Схема круговорота углерода
Схемы круговорота углерода: резервуары и потоки в Гт C, простая школьная версия из блоков и стрелок, океанические насосы углерода и круговорот углерода и кислорода. Пригодятся на уроках наук о Земле, в материалах о климате и статьях.
Примеры схемы круговорота углерода
Каждая карточка показывает то, что действительно нарисовал её запрос: глобальную схему резервуаров и потоков с запасами в Гт C и годовыми потоками, школьную версию из шести блоков с процессом на каждой стрелке, океанический круговорот углерода от поверхности до дна, и круговорот углерода и кислорода как продуценты и консументы с уравнениями. Нажмите на карточку, чтобы загрузить её запрос и переписать его.
Круговорот углерода с подписями: куда каждая стрелка переносит углерод
Читайте столбец суши слева, ветвь ископаемого топлива в центре, затем столбец океана справа. Каждый наконечник стрелки упирается в блок, куда переходит углерод.
- 1
Фотосинтез и дыхание растений
Наземные растения забирают CO₂ из атмосферы; дыхание и вырубка лесов сразу возвращают часть обратно.
- 2
Опад и разложение
Мёртвая органика и опад питают почву, где редуценты возвращают углерод в атмосферу при дыхании.
- 3
Фоссилизация → горение
За миллионы лет углерод почвы становится углём, нефтью и газом; горение сразу возвращает его в воздух.
- 4
Океан и осадки
Море поглощает и выделяет CO₂; тонущие раковины становятся осадком, который вновь освобождают вулканы.
Круговорот углерода в океане: как CO₂ попадает в глубины
Океанический столбец схемы с подписями, раскрытый от поверхности до дна. Углерод вниз переносят два насоса.
- 1
Обмен на поверхности и фотосинтез
CO₂ растворяется в воде; фитопланктон фиксирует его, а планктон и рыбы возвращают при дыхании.
- 2
Биологический насос
Мёртвый планктон, фекальные пеллеты и раковины тонут как морской снег; на глубине бактерии окисляют его до CO₂.
- 3
Насос растворимости и осадки
Холодная полярная вода опускается с растворённым CO₂; раковины, дошедшие до дна, становятся известняком.
Схемы круговорота углерода: с подписями, простые, модельные, океанические и с участием человека
Через каждую из этих схем идёт один и тот же углерод; меняется лишь то, какую часть планеты показывает рисунок и есть ли на нём числа. Это версии, которые чаще всего ищут, и что в каждой должно быть.
Круговорот углерода в природе с подписями
Полный рисунок для урока биологии или наук о Земле. Резервуары: атмосфера, наземные растения, животные, почва с редуцентами, ископаемое топливо, океан и карбонатные породы. Процессы, по одной стрелке: фотосинтез, дыхание, питание, отмирание и выделения, разложение, захоронение, горение, растворение в море и выход из моря, осадконакопление и извержение вулканов. Только фотосинтез и растворение направлены вниз из воздуха; все остальные стрелки, касающиеся неба, направлены вверх.
Простая схема круговорота углерода
Базовая схема для первого урока: CO₂ в воздухе, растения, животные, мёртвые остатки, ископаемое топливо и сжигание, связанные фотосинтезом, питанием, дыханием, разложением и горением. Без океана, без горных пород, без чисел. И всё же на ней должно быть видно, что растения не только фотосинтезируют, но и дышат: чаще всего в упрощённом круговороте забывают стрелку от растений обратно в воздух.
Рисунок круговорота углерода, который можно перерисовать
Чтобы нарисовать круговорот углерода от руки, используйте блоки вместо пейзажа и разместите их в три ряда: атмосфера наверху, растения и животные посередине, почва и ископаемое топливо внизу, океан сбоку. Сначала нарисуйте все блоки, потом стрелки: одну вниз из атмосферы в растения и стрелки вверх от всего, что дышит, гниёт или горит. Для рисунка от руки достаточно восьми-десяти стрелок.
Модель круговорота углерода с резервуарами и потоками
Модельная версия заменяет пейзаж числами: каждый запас в гигатоннах углерода (Гт C), каждая стрелка в Гт C в год. Порядок величин: атмосфера около 870, растительность около 450, почвы около 1 700, поверхностный океан около 900, глубинный океан около 37 000, оставшиеся запасы ископаемого топлива 1 000–1 500, осадочные породы десятки миллионов. Потоки: фотосинтез около 120 Гт C/год, возвращаемые примерно по 60 дыханием растений и почвами; поглощение океаном около 80 против примерно 78 выделения; ископаемое топливо и цемент около 10; вулканы около 0,1.
