Природные факторы экосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Природные факторы экосферы



1. Геосферы и экосфера

Экосфера -- это очень сложная природная система. При анализе сложных систем, чтобы упростить картину, выявив в то же время ее наиболее существенные особенности, принимаются различные концептуальные модели, подчеркивающие те или иные свойства оригинала. Можно, например, представить экосферу как набор взаимопроникающих сфер, различающихся своими физическими и химическими свойствами. Можно рассматривать Землю как единое, цельное тело, то есть как планету. Можно принять модель экосферы как экологической системы, состоящей из многих элементов, объединенной прямыми и обратными связями между элементами и характеризующейся специфическими чертами энергетического режима и массообмена. Можно рассматривать экосферу как закономерный набор природно-территориальных комплексов (ландшафтов). Каждая модель позволяет по-своему взглянуть на экосферу и каждая имеет свои преимущества и недостатки.

Планета Земля имеет ярусное строение, и этому соответствует распределение плотности вещества, слагающего ярусы, или геосферы. В целом чем ближе к центру Земли расположена геосфера, тем выше ее средняя плотность. Сложнее всего построена экосфера -- область взаимного проникновения и взаимодействия атмосферы, гидросферы, биосферы и верхней части литосферы. Иногда выделяют также криосферу, или сферу холода, включающую ледники, вечную мерзлоту, снежный покров, ледяной покров водоемов. На суше выделяется также педосфера, или сфера почв. Непосредственная поверхность Земли отличается наиболее сложным строением и режимом, в особенности на суше. Когда говорят о геоэкологических явлениях и проблемах, обычно имеют в виду не всю планету, а экосферу. В этом смысле будем упоминать Землю и мы.

Не претендуя на высокую точность, можно сказать, что экосфера не имеет четких границ и простирается на первые десятки километров в атмосферу и на первые сотни метров в литосферу, заключая в себя помимо этих двух сфер также и всю биосферу, педосферу и практически всю гидросферу.

Экосфера -- целостная, внутренне связанная система, обладающая определенной устойчивостью по отношению как к внутренним процессам, так и к внешним воздействиям. Основные черты пространственной структуры экосферы следующие:

• экосфера по форме близка к шару;

• экосфера трехмерна. На этом основана общепринятая система географических координат: широта, отсчитываемая к северу и югу от экватора, долгота, отсчитываемая от нулевого мередиана, обычно проводимого через Гринвич вблизи Лондона, и высота над средним уровнем океана;

• поверхность суши и океана («дневная поверхность») -- это зона наибольшего взаимодействия геосфер;

• верхняя и нижняя границы экосферы размыты;

• поверхности контактов между различными компонентами экосферы наиболее активны. К ним относятся такие контактные зоны, как атмосфера-суша, атмосфера-океан, суша-океан, поверхности раздела между воздушными и водными массами с различными свойствами (фронты), границы между различными экологическими системами (экотоны).



2. Земля как планета. Геоэкологические следствия

Положение Земли в Солнечной системе, ее размеры, форма, особенности движений предопределяют несколько основных свойств планеты, в том числе особенности, важные с точки зрения геоэкологии:

а) Земля -- планета относительно небольшая. Площадь ее поверхности составляет 510 млн км², из них суша -- 149 млн км², а свободная от ледников суша -- 133 млн км². Это все, чем располагает человечество не только сейчас, но и в будущем, для своего дальнейшего роста и развития. Ограниченность пространства и ресурсов, заключенных в этом пространстве, при возрастающей численности населения мира и росте его потребностей приводят к неизбежности возникновения, рано или поздно, глобального геоэкологического кризиса.

б) Главный источник энергии, необходимой для функционирования экосферы, -- это Солнце. Позиция Земли по отношению к Солнцу оптимальна по сравнению с другими планетами: наша планета достаточно близка к Солнцу, чтобы получать от него необходимое количество энергии, определяющей почти все основные процессы в экосфере. В то же время Земля не настолько приближена к Солнцу, чтобы получать избыточное количество энергии.

в) Ось вращения Земли наклонена под углом 66°33' к плоскости движения Земли вокруг Солнца (плоскости эклиптики). Это обстоятельство обусловливает изменяющееся в течение года неравномерное распределение солнечной радиации по земной поверхности и, таким образом, смену времен года. Оно обеспечивает также различную продолжительность светового дня и ее внутригодовую изменчивость в зависимости от широты.

