Circulația substanțelor în biosferă este un proces ciclic, repetitiv, de transformare și mișcare a substanțelor interconectate. Prezența unei circulații a substanțelor este o condiție necesară pentru existența biosferei. După ce sunt utilizate de unele organisme, substanțele trebuie să treacă într-o formă accesibilă altor organisme. O astfel de tranziție a substanțelor de la o legătură la alta necesită costuri energetice, prin urmare, este posibilă numai cu participarea energiei Soarelui. Odată cu utilizarea energiei solare, există două cicluri interconectate de substanțe pe planetă: mari - geologice și mici - biologice (biotice).
Circulația geologică a substanțelor- procesul de migrare a substanțelor, desfășurat sub influența factorilor abiotici: intemperii, eroziune, mișcarea apei etc. Organismele vii nu iau parte la acesta.
Odată cu apariția materiei vii pe planetă, circulația biologică (biotică)... Toate organismele vii iau parte la aceasta, absorbind unele substanțe din mediu și eliberând altele. De exemplu, plantele aflate în proces de viață consumă dioxid de carbon, apă, minerale și eliberează oxigen din mediu. Animalele folosesc oxigenul eliberat de plante pentru respirație. Mănâncă plante și, ca urmare a digestiei, asimilează substanțe organice formate în procesul de fotosinteză. Acestea degajă dioxid de carbon și resturi alimentare nedigerate. După moarte, plantele și animalele formează o masă de materie organică moartă (detritus). Detritus este disponibil pentru descompunere (mineralizare) de către ciuperci microscopice și bacterii. Ca urmare a activității lor vitale, o cantitate suplimentară de dioxid de carbon pătrunde în biosferă. Și substanțele organice sunt transformate în componente anorganice originale - biogeni. Compușii minerali formați, pătrunzând în corpuri de apă și sol, devin din nou disponibile plantelor pentru fixare prin fotosinteză. Acest proces se repetă la nesfârșit și are o natură închisă (circulație). De exemplu, tot oxigenul atmosferic se deplasează pe această cale în aproximativ 2 mii de ani, în timp ce dioxidul de carbon durează aproximativ 300 de ani pentru a face acest lucru.
Energia conținută în materia organică scade pe măsură ce se mișcă în lanțurile alimentare. Cea mai mare parte este disipată în mediu sub formă de căldură sau este cheltuită pentru menținerea proceselor vitale ale organismelor. De exemplu, cu privire la respirația animalelor și plantelor, la transportul substanțelor în plante, precum și la procesele de biosinteză a organismelor vii. În plus, biogenii formați ca urmare a activității descompunerilor nu conțin energie disponibilă organismelor. În acest caz, nu putem vorbi decât despre fluxul de energie în biosferă, dar nu despre ciclu. Prin urmare, condiția existenței stabile a biosferei este circulația constantă a substanțelor și fluxul de energie în biogeocenoze.
Ciclurile geologice și biologice formează împreună ciclul biogeochimic general al substanțelor, a căror bază o reprezintă ciclurile de azot, apă, carbon și oxigen.
Ciclul azotului
Azotul este unul dintre cele mai abundente elemente din biosferă. Cea mai mare parte a azotului biosferic se află în atmosferă sub formă gazoasă. După cum știți din cursul chimiei, legăturile chimice dintre atomii din azotul molecular (N2) sunt foarte puternice. Prin urmare, majoritatea organismelor vii nu sunt capabile să o folosească direct. Prin urmare, o etapă importantă a ciclului azotului este fixarea și conversia acestuia într-o formă accesibilă organismelor. Există trei moduri de fixare a azotului.
Fixarea atmosferică... Sub influența descărcărilor electrice atmosferice (fulger), azotul poate interacționa cu oxigenul pentru a forma oxid de azot (NO) și dioxid (NO 2). Oxidul nitric (NO) este foarte rapid oxidat de oxigen și transformat în dioxid de azot. Dioxidul de azot se dizolvă în vapori de apă și sub formă de acizi nitric (HNO 2) și nitric (HNO 3) cu precipitații intră în sol. În sol, ca rezultat al disocierii acestor acizi, se formează ioni nitriți (NO 2 -) și nitrați (NO 3 -). Ionii nitriți și nitrați pot fi deja absorbiți de plante și incluși în ciclul biologic. Fixarea azotului atmosferic reprezintă aproximativ 10 milioane de tone de azot pe an, ceea ce reprezintă aproximativ 3% din fixarea anuală a azotului în biosferă.
Fixarea biologică... Este realizat de bacterii fixatoare de azot, care transformă azotul în forme accesibile plantelor. Datorită microorganismelor, aproximativ jumătate din azot este legat. Cele mai cunoscute bacterii sunt cele care fixează azotul în nodulii plantelor leguminoase. Ele furnizează azot plantelor sub formă de amoniac (NH 3). Amoniacul este ușor solubil în apă cu formarea ionului de amoniu (NH 4 +), care este absorbit de plante. Prin urmare, leguminoasele sunt cei mai buni predecesori ai plantelor cultivate în rotația culturilor. După moartea animalelor și plantelor și descompunerea resturilor lor, solul este îmbogățit cu compuși organici și minerali de azot. Apoi bacteriile putrefactive (amonificatoare) descompun substanțele care conțin azot (proteine, uree, acizi nucleici) ale plantelor și animalelor în amoniac. Acest proces se numește amonizare... Cea mai mare parte a amoniacului este oxidată ulterior de bacteriile nitrificante în nitriți și nitrați, care sunt reutilizați de plante. Întoarcerea azotului în atmosferă are loc prin denitrificare, care este efectuată de un grup de bacterii denitrificante. Ca rezultat, compușii azotoși sunt reduși la azot molecular. O parte din azotul din nitrat și amoniu se formează cu scurgeri de suprafață pătrunde în ecosistemele acvatice. Aici azotul este asimilat de organismele acvatice sau intră în sedimentele organice de fund.
Fixare industrială... O cantitate mare de azot este anual legată industrial în producția de îngrășăminte minerale cu azot. Azotul din astfel de îngrășăminte este asimilat de plante în forme de amoniu și nitrați. Volumul îngrășămintelor cu azot produse în Belarus este în prezent de aproximativ 900 de mii de tone pe an. Cel mai mare producător este SA "GrodnoAzot". Această întreprindere produce uree, azotat de amoniu, sulfat de amoniu și alți îngrășăminte cu azot.
Aproximativ 1/10 din azotul aplicat artificial este folosit de plante. Restul cu scurgeri de suprafață și ape subterane trece în ecosistemele acvatice. Acest lucru duce la acumularea în apă a unor cantități mari de compuși de azot disponibili pentru asimilare de către fitoplancton. În consecință, este posibilă reproducerea rapidă a algelor (eutrofizare) și, în consecință, decese în ecosistemele acvatice.
Ciclul apei
Apa este componenta principală a biosferei. Este un mediu pentru dizolvarea a aproape toate elementele în timpul ciclului. Cea mai mare parte a apei biosferei este reprezentată de apă lichidă și apă de gheață eternă (mai mult de 99% din toate rezervele de apă din biosferă). O parte nesemnificativă a apei se află într-o stare gazoasă - este vorba de vapori de apă atmosferici. Ciclul apei biosferice se bazează pe faptul că evaporarea sa de la suprafața Pământului este compensată de precipitații. Căzând pe suprafața terenului sub formă de precipitații, apa contribuie la distrugerea rocilor. Acest lucru pune mineralele lor la dispoziția organismelor vii. Evaporarea apei de pe suprafața planetei este cea care determină ciclul său geologic. Consumă aproximativ jumătate din energia solară incidentă. Evaporarea apei de la suprafața mărilor și oceanelor are loc la o rată mai mare decât revenirea sa cu precipitații. Această diferență este compensată de scurgerea superficială și profundă, datorită faptului că precipitațiile prevalează asupra evaporării pe continente.
Creșterea intensității evaporării apei pe uscat se datorează în mare măsură activității vitale a plantelor. Plantele extrag apa din sol și o transportă activ în atmosferă. O parte din apa din celulele vegetale este descompusă în timpul fotosintezei. În acest caz, hidrogenul este fixat sub formă de compuși organici, iar oxigenul este eliberat în atmosferă.
Animalele folosesc apa pentru a menține echilibrul osmotic și sărat în organism și o eliberează în mediul extern împreună cu produsele metabolice.
