Гидрологический цикл | Национальное географическое общество
Круговорот воды описывает, как происходит обмен (круговорот) воды через сушу, океан и атмосферу Земли. Вода всегда существует во всех трех фазах и во многих формах — в виде озер и рек, ледников и ледяных щитов, океанов и морей, подземных водоносных горизонтов и паров в воздухе и облаков.
Испарение, конденсация и осадки
Круговорот воды состоит из трех основных процессов: испарения, конденсации и осаждения.
Испарение
Испарение – это процесс превращения поверхности жидкости в газ. В круговороте воды жидкая вода (в океане, озерах или реках) испаряется и становится водяным паром.
Водяной пар окружает нас, являясь важной частью воздуха, которым мы дышим. Водяной пар также является важным парниковым газом. Парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ, изолируют Землю и поддерживают температуру планеты достаточной для поддержания жизни, какой мы ее знаем.
Увеличение количества парниковых газов в атмосфере также способствует глобальному потеплению.
Процесс испарения водного цикла управляется солнцем. Когда солнце взаимодействует с жидкой водой на поверхности океана, вода становится невидимым газом (водяным паром). На испарение также влияют ветер, температура и плотность водоема.
Конденсация
Конденсация – это процесс перехода газа в жидкость. В круговороте воды водяной пар в атмосфере конденсируется и становится жидким.
Конденсация может происходить высоко в атмосфере или на уровне земли. Облака образуются, когда водяной пар конденсируется или становится более концентрированным (плотным). Водяной пар конденсируется вокруг крошечных частиц, называемых ядрами облачной конденсации (CCN). CCN может быть пылинками, солью или загрязняющими веществами. Облака на уровне земли называются туманом или мглой.
Как и испарение, на конденсацию также влияет солнце. Когда водяной пар охлаждается, он достигает предела насыщения или точки росы.
Атмосферное давление также оказывает важное влияние на точку росы в помещении.
Осадки
Как и в случае испарения и конденсации, осаждение представляет собой процесс. Осадки — это любая жидкая или твердая вода, выпадающая на Землю в результате конденсации в атмосфере. Осадки включают дождь, снег и град.
Туман — это не осадки. Вода в тумане недостаточно конденсируется, чтобы выпасть в осадок, или сжижается и падает на Землю. Туман и дымка являются частью круговорота воды, называемого взвесями: это жидкая вода, взвешенная в атмосфере.
Осадки являются одним из многих способов круговорота воды из атмосферы на землю или в океан.
Прочие процессы
Испарение, конденсация и осадки являются важными частями круговорота воды. Однако они не единственные.
Сток, например, описывает различные способы движения жидкой воды по суше. Например, таяние снега является важным типом стока, образующегося при таянии снега или ледников и образовании ручьев или луж.
Транспирация – еще одна важная часть круговорота воды. Транспирация – это процесс выделения водяного пара растениями и почвой. Растения выделяют водяной пар через микроскопические поры, называемые устьицами. Открытие устьиц сильно зависит от света, поэтому его часто связывают с солнцем и процессом испарения. Эвапотранспирация — это комбинированные компоненты испарения и транспирации, которые иногда используются для оценки движения воды в атмосфере.
Состояния воды
В круговороте воды вода постоянно проходит через три состояния: твердое, жидкое и парообразное.
Лед – это твердая вода. Большая часть пресной воды Земли состоит из льда, запертого в массивных ледниках, ледяных щитах и ледяных шапках.
Когда лед тает, он превращается в жидкость. Океан, озера, реки и подземные водоносные горизонты содержат жидкую воду.
Водяной пар — невидимый газ. Водяной пар распределяется в атмосфере неравномерно. Над океаном водяного пара намного больше, и он составляет целых четыре процента воздуха.
Над изолированными пустынями она может составлять менее одного процента.
Круговорот воды и климат
Круговорот воды оказывает сильное влияние на климат и экосистемы Земли.
Климат – это все погодные условия места, оцениваемые за определенный период времени. Два погодных условия, влияющие на климат, включают влажность и температуру. На эти погодные условия влияет круговорот воды.
