Körforgási folyamatok 2. elıadás
Környezetünk mőködése I. • Természet állandóan változik, fejlıdik • Mőködési rendje évmilliárdok alatt alakult ki • Mőködési rend jellegzetessége: – Körforgások, ciklikus ismétlıdés: • csillagrendszerek • Naprendszerünk • élıvilág→társadalomig • Körforgások nem elszigetelt jelenségek, hanem egymással kapcsolatban lévı, egymásra kölcsönösen ható folyamatok • Föld, mint élı szervezet
Ciklusok (Körforgások) a Földön és a bioszférában • A Föld zárt rendszer:
- környezetével energiacserét folytat, - de anyagcserét lényegében nem. • Energiacsere: beérkezı napsugárzás vs. emittált hısugárzás • Anyagcsere: elhanyagolható beérkezés (meteor-rajok, kozmikus porok) vs. elhanyagolható gáz emisszió
A KÖRFORGÁSOK (CIKLUSOK) • Energiaciklus – folytonos (Nap – Föld – világőr) pl. üvegházhatás • Anyagciklusok (anyagmegmaradás elve): – C, H, O, N, P, S (kémiai átalakulásokkal) – H2O, minden más (mérgezı elemek) – levegı- és tengeráramlatok • Idıbeli (mozgás) ciklusok: – a Föld keringése: évek és évszakok (növények) – a Föld forgása: nappalok és éjszakák – Hold keringése: ár-apály – Napciklusok: kevés földi hatásuk van
Idıbeli ciklusok 1. Nap ciklusai 2. Nap-Föld ciklusok, évszakok 3. Föld-Hold ciklusok 4. İsföld (Pangea) ciklusai 5. Föld mágnese tere
Anyagciklusok 9. Tengeráramlások 10. Fotoszintézis 11. Geokémiai karbonát-szilikát körforgás 12. Biogeokémiai körforgások
Anyagciklusok (anyagmegmaradás elve): Levegı- (szélrendszerek) és tengeráramlatok - rendszeresen, folyamatosan mőködnek - dimenziójuk óriási (több ezer km) - anyagi átalakulással nem járnak - de hozzá járulnak a többi körforgalomhoz. • Az anyagmegmaradás törvénye miatt a földi „anyagmozgások” ciklusosak: az egyes anyagok körforgalomban vesznek részt.
Csillagok • csillagokat villódzó fénypontokként látjuk szabad szemmel • nagy távolság miatt tőnnek pontszerőnek • csillagok fényének ezt a szabálytalan pislákolását – a szcintilláció jelenségét – a földi légkör áramlásai hozzák létre • csillagok legfontosabb energiaforrása a magban zajló termonukleáris reakció
Csillagok • energia az atommagok fúziójából szabadul fel, több millió kelvin fokon. Ilyen magas hımérsékleten az elektronok leválnak az atomokról, és plazma jön létre • 3 kül. ciklus, egyik a proton-proton ciklus, ami során protonokból héliummagok keletkeznek • A Naphoz hasonló (viszonylag) kis tömegő csillagok energiatermelésében ez a folyamat dominál
Csillagok • A két hidrogénmag közötti elektromos taszítás legyızéséhez rengeteg energia szükséges, emiatt a folyamat nagyon lassú. • 1H + 1H → 2H + e+ + νe (τ ~ 7·109 év) • Ezért süt még mindig a Nap; ha a folyamat gyorsabb lenne, már rég kimerültek volna a hidrogénkészletei.
