Biogeocheminiai ciklai ir cheminiai rezervuarai

Ciklas pernaša susieja cheminius rezervuarus

Rezervuare, apibrėžtame pasirinktomis ribomis, yra tam tikros komponento atsargos. Srautas apibūdina jo pernašą per laiko vienetą per ribą arba tarp rezervuarų. Nurodykite, ar atsargų apskaita skaičiuoja molekules, elementą, pavyzdžiui, anglį, ar pagal susitarimą apibrėžtą masės ekvivalentą.

Cheminės reakcijos gali pakeisti chemines formas išlaikydamos pasirinktą elementą. Fizinė pernaša gali perkelti cheminę formą nepakeisdama jos tapatybės. Ciklo schema turi atskirti šiuos procesus ir nurodyti, kas patenka į vaizduojamą sistemą ar iš jos išeina.

Atsargoms ir koncentracijai taikomi skirtingi balansai

Imkite originalų hipotetinį rezervuarą, kuriame yra 1,260 mol anglies atomų, žymimų mol C. Penkioms dienoms priskirkite pastovų įėjimą 84.0 mol C day⁻¹ ir išėjimą 63.0 mol C day⁻¹, įtraukdami visas apskaitomas anglies formas šiose ribose. Grynasis kaupimas yra 21.0 mol C day⁻¹, todėl galutinės atsargos yra 1,365 mol C. Atskirai integruoti įėjimas ir išėjimas yra 420 ir 315 mol C.

Pradinis atsargų ir išėjimo santykis yra 1,260/63.0=20.0 dienų. Šios kintančios atsargos nėra stacionarios, o santykis nėra nei kiekvieno anglies atomo amžius, nei gerai sumaišytos eksponentinės sistemos kitimo trajektorija. Jei išėjimas vietoj to lygus įėjimui, 84.0 mol C day⁻¹, atsargos lieka 1,260 mol C, o jų santykis yra 15.0 dienų, nors medžiaga ir toliau prateka.

Atskirame išgalvotame mišinyje sujunkite 0.650 m³, kur koncentracija 3.20 mmol C L⁻¹, su 1.85 m³, kur koncentracija 0.800 mmol C L⁻¹. Numatykite, kad tūriai sudedami, bendras ištirpusios anglies kiekis išlieka, reakcijų ar dujų mainų nėra. Paverskite kubinius metrus litrais: kiekiai yra 2,080 ir 1,480 mmol C.

Bendras jų kiekis 3,560 mmol C, esantis 2,500 L, duoda 1.424 mmol C L⁻¹. Nesvertinis koncentracijų vidurkis būtų 2.00 mmol C L⁻¹ ir neatsižvelgtų į nevienodus tūrius. Pridėjus 0.500 m³ vandens be anglies, tūris tampa 3,000 L, o koncentracija 1.18666667 mmol C L⁻¹, išlaikant tą patį anglies kiekį. Šis praskiedimas anglies nesunaikina.

Stacionarus rezervuaras gali turėti nuolatinį pratekėjimą

Atsargų pokytis lygus įėjimams, atėmus išėjimus ir pridėjus susidarymą ar atėmus nuostolius, įtrauktus į jų apibrėžtį. Jei visi svarbūs nariai subalansuoti, atsargos gali likti pastovios, nors medžiaga nuolat patenka ir išeina. Pastovi koncentracija papildomai priklauso nuo rezervuaro tūrio.

Išbuvimo trukmės įvertis, gaunamas atsargas padalijus iš išėjimo srauto, priklauso nurodytam apykaitos modeliui. Jis savaime nėra atskiros molekulės amžius, atsako į sutrikdymą trukmė ar universali gyvavimo trukmė, nepriklausoma nuo maišymo ir pernašos.

Cheminėms formoms ir laiko vidurkiams reikia atskirų apibrėžčių

Nurodykite kitas originalias atsargas: 12.0 mol CO₂, 5.00 mol CH₄ ir 0.800 mol kalcito CaCO₃. Kiekviename formuliniame vienete yra vienas anglies atomas, todėl bendros atsargos yra 17.8 mol C. Tai apibrėžta fazių apskaita, neteigiant, kad komponentai pasiekia pusiausvyrą. Vien bendras elemento kiekis neidentifikuoja jo cheminių formų.

Formali suminė reakcija CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O abiejose pusėse subalansuoja C₁H₄O₄ ir nulinį krūvį. Vien apskaitai priskirkite 2.50 mol vyksmo mastą: CO₂ tampa 14.5 mol, CH₄ tampa 2.50 mol, kalcito lieka 0.800 mol; bendras anglies kiekis lieka 17.8 mol C. Suminė reakcija sunaudoja 5.00 mol O₂ ir sudaro 5.00 mol H₂O. Nei lygtis, nei šis vyksmo mastas nesuteikia reakcijos spartos ar medžiagų naudojimo procedūros.

