أكثر

2.1: الدورات البيوجيوكيميائية - علوم الأرض

2.1: الدورات البيوجيوكيميائية - علوم الأرض


تتمثل إحدى طرق اكتساب فهم أوسع للأنظمة المستدامة في البحث عن أمثلة في الطبيعة. في الواقع ، تستلزم دراسة النظم البيئية بذل جهد لفهم الطريقة التي تتفاعل بها جميع الكائنات الحية التي تعيش في منطقة معينة مع بعضها البعض.

ومع ذلك ، هناك نوعان من المفاهيم الأساسية الموجودة في جميع النظم البيئية. أولاً ، إنها جميعًا أنظمة ذات أهمية للدورة. ثانيًا ، تتدفق الطاقة من خلالها جميعًا. قد تقول حتى أن فكرة النظام البيئي التي نراها في ظاهرها ، مع مفترساتها تهاجم الفريسة ، وترعى الحيوانات على العشب وما إلى ذلك ، هي في الحقيقة مجرد آلية معقدة لركوب المادة وتسهيل تدفق الطاقة.

هناك مبادئ مهمة تنطبق على هذه المفاهيم: قانون الحفاظ على المادة وقانونا الديناميكا الحرارية. في هذا القسم ، سوف نغطي المادة والطاقة بالتفصيل. ستوفر هذه الأفكار أساسًا لفهم العديد من القضايا البيئية بالإضافة إلى المفهوم المراوغ للاستدامة.

ركوب الدراجات من المسألة

تتدفق الطاقة بشكل مباشر من خلال النظم البيئية ، حيث تدخل في صورة ضوء الشمس (أو جزيئات غير عضوية للتغذية الكيميائية) وتترك كحرارة أثناء عمليات النقل بين المستويات الغذائية (يتم تغطيتها في قسم البيئة). بدلاً من التدفق عبر نظام بيئي ، فإن المسألة التي تتكون منها الكائنات الحية هي محفوظ و المعاد تدويرها. هذا هو جوهر قانون حفظ المادة. تتخذ العناصر الستة الأكثر شيوعًا المرتبطة بالجزيئات العضوية - الكربون والنيتروجين والهيدروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت - مجموعة متنوعة من الأشكال الكيميائية وقد توجد لفترات طويلة في الغلاف الجوي أو على الأرض أو في الماء أو تحت سطح الأرض. تلعب العمليات الجيولوجية ، مثل التجوية والتعرية وتصريف المياه واندساس الصفائح القارية ، دورًا في تدوير العناصر على الأرض. نظرًا لأن للجيولوجيا والكيمياء دورًا رئيسيًا في دراسة هذه العملية ، فإن إعادة تدوير المواد غير العضوية بين الكائنات الحية وبيئتها غير الحية تسمى دورة الكيمياء الحيوية.

ماء، الذي يحتوي على الهيدروجين والأكسجين ، ضروري لجميع العمليات الحية. ال المحيط المائي هي مساحة الأرض التي تحدث فيها حركة المياه وتخزينها: مثل المياه السائلة على السطح (الأنهار والبحيرات والمحيطات) وتحت السطح (المياه الجوفية) أو الجليد (القمم الجليدية القطبية والأنهار الجليدية) وكبخار الماء في الغلاف الجوي . كربون يوجد في جميع الجزيئات العضوية الكبيرة وهو مكون مهم للوقود الأحفوري. نتروجين هو مكون رئيسي من الأحماض النووية والبروتينات لدينا وهو أمر بالغ الأهمية للزراعة البشرية. الفوسفور، أحد المكونات الرئيسية للأحماض النووية ، وهو أحد المكونات الرئيسية (إلى جانب النيتروجين) في الأسمدة الصناعية المستخدمة في الزراعة ، والتي لها تأثيرات بيئية على المياه السطحية لدينا. كبريت، وهو أمر مهم للطي ثلاثي الأبعاد للبروتينات (كما هو الحال في ارتباط ثاني كبريتيد) ، يتم إطلاقه في الغلاف الجوي عن طريق حرق الوقود الأحفوري.

إن دورة هذه العناصر مترابطة. على سبيل المثال ، تعتبر حركة المياه أمرًا بالغ الأهمية لتسرّب النيتروجين والفوسفات في الأنهار والبحيرات والمحيطات. المحيط هو أيضًا خزان رئيسي للكربون. وبالتالي ، يتم تدوير المغذيات المعدنية ، إما بسرعة أو ببطء ، عبر المحيط الحيوي بأكمله بين العالم الحيوي وغير الحيوي ومن كائن حي إلى آخر.

دورة المياه

الماء ضروري لجميع العمليات الحية. يتكون جسم الإنسان من أكثر من نصف ماء وخلايا الإنسان أكثر من 70 بالمائة ماء. وبالتالي ، تحتاج معظم الحيوانات البرية إلى إمدادات المياه العذبة للبقاء على قيد الحياة. 97.5 بالمائة من المياه المخزنة على الأرض هي مياه مالحة (الشكل ( PageIndex {1} )). من المياه المتبقية ، 99 في المائة محجوز كمياه جوفية أو جليد. وبالتالي ، يوجد أقل من واحد في المائة من المياه العذبة في البحيرات والأنهار. تعتمد العديد من الكائنات الحية على هذه الكمية الصغيرة من إمدادات المياه العذبة السطحية ، والتي يمكن أن يكون لنقصها تأثيرات مهمة على ديناميكيات النظام البيئي. طور البشر ، بالطبع ، تقنيات لزيادة توافر المياه ، مثل حفر الآبار لتجميع المياه الجوفية ، وتخزين مياه الأمطار ، واستخدام تحلية المياه للحصول على مياه صالحة للشرب من المحيط. على الرغم من أن هذا السعي للحصول على المياه الصالحة للشرب كان مستمرًا عبر تاريخ البشرية ، إلا أن توفير المياه العذبة لا يزال يمثل مشكلة رئيسية في العصر الحديث.