г) Параметры движений Земли изменяются с определенной периодичностью. Среди многих периодов выделяются, например, вариации средней продолжительностью 92, 40 и 21--23 тысяч лет, связанные с закономерными изменениями параметров движений Земли (эксцентриситета орбиты, наклона оси вращения планеты к плоскости орбиты, прецессии равноденствия). Это приводит к периодичности изменений геоэкологической обстановки, таких как потепление или похолодание климата, повышение или понижение уровня океана, развитие или сокращение оледенения и пр. Периодичность различной продолжительности -- отличительная особенность многих природных явлений.

д) Форма Земли не соответствует в точности какой-либо геометрической фигуре, но для текущих задач геоэкологии она может быть аппроксимирована как шар. Отсюда вытекают два важных следствия.

Во-первых, шарообразность Земли обеспечивает закономерное изменение от экватора к полюсам интенсивности солнечного излучения и накапливаемых за год сумм солнечной радиации. Это обстоятельство -- основная причина формирования природных зон и ландшафтов Земли, то есть того ландшафтного разнообразия, которое столь отличает нашу планету от других.

Во-вторых, из-за шарообразности Земли площадь тропической зоны существенно больше умеренной, а тем более полярной зоны. Если разделить Землю по тридцатиградусным полосам по широте и затем сложить образовавшиеся полосы симметрично относительно экватора, то образуются три основные зоны: тропическая, умеренная и полярная. Площади этих зон заметно различаются:

Интервал, градусы широты	Зона	Площадь зоны, %%
30° с. ш. - 30° ю. ш.	Тропическая	50
30° - 60° с. ш. и ю. ш.	Умеренная	37
60° - 90° с. ш. и ю.ш.	Полярная	13

Столь большие различия в площади зон указывают, при прочих равных условиях, на относительно более значительную для глобальной экологии роль процессов в тропической зоне и наименьшую -- в полярной зоне.



3. Энергетические и вещественные особенности экосферы

Наиболее характерными особенностями любой сложной природной системы являются ее энергетическое и вещественное состояние и режим. В этой связи важнейшими факторами, определяющими режим и эволюцию экосферы, являются ее тепловой баланс и глобальные циклы вещества.

3.1 Тепловой баланс экосферы

Солнце -- главный источник энергии, которая необходима для функционирования Земли как системы. Общее количество солнечной энергии, достигающей верхней атмосферы, составляет 5,49 * 10²⁴ джоулей за год. При этом поток солнечной радиации весьма мало изменяется во времени, обеспечивая устойчивую энергетику таких основных процессов экосферы, как общая циркуляция атмосферы и океана, выветривание и денудация верхних горизонтов литосферы, глобальные биогеохимические циклы вещества, образование первичной биологической продукции и пр. В частности, затраты солнечной энергии на испарение воды с поверхности океанов и суши определяют один из основных механизмов системы -- глобальный гидрологический цикл, или круговорот воды.

Заметим, что другой источник энергии экосферы -- поток из недр Земли к ее поверхности -- в 20-30 тысяч раз меньше, чем поступление энергии от Солнца, хотя этот поток все же весьма значителен.

Для сравнения укажем, что человек использует сейчас примерно такое же количество энергии, как и поток из недр Земли.

Это иллюстрация того, что роль человека уже соизмерима с крупными природными процессами.

Солнечную энергию, приходящую к верхней границе атмосферы, постигают затем сложные преобразования^. Она частично:

а) рассеивается в атмосфере,

б) отражается от нее в мировое пространство,

в) достигает поверхности Земли.

В среднем для Земли почти половина солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы, достигает поверхности океанов и суши. В свою очередь, эта доля солнечной энергии:

а) отражается от поверхности Земли в атмосферу и за ее пределы,

б) нагревает поверхность почвы и океанов,

в) расходуется на испарение воды.

С точки зрения энергетического баланса экосфера -- открытая система, потому что происходит свободный обмен энергией через границы системы. Несмотря на это, приходные и расходные части энергетического бюджета экосферы в высочайшей степени сбалансированы. Экосфера получает и теряет одинаковое количество энергии, что удерживает ее в относительно стабильном состоянии. Долговременные изменения теплового баланса Земли, как естественные, так и антропогенные, весьма малы по сравнению с основными компонентами теплового баланса, но именно эти изменения определяют вековые глобальные изменения климата.

