Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);

Углерод

Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.

В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.

Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.

Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.

Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.

Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.

Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.

В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.

[править] Распространение в природе

Метан является основным компонентом:

• природных горючих газов (до 99,5 %),
• попутных нефтяных газов (39−91 %),
• болотных (99 %) и рудничных (34−48 %) газов;
• присутствует в газах грязевых вулканов (более 95 %),
• спорадически встречается в вулканических газах и в газах магматических и метаморфических пород.

Большое количество метана растворено в водах океанов, морей, озер. Среднее содержание метана в водах Мирового океана составляет около 10−2 см3 / л, общее количество — 14 · 1012 м3. Количество метана, растворенного в пластовых водах, на несколько порядков выше его промышленных запасов.

Метан присутствует также в атмосферах Земли, Юпитера, Сатурна, Урана; в газах поверхностного грунта Луны. Основная масса метана лито- и гидросферы Земли образовалась при биохимической и термокаталитической деструкции рассеянного органического вещества, угля и нефтей. Метан образуется при анаэробном разложении органических веществ, в частности целлюлозы (метановое брожение).

В природе Земли метан достаточно распространен. Горючие природные газы состоят на 90−97 % из метана. Он образует ряд месторождений, из которых добывается и по газопроводам подается к месту использования. На дне болот и прудов метан образуется в результате разложения остатков растений без доступа воздуха. Поэтому его называют еще болотным газом. Под названием «рудничный газ» метан накапливается в угольных шахтах, в результате выделения из пластов угля и сопутствующих пород, в которых находится в свободном и связанном виде. На действующих шахтах наблюдается выделение метана из угольных пластов в объеме до 70−80 м3/т с. б. м. (т с. б. м. — тонна сухой беззольной массы), что делает экономически целесообразным его самостоятельное или сопутствующее (дегазация) извлечения из угольных месторождений.

Рудничный газ очень опасен, так как с воздухом может образовывать взрывчатую смесь. Наиболее взрывоопасные концентрации метана в воздухе — 9−14 %.

Основной компонент природных (77−99 %), попутных нефтяных (31−90 %), рудничного и болотного газов.

При низких температурах метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Газовые гидраты — твердые кристаллические вещества плотностью 880−890 кг/м3, похожие на снег или лед. Гидратообразования происходят в пористой среде осадочного чехла с формированием газогидратных залежей.

Нарушение моторики

Нормальная моторика желудочно-кишечного тракта включает в себя сложную, четко скоординированную серию событий, предназначенных для перемещения материала по желудочно-кишечному тракту. Во время голодания примерно каждые 90–120 минут развивается мигрирующий двигательный комплекс (ММС или ММК), выметая остаточный “мусор” через желудочно-кишечный тракт. 

По результатам исследований доказано, что аномалии MMК предрасполагают к развитию синдрома излишнего бактериального роста. Так, постпрандиальная перистальтика – нерегулярные, высокоамплитудные сокращения мышц желудка – нужна для перетирания пищи и его опорожнения. (для оказания помощи растирания и опорожнения желудка). 

Если развивается гастропарез (хроническое заболевание, связанное с задержкой опорожнения желудка, которое может сформироваться вторично по отношению к диабету, заболеваниям соединительной ткани, предшествующей вирусной инфекции и ишемии), то перистальтика желудка нарушается. Возникает застой пищи и содержащихся в ней бактерий, что приводит к СИБР. 

При другом варианте – нарушении моторики тонкой кишки, бактерии в ней задерживаются, не перемещаются из проксимального отдела в толстую кишку, что приводит к колонизации микроорганизмами. Нарушение ММК часто наблюдается у пациентов с циррозом и портальной гипертензией. У них возникают ретроградные волны в проксимальном отделе двенадцатиперстной кишки или кластерные сокращения кишечника.

Также нарушают моторику и становятся причиной СИБР: невропатические процессы, такие как хроническая псевдообструкция кишечника, миопатические процессы, такие как склеродермия и полимиозит.

Глобальные выбросы метана

Хотя общая тенденция роста выбросов парникового газа метана в мире увеличилась, между регионами существуют различия. За последние два десятилетия выбросы метана резко возросли, например, в Африке, на Ближнем Востоке, в Южной Азии и Океании, где выбросы метана составляют от 10 до 15 миллионов тонн в год соответственно, по сравнению с примерно 4-5 миллионами тонн в США.

Выбросы метана увеличиваются в большинстве регионов. Выбросы метана в Европе фактически снизились.  Это связано с усилиями правительства по сокращению поголовья скота, уменьшению количества свалок и выбросов от навоза.

ООН заявила, что для достижения более жесткого предела в 1,5°C все выбросы парниковых газов должны снижаться на 7,6% в год в течение следующих 10 лет.