Nap •
• • • • •
Naprendszer központi csillaga Körülötte kering a Föld, a Naprendszerhez tartozó bolygók, kisbolygók, üstökösök Földtıl körülbelül 150 millió km távolságra van, ami fénysebességgel 8,3 perc 73,5%-ban hidrogénbıl áll, amely a központjában zajló magfúzió során héliummá alakul. Az ennek során felszabaduló, majd a világőrbe szétsugárzott energia nélkülözhetetlen a legtöbb földi élılény számára: fénye a növények fotoszintézisét, hıje pedig az elviselhetı hımérsékletet biztosítja
Nap jellemzıi • A Nap sugara = 695990 km = 109 Föld-sugár • A Nap tömege = 1,989·1030 kg = 333.000 Föld-tömeg • Felszíni hımérséklet = 5770 °K = 10400 °F • Felszíni sőrőség = 2,07·10-7 g/cm3 = 1,6·10-4 · levegı-sőrőség • Felszíni összetétel = 70% Hidrogén, 28% Hélium, 2% (Szén, Nitrogén, Oxigén, ...) egyéb • Központi hımérséklet = 1.5600.000 °K = 28000000 °F • Központi sőrőség = 150 g/cm3 = 8 · arany sőrőség • Központi összetétel = 35% Hidrogén, 63% Hélium, 2% (Szén, Nitrogén, Oxigén, ...) egyéb • A Nap kora = 4,57·109 év
Nap ciklusai • A napfolt környezeténél sötétebb terület a Nap fotoszférájában, • Nagy mágneses térerısségő, T kisebb • a mágneses erıvonalcsövekben (fluxus csövekben) az erıs mágneses tér meggátolja a Napban termelıdı energia kiszállítását konvektív áramlások révén
Nap ciklusai II. • napfolt ciklus alatt a Nap változtatja az ultraibolya, látható, röntgen és töltött részecskékbıl álló sugárzását, komoly hatással lévén a föld felsı légkörére Hatása a környezetünkre: • Ezek a változások felmelegíthetik és kitágíthatják a Föld felsı légkörét • Sarki fényeket gerjeszthetnek • Megbéníthatják a villamos távvezetékeket • Megváltoztathatják a bolygónk ózonrétegét • Az éghajlatot is befolyásolhatják
Nap-Föld ciklusok (évszakok) • csillagászati év: bolygónk egy enyhén elnyúlt, ellipszis alakú pályán kerüli meg a Napot 365 nap 6 óra 9 perc 9 másodperc alatt • Mivel a Föld forgástengelye 23,5 fokos szöget zár be az ekliptikára (Nap egy év alatt megtett látszólagos útja az égbolton ) állított merılegeshez képest, ez a szög a Nap körüli keringés során állandóan megmarad → napsugarak változó szögben érik el a Földfelszínt
Az évszakok
Afélium:Egy bolygó legnagyobb távolsága a naptól. Perihélium bolygóknak a Naptól mért legrövidebb távolsága
Föld-Hold ciklusok • Hold és Föld közös gravitációs középpontjuk körül keringenek (kp.-ja 1700 km-re a Föld belsejében) • Ui. mFöld=5,97 *1024 kg (~5978 trillió tonna) • mHold=7,352*1022 kg • mHold/mFöld=~ 1/100 • Köztük lévı vonzást a keringésükkor létrejövı centrifugális erık egyenlítik ki
Árapályok/tengerjárás I. • a tenger szintjének periodikus emelkedése (áradat vagy dagály) és süllyedése (apály), hatóránként szabályosan változik • létrejöttében, nagyobb mértékben a Hold, kisebb mértékben pedig a Nap vonzása játszik szerepet • a Nap árapálykeltı hatása a Holdéhoz képest több mint kétszer kisebb, a Nap keltette árapályok kevésbé jelentısek • A Nap, Hold és Föld egymáshoz viszonyított helyzetétıl függıen ezek a hatások erısíthetik vagy gyengítik egymást
Árapályt befolyásoló tényezık • Légköri és klimatikus hatások: • Erıs, egy irányból fújó szelek • Szélsıséges légnyomásviszonyok • Tengerek közti gravitáció
Hasznosítása • Ár-apályerımő: A tengerszint periodikus napi változásából származó, mechanikai energiát hasznosító erımő • vízturbinákkal elektromos energiatermelésre hasznosítható
Pangea ciklusai • Alfred Wegener, 1912 kontinensek vándorlása • 2 fı szakasz – óriáskontinens összenövése és szétszakadása
• Ez a földkéreg- és köpenymozgásokra mutat rá
Laurázsia Gondwana Tethys-tenger
Kızetek körforgása • Kızetek elmállanak és üledékek képzıdnek • Ezeket új üledékrétegek fedik be • Ha elég mélyen fekszenek átalakulnak vagy megolvadnak • Késıbb mint hegyláncok részei felemelkednek • Majd ismét elmállanak és részt vesznek a körforgásban
