygen, hydrogen, fosfor, nitrogen, svovel, kalsium og andre elementer. Den vitale aktiviteten til planteorganismer (produsenter) og deres interaksjoner med dyr (forbrukere), mikroorganismer (nedbrytere) og livløs natur gir en mekanisme for akkumulering og omfordeling av solenergi som kommer inn i jorden.
Syklusen av stoffer er aldri helt lukket. Dels økologisk og uorganiske stoffer fraktet utenfor økosystemet, og samtidig kan deres reserver fylles opp på grunn av tilstrømning utenfra. I noen tilfeller er graden av gjentatt reproduksjon av noen sykluser av sirkulasjonen av stoffer 90-98%. Ufullstendig stenging av sykluser på geologiske tidsskalaer fører til akkumulering av elementer i forskjellige naturlige sfærer på jorden. På denne måten akkumuleres mineraler - kull, olje, gass, kalkstein, etc.
2. Grunnleggende trekk ved moderne naturvitenskap og det vitenskapelige bildet av verden
Naturvitenskap er vitenskapen om fenomenene og naturlovene. Moderne naturvitenskap inkluderer mange grener av naturvitenskapen: fysikk, kjemi, biologi, samt en rekke relaterte felt, som fysisk kjemi, biofysikk, biokjemi osv. Naturvitenskap påvirker bred rekkevidde spørsmål om de mange og multilaterale manifestasjonene av naturens egenskaper, som kan betraktes som en helhet.
Moderne mangfoldig teknologi er frukten av naturvitenskap, som til i dag er hovedgrunnlaget for utviklingen av mange lovende retninger– fra nanoelektronikk til den mest komplekse romteknologien, og dette er åpenbart for mange.
Filosofer til alle tider har stolt på siste prestasjoner vitenskap og først og fremst naturvitenskap. Prestasjoner fra forrige århundre innen fysikk, kjemi, biologi og andre vitenskaper har tillatt oss å ta et nytt blikk på de filosofiske ideene som har utviklet seg gjennom århundrer. Mange filosofiske ideer ble født i dypet av naturvitenskapen, og naturvitenskapen hadde på sin side i begynnelsen av utviklingen en naturfilosofisk karakter. Man kan si om en slik filosofi med ordene til den tyske filosofen Arthur Schopenhauer (1788-1860): "Min filosofi ga meg absolutt ingen inntekt, men den reddet meg fra mange utgifter."
En person som har minst generell og samtidig konseptuell naturvitenskapelig kunnskap, d.v.s. kunnskap om naturen, vil helt sikkert utføre sine handlinger på en slik måte at nytten, som et resultat av hans handlinger, alltid kombineres med en forsiktig holdning til naturen og dens bevaring ikke bare for nåtiden, men også for fremtidige generasjoner.
Kunnskap om naturvitenskapelig sannhet gjør en person fri, fri i ordets brede filosofiske forstand, fri fra inkompetente beslutninger og handlinger, og til slutt fri til å velge veien for sin edle og skapende aktivitet.
Det er ingen vits i å liste opp naturvitenskapens prestasjoner; hver av oss kjenner teknologiene den har skapt og bruker dem. Avanserte teknologier er hovedsakelig basert på naturvitenskapelige funn fra de siste tiårene av det 20. århundre, men til tross for konkrete prestasjoner, oppstår det problemer, hovedsakelig forårsaket av bevisstheten om trusselen mot den økologiske balansen på planeten vår. Et bredt spekter av tilhengere av markedsøkonomi vil være enige om at det frie markedet ikke kan beskytte Afrikas elefanter fra jegere eller historiske monumenter Mesopotamia - fra sur nedbør og turister. Bare regjeringer er i stand til å etablere lover som stimulerer markedets tilbud med alt folk trenger uten å ødelegge deres habitat.
Samtidig klarer ikke regjeringer å føre en slik politikk uten hjelp fra vitenskapsmenn, og fremfor alt vitenskapsmenn som er dyktige i moderne naturvitenskap. Vi trenger en sammenheng mellom naturvitenskap og styringsstrukturer i saker knyttet til miljø, materiell støtte osv. Uten vitenskap er det vanskelig å opprettholde klodens renhet: nivået av forurensning må måles, konsekvensene deres må forutsies - dette er den eneste måten vi kan lære om problemene som må forebygges. Bare ved hjelp av de mest moderne naturvitenskapene og først av alt, fysiske metoder du kan overvåke tykkelsen og jevnheten til ozonlaget, som beskytter folk mot ultrafiolett bestråling. Bare vitenskapelig forskning vil bidra til å forstå årsakene og konsekvensene av sur nedbør og smog, som påvirker livene til enhver person, gi kunnskapen som er nødvendig for at mennesket kan fly til månen, utforske havdypet og finne måter å kvitte seg med mennesker på. av mange alvorlige sykdommer.
