Кругообіг речовин у біосфері - циклічний, багаторазово повторюваний процес спільного, взаємопов'язаного перетворення та переміщення речовин. Наявність кругообігу речовин є необхідною умовоюіснування біосфери. Після використання одними організмами речовини повинні переходити у доступну інших організмів форму. Такий перехід речовин від однієї ланки до іншої потребує енергетичних витрат, тому можливий лише за участю енергії Сонця. З використанням сонячної енергії на планеті протікають два взаємопов'язані кругообіг речовин: великий - геологічний і малий - біологічний (біотичний).
Геологічний кругообіг речовин— процес міграції речовин, який здійснюється під впливом абіотичних факторів: вивітрювання, ерозії, руху вод тощо. буд. Живі організми участі у ньому не беруть.
З появою на планеті живої речовини з'явився біологічний (біотичний) кругообіг. У ньому беруть участь усі живі організми, що поглинають із навколишнього середовища одні речовини та виділяють інші. Наприклад, рослини в процесі життєдіяльності споживають із навколишнього середовища вуглекислий газ, воду, мінеральні речовинита виділяють кисень. Тварини використовують виділений рослинами кисень для дихання. Вони поїдають рослини і в результаті травлення засвоюють органічні речовини, що утворилися в процесі фотосинтезу. Виділяють вуглекислий газ та неперетравлені залишки їжі. Після відмирання рослини та тварини утворюють масу мертвої органічної речовини (детрит). Детрит доступний для розкладання (мінералізації) мікроскопічними грибами та бактеріями. Внаслідок їх життєдіяльності в біосферу надходить додаткова кількість Вуглекислий газ. А органічні речовини перетворюються на вихідні неорганічні компоненти - біогени. Мінеральні сполуки, що утворилися, потрапляючи у водойми і ґрунт, знову стають доступними рослинам для фіксації за допомогою фотосинтезу. Такий процес повторюється нескінченно і має замкнутий характер (кругообіг). Наприклад, весь атмосферний кисень проходить цим шляхом приблизно за 2 тис. років, а вуглекислому газу для цього потрібно близько 300 років.
Енергія, укладена в органічних речовинах, у міру переміщення у харчових ланцюгах зменшується. Більша частинаїї розсіюється у навколишньому середовищі як тепла чи витрачається підтримки процесів життєдіяльності організмів. Наприклад, на дихання тварин та рослин, транспорт речовин у рослин, а також на процеси біосинтезу живих організмів. До того ж біогени, що утворилися в результаті діяльності редуцентів, не містять доступної для організмів енергії. У даному випадкуможна говорити лише про потік енергії в біосфері, але не про кругообіг. Тому умовою стійкого існування біосфери є кругообіг речовин, що постійно протікає в біогеоценозах, і потік енергії.
Геологічний та біологічний кругообігы в сукупності формують загальний біогеохімічний кругообіг речовин, основу якого складають цикли азоту, води, вуглецю та кисню.
Кругообіг азоту
Азот - один із найпоширеніших елементів у біосфері. Основна частина біосферного азоту знаходиться в атмосфері у газоподібній формі. Як відомо з курсу хімії, хімічні зв'язки між атомами молекулярного азоту (N 2) дуже міцні. Тому більшість живих організмів не здатні використовувати його безпосередньо. Звідси важливим етапом у кругообігу азоту є його фіксація та переведення в доступну для організмів форму. Розрізняють три шляхи фіксації азоту.
Атмосферна фіксація. Під впливом атмосферних електричних розрядів (блискавок) азот може взаємодіяти з киснем з утворенням оксиду (NO) та діоксиду (NO 2) азоту. Оксид азоту (NO) при цьому дуже швидко окислюється киснем і перетворюється на діоксид азоту. Діоксид азоту розчиняється в парах води та у вигляді азотистої (HNO 2) та азотної (HNO 3) кислот з опадами потрапляє в ґрунт. У ґрунті в результаті дисоціації цих кислот утворюються нітрит-(NO 2 –) та нітрат-іони (NO 3 –). Нітрит-і нітрат-іони вже можуть поглинатися рослинами і включатися в біологічний кругообіг. Перед атмосферної фіксації азоту припадає близько 10 млн т азоту на рік, що становить близько 3 % щорічної азотфиксации в біосфері.
Біологічна фіксація. Вона здійснюється азотфіксуючими бактеріями, які переводять азот у доступні для рослин форми. Завдяки мікроорганізмам зв'язується близько половини всього азоту. Найбільш відомі бактерії, що фіксують азот у бульбах бобових рослин. Вони постачають рослинам азот у вигляді аміаку (NH3). Аміак добре розчинний у воді з утворенням іону амонію (NH 4+), який і засвоюється рослинами. Тому бобові — найкращі попередники культурних рослин у сівозміні. Після відмирання тварин і рослин та розкладання їх залишків ґрунт збагачується органічними та мінеральними сполуками азоту. Далі гнильні (амоніфікуючі) бактерії розщеплюють азотовмісні речовини (білки, сечовину, нуклеїнові кислоти) рослин і тварин до аміаку. Цей процес називається амоніфікацією. Більшість аміаку згодом піддається окисленню нітрифікуючими бактеріями до нітритів і нітратів, які знову використовуються рослинами. Повернення азоту в атмосферу відбувається шляхом денітрифікації, яку здійснює група денітрифікуючих бактерій. Внаслідок цього відбувається відновлення азотистих сполук до молекулярного азоту. Частина азоту в нітратній та амонійній формах з поверхневим стоком потрапляє у водні екосистеми. Тут азот засвоюється водними організмамиабо надходить у донні органічні відкладення.
Промислова фіксація. Велика кількість азоту щорічно зв'язується промисловим шляхом під час виробництва мінеральних азотних добрив. Азот із таких добрив засвоюється рослинами в амонійній та нітратній формах. Обсяг азотних добрив, що випускаються в Білорусі, в даний час становить близько 900 тис. т на рік. Найбільшим виробником є ВАТ "ГродноАзот". На цьому підприємстві випускають карбамід, аміачну селітру, сульфат амонію та інші азотні добрива.
Приблизно 1/10 штучно внесеного азоту використовують рослинами. Решта з поверхневим стоком та ґрунтовими водами переходить у водні екосистеми. Це призводить до накопичення у воді великих кількостей сполук азоту, доступних засвоєння фітопланктоном. В результаті можливе бурхливе розмноження водоростей (евтрофікація) та, як наслідок, замори у водних екосистемах.
Кругообіг води
Вода – основний компонент біосфери. Вона є середовищем для розчинення практично всіх елементів під час здійснення круговороту. Більшість біосферної води представлена рідкою водою і водою вічних льодів(Більше 99% всіх запасів води в біосфері). Незначна частина води знаходиться в газоподібному стані – це атмосферні водяні пари. Біосферний кругообіг води ґрунтується на тому, що її випаровування з поверхні Землі компенсується випаданням опадів. Потрапляючи на поверхню суші у вигляді опадів, вода сприяє руйнуванню гірських порід. Це робить їх мінерали доступними для живих організмів. Саме випаровування води з поверхні планети обумовлює її геологічний кругообіг. На нього витрачається близько половини сонячної енергії, що падає. Випаровування води з поверхні морів та океанів відбувається з більшою швидкістю, ніж повернення її з опадами. Ця різниця компенсується за рахунок поверхневого та глибинного стоків завдяки тому, що на континентах опади переважають над випаровуванням.
Збільшення інтенсивності випаровування води на суші багато в чому зумовлено життєдіяльністю рослин. Рослини витягають воду з ґрунту та активно транспірують її в атмосферу. Частина води у клітинах рослин розщеплюється у процесі фотосинтезу. При цьому водень фіксується як органічних сполук, а кисень виділяється в атмосферу.
Тварини використовують воду для підтримки осмотичної та сольової рівноваги в організмі та виділяють її у зовнішнє середовище разом із продуктами обміну речовин.