Ciclul carbonului
Carbonul ca element chimic este prezent în atmosferă în compoziția dioxidului de carbon. Aceasta determină participarea obligatorie a organismelor vii la ciclul acestui element pe planeta Pământ. Principala cale prin care carbonul din compușii anorganici trece în compoziția substanțelor organice, unde este un element chimic indispensabil, este procesul de fotosinteză. O parte din carbon este eliberat în atmosferă în compoziția dioxidului de carbon în timpul respirației organismelor vii și în timpul descompunerii materiei organice moarte de către bacterii. Carbonul absorbit de plante este consumat de animale. Pe lângă polipii de corali, moluștele folosesc compuși de carbon pentru a construi formațiuni scheletice și cochilii. După ce se sting și se depun, în partea de jos se formează depozite de calcar. Astfel, carbonul poate fi eliminat din ciclu. Eliminarea carbonului din ciclu pentru o lungă perioadă de timp se realizează prin formarea de minerale: cărbune, petrol, turbă.
De-a lungul existenței planetei noastre, carbonul eliminat din ciclu a fost compensat de dioxidul de carbon eliberat în atmosferă în timpul erupțiilor vulcanice și în cursul altor procese naturale. În prezent, s-a adăugat un impact antropic semnificativ proceselor naturale de reaprovizionare a carbonului în atmosferă. De exemplu, la arderea combustibililor cu hidrocarburi. Acest lucru perturbă ciclul carbonului vechi de secole pe Pământ.
O creștere a concentrației de dioxid de carbon de peste un secol cu doar 0,01% a dus la o manifestare vizibilă a efectului de seră. Temperatura medie anuală de pe planetă a crescut cu 0,5 ° C, iar nivelul Oceanului Mondial a crescut cu aproape 15 cm. Oamenii de știință prezic că dacă temperatura medie anuală crește cu încă 3-4 ° C, gheața eternă va începe a se topi. În același timp, nivelul Oceanului Mondial va crește cu 50-60 cm, ceea ce va duce la inundarea unei părți semnificative a terenului. Aceasta este considerată o catastrofă ecologică globală, deoarece aproximativ 40% din populația lumii trăiește pe aceste teritorii.
Ciclul oxigenului
În funcționarea biosferei, oxigenul joacă un rol extrem de important în procesele metabolice și respirația organismelor vii. Scăderea cantității de oxigen din atmosferă ca urmare a proceselor de respirație, combustie și degradare a combustibilului este compensată de oxigenul eliberat de plante în timpul fotosintezei.
Oxigenul s-a format în atmosfera primară a Pământului în timpul răcirii sale. Datorită reactivității sale ridicate, a trecut de la o stare gazoasă la compoziția diferiților compuși anorganici (carbonați, sulfați, oxizi de fier etc.). Atmosfera de astăzi a planetei care conține oxigen s-a format exclusiv datorită fotosintezei efectuate de organismele vii. Conținutul de oxigen din atmosferă crește la valorile sale actuale de mult timp. Menținerea cantității sale la un nivel constant este posibilă în prezent doar datorită organismelor fotosintetice.
Din păcate, în ultimele decenii, activitățile umane care duc la defrișări, eroziunea solului, reduc intensitatea fotosintezei. Și acest lucru, la rândul său, perturbă cursul natural al ciclului oxigenului în zone întinse ale Pământului.
O mică parte a oxigenului atmosferic este implicată în formarea și distrugerea ecranului de ozon sub acțiunea radiațiilor ultraviolete de la Soare.
Baza ciclului biogen al substanțelor este energia solară. Condiția principală pentru existența stabilă a biosferei este circulația constantă a substanțelor și fluxul de energie în biogeocenoze. Organismele vii joacă rolul principal în ciclurile de azot, carbon și oxigen. Baza ciclului global al apei în biosferă este asigurată de procesele fizice.
Plantele și animalele de astăzi transformă mediul natural. Exemple în acest sens sunt recifele de corali din ocean, depunerile de turbă din mlaștini, răspândirea lichenilor, dispersia algelor și microorganismelor care distrug munții. Aproape toate elementele chimice ale sistemului periodic al lui D. I. Mendeleev participă la ciclul biologic, dar printre ele se disting cele principale, vitale.
Carbon. Sursele de carbon din natură sunt la fel de numeroase pe cât de diverse. Între timp, numai dioxidul de carbon, care este fie în stare gazoasă în atmosferă, fie în stare dizolvată în apă, este sursa de carbon care servește ca bază pentru procesarea sa în materie organică a ființelor vii. Dioxidul de carbon captat de plante este transformat în zahăr în procesul de fotosinteză, iar prin alte procese de biosinteză este transformat în proteide, lipide etc. Aceste diferite substanțe servesc drept nutriție cu carbohidrați pentru animale și plante care nu sunt verzi. Pe de altă parte, toate organismele respiră și eliberează carbon în atmosferă sub formă de dioxid de carbon. Când apare moartea, saprofagele se descompun și mineralizează cadavrele, formând lanțuri alimentare, la capătul cărora carbonul reintră adesea în ciclu sub formă de dioxid de carbon (așa-numita „respirație a solului”). Reziduurile de plante și animale moarte care se acumulează încetinesc ciclul carbonului: saprofagele animale și microorganismele saprofite care trăiesc în sol transformă reziduurile acumulate pe suprafața sa în humus. Rata de influență a organismelor asupra humusului este departe de a fi aceeași, iar lanțurile de ciuperci și bacterii, care duc la mineralizarea finală a carbonului, variază în lungime. De regulă, humusul se descompune rapid.
Uneori lanțul poate fi scurt și incomplet. În acest caz, lanțul consumatorilor este lipsit de oportunitatea de a opera din cauza lipsei de aer sau a acidității prea mari, în urma căreia reziduurile organice se acumulează sub formă de turbă și formează turbării. În unele turbării cu un strat luxuriant de mușchi de sfagn, stratul de turbă atinge 20 m sau mai mult. Aici se oprește ciclul. Acumularile de compuși organici fosili sub formă și ulei indică faptul că circulația a încetinit pe scara timpului geologic.
De asemenea, apa încetinește ciclul carbonului, deoarece dioxidul de carbon se acumulează aici sub formă de cretă, calcar, dolomit sau corali. Adesea aceste mase de carbon rămân în afara ciclului pentru perioade geologice întregi până se ridică deasupra nivelului mării. Din acest moment, ca urmare a dizolvării calcarului și sau sub influența lichenilor, precum și a rădăcinilor plantelor cu flori, începe includerea carbonului și a calciului în ciclu.
AZOT. Ciclul azotului este destul de complex. conține 78% azot, cu toate acestea, pentru ca acesta să poată fi utilizat de marea majoritate a organismelor vii, acesta trebuie fixat sub formă de anumiți compuși chimici. Fixarea azotului are loc în timpul activității vulcanice, în timpul descărcărilor fulgere în atmosferă, în timpul arderii meteoriților. Cu toate acestea, microorganismele, care trăiesc liber și trăiesc pe rădăcini și, uneori, pe frunzele unor plante, au o importanță incomparabil mai mare în procesul de fixare a azotului. Din bacteriile libere, azotul este fixat de organismele aerobe (adică, care trăiesc cu acces la oxigen), precum și de cele anaerobe (adică, care trăiesc fără acces la oxigen). Cantitatea de azot fixată de astfel de bacterii libere variază între 2-3 kg și 5-6 kg pe hectar pe an. Un anumit rol în fixarea azotului îl au aparent algele albastre-verzui care locuiesc în sol.
Intrând în sol cu produse metabolice și reziduuri de plante și animale, substanțele organice se descompun în minerale, în timp ce bacteriile transformă azotul substanțelor organice în săruri de amoniu.
Capacitatea azotului de a-și varia valența într-o gamă largă determină rolul său specific în crearea diferiților compuși organici.
Mare pe suprafața globului este bine cunoscută. Evaporarea din corpurile de apă cauzată de energia solară creează umiditate atmosferică. Această umezeală se condensează sub formă de nori transportați de vânt. Pe măsură ce norii se răcesc, precipitațiile cad sub formă de ploaie și zăpadă. Precipitațiile sunt absorbite de sol sau curg pe suprafața acestuia. Apa revine la mări și oceane. Cantitatea de apă evaporată de plante este de obicei mare. Dacă există multă umiditate și apă pentru plante, evaporarea crește. Un mesteacăn pe zi evaporă 75 de litri de apă, fag - 100 de litri, tei - 200 de litri și 1 hectar de pădure - de la 20 la 50 de mii de litri. O pădure de mesteacăn, a cărei masă de frunziș pe 1 ha este de numai 4940 kg, evaporă 47 de mii de litri de apă pe zi, în timp ce o pădure de molid, masa de ace pe 1 ha este de 31 de mii kg. - doar 43 de mii de litri de boi pentru lene. Grâul pe hectar folosește 3750 de tone de apă în perioada de dezvoltare, ceea ce corespunde cu 375 mm de precipitații.