Som et resultat av å analysere matematiske modeller som var populære på 70-tallet, kom forskerne til den konklusjon at videreutvikling av økonomien snart ville bli umulig. Og selv om de ikke kom med ny kunnskap, spilte de likevel en viktig rolle. De demonstrerte de mulige konsekvensene av nye utviklingstrender i dag. På en gang overbeviste slike modeller virkelig millioner av mennesker om at det var nødvendig å beskytte naturen, og dette var et betydelig bidrag til fremskritt. Til tross for forskjellene i anbefalingene, inneholder alle modellene én hovedkonklusjon: naturen kan ikke fortsette å forurenses slik den er i dag
Mange problemer på jorden kan assosieres med naturvitenskapelig kunnskap. Imidlertid er disse problemene generert av umodenhet av vitenskapen selv. La den fortsette sin kurs – og menneskeheten vil overvinne dagens vanskeligheter – dette mener flertallet av vitenskapsmenn. For andre, for det meste de som bare anser seg selv som en gruppe forskere, har vitenskapen mistet sin betydning.
Naturvitenskap reflekterer i stor grad behovene til utøvere og er samtidig finansiert avhengig av statens og publikums stadig skiftende sympati.
Vitenskap og teknologi er ikke bare hovedverktøyet som lar mennesker tilpasse seg stadig skiftende naturforhold, men også hovedkraften som direkte eller indirekte forårsaker slike endringer.
Sammen med de åpenbare positive egenskapene som ligger i naturvitenskapen, bør vi også snakke om manglene forårsaket av både kunnskapens natur og mangelen på forståelse på dette stadiet av noen svært viktige egenskaper ved den materielle verden på grunn av begrensningene til menneskelig kunnskap. . La oss si at rene matematikere gjorde en oppdagelse som motsier ideene til tidligere tenkere: tilfeldige, kaotiske prosesser kan beskrives med presise matematiske modeller. Dessuten viste det seg at selv en enkel modell utstyrt med effektiv tilbakemelding er så følsom for de minste endringer i startforholdene at fremtiden blir uforutsigbar. Er det da verdt å krangle om universet er deterministisk hvis en strengt deterministisk modell gir resultater som ikke er forskjellige fra sannsynlige?
Formålet med naturvitenskapen er å beskrive, systematisere og forklare helheten naturfenomener og prosesser. Ordet "forklar" i selve vitenskapens metodikk krever en forklaring. I de fleste tilfeller betyr det å forstå. Hva mener en person vanligvis når de sier "jeg forstår"? Vanligvis betyr dette: "Jeg vet hvor dette kom fra" og "Jeg vet hvor dette vil føre." Slik dannes et årsak-virkningsforhold: årsak - fenomen - virkning. Utvidelsen av en slik forbindelse og dannelsen av en flerdimensjonal struktur som dekker mange fenomener tjener som grunnlaget for en vitenskapelig teori, preget av en klar logisk struktur og består av et sett med prinsipper eller aksiomer og teoremer med alle mulige konklusjoner. Enhver matematisk disiplin er bygget i henhold til denne ordningen, for eksempel euklidisk geometri eller settteori, som kan tjene som typiske eksempler på vitenskapelige teorier. Konstruksjonen av en teori forutsetter selvfølgelig opprettelsen av en spesiell vitenskapelig språk, spesiell terminologi, et system av vitenskapelige konsepter som har en entydig betydning og er sammenkoblet av strenge logikkregler.
Etter at teorien har blitt "testet av erfaring, neste nivå kunnskap om virkeligheten, der grensene for sannheten til vår kunnskap eller grensene for anvendelighet av teorier og individuelle vitenskapelige utsagn er etablert. Dette stadiet bestemmes av objektive og subjektive faktorer. En av de vesentlige objektive faktorene er dynamikken i verden rundt oss. La oss huske de kloke ordene til den antikke greske filosofen Heraclitus (sent 6. - tidlig 5. århundre f.Kr.); «Alt flyter, alt forandrer seg; Du kan ikke gå inn i samme elv to ganger.» For å oppsummere, la oss kort formulere tre grunnleggende prinsipper vitenskapelig kunnskap virkelighet.