Кругообіг вуглецю
Вуглець як хімічний елемент є в атмосфері у складі вуглекислого газу. Це і зумовлює обов'язкову участь живих організмів у кругообігу цього елемента на планеті Земля. Основний шлях, яким вуглець з неорганічних сполукпереходить до складу органічних речовин, де є обов'язковим хімічним елементом, — це процес фотосинтезу. Частина вуглецю виділяється в атмосферу у складі вуглекислого газу при диханні живих організмів та при розкладанні бактеріями мертвої органічної речовини. Засвоєний рослинами вуглець споживається тваринами. Крім того, коралові поліпи, молюски використовують сполуки вуглецю для побудови скелетних утворень та раковин. Після їхнього відмирання та осідання на дні формуються відкладення вапняків. Таким чином, вуглець може виключатися з кругообігу. Виведення вуглецю з кругообігу на тривалий термін досягається шляхом формування корисних копалин: кам'яного вугіллянафти, торфу.
Протягом існування нашої планети виведений з кругообігу вуглець компенсувався вуглекислим газом, що надходить в атмосферу при вулканічних виверженняхта в ході інших природних процесів. В даний час до природних процесів поповнення вуглецю в атмосфері додалося значне. антропогенний вплив. Наприклад, при спалюванні вуглеводневого палива. Це порушує відрегульований століттями кругообіг вуглецю Землі.
Збільшення концентрації вуглекислого газу протягом століття лише на 0,01 % призвело до помітного прояву парникового ефекту. Середньорічна температура на планеті підвищилася на 0,5 ° С, а рівень Світового океану піднявся майже на 15 см. За прогнозами вчених, якщо середньорічна температура збільшиться ще на 3-4 ° С, почнеться танення вічних льодів. При цьому рівень Світового океану підніметься на 50-60 см, що спричинить затоплення значної частини суші. Це розцінюється як глобальна екологічна катастрофаадже на цих територіях проживає близько 40 % населення Землі.
Кругообіг кисню
У функціонуванні біосфери кисень відіграє винятково важливу роль у процесах обміну речовин та диханні живих організмів. Зменшення кількості кисню в атмосфері внаслідок процесів дихання, спалювання палива та гниття компенсується киснем, що виділяється рослинами при фотосинтезі.
Кисень утворювався в первинній атмосфері Землі при її охолодженні. Через свою високу реакційну здатність він переходив з газоподібного стану до складу різних неорганічних сполук (карбонатів, сульфатів, оксидів заліза та ін.). Сьогоднішня кисневмісна атмосфера планети утворилася виключно за рахунок фотосинтезу, що здійснюється живими організмами. Вміст кисню в атмосфері підвищувався до теперішніх значень протягом тривалого часу. Підтримка його кількості на постійному рівні нині можлива лише завдяки фотосинтезуючим організмам.
На жаль, в останні десятиліття діяльність людини, яка веде до вирубування лісів, ерозії ґрунтів, знижує інтенсивність фотосинтезу. А це, у свою чергу, порушує природний перебіг круговороту кисню на значних територіях Землі.
Невелика частина кисню атмосфери бере участь у процесах утворення та руйнування озонового екрану при дії ультрафіолетового випромінювання Сонця.
Основою біогенного кругообігу речовин є сонячна енергія. Головною умовою стійкого існування біосфери є кругообіг речовин, що постійно протікає в біогеоценозах, і потік енергії. У кругообігах азоту, вуглецю та кисню основна роль належить живим організмам. Основу ж глобального кругообігу води у біосфері забезпечують фізичні процеси.
У наші дні рослини та тварини перетворять природне середовище. Прикладом цього можуть бути коралові рифи в океані, відкладення торфу на болотах, поширення лишайників, розселення водоростей, що руйнують гори, і мікроорганізмів. У біологічному кругообігу беруть участь практично всі хімічні елементи періодичної системиД. І. Менделєєва, але у тому числі виділяються основні, життєво необхідні.
Вуглець. Джерела вуглецю в природі настільки ж численні, як і різноманітні. Тим часом лише вуглекислота, що знаходиться або в газоподібному стані в атмосфері, або в розчиненому стані у воді, є тим джерелом вуглецю, який служить основою для переробки його в органічну речовину живих істот. Захоплена рослинами вуглекислота у процесі фотосинтезу перетворюється на цукор, іншими процесами біосинтезу перетворюється на протеїди, ліпіди тощо. буд. Ці різні речовини служать вуглеводним харчуванням тваринам і зеленим рослинам. З іншого боку, всі організми дихають та викидають в атмосферу вуглець у формі вуглекислоти. Коли ж настає смерть, то сапрофаги розкладають і мінералізують трупи, утворюючи ланцюги живлення, наприкінці яких вуглець нерідко знову надходить у кругообіг у формі вуглекислоти (так зване «грунтове дихання»). Накопичені мертві рослинні і тваринні залишки сповільнюють кругообіг вуглецю: тварини-сапрофаги і сапрофітичні мікроорганізми, що живуть у грунті, перетворюють залишки, що накопичилися на її поверхні, в гумус. Швидкість впливу організмів на гумус далеко не однакова, а ланцюги грибів та бактерій, що призводять до остаточної мінералізації вуглецю, бувають різною довжиною. Як правило, гумус швидко розкладається.
Іноді ланцюг може бути коротким і неповним. У цьому випадку ланцюг консументів позбавляється можливості діяти через нестачу повітря або занадто високу кислотність, внаслідок чого органічні залишки накопичуються у формі торфу та утворюють торф'яні болота. У деяких торф'яних болотах із пишним покривом із сфагнових мохів шар торфу сягає 20 м і більше. Тут кругообіг і зупиняється. Скупчення копалин органічних сполук у вигляді нафти і свідчать у тому, що кругообіг уповільнився масштабах геологічного часу.
У воді також відбувається уповільнення кругообігу вуглецю, оскільки вуглекислота тут накопичується у вигляді крейди, вапняку, доломіту або коралів. Часто ці маси вуглецю залишаються поза кругообігом протягом цілих геологічних періодів, поки вони не піднімуться над рівнем моря. З цього моменту в результаті розчинення вапняку або під впливом лишайників, а також коренів квіткових рослин починається включення вуглецю і кальцію в кругообіг.
АЗОТ. Кругообіг азоту досить складний. містить 78% азоту, проте, щоб він міг бути використаний переважною більшістю живих організмів, він повинен бути зафіксований у вигляді певних хімічних сполук. Фіксація азоту відбувається у процесі вулканічної діяльності, при грозових розрядах у атмосфері, при згорянні метеоритів. Однак незрівнянно більше значення в процесі фіксації азоту мають мікроорганізми як вільно живуть, так і живуть на коренях, а іноді і на листі деяких рослин. З бактерій, що вільно живуть, азот фіксують аеробні організми (тобто мешкають при доступі кисню), а також анаеробні (тобто мешкають без доступу кисню). Кількість азоту, що фіксується такими бактеріями, що вільно живуть, становить від 2 - 3 кг до 5 - 6 кг на 1 га на рік. Певну роль у фіксації азоту грають, мабуть, синьо-зелені водорості, що мешкають у грунті.
Поступаючи у ґрунт із продуктами обміну речовин та залишками рослин та тварин, органічні речовини розкладаються до мінеральних, при цьому бактерії переводять азот органічних речовин у солі амонію.
Здатність азоту у межах змінювати валентність визначає його специфічну роль створенні різноманітних органічних сполук.