Oxigenul în termeni cantitativi este componenta principală a materiei vii. Dacă luăm în considerare apa din țesuturi, atunci, de exemplu, corpul uman conține 62,8% oxigen și 19,4% carbon. În general, oxigenul este elementul său principal în comparație cu carbonul și hidrogenul.
Ciclul oxigenului este complicat de faptul că acest element poate forma numeroși compuși chimici. Ca rezultat, există multe cicluri intermediare între atmosferă sau între aceste două medii.
Oxigenul, începând cu o anumită concentrație, este foarte toxic pentru celule și țesuturi, chiar și în organismele aerobe. Omul de știință francez Louis Pasteur (1822 - 1895) a dovedit că niciun organism anaerob viu nu poate rezista la o concentrație de oxigen care depășește atmosferic cu 1% (efectul lui Pasteur).
Ciclul oxigenului are loc în principal între atmosferă și organismele vii. Procesul de producere și eliberare a oxigenului sub formă de gaz în timpul fotosintezei este opusul procesului de consum al oxigenului în timpul respirației. În acest caz, are loc distrugerea substanțelor organice și interacțiunea oxigenului cu hidrogenul. În unele privințe, ciclul oxigenului seamănă cu ciclul invers al dioxidului de carbon: mișcarea unuia are loc în direcția opusă mișcării celuilalt.
Sulf. Partea predominantă a ciclului acestui element este de natură sedimentară și apare în sol și apă. Principala sursă de sulf disponibilă ființelor vii este tot felul de sulfați. Buna solubilitate în apă a multor sulfați facilitează accesul sulfului anorganic la ecosisteme. Prin absorbția sulfaților, plantele le refac și produc aminoacizi care conțin sulf.
Diverse deșeuri organice ale biocenozei sunt descompuse de bacterii, care, în cele din urmă, produc hidrogen sulfurat din sulfoproteinele conținute în sol. Unele bacterii pot produce, de asemenea, hidrogen sulfurat din sulfați, pe care îl reduc în condiții anaerobe. Aceste bacterii, folosind sulfați, primesc energia necesară metabolismului lor.
Pe de altă parte, există bacterii care pot oxida din nou hidrogen sulfurat în sulfați, ceea ce crește din nou aprovizionarea cu sulf disponibil producătorilor. Astfel de bacterii sunt numite bacterii chemosintetice, deoarece pot produce energie celulară fără participarea luminii, numai prin oxidarea unor substanțe chimice simple. Deci, în biosferă, rocile sedimentare conțin principalele rezerve de sulf, care se găsește în principal sub formă de pirită, precum și sulfați, cum ar fi gipsul.
Fosfor. Ciclul fosforului este relativ simplu și foarte incomplet. Fosforul este unul dintre principalele elemente constitutive ale materiei vii, în care este conținut în cantități destul de mari. Rezervele de fosfor disponibile pentru ființele vii sunt concentrate în întregime în litosferă. Principalele surse de fosfor anorganic sunt rocile magmatice (de exemplu, apatita) sau rocile sedimentare (de exemplu, fosforitul). Fosforul mineral este un element rar în biosferă, în scoarța terestră nu depășește 1%, care este principalul factor care limitează productivitatea a numeroase ecosisteme. Fosforul anorganic din rocile crustale este atras în circulație prin levigare și dizolvare în apele continentale. Intră în ecosistemele terestre, este absorbit de plante, care, cu participarea sa, sintetizează diferiți compuși organici și, astfel, este inclus în legături trofice. Apoi, fosfații organici, împreună cu cadavrele, deșeurile și excrețiile ființelor vii, se întorc la pământ, unde sunt din nou expuși microorganismelor și sunt transformați în ortofosfați minerali, gata de utilizare de către plantele verzi și alți autotrofi (din autosul grecesc) și trophe - hrană, nutriție).
Fosforul este adus în ecosistemele acvatice de apele curgătoare. Râurile îmbogățesc continuu oceanele cu fosfați, ceea ce contribuie la dezvoltarea fitoplanctonului și a organismelor vii situate la diferite niveluri ale rețelelor alimentare de apă dulce sau marine. Istoria oricărui element chimic dintr-un peisaj este alcătuită din nenumărate cicluri, variind ca scară și durată. Procesele opuse - acumularea și mineralizarea biogenă - formează un singur ciclu biologic de atomi.
Peisajele tundrei se formează în condiții reci, cu o perioadă scurtă de vară și, prin urmare, sunt neproductive. Scăderea și solurile sunt cauza principală a multor caracteristici ale tundrei. „Valurile vieții” sunt, de asemenea, asociate cu un deficit de căldură: în anii cu veri mai calde, producția de materie vie crește. Unele plante înfloresc în tundră numai în anii favorabili (de exemplu, ceaiul de ivan în tundra arctică). Plantele cresc încet în tundră. Lichenii cresc cu 1 - 10 mm pe an; un ienupăr cu diametrul trunchiului de 83 mm poate avea până la 544 de inele de creștere. Este afectat nu numai de influența temperaturilor scăzute, ci și de lipsa unei cantități suficiente de nutrienți.
În multe tundre, mușchii și lichenii joacă un rol important. Există peisaje în care predomină.
În tundră, biomasa plantelor este de 170,3 u / ha, din care 72% cade pe partea subterană. Creșterea anuală a biomasei este de 23,5 c / ha, iar gunoiul anual este de 21,9 c / ha. Astfel, adevărata creștere, egală cu diferența dintre creștere și așternut, este foarte mică - 1,6 c / ha (în taiga nordică - 10 c / ha, în taiga sudică - 30 c / ha, în tropicele umede - 75 c / ha) ...
Datorită temperaturii scăzute, descompunerea resturilor de organisme din tundră se desfășoară încet, multe grupuri de microorganisme nu funcționează sau funcționează foarte slab (bacterii care descompun fibre etc.). Acest lucru duce la acumularea de materie organică la suprafață și în sol.
Pădurile de foioase din Rusia sunt distribuite în partea europeană, pe. Toate acestea sunt regiuni ale unui climat umed, moderat cald. Biomasa de aici nu este mult mai mică decât în tropicele umede (3000 5000 kg / ha), dar producția anuală și masa asimilatoare verde sunt de câteva ori mai puține. Producția variază de la 80 la 150 c / ha (în zonele tropicale umede - 300 - 500 c / ha), masa verde asimilatoare în pădurile de stejar este de 1% din biomasă și atinge 40 c / ha (8% și 400 c / ha în tropicele umede).
Copacii cu frunze largi sunt relativ bogate în frasin, în special frunze (până la 5%). Există mult Ca în cenușa frunzelor - până la 20% sau 0,6 - 3,8% la substanța uscată, mai puțin K (0,15 - 2,0%) și Si (0,4 - 2,8%), chiar mai puțin Mg, A1, P, de asemenea ca Fe, Mn, Na, C1.
În taiga, biomasa nu este mult inferioară tropicelor umede și pădurilor de foioase. În taiga sudică, biomasa depășește 3000 c / ha și numai în taiga nordică scade la 500 - 1500 c / ha. Zoom-ul din taiga este neglijabil (în taiga sudică - 0,01% din biomasă).
Mai mult de 60% din biomasă este reprezentată de lemn, format din fibre (aproximativ 50%), lignină (20-30%), hemiceluloză (mai mult de 10%).
Producția anuală în taiga sudică este aproape aceeași ca și în pădurile de foioase (85 c / ha față de 90 c / ha în pădurile de stejar), în taiga nordică - mult mai puțin (40 - 60 c / ha). Deșeurile de plante din taiga sudică sunt mai mici decât în pădurile de stejar și sunt egale cu 55 c / ha (în pădurile de stejar 65 c / ha); în taiga nordică este chiar mai puțin - 35 c / ha.
Tropicele umede ocupă zone întinse în ecuatorial, sud și sud, central și. Au fost și mai răspândite în epocile geologice trecute (de la sfârșitul Devonianului). O abundență de căldură este combinată aici cu o abundență de precipitații; căldura și umiditatea nu limitează ciclul biologic unic al atomilor. atomii au loc cu aceeași intensitate pe tot parcursul anului, frecvența migrației este slabă.
