Transcript Document

EVOLUŢIA CONCENTRAŢIEI DE CO2 DIN ATMOSFERĂ ÎN ULTIMII
500 MILIOANE DE ANI (DE LA APARIŢIA PLANTELOR ÎNCOACE).
Colonizarea uscatului cu plante
Diversificarea plantelor vasculare
RCO2 = raportul concentraţiei de CO2 de
atunci, către concentraţia CO2 de acum.
Ext. din Devonian
Ext. din Permian
Extincţia din
Ordovician
Ext. din Triasic
Ext. din Cretacic
Milioane de ani în urmă
Ciclul carbonului implicat în materia vie
Rate de schimb a carbonului in biosfera
Felul schimbului
în tone/an
Oxigen eliberat de plante
230
din care: de păduri
130
de suprafeţe cultivate
45
Bioxid de carbon consumat de biosferă 300
din care:de păduri
170
circa 30 t/ha
de suprafeţe cultivate
60
circa 5 t/ha
Bioxid de carbon eliminat prin arderi
25
Producţia de deşeuri organice
40
Producţia de biomasă
117
(58.109 t carbon)
Prelevări de lemn (1982)
2,5
din care pentru combustibil
1,4
Producţia de combustibili fosili
7,5
din care:cărbune
3,9
petrol
2,6
gaze combustibile
1,0
Circuitul global al carbonului
• Deoarece ieşirile din „sistem" realizate numai prin
fotosinteză nu cresc în aceeaşi proporţie cu intrările
industriale, se înregistrează în atmosferă, în ultimul secol al
mileniului II, o creştere progresivă de CO2 în aer (de la 280
ppm, la începutul secolului, la 375 ppm astăzi)
• Acest lucru a condus la încălzirea atmosferei şi crearea unor
dezechilibre globale în circuitul apei în natură, îndeosebi,
topiri ale calotelor glaciare
Circuitul azotului
Circuitul azotului este mult mai
complex decât al celorlalte elemente
biogene analizate până acum; acest
ciclu este influenţat de rezerva uriaşă
de azot liber din atmosferă.
Circuitul azotului
Spre deosebire de carbon, atmosfera este foarte bogată în azot
(79%)
Azotul se prezintă sub formă moleculară (N2)
Deasupra fiecărui hectar de pământ sau apă se află 80.000 t
azot molecular (considerat practic un gaz inert); există însă
foarte puţine organisme capabile să-l utilizeze şi sub această
formă (N2)
Din punct de vedere biologic, principalul rezervor de azot este
alcătuit din azotul mineral, amoniac, nitriţi, nitraţi etc.
Circuitul azotului implicat în materia vie
Circuitul azotului implicat în materia vie
• În evoluţia mediului viu, câteva fenomene
biologice şi biochimice, în care este implicat
azotul, sunt determinante pentru funcţionarea
„sistemului biologic“:
 Fixarea azotului (se efectuează de către bacterii, alge
albastre şi anumite ciuperci)
 Amonificarea (proces de mineralizare a substanţelor
organice cu formare de amoniac)
 Nitrificarea (procesul de transformare a amoniacului în
nitraţi)
 Denitrificarea
Ciclul apei in natura
• Hidrologia este stiinta care se ocupa cu studierea distribuirii apei
pe pamant.
• Ciclu hidrologic
•
•
•
este miscarea continua a apei intre pamant si
atmosfera.
Datorita diferitor influente , apa se evapora atat de pe suprafata
pamantului cat si a apei si transpira din celulele vii.
Acesti vapori circula prin atmosfera si se precipita sub forma de ploaie
si zapada.
Atingand suprafata pamantului , apa urmeaza doua cai : o parte
determinata de intensitatea ploii , de porozitatea , permeabilitatea , si
umiditatea anterioara a solului , se scurge pe suprafata solluli direct in
rauri , lacuri si oceane. Cealalta parte se ifiltreaza in sol..
Circuitul apei în biosferă
• Cantităţile de apă reprezintă milioane km3/an
Ciclul de apă
Biosfera conţine circa 1 350 milioane km3 de apă,
din care cea mai mare parte (97%) se află în
oceane
Apele continentale (fluvii, lacuri, pânze freatice
etc.) reprezintă 8,3 milioane km3, adică numai
0,6% din cantitatea totală
Restul de apă din biosferă se distribuie astfel:
12 700 km3 este prezentă în atmosferă sub formă de
vapori
400 km3 este conţinută în biomasa animală şi vegetală
Ciclul de apă
• Dinamica ciclului este variabilă în funcţie de
sectoarele sale: Statistic, o moleculă de apă
staţionează în medie 9 zile în rezervorul
atmosferic şi mai multe milenii în rezervorul
oceanic şi în calotele glaciare. Totalul
evaporaţiei este evaluat la 70 x 1012 m3 / an
deasupra continentelor şi 350 x 1012 m3 / an
deasupra oceanelor, iar cantitatea totală de
precipitaţii 100 x 1012 m3 / an deasupra
continentelor şi 320 x 1012 m3 / an deasupra
oceanelor.
