Урок 2 · Атмосфера и круговорот углерода Не начат

Земля в трёх оболочках: резервуары и потоки

МакроуровеньСубмикроуровень

Главная идея. Любой биогеохимический круговорот описывается двумя словами — резервуар и поток. Резервуар находится в равновесии, когда в него поступает столько же, сколько уходит.

Открыть презентацию урока

Что нужно принести

С прошлого урока достаточно одной идеи: атмосфера — это газовая оболочка, у которой есть масса и которую удерживает сила тяжести. Сегодня мы поставим её рядом с двумя другими частями планеты и посмотрим, что перемещается между ними.

Объяснение

Читать объяснение

Что мы видим

Атом углерода, который сегодня у тебя в руке, раньше был где-то ещё, а потом окажется в третьем месте. То же самое касается кислорода, которым ты дышишь, азота в белке или фосфора в твоих костях. Ничего из этого не создано здесь: всё это циркулирует.

Чтобы описать эту циркуляцию, сначала нужно разделить планету на части.

Три оболочки

Атмосфера

газы

Что это

Газовая оболочка, окружающая планету.

Здесь находится $\mathrm{CO_2}$, который поглощает растение, и $\mathrm{O_2}$, которым ты дышишь.

Гидросфера

вода

Что это

Вся вода планеты: океаны, реки, озёра, льды и подземные воды.

Океан хранит примерно в 65 раз больше углерода, чем воздух.

Литосфера

горные породы и почва

Что это

Твёрдая часть: горные породы, осадки и почва.

Это самый большой резервуар углерода из всех — и самый медленный.

Биосфера — это совокупность всех трёх оболочек в той зоне, где есть жизнь. Это не отдельный четвёртый слой, а та часть трёх других, где живые организмы участвуют в движении вещества. Поэтому жизнь — не зритель системы, а один из её двигателей.

Резервуары и потоки: словарь всего блока

Биогеохимический круговорот — это путь, который химический элемент проходит между этими оболочками. Чтобы описать любой из них, достаточно двух слов, и мы будем пользоваться ими на протяжении всего блока.

Резервуар

масса

Что это

Место, где накапливается элемент.

Два типа

Абиотический, неживой: атмосфера, океан, горные породы. Биотический, живой: растения, животные, планктон.

Поток

масса в год

Что это

Переход элемента из одного резервуара в другой. Это всегда процесс — то, что происходит.

Как распознать

Если в единице есть «в год», это поток.

Шесть потоков, которыми мы будем пользоваться

Каждый поток — это процесс со своим названием. Три из них осуществляет жизнь, три — нет.

Процессы, переносящие вещество между оболочками. Первые три — биологические и быстрые; последние три — физические или химические и гораздо более медленные, кроме горения.
ПроцессОсуществляет ли его жизнь?Что переносит и куда
ФотосинтезДаЗабирает углерод из воздуха и включает его в живое вещество.
ДыханиеДаВозвращает в воздух углерод, который был в живом веществе.
РазложениеДаПереводит в почву и воздух углерод того, что умерло.
ГорениеНетРезко отправляет в воздух углерод, который хранился в литосфере или в растительности.
ВыветриваниеНетРазрушает горную породу: слабокислая дождевая вода растворяет её и уносит растворённое в реки и море.
ОсадконакоплениеНетОткладывает на дне моря то, что было растворено или находилось во взвеси, и со временем превращает это в горную породу.

Обрати внимание на пару, которую образуют два последних процесса. Выветривание забирает вещество из горной породы и отправляет его в море; осадконакопление откладывает его и снова создаёт породу. Вместе они образуют замкнутый контур, который занимает миллионы лет.

Когда поступает столько же, сколько уходит

Резервуар находится в равновесии, когда сумма того, что поступает, равна сумме того, что уходит. Его масса не меняется, хотя внутри всё движется.

$$\text{если } \sum F_{\text{вход}} = \sum F_{\text{выход}} \;\Rightarrow\; \text{масса резервуара не меняется}$$

Это как бассейн с открытым краном и открытым сливом: если поступает столько же, сколько уходит, уровень стоит на месте, но вода внутри уже не та, что была недавно.