1. Kausalitet. Den første og ganske omfattende definisjonen av kausalitet er inneholdt i uttalelsen til Demokrit: "Ikke en eneste ting oppstår uten en årsak, men alt oppstår på et eller annet grunnlag og på grunn av nødvendighet."
2. Sannhetskriterium. Naturvitenskapelig sannhet verifiseres (bevist) bare ved praksis: observasjoner, eksperimenter, eksperimenter, produksjonsaktiviteter: Hvis vitenskapelig teori bekreftet av praksis, så er det sant. Naturvitenskapelige teorier testes av Eksperimenter som involverer observasjoner, målinger og matematisk bearbeiding av de oppnådde resultatene. Den fremragende vitenskapsmannen D.I. Mendeleev (1834 - 1907) skrev: «Vitenskapen begynte da folk lærte å måle; eksakt vitenskap er utenkelig uten mål.»
3. Relativiteten til vitenskapelig kunnskap. Vitenskapelig kunnskap (begreper, ideer, konsepter, modeller, teorier, konklusjoner fra dem osv.) er alltid relativ og begrenset.
En vanlig uttalelse: hovedmålet Naturvitenskapen - etableringen av naturlovene, oppdagelsen av skjulte sannheter - antar eksplisitt eller implisitt at sannheten allerede eksisterer et sted og eksisterer i en ferdig form, den trenger bare å bli funnet, funnet som en slags skatt. Stor filosof I gamle tider sa Demokrit: "Sannheten er gjemt i dypet (ligger på bunnen av havet)." En annen objektiv faktor er assosiert med ufullkommenhet i eksperimentell teknologi, som fungerer som det materielle grunnlaget for ethvert eksperiment.
Naturvitenskapen systematiserer våre observasjoner av naturen på en eller annen måte. I dette tilfellet bør man ikke vurdere for eksempel teorien om andreordenskurver som tilnærmet med den begrunnelse at det ikke finnes eksakt andreordenskurver i naturen. Det kan ikke sies at ikke-euklidisk geometri foredler euklidisk geometri - hver tar sin plass i systemet av modeller, er nøyaktig i samsvar med interne nøyaktighetskriterier, og finner anvendelse der det er nødvendig. På samme måte er det feil å si at relativitetsteorien foredler klassisk mekanikk – dette er forskjellige modeller som generelt sett har både ulike områder applikasjoner.
Uansett innholdet i sannheten som har opptatt hodet til store vitenskapsmenn siden antikken, og uansett hvordan det komplekse spørsmålet om faget vitenskap generelt og naturvitenskap spesielt løses, er én ting åpenbar: naturvitenskap er en ekstremt effektivt, kraftig verktøy som ikke bare lar en vite verden, men gir også enorme fordeler.
Over tid, og spesielt på slutten av forrige århundre, har det skjedd en endring i funksjonen til vitenskapen og først og fremst naturvitenskapen. Hvis vitenskapens hovedfunksjon tidligere var å beskrive, systematisere og forklare objektene som studeres, blir nå vitenskap en integrert del produksjonsaktiviteter mennesker, som et resultat av at moderne produksjon - det være seg produksjon av den mest komplekse romteknologien, moderne super- og personlige datamaskiner eller høykvalitets lyd- og videoutstyr - får en kunnskapsintensiv karakter. Vitenskapelige og produksjonstekniske aktiviteter smelter sammen; som et resultat dukker det opp store vitenskapelige produksjonsforeninger - interindustrielle vitenskapelige og tekniske komplekser "vitenskap - teknologi - produksjon", der vitenskap spiller en ledende rolle. Det var i slike komplekser at de første romsystemene ble opprettet, de første atomkraftverk og mye mer, som anses å være de høyeste prestasjonene innen vitenskap og teknologi.