Kızetek körforgása • A „tömegáramlás” azt a folyamatot jelenti, ahogyan a kızetek a Föld felszínének bizonyos helyén lepusztulnak, máshol pedig újra felhalmozódnak • Vulkanizmus: földfelszínre szállítja a megolvadt anyagot • Szilárd kızetek az alácsúszási zónák felett visszakerülnek a Föld belsejébe
Áramlások a Föld belsejében Befolyásoló tényezık: • Vulkáni mőködés • Hegyképzıdések • Mágneses mezı
Föld mágnese tere • Olvadt vasötvözet alkotta külsı mag csavarodott áramlásai gerjesztik a Föld mágneses mezejét • A Föld körül mágneses tér észlelhetı, amely közelítıleg olyan, mintha a Föld középpontjában egy erıs rúdmágnes lenne
van Allen övek: a Földet körülölelı sugárzási övek
Mi alakítja a Föld mágneses terét? • Föld magja, ahol magas a nyomás és a hımérséklet. • Földkéreg mágneses tulajdonságú kızetei: magnetit FeF2O4(vasfekete színő zsíros és tompa fényő, szabályos rendszerben kristályosodó erısen mágneses ásvány)
• Elektromágneses sugárzások, amik a légkör felsı rétegeiben uralkodnak: Nap és Hold árapály ereje indukálja; a Föld légköre a felszín közelében elektromosan szigetel; nagy magasságokban (ionszféra 90 km) a Nap hatására nı az ionizáció, nı az elektromos vezetıképesség
Sarki fény II. • Töltött részecskék eltérülnek a Föld mágnesessége révén • mágneses pólusok körüli tartományban azonban bejutnak a légkörbe • A részecskék ütköznek a légkör atomjaival, ionizálják és gerjesztik az atomokat, a gerjesztett atomok fénykisugárzással térnek vissza alapállapotukba
Sarki fény Vörös szín, Zöld szín : oxigén tartalom
Ibolya: nitrogén tartalom
Föld mágneses terének hatása az élıvilágra • A Föld mágneses tere alapvetı hatást
gyakorol az élıvilágra, nagy szerepe van az élet védelmében. • A Napból és a kozmikus térségbıl áramló elektromos részecskéket eltéríti a sarkok irányába. • létfontosságú a Föld körül keringı mőholdak navigációja szempontjából, • és segíti a költözı madarakat is a tájékozódásban
Polaritás váltás • Tudjuk, hogy idırıl-idıre a Föld mágneses tere elıjelet vált, és eközben a mágneses védıpajzs, ideiglenesen szünetel • Mágneses pólusváltás átlagosan 200 ezer évente következik be, a két pólusváltás között eltelt idı széles sávban mozog • A geológiai bizonyítékok szerint bolygónkon utoljára 780 ezer évvel ezelıtt történt • Tények mutatják, hogy a polaritás-váltások idıszakai egybeesnek a földi élıvilág nagy átalakulásaival, fajok hirtelen kipusztulásával és megjelenésével
Geokémiai karbonát-szilikát körforgás I. • Eltávolítja a CO2-t a légkörbıl, tárolja a karbonát kızetben és végül visszavezeti az atmoszférába • Karbonátok keletkeznek, amikor a CO2 oldódik az esıvízben • Ez reakcióba lép a kızetekkel, amelyek Ca-szilikátokat tartalmaznak • Így Ca(HCO3)2 kerül a talajvízbe, ahol planktonok és kül. organizmusok beépítik a vázukba • Ezek elhalnak héjak lerakódnak a tengerfenék üledékeibe • Nagy T,P→ CO2 szabadul fel
Eltávolítja a CO2-t a légkörbıl, tárolja a karbonát kızetben és végül visszavezeti az atmoszférába
Érckörforgások az óceáni kéreg és a tenger között • Tengervíz hatol be több km-es mélységben a széttagolt, fémtartalmú óceáni kéregbe • A vizet a magmakamra felfőti, V nı,ρ csökken • Felhevített állapotban számos fémet kiold • Friss tengervízzel összekeveredve szulfidok válnak ki • Tengerfenéken, mint meleg források áramlanak ki
Tengeráramlások • tengeráramlások oka a tengervíz hımérsékletkülönbsége, és az ezzel járó sőrőségkülönbség, illetve a szél • áramlások hatalmas hıtömeget osztanak el a Föld körül • Mélytengeri áramlásokért a sőrőségkülönbség, felszíniekért pedig a szél felelıs
Hideg áramlatok •
1. 2.