В различных зонах поверхности Земли приток радиации не соответствует ее отдаче, так что радиационный баланс оказывается или положительным, или отрицательным, в полном соответствии с основными географическими закономерностями. Тепловое равновесие земной поверхности поддерживается межширотным обменом энергией посредством глобальной циркуляции атмосферы, а также и океана. Антропогенные изменения теплового баланса в отдельных точках или территориях (акваториях) могут вызывать изменения в циркуляции атмосферы с соответствующими воздействиями на климат.

3.2 Глобальные циклы вещества

Что касается обмена веществом, то он также происходит через границы экосферы, но интенсивность обмена ничтожно мала по сравнению с потоками вещества внутри системы. Из космоса, сквозь атмосферу на поверхность Земли выпадает примерно 40 млн тонн метеоритного вещества в год. Процессы обмена веществом внутри экосферы отличаются значительно большими размерами. Например, реки мира выносят в океаны порядка 20 млрд тонн наносов в год, это в две тысячи раз больше, чем привносится метеоритами. Поэтому можно сказать, что, с точки зрения геоэкологии, Земля и ее экосфера -- это закрытые системы.

В закрытой системе неизбежно возникают циркуляционные движения вещества, что и происходит на Земле. Это круговороты вещества, такие как большой («геологический») круговорот, объединяющий разрушение и снос горных пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения, круговорот воды, биогеохимические циклы химических элементов, таких, например, как углерод, азот, фосфор, сера и др., общая циркуляция атмосферы, циркуляция вод океана. В сущности эти круговороты -- один большой круговорот, разделяемый нами на отдельные составляющие для удобства нашего понимания глобальных процессов.

Любой глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков. Как правило, суммарная величина запасов значительно больше, чем потоков, что обеспечивает устойчивость круговорота. Одна из важных количественных характеристик -- среднее время оборота вещества, вычисляемое как отношение запаса к потоку. Оно может определяться также для любой ветви круговорота (например, для ветви, описывающей круговорот углерода в наземной биоте).

Все естественные глобальные круговороты вещества отличаются чрезвычайно высокой степенью замкнутости. Современная продукция органического вещества в биосфере составляет 100 млрд т/год в единицах массы органического углерода. Эта величина соответствует 1000 млрд т живой массы. Время существования жизни на Земле -- около 3,5 млрд лет. Если принять, что средняя продуктивность живой массы за это время равна 500 млрд т в год, то всего за время существования жизни образовалось приблизительно 2х10¹²млрд т живого вещества. (Это всего лишь втрое меньше массы всей Земли!) Масса биосферы около 1,4x10⁹ млрд т. Таким образом, продукция биоты за время существования Земли превосходит массу биосферы на три порядка (в 1000 раз). Это значит, что все атомы углерода на Земле в среднем приблизительно 1000 раз становились частью синтезируемого органического вещества, а затем столько же раз это вещество подвергалось деструкции. Очевидно, что глобальные потоки синтеза и деструкции органического вещества должны совпадать с точностью не менее трех значащих цифр (0,001). Более детальный анализ показывает, что в геологическом масштабе времени баланс потоков синтеза и деструкции органического вещества Земли выдерживается с точностью до восьми знаков за запятой!

Поэтому даже малые (казалось бы, пренебрежимо малые), но устойчивые антропогенные воздействия могут приводить к существенным изменениям естественных круговоротов. Отсюда вытекает важнейшая роль деятельности человека в возникновении и усилении несбалансированности круговоротов с серьезными последствиями глобальных размеров. Например, мы увидим ниже, что малое, по сравнению с природными потоками, антропогенное приращение парникового эффекта в атмосфере может привести к серьезнейшим нарушениям устойчивых климатических процессов, влияющих, в свою очередь, на многие аспекты жизни и деятельности общества.

Особенности глобального круговорота воды, или гидрологического цикла, и большого («геологического») цикла, или круговорота вещества, обсуждаются ниже, в разделах, посвященных гидросфере и литосфере. Рассмотрим в упрощенном и огрубленном виде основные черты глобальных биогеохимических циклов химических элементов, важнейших с точки зрения состояния экосферы, -- углерода, азота, фосфора и серы.

Глобальный цикл углерода.