العمليات المختلفة التي تحدث أثناء تدوير المياه موضحة في الشكل أدناه. تشمل العمليات ما يلي:

  • التبخر والتسامي
  • التكثيف وهطول الأمطار
  • تدفق المياه الجوفية
  • الجريان السطحي وذوبان الجليد
  • التدفق

ال دورة المياه تحركها طاقة الشمس لأنها تعمل على تدفئة المحيطات والمياه السطحية الأخرى. هذا يؤدي إلى تبخر (الماء إلى بخار الماء) من الماء السطحي السائل و تسامي (الجليد إلى بخار الماء) من الماء المتجمد ، وبالتالي نقل كميات كبيرة من الماء إلى الغلاف الجوي كبخار ماء. بمرور الوقت ، يتكثف بخار الماء هذا في السحب على شكل قطرات سائلة أو مجمدة ويؤدي في النهاية إلى ترسب (المطر أو الثلج) ، والذي يعيد الماء إلى سطح الأرض. قد يتبخر المطر الذي يصل إلى سطح الأرض مرة أخرى ويتدفق فوق السطح (جريان المياه) ، أو تتسرب إلى الأرض (تسرب). أسهل ملاحظة هو الجريان السطحي: تدفق المياه العذبة إما من المطر أو ذوبان الجليد. يمكن للجريان السطحي أن يشق طريقه عبر الجداول والبحيرات إلى المحيطات أو يتدفق مباشرة إلى المحيطات نفسها.

في معظم البيئات الأرضية الطبيعية ، يصطدم المطر بالنباتات قبل أن يصل إلى سطح التربة. تتبخر نسبة كبيرة من الماء فورًا من أسطح النباتات. ما تبقى يصل إلى التربة ويبدأ في النزول. سيحدث الجريان السطحي فقط إذا أصبحت التربة مشبعة بالماء في هطول الأمطار الغزيرة. ستمتص جذور النباتات معظم المياه الموجودة في التربة. سيستخدم النبات بعضًا من هذه المياه في عملية التمثيل الغذائي الخاصة به ، وسيجد بعضًا طريقه إلى الحيوانات التي تأكل النباتات ، ولكن سيتم فقد الكثير منها مرة أخرى في الغلاف الجوي من خلال عملية تُعرف باسم التبخر. يدخل الماء إلى نظام الأوعية الدموية للنبات من خلال الجذور و يتبخر، أو رشح، من خلال الثغور (فتحات صغيرة لتبادل الغازات) للأوراق. الماء في التربة الذي لا يمتصه النبات والذي لا يتبخر قادر على الترشيح في باطن الأرض والصخور الصخرية. هنا تشكل المياه الجوفية.

المياه الجوفية هي خزان مهم للمياه العذبة. يوجد في المسام بين الجزيئات في الرمل والحصى ، أو في الشقوق في الصخور. تتدفق المياه الجوفية الضحلة ببطء عبر هذه المسام والشقوق ، وفي النهاية تجد طريقها إلى مجرى أو بحيرة حيث تصبح جزءًا من المياه السطحية مرة أخرى. لا تتدفق التيارات لأنها تتجدد من مياه الأمطار مباشرة ؛ تتدفق بسبب وجود تدفق مستمر من المياه الجوفية أدناه. توجد بعض المياه الجوفية في عمق الصخور ويمكن أن تستمر هناك لآلاف السنين. معظم خزانات المياه الجوفية ، أو طبقات المياه الجوفية ، هي مصدر مياه الشرب أو مياه الري التي يتم سحبها من خلال الآبار. في كثير من الحالات ، يتم استنفاد طبقات المياه الجوفية بشكل أسرع مما يتم تجديده عن طريق المياه المتسربة من الأعلى.

المطر والجريان السطحي من الطرق الرئيسية التي يتم من خلالها تدوير المعادن ، بما في ذلك الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت ، من الأرض إلى الماء. ستتم مناقشة الآثار البيئية للجريان السطحي لاحقًا حيث يتم وصف هذه الدورات.

دورة الكربون

الكربون هو رابع أكثر العناصر وفرة في الكائنات الحية. يوجد الكربون في جميع الجزيئات العضوية ، ودوره في بنية الجزيئات الكبيرة له أهمية أساسية للكائنات الحية. تحتوي مركبات الكربون على طاقة ، وقد ظلت العديد من هذه المركبات من النباتات والطحالب مخزنة ككربون متحجر يستخدمه البشر كوقود. منذ القرن التاسع عشر ، تسارع استخدام الوقود الأحفوري. مع تزايد الطلب العالمي على إمدادات الوقود الأحفوري المحدودة للأرض منذ بداية الثورة الصناعية ، زادت كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مع احتراق الوقود. ارتبطت هذه الزيادة في ثاني أكسيد الكربون بتغير المناخ وهي مصدر قلق بيئي رئيسي في جميع أنحاء العالم.