Abundența de căldură și umiditate determină producția anuală mare de materie vie în zonele tropicale umede. Valoarea producției este de 2 - 3 ori mai mare decât în pădurile de foioase și taiga și ajunge la 300 - 500 c / ha. În ceea ce privește raportul dintre biomasă și producție, suprateran și subteran, biomasă verde și non-verde și mulți alți indicatori, tropicele umede nu diferă în mod semnificativ de alte peisaje forestiere umede. Cu toate acestea, tropicele umede diferă de pădurile de foioase în ceea ce privește cantitatea de potasiu din biomasă. Biomasa animalelor din tropicele umede reprezintă aproximativ 1% din biomasă (45 kg / ha). Acestea sunt în principal termite, furnici și alte animale inferioare. Conform acestui indicator, tropicele umede diferă brusc de taiga, care acumulează doar 3,6 centenari / ha de masă zoologică (0,01% din biomasă). Descompunerea unei mase mari de materie organică saturează apa cu dioxid de carbon și acizi organici. Principalele elemente care intră în apă în timpul ciclului biologic sunt Si și Ca, K. Mg, Al, Fe, Mn, S. Frunzele copacilor tropicali au un conținut ridicat de Si. În timpul ciclului biologic, o cantitate mare de N, P, K, Ca, Mg, Na, CI, S și alte elemente este spălată din frunze de apa de ploaie.
Stepele și deșerturile sunt similare în multe proprietăți. Biomasa din stepe este cu un ordin de mărime mai mic decât în peisajele forestiere - de la 100 la 350 c / ha. Cea mai mare parte, spre deosebire de păduri, este concentrată în rădăcini (70 - 90%). Biomasa animalelor din stepe este de aproximativ 6%. Producția anuală este de 13 - 50 centners / ha, adică 30 - 50% din biomasă.
În fiecare an, sute de kilograme de substanțe solubile în apă (la 1 ha) sunt implicate în circulația biologică a atomilor în stepe, adică mult mai mult decât în taiga (stepele de luncă - 700 kg / ha; taiga sudică - 155 kg / ha). În stepele de pajiști cu așternut, 700 kg / ha de substanțe solubile în apă revin anual, în cele uscate - 150 kg / ha (în pădurile de molid din taiga sudică - 120 kg / ha). În gunoi, un rol important îl au bazele care neutralizează complet acizii organici.
Spre deosebire de peisajele forestiere, solurile de stepă acumulează de 20 - 30 de ori mai multă materie organică decât biomasa (în stepele de luncă - până la 8000 c / ha de humus; în stepele uscate - 1000 - 1500 c / ha). Pentru stepe și deșerturi, Ca, Na și Mg sunt cele mai caracteristice, care se acumulează în timpul salinizării în ape, soluri și produse meteorice.
Conform compoziției minerale, toate ierburile de stepă sunt împărțite în trei grupe: cereale cu un conținut ridicat de Si și un conținut redus de N; leguminoase cu acumulare semnificativă de K, Ca și N; furci care ocupă o poziție intermediară.
Toate substanțele de pe planetă sunt în curs de circulație. Energia solară provoacă două cicluri de materie pe Pământ: mare (geologic, biosferic)și mic (biologic).
Marea circulație a substanțelor în biosferă este caracterizată de două puncte importante: se desfășoară pe întreaga dezvoltare geologică a Pământului și este un proces planetar modern care joacă un rol principal în dezvoltarea ulterioară a biosferei.
Circulația geologică este asociată cu formarea și distrugerea rocilor și mișcarea ulterioară a produselor de distrugere - resturi și elemente chimice. Proprietățile termice ale suprafeței solului și ale apei au jucat și continuă să joace un rol semnificativ în aceste procese: absorbția și reflectarea luminii solare, conductivitatea termică și capacitatea de căldură. Regimul hidrotermic instabil al suprafeței Pământului, împreună cu sistemul de circulație atmosferică planetară, au determinat circulația geologică a substanțelor, care în stadiul inițial al dezvoltării Pământului, alături de procesele endogene, a fost asociată cu formarea continentelor, oceanelor și modernelor geosfere. Odată cu formarea biosferei, produsele reziduale ale organismelor au fost incluse în marea circulație. Ciclul geologic furnizează organismelor vii nutrienți și determină în mare măsură condițiile pentru existența lor.
Principalele elemente chimice litosfere: oxigen, siliciu, aluminiu, fier, magneziu, sodiu, potasiu și altele - participă la un ciclu mare, trecând de la părțile profunde ale mantalei superioare la suprafața litosferei. Roca magmatică cristalizată
magma, după ce a pătruns pe suprafața litosferei din adâncurile Pământului, suferă descompunerea, degradându-se în biosferă. Produsele intemperiilor trec într-o stare mobilă, sunt transportate de ape și vânt în locuri cu relief scăzut, cad în râuri, ocean și formează straturi groase de roci sedimentare, care în timp, scufundându-se la adâncime în zonele cu temperatură crescută și presiune, suferă metamorfoză, adică „topit”. Odată cu această refuzare, apare o nouă rocă metamorfică, care pătrunde în orizonturile superioare ale scoarței terestre și reintră în circulația substanțelor. (fig. 32).
Orez. 32. Circulația geologică (mare) a substanțelor
Cea mai intensă și rapidă circulație suferă substanțe ușor mobile - gaze și ape naturale care alcătuiesc atmosfera și hidrosfera planetei. Materialul litosferei circulă mult mai încet. În general, fiecare ciclu al oricărui element chimic face parte din ciclul general general de substanțe de pe Pământ și toate sunt strâns legate între ele. Materia vie a biosferei din acest ciclu face o treabă excelentă de redistribuire a elementelor chimice care circulă continuu în biosferă, trecând de la mediul extern la organisme și din nou la mediul extern.
Ciclu mic sau biologic al substanțelor- Acest
circulația substanțelor între plante, animale, ciuperci, microorganisme și sol. Esența ciclului biologic constă în cursul a două procese opuse, dar legate între ele - crearea de substanțe organice și distrugerea lor. Etapa inițială a apariției substanțelor organice se datorează fotosintezei plantelor verzi, adică formării materiei vii din dioxid de carbon, apă și compuși minerali simpli folosind energia Soarelui. Plantele (producătorii) extrag molecule de sulf, fosfor, calciu, potasiu, magneziu, mangan, siliciu, aluminiu, zinc, cupru și alte elemente din sol în soluție. Animalele erbivore (consumatori de primul ordin) absorb compușii acestor elemente deja sub formă de alimente de origine vegetală. Prădătorii (consumatorii de ordinul doi) se hrănesc cu animale erbivore, consumând alimente cu o compoziție mai complexă, inclusiv proteine, grăsimi, aminoacizi și alte substanțe. În procesul de distrugere de către microorganisme (reducătoare) a substanțelor organice ale plantelor moarte și a resturilor animale, compușii minerali simpli care sunt disponibili pentru asimilare de către plante intră în sol și în mediul acvatic, iar următoarea rundă a ciclului biologic începe (fig. 33).
Activitatea vitală a ecosistemului și circulația substanțelor în acesta sunt posibile numai în condițiile unui flux constant de energie. Principala sursă de energie pe Pământ este radiația solară. Energia Soarelui este transformată de organismele fotosintetice în energia legăturilor chimice ale compușilor organici. Transferul de energie prin lanțurile alimentare se supune celei de-a doua legi a termodinamicii: transformarea unui tip de energie în altul are loc odată cu pierderea unei părți a energiei. În același timp, redistribuirea sa respectă un tipar strict: energia primită de ecosistem și asimilată de producători este disipată sau, împreună cu biomasa lor, este transferată ireversibil consumatorilor din primul, al doilea etc. comenzi și apoi reductoare cu o scădere a fluxului de energie la fiecare nivel trofic. În acest sens, nu există circulație a energiei.
Spre deosebire de energie, care este utilizată o singură dată într-un ecosistem, substanțele sunt folosite de multe ori datorită faptului că consumul și transformarea lor are loc în cerc. Acest ciclu este realizat de organismele vii ale ecosistemului (producători, consumatori, reducători) și se numește ciclul biologic al substanțelor.
