книги / Основы экологии

сти, планктонная пленка приурочена к эвфотической зоне Мирового океана, границе соприкосновения атмосферы и гидросферы. Донная пленка жизни занимает дно (бенталь) океана, находится на разделе жидкой и твердой фаз вещества.

Биосферное значение пленок жизни исключительно велико. В эвфотической зоне океана синтезируется ог­ ромное количество как живого, так и неживого вещества, которое в ней не может накапливаться и опускается под действием силы тяжести вниз, пока не достигнет дна. На дне мертвое органическое вещество служит пищей мно­ жеству организмов. Здесь же происходит накопление и захоронение абиогенного материала и того, что создано живым веществом, но извлечено из биологического кру­ говорота. По меткому выражению А.В.Лапо (1987), план­ ктонная пленка —огород океана, бенталь —это склад его готовой продукции.

На суше существуют две пленки жизни —наземная и почвенная. Наземная находится на поверхности почвы и полностью включает растительный покров и животное население суши. Почвенная пленка приурочена к тонко­ му поверхностному слою литосферы, преобразованному почвообразующими процессами. На суше пленки жизни имеют непосредственный контакт и резкой границы меж­ ду ними не существует.

Живое вещество в биосфере распределено неравномерно не только по вертикали, но и по площади, образуя сгу­ щения жизни. На суше такими сгущениями жизни явля­ ются леса, болота, поймы рек и озера.

В настоящее время выделяют следующие типы сгуще­ ния жизни в океане: прибрежное, саргассовое, рифовое, апвеллинговоеии абиссальное рифтовое.

Прибрежное сгущение жизни возникает там, где пе­ рекрываются планктонная и донная пленки жизни (по­ бережье, шельф и эстуарии рек). Солнечный свет, обиль­ ный приток органических и минеральных веществ с кон­ тинентов и перемешивание воды — основные причины высокой биологической продуктивности этой зоны оке­ ана.

Саргассовое сгущение приурочено к участкам океана, занятым бурой водорослью саргассум, например в Север­ ной Атлантике.

Рифовое сгущение, или коралловые рифы, —это массо­ вое мелководное поселение коралловых полипов и других морских организмов с твердым известковым скелетом, например Большой Барьерный риф в Тихом океане.

Апвеллинговое сгущение жизни образовано там, где ветры отгоняют теплую поверхностную воду от берегово­ го склона в субтропических и тропических широтах. В результате на поверхность поднимается холодная глу­ бинная вода, богатая биогенными элементами. Как пра­ вило, апвеллинги расположены у западных берегов кон­ тинентов и характеризуются колоссальным скоплением рыб и птиц, являясь наиболее продуктивными океани­ ческими областями.

Абиссальное рифтовое сгущение жизни открыто со­ всем недавно, в 1977 г., к северо-востоку от Галапагос­ ских островов на глубине 2450 м американскими учены­ ми на подводном аппарате “Алвин” . Оно представляет собой оазисы небольших размеров (несколько десятков метров в поперечнике) в глубоководных желобах (рифтах) и вне их, населенные рифтиями, полихетами, двухствор­ чатыми моллюсками, слепыми крабами и рыбами при полном отсутствии растений. Эта макрофауна питается хемоавтотрофными организмами, использующими тепло и сероводород, поступающий от гидротермальных источ­ ников. Открытие абиссальных рифтовых сгущений жиз­ ни расценивается как одно из крупнейших биологичес­ ких открытий, сделанных в 70-х гг.

Неравномерность распространения и распределения жизни на Земле и ее разнообразие позволяют выделять структурные единицы биосферы —экогоризонты (по вер­ тикали) и экосистемы (по площади).

4.3. АТМОСФЕРА В СОСТАВЕ БИОСФЕРЫ

Атмосфера в составе биосферы —газовая среда обита­ ния организмов. До появления фотосинтезирующих орга­ низмов она формировалась в основном из вулканических газов. Как уже отмечалось, с превращением бескисло­ родной атмосферы в кислородную связаны основные этапы биологической эволюции биосферы.