تتم دراسة دورة الكربون بسهولة على أنها دراجتان فرعيتان مترابطتان: واحدة تتعامل مع التبادل السريع للكربون بين الكائنات الحية والأخرى تتعامل مع دورة الكربون على المدى الطويل من خلال العمليات الجيولوجية. تظهر دورة الكربون بأكملها في الشكل أدناه.

دورة الكربون البيولوجية

ترتبط الكائنات الحية بطرق عديدة ، حتى بين النظم البيئية. وخير مثال على هذا الارتباط هو تبادل الكربون بين غيرية التغذية (أولئك الذين يجب أن يستهلكوا الطعام) و التغذية الذاتية (تلك التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي) داخل الأنظمة البيئية وفيما بينها عن طريق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ثاني أكسيد الكربون هو لبنة البناء الأساسية التي يستخدمها autotroph لبناء مركبات متعددة الكربون وعالية الطاقة ، مثل الجلوكوز. تستخدم هذه الكائنات الطاقة المستخرجة من الشمس لتكوين الروابط التي تربط ذرات الكربون ببعضها البعض. تخزن هذه الروابط الكيميائية هذه الطاقة لاستخدامها لاحقًا في عملية التنفس. تحصل معظم ذاتية التغذية الأرضية على ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي ، بينما تكتسبه ذاتية التغذية البحرية في الصورة المذابة (حمض الكربونيك ، ( ce {HCO3 ^ -} )). ومع ذلك ، يتم الحصول على ثاني أكسيد الكربون ، فإن المنتج الثانوي لتثبيت الكربون في المركبات العضوية هو الأكسجين. كائنات التمثيل الضوئي هي المسؤولة عن الحفاظ على ما يقرب من 21 في المائة من محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي الذي نلاحظه اليوم.

الشركاء في تبادل الكربون البيولوجي هم الكائنات غيرية التغذية (خاصة المستهلكين الأساسيين ، والحيوانات العاشبة إلى حد كبير). تكتسب الكائنات غيرية التغذية مركبات الكربون عالية الطاقة من ذاتية التغذية عن طريق استهلاكها وتحطيمها عن طريق التنفس للحصول على الطاقة الخلوية. وبالتالي ، هناك تبادل مستمر للأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين ذاتية التغذية (التي تحتاج إلى الكربون) وغيرية التغذية (التي تحتاج إلى الأكسجين). كما تتنفس ذاتية التغذية وتستهلك الجزيئات العضوية التي تشكلها: باستخدام الأكسجين وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. يطلقون غاز الأكسجين كمنتج نفايات لعملية التمثيل الضوئي أكثر مما يستخدمونه في التنفس ؛ لذلك ، هناك فائض متاح لتنفس الكائنات الهوائية الأخرى. يعد تبادل الغازات عبر الغلاف الجوي والماء إحدى الطرق التي تربط بها دورة الكربون جميع الكائنات الحية على الأرض.

دورة الكربون البيوجيوكيميائية

تعتبر حركة الكربون عبر الأرض والماء والهواء معقدة ، وفي كثير من الحالات ، تحدث بشكل أبطأ بكثير من الناحية الجيولوجية من الحركة بين الكائنات الحية. يتم تخزين الكربون لفترات طويلة فيما يعرف باسم خزانات الكربون (أو تسرب الكربون) ، والتي تشمل الغلاف الجوي ، وأجسام المياه السائلة (المحيطات في الغالب) ، ورواسب المحيطات ، والتربة ، والصخور (بما في ذلك الوقود الأحفوري) ، وداخل الأرض.

كما هو مذكور ، الغلاف الجوي هو خزان رئيسي للكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون الضروري لعملية التمثيل الضوئي. يتأثر مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل كبير بخزان الكربون في المحيطات. يؤثر تبادل الكربون بين الغلاف الجوي وخزانات المياه على مقدار الكربون الموجود في كل منهما ، ويؤثر كل منهما على الآخر بشكل متبادل. يذوب ثاني أكسيد الكربون ( ( ce {CO2} )) من الغلاف الجوي في الماء ، وعلى عكس الأكسجين وغاز النيتروجين ، يتفاعل مع جزيئات الماء لتكوين مركبات أيونية. تتحد بعض هذه الأيونات مع أيونات الكالسيوم في مياه البحر لتكوين كربونات الكالسيوم ( ( ce {CaCO3} )) ، وهي مكون رئيسي لأصداف الكائنات البحرية. تشكل هذه الكائنات في النهاية رواسب في قاع المحيط. مع مرور الوقت الجيولوجي ، تشكل كربونات الكالسيوم الحجر الجيري ، والذي يضم أكبر خزان للكربون على الأرض. تؤدي الزيادات في ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أيضًا إلى زيادة الكمية التي تمتصها المحيطات مما يؤدي إلى تحمض المحيطات.