Ciclul biologic al substanțelor sau mic - fluxul substanțelor din sol și atmosferă în organisme vii cu o modificare corespunzătoare a formei lor chimice, revenirea lor în sol și atmosferă în timpul vieții organismelor și cu resturi post-mortem și re- intrarea în organismele vii după procesele de distrugere și mineralizare cu ajutorul microorganismelor. Această înțelegere a ciclului biologic al substanțelor (conform N.P. Remezov, L.E. Rodin și N.I. Bazilevich) corespunde nivelului biogeocenotic. Este mai precis să vorbim despre ciclul biologic al elementelor chimice și nu despre substanțe, deoarece în diferite etape ale ciclului, substanțele pot fi modificate chimic. Potrivit lui V.A. Kovdy (1973), valoarea anuală a ciclului biologic al elementelor de cenușă din sistemul sol-plantă depășește semnificativ valoarea scurgerii geochimice anuale a acestor elemente în râuri și mări și se măsoară printr-o cifră colosală de 109 t / an.
Sistemele ecologice ale uscatului și oceanelor leagă și redistribuie energia solară, carbonul atmosferic, umezeala, oxigenul, hidrogenul, fosforul, azotul, sulful, calciul și alte elemente. Activitatea vitală a organismelor vegetale (producători) și interacțiunile acestora cu animale (consumatori), microorganisme (descompunători) și natura neînsuflețită oferă un mecanism pentru acumularea și redistribuirea energiei solare care intră pe Pământ.
Circulația substanțelor nu este niciodată complet închisă. Unele dintre substanțele organice și anorganice sunt transportate din ecosistem și, în același timp, rezervele lor pot fi alimentate din cauza afluxului din exterior. În unele cazuri, gradul de reproducere repetată a anumitor cicluri ale ciclului substanțelor este de 90-98%. Închiderea incompletă a ciclurilor pe scara timpului geologic duce la acumularea de elemente în diferite zone naturale ale Pământului. Astfel, se acumulează minerale - cărbune, petrol, gaz, calcar etc.
2. Trăsături fundamentale ale științei naturale moderne ale imaginii științifice a lumii
Știința naturii este știința fenomenelor și legilor naturii. Știința naturală modernă include multe ramuri ale științelor naturale: fizică, chimie, biologie, precum și numeroase ramuri conexe, cum ar fi chimia fizică, biofizica, biochimia etc. un singur întreg.
Tehnologia modernă diversă este rodul științelor naturale, care până în prezent este baza principală pentru dezvoltarea a numeroase domenii promițătoare - de la nanoelectronică la cea mai complexă tehnologie spațială, iar acest lucru este evident pentru mulți.
Filozofii din toate timpurile s-au bazat pe ultimele realizări ale științei și, în primul rând, pe științele naturii. Realizările din secolul trecut în fizică, chimie, biologie și alte științe au făcut posibilă o privire nouă asupra ideilor filosofice care s-au dezvoltat de-a lungul secolelor. Multe idei filosofice s-au născut în adâncurile științelor naturale, iar știința naturii, la rândul ei, la începutul dezvoltării sale avea un caracter filozofic natural. Despre o astfel de filozofie se poate spune în cuvintele filosofului german Arthur Schopenhauer (1788-1860): „Filosofia mea nu mi-a dat absolut niciun venit, dar m-a salvat de o mulțime de cheltuieli”.
O persoană care are cel puțin cunoștințe științifice generale și în același timp conceptuale, adică cunoștințe despre natură, el își va îndeplini cu siguranță acțiunile astfel încât beneficiile, ca rezultat al acțiunilor sale, să fie întotdeauna combinate cu respectul pentru natură și cu conservarea ei nu numai pentru prezent, ci și pentru generațiile viitoare.
Cunoașterea adevărului științific natural face ca o persoană să fie liberă, liberă în sensul filosofic larg al cuvântului, liberă de decizii și acțiuni incompetente și, în cele din urmă, liberă în alegerea căii activității sale nobile și creative.
Nu are sens să enumerăm realizările științei naturii, fiecare dintre noi cunoaște tehnologiile născute de el și le folosește. Tehnologiile avansate se bazează în principal pe descoperirile științifice naturale din ultimele decenii ale secolului al XX-lea, cu toate acestea, în ciuda realizărilor tangibile, apar probleme, cauzate în principal de conștientizarea amenințării la adresa echilibrului ecologic al planetei noastre. O varietate de economiști de piață ar fi de acord că o piață liberă nu poate proteja elefanții africani de vânători sau de siturile istorice mesopotamiene de ploi acide și turiști. Numai guvernele sunt capabile să stabilească legi care să stimuleze furnizarea pieței cu tot ceea ce are nevoie o persoană, fără a-i distruge habitatul.
În același timp, guvernele nu sunt în măsură să urmeze o astfel de politică fără ajutorul oamenilor de știință și, mai presus de toate, oamenii de știință care cunosc științele naturale moderne. Avem nevoie de o legătură între știința naturii și structurile de guvernare în probleme legate de mediu, securitate materială, etc. Fără știință, este dificil să menținem planeta curată: trebuie să se măsoare nivelul poluării, să se prevadă consecințele lor - acesta este singurul modul în care putem afla despre problemele care trebuie prevenite. Doar cu ajutorul celor mai moderne metode natural-științifice și, în primul rând, fizice, este posibil să se monitorizeze grosimea și omogenitatea stratului de ozon, care protejează o persoană de radiațiile ultraviolete. Numai cercetările științifice vor ajuta la înțelegerea cauzelor și consecințelor precipitațiilor acide și a smogului care afectează viața fiecărei persoane, pentru a oferi cunoștințele necesare zborului unei persoane către Lună, pentru a explora adâncurile oceanului și pentru a găsi modalități de a scapă de o persoană de multe boli grave.
Ca urmare a analizei modelelor matematice populare în anii '70, oamenii de știință au ajuns la concluzia că dezvoltarea ulterioară a economiei va deveni în curând imposibilă. Și, deși nu au adus noi cunoștințe, totuși au jucat un rol important. Au demonstrat posibilele consecințe ale tendințelor de dezvoltare care apar astăzi. La un moment dat, astfel de modele au convins într-adevăr milioane de oameni că protecția naturii este necesară și aceasta este o contribuție semnificativă la progres. În ciuda diferențelor de recomandări, toate modelele conțin o concluzie principală: natura nu mai poate fi poluată așa cum este astăzi.
Multe probleme de pe Pământ pot fi asociate cu cunoașterea științelor naturale. Cu toate acestea, aceste probleme sunt generate de imaturitatea științei în sine. Lasă-o să își continue cursul - iar omenirea va depăși dificultățile de astăzi - aceasta este părerea majorității oamenilor de știință. Pentru alții, într-o măsură mai mare, cei care se consideră doar o cohortă de oameni de știință, știința și-a pierdut semnificația.
Știința naturii reflectă în mare măsură nevoile practicienilor și, în același timp, este finanțată în funcție de simpatiile în continuă schimbare ale statului și ale publicului.
Știința și tehnologia nu sunt doar principalul instrument care permite oamenilor să se adapteze la condițiile naturale în continuă schimbare, ci și principala forță care cauzează direct sau indirect astfel de schimbări.
Împreună cu trăsăturile pozitive evidente inerente științei naturii, ar trebui să vorbim despre neajunsurile datorate naturii cunoașterii în sine și despre lipsa de înțelegere în acest stadiu a unor proprietăți foarte importante ale lumii materiale datorită cunoașterii limitate a omului. De exemplu, matematicienii puri au făcut o descoperire care contrazice ideile gânditorilor din trecut: procesele aleatorii și haotice pot fi descrise prin modele matematice exacte. Mai mult, s-a dovedit că chiar și un model simplu dotat cu feedback eficient este atât de sensibil la cele mai mici schimbări în condițiile inițiale, încât viitorul său devine imprevizibil. Merită să ne argumentăm, deci, dacă Universul este determinist dacă un model strict determinist dă rezultate care nu diferă de cele probabiliste?
Scopul științelor naturale este de a descrie, sistematiza și explica totalitatea fenomenelor și proceselor naturale. Cuvântul „explica” din metodologia științei în sine necesită o explicație. În majoritatea cazurilor, înseamnă a înțelege. Ce înseamnă de obicei o persoană când spune „înțeleg”? De obicei, aceasta înseamnă: „Știu de unde a venit” și „Știu unde va duce”. Așa se formează o relație de cauzalitate: cauză - fenomen - efect. Extinderea unei astfel de conexiuni și formarea unei structuri multidimensionale care acoperă multe fenomene servește ca bază a unei teorii științifice caracterizată printr-o structură logică clară și constând dintr-un set de principii sau axiome și teoreme cu toate concluziile posibile. Orice disciplină matematică este construită conform acestei scheme, de exemplu, geometria euclidiană sau teoria mulțimilor, care pot servi ca exemple tipice de teorii științifice. Construcția unei teorii presupune, desigur, crearea unui limbaj științific special, a unei terminologii speciale, a unui sistem de concepte științifice care au un sens fără echivoc și sunt interconectate prin reguli stricte de logică.