3. 4.
A Sarkvidékek felıl haladnak az Egyenlítı felé, hideg tengervizet szállítanak. Labrador-áramlás (Kanada keleti partjai) Oja-shio-áramlás (Oroszország és Japán keleti partjai) Humboldt-áramlás (DélAmerika nyugati partjai) Benguela-áramlás
Meleg áramlatok •
1. 2.
3. 4.
Az Egyenlítı felıl haladnak a Sarkvidékek felé, meleg tengervizet szállítanak. Golf-áramlás (USA keleti partjai) Kuro-shio-áramlás (Japán keleti, Kanada nyugati, Alaszka déli partjai) Brazil-áramlás (DélAmerika keleti partjai) Agulhas-áramlás (Afrika keleti partjai)
Anyagciklusok Bioszféra mőködésének alapfeltételei Biogeokémiai ciklusok: • • • •
Víz Szén Szén-dioxid Oxigén
• • • •
Kén Foszfor Nitrogén Fémek, félfémek
Földünk, mint különleges bolygó • Földi környezet jelentısen különbözik a más bolygókon uralkodó viszonyoktól • Oka: bioszféra léte • Élet kialakulása: bolygónk Naptól való távolsága illetve mérete • Hımérséklet már 4milliárd évvel ezelıtt is hasonló volt
Az élet kialakulása • Kb 3,8-4 milliárd éve • elsı lépés: szerves vegyületek szintézise (UV- sugárzás, gázfázisban) • Más teória: szerves anyagok a világőrbıl származnak, meteoritokban amino- és zsírsavtartalmú zárványok
Az élet kialakulása II. • Szerves anyagokból→egyszerő élılények • Teória: agyagásványok hatására aggregátumokká szervezıdtek, majd únkoacervátum-cseppek, amik már sejtként viselkedtek: – Fehérjék épültek belılük, – majd membránok, – prokarióta (sejtmag nélküli) baktériumokra emlékeztetı szervezetek
Miller-Urey kísérlet • • • • •
Metán (CH4) Ammónia (NH3) Hidrogén (H2) Víz (H2O) Elektromos kisülés
Eredmény: cukor, aminosav, N-tartalmú heterociklusos vegyületek (mindaz ami megtalálható az élı sejtben)
• Egy nagyobb fızıedényt megtöltött sterilizált vízzel. • Más lombikokban tárolta az Urey által meghatározott kémiai anyagokat: metánt, ammóniát és kénhidrogént. • A vizet lassan forralni kezdte, hogy vízpára keletkezzen, és a pára eljusson a kísérleti „légkör” edényéhez. Itt keverte hozzá a többi palackban tárolt három gázt. • A villám lényegét tekintve elektromos kisülés, ezért Miller két elektródát helyezett el a kísérleti „légkör” palackjában, és ezeket egy elektromos elem két ellentétes pólusához kötötte. Az elektromos feszültséget és a távolságot az elektródák között úgy állította be, hogy szikrázás jöjjön létre. • A „légkör” palackjához csatlakozó egyik üvegcsövet lehőtve azon vízpára csapódott ki, ami egy győjtıedénybe csepegett, amit szintén melegíteni lehetett. A győjtıedény összeköttetésben állt az eredeti forralóedénnyel, hiszen a valódi légkörben is szabadon mozoghattak az alkotóelemek. • 1 hetes folyamatos szikráztatás után Miller leállította a kísérletet, és kielemezte a győjtıedényben lévı maradékot. • Azt találta, hogy a rendszerben lévı szén 15%-a szerves anyaggá (cukrok,lipidek) alakult. 2% aminosavvá (glicin) alakult • Mindössze 1 hét alatt Millernek sikerült a szerves élet építıelemeit elıállítania.
