Körforgási folyamatok

1. Körforgási folyamatok 2. előadás

2. Környezetünk működése I. • Természet állandóan változik, fejlődik • Működési rendje évmilliárdok alatt alakult ki • Működési rend jellegzetessége: • Körforgások, ciklikus ismétlődés: • csillagrendszerek • Naprendszerünk • élővilág→társadalomig • Körforgások nem elszigetelt jelenségek, hanem egymással kapcsolatban lévő, egymásra kölcsönösen ható folyamatok • Föld, mint élő szervezet

3. Ciklusok (Körforgások) a Földön és a bioszférában • A Föld zárt rendszer: - környezetével energiacserét folytat, - de anyagcserét lényegében nem. • Energiacsere: beérkező napsugárzás vs. emittált hősugárzás • Anyagcsere: elhanyagolható beérkezés (meteor-rajok, kozmikus porok) vs. elhanyagolható gáz emisszió

4. A KÖRFORGÁSOK (CIKLUSOK) • Energiaciklus – folytonos (Nap – Föld – világűr) pl. üvegházhatás • Anyagciklusok (anyagmegmaradás elve): – C, H, O, N, P, S (kémiai átalakulásokkal) – H2O, minden más (mérgező elemek) – levegő- és tengeráramlatok • Időbeli (mozgás) ciklusok: – a Föld keringése: évek és évszakok (növények) – a Föld forgása: nappalok és éjszakák – Hold keringése: ár-apály – Napciklusok: kevés földi hatásuk van

5. 1. Nap ciklusai 2. Nap-Föld ciklusok, évszakok 3. Föld-Hold ciklusok 4. Ősföld (Pangea) ciklusai 5. Föld mágnese tere 9. Tengeráramlások 10. Fotoszintézis 11. Geokémiai karbonát-szilikát körforgás 12. Biogeokémiai körforgások Időbeli ciklusok Anyagciklusok

6. Anyagciklusok (anyagmegmaradás elve) Levegő- (szélrendszerek) és tengeráramlatok: - rendszeresen, folyamatosan működnek - 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.

7. Csillagok • csillagokat villódzó fénypontokként látjuk szabad szemmel • nagy távolság miatt tűnnek pontszerűnek • csillagok fényének ezt a szabálytalan pislákolását – a szcintilláció jelenségét – a földi légkör áramlásai hozzák létre • csillagok legfontosabb energiaforrása a magban zajló termonukleáris reakció

8. Csillagok • energia az atommagok fúziójából szabadul fel, több millió kelvin fokon. Ilyen magas hőmérsékleten 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 tömegű csillagok energiatermelésében ez a folyamat dominál

9. Csillagok • CNO vagy Bethe-Weizsäcker ciklus • Három alfa ciklus –Salpeter ciklus

10. Csillagok • A két hidrogénmag közötti elektromos taszítás legyőzéséhez 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.

11. Nap • Naprendszer központi csillaga • Körülötte kering a Föld, a Naprendszerhez tartozó bolygók, kisbolygók, üstökösök • Földtől körülbelül 150 millió km távolságra van, ami fénysebességgel 8,3 perc • 70 %-ban hidrogénből áll, amely a központjában zajló magfúzió során héliummá alakul. • Az ennek során felszabaduló, majd a világűrbe szétsugárzott energia nélkülözhetetlen a legtöbb földi élőlény számára: • fénye a növények fotoszintézisét, hője pedig az elviselhető hőmérsékletet biztosítja

12. Nap jellemzői • A Nap sugara = 695990 km = 109 Föld-sugár • A Nap tömege = 1,989·1030 kg = 333.000 Föld-tömeg • Felszíni hőmérséklet = 5770 °K = 10400 °F • Felszíni sűrűség = 2,07·10-7 g/cm3 = 1,6·10-4 · levegő-sűrűség • Felszíni összetétel = 70% Hidrogén, 28% Hélium, 2% (Szén, Nitrogén, Oxigén, ...) egyéb • Központi hőmérséklet = 1.5600.000 °K = 28000000 °F • Központi sűrűség = 150 g/cm3 = 8 · arany sűrűség • Központi összetétel = 35% Hidrogén, 63% Hélium, 2% (Szén, Nitrogén, Oxigén, ...) egyéb • A Nap kora = 4,57·109 év

13. Nap felépítése • A napbelső • A fotoszféra • Kromoszféra • Átmeneti réteg • Napkorona • Helioszféra

14. Nap ciklusai • A napfolt környezeténél sötétebb terület a Nap fotoszférájában • Nagy mágneses térerősségű, T kisebb • a mágneses erővonalcsövekben (fluxus csövekben) az erős mágneses tér meggátolja a Napban termelődő energia kiszállítását konvektív áramlások révén Egy napfolt és a Föld méretaránya (The Royal Swedish Academy of Sciences, Vasco M.J. Henriques)