I I det siste spesialister innen humaniora mener at vitenskap er en produktiv kraft. Dette refererer først og fremst til naturvitenskap. Selv om vitenskapen ikke direkte produserer materielle produkter, er det åpenbart at produksjonen av ethvert produkt er basert på vitenskapelig utvikling. Derfor, når de snakker om vitenskap som en produktiv kraft, tar de ikke hensyn til sluttproduktet av en eller annen produksjon, men den vitenskapelige informasjonen - et slags produkt som produksjonen av materielle eiendeler er organisert og implementert på grunnlag av.
Med tanke på en så viktig indikator som mengden vitenskapelig informasjon, er det mulig å lage ikke bare høy kvalitet, men også kvantifisering midlertidige endringer i denne indikatoren og dermed bestemme mønsteret for utvikling av vitenskap.
Kvantitativ analyse viser at utviklingstakten for vitenskap, både generelt og for slike grener av naturvitenskap som fysikk, biologi, etc., samt for matematikk, er preget av en økning på 5-7 % per år i løpet av det siste 300 år. Analysen tok hensyn til spesifikke indikatorer: antall vitenskapelige artikler, forskningsassistenter, etc. Denne utviklingstakten for vitenskapen kan karakteriseres på en annen måte. For hvert 15. år (halvparten av gjennomsnittlig aldersforskjell mellom foreldre og barn), øker volumet av vitenskapelig produksjon med e ganger (e = 2,72 - basen for naturlige logaritmer). Denne uttalelsen utgjør essensen av mønsteret for eksponentiell utvikling av vitenskapen.
Følgende konklusjoner følger av dette mønsteret. Hvert 60. år øker den vitenskapelige produksjonen omtrent 50 ganger. I løpet av de siste 30 årene har det blitt laget omtrent 6,4 ganger flere slike produkter enn i hele menneskehetens historie. I denne forbindelse til de mange egenskapene til det 20. århundre. Det er ganske forsvarlig å legge til en til - "vitenskapens tidsalder".
Det er ganske åpenbart at innenfor grensene til de vurderte indikatorene (de kan selvfølgelig ikke betraktes som uttømmende for å karakterisere det komplekse problemet med utviklingen av vitenskap), kan den eksponentielle utviklingen av vitenskapen ikke fortsette i det uendelige, ellers i et relativt kort intervall av tid, i nær fremtid, ville hele befolkningen på kloden bli til vitenskapelige ansatte. Som nevnt i forrige avsnitt inneholder selv et stort antall vitenskapelige publikasjoner relativt lite virkelig verdifull vitenskapelig informasjon. Og ikke alle forskere gir et betydelig bidrag til ekte vitenskap. Den videre utviklingen av vitenskapen vil fortsette i fremtiden, men ikke på grunn av en omfattende økning i antall forskere og antall vitenskapelige publikasjoner de produserer, men gjennom tiltrekning av avanserte forskningsmetoder og teknologier, samt forbedring av kvaliteten på vitenskapelig arbeid.
I dag, mer enn noen gang, er omfattende arbeid viktig, ikke bare og ikke så mye med å kritisere og tenke nytt om fortiden, men med å utforske veier til fremtiden, søke etter nye ideer og idealer. Bortsett fra økonomiske spørsmål, er dette sannsynligvis den viktigste samfunnsordenen for innenlandsk vitenskap og kultur. Tidligere ideer utmatter seg selv eller har utmattet seg selv, og hvis vi ikke fyller det resulterende tomrommet, vil det bli okkupert av enda eldre ideer og fundamentalisme, allerede godkjent av maktens makt og autoritet. Dette er nettopp utfordringen med å resonnere i dag, avviket vi ser.
3. I alle treghetsrapporteringssystemer skjer bevegelse etter de samme mønstrene - dette er formuleringen...
en lov universell gravitasjon; b) Galileiske relativitetsprinsipper; c) Newtons lover for klassisk mekanikk
Relativitetsprinsippet er et grunnleggende fysisk prinsipp som går ut på at alle fysiske prosesser i treghetsreferansesystemer foregår på samme måte, uavhengig av om systemet er stasjonært eller i en tilstand av jevn og rettlinjet bevegelse.
Denne definisjonen relaterer seg til punkt "b" - Galileos relativitetsprinsipper.