على الأرض ، يتم تخزين الكربون في التربة ككربون عضوي نتيجة تحلل الكائنات الحية أو من تجوية الصخور الأرضية والمعادن. أعمق تحت الأرض ، في البر والبحر ، يوجد الوقود الأحفوري ، بقايا النباتات المتحللة اللاهوائية التي يستغرق تشكيلها ملايين السنين. يعتبر الوقود الأحفوري موردًا غير متجدد لأن استخدامه يتجاوز بكثير معدل تكوينه. أ طاقة غير متجددة إما أن يتم تجديده ببطء شديد أو لا يتم تجديده على الإطلاق. هناك طريقة أخرى لدخول الكربون إلى الغلاف الجوي وهي من اليابسة (بما في ذلك الأرض تحت سطح المحيط) عن طريق ثوران البراكين وأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية الأخرى. يتم أخذ رواسب الكربون من قاع المحيط في أعماق الأرض من خلال عملية الاندساس: حركة صفيحة تكتونية تحت الأخرى. ينطلق الكربون في صورة ثاني أكسيد الكربون عندما ينفجر البركان أو من الفتحات الحرارية المائية البركانية.

يضاف ثاني أكسيد الكربون أيضًا إلى الغلاف الجوي من خلال ممارسات تربية الحيوانات للإنسان. يؤدي العدد الكبير من الحيوانات البرية التي يتم تربيتها لإطعام السكان البشريين المتزايدين على الأرض إلى زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب التنفس. هذا مثال آخر على كيفية تأثير النشاط البشري بشكل غير مباشر على الدورات البيوجيوكيميائية بطريقة ملحوظة. على الرغم من أن الكثير من الجدل حول الآثار المستقبلية لزيادة الكربون في الغلاف الجوي على تغير المناخ يركز على الوقود الأحفوري ، فإن العلماء يأخذون العمليات الطبيعية ، مثل البراكين ونمو النباتات ومستويات الكربون في التربة والتنفس ، في الاعتبار عند وضع النماذج والتنبؤ بالتأثير المستقبلي. من هذه الزيادة.

دورة النيتروجين

من الصعب إدخال النيتروجين في الكائنات الحية. النباتات والعوالق النباتية غير مجهزة لاستيعاب النيتروجين من الغلاف الجوي (حيث يوجد على شكل تساهمية ثلاثية الترابط بإحكام وثلاثية ( ce {N2} )) على الرغم من أن هذا الجزيء يشتمل على ما يقرب من 78 في المائة من الغلاف الجوي. يدخل النيتروجين إلى العالم الحي من خلال بكتيريا تعيش بحرية وتكافل ، والتي تدمج النيتروجين في جزيئاتها الكبيرة من خلال مسارات كيميائية حيوية متخصصة تؤدي إلى تثبيت النيتروجين. تعيش البكتيريا الزرقاء في معظم النظم البيئية المائية حيث يوجد ضوء الشمس ؛ يلعبون دورًا رئيسيًا في تثبيت النيتروجين. البكتيريا الزرقاء قادرة على "تثبيت" النيتروجين (من غاز النيتروجين) في الأمونيا ( ( ce {NH3} )) التي يمكن دمجها في الجزيئات الكبيرة للكائن الحي. ريزوبيوم تقوم البكتيريا أيضًا بإصلاح النيتروجين وتعيش بشكل تكافلي في العقيدات الجذرية لـ البقوليات (مثل البازلاء والفول والفول السوداني) وتزويدهم بالنيتروجين العضوي الذي يحتاجونه. البكتيريا التي تعيش بحرية ، مثل أزوتوباكتر، قادرون أيضًا على إصلاح النيتروجين.

النيتروجين العضوي مهم بشكل خاص لدراسة ديناميات النظام البيئي لأن العديد من عمليات النظام البيئي ، مثل الإنتاج الأولي والتحلل ، محدودة بسبب الإمداد المتاح من النيتروجين. كما هو مبين في الشكل أدناه ، يتم تحويل النيتروجين الذي يدخل الأنظمة الحية عن طريق تثبيت النيتروجين في النهاية من النيتروجين العضوي إلى غاز النيتروجين مرة أخرى بواسطة البكتيريا. تحدث هذه العملية في ثلاث خطوات في الأنظمة الأرضية: ammonification ، و nitrification ، ونزع النتروجين. لأول مرة ammonification عملية تحويل النفايات النيتروجينية من الحيوانات الحية أو من بقايا الحيوانات الميتة إلى أمونيوم ( ( ce {NH4 ^ +} )) بواسطة بعض البكتيريا والفطريات. ثانيًا ، يتم تحويل هذا الأمونيوم بعد ذلك إلى نتريت ( ( ce {NO2 ^ -} )) عن طريق البكتيريا الآزوتية ، مثل نيتروسوموناس، عبر النترتة. بعد ذلك ، يتم تحويل النتريت إلى نترات ( ( ce {NO3 ^ -} )) بواسطة كائنات حية مماثلة. أخيرًا ، عملية نزع النتروجين يحدث ، حيث البكتيريا ، مثل الزائفة و المطثية، وتحويل النترات إلى غاز النيتروجين ، مما يسمح لها بالدخول مرة أخرى إلى الغلاف الجوي.

يمكن للنشاط البشري إطلاق النيتروجين في البيئة عن طريق وسيلتين أساسيتين: احتراق الوقود الأحفوري الذي يطلق أكاسيد النيتروجين المختلفة ، وباستخدام الأسمدة الاصطناعية (التي تحتوي على مركبات النيتروجين والفوسفور) في الزراعة ، والتي يتم غسلها بعد ذلك في البحيرات ، والجداول والأنهار عن طريق الجريان السطحي. يرتبط نيتروجين الغلاف الجوي (بخلاف ( ce {N2} )) بالعديد من التأثيرات على النظم البيئية للأرض بما في ذلك إنتاج المطر الحمضي (مثل حمض النيتريك ، ( ce {HNO3} )) وتأثيرات غازات الاحتباس الحراري (مثل أكسيد النيتروز ، ( ce {N2O} )) ، الذي يتسبب في تغير المناخ. التأثير الرئيسي لجريان الأسمدة هو المياه المالحة والمياه العذبة التخثث، وهي عملية يتسبب فيها جريان المغذيات في زيادة نمو الطحالب ونضوب الأكسجين وموت الحيوانات المائية.