Великий на поверхні земної кулі добре відомий. Випаровування з водних просторів, що викликається сонячною енергією, створює атмосферну вологу. Ця волога конденсується у вигляді хмар, що переносяться вітром. При охолодженні хмар випадають опади у вигляді дощу та снігу. Опади поглинаються ґрунтом або стікають на його поверхні. Вода повертається у моря та океани. Кількість води, що випаровується рослинами, зазвичай велика. Якщо вологи та води для рослин багато, випаровування збільшується. Одна береза випаровує за день 75 л води, бук-100 л, липа -200 л, а 1 га лісу - від 20 до 50 тис. л. Березняк, маса листя якого на 1 га становить лише 4940 кг, випаровує 47 тис. л води на день, тоді як ялинник, маса хвої якого на 1 га дорівнює 31 тис. кг. - Тільки 43 тис. л воли в лінощі. Пшениця на 1 га використовує у період розвитку 3750 т води, що відповідає 375 мм опадів.
Кисень у кількісному відношенні – головна складова живої матерії. Якщо враховувати воду у тканинах, то, наприклад, тіло людини містить 62,8% кисню та 19,4% вуглецю. Якщо розглядати загалом, кисень порівняно з вуглецем і воднем є її основним елементом.
Кругообіг кисню ускладнюється тим, що цей елемент може утворювати численні хімічні сполуки. В результаті виникає безліч проміжних циклів між атмосферою або між і двома цими середовищами.
Кисень, починаючи з певної концентрації, дуже токсичний для клітин та тканин навіть у аеробних організмів. Французький вчений Луї Пастер (1822 - 1895) довів, що жодний живий анаеробний організм не може витримати концентрацію кисню, що перевищує атмосферну на 1% (ефект Пастера).
Кругообіг кисню відбувається в основному між атмосферою та живими організмами. Процес продукування та виділення кисню у вигляді газу під час фотосинтезу протилежний процесу його споживання при диханні. При цьому відбувається руйнування органічних речовин та взаємодія кисню з воднем. У певному відношенні кругообіг кисню нагадує зворотний кругообіг вуглекислого газу: рух одного відбувається в напрямку, протилежному руху іншого.
Сірка. Переважна частина круговороту цього елемента має осадову природу і відбувається у ґрунті та воді. Основне джерело сірки, доступне живим істотам, – це всілякі сульфати. Хороша розчинність у воді багатьох сульфатів полегшує доступ неорганічної сірки до екосистем. Поглинаючи сульфати, рослини їх відновлюють і виробляють сірковмісні амінокислоти.
Різні органічні покидьки біоценозу розкладаються бактеріями, які виробляють сірководень з сульфопротеїнів, що містяться в грунті. Деякі бактерії теж можуть виробляти сірководень із сульфатів, що відновлюються ними в анаеробних умовах. Ці бактерії, утилізуючи сульфати, отримують необхідну обміну речовин енергію.
З іншого боку, існують бактерії, здатні знову окислити сірководень до сульфатів, що збільшує запас сірки, доступної продуцентам. Подібні бактерії називаються хемосинтезуючими, оскільки вони можуть виробляти клітинну енергію без участі світла лише за рахунок окислення простих хімічних речовин. Отже, в біосфері осадові породи містять основні запаси сірки, яка зустрічається головним чином у вигляді піриту, а також сульфатів, наприклад гіпс.
фосфор. Кругообіг фосфору відносно простий і неповний. Фосфор - один із основних складових елементів живої речовини, в якому він міститься досить у великій кількості. Запаси фосфору, доступні живим істотам, повністю зосереджено літосфері. Головні джерела неорганічного фосфору – вивержені породи (наприклад, апатити) або осадові породи (наприклад, фосфорити). Мінеральний фосфор – рідкісний елемент у біосфері, у земній корі його не більше 1%, що є основним фактором, що лімітує продуктивність численних екосистем. Неорганічний фосфор із порід земної коризалучається до циркуляції шляхом вилуговування та розчинення в континентальних водах. Він потрапляє в екосистеми суші, поглинається рослинами, які за його участю синтезують різні органічні сполуки, і таким чином включається до трофічних зв'язків. Потім органічні фосфати разом з трупами, відходами та виділеннями живих істот повертаються в землю, де знову піддаються впливу мікроорганізмів і перетворюються на мінеральні ортофосфати, готові до вживання зеленими рослинами та іншими автотрофами (від грец. autos – сам та trophe – їжа, харчування).
У водні екосистеми фосфор приноситься текучими водами. Річки безперервно збагачують океани фосфатами, що сприяє розвитку фітопланктону та живих організмів, розташованих на різних рівнях харчових ланцюгів прісноводних чи морських водойм. Історія будь-якого хімічного елемента в ландшафті складається з незліченної множини кругообігів, різних за масштабом і тривалістю. Протилежні процеси - біогенна акумуляція та мінералізація - утворюють єдиний біологічний кругообіг атомів.
Тундрові ландшафти утворюються за умов холодного з коротким літнім періодом і тому малопродуктивні. Низькі і ґрунти - першопричина багатьох особливостей тундри. З дефіцитом тепла пов'язані і «хвилі життя»: у роки з теплішим літом зростає продукція живої речовини. Деякі рослини цвітуть у тундрі лише у сприятливі роки (наприклад, іван-чай в арктичній тундрі). Рослини у тундрі ростуть повільно. Лишайники протягом року виростають на 1 - 10 мм; ялівець з діаметром стовбура 83 мм може мати до 544 річних кілець. Дається взнаки не тільки вплив низьких температур, а й відсутність достатньої кількостіпоживних елементів.
У багатьох тундрах велику роль грають мохи та лишайники. Є ландшафти, де вони переважають.
У тундрі біомаса рослин дорівнює 170,3 u/га, їх 72% посідає підземну частину. Щорічний приріст біомаси становить 23,5 ц/га, а щорічний опад – 21,9 ц/га. Таким чином, справжній приріст, що дорівнює різниці між приростом і опадом, дуже малий - 1,6 ц/га (у північній тайзі - 10 ц/га, у південній тайзі - 30 ц/га, у вологих тропіках - 75 ц/га) .
Через низьку температуру розкладання залишків організмів у тундрі протікає повільно, багато груп мікроорганізмів не функціонують або працюють дуже слабко (бактерії, що розкладають клітковину, та ін.). Це веде до накопичення органічних речовин на поверхні та у ґрунті.
Широколистяні ліси в Росії поширені в європейській частині, на , . Це всі регіони вологого помірно-теплого клімату. Біомаса тут не набагато менше, ніж у вологих тропіках (3000 5000 ц/га), але щорічна продукція та зелена маса, що асимілює, менше в кілька разів. Продукція коливається від 80 до 150 ц/га (у вологих тропіках - 300 - 500 ц/га), зелена маса, що асимілює, в дібровах становить 1% біомаси і досягає 40 ц/га (8% і 400 ц/га у вологих тропіках).
Широколистяні дерева порівняно багаті на золу, особливо листя (до 5%). У золі листя багато Са - до 20% або 0,6 - 3,8% на суху речовину, менше К (0,15 - 2,0%) та Si (0,4 - 2,8%), ще менше Mg , А1, Р, а також Fe, Mn, Na, С1.
У тайзі біомаса не набагато поступається вологим тропікам та широколистяним лісам. У південній тайзі біомаса перевищує 3000 ц/га і лише у північній тайзі знижується до 500 - 1500 ц/га. Зоомаса в тайзі незначна (у південній тайзі - 0,01% біомаси).
Більше 60% біомаси представлено деревиною, що складається з клітковини (близько 50%), лігніну (20 – 30%), геміцелюлози (понад 10%).
Щорічна продукція у південній тайзі майже така сама, як у широколистяних лісах (85 ц/га проти 90 ц/га у дібровах), у північній тайзі - набагато менше (40 - 60 ц/га). Рослинний опад у південній тайзі менше, ніж у дібровах, і дорівнює 55 ц/га (у дібровах 65 ц/га); у північній тайзі ще менше – 35 ц/га.