Почти 50 % всей массы атмосферы сосредоточено в нижнем, 5-километровом ее слое, 75 % —в 10-километ­ ровом и 90 % — в 16-километровом. Выше 3 тыс. км плотность атмосферы мало отличается от плотности меж­ планетного пространства, хотя следы атмосферы обнару­ жены на высоте более* 10 тыс. км.

Чистый и сухой воздух на уровне моря представляет собой механическую смесь нескольких газов. Соотноше­ ние между главными составляющими атмосферу газами — азотом (объемная концентрация 78,08 %) и кислородом (20,95 %) —постоянно. Кроме них в атмосферном возду­ хе содержится аргон (0,93 %) и углекислый газ (0,03%). Количество остальных газов —неона, гелия, метана, крип­ тона, ксенона, водорода, йода, угарного газа и оксидов азота —ничтожно мало (менее 0,1 %).

Важнейшими компонентами атмосферы являются озон и углекислый газ, которые контролируют функциониро­ вание биосферы.

Озон — трехатомный кислород (03) присутствует в атмосфере от поверхности Земли до высоты 70 км. В при­ земных слоях воздуха он образуется под влиянием слу­ чайных факторов (грозовые разряды, окисление органи­ ческого вещеста и др.). Озон чрезвычайно ядовит (боль­ ше чем угарный газ), предельно допустимая концентра­ ция его в воздухе 0,00001 %. Озон применяют для очис­ тки воды и воздуха от микроорганизмов (озонирование). Однако благодаря ему стало возможно возникновение на Земле жизни и ее последующая эволюция.

В более высоких слоях атмосферы (стратосфере) озон образуется в результает воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца на молекулу кислорода, которая вна­ чале распадается на атомный кислород (02-^0 + О). В конечном итоге этой фотохимической реакции и появля­ ется озон (02 + О —> 0 3). Его концентрация в стратосфере зависит от интенсивности вариаций ультрафиолетового излучения Солнца в различных длинах волн. Ультрафи­ олетовое излучение с длиной волны меньше 230 нм при­ водит к увеличению содержания озона. Возрастание из­ лучения в волнах с большей длиной, вызывая повыше­ ние температуры, наоборот, разрушает озон.

Основная масса озона находится в стратосфере. По этой причине стратосферу довольно часто называют озоносфе­

рой. Содержание озона в ней ничтожно мало: толщина озонового слоя, приведенная к нормальным условиям давления атмосферы (101,3 мПа) и температуры (0 °С) на поверхности Земли, составляет около 3 мм. Его содержа­ ние в атмосферном воздухе непостоянно, увеличивается весной и уменьшается осенью и зимой.

Слой максимальной концентрации озона на высоте 20— 25 км получил название озонового экрана. Этот газ силь­ но поглощает солнечную радиацию в различных участках спектра, но особенно интенсивно —в ультрафиолетовой части, которая гибельна для животных и растений. Озон поглощает ультрафиолетовую радиацию с длиной волн меньше 400 нм очень интенсивно, а с большей длиной волн ( до 1140 нм) значительно меньше. Поверхности Земли достигает лишь незначительная часть ультрафио­ летовой радиации с длиной волны больше 280 нм. Бла­ годаря озоновому экрану наиболее активная в биологи­ ческом отношении часть солнечной радиации не может губительно воздействовать на живые организмы.

В целом озоновый слой поглощает около 13 % солнеч­ ной энергии. Благодаря этому поглощению температура в стратосфере значительно повышается. Если в тропо­ сфере температура понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м, до —60 °С и более, то в стратосфере, благодаря наличию озона, она повышается, достигая над экватором 0 °С и над полюсами 10 °С. В мезосфере на высоте 75—80 км температура вновь понижается до —80 °С и более.

Колебания количества озона в стратосфере происхо­ дят под влиянием естественных причин (изменение при­ тока ультрафиолетовой радиации Солнца, солнечной активности, космического излучения и другие, малоиз­ вестные). Эти вариации, вероятно, являются одной из причин изменения климата на Земле.