Подумай, прежде чем открыть: если уровень в бассейне растёт, какие две разные вещи могли произойти?

Посмотреть ответ, чтобы сравнить со своим

Либо кран открыли сильнее, либо слив частично засорился. То есть увеличился приток или уменьшился отток. И то и другое поднимает уровень, и, глядя только на уровень снаружи, нельзя понять, что именно произошло.

Именно этот вопрос мы зададим про атмосферный $\mathrm{CO_2}$ на уроке 5, и там ответ тоже не единственный.

Почему полезно так думать

Схема резервуаров и потоков подходит не только для углерода: она так же работает для воды, азота или фосфора. И именно она позволяет задать точный вопрос вместо расплывчатого.

«Растёт ли загрязнение?» — на этот вопрос нельзя ответить числом. «Какой поток, поступающий в этот резервуар, вырос и насколько?» — можно.

Анимация

Описание анимации

Чтобы понять любой природный круговорот, достаточно двух слов. Резервуар — это место, где что-то накапливается; поток — это количество, которое переходит из одного резервуара в другой за единицу времени.

Представь бак, в который вода поступает из крана и уходит через слив. То, что хранится внутри, — это резервуар; то, что проходит по трубам, — поток. Отсюда правило, которым мы будем пользоваться весь год: если поступает столько же, сколько уходит, уровень не меняется. Резервуар находится в равновесии.

Теперь открой ещё один кран, не трогая слив. Отток такой же, как раньше, но приток больше, поэтому уровень растёт. Ничего не пришлось закрывать или ломать: хватило добавить ещё один приток.

Именно это происходит с углекислым газом в атмосфере. Резервуар — это CO₂, который находится в воздухе. Оттоки — фотосинтез и растворение в океане. Притоки — дыхание, разложение и вулканы, которые были всегда, а с середины XVIII века ещё один: сжигание ископаемого топлива.

Преимущество такого подхода в том, что сразу видно, что произойдёт, если изменить всего одну стрелку, — без всяких расчётов.

Источники анимации: IPCC (2021), AR6 WG1, глава 5 и рис. 5.12 — модель резервуаров и потоков, притоки и оттоки атмосферного CO₂. Схема, не в реальном масштабе.

Симуляторы для этого урока

Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.

Урок 3

Резервуары и потоки: где находится углерод

Выбери резервуар и посмотри, сколько времени нужно, чтобы его углерод обновился.

Открыть симулятор →

Урок 5

Что нарушает равновесие

Увеличивай выбросы и смотри, как они распределяются между атмосферой, океаном и сушей.

Открыть симулятор →

Листы для скачивания (на испанском)

Задания

1. Классифицировать

Для каждого из пунктов реши, это резервуар или поток. Если это резервуар, уточни, биотический он или абиотический. Обоснуй каждый ответ одним предложением.

  1. Океан.
  2. Дыхание животных.
  3. Лес.
  4. Сжигание бензина в автомобилях.
  5. Известняковые породы на дне моря.
  6. Дождь, растворяющий поверхность горной породы.

2. Проследить за атомом

Выбери один из двух маршрутов и опиши его шаг за шагом, называя на каждом шаге, в какой оболочке находится атом и какой процесс его переместил.

  1. Атом углерода, который начинает путь в воздухе и заканчивает его в выхлопной трубе автомобиля, побывав в растении.
  2. Атом углерода, который начинает путь в горной породе и заканчивает его на дне моря.

Требование: в твоём маршруте должно быть не меньше четырёх шагов и не меньше двух из шести процессов таблицы.

3. Плохо поставленный вопрос

Напиши ответ, разделённый на три части.

То, что ты пишешь, никуда не отправляется: файл остаётся на твоём устройстве.

Самопроверка

Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение — и при верном, и при неверном ответе: прочитай его, даже если ответил правильно.

Загрузка вопросов…