Ciclul de apă
• Norii sunt mase de apă uneori enorme, chiar
dacă nouă ne par "uşori". Ei sunt cel mai mare
mijloc de transport de pe Terra, deoarece un
singur nor de furtună poate conţine sute de mii
de tone de apă! 633 mm de precipitaţii (cât e
media anuală pe la noi) pe o suprafaţă de 1 km
pătrat înseamnă 633.000.000 litri de apă, adică
zeci de mii de vagoane pentru un singur km
pătrat. Moldova are 37 000 km pătraţi,
deci.23,4mlrd tone apa.
Ciclul de apă
• Formarea norilor necesită,
paradoxal, existenţa unei cantităţi
de particule solide fine cu rol de
nuclee de condensare, adică dacă
"poluarea" ar lipsi complet şi aerul
ar fi "pur" nu am avea nori!
Modificări ale ciclului hidrologic
•
•
•
•
•
·
Defrişări: scade capacitatea de retenţie a apei, creşte eroziunea şi sedimentarea
· Lacuri aritificiale: cresc evaporarea, sedimentarea şi timpul de rezidenţă a
apei, astfel că în aval scad nutrienţii şi suspensiile şi adesea creşte salinitatea;
Prizarea de ape de la fund la lacuri adânci dau aval ape reci, anoxice, cu compuşi
toxici etc.; uzinarea neregulată produce debite cu mari oscilaţii;
· Irigaţiile: Produc sărăturarea solurilor şi apelor subterane în regiuni semiaride şi
aride;
· Dragarea(a sapa fundul apei pentru a extrage material) pentru
navigaţie produce mobilizarea sedimentelor şi creşterea concentraţiei unor toxici;
· Aducţiuile (canale de transport artificial al apei) interbazinale scad
capacitatea de diluţie a râului din care se fac şi îi cresc salinitatea, coboară nivelele
freatice şi fac transfer interbazinal de poluanţi;
Circuitul apei în plante
 Apa reprezintă solventul pentru substanţele minerale şi unii
compuşi organici solubili şi sub această formă este
absorbită prin rădăcini şi condusă prin vasele luminoase
(xilem) câtre frunze, unde participă la biosinteza organică
 O parte din această apă se pierde prin evaporare şi
transpiraţie şi reintră în circuitul natural
 O altă parte coboară împreună cu „elaboratele
biosintetizate" şi se depozitează în organe de rezervă,
constituind apa înglobată (tuberculi, bulbi, parenchime
speciale). Această coborâre se face prin vasele liberiene
(floemul).
Circuitul apei în plante
• Prin circulaţia ei în plante, apa asigură următoarele
procese:
a) Transport ca solvent substanţele minerale câtre frunze;
b) Asigură turgescenţa celulelor şi conferă poziţia erectă
plantelor ierboase:
c) Asigură mediul pentru desfurarea unor reacţii de biosinteză
şi de biodegradare a unor substanţe din plante;
d) Participă la procesul de creştere a plantelor;
e) Contribuie la reglarea temperaturii plantelor. Pentru
vaporizarea unui gram de apă în procesul de transpiraţie se
consumă o energie echivalentă cu 2257 kJ;
f) Participă la procesul de fotosinteză cu protonii şi electronii
din procesul de fotoliză a apei.