Вологі тропіки займають великі площі в екваторіальній, Південній та Південно-, Центральній та . Ще ширше вони були поширені у минулі геологічні епохи (з кінця девону). Достаток тепла поєднується тут із достатком опадів, тепло та волога не лімітують єдиного біологічного круговороту атомів. атомів відбувається з однаковою інтенсивністю протягом року, періодичність міграції виражена слабо.
Велика кількість тепла та вологи визначає велику щорічну продукцію живої речовини у вологих тропіках. Розмір продукції тут у 2 - 3 рази більше, ніж у широколистяних лісах і тайзі, і сягає 300 - 500 ц/га. За співвідношеннями біомаси та продукції, надземної та підземної, зеленої та незеленої біомаси та багатьма іншими показниками вологі тропіки також суттєво не відрізняються від інших вологих лісових ландшафтів. Однак за кількістю калію в біомасі вологі тропіки відрізняються від широколистяних лісів. Біомаса тварин у вологих тропіках становить близько 1% біомаси (45 ц/га). Це головним чином терміти, мурахи та інші нижчі тварини. За цим показником вологі тропіки різко відрізняються від тайги, в якій накопичується лише 3,6 ц/га зоомаси (0,01% біомаси). Розкладання великої масиорганічних речовин насичує води вуглекислим газом та органічними кислотами. Основними елементами, що потрапляють у воду при біологічному кругообігу, є Si і Са, К. Mg, Al, Fe, Mn, S. У листі тропічних дерев високо вміст Si. При біологічному кругообігу дощовими водами з листя вимивається. велика кількість N, Р, К, Са, Mg, Na, CI, S та інших елементів.
Степи та пустелі близькі за багатьма властивостями. Біомаса в степах значно менше, ніж у лісових ландшафтах, - від 100 до 350 ц/га. Більша її частина на відміну лісів зосереджена коренях (70 - 90%). Біомаса тварин у степах близько 6%. Щорічна продукція становить 13 – 50 ц/га, тобто 30 – 50% біомаси.
Щорічно до біологічного кругообігу атомів у степах залучаються сотні кілограмів розчинних у воді речовин (на 1 га), тобто значно більше, ніж у тайзі (лугові степи - 700 кг/га; південна тайга - 155 кг/га). У лугових степах з опадом щорічно повертаються 700 кг/га розчинних у воді речовин, сухих - 150 кг/га (в ялинниках південної тайги - 120 кг/га). В опаді велику роль відіграють основи, що повністю нейтралізують органічні кислоти.
На відміну від лісових ландшафтів у ґрунтах степів накопичується у 20 – 30 разів більше органічної речовини, ніж у біомасі (у лугових степах – до 8000 ц/га гумусу; у сухих степах – 1000 – 1500 ц/га). Для степів та пустель найбільш характерні Са, Na та Mg, які накопичуються при засоленні у водах, ґрунтах та продуктах вивітрювання.
за мінеральному складувсі степові трави ділять на три групи: злаки з високим змістом Si та невисоким вмістом N; бобові зі значним накопиченням К, Са та N; різнотрав'я, що займає проміжне положення.
Усі речовини планети перебувають у процесі круговороту. Сонячна енергія викликає на Землі два круговороти речовин: великий (геологічний, біосферний)і малі (біологічні).
Великий кругообіг речовин у біосфері характеризується двома важливими моментами: він здійснюється протягом усього геологічного розвитку Землі і є сучасним планетарним процесом, що бере участь у подальшому розвитку біосфери.
Геологічний кругообіг пов'язаний з утворенням та руйнуванням гірських порід та подальшим переміщенням продуктів руйнування - уламкового матеріалу та хімічних елементів. Значну роль у цих процесах відігравали і продовжують відігравати термічні властивості поверхні суші та води: поглинання та відбиття сонячних променів, теплопровідність та теплоємність. Нестійкий гідротермічний режим поверхні Землі разом із планетарною системою циркуляції атмосфери зумовлював геологічний кругообіг речовин, який на початковому етапі розвитку Землі, поряд з ендогенними процесами, був пов'язаний із формуванням континентів, океанів та сучасних геосфер. З становленням біосфери у великий кругообіг включилися продукти життєдіяльності організмів. Геологічний кругообіг постачає живим організмам елементи живлення та багато в чому визначає умови їх існування.
Головні хімічні елементилітосфери: кисень, кремній, алюміній, залізо, магній, натрій, калій та інші – беруть участь у великому кругообігу, проходячи від глибинних частин верхньої мантії до поверхні літосфери. Магматична порода, що виникла при кристалізації
магми, надійшовши поверхню літосфери з глибин Землі, піддається розкладанню, вивітрюванню у сфері біосфери. Продукти вивітрювання переходять у рухомий стан, зносяться водами, вітром у знижені місця рельєфу, потрапляють у річки, океан та утворюють потужні товщі осадових порід, які згодом, занурюючись на глибину в областях з підвищеною температурою та тиском, піддаються метаморфозу, тобто. "переплавляються". При цій переплавці виникає нова метаморфічна порода, що надходить у верхні горизонти земної кори і знову входить у кругообіг речовин (Рис. 32).
Мал. 32. Геологічний (великий) кругообіг речовин
Найбільш інтенсивному та швидкому кругообігу піддаються легкорухливі речовини - гази та природні води, що складають атмосферу та гідросферу планети. Значно повільніше робить кругообіг матеріал літосфери. Загалом кожен кругообіг будь-якого хімічного елемента є частиною загального великого круговороту речовин на Землі, і всі вони тісно пов'язані між собою. Жива речовина біосфери у цьому кругообігу виконує величезну роботу з перерозподілу хімічних елементів, що безперервно циркулюють у біосфері, переходячи з зовнішнього середовищав організми і знову у зовнішнє середовище.
Малий, або біологічний, кругообіг речовин- це
циркуляція речовин між рослинами, тваринами, грибами, мікроорганізмами та ґрунтом. Суть біологічного круговороту полягає у перебігу двох протилежних, але взаємопов'язаних процесів – створення органічних речовин та їх руйнування. Початковий етап виникнення органічних речовин зумовлений фотосинтезом зелених рослин, тобто утворенням живої речовини з вуглекислого газу, води та простих мінеральних сполук з використанням енергії Сонця. Рослини (продуценти) вилучають із ґрунту в розчині молекули сірки, фосфору, кальцію, калію, магнію, марганцю, кремнію, алюмінію, цинку, міді та інших елементів. Рослинноядні тварини (консументи I порядку) поглинають сполуки цих елементів у вигляді їжі рослинного походження. Хижаки (консументи II порядку) харчуються рослиноїдними тваринами, споживаючи їжу складнішого складу, що включає білки, жири, амінокислоти та інші речовини. У процесі руйнування мікроорганізмами (редуцентами) органічних речовин відмерлих рослин і останків тварин, у ґрунт і водне середовище надходять прості мінеральні сполуки, доступні для засвоєння рослин, і починається наступний виток біологічного круговороту (Рис. 33).
Життєдіяльність екосистеми та кругообіг речовин у ній можливі лише за умови постійного припливу енергії. Основне джерело енергії Землі - сонячне випромінювання. Енергія Сонця переводиться фотосинтезуючими організмами в енергію хімічних зв'язків органічних сполук. Передача енергії по харчовим ланцюгампідпорядковується другому закону термодинаміки: перетворення одного виду енергії на інший йде з втратою частини енергії. У цьому її перерозподіл підпорядковується суворої закономірності: енергія, одержувана екосистемою і засвоювана продуцентами, розсіюється чи разом із біомасою незворотно передається консументам першого, другого тощо. порядків, а потім редуцентів з падінням потоку енергії на кожному трофічному рівні. У зв'язку з цим кругообігу енергії не буває.
На відміну від енергії, яка використовується в екосистемі лише один раз, речовини використовуються багаторазово через те, що їхнє споживання та перетворення відбувається по колу. Цей кругообіг здійснюється живими організмами екосистеми (продуцентами, консументами, редуцентами) і називається біологічним кругообігом речовин.