Вероятно, углерод является наиболее важным химическим элементом экосферы, потому что:

а) почти все формы жизни состоят из соединений углерода;

б) реакции окисления и восстановления соединений углерода в экосфере обусловливают глобальное распространение и баланс не только углерода, но и кислорода, а также и многих других химических элементов;

в) способность атома углерода создавать цепи и кольца обеспечивает разнообразие органических соединений;

г) углеродсодержащие газы -- углекислый газ (С0₂) и метан (СН₄) --- играют определяющую роль в антропогенном парниковом эффекте.

Основные экосферные резервуары углерода находятся в гидросфере, биосфере и атмосфере. Между ними происходит активный обмен с интенсивностью порядка десятков миллиардов тонн углерода в год. В этом обмене океан является главным поглотителем углерода, поступающего как с суши со стоком рек в результате деструкции органического вещества, так и из атмосферы, куда углерод поступает вследствие дыхания всего комплекса живых существ (биоты). Важнейшие процессы в биосфере -- формирование органического вещества из неорганического при участии солнечной энергии (фотосинтез), расходование органического вещества в процессах аэробной и анаэробной жизнедеятельности биоты и деструкция органического вещества.

Основной запас углерода, принимающего активное участие в биогеохимическом цикле, находится в Мировом океане, где он содержится в различных формах: в виде частиц неорганических углеродсодержащих веществ, частиц органического нерастворимого углерода, растворенного органического углерода и живых форм. В конечном итоге, подавляющая часть углерода в океане отлагается на дне, перекрывается все более молодыми отложениями и таким образом выходит за пределы экосферы, сохраняясь при этом в большом цикле вещества литосферы.

Основной антропогенный поток в глобальном цикле углерода образуется в результате сжигания горючих ископаемых в процессе производства энергии. Другой поток -- различные виды деструкции органического вещества биоты и почв, которые возникают при антропогенном преобразовании экосистем суши. Эти антропогенные потоки относительно невелики, но они устойчиво возрастают. В чрезвычайно сбалансированном цикле углерода антропогенное воздействие приводит уже сейчас к заметному усилению парникового эффекта с соответствующими серьезными последствиями для экосферы. Эта проблема более детально обсуждается ниже, в главе, посвященной геоэкологическим проблемам атмосферы.

Глобальный цикл азота.

Азот -- ключевой ингредиент жизни, поскольку этот элемент -- обязательный компонент всех белковых соединений.

Большие запасы соединений азота состредоточены в литосфере. Остальные запасы представлены в виде химически малоактивного газа, составляющего 79% атмосферы. Запасы азота в биосфере и гидросфере -- на три порядка меньше, чем в атмосфере. Среднее соотношение массы углерода и азота в наземной биомассе и почвах С : N = 160 : 15.

Несмотря на относительно малые запасы азота в биосфере и гидросфере, там это активный элемент, быстро обменивающийся между геосферами. Картина химических процессов цикла азота чрезвычайно сложна и разнообразна, потому что азот проходит сквозь воздух, воду и почву в различных химических формах и к тому же видоизменяющихся. В наземном и океаническом субциклах азота сосредоточено до 95% всех его потоков.

Важнейший антропогенный поток в цикле азота -- использование азотных удобрений. После Второй мировой войны происходило неуклонное увеличение их производства из азота атмосферы. Однако последние два десятилетия этого века удельное использование азотных удобрений (в кг/га) как в развитых странах, так и в странах СНГ сократилось или стабилизировалось, тогда как их применение в развивающихся странах все еще увеличивается. Приблизительно 50% азота, вносимого в агроэкосистемы, попадает в состав сельскохозяйственных растений. Из этого количества около половины убирается с поля с урожаем, а другая половина остается в органическом веществе почвы. Современное земледелие, таким образом, изменило общее направление потока азота: не от почвы в атмосферу, а наоборот. Рост численности населения и опережающей его потребности в белковом питании заставили человека интенсифицировать азотный цикл, чтобы производить больше белка. Однако это привело к загрязнению окружающей среды и, в частности, к интенсификации процесса эвтрофикации водоемов.

Другим фактором антропогенной интенсификации потоков азота является энергетика, поскольку при сжигании угля, нефти и ее продуктов, сланцев, торфа и пр. увеличивается эмиссия в атмосферу аммиака и оксидов азота. В свою очередь, оксиды азота и аммиак играют решающую роль в процессах асидифика- ции окружающей среды.

Глобальный цикл фосфора.