Circuitul apei în plante
Ciclul de energie
La nivelul planetei au loc transformări
energetice de tot felul, însă ele se supun
legilor şi principiilor termodinamicii
Fiecare fenomen biologic are, neapărat, o
componentă energetică
Principala sursă energetică a biosferei o
constituie soarele
Cantitatea totală de energie care intră în
atmosferă prin fluxul solar însumează
132020 Kcal sau 54,51020 KJ
Fluxul energiei solare în biosferă
Distribuţia fluxului energetic
Parte de flux
Distribuţia
32%, manifestat prin spectrul
ultraviolet şi infraroşu scurt
este reflectată, deci, retrimisă în
spaţiu, de către ecranele de nori,
praf, alte molecule şi de
suprafaţa Pământului
circa 5%, în principal razele UV
scurte, razele x şi gama
sunt absorbite în stratosferă
circa 13%
este interceptat de către nori şi
alte particule din atmosferă
24%
evaporarea apei
5%
se dispersează către atmosferă
21%
compensarea pierderilor de
radiaţie termică la suprafaţa
terestră
Alte tipuri de energie
Energia geotermică
Energia mareelor
Energia cinetică a nivelului
Aceste tipuri de energie sunt prezente în bilanţul
energetic al biosferei, dar într-o măsură cu totul
neglijabilă
Ele pot juca un rol important în bilanţul energetic
al unor ecosisteme locale , în raport cu fluxul
energetic solar
Procese cinetice şi fotochimice de
transformare a energiei solare
• Asigurarea cu energie electrică determină nivelul de
dezvoltare a societăţii
• Consum de energie creşte în 2 ori fiecare 10-15 ani
• Mai mult de 90% din energetica contemporană se
bazează pe utilizarea combustibilului natural: petrol,
gaz, cărbune
• Este necesar de a găsi noile surse de energie – ieftine
şi ecologic pure
Hidrogen – combustibil secolului XXI
Avantajele:
• Înaltă capacitate de energie
• Tehnologie ecologic pură – oxidarea hidrogenului în
orice regim duce la formarea H2O
• Sursa practic neepuizabilă a materiei prime – apa
conţine 10% de hidrogen
• Energia obţinută se transformă uşor în energia
termică
Energetica hidrogen-solară
• Concepţia energiei
hidrogen-solare se
bazează pe
transformarea
energiei solare în
cea chimică în
rezultatul
descompunerii H2O
hν
hidrogen
Fotoliza apei
Transport şi
păstrarea
Energie
apă
oxigen
Combustibil
oxigen
Mediul ambiant
apă
Descompunerea apei
• Metode termochimice
– Utilizarea energiei termice, obţinute din energia solară
• Electroliza apei
• Metoda fotochimică – cea mai perspectivă
– Descompunerea fotochimică a apei este posibilă numai în baza
proceselor fotocatalitice
Fotocataliza şi fotosensibilizarea
• La elaborarea sistemelor fotocatalitice artificiale pentru fotoliza
apei se folosesc fenomene de fotosensibilizare şi fotocataliză
• Fotosensibilizarea – modificarea regiunii spectrale de sensibilitate
a substanţei date în rezultatul trecerii energiei de la un
sensibilizator
• Fotocataliza - iniţierea sub acţiunea luminii a transformărilor
chimice într-un sistem ce conţine substanţa dată şi un
fotocatalizator
– Fotocatalizator – substanţa care sub acţiunea luminii reacţionează cu
alte substanţe, iniţiind transformările lor chimice, şi se regenerează
după fiecare ciclu de transformări intermediare
Fotosinteza
Clrf
•
•
•
•
H2O + CO2 + hν
(CH2O) + O2
În acest proces clorofilă (Clrf) participă ca fotosensibilizator
şi fotocatalizator
Mai mult de 90% întră în componenţa complecşilor care
asigură absorbţia efectivă a luminii (fotosensibilizatori)
S hν S*
Energia acestui complex se transmite dimerului clorofilei P
(fotocatalizator)
S* + P
P*
P* participă în transferul electronilor de la H2O la
nicotinamiddinucleotid fosfatului, NADP+
2H2O + 4NADP+ + 8hν
O2 + 4NADPH
Biofotoliza apei (sisteme-model)
hν
O2
F II
Cloroplast
H2O
FD
Dehidrogenaza
TE
H2
+M
MH2
F II – faza a II-a a fotosintezei
TE – reţea de transport de electroni
FD – ferredoxin (proteină, acceptor de electroni)
M – transportor de electroni
Pt
H2
Sisteme fotocatalitice artificiale de
descompunere a apei
• O direcţia perspectivă – crearea sistemelor
fotocatalitice artificiale preconizate pentru
descompunerea apei, prin folosirea principiilor de
transformare a energiei solare în cea chimică
• În prezenţa fotocatalizatorului (FK):
FK
D + A + hν
D+ + AK1
+
4D + 2H2O
4D + 4H+ + O2
K2
4A + 4H2O
4A + 4OH- + 2H2
Procesul sumar de fotodescompunere a apei:
FK, K1, K2
2H2O + 4hν
2H2 + O2
ΔG = 113,4 kkal/mol
Transport de electroni în sisteme
moleculare de fotodescompunere a apei
Eliminarea
catalitică
a oxigenului
Împărţirea
fotocatalitică a sarcinilor
Eliminarea
catalitică
a hidrogenului
Cerinţe către substanţe ce pot fi folosite în
calitate de fotocalizatori, donori şi
acceptori de electroni
• Fotocatalizatori:
– Absorbţia intensivă a radiaţiei solare
– Rezistenţa chimică şi fotochimică
– Capacitatea de regenerare a formei iniţiale după interacţiune
cu donori şi acceptori intermediari
• Donori şi acceptori:
– Rezistenţa chimică şi fotochimică
– Capacitate de a participa în procese catalitice reversibile de
eliminare a oxigenului şi hidrogenului din H2O
Concluziile
• Metode propuse până în prezent pentru
descompunerea fotolitică a apei nu au fost
acceptate pentru aplicare în industrie
• Este posibilă crearea transformatorilor
fotocatalitici pentru modificarea energiei solare în
cea chimică prin fotodescompunerea apei cu
formarea oxigenului şi hidrogenului