4. Galileos relativitetsprinsipper
Galileos relativitetsprinsipp ,
prinsippet om fysisk likhet for treghetsreferansesystemer i klassisk mekanikk, manifestert i det faktum at mekanikkens lover er de samme i alle slike systemer. Det følger at ingen mekaniske eksperimenter utført i noe treghetssystem kan bestemme om et gitt system er i ro eller beveger seg jevnt og rettlinjet. Denne posisjonen ble først etablert av G. Galileo i 1636. Galileo illustrerte likheten i mekanikkens lover for treghetssystemer ved å bruke eksemplet med fenomener som oppstår under dekket på et skip i ro eller beveger seg jevnt og rettlinjet (i forhold til jorden, som kan betraktes med en tilstrekkelig grad av nøyaktighet som en treghetsreferanseramme): «Få nå skipet til å bevege seg i hvilken som helst hastighet og deretter (hvis bare bevegelsen er jevn og uten å rulle i en eller annen retning) i alle de navngitte fenomenene du vil ikke finne den minste forandring og ved ingen av dem vil du kunne avgjøre om skipet beveger seg eller står ubevegelig... Når du kaster noe til en kamerat, trenger du ikke å kaste det med mer kraft når han er ved bue og deg i hekken enn når din relative posisjon er reversert; dråpene, som før, vil falle ned i det nedre fartøyet, og ikke en eneste vil falle nærmere akterenden, men mens dråpen er i luften, vil skipet reise mange spenn” 1.
Den relative bevegelsen til et materialpunkt: dets posisjon, hastighet, type bane avhenger av i forhold til hvilket referansesystem (referanselegeme) denne bevegelsen vurderes. Samtidig, lovene i klassisk mekanikk ,
det vil si at relasjonene som forbinder mengdene som beskriver bevegelsen til materialpunkter og samspillet mellom dem er de samme i alle treghetsreferansesystemer. Relativiteten til mekanisk bevegelse og likheten (irrelevans) av mekanikkens lover i forskjellige treghetsreferansesystemer utgjør innholdet i det galileiske relativitetsprinsippet.
Matematisk uttrykker det galileiske relativitetsprinsippet invariansen (uforanderligheten) til mekanikkens likninger med hensyn til transformasjoner av koordinatene til bevegelige punkter (og tid) under overgangen fra ett treghetssystem til et annet - galileiske transformasjoner.
La det være to treghetsreferansesystemer, hvorav ett, S, er vi enige om å vurdere i hvile; det andre systemet, S’, beveger seg i forhold til S med konstant hastighet u som vist på bildet. Da vil Galileo-transformasjonene for koordinatene til et materialpunkt i S- og S-systemene ha formen:
x' = x - ut, y' = y, z' = z, t' = t (1)
(Skraverte verdier refererer til S-systemet, uskyggelagte verdier refererer til S). Dermed anses tid i klassisk mekanikk, som avstanden mellom eventuelle faste punkter, som den samme i alle referansesystemer.
Fra Galileos transformasjoner kan man få forholdet mellom hastighetene til et punkt og dets akselerasjoner i begge systemene:
v' = v — u, (2)
a' = a.
I klassisk mekanikk er bevegelsen til et materialpunkt bestemt av Newtons andre lov:
F = ma, (3)
Hvor m- punktmasse, a F- resultanten av alle krefter som påføres den. Dessuten er krefter (og masser) invarianter i klassisk mekanikk, det vil si mengder som ikke endres når man beveger seg fra ett referansesystem til et annet. Derfor, under galileiske transformasjoner, endres ikke ligning (3). Dette er det matematiske uttrykket for Galileos relativitetsprinsipp.
Det galileiske relativitetsprinsippet er bare gyldig i klassisk mekanikk, som vurderer bevegelser med hastigheter som er mye lavere enn lysets hastighet. Ved hastigheter nær lysets hastighet adlyder kroppens bevegelser lovene til Einsteins relativistiske mekanikk ,
som er invariante med hensyn til andre transformasjoner av koordinater og tid - Lorentz transformasjoner
(ved lave hastigheter forvandles de til galileiske transformasjoner).
5. Einsteins spesielle relativitetsteori
Den spesielle relativitetsteorien bygger på to postulater. Første postulat(Einsteins generaliserte relativitetsprinsipp) sier: ingen fysiske eksperimenter (mekaniske, elektromagnetiske, etc.) utført innenfor en gitt referanseramme kan fastslå forskjellen mellom hviletilstander og jevn lineær bevegelse (med andre ord, naturlovene er samme i alle treghetskoordinatsystemer, dvs. systemer som beveger seg rettlinjet og jevnt i forhold til hverandre). Dette postulatet følger av resultatene av det berømte Michelson-Morley-eksperimentet, som målte lysets hastighet i retning av jordens bevegelse og i vinkelrett retning. Lyshastigheten viste seg å være den samme i alle retninger, uavhengig av kildens bevegelse (forresten, disse målingene avviste ideen om eksistensen av en verdensstasjonær eter, vibrasjonene av som forklarte lysets natur).