Уменьшение озона в стратосфере связано с антропо­ генным фактором. Этот газ обладает сильными окисли­ тельными свойствами и вступает в активные фотохими­ ческие реакции с фреонами, оксидами азота и другими загрязняющими газообразными веществами. Фреоны оказываются в атмосферном воздухе при демонтаже и разрушении холодильных установок, в которых они явля­ ются хладагентами, а также в результате использования

Рис. 4.2. Уменьшение содержания озона над Антарктидой за последние десятилетия:

1 - в январе - марте; 2 - в сентябре - ноябре

различных аэрозольных устройств. Космические ракеты, высотная авиация и испытание атомного оружия в атмос­ фере вместе с промышленным и бытовым загрязнением атмосферного воздуха вызвали разрушение озонового экрана и образовали так называемые “озоновые дыры” .

В“озоновой дыре” содержание этого газа меньше, чем

всамом экране. Защитные свойства озонового слоя умень­ шаются. За полным исчезновением озона из этой “дыры” под ней последует незамедлительная гибель всего живо­ го, включая человека. Размеры “озоновых дыр” , так же как и содержание озона в ней, могут изменяться в зна­ чительных пределах. Значительное истощение озона каж­ дой весной начиная с 1980 г. наблюдается над Антаркти­ дой (рис.4.2). В 1994 г. в течение 6 весенних недель озон почти полностью исчез в нижней стратосфере.

Подобные “озоновые дыры” в последние годы образу­ ются над Сибирью, Западной и Центральной Европой, именно над теми территориями, где сосредоточены пред­ приятия, производящие озоноразрушающие вещества. Это совпадение непосредственно указывает на химическое разрушение озонового экрана. Концентрация озона здесь

уменьшилась на 5% и более по сравнению со среднемно­ голетним значением.

Кроме защиты жизни на Земле от жесткого ультра­ фиолетового излучения Солнца, важнейшим свойством атмосферы является аккумуляция тепла, которая вызы­ вает парниковый (оранжерейный) эффект. Современная средняя температура воздуха у поверхности Земли со­ ставляет 14,6 °С и отражает динамическое равновесие между приходящей и уходящей радиацией. Если бы не существовал парниковый эффект, она равнялась бы —21 °С (Куликов, Сидоренко, 1977).

Практически единственным энергетическим источни­ ком всех природных процессов в биосфере служит сол­ нечная радиация, поставляющая 99,98 % всего тепла на земную поверхность. Участие внутреннего тепла Земли и других источников энергии в этих процессах незначи­ тельно.

Ежегодное количество солнечной энергии, поступаю­ щей на Землю (21-102 кДж), эквивалентно теплу, кото­ рое можно получить при сжигании 200 млрд т каменно­ го угля. Поток лучистой энергии Солнца, подходящей к земной атмосфере, отличается постоянством. Его интен­ сивность называют солнечной постоянной, которая равна 1,95 кал/(см2*мин). Годовые колебания ее, зависящие от изменений расстояния Земли от Солнца, составляют

± 3,5 %.

Солнечная радиация состоит на 46 % из видимой (с длинами волн 0,40-0,75 мкм) и на 54 % из невиди­ мой, невоспринимаемой глазом (из них 7 % —ультрафи­ олетовая с длинами волн 0,002-0,4 мкм и 47 % - инф­ ракрасная с длинами волн больше 0,75 мкм). На 99 % солнечная радиация коротковолновая (0,1—4 мкм), на длин­ новолновую (от 4 до 100—120 мкм) приходится около 1 %.