Фосфор также один из важнейших химических элементов, поскольку он играет огромную роль в биологических и биогеохимических процессах. Фосфор -- необходимый компонент ДНК и фосфолипидных молекул клеточных мембран. Наряду с азотом, фосфор контролирует биологическую продуктивность наземных и морских экосистем вследствие невысокого содержания этих элементов в экосистемах.

Основные резервуары фосфора --¦ экосистемы суши, океаны и отложения наносов в водоемах. Газообразные формы фосфора практически не существуют, и поэтому в атмосфере его нет. В литосфере подавляющая часть фосфора кристаллических пород содержится в апатитах (95%). Первоначально почти весь фосфор на суше образовался вследствие выветривания апатитов. Осадочные отложения вторичного характера -- фосфориты, дающие около 80% всей мировой добычи фосфора.

В естественных экосистемах связывание фосфора растениями находится в состоянии баланса с возвратом фосфора из растений благодаря распаду органического вещества. В растворенном виде фосфор всегда находится в динамическом равновесии с кислородом (в соединениях типа Р₂0₅, Р0₄³' и др.). В почвах и растительности среднее соотношение концентрации углерода и фосфора равно: С : N = 750:1.

Биогеохимия фосфора весьма отлична от биогеохимии других биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, серы), поскольку фосфор, в отличие от других биогенов, практически не встречается в газообразной форме. Это создает однонаправленный поток фосфора вниз по уклону под действием силы тяжести, главным образом в виде тонкодисперсных наносов, на поверхности которых адсорбированы соединения фосфора. Таким образом происходит транспорт этого элемента реками в системы с замедленным водообменом (озера, водохранилища, моря и пр.), где и отлагаются наносы, относительно богатые фосфором. Противоположного потока не существует, что создает реальную опасность значительного обеднения фосфором экосистем суши (в том числе и агроэкосистем) с соответствующим снижением их биологической продуктивности.

Антропогенный возврат фосфора из водоемов на водосборы пока невероятен и относится к элементам научной фантастики, но не исключено, что к середине XXI в. эту проблему надо будет решать.

Пока же вследствие антропогенной деятельности, приводящей к повышенной эрозии почв, смыву фосфорных удобрений и сбросу неочищенных сточных вод, интенсивность потоков фосфора в мире увеличилась. Это приводит к усилению процессов эвтрофикации водоемов. Общемировая величина потока фосфора в гидросферу оценивается величиной около 20 млн т в год. экосфера биота ландшафт геоэкологический

Глобальный цикл серы.

Сера играет важную роль в биологических процессах, поскольку это необходимый компонент белков. Глобальный цикл серы отличается разнообразием биотических и абиотических процессов с участием различных компонентов в газообразной, жидкой и твердой фазах. С точки зрения геоэкологии, по-видимому, наиболее важны процессы обмена соединений серы между поверхностью суши и океана, с одной стороны, и атмосферой, с другой строны.

Изо всех глобальных биогеохимических циклов основных биогенных элементов (С, О, И, Р, Э) цикл серы наиболее сильно нарушен деятельностью человека. Важнейшее антропогенное воздействие -- это эмиссия оксида серы 50₂, возникающая благодаря сжиганию горючих ископаемых, прежде всего угля. Около 90% мировой эмиссии этого газа характерно для Северного полушария. С 1860 по 1980 гг. антропогенная эмиссия Б0₂ увеличилась от 2 млн т серы в год до 70 млн т, то есть в 35 раз! В среднем антропогенный поток серы вдвое превышает естественный поток. Современный сток соединений серы по речным системам также более чем вдвое превышает его первоначальную, доиндустриальную величину вследствие эрозии почв, применения удобрений, выпадений из атмосферы и пр.

Антропогенное нарушение цикла серы определяет или серьезно влияет на ряд глобальных геоэкологических проблем, таких как асидификация экосистем, состояние озона в стратосфере и тропосфере и изменение климата.

Таким образом, экосфера характеризуется мощным и устойчивым притоком энергии извне и взаимосвязанными циклами вещества. При этом отличительная особенность естественных балансов энергии и вещества -- высокая степень их сбалансированности. Выше мы уже приводили пример глобального баланса углерода, замыкающегося, в рамках геологического масштаба времени, с точностью 10~⁸ (или 0,000001%)!

В настоящее время становятся весьма заметными воздействия человека как на энергетический баланс Земли, так и на глобальные циклы вещества. Медленная естественная эволюция экосферы была связана также с относительно малоинтенсивным потоком биогенных элементов, резко усилившимся в антропогенных системах, что приводит к повышению неустойчивости экосферы.