تحدث عملية مماثلة في دورة النيتروجين البحري ، حيث يتم إجراء عمليات ammonification ، و nitrification ، ونزع النتروجين بواسطة البكتيريا البحرية والعتائق. يسقط بعض هذا النيتروجين في قاع المحيط على شكل رواسب ، والتي يمكن بعد ذلك نقلها إلى اليابسة في الزمن الجيولوجي عن طريق رفع سطح الأرض ، وبالتالي دمجها في الصخور الأرضية. على الرغم من أن حركة النيتروجين من الصخور مباشرة إلى الأنظمة الحية كان يُنظر إليها تقليديًا على أنها غير مهمة مقارنة بالنيتروجين الثابت من الغلاف الجوي ، فقد أظهرت دراسة حديثة أن هذه العملية قد تكون مهمة بالفعل ويجب تضمينها في أي دراسة لدورة النيتروجين العالمية.

دورة الفوسفور

الفوسفور عنصر غذائي أساسي للعمليات الحية ؛ إنه مكون رئيسي من الأحماض النووية والفوسفوليبيدات ، وفوسفات الكالسيوم ، يشكل المكونات الداعمة لعظامنا. غالبًا ما يكون الفوسفور هو العنصر الغذائي المحدد (الضروري للنمو) في النظم البيئية المائية ، وخاصة المياه العذبة.

يحدث الفوسفور في الطبيعة مثل أيون الفوسفات ( ( ce {PO4 ^ 3 -} )). بالإضافة إلى الجريان السطحي للفوسفات نتيجة النشاط البشري ، يحدث الجريان السطحي الطبيعي عند ارتشائه من الصخور المحتوية على الفوسفات عن طريق التجوية ، وبالتالي إرسال الفوسفات إلى الأنهار والبحيرات والمحيطات. تعود أصول هذه الصخرة إلى المحيط. تتكون رواسب المحيطات المحتوية على الفوسفات بشكل أساسي من أجسام كائنات المحيط ومن إفرازاتها. ومع ذلك ، قد يكون الرماد البركاني ، والهباء الجوي ، والغبار المعدني مصادر مهمة للفوسفات. ثم يتم نقل هذه الرواسب إلى اليابسة على مر الزمن الجيولوجي عن طريق رفع سطح الأرض. (الشكل أدناه)

يتم أيضًا تبادل الفوسفور بشكل متبادل بين الفوسفات المذاب في المحيط والكائنات البحرية. حركة الفوسفات من المحيط إلى الأرض وعبر التربة بطيئة للغاية ، حيث يبلغ متوسط ​​أيون الفوسفات فترة بقاء محيطية بين 20000 و 100000 سنة.

الفوسفور والنيتروجين الزائدين اللذين يدخلان هذه النظم البيئية من جريان الأسمدة ومن مياه الصرف الصحي يسبب نموًا مفرطًا للطحالب. يؤدي موت هذه الكائنات وتعفنها لاحقًا إلى استنفاد الأكسجين المذاب ، مما يؤدي إلى موت الكائنات المائية ، مثل المحار والأسماك. هذه العملية مسؤولة عن المناطق الميتة في البحيرات وفي أفواه العديد من الأنهار الرئيسية وفي حالات نفوق الأسماك على نطاق واسع ، والتي تحدث غالبًا خلال أشهر الصيف (انظر الشكل أدناه).

أ منطقة شديدة الخطورة هي منطقة في البحيرات والمحيطات بالقرب من مصبات الأنهار حيث يتم بشكل دوري استنزاف مساحات كبيرة من النباتات والحيوانات الطبيعية ؛ هذه المناطق ناتجة عن التخثث إلى جانب عوامل أخرى بما في ذلك انسكاب النفط وإلقاء المواد الكيميائية السامة والأنشطة البشرية الأخرى. زاد عدد المناطق الميتة لعدة سنوات ، وكان أكثر من 400 من هذه المناطق موجودة اعتبارًا من عام 2008. واحدة من أسوأ المناطق الميتة قبالة ساحل الولايات المتحدة في خليج المكسيك: جريان الأسمدة من نهر المسيسيبي أنشأ حوض منطقة ميتة تزيد مساحتها عن 8463 ميل مربع. كما يؤثر جريان الفوسفات والنترات من الأسمدة سلبًا على العديد من النظم البيئية للبحيرات والخليج بما في ذلك خليج تشيسابيك في شرق الولايات المتحدة.

دورة الكبريت

الكبريت عنصر أساسي في الجزيئات الكبيرة للكائنات الحية. كجزء من الحمض الأميني السيستين ، فإنه يشارك في تكوين البروتينات. كما هو مبين في الشكل أدناه ، دورات الكبريت بين المحيطات والأرض والغلاف الجوي. يوجد كبريت الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكبريت ( ( ce {SO2} )) ، والذي يدخل الغلاف الجوي بثلاث طرق: أولاً ، من تحلل الجزيئات العضوية ؛ ثانياً ، من النشاط البركاني وفتحات الطاقة الحرارية الأرضية ؛ وثالثاً ، من حرق البشر للوقود الأحفوري.