Lezajló reakciók • CO2 → CO + [O] CH4 + 2[O] → CH2O + H2O • CO + NH3 → HCN + H2O • CH4 + NH3 → HCN + 3H2 • CH2O + HCN + NH3 → NH2-CH2-CN + H2O • NH2-CH2-CN + 2H2O → NH3 + NH2-CH2COOH (glicin)
Legfontosabb létfeltételek • víz jelenléte (mindhárom fázisban elıfordult, jelentıs része folyékony formában) • CO2 : ıslégkörben nagy mennyiségben állt rendelkezésre • Oxigén légzés, fotoszintetizáció, Föld hım. szabályozása • A tengerek sótartalma is úgy alakult, hogy 3,23,8%-os sótartalom alakult ki, ami kedvezı az élı szervezetek kialakulásának (6%-nál magasabb sótartalom esetén a sejtek kiszáradnának)
Legfontosabb létfeltételek II. • A Föld légköre nincs alapállapotban, entrópiája nem maximális szabad O2 jelenlétében nem lehetnének redukált állapotban bizonyos elemek, pl. a H2 vagy a CH4, a N2-nek is oxidálódnia kellene és így oldható NO3- sóvá kéne alakulnia. • egyensúly állapottól való eltérésnek az oka a bioszféra jelenléte, ami képes a folyamatokat befolyásolni, a Föld légkörét megváltoztatni.
A bioszféra kialakulása • Az ıslégkörben nagy mennyiségben állt rendelkezésre CO2 (mars, Vénusz légköre ma is döntıen ebbıl áll), a csökkenés oka, hogy a Föld alacsony hımérséklete miatt a MgSiO3 + CO2 → MgCO3 + SiO2 reakció jobbra tolódik el • A fotoszintézis során a légköri CO2 redukálódik a víz segítségével szerves vegyületté a napenergia felhasználásával oxigén keletkezése mellett: CO2 + 2 H2O → CH2O + O2 + H2O • A folyamat tehát a légköri oxigén megjelenésével és a légköri CO2 csökkenésével jár
A bioszféra kialakulása II. • A fotoszintézis sebességét korlátozta, hogy az oxigén hiány miatt az UV sugárzástól védı ózonpajzs nem tudott kialakulni, ezért az óceánokban indult be a fotoszintézis, ahol kevesebb volt a fény. • Az oxigén felszaporodásával a kialakuló hatékony ózonpajzs révén szinte az egész földfelszín lakhatóvá vált az élılények számára és az oxigénes légzés utat nyitott az aerob élıvilág számára, különösen az állatvilág kialakulásában volt fontos szerepe.
A bioszféra kialakulása III. • A légkör tehát a Föld képzıdése után komoly változáson ment keresztül: – a kezdeti magas CO2 tartalom lecsökkent, – a redukáló légkör helyett oxidáló közeg alakult ki – ez az állapot tart ma is közel 2 milliárd év óta
Gaia-elmélet: • Gaia Földistennı görög neve • dr. James Lovelock - két "lény" él és alkot egyensúlyt • egyik egy sötét színő növény, a másik egy világosabb • hidegben a sötét virág begyőjti a meleget és kialakítja az ideális hıfokot, míg a melegedéssel a világos veszi át a szerepet és hőti a környezetet szintén az ideálisra • ez a két organizmus egymással egyensúlyban él, a környezetünk ideális mindkettı számára, de amennyiben bármelyik eltőnik lényegében a teljes szervezet a Föld vagy Gaia elpusztul
Biogeokémiai körforgások, az egyes szférák funkcionális kapcsolata.