Как правило, естественные вещественно-энергетические круговороты и балансы экосферы и отдельных ее частей отличаются высокой степенью замкнутости, в то время как деятельность человека ведет к разомкнутости и, следовательно, к неустойчивости систем. Степень разомкнутости может быть оценена по средней скорости оборота вещества за год:

(Приход)- (Расход)

---------------------------

(Приход)

Например, в целинной степи средняя скорость оборота углерода и других биогенов -- порядка нескольких тысяч лет. После распашки степи значительное количество углерода, азота и фосфора выносится из системы как в виде ежегодного урожая, так и вследствие водной и ветровой эрозии почв, а также и из-за других причин антропогенного происхождения (например, пожаров). Система становится разомкнутой, со средней скоростью оборота вещества, превышающей естественную в сотни и тысячи раз, и, следовательно, неустойчивой. Нарушения замкнутости как локальных систем, так и глобальных циклов приводят к серьезным геоэкологическим проблемам, которые будут детально анализироваться в последующих главах.

Следует подчеркнуть, что понимание циклов отдельных биогенных элементов намного превышает понимание механизма комбинаций циклов, то есть того, как эти процессы происходят на самом деле в экосфере.

Основные геоэкологические проблемы в их взаимосвязи с глобальными биогеохимическими циклами показаны в табл. 1.

Таблица 1. Взаимосвязь глобальных биогеохимических циклов и геоэкологических проблем

Биогеохимический цикл	Изменение климата	Нарушение озонового слоя	Загрязнение воздуха	Асидификация экосистем	Эвтрофикация	Снижение естественной биол. продуктивности
Углерода	+	+	+			+
Азота	+	+	+	+	+	+
Фосфора					+	+
Серы	+	+	+	+		+

Все антропогенные экосистемы, даже самые высокоурожайные, прекрасно возделываемые поля и хорошо ухоженные парки отличаются высокой степенью незамкнутости. С этой точки зрения, природно-антропогенные системы, такие как поля, сады, огороды, пастбища, лесные плантации, не говоря уже о городских системах, вносят все усиливающуюся неустойчивость в состояние экосферы. Это затрагивает основы функционирования экосферы и, в конечном итоге, ведет к многочисленным серьезным последствиям в социально-экономической и политической сферах.

4. 4. Роль биоты в функционировании экосферы

Биота -- это совокупность организмов, обитающих на какой- либо территории. Живые организмы играют огромную определяющую роль в формировании и функционировании экосферы. Именно они превратили Землю в планету, резко отличающуюся от других. Биота обеспечивает стабильность экосферы, поддерживая оптимальные условия ее существования и гася возмущения.

Один из самых важных, а может быть, и наиважнейший природный процесс в экосфере -- фотосинтез, то есть процесс образования растительностью органического вещества из углекислого газа атмосферы и воды с использованием солнечной энергии. Простейшая химическая реакция фотосинтеза может быть записана следующим образом:

6С0₂ + 6Н₂0 + А --> С₆Н₁₂О_е + 60₂,

где А -- это солнечная радиация.

При образовании органического вещества в процессе фотосинтеза, растения, в дополнение к углероду, водороду и кислороду, присоединяют в органическое вещество азот и серу. Фотосинтезированное органическое вещество -- это важнейший возобновимый ресурс экосферы, основа всей жизни и мощный регулятор глобальных биогеохимических циклов.

Удивительно, что для фотосинтеза используется менее одного процента поступающей к поверхности Земли солнечной радиации. Убедительного объяснения столь низкого коэффициента использования энергии Солнца, по-видимому, пока не найдено.

Заметим, что по абсолютной величине суммарная энергия, затрачиваемая на фотосинтез, значительна. Она на порядок превышает количество энергии, потребляемой человеческим обществом.

Наряду с синтезом органического вещества в природе, происходит и его разложение, или деструкция, то есть распад органических структур на составные части, включая питательные (биогенные) вещества, с выделением энергии. И в этом процессе биота играет определяющую роль. На глобальном уровне, вследствие, главным образом, деятельности биоты, устанавливается с очень высокой степенью точности баланс между продукцией и деструкцией органического вещества. Тем самым обеспечивается устойчивость цикла углерода, этого важнейшего биогеохимического круговорота.