După ce teoria este „testată de experiență, începe următoarea etapă a cunoașterii realității, în care sunt stabilite limitele adevărului cunoașterii noastre sau limitele de aplicabilitate a teoriilor și afirmațiilor științifice individuale. Această etapă este determinată de factori obiectivi și subiectivi. Unul dintre factorii obiectivi esențiali este dinamismul lumii din jurul nostru. Să ne reamintim cuvintele înțelepte ale vechiului filosof grec Heraclit (sfârșitul secolului al VI-lea - începutul secolului al V-lea î.Hr.); „Totul curge, totul se schimbă; nu puteți intra în același râu de două ori. Pentru a rezuma, să formulăm pe scurt trei principii de bază ale cunoașterii științifice a realității.
1. Cauzalitate. Prima și destul de capabilă definiție a cauzalității este conținută în afirmația lui Democrit: „Nici un lucru nu apare fără motiv, ci totul apare pe o bază și prin forța necesității”.
2. Criteriul adevărului. Adevărul științific natural este verificat (dovedit) numai prin practică: observații, experimente, experimente, activități de producție: Dacă o teorie științifică este confirmată de practică, atunci este adevărat. Teoriile științelor naturii sunt testate de Experimentul legat de observații, măsurători și procesare matematică a rezultatelor obținute. Subliniind importanța măsurătorilor, eminentul om de știință D.I. Mendeleev (1834 - 1907) a scris: „Știința a început când oamenii au învățat să măsoare; știința exactă este de neconceput fără măsură ".
3. Relativitatea cunoștințelor științifice. Cunoștințele științifice (concepte, idei, concepte, modele, teorii, concluzii din acestea etc.) sunt întotdeauna relative și limitate.
O afirmație frecvent întâlnită: obiectivul principal al științelor naturale - stabilirea legilor naturii, descoperirea adevărurilor ascunse - presupune în mod explicit sau implicit că adevărul undeva există deja și există într-o formă gata făcută, trebuie doar să fie găsit, găsit ca un fel de comoară. Marele filosof al antichității Democrit a spus: „Adevărul este ascuns în adâncuri (se află la fundul mării)”. Un alt factor obiectiv este asociat cu imperfecțiunea tehnicii experimentale, care servește ca bază materială a oricărui experiment.
Știința naturii într-un fel sau altul sistematizează observațiile noastre asupra naturii. În acest caz, nu ar trebui să considerăm, de exemplu, teoria curbelor de ordinul doi ca fiind aproximativă pe motiv că în natură nu există exact curbe de ordinul doi. Nu se poate spune că geometria non-euclidiană rafinează euclidianul - fiecare își ia locul în sistemul de modele, fiind exacte în conformitate cu criteriile interne de precizie și își găsește aplicația acolo unde este necesar. În același mod, este greșit să afirmăm că teoria relativității rafinează mecanica clasică - acestea sunt modele diferite, care, în general vorbind, au sfere de aplicare diferite.
Oricare ar fi conținutul adevărului care a ocupat mintea marilor oameni de știință din cele mai vechi timpuri și indiferent de modul în care este rezolvată problema complexă a subiectului științei în general și a științelor naturale în special, un lucru este evident: știința naturală este o instrument eficient, puternic, care nu numai că permite să cunoască lumea din jur, ci și să aducă beneficii extraordinare.
De-a lungul timpului, și mai ales la sfârșitul secolului trecut, s-a produs o schimbare a funcției științei și, în primul rând, a științelor naturale. Dacă mai devreme funcția principală a științei era de a descrie, sistematiza și explica obiectele studiate, acum știința devine o parte integrantă a activității de producție umană, în urma căreia producția modernă - fie că este eliberarea celei mai complexe tehnologii spațiale , computerele super și personale moderne sau echipamentele audio și video de înaltă calitate - capătă un caracter intensiv în cunoștințe. Există o fuziune între activități științifice și de producție și tehnice, ca urmare, apar mari asociații științifice și de producție - complexe științifice și tehnice intersectoriale „știință - tehnologie - producție”, în care știința are un rol principal. În astfel de complexe au fost create primele sisteme spațiale, primele centrale nucleare și multe altele, care sunt considerate a fi cele mai înalte realizări ale științei și tehnologiei.
Recent, specialiștii în științe umaniste cred că știința este o forță productivă. Aceasta se referă în primul rând la știința naturii. Deși știința nu produce în mod direct produse materiale, este evident că evoluțiile științifice se află în centrul producției oricărui produs. Prin urmare, atunci când vorbesc despre știință ca o forță productivă, ei iau în considerare nu produsul final al unei toge sau alte producții, ci acele informații științifice - un fel de produs, pe baza căruia este producerea valorilor materiale organizat și realizat.
Luând în considerare un indicator atât de important precum cantitatea de informații științifice, este posibil să se facă nu numai o evaluare calitativă, ci și o cantitate a schimbării temporare a acestui indicator și, astfel, să se determine regularitatea dezvoltării științei.
O analiză cantitativă arată că rata de dezvoltare a științei, atât în general, cât și pentru ramuri ale științelor naturale precum fizica, biologia etc., precum și pentru matematică, se caracterizează printr-o creștere de 5-7% pe an în ultimii 300 de ani. Analiza a ținut cont de indicatori specifici: numărul de articole științifice, cercetători etc. Această rată de dezvoltare a științei poate fi caracterizată într-un alt mod. Pentru fiecare 15 ani (jumătate din diferența medie de vârstă dintre părinți și copii), volumul producției științifice crește de e ori (e = 2,72 - baza logaritmilor naturali). Această afirmație este esența legilor dezvoltării exponențiale a științei.
Următoarele concluzii rezultă din acest model. Pentru fiecare 60 de ani, producția științifică crește de aproximativ 50 de ori. În ultimii 30 de ani, astfel de produse au fost create de aproximativ 6,4 ori mai mult decât în întreaga istorie a omenirii. În acest sens, la numeroasele caracteristici ale secolului XX. este destul de justificabil să mai adăugăm încă unul - „secolul științei”.
Este destul de evident că în limitele indicatorilor considerați (ei, desigur, nu pot fi considerați exhaustivi pentru caracterizarea problemei complexe a dezvoltării științei), dezvoltarea exponențială a științei nu poate continua la nesfârșit, altfel, într-un timp relativ scurt interval, în viitorul apropiat, întreaga populație a globului s-ar transforma în angajați științifici. După cum sa menționat în paragraful anterior, chiar și un număr mare de publicații științifice conțin o cantitate relativ mică de informații științifice cu adevărat valoroase. Și nu fiecare cercetător aduce o contribuție semnificativă la știința autentică. Dezvoltarea în continuare a științei va continua în viitor, dar nu datorită creșterii extinse a numărului de cercetători și a numărului de publicații științifice pe care le produc, ci datorită implicării metodelor și tehnologiilor de cercetare progresive, precum și îmbunătățirii calității munca stiintifica.
Astăzi, mai mult ca oricând, munca detaliată este importantă nu numai și nu atât în ceea ce privește critica și regândirea trecutului, cât și studiul căilor spre viitor, căutarea de idei și idealuri noi. Pe lângă problemele economice, aceasta este probabil cea mai semnificativă ordine socială pentru știința și cultura internă. Ideile trecute se epuizează sau s-au epuizat și, dacă nu umpleți golul rezultat, atunci acesta va fi ocupat de idei și fundamentalism chiar mai vechi, confirmate deja de puterea și autoritatea autorităților. Aceasta este tocmai provocarea de a raționa astăzi, de la care asistăm la o plecare.
3. În toate sistemele de raportare inerțială, mișcarea are loc în conformitate cu aceleași legi - aceasta este formularea ...
a) legea gravitației universale; b) principiile relativității lui Galileo; c) legile mecanicii clasice din Newton
Principiul relativității este un principiu fizic fundamental, conform căruia toate procesele fizice din cadrul de referință inerțial procedează în același mod, indiferent dacă sistemul este staționar sau se află într-o stare de mișcare uniformă și rectilinie.
Această definiție se referă la punctul "b" - principiile relativității lui Galileo.