Földünk önszabályozó (homeosztatikus) rendszer, mely különbözı paramétereit olyan értékek között tartja, ami önfenntartását (s ezzel az élet fennmaradását) változó külsı körülmények között is lehetıvé teszi –
dinamikus rendszer
Biogeokémiai ciklusok I. • Élılényekhez kötött biológiai folyamatok sokasága állandó körforgásban tartja az elemek sokaságát a Földön • Anyagáramlás mellett párhuzamosan fut az energiaáramlás (Föld belsı erıi,energiatartalékai és a Nap sugárzó energiája) • Egyes kémiai elemek ciklusai szervesen összefüggnek (bobnyolultság - oxidációs állapot)
A bioszféra körfolyamatainak állomásai: A körfolyamatok jellemzıi: – a kémiai formák és folyamatok – az átmenı mennyiségek értéke (tömeg/év) – a gyorsaság: átlagos tartózkodási idı (lifetime) – az energiamérleg (források / nyelık)
Biogeokémiai ciklusok I. • Élı szervezetek mőködéséhez 40 elem szükséges • C,H,O,N,P,S körfolyamataiban erıteljes a biológiai behatás • Elemek elıfordulása az egyes szférákban nem egyenletes – Atmoszférikus ciklusok (N,C,O) – Üledékfázisú ciklusok(Fe,Mn) (Légkörben nem mutatható ki, lassabb körfolyamat)
Az elemek gyakorisága • Az elemek gyakorisága exponenciálisan csökken az atomsúly (rendszám) növekedésével egészen a 34 rendszámig (Se-ig). • Innen kezdve a nehezebb (nem rövid élető radioaktív) elemek gyakorisága meglehetısenállandó
Biogeokémiai ciklusok III. • • • •
Víz Szén Szén-dioxid Oxigén
• • • •
Kén Foszfor Nitrogén Fémek, félfémek
A szén körfolyamata • Elıfordulása: – Szerves anyagok – Légkör – Szerves eredető kızetek
• Bioszféra élı anyagában a 2. leggyakoribb elem (oxigénnel együtt) • Összefügg a fotoszintézissel,CO2 körfolyamatával
A CO2 ciklusa • Évente durván 137x109 tonna légköri szén kötıdik meg fotószintetizáló szervezetek révén, kb. 100 Gt szenet nyelnek el az óceánok karbonátok képzıdése során. Hosszú évmilliókon keresztül a légkör CO2 tartalma folyamatosan csökkent, ma évente • 2-3 Gt a légköri CO2 mennyiségének a növekedése. • Ennek okai: – mezıgazdasági okból erdıket irtanak ki – (fa általában anaerob módon bomlik le), – mocsarakat csapolnak le (ott addig kevesebb CO2 termelıdött), – iparban az energiatermelés, közlekedés
Fotoszintézis I. • Azon folyamatok összessége, amelyek segítségével a növények a fényenergiát a CO2 szerves vegyületté történı redukciójához használják fel • 6 CO2 + 6 H2O→(fény, klorofill)C6H12O6+6O2 • A fényenergia kémiai energiává alakul át • Egyéb E-igényes folyamatok felhasználják • Föld felszínére érkezı sugárzás (2*1024 J) 1%át alakítják át a növények kémiai energiává
Fotoszintézis II. • Ennek az 1%-nyi Energiának nagy része elvész a légzés által – C6H12O6+6O2 → 6 CO2 + 6 H2O
• A maradék bioenergiaként az ökoszisztéma anyagában raktározódik el • Táplálékláncban hıenergiává alakul át
Az oxigén ciklusa • alapvetıen különbözik a periódusos rendszerbeli közvetlen oszlopbeli szomszédjától a kéntıl • sokkal negatívabb jellegő (EN) • a hidrogénnel alkotott speciális hidrogén hidas csoportjaiban
Az oxigén ciklusa • Az oxidos és kettıs oxidos ásványokban 1, ill. 2 kation alkot az O2- anionnal meglehetısen ionos kötéső jellegő vegyületet • oxisókban, tehát a komplex oxigén-anionos vegyületekben (szilikátok, foszfátok, szulfátok, karbonátok) kovalens kötés
Az oxigén ciklusa • minden élılénynek szüksége, hogy felszabadítsa a szerves anyagok energiatartalmát • aerob szervezetek a levegıben vagy a vízben levı szabad oxigént használják fel, • az anaerob szervezetek oxigén nélkül bontják le tápanyagukat • koncentrációja az atmoszférában kb. 21% • talajban ill. a vizekben az oxigén koncentrációja változó, fizikai, kémiai és biokémiai folyamatoktól egyaránt függ.
