Круговороты воды и кислорода: что перемещается, а что превращается
Проследим воду от водоёма через атмосферу и почву к растениям, затем различим молекулярный кислород и атомы кислорода в воде и углекислом газе. Так станет ясно, почему круговорот вещества — не стрелка «туда и обратно» без промежуточных процессов.
Федеральная программа · углублённый уровень · 11 класс
Биосфера — глобальная экосистема
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Круговорот воды в биосфере
- Испарение, конденсация и осадки
- Поверхностный сток и подземные воды
- Поглощение и транспирация растений
- Круговорот кислорода
- Выделение O₂ при кислородном фотосинтезе
- Потребление O₂ при аэробном дыхании и окислении
- Связь кислородного, водного и углеродного циклов
- Запасы и потоки с различными временны́ми масштабами
Как это устроено
Вода не путешествует по единственной круговой дорожке. Водяной пар может образоваться при испарении с океана, озера или почвы, а также при транспирации растений. В атмосфере пар переносится, конденсируется, и часть воды выпадает дождём или снегом. На суше вода может задержаться в растении, уйти поверхностным стоком в реку, просочиться в грунт или снова испариться. Подземная вода движется в порах пород и может возвращаться к поверхности. Разные пути имеют разные скорости: один дождь не проходит все резервуары прежде, чем начнётся следующий.
Растение включено в водный цикл не как пассивная трубка. Корни поглощают воду, она перемещается к листьям, участвует в жизненных процессах и частично выходит паром через устьица. При сравнении участка с растениями и без них нельзя приписать всю разницу только транспирации: одновременно меняются тень, температура поверхности, сток и прямое испарение. Поэтому учёные отдельно оценивают компоненты эвапотранспирации и оговаривают метод измерения.
В кислородном цикле важно различать вещество O₂ и химический элемент кислород. Молекулярный O₂ выделяется при кислородном фотосинтезе; кислородные атомы выделившегося газа происходят из воды. Аэробное дыхание растений, животных, грибов и многих микробов использует O₂; в результате кислород оказывается в других соединениях, в том числе в воде. Дыхание растения не прекращается на свету, а фотосинтез не происходит просто потому, что рядом есть кислород.
Один и тот же атом может переходить между водой, O₂, CO₂, органическими веществами и минералами по разным путям. Учебная схема H₂O → O₂ → H₂O показывает только часть превращений. Сжигание топлива, разложение органики и другие реакции тоже связаны с O₂. Для водного организма особенно важен растворённый кислород: вода может быть в избытке, а доступного O₂ — мало. Поэтому утверждение «рыбе хватает кислорода, ведь вокруг вода» неверно.
Круговорот не означает, что каждый запас остаётся постоянным и что любая вода пригодна для питья. Если на участке осадки и приток меньше суммарных стока, испарения и забора воды, доступный запас может уменьшаться. Если в водоёме потребление O₂ организмами и окислением превышает его поступление, концентрация растворённого кислорода падает. Чтобы сделать количественный вывод, надо задать резервуар, промежуток времени, единицы измерения и все значимые входы и выходы.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Круговорот воды
Совокупность переходов воды между океанами, водоёмами суши, атмосферой, льдом, почвами, подземными водами и организмами. В разных частях пути вода меняет состояние, положение и время пребывания.
Пример: Вода испаряется с поверхности озера, переносится воздухом, выпадает дождём и может вернуться в озеро через реку.
- Запас воды
Количество воды, находящееся в определённом резервуаре в данный момент, например в атмосфере или подземном водоносном горизонте. Большой запас не означает, что вода быстро доступна организмам.
Пример: Вода в леднике и в почвенных порах находится в разных запасах с разной доступностью для растения.
- Поток воды
Количество воды, переходящее из одного резервуара в другой за единицу времени; его записывают с единицей, например миллиметры осадков за месяц или кубические метры в секунду.
Пример: Два озера могут иметь похожий объём, но разный годовой приток из рек.
- Испарение
Переход жидкой воды в водяной пар с поверхности воды, почвы или влажного предмета. Скорость зависит от температуры, влажности, движения воздуха и доступности воды.
Пример: После дождя поверхность лужи может высохнуть даже без поглощения воды растениями.
- Конденсация
Переход водяного пара в жидкую воду при подходящих условиях. Конденсация участвует в образовании облачных капель, но не каждое облако даёт осадки у земли.
Пример: При охлаждении влажного воздуха часть водяного пара образует капли.
- Атмосферные осадки
Вода в жидком или твёрдом виде, выпадающая из атмосферы на поверхность Земли. После выпадения она может стекать, впитываться, испаряться или задерживаться в снегу.