Біологічний кругообіг речовин, або малий — надходження речовин із ґрунту та атмосфери в живі організми з відповідною зміною їх хімічної форми, повернення їх у ґрунт та атмосферу в процесі життєдіяльності організмів та з посмертними залишками та повторне надходження у живі організми після процесів деструкції та мінерал мікроорганізмів. Таке розуміння біологічного кругообігу речовин (за Н.П. Ремезовом, Л.Є. Батьківщиною та Н.І. Базилевичем) відповідає біогеоценотичному рівню. Точніше говорити про біологічний кругообіг хімічних елементів, а не речовин, оскільки різних стадіяхкругообіг речовини можуть хімічно видозмінюватися. За даними В.А. Ковди (1973), щорічна величина біологічного круговороту зольних елементів у системі ґрунт-рослина значно перевищує величину річного геохімічного стоку цих елементів у річки та моря та вимірюється колосальною цифрою 109 т/р.
Екологічні системи суші та світового океану пов'язують та перерозподіляють сонячну енергію, вуглець атмосфери, вологу, кисень, водень, фосфор, азот, сірку, кальцій та інші елементи. Життєдіяльністю рослинних організмів (продуцентів) та їх взаємодіями з тваринами (консументами), мікроорганізмами (редуцентами) та неживою природою забезпечується механізм накопичення та перерозподілу сонячної енергії, що надходить на Землю.
Кругообіг речовин ніколи не буває повністю замкнутим. Частина органічних та неорганічних речовинвиноситься межі екосистеми, й те водночас їх запаси можуть поповнюватися з допомогою припливу ззовні. В окремих випадках ступінь відтворення деяких циклів круговороту речовин становить 90-98 %. Неповна замкнутість циклів у масштабах геологічного часу призводить до накопичення елементів у різних природних сферах Землі. Таким чином накопичуються корисні копалини – вугілля, нафта, газ, вапняки тощо.
2. Принципові особливості сучасного природознавства наукової картини світу
Природознавство - наука про явища та закони природи. Сучасне природознавство включає багато природничо-наукових галузей: фізику, хімію, біологію, а також численні суміжні галузі, такі, як фізична хімія, біофізика, біохімія та ін. широкий спектрпитань про численні та багатосторонні прояви властивостей природи, яку можна розглядати як єдине ціле.
Сучасна різноманітна техніка - плід природознавства, яке і до сьогодні є основною базою для розвитку численних перспективних напрямів- від наноелектроніки до найскладнішої космічної техніки, і це очевидно багатьом.
Філософи всіх часів спиралися на новітні досягненнянауки та, насамперед, природознавства. Досягнення останнього століття у фізиці, хімії, біології та інших науках дозволили по-новому подивитись філософські уявлення, що склалися століттями. Багато філософські ідеї народжувалися в надрах природознавства, а природознавство у свою чергу на початку розвитку мало натурфілософський характер. Про таку філософію можна сказати словами німецького філософа Артура Шопенгауера (1788-1860): "Моя філософія не дала мені зовсім ніяких доходів, але вона позбавила мене від багатьох витрат".
Людина, що має хоча б загальними й у той самий час концептуальними природничо-науковими знаннями, тобто. знаннями про природу, вироблятиме свої дії неодмінно те щоб користь, як наслідок його дій, завжди поєднувалася з дбайливим ставленням до природі та її збереженням як нинішнього, але й майбутніх поколінь.
Пізнання природничо-наукової істини робить людину вільною, вільною в широкому філософському сенсі цього слова, вільною від некомпетентних рішень і дій, і, нарешті, вільною у виборі шляху своєї шляхетної та творчої діяльності.
Немає сенсу перераховувати досягнення природознавства, кожен із нас знає народжені ним технології та користується ними. Передові технології базуються в основному на природничо-наукових відкриттях останніх десятиліть XX ст., проте, незважаючи на відчутні досягнення, виникають проблеми, спричинені головним чином усвідомленням загрози екологічній рівновазі нашої планети. Різні прихильники ринкової економіки погодяться, що вільний ринок не може захистити слонів в Африці від мисливців або історичні пам'ятникиМесопотамії - від кислотних дощів та туристів. Тільки уряду здатні встановлювати закони, що стимулюють забезпечення ринку всім тим, що потрібно людині, без руйнування довкілля його проживання.
Разом про те уряду неспроможна проводити подібну політику без допомоги вчених, і насамперед учених, які мають сучасним природознавством. Потрібна зв'язок між природознавством і керуючими структурами у питаннях, що стосуються навколишнього середовища, матеріального забезпечення та ін. Без науки важко зберегти чистоту планети: рівень забруднень потрібно вимірювати, прогнозувати їх наслідки - тільки так ми можемо дізнатися про біди, які необхідно запобігти. Лише за допомогою найсучасніших природничо-наукових і в першу чергу фізичних методівможна стежити за товщиною та однорідністю озонового шару, що захищає людину від ультрафіолетового опромінення. Тільки наукові дослідження допоможуть зрозуміти причини і наслідки кислотних опадів і смогу, що впливають на життя кожної людини, дати знання, необхідні для польоту людини на Місяць, дослідження глибин океану, знайти способи позбавлення людини багатьох важких хвороб.
В результаті аналізу популярних у 70-ті роки математичних моделей вчені дійшли висновку, що подальший розвиток економіки незабаром стане неможливим. І хоча вони не привнесли нових знань, вони таки відіграли важливу роль. Вони продемонстрували можливі наслідки тенденцій розвитку, що намітилися сьогодні. Свого часу подібні моделі справді переконали мільйони людей, що захист природи необхідний, а це чималий внесок у прогрес. Незважаючи на відмінності у рекомендаціях, усі моделі містять один головний висновок: природу не можна далі забруднювати так, як сьогодні
З природничо-науковими знаннями можна пов'язати багато проблем Землі. Проте ці проблеми породжуються незрілістю самої науки. Дайте їй продовжити свій курс - і людство подолає сьогоднішні труднощі - такою є думка більшості вчених. Для інших, переважно тих, хто лише зараховує себе до когорти вчених, наука втратила свою значимість.
Природознавство значною мірою відбиває потреби практиків і водночас фінансується залежно від симпатій держави і громадськості, що постійно змінюються.
Наука і техніка - не тільки головний інструмент, що дозволяє людям пристосуватися до природних умов, що постійно змінюються, а й головна сила, що прямо чи опосередковано викликає такі зміни.
Поряд з явними позитивними рисами, властивими природознавству, слід вести мову і про недоліки, зумовлені і природою самого знання, і нерозумінням на даному етапі якихось дуже важливих властивостей матеріального світу через обмеженість пізнання людини. Скажімо, чисті математики зробили відкриття, що суперечить уявленням мислителів минулого: випадкові хаотичні процеси можна описати точними математичними моделями. Причому виявилося, що навіть проста модель, оснащена ефективним зворотним зв'язком, настільки чутлива до найменших змін початкових умов, що її майбутнє стає непередбачуваним. Чи варто тоді сперечатися про те, чи детерміністичний Всесвіт, якщо строго детерміністська модель дає результати, що не відрізняються від імовірнісних?
Мета природознавства - описати, систематизувати та пояснити сукупність природних явищта процесів. Слово «пояснити» у методології науки саме вимагає пояснення. Найчастіше воно означає розуміти. Що зазвичай має на увазі людина, говорячи «Я розумію»? Як правило, це означає: "Я знаю, звідки це взялося" і "Я знаю, до чого це приведе". Так утворюється причинно-наслідковий зв'язок: причина – явище – слідство. Розширення такого зв'язку та утворення багатовимірної структури, що охоплює безліч явищ, є основою наукової теорії, що характеризується чіткою логічною структурою і складається з набору принципів або аксіом і теорем з усіма можливими висновками. За такою схемою будується будь-яка математична дисципліна, наприклад, Евклідова геометрія чи теорія множин, які можуть бути характерними прикладами наукових теорій. Побудова теорії, звичайно, передбачає створення особливого наукової мови, спеціальної термінології, системи наукових понять, що мають однозначний зміст і пов'язані між собою суворими правилами логіки.