على الأرض ، يتم ترسيب الكبريت بأربع طرق رئيسية: هطول الأمطار ، والسقوط المباشر من الغلاف الجوي ، وتجوية الصخور ، وفتحات الطاقة الحرارية الأرضية. يوجد كبريت الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكبريت ( ( ce {SO2} )) ، ومع سقوط المطر في الغلاف الجوي ، يذوب الكبريت على شكل حمض كبريتيك ضعيف ( ( ce {H2SO4} ) ). يمكن أن يسقط الكبريت أيضًا مباشرة من الغلاف الجوي في عملية تسمى يسقط. أيضًا ، مع طقس الصخور المحتوية على الكبريت ، يتم إطلاق الكبريت في التربة. تنشأ هذه الصخور من رواسب المحيطات التي تنتقل إلى اليابسة عن طريق الرفع الجيولوجي لرواسب المحيطات. يمكن للنظم البيئية الأرضية بعد ذلك الاستفادة من كبريتات التربة هذه ( ( ce {SO4 ^ 2 -} )) ، التي تدخل شبكة الغذاء عن طريق امتصاص جذور النباتات. عندما تتحلل هذه النباتات وتموت ، يتم إطلاق الكبريت مرة أخرى في الغلاف الجوي على شكل كبريتيد الهيدروجين ( ( ce {H2S} )) غاز.

يدخل الكبريت إلى المحيط في الجريان السطحي من الأرض ، ومن تداعيات الغلاف الجوي ، ومن فتحات الطاقة الحرارية الأرضية تحت الماء. تعتمد بعض النظم البيئية على المواد الكيميائية التي تستخدم الكبريت كمصدر للطاقة البيولوجية. ثم يدعم هذا الكبريت النظم البيئية البحرية في شكل كبريتات.

لعبت الأنشطة البشرية دورًا رئيسيًا في تغيير توازن دورة الكبريت العالمية. يؤدي حرق كميات كبيرة من الوقود الأحفوري ، وخاصة من الفحم ، إلى إطلاق كميات أكبر من غاز كبريتيد الهيدروجين في الغلاف الجوي. مع تساقط المطر من خلال هذا الغاز ، فإنه يخلق ظاهرة تعرف باسم المطر الحمضي ، والذي يضر بالبيئة الطبيعية عن طريق خفض درجة الحموضة في البحيرات ، وبالتالي قتل العديد من النباتات والحيوانات المقيمة. أمطار حمضية هو مطر تآكل ناتج عن سقوط مياه الأمطار على الأرض من خلال غاز ثاني أكسيد الكبريت ، مما يحولها إلى حمض كبريتيك ضعيف ، مما يتسبب في إلحاق الضرر بالنظم البيئية المائية. يؤثر المطر الحمضي أيضًا على البيئة التي من صنع الإنسان من خلال التدهور الكيميائي للمباني. على سبيل المثال ، تعرضت العديد من الآثار الرخامية ، مثل نصب لنكولن التذكاري في واشنطن العاصمة ، لأضرار كبيرة من الأمطار الحمضية على مر السنين. تُظهر هذه الأمثلة الآثار واسعة النطاق للأنشطة البشرية على بيئتنا والتحديات المتبقية لمستقبلنا.


2.1: الدورات البيوجيوكيميائية - علوم الأرض

من الصعب إدخال النيتروجين إلى العالم الحي. النباتات والعوالق النباتية غير مجهزة لدمج النيتروجين من الغلاف الجوي (الموجود على شكل N مترابط بإحكام وثلاثي التساهمية2) ، على الرغم من أن هذا الجزيء يشتمل على حوالي 78 بالمائة من الغلاف الجوي. يدخل النيتروجين إلى العالم الحي عبر بكتيريا تعيش بحرية وتكافل ، والتي تدمج النيتروجين في جزيئاتها الكبيرة من خلال تثبيت النيتروجين (تحويل N2). تعيش البكتيريا الزرقاء في معظم النظم البيئية المائية حيث يوجد ضوء الشمس ، فهي تلعب دورًا رئيسيًا في تثبيت النيتروجين. البكتيريا الزرقاء قادرة على استخدام مصادر غير عضوية للنيتروجين في النيتروجين & # 8220fix & # 8221. ريزوبيوم تعيش البكتيريا بشكل تكافلي في العقيدات الجذرية للبقوليات (مثل البازلاء والفول والفول السوداني) ، مما يوفر لها النيتروجين العضوي الذي تحتاجه. البكتيريا التي تعيش بحرية ، مثل أزوتوباكتر، هي أيضًا من المثبتات المهمة للنيتروجين.