Пример: Часть дождевой воды попадает в ручей, а часть просачивается в почву.
- Инфильтрация
Поступление воды с поверхности внутрь почвы и проницаемых пород. Она зависит от состояния почвы, насыщенности водой, рельефа и интенсивности осадков.
Пример: После умеренного дождя рыхлая почва может принять больше воды, чем сильно уплотнённая поверхность.
- Поверхностный сток
Движение воды по поверхности суши в сторону понижения рельефа и водоёмов, когда вода не задерживается и не впитывается полностью.
Пример: После сильного ливня вода течёт по склону в ручей, иногда унося частицы почвы.
- Подземные воды
Вода в порах и трещинах горных пород под землёй; она может медленно перемещаться и питать реки, источники и водоёмы.
Пример: Ручей способен получать воду из подземного запаса даже после нескольких дней без дождя.
- Транспирация
Потеря растением воды в виде пара, главным образом через устьица листьев, после её поступления из почвы и движения по тканям. Это один из путей возврата воды в атмосферу.
Пример: В жаркий день листья дерева выделяют водяной пар, хотя отдельные молекулы пара глазом не видны.
- Эвапотранспирация
Суммарный поток воды из поверхности суши в атмосферу через прямое испарение и транспирацию растений. Разделить эти компоненты в конкретном поле можно только с подходящими измерениями или моделью.
Пример: Потеря воды с посевного поля включает и испарение с влажной почвы, и выход пара через растения.
- Молекулярный кислород (O₂)
Газ, состоящий из двух связанных атомов кислорода. Он содержится в атмосфере и растворён в воде; его не следует путать с атомами кислорода в молекулах воды или CO₂.
Пример: Рыба использует растворённый в воде O₂ для аэробного клеточного дыхания, а не расщепляет всю воду на водород и кислород.
- Кислородный фотосинтез
Процесс, при котором энергия света используется для образования органических веществ из неорганического углерода, а вода служит источником электронов; при этом выделяется молекулярный O₂.
Пример: Зелёные растения, водоросли и цианобактерии в подходящих условиях выделяют O₂ на свету.
- Аэробное клеточное дыхание
Способ получения клеткой доступной энергии из органических веществ с использованием O₂ в цепи переноса электронов; в результате образуются, среди прочего, вода и CO₂.
Пример: Клетки человека и многие клетки растения потребляют O₂ и днём, и ночью.
- Окисление
Химический процесс потери электронов веществом; некоторые процессы окисления потребляют молекулярный кислород, но не всякое окисление в химии требует O₂.
Пример: При разложении органики микроорганизмы могут использовать O₂, поэтому его запас в воде при определённых условиях снижается.
- Кислородный баланс
Сопоставление поступления и расходования O₂ для конкретного резервуара за выбранное время; вывод зависит от границы системы и учтённых потоков.
Пример: Для закрытого учебного сосуда нельзя судить о балансе O₂ только по одному растению, забыв о дыхании организмов и обмене газом с воздухом.
Пример по шагам
После дождя лужа исчезла, а рядом растёт дерево. Можно ли утверждать, что всю воду поглотили его корни?
- Назовём возможные пути: прямое испарение с поверхности, поверхностный сток, инфильтрация в почву и поступление части воды к корням.
- Сам факт исчезновения лужи не измеряет долю каждого пути; для этого нужны контрольные участки и данные о погоде, почве и воде.
- Даже если вода вошла в растение, часть её позже может вернуться в атмосферу через транспирацию.
Вывод: Нет. Наблюдение подтверждает уменьшение видимой воды, но не устанавливает единственный путь её ухода.
Практическая работа
Два баланса по готовым данным: вода участка и O₂ водоёма
- По учебной таблице за один месяц выпишите для участка осадки, приток, сток и эвапотранспирацию в одинаковых единицах; посчитайте входы минус выходы и отдельно отметьте неучтённую инфильтрацию или забор воды.
- По другой таблице для водоёма выпишите поступление и расходование O₂ за одинаковый интервал, затем рассчитайте знак баланса, не подменяя количество O₂ количеством воды.
- Сравните два результата: в каких резервуарах и за какое время ожидается изменение запаса? Укажите, каких измерений не хватает для строгого вывода.
Что можно заключить: Водный и кислородный балансы используют похожий принцип входов и выходов, но описывают разные вещества и требуют своих измерений и границ системы.
Безопасность: Используйте готовые данные; не собирайте воду в опасных водоёмах, не выращивайте неизвестные микроорганизмы и не проводите опыты с закрытыми ёмкостями с животными.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.