Transcript Cicluri biogeochimice, partea 1

LECTIA 3
Cicluri biogeochimice
Chimie si ecologie
Ecologie
Ştiinţa care studiază legităţile
de interacţiune dintre
organismele vii şi mediu
Chimie
Ştiinţă despre structura
substanţelor şi
transformările lor
Several ecological
interdisciplinary areas
•
•
•
•
•
Ecological chemistry;
Ecological physics;
Ecological engineering;
ecological economics;
Ecological anthropology;
•
•
•
•
•
Social ecology;
Ecological health;
Industrial ecology;
Media ecology;
Software ecology
and information
ecology.
Ciclul materiei de pe Pamânt se
desfășoară prin reacțiile chimice,
care se afla într-o stare de
ECHILIBRU
Acestea se studiaza de
CHIMIA MEDIULUI
• Chimia mediului este o
ramură a ştiinţei, care se
ocupa cu studiul
atmosferei, hidrosferei,
litosferei şi a relatiilor
dintre ele.
Relație ATMOSFERĂ-APĂ
Diferite acțiuni antropice distrug acest
echilibru efemer.
De exemplu, dezvoltarea tehnologiei chimice
(CHIMIE INDUSTRIALĂ).
Uzinele, precum și stațiile de energie atomică
elimină substanțe toxice, ce au tendința spre
acumulare.
În scurt timp mediul ambiant nu se va mai
potrivi valorii biologice de habitare.
Problema dată trebuie rezolvată.
Cu căutarea soluțiilor se ocupă
CHIMIA ECOLOGICĂ.
Chimia ecologica
• Studiaza procesele
chimice, fizico-chimice si
biochimice, care aduc la
formarea compozitiei
chimice a mediului
ambiant adecvat valorii
biologice de abitare
CHIMIA ECOLOGICĂ este o ştiinţă foarte largă.
CHIMIA VERDE, ca o parte a CHIMIEI ECOLOGICE,
are ca scop de a rezolva problema “priorităţilor false”
– preferinţa economiei faţa de starea mediului
ambiant
Ca o parte a CHIMIEI ECOLOGICE,
CHIMIA VERDE se ocupă cu:
• Prevenirea deseurilor
• Proiectarea produselor sau
• Analiza în timp real pentru prevenirea poluării,
monitorizare şi control
• Proiectarea sintezei chimice mai puţin
periculoase şi a substanţelor chimice mai
sigure
• Utilizarea materiei prime regenerabile
• Proiectarea produselor si substanţelor chimice
care să se degradeze dupa utilizare
• Creşterea eficienţei energetice a proceselor
tehnologice
CICLURI BIOGEOCHIMICE
Apariţia vieţii pe Pămînt. Biosfera.
Ciclurile de oxigen, carbon, azot,
fosfor, sulf, de apă şi energie.
BIOGEOCHIMÍE
Ramură a geochimiei care
studiază compoziţia chimică
a biosferei
Geneza Universului
• Astronomii cred ca totul (Universul) a aparut în
urma cu 15 miliarde de ani cu formarea
particulelor, care se agitau cu viteze apropiate
luminii ,intr-o mare masă de materie concentrata
intr-un spațiu relativ redus. În urma presiunii si
temperaturii uriașe a aparut fenomenul de
fuziune nucleara. Particulele (protoni si neutroni)
au fost „obligate” sa se uneasca , formand
nuclee. Apoi s-au format atomii. Dupa sute de
milioane de ani s-au format galaxiile.
Geneza Universului
• Teoria Big Bang-ului a fost elaborata in baza
analizei spectrale a luminii emisa de galaxii. Efectul
spre rosu al galaxiilor care se departeaza de noi este
numit efect Dopler Cristian (matematic austriac). Cu
ajutorul acestuia putem afla distantele între acestea
precum si daca se apropie sau se departează de noi.
•
Daca expansiunea va continua, Universul, va
devenii din ce în ce mai gol, iar spatiul din ce în ce
mai rece. Însa daca Universul va începe sa se
contracte, galaxiile se vor apropia pâna când vor intra
în coliziune si vor fuziona. Totul va fi distrus. Acesta
va fi Big Crunch.
Sistemului Solar
• Sistemul Solar face parte din Galaxia
numitã Calea Lactee, o galaxie în formã
de spiralã cu un diametru de
• 100 000 ani de luminã fațã de o grosime
de 1000-2000 ani luminã.