Биота осуществляет также весьма эффективное управление потоками и концентрацией биогенных элементов, определяя тем самым устойчивость соответствующих глобальных биогеохимических циклов.

Очень важно, что в процессе фотосинтеза образуется также и кислород. Именно благодаря деятельности биоты атмосфера Земли имеет значительное содержание кислорода. Одним из фундаментальных последствий формирования кислородной атмосферы было образование озонового слоя, отсекающего наиболее жесткую, губительную для живых организмов часть ультрафиолетовой солнечной радиации, что позволило биоте в процессе ее эволюции выйти из океана на сушу.

Важнейшую роль биота играет в выветривании (разрушении) горных пород и образовании почв: микроорганизмы обеспечивают эффективное формирование большей части мелкодисперсной фракции почв, играющей определяющую роль в плодородии почв.

Перечисление важнейших глобальных процессов, в которых биота играет определяющую или важную роль, могло бы быть продолжено.

Общество в процессе своей эволюции оказывало все увеличивающееся давление на окружающую среду. Во многих случаях это давление осуществляется посредством воздействия на биоту и биогенные процессы. Человек как биологический вид находится на верхнем уровне экологической пирамиды. Это означает, что в соответствии со сложившимися в природе соотношениями, он может потреблять не более нескольких процентов от производимого в процессе фотосинтеза органического вещества. На самом деле он потребляет или разрушает около 40% органического вещества, производимого растительностью суши. Это является важнейшим индикатором глобального экологического кризиса.



5. Географическая зональность ландшафтов мира и ее эволюция

Шарообразность вращающейся Земли обеспечивает наиболее высокое поступление солнечной радиации на экватор и наименьшее -- к полюсам. Между этими точками суммарные за год величины солнечной радиации не линейно, но плавно изменяются. В результате формируются климатические пояса. Каждый пояс отличается своим характерным набором природных условий:

• особенностями формирования присущих каждому поясу основных воздушных масс;

• местом и ролью пояса в общей циркуляции атмосферы;

• структурой теплового баланса;

• структурой водного баланса и водным режимом;

• особенностями геоморфологических процессов;

• особенностями геохимических процессов;

• особенностями формирования почв и их типа;

• биогеографическими особенностями, в том числе типом растительности;

• особенностями структуры ландшафтов более низких рангов.

Широкий набор природных особенностей каждого пояса позволяет называть пояса географическими. Существует тринадцать географических поясов: экваториальный, северный и южный субэкваториальный, северный и южный тропический, северный и южный субтропический, северный и южный умеренный, субарктический, субантарктический, арктический и антарктический. На идеальной Земле с однородной поверхностью географические пояса имели бы вид правильных колец. Географические пояса в целом действительно имеют широтное направление, но вследствие, главным образом, неравномерного распределения суши и океана размещение поясов во многих местах заметно отклоняется от идеальной картины.

Наибольшую площадь фактически занимают субтропический и тропический пояса, что близко к выводу, приведенному выше для идеальной шарообразной Земли. Эти пояса занимают около 50% площади Земли.

Географический пояс -- наиболее крупная таксономическая единица поверхности Земли. Пояса делятся на географические зоны, формирующиеся в зависимости от условий увлажнения и теплового баланса. Один из важнейших факторов --¦ степень удаленности от океана и, следовательно, степень континентальное™ климата. Каждая зона отличается общностью типа растительности и почв, гидрологических, геохимических, биогеографических и других процессов. При этом ведущий признак для выделения зон -- преобладающий тип растительности. Типичными примерами географических зон в северном умеренном поясе являются: зона широколиственных лесов, зона смешанных лесов, зона степей и др.

Каждая географическая зона отличается, как правило, специфическими проблемами взаимоотношения природы и общества, иными словами, характерным для каждой зоны набором геоэкологических проблем.

Внутри зоны важнейшим фактором таксономического деления поверхности суши является рельеф и геологическое строение. На равнинах и в невысоких горах мы имеем дело с зональными типами ландшафта, под которыми подразумеваются наиболее типичные и распространенные ландшафты конкретного географического пояса, обусловленные определенными параметрами тепла и влаги на разных морфоструктурах, то есть крупных элементах рельефа со специфическим геологическим строением.

Биогеохимические процессы, особенности почв и растительности каждого зонального типа ландшафта на различных материках имеют сходство, но в то же время сохраняются и местные различия, что позволяет говорить не о тождественности зональных типов ландшафтов на разных материках, а об их аналогичности или похожести.