Влажность — это просто количество водяного пара в воздухе. Поскольку водяной пар неравномерно распределяется в водном цикле, в некоторых регионах влажность выше, чем в других. Этому способствует кардинально разный климат. Острова или прибрежные районы, где водяной пар составляет большую часть атмосферы, обычно гораздо более влажные, чем внутренние районы, где водяного пара меньше.
Температура региона также зависит от круговорота воды. В ходе круговорота воды происходит теплообмен и колебания температуры. Например, когда вода испаряется, она поглощает энергию и охлаждает окружающую среду.
Когда вода конденсируется, она высвобождает энергию и нагревает окружающую среду.
Круговорот воды и ландшафт
Круговорот воды также влияет на физическую географию Земли. Таяние ледников и эрозия, вызванная водой, — это два способа, которыми круговорот воды помогает создавать физические особенности Земли.
По мере того, как ледники медленно расширяются по ландшафту, они могут вырезать целые долины, создавать горные пики и оставлять после себя обломки размером с валуны. Долина Йосемити, часть национального парка Йосемити в американском штате Калифорния, представляет собой ледниковую долину. Знаменитый Маттерхорн, пик в Альпах между Швейцарией и Италией, образовался в результате столкновения ледников и сжатия земли между ними. Канадская «Большая скала» является одним из крупнейших в мире «ледниковых валунов», валунов, оставленных после наступления или отступления ледника.
Таяние ледников также может создавать формы рельефа. Великие озера, например, являются частью ландшафта Среднего Запада США и Канады.
Великие озера были созданы, когда огромный ледяной щит растаял и отступил, оставив жидкие бассейны.
Процесс эрозии и движение стока также создают разнообразные ландшафты на поверхности Земли. Эрозия – это процесс, при котором земля стирается жидкой водой, ветром или льдом.
Эрозия может включать движение стока. Например, поток воды может помочь вырезать огромные каньоны. Эти каньоны могут быть вырезаны реками на высоких плато (например, Гранд-Каньон на плато Колорадо в американском штате Аризона). Они также могут быть вырезаны течениями глубоко в океане (например, в каньоне Монтерей в Тихом океане у побережья американского штата Калифорния).
Резервуары и время пребывания
Резервуары — это просто места, где вода существует в любой момент водного цикла. Например, подземный водоносный горизонт может хранить жидкую воду. Океан – это резервуар. Ледяные щиты являются резервуарами. Сама атмосфера является резервуаром водяного пара.
Время пребывания – это количество времени, которое молекула воды проводит в одном резервуаре.
Например, время пребывания «ископаемой воды», древних резервуаров подземных вод, может составлять тысячи лет.
Время пребывания воды в антарктическом ледяном щите составляет около 17 000 лет. Это означает, что молекула воды будет оставаться льдом примерно столько же времени.
Время пребывания воды в океане намного меньше — около 3200 лет.
Время пребывания воды в атмосфере самое короткое из всех — около девяти дней.
Расчет времени пребывания может быть важным инструментом для разработчиков и инженеров. Например, инженеры могут учитывать время пребывания в резервуаре при оценке того, насколько быстро загрязняющее вещество будет распространяться по резервуару. Время проживания также может влиять на то, как сообщества используют водоносный горизонт.
Краткий факт
Разорвать круговорот
Круговорот воды может измениться. Отступление ледников — это процесс, при котором ледники тают быстрее, чем их лед может быть заменен осадками.
Отступление ледников ограничивает количество доступной пресной воды на Земле. Мы наблюдаем самое быстрое отступление ледников за всю историю наблюдений.
Статьи и профили
National Geographic: весенние дожди затемняют спутник Сатурна Титан
Веб-сайт
Геологическая служба США: Компоненты водного цикла
Функциональные группы | Биология для специальностей I
Результаты обучения
- Определение свойств молекул с гидроксильными группами
- Определите свойства молекул с карбоксильными группами
- Определите атрибуты молекул с аминогруппами
- Определите атрибуты молекул с фосфатными группами
- Определите атрибуты молекул с метильными группами
- Определите атрибуты молекул с карбонильными группами
- Определите атрибуты молекул с сульфгидрильными группами
Функциональные группы — это группы атомов, которые входят в состав органических молекул и придают этим молекулам определенные химические свойства.