Andre postulat sier at lyshastigheten i vakuum er den samme i alle treghetskoordinatsystemer. Dette postulatet forstås (inkludert av Einstein selv) i betydningen konstanten til lysets hastighet. Det er generelt akseptert at dette postulatet også er en konsekvens av Michelsons eksperiment.
Postulatene ble brukt av Einstein til å analysere Maxwells elektrodynamiske ligninger og de følgende Lorentz-transformasjonene, slik at koordinatene og tiden for et bevegelig system (merket med et primtall ovenfor) kan uttrykkes i form av koordinatene og tiden for et stasjonært system (disse transformasjoner lar Maxwells ligninger være uendret):
x’ = (x – Vt)/^0,5(m); y' = y(m); z' = z(m); (1)
t’ = (t – xV/c^2)/^0,5(sek.). (2)
Einsteins hastighetsaddisjonsteorem følger direkte av disse transformasjonene:
Vc = (V1 + V2)/(1 + V1*V2/c^2)(m/sek). (3)
Den vanlige loven om addisjon ( Vc = V1 + V2) er kun effektiv ved lave hastigheter.
Basert på analysen som ble utført, kom Einstein til den konklusjon at det faktum at systemet beveger seg (med hastighet V) påvirker størrelsen, tidshastigheten og massen i samsvar med uttrykkene:
l = lo/^0,5(m); (4)
delta t = delta til/^0,5(sek); (5)
M = Mo/^0,5(kg). (6)
Null angir mengder relatert til et stasjonært (hvilende) system. Formler (4) – (6) indikerer at lengden på det bevegelige systemet reduseres, tiden på det (klokken) bremses ned og massen øker. Basert på formel (5) oppsto ideen om den såkalte tvillingeffekten. En astronaut som fløy på et skip i et år (ifølge skipets klokke) med en hastighet på 0,9998 Med, når han vender tilbake til jorden, vil han møte tvillingbroren sin på 50 år. Forholdet (6), som karakteriserer effekten av økende masse, førte til at Einstein formulerte sin berømte lov (6):
E = Mc^2(j).
6. Einsteins generelle relativitetsteori
Generell relativitetsteori (GTR) er en geometrisk gravitasjonsteori utgitt av Albert Einstein om - år. Innenfor rammen av denne teorien, som er en videreutvikling av den spesielle relativitetsteorien, postuleres det at gravitasjonseffekter ikke er forårsaket av kraftinteraksjonen mellom kropper og felt lokalisert i rom-tid, men av deformasjon av rom-tid. seg selv, som spesielt er assosiert med tilstedeværelsen av masseenergi. Generell relativitetsteori (GTR) er en moderne teori om tyngdekraften som relaterer den til krumningen til firedimensjonal rom-tid.
Således, i generell relativitetsteori, som i andre metriske teorier, er ikke tyngdekraften en kraftinteraksjon. Generell relativitet skiller seg fra andre metriske teorier om gravitasjon ved å bruke Einsteins ligninger for å relatere krumningen til romtiden til materien som er tilstede i rommet.
OTO er for tiden den mest suksessrike gravitasjonsteori, godt bekreftet av observasjoner. Første suksess generell teori relativitetsteorien skulle forklare den unormale presesjonen
perihelium
Merkur. Så, i , rapporterte Arthur Eddington observasjonen av lys som bøyes nær solen i øyeblikket av en total formørkelse, noe som bekreftet spådommene om generell relativitet. Siden den gang har mange andre observasjoner og eksperimenter bekreftet et betydelig antall av teoriens spådommer, inkludert gravitasjonstidsdilatasjon, gravitasjonsrødforskyvning, signalforsinkelse i et gravitasjonsfelt og så langt bare indirekte gravitasjonsstråling. I tillegg tolkes en rekke observasjoner som bekreftelse på en av de mest mystiske og eksotiske spådommene til den generelle relativitetsteorien - eksistensen av sorte hull.