Круговорот углерода и кислорода
Парный рисунок: фотосинтез поглощает CO₂ и воду и выделяет глюкозу и O₂; клеточное дыхание поглощает глюкозу и O₂ и выделяет CO₂ и воду. Рисуется как два блока, продуценты и консументы, соединённые стрелкой CO₂ в одну сторону и стрелкой O₂ в другую, с двумя уравнениями внизу: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ и обратное. Отметьте, что продуценты тоже дышат, иначе ученики решат, что растения только выделяют кислород.
Схема круговорота углерода в океане
Море в разрезе: CO₂ растворяется у поверхности, образуя угольную кислоту, гидрокарбонат- и карбонат-ионы; фитопланктон его фиксирует; мёртвый планктон и раковины тонут как морской снег (биологический насос); холодная плотная вода опускается в высоких широтах вместе с растворённым углеродом (насос растворимости); карбонат кальция оседает на дно, давая начало известняку. Добавьте подпись pH, чтобы показать закисление океана.
Влияние человека на круговорот углерода
Природный круг плюс стрелки, добавленные людьми: сжигание ископаемого топлива и производство цемента (около 10 Гт C в год), вырубка и выжигание лесов (около 1–1,5 Гт C в год) и растущий блок атмосферы: CO₂ вырос примерно с 280 ppm до 1800 года до более чем 420 ppm сейчас. Из дополнительного углерода около 30% ушло в океан и около 25% в наземные растения; остальное осталось в воздухе.
Медленный и быстрый круговорот углерода
Два круга с разной скоростью. Быстрый круговорот идёт через живые организмы за время жизни: фотосинтез, дыхание и разложение перемещают от 1 000 до 100 000 млн тонн углерода в год. Медленный круговорот идёт через горные породы за 100–200 млн лет: дождь выветривает породы, реки уносят углерод в море, он оседает известняком, а субдукция и вулканы со временем возвращают его, всего 10–100 млн тонн в год.
Этапы круговорота углерода: каждый процесс и куда он переносит углерод
Процессы, которые схема с подписями называет на стрелках, в порядке большинства учебников: сначала биологический круг, затем долговременные запасы и океан.
| Процесс | Углерод переходит из → в | Что происходит |
|---|---|---|
| Фотосинтез | Атмосфера → растения и водоросли | Энергия света превращает CO₂ и воду в глюкозу с выделением O₂ |
| Питание | Растения → животные | Травоядные, затем хищники получают углерод в виде сахаров, жиров и белков растения |
| Клеточное дыхание | Растения, животные, микробы → атмосфера | Глюкоза расщепляется с O₂ ради энергии, выделяя CO₂ и воду |
| Отмирание и выделения | Растения и животные → почва | Опад, трупы и навоз становятся органическим веществом почвы |
| Разложение | Почва → атмосфера | Бактерии и грибы окисляют мёртвое вещество, выделяя CO₂ (и метан там, где нет кислорода) |
| Захоронение и фоссилизация | Мёртвое вещество → ископаемое топливо | За миллионы лет погребённые остатки под действием тепла и давления становятся углём, нефтью и природным газом |
| Горение | Ископаемое топливо и древесина → атмосфера | Сжигание за секунды окисляет запасённый углерод обратно до CO₂ |
| Растворение (диффузия) | Атмосфера → океан | CO₂ растворяется у поверхности, образуя угольную кислоту, гидрокарбонат- и карбонат-ионы |
| Дегазация | Океан → атмосфера | Тёплая поверхностная вода выделяет растворённый CO₂ обратно в воздух |
| Осадконакопление | Океан → породы морского дна | Раковины из карбоната кальция оседают и уплотняются в известняк |
| Извержение вулканов | Горные породы → атмосфера | Погружённые при субдукции карбонатные породы плавятся, и их углерод выходит в виде CO₂ |
Школьный круговорот углерода обычно ограничивается первыми семью строками; курсы наук о Земле добавляют строки океана и пород. Выветривание силикатных пород, которое за миллионы лет медленно извлекает CO₂ из дождевой воды, относится к медленному круговороту. Назовите процессы из вашей программы, и будут нарисованы только эти стрелки.