Когда показаны функциональные группы, органическая молекула иногда обозначается буквой «R». Например, этанол обычно рисуется так:
Чтобы сжать структуру и сосредоточиться на гидроксильной группе (кислород и водород, связанные со вторым углеродом), все, кроме гидроксильной группы, нужно заменить на R, как показано ниже:
Примечание. R не всегда обозначает одну и ту же органическую молекулу. Он может заменять бесконечное разнообразие молекул.
Функциональные группы находятся вдоль «углеродного остова» макромолекул, который образован цепочками и/или кольцами атомов углерода с случайным замещением элемента, такого как азот или кислород. Молекулы с другими элементами в их углеродном остове представляют собой замещенные углеводороды. Каждый из четырех типов макромолекул — белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты — имеет свой собственный характерный набор функциональных групп, который в значительной степени определяет их различные химические свойства и их функции в живых организмах.
Свойства функциональных групп
Функциональная группа может участвовать в определенных химических реакциях. Некоторые из важных функциональных групп в биологических молекулах включают: гидроксильные, метильные, карбонильные, карбоксильные, амино, фосфатные и сульфгидрильные группы. Эти группы играют важную роль в формировании таких молекул, как ДНК, белки, углеводы и липиды.
Классификация функциональных групп
Функциональные группы обычно классифицируют как гидрофобные или гидрофильные в зависимости от их заряда или полярности. Примером гидрофобной группы является неполярная молекула метана. Среди гидрофильных функциональных групп есть карбоксильная группа, обнаруженная в аминокислотах, некоторых боковых цепях аминокислот и головках жирных кислот, которые образуют триглицериды и фосфолипиды. Эта карбоксильная группа ионизируется с высвобождением ионов водорода (H + ) из группы -СООН, в результате чего получается отрицательно заряженная группа -СОО 
Другие функциональные группы, такие как карбонильная группа, имеют частично отрицательно заряженный атом кислорода, который может образовывать водородные связи с молекулами воды, что опять же делает молекулу более гидрофильной.
| Таблица 1. Важные функциональные группы в биологии | |||
|---|---|---|---|
| Функциональная группа | Структура | Свойства | Общие характеристики |
| Гидроксил | Полярный Гидрофильный | Характеризуется наличием H и O Простая конструкция | |
| Сульфгидрил | Полярный | Характеризуется наличием S Простая разветвленная структура | |
| Метил | Неполярный | Характеризуется наличием H и C Простая структура | |
| Карбонил | Полярный | Характеризуется центральным C и O Связан с 2 органическими боковыми группами Двойная связь с кислородом увеличивает полярность | |
| Карбоксил | Заряжен, ионизирован до высвобождения H + . Поскольку карбоксильные группы могут выделять в раствор ионы H + , они считаются кислыми. | Характеризуется центральным C, связанным с O и OH Кислотный | |
| Амино | Заряжено, принимает H + для формирования NH 3 + . Поскольку аминогруппы могут удалять H + из раствора, они считаются основными. | Характеризуется наличием N Разветвленная структура | |
| Фосфат | Заряжен, ионизируется до высвобождения H + . Поскольку фосфатные группы могут высвобождать ионы H + в раствор, они считаются кислыми. Кислотный | Характеризуется наличием P Сложная конструкция | |
Практические вопросы
Фруктоза — это распространенный сахар, с которым вы, вероятно, сталкивались в своей жизни. Какие функциональные группы можно найти в молекуле фруктозы?
Показать ответ
Лейцин — аминокислота, играющая важную роль в развитии мышц.
Какие функциональные группы можно найти в молекуле лейцина?
Показать ответ
Водородные связи между функциональными группами
Водородные связи между функциональными группами (внутри одной и той же молекулы или между разными молекулами) важны для функционирования многих макромолекул и помогают им правильно складываться и сохранять форму, необходимую для функционирования. Водородные связи также участвуют в различных процессах распознавания, таких как комплементарное спаривание оснований ДНК и связывание фермента с его субстратом, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Водородные связи соединяют две нити ДНК вместе, образуя двойную спиральная структура.
Резюме: функциональные группы
Уникальные свойства углерода делают его центральной частью биологических молекул. Углерод ковалентно связывается с кислородом, водородом и азотом, образуя множество молекул, важных для функционирования клеток. Углерод имеет четыре электрона на внешней оболочке и может образовывать четыре связи.