Az oxigén ciklusa • meteoritok átlagának is leggyakoribb eleme, • noha a vasmeteoritokban és így feltételezhetıen a vasmagban nincs oxigén • Külsı földkéregnek pedig 46,6 súly%-át adja • földkéreg tul.képp oxigénrács, amelynek hézagaiban rejtızik az összes többi atomfajta
Az oxigén ciklusa • erdık kiirtása mellett • tengerek, óceánok vizének kıolajszármazékokkal történı szennyezése • fitoplanktonok is veszélybe kerültek, ez is csökkenti a levegıbe kerülı oxigén mennyiségét • Így az oxigénháztartás egyensúlya veszélybe kerülhet, ami elsı lépében az ózonpajzs károsodását okozhatja
• Légköri oxigén három formája: O,O2,O3 • A légkör O-tartalmát lényegileg az élet szabadította fel • Az ısatmoszférában oxigén még nem lehetett, mert azt a felszínre jutó kén és vas felhasználta • a levegı öszes szabad oxigénjét a növényi fotoszintézis hozza létre, mivel • A vulkáni gızök alig tartalmaztak O-t • Ill. 1500 °C alatt disszociációs O, ezt a mállás felhasználta
Az oxigén ciklusa • Felemészti: – Mállás – Természetes és mesterséges oxidáció – Élılények oxigén-felhasználása • Termeli: – Fotoszintézis – Fotodisszociáció (egyensúlyban van, H2O→(UV) O2 +H2
Az oxigén ciklusa • Oxigén fontos biofil elem • Majdnem minden élılény nagy mennyiségben tartalmaz O-t • Kivéve az anaerob mikroorganizmusok • Légköri O fontos szerepe (ózonpajzs) • Kızetek oxidjai
A hidrogén körforgása • A legkisebb atomsúlyú és rendszámú elem • Egy vegyérték e- leadja-> proton • Kovalens kötés: H2,hidroxil csoport • Ionos kötés: hidridek, alkálifémekkel, alkálifémekkel • Hidrogén kötés (ionos-kovalens jelleg)
A hidrogén körforgása • Leggyakrabban a vízhez kötıdik • Vízgız, jég, víz fontos szerep a bioszférában • Szerves világban a szénhez kapcsolódik (kıolaj, földgáz, élılények) • Kozmikus gyakorisága nagy • Földön kisebb gyakoriságú
A víz körforgása • Három fı szakasz: csapadékképzıdés, párolgás, ill. a pára vándorlása • Esıbıl a tengerbe, párolog vissza a levegıbe talajból vízelvezetıkön v. talajvíz formájában jut vissza • Édesvízkészlet 0,01% (esı, hó pótolja) • Mezıgazdaság igényli a legnagyobb mennyiséget:a világon felhasznált víz 73%-át (közel 3millió km2-nyi területet öntöznek, nı)
A víz körforgása • • • • • • •
A víz körforgása a legkülönbözıbb irányú és sebességő vízmozgások és folytonos halmazállapot változások bonyolult szövevénye, ami összeköti a Föld szféráit • Ezáltal közvetítıje az egyes szférákban bekövetkezı változásoknak • Szállítóközeg (anyagtranszport)
A víz körforgása • • • • • • • •
• Eredendı forrás és tározó: a tenger • Hajtóerı: a napsugárzás energiája. • Az élı szervezetek számára a víz létkérdés, de azok hatása a víz körforgalomára elhanyagolható. • A víz körforgása a H és az O körforgásának is része, mivel az élıvilág H és O igényét nagyrészt vízbıl fedezi (jelentıs még a levegı oxigénje). • A víz „hordozó” (oldószer) a többi elem esetében is
Nitrogén-körforgás • Fıként a földkéreg magmás kızeteiben • Folyóvizekben, felszín alatti vizekben fıként nitrátok formájában • atmoszférában (78%) elemi nitrogénként, emellett nitrogén-oxidok • A szerves anyagok a nitrogént baktériumok, mikroorganizmusok segítségével veszik fel.