4. Principiile relativității lui Galileo
Principiul relativității Galileo ,
principiul egalității fizice a sistemelor de referință inerțiale în mecanica clasică, manifestat prin faptul că legile mecanicii din toate aceste sisteme sunt aceleași. Prin urmare, rezultă că niciun experiment mecanic efectuat în niciun sistem inerțial nu poate determina dacă un sistem dat se află în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu. Această poziție a fost stabilită pentru prima dată de G. Galileo în 1636. Galileo a ilustrat identitatea legilor mecanicii pentru sistemele inerțiale prin exemplul fenomenelor care apar sub puntea unei nave în repaus sau care se mișcă uniform și rectiliniar (în raport cu Pământul, care poate fi considerat cu un grad suficient de precizie ca cadru de referință inerțial): „Acum faceți nava să se deplaseze la orice viteză și apoi (dacă doar mișcarea este uniformă și fără să se rostogolească într-o direcție sau alta) în toate aceste fenomene nu veți găsi nici cea mai mică schimbare și niciuna dintre ele nu va putea determina dacă nava se mișcă sau stă nemișcată ... Aruncând ceva către un tovarăș, nu va trebui să o aruncați cu o forță mai mare atunci când el este pe arc și sunteți în pupă decât atunci când poziția dvs. relativă este inversată; picăturile, ca și înainte, vor cădea în vasul inferior și niciuna nu va cădea mai aproape de pupa, deși în timp ce picătura este în aer, nava va parcurge multe întinderi ”1.
Mișcarea unui punct material relativ: poziția sa, viteza, tipul de traiectorie depind de cadrul de referință (corpul de referință) la care este luată în considerare această mișcare. În același timp, legile mecanicii clasice ,
adică relațiile care leagă mărimile care descriu mișcarea punctelor materiale și interacțiunea dintre ele sunt aceleași în toate cadrele de referință inerțiale. Relativitatea mișcării mecanice și similitudinea (non-relativitatea) legilor mecanicii în diferite cadre de referință inerțiale sunt conținutul principiului relativității galilean.
Matematic, principiul relativității galileene exprimă invarianța (invarianța) ecuațiilor mecanicii în ceea ce privește transformările coordonatelor punctelor în mișcare (și ale timpului) în timpul tranziției de la un sistem inerțial la altul - transformări Galileo.
Să existe două cadre de referință inerțiale, dintre care una, S, suntem de acord să luăm în considerare în repaus; al doilea sistem, S ', se deplasează în raport cu S la o viteză constantă tu așa cum se arată în figură. Apoi transformările lui Galileo pentru coordonatele unui punct material din sistemele S și S vor avea forma:
x ’= x - ut, y’ = y, z ’= z, t’ = t (1)
(valorile umbrite se referă la sistemul S ', neacordate - la S). Astfel, timpul în mecanica clasică, la fel ca distanța dintre orice puncte fixe, este considerat același în toate cadrele de referință.
Din transformările lui Galileo, se poate obține relația dintre vitezele unui punct și accelerațiile sale în ambele sisteme:
v ’= v - u, (2)
a '= a.
În mecanica clasică, mișcarea unui punct material este determinată de a doua lege a lui Newton:
F = ma, (3)
Unde m - masa punctului, a F - rezultant al tuturor forțelor aplicate acestuia. În acest caz, forțele (și masele) sunt invariante în mecanica clasică, adică cantități care nu se schimbă atunci când trec de la un cadru de referință la altul. Prin urmare, sub transformările Galileo, ecuația (3) nu se schimbă. Aceasta este expresia matematică a principiului relativității galilean.
Principiul relativității galilean este valabil doar în mecanica clasică, care consideră mișcările cu viteze mult mai mici decât viteza luminii. La viteze apropiate de viteza luminii, mișcarea corpurilor respectă legile mecanicii relativiste ale lui Einstein ,
care sunt invariante în raport cu alte transformări de coordonate și timp - Transformări Lorentz
(la viteze mici se transformă în transformări Galileo).
5. Teoria specială a relativității a lui Einstein
Teoria specială a relativității se bazează pe două postulate. Primul postulat(Principiul generalizat al relativității al lui Einstein) afirmă: niciun experiment fizic (mecanic, electromagnetic etc.) efectuat într-un cadru de referință dat nu poate distinge între stări de repaus și mișcare rectilinie uniformă (cu alte cuvinte, legile naturii sunt aceleași în toate sistemele de coordonate inerțiale, adică sistemele care se mișcă rectiliniu și uniform unul față de celălalt). Acest postulat rezultă din rezultatele celebrului experiment Michelson-Morley, care a măsurat viteza luminii în direcția de mișcare a Pământului și în direcția perpendiculară. Viteza luminii s-a dovedit a fi aceeași în toate direcțiile, indiferent de faptul că sursa se mișca (de altfel, aceste măsurători au respins ideea existenței unui eter nemiscat mondial, ale cărui vibrații explicau natura luminii).
Al doilea postulat spune că viteza luminii în vid este aceeași în toate sistemele de coordonate inerțiale. Acest postulat este înțeles (inclusiv de Einstein însuși) în sensul constanței vitezei luminii. Este general acceptat faptul că acest postulat este, de asemenea, o consecință a experimentului lui Michelson.
Postulatele au fost folosite de Einstein pentru a analiza ecuațiile electrodinamicii lui Maxwell și următoarele transformări Lorentz, care fac posibilă exprimarea coordonatelor și a timpului pentru un sistem în mișcare (marcat cu un prim în partea de sus) în termeni de coordonate și timp pentru un sistem staționar (aceste transformări lasă ecuațiile lui Maxwell neschimbate):
x ’= (x - Vt) / ^ 0,5(m); y ’= y(m); z '= z(m); (unu)
t ’= (t - xV / c ^ 2) / ^ 0,5(sec). (2)
Teorema adaosului de viteză a lui Einstein rezultă direct din aceste transformări:
Vc = (V1 + V2) / (1 + V1 * V2 / c ^ 2)(Domnișoară). (3)
Legea obișnuită a adunării ( Vc = V1 + V2) funcționează numai la viteze mici.
Pe baza analizei efectuate, Einstein a ajuns la concluzia că faptul de mișcare al sistemului (cu viteza V) îi afectează dimensiunea, viteza de timp și masa în conformitate cu expresiile:
l = lo / ^ 0,5(m); (4)
delta t = delta la / ^ 0,5(sec); (cinci)
M = Mo / ^ 0,5(kg). (6)
Zero marchează cantitățile referitoare la sistemul staționar (de repaus). Formulele (4) - (6) indică faptul că lungimea sistemului în mișcare scade, fluxul de timp pe acesta (ceasul) încetinește și masa crește. Pe baza formulei (5), a apărut ideea așa-numitului efect gemeni. Un astronaut care a zburat pe navă timp de un an (conform ceasului navei) cu o viteză de 0,9998 cuîntorcându-se pe Pământ, își va întâlni fratele geamăn, în vârstă de 50 de ani. Relația (6), care caracterizează efectul creșterii masei, l-a determinat pe Einstein să formuleze faimoasa sa lege (6):
E = Mc ^ 2(j).
6. Teoria generală a relativității a lui Einstein
Teoria generală a relativității (GTR) este o teorie geometrică a gravitației, publicată de Albert Einstein în ani. În cadrul acestei teorii, care este o dezvoltare ulterioară a teoriei speciale a relativității, se postulează că efectele gravitaționale sunt cauzate nu de interacțiunea forței corpurilor și câmpurilor în spațiu-timp, ci de deformarea spațiului-timp în sine. , care este asociat, în special, cu prezența masei-energie. Teoria relativității generale (GTR) este teoria modernă a gravitației, care o leagă de curbura spațiu-timp cu patru dimensiuni.
Astfel, în relativitatea generală, ca și în alte teorii metrice, gravitația nu este o interacțiune de forță. Relativitatea generală diferă de alte teorii metrice ale gravitației prin utilizarea ecuațiilor lui Einstein pentru a raporta curbura spațiu-timp cu materia din spațiu.
Relativitatea generală este în prezent cea mai reușită teorie gravitațională, bine susținută de observații. Primul succes al relativității generale a fost să explice precesiunea anormală
periheliu
Mercur. Apoi, în, Arthur Eddington a raportat despre observarea devierii luminii în apropierea Soarelui în momentul unei eclipse totale, care a confirmat previziunile relativității generale. De atunci, multe alte observații și experimente au confirmat un număr semnificativ de predicții ale teoriei, inclusiv dilatația gravitațională a timpului, schimbarea gravitațională la roșu, întârzierea semnalului într-un câmp gravitațional și, până acum doar indirect, radiația gravitațională. În plus, numeroase observații sunt interpretate ca o confirmare a uneia dintre cele mai misterioase și exotice predicții ale relativității generale - existența găurilor negre.