Роберт Джексон, председатель Global Carbon Project и исследователь систем Земли в Стэнфордском университете, говорит, что животноводство и добыча нефти и газа, несомненно, являются двумя основными факторами роста выбросов метана

Важно отметить, что коровы и другие жвачные животные выделяют столько же метана, сколько нефтегазовая промышленность

Группа исследовала глобальные выбросы  парникового газа метана с 2000 по 2017 год — последний год, по которому имеются полные данные. В результате они обнаружили, что с 2000 года глобальные выбросы метана увеличились на 9%, что соответствует увеличению на 50 миллионов тонн в год. Исследователи утверждают, что это в два раза больше, чем выбросы Германии или Франции.

Выбросы метана вряд ли сократятся так же сильно, как выбросы углекислого газа. Поскольку дома и здания продолжают отапливаться, а сельское хозяйство продолжает развиваться, это приводит к росту выбросов метана. В целом, более половины выбросов парникового газа метана приходится на деятельность человека.

Азот

Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.

Самыми активными «переработчиками» азота или азотофиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в клетках корней бобовых и преобразовывают молекулярный азот в его соединения, пригодные для растений. После их отмирания, азотом обогащается и почва.

Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.

Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.

И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.

Содержание азота в различных веществах сопоставляют с содержанием там углерода. Оборотные циклы этих двух элементов крепко связаны.

История

В ноябре 1776 года итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа его вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и в 1778 году выделил чистый метан. Также он продемонстрировал зажигание газа от электрической искры.

Сэр Гемфри Дэви в 1813 г. изучал рудничный газ и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота N2 и углекислого газа CO2 — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу.

Современное название «метан» в 1866 г. газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман, оно образовано от слова «метанол».

[править] Литература

• Деркач Ф. А. «Химия» Л. 1968
• Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого. — Донецк: Донбасс, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.

Как остановить глобальное потепление?

Но что же делать, чтобы не допустить плачевных последствий? Количество выбрасываемого коровами метана можно сократить, используя более качественные корма — процесс переваривания будет происходить быстрее с образованием минимального количества газов. Также исследователи призывают сократить использование ископаемого топлива и искать места их утечки при помощи дронов со специальными датчиками. Только вот прислушается ли мир к призывам ученых — большой вопрос.

О методах остановки развития глобального потепления ранее я уже писал в этом материале. Только в этой статьей я больше говорил об углекислом газе. Хоть он и слабее метана в плане удерживания тепла, его опасность все равно велика. Рекомендую почитать об этом газе тоже — приятного чтения!

Из-за чего возникла проблема

Метан был включен в перечень загрязняющих веществ еще в 1980-х годах, сообщила РБК исполнительный директор Российской экологической академии Ольга Плямина. Главным государственным санитарным врачом СССР были утверждены ориентировочные безопасные уровни воздействия загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Тогда выбросы парниковых газов не были международной проблемой и не регулировались законами и соглашениями по климату, уточнила она. Читайте на РБК Pro

Что делать при внезапном появлении в офисе полиции: 13 шагов

Почему ваши подчиненные работают вяло. 11 сильнейших демотиваторов

Станет ли крах крупнейшего девелопера Китая началом глобального кризиса

Не только «Сургутнефтегаз»: какие акции защитят в случае обвала рынков

«В области обращения с метаном сегодня действует двойное регулирование. До сих пор его выбросы в атмосферу должны оплачиваться как негативное воздействие на окружающую среду. Хотя ученые доказали, что метан воздействует только на климат и атмосферу, но не вредит здоровью людей и окружающей среде», — сказал РБК Самсонов. При рассеивании в воздухе содержание метана не должно регулироваться санитарными нормами, считает он.

После присоединения России к Парижской конвенции по климату в сентябре 2021 года, по мнению Самсонова, целесообразно, что обращение с метаном будет регулироваться по тем же принципам, что во всем мире, — как с парниковым газом. В европейских странах на выбросы метана, как и углекислого газа, предусмотрены квоты, в случае превышения которых компании штрафуются. Поэтому в тех странах, которые поддержали Парижскую конвенцию, бизнес заинтересован в снижении таких выбросов, говорит исполнительный директор РГО.

Размер выпадающих доходов федерального бюджета в случае исключения метана из числа загрязнителей невелик: менее 26 млн руб. в год при общем размере платежей за негативное воздействие на окружающую среду от выбросов метана — 530 млн руб. в год (по состоянию на 2021 год). В федеральный бюджет идет лишь 5% этой суммы, остальные 95% направляются в региональные бюджеты. В качестве источника компенсации выпадающих доходов (при необходимости) авторы поправок предлагают увеличить ставки за выбросы загрязняющих веществ при сжигании газа на факелах или рассеивание попутного нефтяного газа на 10–50 коп. за тонну.

«Готовы рассмотреть предложения и научные обоснования профессионального сообщества для принятия решения о целесообразности или нецелесообразности исключения метана из списка загрязнителей. Пока никаких обращений в Минприроды не поступало», — сообщила РБК представитель министерства. Представитель Минэнерго напомнил, что к выбросам метана относятся также выбросы свалочного газа из объектов размещения отходов или в сельском хозяйстве из агропромышленных сооружений. Если будет принято решение о целесообразности исключения метана из списка загрязняющих веществ, то необходимо проработать замещающие механизмы, стимулирующие предприятия к повышению энергоэффективности и ресурсосбережению, указал он.