Після того як теорія «перевірена досвідом, настає наступна стадіяпізнання дійсності, в якій встановлюються межі істинності наших знань або межі застосування теорій та окремих наукових тверджень. Ця стадія обумовлюється об'єктивними та суб'єктивними чинниками. Один із суттєвих об'єктивних факторів - динамізм навколишнього світу. Згадаймо мудрі слова давньогрецького філософа Геракліта (кінець VI – початок V ст. до н.е.); «Все тече, все змінюється; в одну й ту саму річку не можна увійти двічі» Підсумовуючи, сформулюємо коротко три основні принципи наукового пізнаннянасправді.
1. Причинність. Перше і досить ємне визначення причинності міститься у висловлюванні Демокріта: «Жодна річ не виникає так, але все виникає на якійсь підставі і через необхідність».
2. Критерій істини. Природно-наукова істина перевіряється (доводиться) лише практикою: спостереженнями, дослідами, експериментами, виробничою діяльністю: Якщо наукова теоріяпідтверджена практикою, вона істинна. Природно-наукові теорії перевіряються Експериментом, пов'язаним із спостереженнями, вимірами та математичною обробкою одержуваних результатів. Наголошуючи на важливості вимірювань, видатний учений Д.І. Менделєєв (1834 – 1907) писав: «Наука, почалася тоді, коли люди навчилися міряти; точна наука немислима без міри».
3. Відносність наукового знання. Наукове знання (поняття, ідеї, концепції, моделі, теорії, висновки з них тощо) завжди відносно та обмежено.
Часто твердження: Головна метаприродознавства - встановлення законів природи, відкриття прихованих істин - явно чи неявно припускає, що істина десь вже є і існує у готовому вигляді, її треба тільки знайти, відшукати як скарб. Великий філософдавнини Демокріт говорив: «Істина прихована в глибині (лежать на морському дні)». Інший об'єктивний чинник пов'язані з недосконалістю техніки експерименту, що є матеріальної базою будь-якого досвіду.
Природознавство у той чи інший спосіб систематизує наші спостереження над природою. При цьому не слід вважати, наприклад, теорію кривих другого порядку наближеної на тій підставі, що в природі точно кривих другого порядку немає. Не можна говорити, що неевклідова геометрія уточнює Евклідову - кожна займає в системі моделей своє місце, будучи точною відповідно до внутрішніх умов точності, і знаходить застосування там, де необхідно. Так само неправильно стверджувати, що теорія відносності уточнює класичну механіку - це різні моделі, що мають, взагалі кажучи, і різні сферипрограми.
Яким би не уявлявся зміст істини, що займає розуми великих учених з давніх часів, і як би не вирішувалося складне питання про предмет науки в цілому і природознавство зокрема, - одне очевидне: природознавство є надзвичайно ефективним, потужним інструментом, що не тільки дозволяє пізнати навколишній світ, Але і приносить величезну користь.
З часом і особливо наприкінці останнього століття спостерігається зміна функції науки й у першу чергу – природознавства. Якщо раніше основна функція науки полягала в описі, систематизації та поясненні досліджуваних об'єктів, то зараз наука стає невід'ємною частиною виробничої діяльностілюдини, внаслідок чого сучасне виробництво - чи то випуск найскладнішої космічної техніки, сучасних супер- та персональних комп'ютерів чи високоякісної аудіо- та відеоапаратури - набуває наукомісткого характеру. Відбувається зрощування наукової та виробничо-технічної діяльності, у результаті виникають великі науково-виробничі об'єднання - міжгалузеві науково-технічні комплекси «наука - техніка - виробництво», у яких науці належить провідна роль. Саме в таких комплексах було створено перші космічні системи, перші атомні електростанціїта багато іншого, що прийнято вважати найвищими досягненнями науки та техніки.
У Останнім часомФахівці гуманітарних наук вважають, що наука – продуктивна сила. У цьому мають на увазі насамперед природознавство. Хоча наука не виробляє безпосередньо матеріальну продукцію, але очевидно, що в основі виробництва будь-якої продукції лежать наукові розробки. Тому, коли говорять про науку як про продуктивну силу, то беруть до уваги не кінцеву продукцію тозі чи іншого виробництва, а ту наукову інформацію - свого роду продукцію, на основі якої організується, і реалізується виробництво матеріальних цінностей.
Враховуючи такий важливий показник, як кількість наукової інформації, можна зробити не лише якісну, а й кількісну оцінкутимчасової зміни даного показника та, таким чином, визначити закономірність розвитку науки.
Кількісний аналіз показує, що темп розвитку науки як загалом, так таких галузей природознавства, як фізика, біологія тощо., і навіть для математики, характеризується приростом на 5-7% на рік протягом останніх 300 років. Під час аналізу враховувалися конкретні показники: кількість наукових статей, наукових співробітників тощо. Такий темп розвитку науки можна охарактеризувати по-іншому. За кожні 15 років (половина середньої різниці у віці між батьками та дітьми) обсяг наукової продукції зростає в раз (е = 2,72 - основа натуральних логарифмів). Це твердження є сутністю закономірності експоненційного розвитку науки.
З цієї закономірності випливають такі висновки. За кожні 60 років наукова продукція збільшується приблизно 50 раз. За останні 30 років такої продукції створено приблизно у 6,4 разів більше, ніж за всю історію людства. У цьому до численних характеристик XX в. цілком виправдано можна додати ще одну – «століття науки».
Цілком очевидно, що в межах розглянутих показників (їх, звичайно, не можна вважати вичерпними для характеристики складної проблеми розвитку науки), експоненційний розвиток науки не може продовжуватися нескінченно довго, інакше за порівняно невеликий інтервал часу, в найближчому майбутньому все населення земної кулі перетворилося б на наукових. співробітників. Як зазначалося в попередньому параграфі, навіть у великій кількості наукових публікацій міститься порівняно невелика кількість по-справжньому цінної наукової інформації. І не кожен дослідник робить істотний внесок у справжню науку. Подальший розвиток науки буде продовжуватися і в майбутньому, але, не за рахунок екстенсивного зростання кількості наукових співробітників і числа наукових публікацій, а за рахунок залучення прогресивних методів і технологій дослідження, а також підвищення якості наукової роботи.
Сьогодні, як ніколи, важлива розгорнута робота не тільки і не стільки з критики та переосмислення минулого, скільки з дослідження шляхів у майбутнє, пошуку нових ідей та ідеалів. Окрім питань економіки, це, напевно, найзначніше соціальне замовлення вітчизняної науки та культури. Минули ідеї себе вичерпують або вичерпали, і якщо ми не заповнимо порожнечу, то вона буде зайнята ще більш старими уявленнями і фундаменталізмом, затвердженими вже силою та авторитетом влади. Саме в цьому полягає сьогодні виклик розуму, уникнення якого ми спостерігаємо.
3. У всіх інерційних системах звіту рух відбувається за однаковими закономірностями – це формулювання.
а) закону всесвітнього тяжіння; б) принципи відносності Галілея; в) закони класичної механіки Ньютона
Принцип відносності - фундаментальний фізичний принцип, згідно з яким усі фізичні процеси в інерційних системах відліку протікають однаково, незалежно від того, чи нерухома система чи вона перебуває в стані рівномірного та прямолінійного руху.
Дане визначення відноситься до пункту "б" - принципи відносності Галілея.