Nitrogén-körforgás • A légköri nitrogén felvétele nagyon energiaigényes, csak speciális enzimek teszik lehetıvé, ekkor a N2 NH3-vá redukálódik. • Az ammónia be tud épülni az aminosavakba, a nitrát vegyületek szintén be tudnak épülni megfelelı enzimek segítségével. • A nitrogén vegyületek közül a N2O lehet veszélyes, mert az ózonpajzsot vékonyítja.
A nitrogén körforgalom fontosabb reakciói • a) Mikroorganizmusok által kontrollált folyamatok: • Nitrogénfixálás, nitrifikáció • N2 + 8H+ + 6e- → 2NH4+ 4 NH4 + 6 O2 → 4 NO2- + 8 H+ + 4 H2O 4 NO2- + 2 O2 → 4 NO3• 1 mol N2 redukálásához annyi energia szükséges, mint amennyi 3 mól glükóz oxidációjában keletkezik. • Ammonifikáció (karbamid-ammónia) • (NH2)2 CO + H2O → 2 NH3 + CO2 • Denitrifikáció • 5 CH2O + 4 NO3- + 4 H+→ 2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O
Kén-körforgás • Tápelemként a fehérjék, vitaminok esszenciális komponense • Változatos elıfordulás (kül. oxidációs állapotok, kül. halmazállapot) • Üledékes kızetek • Barna- illetve feketekıszén • Fémek körforgalmához sok szálon kapcsolódik
Kén-körforgás • A kén a kızetek mállása, vulkanikus tevékenység és a hidroszféra kölcsönhatása révén kerül be a körforgásba. • Számos baktérium képes a kénvegyületeket átalakítani és beépíteni, a folyamat során savak keletkeznek, a levegı magas SO2 tartalma savas esık kialakulásához vezet. • Jelenleg az ipari SO2 kibocsátás jóval alatta van a vulkáni tevékenységbıl származó mennyiségnek, de hatása nem elhanyagolható.
Foszfor-körforgás • Élılények nélkülözhetetlen alkotóeleme – Nukleinsavak, foszfolipidek – Energetikai anyagcsere kp-i molekulája ATP • Természetben szinte kizárólag foszfátok formájában, Ca- ill. Fe-vegyületekben illetve talajban szerves foszfátként
Foszfor-körforgás • Mállás és oldódás révén a foszfátok felvehetıvé vállnak a biológiai anyagok számára, • madár ürülékben, baktériumtelepeken nagy mennyiségő oldható foszfátvegyület halmozódhat fel, • a túlzott mezıgazdasági foszformőtrágya felhasználás valamint a szennyvizekkel az élıvizekbe kerülı foszfátok az eutrofizáció fı okozói
Fémek, félfémek • Vannak köztük létfontosságú, de mérgezı hatású elemek is, az élıvilág számára felvehetı mennyiségük általában szők határon belül változhat. • A fémionok oxidációját, redukcióját elıidézı mikrobák megváltoztathatják a fémek oldhatóságát, ezért a geológiai korok során érctelepek kialakulásában vehettek részt mobilizáló, immobilizáló ill. biológiai akkumuláló tulajdonságaik révén
Fémek, félfémek csoportosítás 1. Nemesfémek(Au,Ag,Pt) ércesedésben dúsulnak nem lépik át az agy-vér gátat 2. Stabil fém-szén kötést alkotó fémek, félfémek képesek bejutni a kp-i idegrendszerbe károsító hatásúak 3. Ionos formájukban gátló ill. toxikus fémek kis koncentrációban nyomelemek (Cu,Zn,Co,Ni) Ércesedésben dúsulnak