15. Nap ciklusai II. • napfolt ciklus alatt a Nap változtatja az ultraibolya, látható, röntgen és töltött részecskékből álló sugárzását, komoly hatással lévén a föld felső légkörére Hatása a környezetünkre: • Ezek a változások felmelegíthetik és kitágíthatják a Föld felső légkörét • Sarki fényeket gerjeszthetnek • Megbéníthatják a villamos távvezetékeket • Megváltoztathatják a bolygónk ózonrétegét • Az éghajlatot is befolyásolhatják

16. 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 merőlegeshez képest, ez a szög a Nap körüli keringés során állandóan megmarad →napsugarak változó szögben érik el a Földfelszínt

17. Az évszakok Afélium:Egy bolygó legnagyobb távolsága a naptól. Perihélium bolygóknak a Naptól mért legrövidebb távolsága

18. Föld-Hold ciklusok • Hold és Föld közös gravitációsközéppontjuk 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 lévő vonzást a keringésükkor létrejövő centrifugális erők egyenlítik ki

19. 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 árapálykeltő hatása a Holdéhoz képest több mint kétszer kisebb, a Nap keltette árapályok kevésbé jelentősek • A Nap, Hold és Föld egymáshoz viszonyított helyzetétől függően ezek a hatások erősíthetik vagy gyengítik egymást

20. Árapályt befolyásoló tényezők • Légköri és klimatikus hatások: • Erős, egy irányból fújó szelek • Szélsőséges légnyomásviszonyok • Tengerek közti gravitáció

21. Hasznosítása • Ár-apályerőmű: A tengerszint periodikus napi változásából származó, mechanikai energiát hasznosító erőmű • vízturbinákkal elektromos energiatermelésre hasznosítható

22. Pangea ciklusai • Alfred Wegener, 1912 kontinensek vándorlása • 2 fő szakasz • óriáskontinens összenövése és szétszakadása • Ez a földkéreg- és köpenymozgásokra mutat rá

23. Laurázsia Gondwana Tethys-tenger

24. Kőzetek körforgása • Kőzetek elmállanak és üledékek képződnek • Ezeket új üledékrétegek fedik be • Ha elég mélyen fekszenek átalakulnak vagy megolvadnak • Később mint hegyláncok részei felemelkednek • Majd ismét elmállanak és részt vesznek a körforgásban

25. Kőzetek körforgása • A „tömegáramlás” azt a folyamatot jelenti, ahogyan a kőzetek a Föld felszínének bizonyos helyén lepusztulnak, máshol pedig újra felhalmozódnak • Vulkanizmus: földfelszínre szállítja a megolvadt anyagot • Szilárd kőzetek az alácsúszási zónák felett visszakerülnek a Föld belsejébe

26. Áramlások a Föld belsejében Befolyásoló tényezők: • Vulkáni működés • Hegyképződések • Mágneses mező

27. Föld mágnese tere • Olvadt vasötvözet alkotta mag csavarodott áramlásai gerjesztik a Föld mágneses mezejét • A Föld körül mágneses tér észlelhető,amely közelítőleg olyan, mintha a Földközéppontjában egy erős rúdmágnes lenne van Allen övek: a Földet körülölelő sugárzási övek

28. Mi alakítja a Föld mágneses terét? • Föld magja, ahol magas a nyomás és a hőmérséklet. • Földkéreg mágneses tulajdonságú kőzetei:magnetit FeF2O4(vasfekete színű zsíros és tompa fényű, szabályos rendszerbenkristályosodó erősen mágneses ásvány) • Elektromágneses sugárzások, amik a légkör felső rétegeiben uralkodnak: • Nap és Hold árapály ereje indukálja; • a Föld légköre a felszín közelében elektromosan szigetel; • nagy magasságokban (ionszféra 90 km) a Nap hatására nő az ionizáció, nő azelektromos vezetőképesség

29. 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

30. Sarki fényVörös szín, Zöld szín : oxigén tartalom Ibolya: nitrogén tartalom

31. Föld mágneses terének hatása az élővilágra • A Föld mágneses terealapvető hatást gyakorol az élővilágra, nagy szerepe van az élet védelmében. • A Napból és a kozmikus térségből áramló elektromos részecskéket eltéríti a sarkok irányába. • létfontosságú a Föld körül keringő műholdak navigációja szempontjából, • és segíti a költöző madarakat is a tájékozódásban

32. Polaritás váltás • Tudjuk, hogy időről-időre a Föld mágneses tere előjelet vált, és eközben a mágneses védőpajzs, ideiglenesen szünetel • Mágneses pólusváltás átlagosan 200 ezer évente következik be, a két pólusváltás között eltelt idő széles sávban mozog • A geológiai bizonyítékok szerint bolygónkon utoljára 780 ezer évvel ezelőtt történt • Tények mutatják, hogy a polaritás-váltások időszakai egybeesnek a földi élővilág nagy átalakulásaival, fajok hirtelen kipusztulásával és megjelenésével