Применение метана

Метан — наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо и как сырьё для промышленности. Так, хлорированием метана производят метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, четырёххлористый углерод.

При неполном сгорании метана получают сажу, при каталитическом окислении — формальдегид, при взаимодействии с серой — сероуглерод.

Термоокислительный крекинг и электрокрекинг метана— важные промышленные методы получения ацетилена.

Каталитическое окисление смеси метана с аммиаком лежит в основе промышленного производства синильной кислоты. Метан используют как источник водорода в производстве аммиака, а также для получения водяного газа (т. н. синтез-газа): CH4 + H2O → CO + 3H2, применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и др

 Важное производное метана — нитрометан

Автомобильное топливо

Метан широко используется в качестве моторного топлива для автомобилей. Однако плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20–25 МПа (200–250 атмосфер). Для хранения газа в таком состоянии используются специальные баллоны, которые устанавливаются на автомобилях.

Метан и парниковый эффект

Метан является парниковым газом. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание в атмосфере метана  росло очень быстро на протяжении последних двух столетий.

Сейчас среднее содержание метана CH₄ в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million, частей на миллион). И, хотя это в 200 раз меньше, чем содержание в ней углекислого газа (CO₂), в расчете на одну молекулу газа парниковый эффект от метана — то есть его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей — существенно выше, чем от СО₂. Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов — СO₂, паров воды, метана и некоторых других примесей  средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C , а сейчас она около +15°C.

Метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана — высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.

Возможности утилизации метана

Некоторые методы регенерации метана для некоторых основных источников выбросов. — Управление навозными стоками.

Метан из систем очистки жидкого навоза может быть извлечен и использован для восполнения дефицита сельскохозяйственной энергии.

Извлеченный метан может быть использован в качестве экологически чистого источника энергии для    производства электроэнергии или в качестве топлива для электродвигателей, котлов или холодильных установок.

— Угольные шахты.

Для снижения риска взрыва метан удаляется из подземных шахт до, во время или после добычи угля.

Вместо того чтобы выбрасывать его в атмосферу, можно изучить и реализовать выгодное использование метана.

— Свалки. 

Основным способом сокращения выбросов метана со свалок является сбор, сжигание или другое  использование свалочного газа.

— Природный газ и нефтяные системы.Возможности сокращения выбросов метана в этом секторе включают усовершенствование процессов и  оборудования. Возможности сокращения выбросов метана обычно делятся на следующие категории:1) модернизация технологий или оборудования для снижения или устранения утечек или летучих выбросов.

2) улучшение практики управления и операционных процедур.

3) принятие усовершенствованных методов управления.

Поможет ли снижение уровня метана в борьбе с изменением климата?

Углекислый газ остается в атмосфере в течение сотен и тысяч лет. Это означает, что даже если выбросы CO2 будут сокращены быстро и значительно, мы увидим их влияние на климат только в конце этого столетия. Но разложение метана занимает всего около десяти лет. Поэтому сокращение выбросов метана в настоящее время окажет влияние в краткосрочной перспективе и является необходимым для того, чтобы помочь миру достичь цели по ограничению температуры на 1,5°C.

Особенности круговорота углерода

Углерод – это элемент, который встречается во многих различных формах и местах нашей Земли и атмосферы. Как упоминалось ранее, он в больших количествах содержится в живых организмах. Без этого элемента мы бы даже не существовали. Ключевые молекулы, из которых состоит наш организм, такие как белки, углеводы и ДНК, содержат углерод в качестве основного компонента. Углерод также в изобилии присутствует в нашей атмосфере в форме углекислого газа или CO₂. Кроме того, углерод также содержится в Земле в виде ископаемого топлива.

Важно понимать, что наша Земля и ее атмосфера в целом являются замкнутой средой. Материя, которая существует сейчас, – это все, что у нас когда-либо будет

Вы когда-нибудь слышали фразу: «Материю невозможно создать или уничтожить»? Возьмем, к примеру, воду. Вода постоянно циркулирует на Земле и атмосфере. Она испаряется из океанов и других водоемов и удерживается в облаках. Затем выпадает в виде дождя или снега. Вода никогда не создается и не уничтожается, она лишь перерабатывается.

Точно так же у нас есть фиксированное количество углерода на Земле и в атмосфере. Мы находимся в нашем собственном пузыре, и, по сути, практически ничто не выходит из нашего мира и не входит в него. Мы не получаем межгалактических поставок необходимых элементов, таких как углерод. Это означает, что весь углерод на Земле и в атмосфере, равен тому количеству, которое у нас всегда было. Итак, когда формируются новые организмы, необходим углерод для образования ключевых молекул, таких как белок и ДНК. Но откуда он берется? Вот тут и начинает работать круговорот углерода в природе.