Atskirame stacionariame modelyje tiekite 15.0 mol C day⁻¹ į du nepriklausomus lygiagrečius gerai sumaišytus pirmosios eilės telkinius. Dalys 0.800 ir 0.200 patenka į telkinius, kuriems priskirtos eksponentinės trukmės τ₁=4.00 dienų ir τ₂=36.0 dienų. Pernašos tarp telkinių nėra; amžius reiškia laiką nuo patekimo. Stacionarioje būsenoje kiekvieno telkinio atsargos yra jo įėjimo srautas, padaugintas iš jo τ: 48.0 ir 108 mol C, iš viso 156 mol C.

Bendras atsargų ir išėjimo santykis yra 156/15.0=10.4 dienų. Vidutinė išeinančios medžiagos tranzito trukmė sveriama pagal įėjimo dalis: 0.800×4.00+0.200×36.0=10.4 dienų. Vidutinis sukauptos anglies amžius sveriamas pagal atsargas: (48.0×4.00+108×36.0)/156=26.1538462 dienų. Šie vidurkiai apibūdina skirtingas populiacijas.

Pakeitus lėtojo telkinio trukmę į 18.0 dienų ir palaukus naujos numatytos stacionarios būsenos, gaunamos 48.0 ir 54.0 mol C atsargos. Bendro 102 mol C kiekio apykaitos santykis ir vidutinė išėjimo tranzito trukmė yra 6.80 dienų; vidutinis atsargų amžius yra 11.4117647 dienų. Tai stacionarių būsenų palyginimas, o ne pereinamojo proceso eiga laike. Lentelėje svoriai paliekami matomi.

Elementas gali pereiti per kelias chemines formas

Anglis, azotas, siera ir kiti elementai būna cheminėse formose, kurių oksidacijos laipsniai, sąveikos ir judrumas skiriasi. Biologiniai virsmai, mineralų reakcijos ir fiziniai mainai gali susieti jų rezervuarus. Cheminė forma svarbi interpretuojant elemento pernašą ir poveikį.

Vien elemento balansas neidentifikuoja virsmo kelio. Tą pačią grynąją pernašą gali duoti daugiau nei vienas cheminių reakcijų tinklas. Izotopiniai, pagal chemines formas išskirti ir nuo laiko priklausantys stebėjimai gali suteikti papildomų įrodymų pagal savus modelius.

Ciklo modeliui reikia erdvinių ir laiko ribų

Vietinis mėginys, baseinas, vandens telkinys ir pasaulinis rezervuaras apibūdina skirtingus mastelius. Sezoniniai pokyčiai, maišymas ir pernašos delsos gali paveikti, kuris supaprastintas balansas naudingas. Nurodykite intervalą, kuriam apibrėžtas srautas ar vidurkis.

Toliau pateikti originalūs rezervuarai iliustruoja atsargų ir srautų samprotavimą išgalvotomis vertėmis. Tai nėra dabartiniai planetos atsargų įverčiai, aplinkosaugos tikslai ar įrodymas, kad vienas vietinis matavimas atspindi pasaulinį ciklą.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Pakeiskite tik išėjimą į 84.0 mol C day⁻¹. Raskite galutines atsargas po penkių dienų ir atsargų bei išėjimo santykį. Ar pastovios atsargos reiškia, kad pernašos nėra?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   1,260 mol C; 15.0 dienų; pernaša tebevyksta.

   Įėjimo ir išėjimo bendri kiekiai yra po 420 mol C, todėl grynasis pokytis nulinis, nors pratekėjimas nenulinis.

2. Į nurodytą mišinį pridėkite 0.500 m³ vandens be anglies. Raskite anglies kiekį ir koncentraciją.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   3,560 mmol C; 1.18666667 mmol C L⁻¹.

   Kiekis lieka pastovus, o bendras tūris tampa 3,000 L.

3. Nurodytoms atsargoms pritaikykite formalią reakciją CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O, kurios vyksmo mastas 2.50 mol. Raskite naujus cheminių formų kiekius ir O₂/H₂O apskaitą.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   CO₂ 14.5 mol; CH₄ 2.50 mol; CaCO₃ 0.800 mol; sunaudota O₂ ir susidarė H₂O po 5.00 mol.

   Bendras anglies kiekis lieka 17.8 mol C. Formalus vyksmo mastas nesuteikia kinetikos įrodymų.

4. Pakeiskite lėtojo telkinio trukmę į 18.0 dienų ir palyginkite naujas stacionarias atsargas bei vidutines trukmes.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Atsargos 48.0/54.0 mol C; atsargų ir išėjimo santykis bei išėjimo tranzitas 6.80 dienų; vidutinis sukauptos medžiagos amžius 11.4117647 dienų.

   Naujos atsargos gaunamos įėjimą dauginant iš priskirtos telkinio trukmės; vidutinis amžius tebėra sveriamas pagal atsargas.

Ką verta įsidėmėti

• Atsargos kinta dėl suderinamo grynojo įėjimo per laiką.
• Mišinio koncentracijai apskaičiuoti reikia medžiagos kiekio ir tūrio balanso.
• Išliekantis elementas gali pereiti tarp skirtingų cheminių formų.
• Atsargų apykaitai, sukauptos medžiagos amžiui ir išėjimo tranzitui reikia nurodytų svorių bei prielaidų.