Einstein a formulat principiul echivalenței, care afirmă că procesele fizice dintr-un câmp gravitațional nu se pot distinge de fenomene similare cu mișcarea accelerată corespunzătoare. Principiul echivalenței a devenit baza unei noi teorii numită teoria generală a relativității (GTR). Einstein a văzut posibilitatea realizării acestei idei pe calea generalizării principiului relativității mișcării, adică răspândindu-l nu numai la viteză, ci și la accelerarea sistemelor în mișcare. Dacă nu atribuiți caracterul absolut accelerației, atunci separarea clasei de sisteme inerțiale își va pierde sensul și legile fizice pot fi formulate în așa fel încât să se raporteze la orice sistem de coordonate. Acesta este principiul general al relativității.
Din punctul de vedere al relativității generale, spațiul lumii noastre nu are o curbură constantă zero. Curbura sa se schimbă de la punct la punct și este determinată de câmpul gravitațional, iar timpul în diferite puncte curge în moduri diferite. Câmpul gravitațional nu este altceva decât o abatere a proprietăților spațiului real de la proprietățile spațiului ideal (euclidian). Câmpul gravitațional în fiecare punct este determinat de valoarea curburii spațiului în acel punct. În acest caz, curbura spațiului-timp este determinată nu numai de masa totală a substanței din care este compus corpul, ci și de toate tipurile de energie prezente în acesta, inclusiv energia tuturor câmpurilor fizice. Deci, în GRT principiul identității masei și energiei SRT este generalizat: E = mc 2. Astfel, cea mai importantă diferență dintre relativitatea generală și alte teorii fizice este că descrie gravitația ca efectul materiei asupra proprietăților spațiu-timp, aceste proprietăți ale spațiului-timp, la rândul lor, afectează mișcarea corpurilor, pe procesele fizice din ele.
În relativitatea generală, mișcarea unui punct material într-un câmp gravitațional este considerată ca o mișcare liberă "inerțială", dar care se produce nu în Euclid, ci în spațiu cu curbura schimbătoare. Ca urmare, mișcarea punctului nu mai este rectilinie și uniformă, ci are loc de-a lungul liniei geodezice a spațiului curbat. Din aceasta rezultă că ecuația de mișcare a unui punct material, precum și o rază de lumină, ar trebui să fie scrise sub forma unei ecuații a liniei geodezice a spațiului curbat. Pentru a determina curbura spațiului, este necesar să cunoaștem expresia componentelor tensorului fundamental (un analog al potențialului în teoria newtoniană a gravitației). Sarcina este de a cunoaște distribuția maselor gravitaționale în spațiu, de a determina funcțiile coordonatelor și timpului (componentele tensorului fundamental); atunci puteți nota ecuația liniei geodezice și rezolva problema mișcării unui punct material, problema propagării unui fascicul de lumină etc.
Einstein a găsit ecuația generală a câmpului gravitațional (care în aproximarea clasică s-a transformat în legea gravitației a lui Newton) și a rezolvat astfel problema gravitației în formă generală. Ecuațiile câmpului gravitațional din relativitatea generală sunt un sistem de 10 ecuații. Spre deosebire de teoria gravitațională a lui Newton, unde există un potențial al câmpului gravitațional, care depinde de o singură cantitate - densitatea masei, în teoria lui Einstein câmpul gravitațional este descris de 10 potențiale și poate fi creat nu numai prin densitatea masei , dar și prin fluxul de masă și fluxul de impuls.
O altă diferență fundamentală între relativitatea generală și teoriile fizice care au precedat-o este respingerea unui număr de concepte vechi și formularea altora noi. Deci, relativitatea generală respinge conceptele de „forță”, „energie potențială”, „sistem inerțial” „„ natura euclidiană a spațiului-timp ”, etc; În relativitatea generală, se folosesc corpuri de referință non-rigide (deformante), deoarece nu există corpuri rigide în câmpurile gravitaționale și rata de ceas depinde de starea acestor câmpuri. Un astfel de cadru de referință (se numește „moluscă de referință”) se poate mișca într-un mod arbitrar, iar forma acestuia se poate schimba, ceasul folosit poate avea un curs arbitrar neregulat. Relativitatea generală aprofundează conceptul de câmp, legând împreună conceptele de inerție, gravitație și metrica spațiului-timp, admite posibilitatea undelor gravitaționale. Undele gravitaționale sunt create de un câmp gravitațional alternativ, mișcarea neuniformă a maselor și se propagă în spațiu cu viteza luminii. Undele gravitaționale în condiții terestre sunt foarte slabe. Există posibilitatea unei fixări reale a radiațiilor gravitaționale care apar în procesele catastrofale grandioase din Univers - explozii de supernova, coliziuni de pulsari etc. Dar nu au fost detectate experimental până acum.
În ciuda succesului covârșitor al relativității generale, există un disconfort în comunitatea științifică asociat cu faptul că nu poate fi reformulată ca limită clasică a teoriei cuantice datorită apariției unor divergențe matematice inevitabile atunci când se iau în considerare găurile negre și, în general, spațiul. -singularități de timp. O serie de teorii alternative au fost propuse pentru a rezolva această problemă. Dovezile experimentale moderne indică faptul că orice tip de abatere de la relativitatea generală trebuie să fie foarte mică, dacă există.
FORMAREA O POZĂ FIZICĂ MODERNĂ A LUMII PRINCIPII ȘI CONCEPTE ALE TEORIEI GENERALE A RELATIVITĂȚII EINSTEIN (TEORIA GRAVITAȚIEI) Concepte de niveluri ale structurilor biologice și organizarea sistemelor vii
LEGI DE CONSERVARE
Cicluri de substanțe
Micile fluxuri migratorii de elemente chimice atât între organisme interconectate, cât și între organisme și mediul lor se adaugă la cicluri mai mari - gyres... Durata și constanța existenței vieții susțin tocmai ciclurile, deoarece fără ele, chiar și la scara întregului Pământ, rezervele elementelor necesare s-ar epuiza foarte curând.
Ciclul biologic (biotic)- fenomenul redistribuirii continue, ciclice, regulate, dar inegale în timp și spațiu a materiei, energiei 1 și a informațiilor în cadrul sistemelor ecologice de diferite niveluri ierarhice de organizare - de la biogeocenoză la biosferă. Circulația substanțelor pe scara întregii biosfere se numește cerc mare și în cadrul unei biogeocenoze specifice - un cerc mic de metabolism biotic. Partea ciclului biologic, care constă din ciclurile de carbon, apă, azot, fosfor, sulf și alte substanțe biogene, se numește ciclu biogeochimic.
O anumită cantitate de materie poate fi temporar eliminată din ciclul biologic (depusă la fundul oceanelor, mării, căzând în adâncurile scoarței terestre etc.). Cu toate acestea, ca urmare a proceselor tectonice și geologice (activitatea vulcanică, creșterea și căderea scoarței terestre, modificările la granițele dintre pământ și apă etc.), rocile sedimentare sunt din nou incluse în ciclu, numit ciclu geologic sau circulaţie.
Ciclurile de substanțe de la producători la consumatori de diferite niveluri, apoi la reductoare și de la acestea la producători nu sunt complet închise. Dacă ecosistemele ar exista izolarea lor completă, atunci nu ar exista schimbări în mediul vieții, nu ar exista sol, calcar și alte roci de origine biogenă. Astfel, circulația biotică poate fi descrisă în mod convențional ca un inel deschis. Pierderile de materie datorate deschiderii circulației sunt minime în biosferă (cel mai mare ecosistem de pe planetă). Informațiile din ecosisteme se pierd odată cu moartea speciilor și rearanjările genetice ireversibile.
Astfel, fiecare ecosistem își menține existența datorită ciclului de nutrienți și a unui aflux constant de energie solară. Ciclul energetic din ecosisteme este practic absent, deoarece acesta (energia) revine de la descompunători la consumatori în cantități reduse. Se crede că coeficientul ciclului energetic nu depășește 0,24%. Energia poate fi stocată, stocată (adică transformată în forme mai eficiente) și transferată dintr-o parte a sistemului în alta, dar nu poate fi folosită din nou ca apă și minerale. Odată ce a trecut de la fabricile producătoare prin consumatori la reductori, energia este transportată în apropierea pământului și în spațiul cosmic. Când se deplasează printr-un ecosistem, fluxul de energie afectează în principal biocenoza sa, prin urmare, a fost luat în considerare în detaliu mai devreme.
Se încarcă ...