Около 33 % солнечной энергии, поступающей от Солнца на верхнюю границу атмосферы, отражается в мировое пространство. Примерно столько же (29—32 %) этой энергии уходит за пределы атмосферы в космос в результате отражения верхним слоем облаков и земной поверхностью. Атмосфера поглощает до 20 % радиации, приходящей от Солнца к Земле (в т.ч. озоновый слой — до 13 % солнечной энергии), активно участвует в созда­ нии парникового эффекта. Остальная часть (около 15 %)

солнечной энергии достигает земной поверхности и на­ гревает верхние слои почвы, горных пород и воду, а так­ же участвует в различных фотохимических реакциях, в частности в фотосинтезе. Нагреваясь за счет поглощения солнечной, главным образом коротковолновой, радиации, земная поверхность (суша и акватория) становится ис­ точником земного, в основном длинноволнового излуче­ ния, которое почти полностью поглощается атмосферой. Основным поглотителем этого излучения является водя­ ной пар. Ночью при ясном небе потеря тепловой энергии способствует охлаждению земной поверхности, следствием которого являются сильные зимние морозы, осенние и весенние заморозки в умеренном поясе. По этой причине нередки низкие температуры в субтропических и даже тропических пустынях.

Из остальных поглотителей длинноволнового земного излучения следует назвать различные примеси в атмос­ фере ( аэрозоли и твердые частицы) и углекислый газ. С изменением содержания в атмосфере углекислого газа, который прозрачен для коротковолнового солнечного из­ лучения и непрозрачен для длинноволнового земного, многие географы и экологи связывают изменение кли­ мата в геологическом прошлом Земли и современную динамику температурных условий в биосфере за истори­ ческое время. Так, климатический оптимум раннего сред­ невековья сменился в VI—XVII веках “малой ледниковой эпохой” в Северном полушарии с суровыми климатичес­ кими условиями, особенно зимой. С конца XVII века в Европе наблюдалось незначительное потепление климата, продолжавшееся до конца XIX века.

В XX веке в ряде мест земного шара происходят ярко выраженные колебания климата на фоне общего потеп­ ления, которое особенно проявилось в начале третьего десятилетия (рис.4.3.). Потеплением климата в XX веке охвачена значительная часть земного шара, однако в не­ которых районах Северной и Южной Америки, Африки, Азии и Австралии наблюдается похолодание. Наиболее существенное похолодание отмечено в Южной Атлан­ тике.

В настоящее время географы и экологи предпринима­ ют попытки отыскать причины изменения климата с целью разработки прогноза его дальнейшей динамики.

Зависимость судьбы цивилизации от климата становится все более очевидной.

В качестве основных причин, вызывающих измене­ ние климата, называют непостоянство солнечной актив­ ности, изменение магнитного поля Земли и атмосферно­ го электрического поля, вариации концентрации озона и углекислого газа в атмосфере.

Наиболее аргументированной считается гипотеза М.И.Будыко (1984), объясняющая изменение климата Земли в течение фанерозоя колебаниями концентрации углекислого газа в атмосфере и увеличением солнечной постоянной (рис. 4.4). В частности, похолодание за пос­ ледние 25 млн лет, согласно этой гипотезе, связано с уменьшением углекислого газа в атмосфере. Вероятная причина уменьшения массы С02 заключена в ослабле­ нии вулканической активности и дегазации недр, вызванных, возможно, истощением запасов радиоак­ тивных элементов, обеспечивающих разогревание глу­ бинных слоев Земли. Продолжение этого процесса в на­ ступающие несколько миллионов лет может привести или к полному оледенению Земли, или к исчезновению авто­ трофных фотосинтезирующих растений и связанных с ними гетеротрофов. Антропогенное загрязнение воздуш­ ного бассейна углекислым газом не только предотврати­ ло дальнейшее вероятное снижение его концентрации при современной малоактивной вулканической деятельности, но и привело к некоторому ее увеличению, усилив “пар­ никовый эффект” атмосферы.

Важнейшим источником этого увеличения является техногенное поступление оксида углерода (СО, угарный газ) в воздушный бассейн. Ежегодно с продуктами сгора­ ния топлива в теплоэнергетических устройствах (ТЭЦ, котельные и др.) и двигателях в атмосферу Земли выбрасывается около 300 млн т оксида углерода, что в 10 раз превышает его поступление от природных источ­ ников.

Самоочищение воздуха от угарного газа происходит в результате миграции его в верхние слои атмосферы, где в присутствии диоксида азота и азота он окисляется до С02 (диоксид углерода, углекислый газ), а также путем поглощения растениями и микроорганизмами, водной и земной поверхностью. Если бы прекратилось постоянное