Что такое круговорот углерода?
Круговорот углерода это перемещение углерода между атмосферой, живыми организмами, почвами, океаном и горными породами: растения и водоросли забирают углекислый газ из воздуха при фотосинтезе, а дыхание, разложение, горение и вулканы его возвращают. Схема круговорота углерода рисует каждый запас как блок или сцену, а каждый переход как одностороннюю стрелку, чтобы углерод можно было проследить из воздуха в лист и обратно.
Ключевые факты
- CO₂ составляет лишь около 0,04% воздуха, примерно 420 частей на миллион. До промышленной революции было около 280 ppm; рост вызван сжиганием ископаемого топлива и вырубкой лесов.
- Большая часть углерода Земли заключена в горных породах. По оценке NASA, это около 65 500 млрд тонн, в основном в виде известняка из карбонатных раковин морских организмов: крупнейший резервуар углерода на планете.
- В океане примерно в 50 раз больше углерода, чем в атмосфере. Более 90% его растворено в виде гидрокарбонат-ионов, которые образуются при реакции CO₂ с морской водой.
- Фотосинтез и дыхание почти уравновешивают друг друга. Каждый перемещает на суше порядка 120 млрд тонн углерода в год; сжигание ископаемого топлива добавляет около 10, немного по сравнению с ними, но в одну сторону, поэтому углерод копится в воздухе.
- Углерод движется с двумя скоростями. Через живые организмы он совершает круг за время жизни; через горные породы, выветривание, осадки и вулканы за 100–200 млн лет.
Круговорот углерода и круговорот азота
Оба это биогеохимические круговороты, проходящие через воздух, почву и живые организмы, но углерод попадает в живое напрямую через фотосинтез, а азот должен быть сначала фиксирован бактериями, прежде чем растение сможет его использовать. Поэтому круговорот углерода рисуют вокруг растений, а круговорот азота вокруг почвенных микробов.
| Круговорот углерода | Круговорот азота | |
|---|---|---|
| Форма в воздухе | CO₂, около 0,04% атмосферы | N₂, около 78% атмосферы |
| Путь в живые организмы | Фотосинтез растений, водорослей и цианобактерий | Фиксация бактериями, затем корни поглощают аммоний и нитрат |
| Путь обратно в воздух | Дыхание, разложение и горение | Денитрификация бактериями |
| Крупнейший запас | Осадочные породы, например известняк | Атмосфера |
| Главное вмешательство человека | Ископаемое топливо и вырубка лесов добавляют CO₂ | Удобрения удваивают количество фиксируемого за год азота |
| Последствия избытка | Потепление и закисление океана | Цветение водорослей и мёртвые зоны в водоёмах |
Два круговорота встречаются в каждой живой клетке. Белкам и нуклеиновым кислотам нужны оба элемента, поэтому прирост углерода у растения при фотосинтезе ограничен тем, сколько фиксированного азота найдут его корни; именно поэтому азотные удобрения повышают урожай.
Вопросы о круговороте углерода
Что такое круговорот углерода простыми словами?
Углерод ходит по кругу: растения берут углекислый газ из воздуха, чтобы расти, животные едят растения, а всё, что дышит, гниёт или горит, возвращает углерод в воздух. По пути часть углерода надолго застревает, в виде угля, нефти и газа под землёй или известняка на морском дне, и возвращается только когда топливо сжигают или вулкан плавит породу.
Как нарисовать круговорот углерода?
Сначала нарисуйте запасы как блоки, а стрелки в последнюю очередь. Поставьте блок атмосферы наверху, растения и животных в среднем ряду, почву с редуцентами и ископаемое топливо в нижнем ряду, океан сбоку. Затем проведите одну стрелку из атмосферы вниз в растения (фотосинтез) и стрелки вверх в атмосферу от растений, животных и почвы (дыхание и разложение) и от ископаемого топлива (горение). Завершите стрелками растения → животные (питание), растения и животные → почва (отмирание и выделения), почва → ископаемое топливо (фоссилизация) и двумя стрелками океана, туда и обратно. Проверьте, что каждая стрелка указывает, куда идёт углерод.
Какие этапы у круговорота углерода?