النيتروجين العضوي مهم بشكل خاص لدراسة ديناميات النظام البيئي حيث أن العديد من عمليات النظام البيئي ، مثل الإنتاج الأولي والتحلل ، محدودة بسبب الإمداد المتاح من النيتروجين. يتم تحويل النيتروجين الذي يدخل الأنظمة الحية عن طريق تثبيت النيتروجين على التوالي من النيتروجين العضوي مرة أخرى إلى غاز النيتروجين بواسطة البكتيريا. تحدث هذه العملية في ثلاث خطوات في الأنظمة الأرضية: ammonification ، والنترة ، ونزع النتروجين. أولاً ، تقوم عملية التحصين بتحويل النفايات النيتروجينية من الحيوانات الحية أو من بقايا الحيوانات الميتة إلى أمونيوم (NH4 +) بواسطة بعض البكتيريا والفطريات. ثانيًا ، يتم تحويل الأمونيوم إلى نتريت (NO2 -) عن طريق البكتيريا الآزوتية ، مثل نيتروسوموناس، من خلال النترجة. بعد ذلك ، يتم تحويل النتريت إلى نترات (NO3 -) بواسطة كائنات مماثلة. ثالثًا ، تحدث عملية نزع النتروجين ، حيث تحدث البكتيريا ، مثل الزائفة و المطثية، وتحويل النترات إلى غاز النيتروجين ، مما يسمح لها بالدخول مرة أخرى إلى الغلاف الجوي.

تثبيت النيتروجين: يدخل النيتروجين إلى العالم الحي من الغلاف الجوي عن طريق البكتيريا المثبتة للنيتروجين. يتم بعد ذلك معالجة نفايات النيتروجين والنيتروجين من الحيوانات مرة أخرى إلى نيتروجين غازي بواسطة بكتيريا التربة ، والتي تزود أيضًا شبكات الغذاء الأرضية بالنيتروجين العضوي الذي تحتاجه.

يمكن للنشاط البشري إطلاق النيتروجين في البيئة من خلال وسيلتين أساسيتين: احتراق الوقود الأحفوري ، الذي يطلق أكاسيد النيتروجين المختلفة ، واستخدام الأسمدة الاصطناعية في الزراعة ، والتي يتم غسلها بعد ذلك في البحيرات والجداول والأنهار عن طريق الجريان السطحي. يرتبط النيتروجين في الغلاف الجوي بالعديد من التأثيرات على النظم البيئية للأرض ، بما في ذلك إنتاج المطر الحمضي (مثل حمض النيتريك ، HNO3) وغازات الاحتباس الحراري (مثل أكسيد النيتروز ، N2O) ، يحتمل أن يسبب تغير المناخ. التأثير الرئيسي لجريان الأسمدة هو المياه المالحة والمياه العذبة المغذيات: عملية يؤدي فيها جريان المغذيات إلى النمو الزائد للكائنات الحية الدقيقة ، واستنفاد مستويات الأكسجين المذاب وقتل حيوانات النظام البيئي.

تحدث عملية مماثلة في دورة النيتروجين البحري ، حيث يتم إجراء عمليات ammonification ، والنترة ، ونزع النتروجين بواسطة البكتيريا البحرية. يسقط بعض هذا النيتروجين في قاع المحيط كرواسب ، والتي يمكن بعد ذلك نقلها إلى اليابسة في الوقت الجيولوجي عن طريق رفع سطح الأرض & # 8217s ، لتصبح مدمجة في الصخور الأرضية. على الرغم من أن حركة النيتروجين من الصخور مباشرة إلى الأنظمة الحية كان يُنظر إليها تقليديًا على أنها غير مهمة مقارنة بالنيتروجين الثابت من الغلاف الجوي ، فقد أظهرت دراسة حديثة أن هذه العملية قد تكون مهمة بالفعل ويجب تضمينها في أي دراسة لدورة النيتروجين العالمية.


1 المقدمة

[2] دور الكبريت في التأثير على التأثير الإشعاعي للأرض هو موضوع مناقشة حية. جزيئات رذاذ الكبريت لها تأثير مباشر على خصائص التشتت الخلفي للغلاف الجوي. بالإضافة إلى ذلك ، قد تكون بمثابة نوى تكثيف السحب وبالتالي يكون لها تأثير غير مباشر على ميزانية الإشعاع للأرض. تتوافق الأنماط المحاكية للمتوسط ​​العالمي لتغير درجة حرارة الهواء بشكل أفضل مع الزيادة الملحوظة في درجة حرارة الغلاف الجوي خلال العقد الماضي عند الأخذ في الاعتبار التأثير الإشعاعي الناجم عن انبعاثات الكبريت البشرية المنشأ [ Roeckner et al., 1999 بنجسون وآخرون.، 1999]. تواجه هذه الدراسات مشكلة أنه بالنسبة لحدود المحيطات ، لا يتم فهم توزيع التدفق الطبيعي للكبريت ولا تغيراته مع التغيرات المناخية بشكل جيد. بالنظر إلى أن المحيط هو أكبر مصدر طبيعي للكبريت وانبعاث كبريت من صنع الإنسان يقدر بنحو ضعف الانبعاثات الطبيعية (لعام 2000 [ الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، 2001]) عدم اليقين بشأن دورة نظام إدارة الوجهات البحرية المحيطية غير مرض.