4. Принципи відносності Галілея
Галілея принцип відносності ,
принцип фізичної рівноправності інерційних систем відліку в класичній механіці, що виявляється в тому, що закони механіки у всіх таких системах однакові. Звідси випливає, що ніякими механічними дослідами, що проводяться в будь-якій інерційній системі, не можна визначити, чи дана система спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно. Це становище було вперше встановлено Г. Галілеєм в 1636. Однаковість законів механіки для інерційних систем Галілей ілюстрував на прикладі явищ, що відбуваються під палубою корабля, що спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно (щодо Землі, яку можна з достатнім ступенем точності) «Змусіть тепер корабель рухатися з будь-якою швидкістю і тоді (якщо тільки рух буде рівномірним і без хитавиці в той і інший бік) у всіх названих явищах ви не виявите жодної зміни і по жодному з них не зможете встановити, чи рухається корабель чи варто нерухомо... Кидаючи якусь річ товаришу, ви не повинні кидати її з більшою силою, коли він перебуватиме на носі, а ви на кормі, ніж коли ваше взаємне становище буде зворотним; краплі, як і раніше, будуть падати в нижню посудину, і жодна не впаде ближче до корми, хоча поки крапля знаходиться в повітрі, корабель пройде багато п'ядей » 1 .
Рух матеріальної точки щодо: її становище, швидкість, вид траєкторії залежить від цього, стосовно якій системі відліку (тілу відліку) цей рух розглядається. Водночас закони класичної механіки ,
тобто співвідношення, які пов'язують величини, що описують рух матеріальних точок та взаємодію між ними, однакові у всіх інерційних системах відліку. Відносність механічного руху та однаковість (безвідносність) законів механіки в різних інерційних системах відліку та становлять зміст Галілеївського принципу відносності.
Математично Галілеївський принцип відносності виражає інваріантність (незмінність) рівнянь механіки щодо перетворень координат точок (і часу), що рухаються, при переході від однієї інерційної системи до іншої - перетворень Галілея.
Нехай є дві інерційні системи відліку, одну з яких, S, умовимося вважати, що відпочиває; друга система, S', рухається по відношенню до S з постійною швидкістю uтак, як показано малюнку. Тоді перетворення Галілея для координат матеріальної точки в системах S і S будуть мати вигляд:
x' = x - ut, у' = у, z' = z, t' = t (1)
(Штриховані величини відносяться до системи S', нештриховані - до S). Т. о., час у класичній механіці, як і відстань між будь-якими фіксованими точками, вважається однаковим у всіх системах відліку.
З перетворень Галілея можна отримати співвідношення між швидкостями руху крапки та її прискореннями в обох системах:
v' = v - u, (2)
a' = a.
У класичній механіці рух матеріальної точки визначається другим законом Ньютона:
F = ma, (3)
Де m -маса точки, a F -рівнодіюча всіх прикладених до неї сил. При цьому сили (і маси) є в класичній механіці інваріантами, тобто величинами, що не змінюються під час переходу від однієї системи відліку до іншої. Тому, при перетвореннях Галілея рівняння (3) не змінюється. Це і є математичний вираз Галілеївського принципу відносності.
Галілеївський принцип відносності справедливий лише в класичній механіці, в якій розглядаються рухи зі швидкостями, набагато меншими за швидкість світла. При швидкостях, близьких до швидкості світла, рух тіл підпорядковується законам релятивістської механіки Ейнштейна ,
які інваріантні по відношенню до інших перетворень координат і часу - Лоренца перетворенням
(при малих швидкостях вони перетворюються на перетворення Галілея).
5. Спеціальна теорія відносності Ейнштейна
Спеціальна теорія відносності базується на двох постулатах. Перший постулат(узагальнений принцип відносності Ейнштейна) свідчить: ніякими фізичними дослідами (механічними, електромагнітними тощо.), виробленими всередині цієї системи відліку, не можна встановити різницю між станами спокою та рівномірного прямолінійного руху (іншими словами, закони природи однакові в усіх інерційних системах координат , тобто системах, що рухаються прямолінійно та рівномірно один щодо одного). Цей постулат випливає з результатів знаменитого досвіду Майкельсона-Морлея, які вимірювали швидкість світла у напрямку Землі та в перпендикулярному напрямку. Швидкість світла виявилася однаковою в усіх напрямках, незалежно від руху джерела (до речі, ці виміри відкинули ідею існування світового нерухомого ефіру, коливаннями якого пояснювали природу світла).
Другий постулатговорить про те, що швидкість світла у вакуумі однакова у всіх інерційних системах координат. Цей постулат розуміється (зокрема самим Ейнштейном) у сенсі сталості швидкості світла. Вважають, що цей постулат також є наслідком досвіду Майкельсона.
Постулати були використані Ейнштейном для аналізу рівнянь електродинаміки Максвелла і наступних перетворень Лоренца, що дозволяють виражати координати і час для системи, що рухається (відзначені штрихом зверху) через координати і час для нерухомої системи (ці перетворення залишають рівняння Максвелла
x' = (x – Vt)/^0,5(м); y’ = y(м); z' = z(м); (1)
t' = (t – xV/c^2)/^0,5(Сік). (2)
З цих перетворень безпосередньо випливає теорема складання швидкостей Ейнштейна:
Vc = (V1 + V2) / (1 + V1 * V2 / c^2)(М/с). (3)
Звичайний закон складання ( Vc = V1 + V2) діє лише за малих швидкостях.
На основі виконаного аналізу Ейнштейн дійшов висновку, що факт руху системи (зі швидкістю V) впливає на її розміри, швидкість перебігу часу та масу відповідно до виразів:
l = lo/^0,5(м); (4)
delta t = delta to/^0,5(Сік); (5)
M = Mo/^0,5(Кг). (6)
Нулем відзначені величини, що відносяться до нерухомої (спочиваючої) системи. Формули (4) - (6) свідчать про те, що довжина системи, що рухається, скорочується, протягом часу на ній (хід годинника) уповільнюється, а маса зростає. На основі формули (5) виникла ідея так званого ефекту близнюків. Космонавт, який пролетів на кораблі рік (години корабля) зі швидкістю 0,9998 з, повернувшись на Землю, зустріне свого брата-близнюка, який постарів на 50 років. Співвідношення (6), що характеризує ефект зростання маси, призвело Ейнштейна до формулювання його знаменитого закону (6):
E = Mс^2(Дж).
6. Загальна теорія відносності Ейнштейна
Загальна теорія відносності (ОТО) - геометрична теорія тяжіння, опублікована Альбертом Ейнштейном в роках. У рамках цієї теорії, що є подальшим розвитком спеціальної теорії відносності, постулюється, що гравітаційні ефекти обумовлені не силовою взаємодією тіл і полів, що знаходяться в просторі-часі, а деформацією самого простору-часу, яка пов'язана, зокрема, з присутністю маси-енергії. Загальна теорія відносності (ОТО) - сучасна теорія тяжіння, що з його кривизною чотиривимірного простору-часу.
Отже, у ВТО, як та інших метричних теоріях , гравітація перестав бути силовим взаємодією. Загальна теорія відносності відрізняється від інших метричних теорій тяжіння використанням рівнянь Ейнштейна для зв'язку кривизни простору-часу з наявною у просторі матерією.
ВТО в даний час - найуспішніша гравітаційна теоріядобре підтверджена спостереженнями. Перший успіх загальної теоріївідносності полягав у поясненні аномальної прецесії
перигелія
Меркурія. Потім, в , Артур Еддінгтон повідомив про спостереження відхилення світла поблизу Сонця в момент повного затемнення, що підтвердило передбачення загальної теорії відносності. З тих пір багато інших спостережень та експериментів підтвердили значну кількість передбачень теорії, включаючи гравітаційне уповільнення часу, гравітаційне червоне зміщення, затримку сигналу в гравітаційному полі і, поки що непрямо, гравітаційне випромінювання. Крім того, численні спостереження інтерпретуються як підтвердження одного з найбільш таємничих та екзотичних передбачень загальної теорії відносності – існування чорних дірок.