В горных районах важнейшим фактором формирования ландшафтов является снижение величины теплового баланса поверхности суши по мере роста высоты места над уровнем моря. Показателем снижения величины теплового баланса с высотой является падение температуры воздуха в среднем на 0,6°С на 100 м подъема, что соответствует перемещению на равнинах умеренного пояса приблизительно на 600 км в сторону полюса. В результате формируются вертикальные географические зоны, похожие, но не аналогичные зонам на равнинах. Структура вертикальной зональности (наборы или спектры зон) зависит от положения самой нижней зоны в том или ином географическом поясе и зоне, а также от высоты горной системы.

Существование вертикальной зональности в горах и ее сходство с зональными типами ландшафтов на равнинах суши земного шара указывают на трехмерность географических зон. На карте «Природные пояса и зональные типы ландшафтов мира», подготовленной географическим факультетом МГУ (1988 г.), выделяется 96 зональных типов ландшафтов и 56 спектров высотной зональности. Эта карта отражает то естественное состояние Земли, которое было до начала активного воздействия на нее человека.

На Земле существуют весьма ясные закономерности размещения зон в пространстве, с соответствующими четкими наборами природных особенностей, такими как соотношение компонентов теплового и водного балансов, зональные особенности процессов выветривания горных пород, биогеохимических процессов, почв и растительности. Существование этих особенностей и их закономерное распределение отражают географическую зональность ландшафтов Земли.

Отличительной чертой ландшафтов является постоянное изменение их состояния. Природные условия на Земле колеблются, часто весьма значительно. Изменяется климат на Земле в целом и в отдельных ее районах. Увеличивается или, наоборот, сокращается материковое и морское оледенение. Соответственно понижается или же растет уровень Мирового океана. В результате меняется как положение географических поясов и зон, так и их особенности. Выделяется ряд ритмов изменения состояния природы различной периодичности, накладывающихся друг на друга.

Около 10 тысяч лет тому назад исчезла основная часть последнего материкового оледенения (за исключением Гренландии и Антарктиды). Наступила эпоха голоцена, в которой мы живем и в течение которой в основном сформировалась та система географических поясов, зон и зональных типов ландшафтов, которая существовала бы и без воздействия человека. В западной литературе такие ландшафты называются потенциальными.

В голоцене также происходили изменения природной обстановки, но меньшего масштаба, чем в течение всего четвертичного периода. Во время так называемого атлантического оптимума (7-5 тыс. лет назад) средняя температура воздуха была примерно на два градуса выше, чем сейчас. Повышение температуры сопровождалось изменением количества осадков. В сухой сейчас пустыне Сахара были ландшафты саванны, существовали реки и озера. Происходили и другие колебания природной обстановки. Последним заметным природным событием, отличавшимся от современных условий, был так называемый малый ледниковый период (ХУП-Х1Х вв.). В это время ледники Альп, Кавказа и других горных систем значительно увеличивались в размерах. Во время малого ледникового периода положение ландшафтных зон на равнинах изменялось незначительно, но заметно переместились высотные ландшафтные зоны.

В целом можно сказать, что на протяжении геологической истории происходили постоянные и необратимые изменения экосферы. Изменения отражались в состоянии отдельных компонентов ландшафта. Природно-территориальные комплексы усложнялись, и в целом экосфера становилась все более разнообразной и сложной. Поэтому можно сказать, что ландшафтная картина мира отражает не только современные природные условия в соответствии с законом географической зональности, но и историю развития ландшафтов.

Ландшафтная картина еще более усложнялась, по мере того как деятельность человека становилась все более заметным геоэкологическим фактором. Вследствие активной хозяйственной деятельности человека естественные («потенциальные») ландшафты в значительной степени видоизменились. При этом каждый зональный тип ландшафта был трансформирован по-своему. В этой связи говорят о современных ландшафтах как территориальных комплексах, сложившихся в результате трансформации естественных ландшафтов деятельностью человека. Карта современных ландшафтов мира масштаба 1:15 000 000 подготовлена и издана совместно Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и географическим факультетом МГУ в 1993 г.

Современные ландшафты подчиняются в основном законам природы, но и законы человеческого общества играют в них все усиливающуюся роль. При этом чем больше роль социальных факторов, тем в большей степени ландшафты трансформированы.

Размещено на Allbest.ru