Formarea sistemului solar
Formarea sistemului solar a avut loc cu aproximativ
6
miliarde de ani în urmă unei explozii iniţiale, urmată de
condensarea substanţei interstelare
În procesul comprimării gravitaţionale, substanţa stratificată pe
orbite s-a concentrat determinând formarea planetelor la
distanţe diferite de soare
În funcţie de distanţa de soare, compoziţia chimică a planetelor
diferă
Apariţia vieţii pe Pămînt este strîns legată de evoluţia planetelor
Aspecte istorice
• Organizarea Sistemului Solar propusa in anul
1543 de astronomul polonez Nicolas
Copernic (sistem care se numeste si
heliocentric, adica cu Soarele in centru) a fost
o idee revolutionara pentru timpul sau. Dar
sistemul heliocentric propus de Copernic a
fost aspru criticat de Biserica Catolica,
institutie care, din considerente religioase
adoptase sistemul geocentric, adica cel care
avea in centrul sau Pamantul. Pentru ca au
sustinut si dezvoltat ideea heliocentrica, nu
putini invatati au avut de suferit din ordinul
Bisericii.
Sistemul solar
Nume
Soarele
Mercur
Venus
Pământul
Marte
Jupiter
Saturn
Uranus
Neptun
Pluton
Orbitează
Soarele
Soarele
Soarele
Soarele
Soarele
Soarele
Soarele
Soarele
Soarele
Distanţa(mlnkm) Raza(km) Masa(kg)
697000 1.99e30
58
2439
3.30e23
108
6052
4.87e24
149
6378
5.98e24
227
3398
6.42e23
778
71492
1.90e27
429
60268
5.69e26
2870
25559
8.69e25
4504
24764
1.02e26
5913
1160
1.32e22
Structura sistemului solar
Saturn, Uranus, Neptun, Pluton- cele mai îndepărtate planete
Compoziţia chimică: hidrogen, heliu, amoniac, apă, metan, diferiţi oxizi şi
hidroxizi
Temperatura pe suprafaţa: 40-55 K
Atmosfera (în afară de Pluton, căruia îi lipseşte atmosfera): heliu şi hidrogen
Jupiter – 790 milioane km de la soare (liquida)
Compozitia chimică: hidrogen(90%), heliu(10%)
Temperatura medie pe suprafaţa planetei: 400 K
Atmosfera: hidrogen, heliu, presiunea 110 atm.
Marte - 230 milioane km depărtare de Soare
Compozitia chimică: fier, titan, aluminiu, siliciu, sulf. clor
Temperatura medie pe suprafaţa planetei: 200 K
Atmosfera: foarte rarefiată
Venus - “planeta furtunilor”, 110 milioane Km de Soare
Atmosfera: 90% de bioxid de carbon
Norii atmosferici - acid sulfuric sub formă de cristale
Temperatura: 700K (efect de seră)
Mercur - planeta cea mai apropiată de soare - 58 de milioane de km
Compoziţia chimică: fier, siliciu, potasiu, sodiu, oxigen
Temperatura medie: 400 K
Atmosfera lipseşte (cratere)
Planeta Pământ
• Cuvîntul „Pământ” provine din latinescul
„pavimentum”, care înseamnă „pavaj”, „drum
pietruit”.
• Simbolul astrologic şi astronomic al Pământului
este reprezentat de o cruce încadrată de un cerc
+
ce reprezintă un meridian şi Ecuatorul ( ). O
altă varianta aşează crucea deasupra cercului
(♁).
Planeta Pământ, Structura
Litosfera
Hidrosfera
Atmosfera
Suprafața Planetei
Pământ
• APĂ – 70,8%
• USCAT - 29,2%
•
•
•
•
•
•
Compoziţia Chimică
a Pămîntului
49,13% oxigen
26,00% siliciu
7,45% aluminiu 4,20% fier
3,25% calciu
2,40% sodiu
2,35% potasiu
2,35% magneziu
1,00% hidrogen 0,61% titan
0,35% carbon
0,20% clor
Evoluţia Pământului
• în Evoluţia Pămîntului se pot distinge două mari etape:
• 1. cosmică
•
Etapa cosmică, cu durata de circa 2 miliarde ani, este
etapa în care Pămîntul era constituit dintr-o materie fluidă
incandescentă, cu temperatura foarte mare, circa 400050000°C, şi care prin răcire treptată a trecut de la faza gazoasă
la cea lichidă, apoi la faza lichido-viscoasă şi viscoasă. Din
aceasta din urmă a luat naştere scoarţa terestră.
• 2. geologică
•
Etapa geologică sau terestră propriu-zisă începe cu
formarea primei scoarţe solide (cu cristalizarea mineralelor şi a
rocilor) şi a cărei vîrstă este stabilită în perioada actuală circa
4,6 miliarde ani.