[3] تم إجراء عدة محاولات لتقدير انبعاثات الكبريت الطبيعية العالمية من المحيط. تشترك جميعًا في أن التركيزات السطحية تُحسب من ارتباط DMS بمتغيرات مثل ، على سبيل المثال ، الكلوروفيل ، والإشعاع الشمسي ، والمغذيات ، والمقاطعات البيولوجية أو أعماق الطبقة المختلطة [ أندرسون وآخرون., 2001 سيمو وداكس, 2002 Belviso et al., 2004 ]. غلاية وآخرون. [1999] جمعت مجموعة بيانات شاملة لتركيز سطح DMS تحتوي على أكثر من 15000 قياس. على الافتراض الأساسي بأن الظروف البيولوجية المماثلة تنتج نفس تركيز DMS والموسمية ، فقد قسموا المحيط إلى 57 مقاطعة بيولوجية [ Longhurst وآخرون.، 1995] ، مخطط تقسيم بسيط لإنشاء خرائط شهرية لتركيز سطح DMS وحساب تدفق DMS محيطي عالمي سنوي إلى الغلاف الجوي بين 19 و 40 Tg S / yr اعتمادًا على معلمات تبادل الغازات. أندرسون وآخرون. [2001] حصل على نتائج مماثلة لتدفق DMS المحيطي باستخدام انحدار DMS إلى الكلوروفيل والمغذيات والإشعاع الشمسي. على أساس الانحدار غير الخطي بين الكلوروفيل والسيليكات و DMS المستخلص من القياسات في شمال الأطلسي أومونت وآخرون. [2002] تنبأت تركيزات DMS السطحية باستخدام توزيعات التتبع المأخوذة من نموذج المحيطات البيوجيوكيميائية العالمية.

[4] تعاني جميع هذه المحاولات من الارتباط الضعيف بين تركيز DMS والكلوروفيل عند تحديده على أساس عالمي [ Belviso et al.، 2000]. تتجمع أنواع العوالق النباتية غير المتجانسة مع خصائص امتصاص طيفية مختلفة للكلوروفيل وكميات خلوية مختلفة جدًا من DMS و DMSP تمنع الانحدار الجيد بين DMS والكلوروفيل. علاوة على ذلك ، هناك عدم خطية قوي في تحويل DMSP الخلوي إلى DMS في الماء اعتمادًا على مجموعة العوالق النباتية والرعي والنشاط البكتيري [ Levasseur et al.، 2004]. بالإضافة إلى ذلك ، فإن قياسات DMS المتاحة قليلة جدًا ، لا سيما في مناطق المحيط الجنوبي ، لذلك يجب إجراء استقراء غامض في الزمان والمكان لتجميع خرائط موسمية عالمية لتركيز سطح نظام DMS. أندرسون وآخرون. [2001] ذكر أن البيانات لا يتم توزيعها عشوائيًا ولكن غالبًا ما يتم أخذها في مناطق نشطة بيولوجيًا بها ، على سبيل المثال ، ازدهار العوالق النباتية. قد يؤدي هذا إلى تشويه استقراء تركيز سطح DMS وحساب التدفق المقابل في الغلاف الجوي.

[5] تم تطبيق نماذج DMS القائمة على العمليات في الغالب في دراسات أحادية البعد [على سبيل المثال ، غابريك وآخرون.، 1993a آرتشر وآخرون., 2004 لو كلاينش وآخرون.، 2004] وتعتمد على مجموعة ثابتة من معدلات الدوران المعدلة للمواقع الجغرافية الفردية. التطبيق الحالي الوحيد لنموذج DMS بواسطة غابريك وآخرون. [1993 أ] في دوامة عالمية تم إجراء محاكاة لسطح المحيط بواسطة تشو وآخرون. [2003]. مع معدلات إنتاج واستهلاك DMS الثابتة عالميًا وموسميًا ، فقد قللوا من تقدير تركيزات DMS الملحوظة في خطوط العرض المنخفضة طوال العام وحاكوا فقط الاختلافات الموسمية الصغيرة بين 40 درجة جنوبا و 40 درجة شمالا [ Belviso et al., 2004 ]. تشو وآخرون. [2003] أوضح أوجه القصور في نتائجهم من خلال عدم وجود تمييز بين أنواع العوالق النباتية في إنتاج DMS ومعدل الاستهلاك البكتيري الثابت.

[6] في هذا البحث نقدم وحدة DMS القائمة على العمليات والتي تم تنفيذها في نموذج هامبورغ العالمي ثلاثي الأبعاد لدورة كربون المحيط (HAMOCC5). يتضمن النموذج مخططًا بسيطًا لديناميكيات العوالق التي توفر الأساس لمحاكاة إنتاج الكبريت العضوي. بالنسبة للمتغيرات الإنذارية ، ثنائي ميثيل سلفونوبروبيونات المذاب (dDMSP) وثنائي ميثيل كبريتيد (DMS) ، نقوم بمحاكاة الإنتاج بواسطة أنواع مختلفة من العوالق النباتية والاستهلاك البكتيري بالإضافة إلى التحلل الضوئي والتدفق إلى الغلاف الجوي من أجل DMS. ترتبط عمليات الدوران ، على سبيل المثال ، بدرجات الحرارة المحلية أو الإشعاع الشمسي أو تركيزات الركيزة. سيتم تعديل معدلاتها الموحدة العالمية عن طريق تقليل دالة التكلفة التي تدمج الفرق بين نتائج النموذج والملاحظات (بيانات DMS من النسخة المنقحة بواسطة غلاية واندريا [2000] extended by NOAA, http://saga.pmel.noaa.gov/dms/). The results of the simulation are dynamically consistent maps of DMS surface concentration which are close to the observations, where available. We perform a series of experiments with an increasing complexity of the DMS model. This gives us information about the local and temporal significance of processes controlling the DMS variation. The weakness of such optimization procedures is, of course, always the definition of the global minimum. However, we consider this technique as very promising to get more insight into the oceanic sulfur cycling.


شاهد الفيديو: شرح درس دورة النيتروجين في الطبيعة للصف السادس بمدرسة الرباب بنت البراء