Einstein formulerte prinsippet om ekvivalens, som sier at fysiske prosesser i et gravitasjonsfelt ikke kan skilles fra lignende fenomener med tilsvarende akselerert bevegelse. Ekvivalensprinsippet ble grunnlaget for en ny teori kalt den generelle relativitetsteorien (GR). Einstein så muligheten for å realisere denne ideen ved å generalisere prinsippet om bevegelses relativitet, dvs. dens utvidelse ikke bare til hastighet, men også til akselerasjonen av bevegelige systemer. Hvis vi ikke tillegger akselerasjon en absolutt karakter, vil skillet mellom klassen av treghetssystemer miste sin mening og fysiske lover kan formuleres på en slik måte at de gjelder for ethvert koordinatsystem. Dette er hva det handler om generelt prinsipp relativt.
Fra den generelle relativitetsteorien har ikke verdensrommet en konstant nullkurvatur. Dens krumning endres fra punkt til punkt og bestemmes av gravitasjonsfeltet, og tiden flyter forskjellig på forskjellige punkter. Gravitasjonsfeltet er ikke noe mer enn et avvik mellom egenskapene til det virkelige rommet fra egenskapene til det ideelle (euklidiske) rommet. Gravitasjonsfeltet ved hvert punkt bestemmes av verdien av krumningen av rommet på det punktet. I dette tilfellet bestemmes krumningen av rom-tid ikke bare av den totale massen til stoffet som kroppen er sammensatt av, men også av alle typer energi som er tilstede i den, inkludert energien til alle fysiske felt. I generell relativitet er prinsippet om identiteten til masse og energi av spesiell relativitet generalisert: E = mc 2. Dermed er den viktigste forskjellen mellom GTR og andre fysiske teorier at den beskriver gravitasjon som påvirkning av materie på egenskapene til rom-tid; disse egenskapene til rom-tid påvirker på sin side bevegelsen til kropper og de fysiske prosessene i dem.
I generell relativitetsteori betraktes bevegelsen til et materiellt punkt i et gravitasjonsfelt som fri "treghetsbevegelse", men forekommer ikke i euklidisk, men i rommet med skiftende krumning. Som et resultat er bevegelsen av punktet ikke lenger rettlinjet og ensartet, men skjer langs den geodesiske linjen av buet rom. Det følger at bevegelsesligningen til et materiell punkt, så vel som en lysstråle, må skrives i form av en ligning av en geodesisk linje av buet rom. For å bestemme krumningen av rommet, er det nødvendig å kjenne uttrykket for komponentene til den grunnleggende tensoren (en analog av potensialet i Newtons tyngdekraftsteori). Oppgaven er å vite fordelingen av gravitasjonsmasser i rommet, bestemme funksjonene til koordinater og tid (en komponent av den fundamentale tensoren); så kan du skrive ned ligningen til den geodesiske linjen og løse problemet med bevegelsen til et materialpunkt, problemet med forplantningen av en lysstråle osv.
Einstein fant den generelle ligningen for gravitasjonsfeltet (som i den klassiske tilnærmingen ble til Newtons gravitasjonslov) og løste dermed gravitasjonsproblemet i en generell form. Gravitasjonsfeltligningene i generell relativitet er et system med 10 ligninger. I motsetning til Newtons gravitasjonsteori, hvor det er ett gravitasjonsfeltpotensial, som avhenger av en enkelt mengde - massetetthet, er gravitasjonsfeltet i Einsteins teori beskrevet av 10 potensialer og kan skapes ikke bare av massetetthet, men også ved massestrøm. og momentum flyt.
En annen grunnleggende forskjell mellom GTR og forgjengerens fysiske teorier er avvisningen av en rekke gamle konsepter og formuleringen av nye. Dermed forlater GTR begrepene "kraft", "potensiell energi", "treghetssystem", "Euklidsk karakter av rom-tid", etc.; I generell relativitet brukes ikke-stive (deformerbare) referanselegemer, siden det i gravitasjonsfelt ikke er noen faste stoffer og fremdriften til klokken avhenger av tilstanden til disse feltene. En slik referanseramme (det kalles en "referansemusling") kan bevege seg på alle måter, og dens form kan endres; klokken som brukes kan ha en vilkårlig uregelmessig bevegelse. Generell relativitet utdyper konseptet om et felt, og kobler sammen begrepene treghet, tyngdekraft og rom-tid-metrikk, og åpner for muligheten for gravitasjonsbølger. Gravitasjonsbølger skapes av et variabelt gravitasjonsfelt, ujevn bevegelse av masser og forplanter seg gjennom rommet med lysets hastighet. Gravitasjonsbølger under terrestriske forhold er svært svake. Det er mulig å faktisk oppdage gravitasjonsstråling som oppstår i grandiose katastrofale prosesser i universet - supernovaeksplosjoner, kollisjoner av pulsarer, osv. Men de er ennå ikke eksperimentelt oppdaget.