Фотосинтез, питание, дыхание, отмирание и разложение, захоронение в ископаемое топливо и горение: в этом порядке углерод переходит из воздуха в растения, в животных, обратно в воздух или в почву, а из погребённых остатков снова в воздух при сжигании топлива. Полные версии добавляют океан (растворение, дегазация и осадконакопление в известняк) и извержение вулканов.
Как связаны круговороты углерода и кислорода?
Через две реакции, которые управляют обоими: фотосинтез использует CO₂ и выделяет O₂, а клеточное дыхание использует O₂ и выделяет CO₂. Фиксация шести CO₂ в одну глюкозу освобождает шесть O₂; дыхание этой глюкозой расходует шесть O₂ и возвращает шесть CO₂. Поэтому их часто рисуют одним рисунком, круговоротом углерода и кислорода.
Как человек влияет на круговорот углерода?
Прежде всего сжиганием ископаемого топлива, которое за несколько столетий переносит в воздух углерод, погребённый миллионы лет, и вырубкой лесов. Вместе это около 11 млрд тонн углерода в год. Океан и наземные растения поглощают чуть больше половины; остальное подняло CO₂ в атмосфере примерно с 280 до более чем 420 ppm, нагревая климат и закисляя морскую воду.
Как вырубка лесов влияет на круговорот углерода?
Она добавляет углерод в воздух дважды. Сожжённые или сгнившие деревья отдают углерод, запасённый в древесине, а на земле остаётся меньше растений, которые вытягивают CO₂ из воздуха фотосинтезом. Нарушенная почва тоже отдаёт часть своего углерода. На схеме это рисуют дополнительной стрелкой вверх от леса и более тонкой стрелкой фотосинтеза.
Какую роль играет горение в круговороте углерода?
Горение возвращает углерод в атмосферу в виде CO₂, сжигая его с кислородом: древесина, лесные пожары, уголь, нефть и природный газ. Сжигание древесины возвращает углерод, который дерево поглотило за свою жизнь; сжигание ископаемого топлива возвращает углерод, бывший вне круговорота миллионы лет, поэтому его количество в воздухе растёт, а не остаётся постоянным.
Какую роль играет фотосинтез в круговороте углерода?
Это главный путь, которым углерод покидает воздух и попадает в живые организмы. Наземные растения и морской фитопланктон с помощью энергии света превращают CO₂ и воду в глюкозу, и каждая пищевая цепь на схеме начинается с этого сахара. На схеме наземного круговорота это единственная большая стрелка вниз из атмосферы.
Что делают редуценты в круговороте углерода?
Бактерии и грибы разлагают мёртвые растения, мёртвых животных и отходы и при дыхании возвращают их углерод в воздух в виде CO₂. Без них углерод копился бы в мёртвом веществе. Там, где мало кислорода, в заболоченном торфе или глубоком иле, разложение замедляется, и углерод может пробыть в захоронении достаточно долго, чтобы стать углём или нефтью.
Как океан запасает углерод?
CO₂ растворяется у поверхности и реагирует с водой, образуя гидрокарбонат- и карбонат-ионы; часть поглощает фитопланктон, и два насоса уносят его вниз. Мёртвый планктон и раковины тонут как морской снег (биологический насос), а холодная вода, опускающаяся у полюсов, уносит растворённый углерод в глубины (насос растворимости). Раковины, дошедшие до дна, накапливаются карбонатными осадками, из которых получается известняк.
Почему круговорот углерода важен?
Он поддерживает примерно постоянное количество CO₂ в воздухе, а значит и температуру Земли, и поставляет углерод, из которого построено всё живое. Углекислый газ удерживает тепло, поэтому, когда круговорот выводится из равновесия, как сейчас из-за сжигания ископаемого топлива, климат теплеет, а океан закисляется.
Где хранится большая часть углерода Земли?
В горных породах, особенно в известняке и других карбонатных осадках. Дальше идут глубинный океан в виде растворённого гидрокарбоната, затем почвы, ископаемое топливо, наземные растения и атмосфера, которая из крупных запасов самая маленькая, но меняется быстрее всех.
Источники
Продолжить изучение
Другие наши инструменты для схем и руководства к ним.
Инструменты
Нарисуйте свою схему круговорота углерода
Суша, океан, ископаемое топливо или пара углерод и кислород, и каждая стрелка указывает туда, куда идёт углерод.
Начать рисовать