Planeta Pământ
Vârsta Terrei numără în prezent 4,6 miliarde de
ani (sau 46 de ani după scara geologică Kaldar)
Condensarea vaporilor de apă, ce a dus la
formarea oceanului mondial - 4 miliarde de ani în
urmă
Particularităţile
atmosferei
timpurii:
lipsa
oxigenului liber, radiaţii ionizante şi temperaturi
până la 1370 K
Procese abiotice de sinteză, din gaze simple,
diverse substanţe chimice au dus la formarea
substanţelor organice cu structuri tot mai
complicate
Planeta Pământ
Nasterea pe cale chimică a macromoleculelor
(coacervate)ce se reproduceau şi transmiteau
informaţia “ereditară” a avut loc cu 3,8 miliarde
de ani în urmă
Atmosfera era reducătoare şi conţinea CO, CO2,
N2, HCl, HF, H2 şi alte gaze.
Oceanul, iniţial avea aciditate sporita datorată
dizolvării HCl, HF şi altor gaze vulcanice acide.
Centrul pămîntului ar fi un nucleu metalic, format
din fier, în proporţie de 90% şi din nichel, în
proporţie de 10%.
Planeta Pământ
Evoluţia vieţii biologice a dus la apariţia a unor bacterii care sau “învăţat” să folosească apa în calitate de donor cu
eliminarea oxigenului molecular în mediul extern
Formarea atmosferei aerobe a Pământului a început atunci
când toate rezervele de substanţe reducătoare conţinute în apă
au fost oxidate, principalul consumator de oxigen fiind ionii
Fe2+
Apariţia stratului de ozon care protejează suprafaţa Pământului
de radiaţia solară a determinat ieşirea vieţii pe uscat
Apariţia vegetaţiei a intensificat procesul de fotosinteză şi
compoziţia atmosferei a atins un nivel staţionar
Biosfera
Biosfera a fost definită de englezul
Hutchinson G.E. (1970) ca fiind
”spaţiul planetar
ocupat de către mediul
viu”
Biosfera
• Biosfera este un înveliş termodinamic cu
temperatura de la +50°C până la -50°C
• presiunea în jurul unei atmosfere;
• Aceste condiţii constituie limita vieţii pentru
majoritatea organismelor;
• limita superioară a biosferei este la 22 km deasupra
nivelului mării;
• În oceane, limita inferioară a vieţii o constituie la
adâncimea de 10 km;
• în scoarţa terestră dură (litosferă) limita vieţii este
determinată de temperatura înaltă şi organismele
pătrund pînă la 4-5 km.
Ecosfera
Ecosfera - sistemul unde se desfăşoară toate
fenomenele biologice.
Este alcătuit din:
1. Mediu chimic (litosferă, hidrosferă,
atmosferă);
2. Mediu biologic (organismele vii);
3. Mediu cosmic (soarele - sursa de energie
necesară vieţii) – fotosfera;
Cicluri biogeochimice
 Circuitul elementelor biogene (carbon, oxigen,
azot, sulf) în biosferă – reprezintă trecerea lor din
forma minerală în materia vie şi invers, ca urmare
a unor transformări chimice şi biologice
 Se pot distinge două mari categorii de circuite
biogeochimice globale:
 circuite gazoase, în care rezervorul principal al
elementelor este atmosfera (ex. C, N, O)
 circuite sedimentare, în care rezervorul
principal al elementelor îl reprezintă litosfera
 Timpul caracteristic pentru circuitul biologic al
rezervelor de substanţe nutritive din mediul
ambiant este de circa 10 ani
Ciclul de oxigen
• Atmosfera conţine aproximativ 1,21011 t O2 - 21%.
• În urma fotosintezei se formează anual 2,31011 t
O2
• Aproape toată această cantitate de oxigen este
folosită în procesele de respiraţie şi fermentaţie
• Cantitatea de oxigen nefolosită se apreciază după
masa substanţei organice care se depune în roci
Ciclul de oxigen
O altă sursă de oxigen atmosferic o
constituie procesul de fotodisocie-re a
moleculelor de apă:
hν
H 2O
H2 + O 2
În urma fotodisocierii se formează circa
2106 t oxigen pe an
Ciclul oxigenului în biosferă
Astfel, formarea şi consumarea oxigenului reprezintă practic un
ciclu închis între fotosinteză şi distrucţia microbiologică a
substanţei organice în biosferă:
fotosinteza
H 2O
respiraţie
H 2 O2
cataliza
O2
Schema de reducere a
oxigenului în apă prin
intermediul particulelor reactive
Ciclul oxigenului în biosferă
Circuitul carbonului
• Carbonul (C) reprezintă elementul de bază al materiei vii,
ocupând 49% din greutatea substanţei uscate
• La fel, carbonul, deţine 24,9% din compoziţia globală a
biosferei
• Principalul rezervor de carbon implicat în funcţionarea biosferei
îl constituie bioxidul de carbon (CO2) dizolvat sub formă de ioni
carbonici în mările şi oceanele planetei (35 000 milioane tone)
Formele de dioxid de carbon