Til tross for den fantastiske suksessen til den generelle relativitetsteorien, er det ubehag i det vitenskapelige samfunnet på grunn av det faktum at den ikke kan omformuleres som den klassiske grensen for kvanteteori på grunn av tilsynekomsten av uløselige matematiske divergenser når man vurderer sorte hull og rom-tid singulariteter generelt. En rekke alternative teorier har blitt foreslått for å løse dette problemet. Moderne eksperimentelle data indikerer at enhver type avvik fra generell relativitetsteori bør være svært liten, hvis den eksisterer i det hele tatt.
FORMNING AV ET MODERNE FYSISK BILDE AV VERDEN PRINSIPPER OG KONSEPT AV EINSTEINS GENERELLE RELATIVITETSTEORI (TORY OF GRAVITY) Begreper om nivåer av biologiske strukturer og organisering av levende systemer
BEVARINGSLOVER
Stoffsykluser
Små migrasjonsstrømmer av kjemiske elementer både mellom sammenkoblede organismer og mellom organismer og deres miljø utvikler seg til større sykluser - gyres. Det er syklusene som støtter varigheten og konstansen til livets eksistens, for uten dem, selv på hele jordens skala, ville reservene av nødvendige elementer veldig snart være oppbrukt.
Biologisk syklus (biotisk)- fenomenet kontinuerlig, syklisk, naturlig, men ujevn i tid og rom omfordeling av materie, energi 1 og informasjon innenfor økologiske systemer i ulike hierarkiske organisasjonsnivåer - fra biogeocenose til biosfæren. Sirkulasjonen av stoffer på skalaen til hele biosfæren kalles en stor sirkel, og innenfor en spesifikk biogeocenose - en liten sirkel av biotisk utveksling. En del av det biologiske kretsløpet, som består av sykluser av karbon, vann, nitrogen, fosfor, svovel og andre næringsstoffer, kalles det biogeokjemiske kretsløpet.
En viss mengde av et stoff kan midlertidig forlate den biologiske syklusen (sette seg på bunnen av havene, hav, falle ned i dypet av jordskorpen, etc.). Men som følge av tektoniske og geologiske prosesser (vulkansk aktivitet, stigning og fall av jordskorpen, endringer i grensene mellom land og vann osv.), inngår sedimentære bergarter igjen i en syklus som kalles den geologiske syklusen eller sirkulasjonen.
Syklusene av stoffer fra produsenter til forbrukere på ulike nivåer, deretter til nedbrytere, og fra dem igjen til produsenter, er ikke helt lukket. Hvis økosystemer var helt lukket, ville det ikke vært endringer i livsmiljøet, det ville ikke vært jord, kalkstein og andre bergarter av biogen opprinnelse. Dermed kan den biotiske syklusen konvensjonelt avbildes som en åpen ring. Tap av materie på grunn av den åpne syklusen er minimal i biosfæren (det største økosystemet på planeten). Informasjon i økosystemer går tapt med arters død og irreversible genetiske omorganiseringer.
Dermed opprettholder hvert økosystem sin eksistens på grunn av syklusen av næringsstoffer og en konstant tilstrømning av solenergi. Energisyklusen i økosystemene er praktisk talt fraværende, siden den (energi) returnerer fra nedbrytere til forbrukerne i små mengder. Det antas at energisykluskoeffisienten ikke overstiger 0,24%. Energi kan akkumuleres, spares (dvs. konverteres til mer effektive former) og overføres fra en del av systemet til en annen, men den kan ikke tas i bruk igjen, som vann og mineraler. Etter å ha gått fra produsentanlegg gjennom forbrukere til nedbrytere, blir energi ført inn i nær-jorden og verdensrommet. Når du beveger deg gjennom et økosystem, påvirker strømmen av energi hovedsakelig biocenose, så det ble diskutert i detalj tidligere.
Laster inn...