Ейнштейн сформулював принцип еквівалентності, який стверджує, що фізичні процеси в гравітаційному полі не відрізняються від аналогічних явищ за відповідного прискореного руху. Принцип еквівалентності став основою нової теорії, названої загальною теорією відносності. Можливість реалізації цієї ідеї Ейнштейн побачив по дорозі узагальнення принципу відносності руху, тобто. поширення його не тільки на швидкість, а й на прискорення систем, що рухаються. Якщо не приписувати абсолютний характер прискорення, то виділення класу інерційних систем втратить свій сенс і можна формулювати фізичні закони таким чином, щоб вони належали до будь-якої системи координат. У цьому полягає загальний принципвідносності.
З точки зору ВТО простір нашого світу не має постійної нульової кривизни. Кривизна його змінюється від точки до точки і визначається полем тяжіння, І час у різних точках тече по-різному. Поле тяжіння є чим іншим, як відхиленням властивостей реального простору від властивостей ідеального (евклідова) простору. Поле тяжіння у кожній точці визначається значенням кривизни простору цієї точки. При цьому викривлення простору-часу визначається не тільки повною масою речовини, з якої складається тіло, а й усіма видами енергії, що присутні в ньому, у тому числі енергії всіх фізичних полів. Так, у ВТО узагальнюється принцип тотожності маси та енергії СТО: Е = mc 2 . Отже, найважливіша відмінність ОТО з інших фізичних теорій у тому, що вона описує тяжіння як вплив матерії на властивості простору-часу, ці властивості простору-часу, зі свого боку, впливають рух тіл, на фізичні процеси у яких.
У ОТО рух матеріальної точки в полі тяжіння розглядається як вільний «інерційний» рух, але те, що відбувається не в евклідовому, а в просторі з кривизною, що змінюється. У результаті рух точки вже не є прямолінійним та рівномірним, а відбувається по геодезичній лінії викривленого простору. Звідси випливає, що рівняння руху матеріальної точки, а також променя світла має бути записане у вигляді рівняння геодезичної лінії викривленого простору. Для визначення кривизни простору необхідно знати вираз для компонентів фундаментального тензора (аналогу потенціалу в ньютонівській теорії тяжіння). Завдання полягає в тому, щоб, знаючи розподілу мас, що тяжіють у просторі, визначити функції координат і часу (компонент фундаментального тензора); тоді можна записати рівняння геодезичної лінії та вирішити проблему руху матеріальної точки, проблему поширення світлового променя тощо.
Ейнштейн знайшов загальне рівняння гравітаційного поля (яке в класичному наближенні переходило до закону тяжіння Ньютона) і таким чином вирішив проблему тяжіння у загальному вигляді. Рівняння гравітаційного поля в загальній теорії відносності є системою з 10 рівнянь. На відміну від теорії тяжіння Ньютона, де є один потенціал гравітаційного поля, який залежить від єдиної величини - щільності маси, теорія Ейнштейна гравітаційне поле описується 10 потенціалами і може створюватися не тільки щільністю маси, але також потоком маси і потоком імпульсу.
Ще одна кардинальна відмінність ОТО від попередніх їй фізичних теорій полягає у відмові від низки старих понять та формулюванні нових. Так, ВТО відмовляється від понять «сила», «потенційна енергія», «інерційна система», «евклідів, характер простору-часу» та ін; У ОТО використовують нежорсткі (деформуються) тіла відліку, оскільки у гравітаційних полях не існує твердих тілі хід годинника залежить від стану цих полів. Така система відліку (її називають «молюском відліку») може рухатися довільним чином, і її форма може змінюватися, у використовуваних годин може бути як завгодно нерегулярний хід. ОТО поглиблює поняття поля, пов'язуючи поняття інерції, гравітації та метрики простору-часу, допускає можливість гравітаційних хвиль. Гравітаційні хвилі створюються змінним гравітаційним полем, нерівномірним рухом мас і поширюються у просторі зі швидкістю світла. Гравітаційні хвилі у земних умовах дуже слабкі. Є можливість реальної фіксації гравітаційного випромінювання, що виникає у грандіозних катастрофічних процесах у Всесвіті – спалахах наднових зірок, зіткненні пульсарів та ін. Але їх досі експериментально виявити не вдалося.
Незважаючи на приголомшливий успіх загальної теорії відносності, в науковому співтоваристві існує дискомфорт, пов'язаний з тим, що її не вдається переформулювати як класичний рубіж квантової теорії через появу непереборних математичних розбіжностей при розгляді чорних дірок і взагалі сингулярності простору-часу. Для вирішення цієї проблеми було запропоновано низку альтернативних теорій. Сучасні експериментальні дані вказують, що будь-якого типу відхилення від ОТО повинні бути дуже малими, якщо вони існують взагалі.
ФОРМУВАННЯ СУЧАСНОЇ ФІЗИЧНОЇ КАРТИНИ СВІТУ ПРИНЦИПИ ТА ПОНЯТТЯ ЕЙНШТЕЙНІВСЬКОЇ ЗАГАЛЬНОЇ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ (ТЕОРІЇ ГРАВІТАЦІЇ) Концепції рівнів біологічних структур та організації живих систем
ЗАКОНИ ЗБЕРІГАННЯ
Кругообіг речовин
Малі міграційні потоки хімічних елементів як між взаємозалежними організмами, так і між організмами та навколишнім середовищем складаються у більші цикли - кругообіги. Тривалість та сталість існування життя підтримують саме кругообіги, бо без них навіть у масштабах усієї Землі запаси необхідних елементів були дуже скоро вичерпані.
Кругообіг біологічний (біотичний)- явище безперервного, циклічного, закономірного, але нерівномірного у часі та просторі перерозподілу речовини, енергії 1 та інформації в межах екологічних систем різного ієрархічного рівня організації – від біогеоценозу до біосфери. Кругообіг речовин у масштабах всієї біосфери називають великим колом, а межах конкретного біогеоценозу - малим колом біотичного обміну. Частину біологічного круговороту, що складається з кругообігів вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки та інших біогенних речовин, називають біогеохімічним кругообігом.
Деяка кількість речовини може на якийсь час вибувати з біологічного круговороту (осідати на дні океанів, морів, випадати в глибини земної кори тощо). Однак у результаті протікання тектонічних і геологічних процесів (вулканічної діяльності, підйому і опускання земної кори, зміни меж між сушею і водою та ін.) осадові породи знову включаються в кругообіг, званий геологічним циклом або кругообігом.
Кругообіги речовин від продуцентів до консументів різних рівнів, потім до редуцентів, а від них знову до продуцентів замкнуті не повністю. Якби в екосистемах існувала їхня повна замкнутість, то не виникало б жодних змін середовища життя, не було б ґрунту, вапняків та інших гірських порід біогенного походження. Таким чином, біотичний кругообіг можна умовно зобразити у вигляді незамкнутого кільця. Втрати речовини через незамкненість кругообігу мінімальні в біосфері (найбільшій екосистемі планети). Інформація в екосистемах втрачається із загибеллю видів та незворотними генетичними перебудовами.
Таким чином, кожна екосистема підтримує своє існування за рахунок кругообігу біогенів та постійного припливу сонячної енергії. Кругообіг енергії в екосистемах практично відсутній, оскільки від редуцентів вона (енергія) повертається до консументів у мізерних кількостях. Вважають, що коефіцієнт кругообігу енергії не перевищує 0,24%. Енергія може накопичуватися, зберігатися (тобто перетворюватися на більш ефективні форми) і передаватися з однієї частини системи в іншу, але вона не може бути знову пущена у справу, як вода та мінеральні речовини. Якось пройшовши від рослин-продуцентів через консументи до редуцентів, енергія виноситься в навколоземний та космічний простір. При русі через екосистему потік енергії торкається переважно її біоценоз, тому він докладно розглянутий раніше.
Loading...