33. Geokémiai karbonát-szilikát körforgás I. • Eltávolítja a CO2-t a légkörből, tárolja a karbonát kőzetben és végül visszavezeti az atmoszférába • Karbonátok keletkeznek, amikor a CO2 oldódik az esővízben • Ez reakcióba lép a kőzetekkel, 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

34. Eltávolítja a CO2-t a légkörből, tárolja a karbonát kőzetben és végül visszavezeti az atmoszférába

35. Érckörforgások az óceáni kéreg és a tenger között • Tengervíz hatol be több km-es mélységben a széttagolt, fémtartalmú óceáni kéregbe • A vizet a magmakamra felfűti, V nő,ρ csökken • Felhevített állapotban számos fémet kiold • Friss tengervízzel összekeveredve szulfidok válnak ki • Tengerfenéken, mint meleg források áramlanak ki

37. Tengeráramlások • tengeráramlások oka a tengervíz hőmérsékletkülönbsége, és az ezzel járó sűrűségkülönbség, illetve a szél • áramlások hatalmas hő tömeget osztanak el a Föld körül • Mélytengeri áramlásokért a sűrűségkülönbség, felszíniekért pedig a szél felelős

38. A Sarkvidékek felől haladnak az Egyenlítő felé, hideg tengervizet szállítanak. Labrador-áramlás (Kanada keleti partjai) Oja-shio-áramlás (Oroszország és Japán keleti partjai) Humboldt-áramlás (Dél-Amerika nyugati partjai) Benguela-áramlás Az Egyenlítő felől haladnak a Sarkvidékek felé, meleg tengervizet szállítanak. Golf-áramlás (USA keleti partjai) Kuro-shio-áramlás (Japán keleti, Kanada nyugati, Alaszka déli partjai) Brazil-áramlás (Dél-Amerika keleti partjai) Agulhas-áramlás (Afrika keleti partjai) Hideg áramlatok Meleg áramlatok

39. Anyagciklusok • Víz • Szén • Szén-dioxid • Oxigén Bioszféra működésének alapfeltételei Biogeokémiai ciklusok: • Kén • Foszfor • Nitrogén • Fémek, félfémek

40. Földünk, mint különleges bolygó • Földi környezet jelentősen különbözik a más bolygókon uralkodó viszonyoktól • Oka: bioszféra léte • Élet kialakulása: bolygónk Naptól való távolsága illetve mérete • Hőmérséklet már 4 milliárd évvel ezelőtt is hasonló volt

41. Az élet kialakulása • Kb 3,8-4 milliárd éve • első lépés: szerves vegyületek szintézise (UV- sugárzás, gázfázisban) • Más teória: szerves anyagok a világűrből származnak, meteoritokban amino- és zsírsavtartalmú zárványok

42. Az élet kialakulása II. • Szerves anyagokból→ egyszerű élőlények • Teória: agyagásványok hatására aggregátumokká szerveződtek, majd ún- koacervátum-cseppek, amik már sejtként viselkedtek: • Fehérjék épültek belőlük, • majd membránok, • prokarióta (sejtmag nélküli) baktériumokra emlékeztető szervezetek

43. Miller-Urey kísérlet • Metán (CH4) • Ammónia (NH3) • Hidrogén (H2) • Víz (H2O) • Elektromos kisülés Eredmény: cukor, aminosav, N-tartalmú heterociklusos vegyületek (mindaz ami megtalálható az élő sejtben)

45. 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-CH2-COOH (glicin)

46. Gánti Tibor - Chemoton

47. Legfontosabb létfeltételek • víz jelenléte (mindhárom fázisban előfordult, jelentős része folyékony formában) • CO2 : őslégkörben nagy mennyiségben állt rendelkezésre • Oxigén légzés, fotoszintetizáció, Föld hőm. szabályozása • A tengerek sótartalma is úgy alakult, hogy 3,2-3,8%-os sótartalom alakult ki, ami kedvező az élő szervezetek kialakulásának (6%-nál magasabb sótartalom esetén a sejtek kiszáradnának)

48. 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.

49. A bioszféra kialakulása • Az őslégkörben nagy mennyiségben állt rendelkezésre CO2 (mars, Vénusz légköre ma is döntően ebből áll), a csökkenés oka, hogy a Föld alacsony hőmérséklete 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: 6 CO2 + 6 H2O→(fény, klorofill)C6H12O6+6O2 A folyamat tehát a légköri oxigén megjelenésével és a légköri CO2 csökkenésével jár

50. A bioszféra kialakulása II. • A fotoszintézis sebességét korlátozta, hogy az oxigén hiány miatt az UV sugárzástól védő 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 élőlények számára és az oxigénes légzés utat nyitott az aerob élővilág számára, különösen az állatvilág kialakulásában volt fontos szerepe.