Основные абиотические факторы воздушного бассейна

1. Поступающая от Солнца лучистая энергия (солнечная радиация). Движущей силой в любой материальной системе служит энергия. Жизнедеятельность живых организмов невозможна без постоянного притока энергии извне. В экосистемы она поступает главным образом от Солнца. Растения за счет содержащегося в них пигмента хлорофилла улавливают энергию излучения Солнца и используют ее для синтеза основы любого органического вещества – глюкозы C₆H₁₂O₆. Это есть процесс фотосинтеза:

Излишек атомов кислорода выделяется в атмосферу в газообразной форме. Кинетическая энергия солнечного излучения преобразуется таким образом в потенциальную энергию, запасенную глюкозой. Из глюкозы вместе с получаемыми из почвы минеральными элементами питания – биогенами – образуются все ткани растительного мира – белки, углеводы, жиры, липиды, ДНК[6], РНК[7], то есть органическое вещество планеты.

Вращение Земли вокруг своей оси приводит к неравномерному распределению энергии Солнца, его теплового излучения. В связи с этим атмосфера над сушей и океаном нагревается неодинаково, а различия в температуре местности и давлении вызывают перемещения воздушных масс, изменение влажности воздуха, что влияет на ход химических реакций, физических превращений и прямо или косвенно – на все биологические явления (характер расселения жизни, биоритмы и т.п.). Солнечная радиация распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью 300 тыс. км/с. 99% ее составляют лучи с длиной волны 0,17–4,0 мкм, из них 48% – видимая часть спектра (0,4–0,76 мкм), 45% – инфракрасная (0,75 мкм –10^–3 м) и 7% – ультрафиолетовая (менее
0,4 мкм). Наиболее важная для человека часть – инфракрасная и видимая части спектра.

Количество энергии, подходящей к Земле, практически постоянно: 21×10²³ кДж в год. Эту величину называют солнечной постоянной. Чаще эту характеристику выражают в количестве джоулей, приходящихся на 1 см² земной поверхности, в единицу времени. Ее среднее значение на Планете равно 0,14 Дж/см² в секунду. Солнечная энергия поглощается и отражается земными предметами. Земная атмосфера, включая озоновый слой, избирательно по частотным диапазонам поглощает энергию электромагнитного излучения Солнца, и до поверхности Земли доходит в основном излучение с длиной волны от 0,3 до 3 мкм.

Прошедшее атмосферу солнечное тепло нагревает непосредственно воздух только на 0,2–0,5˚С за день в зависимости от количества водяных паров и загрязнения атмосферы. Много солнечной радиации поглощается или отражается назад от облаков. Склоны, ориентированные на юг, поглощают больше тепла, чем горизонтальная поверхность и, особенно, чем северные склоны. Вогнутые поверхности поглощают больше тепла, чем плоские или выпуклые. Песок отражает около 20% достигающей его радиации. Снег и лед отражают от 40% до 90%, а темные поверхности, такие как асфальтовые площадки или вспаханные поля, только 10–15%. Вся радиация, которая поглощается поверхностью, включается в процесс нагрева. Некоторое количество тепла распространяется вглубь земли, остальное работает на нагрев атмосферы. Часть тепла идет на нагрев воды, которая также позже отдает его в атмосферу. Естественно, что наибольшее количество тепла получают районы, близкие к экватору.

2. Освещенность земной поверхности. Освещенность определяется продолжительностью и интенсивностью светового потока, падающего на поверхность Земли, и зависит от смены светлой и темной частей суток. Продолжительность светового дня, или фотопериод, является «реле времени» или пусковым механизмом, включающим последовательность физиологических процессов, приводящих к росту, цветению многих растений, линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих. Продолжительность светового дня зависит от географической широты. Как проявление приспособительных реакций на смену дня и ночи у животных и человека наблюдается суточная ритмичность интенсивности обмена веществ, частоты дыхания, сердечных сокращений и уровня кровяного давления, температуры тела, клеточных делений и т.д. У человека выявлено более ста физиологических процессов биоритмического характера, благодаря которым у здоровых людей наблюдается согласованность различных функций. Исследование биоритмов имеет большое значение для разработки мер, облегчающих адаптацию человека к новым условиям при дальних перелетах, переселении людей в районы Сибири, Дальнего Востока, Севера, Антарктиды.

Для человека видимый свет – источник жизненной энергии, стимулятор выработки гормонов и регулятор биоритмов. Инфракрасный свет – источник тепла. Ближний ультрафиолетовый – защита от болезнетворных бактерий.

3. Влажность атмосферного воздуха. Вода – главный компонент живых организмов. Растения состоят из 70–90% воды; медуза – 98%; рыба – 70%; млекопитающие (в том числе и человек) – 63–68%.

Влажность воздуха определяется количеством в нем водяного пара. Содержание водяного пара в воздухе напрямую зависит от температуры: чем выше температура, тем большее количество водяного пара в нем может содержаться. Количество содержащейся в воздухе влаги характеризуется двумя величинами – относительной и абсолютной влажностью. Абсолютная влажность показывает, сколько граммов водяного пара содержится в одном кубическом метре воздуха. Несмотря на свою наглядность, абсолютная влажность не дает представления о том, насколько воздух сух. Для определения сухости воздуха используется понятие относительной влажности, которая показывает, насколько воздух далек от насыщения водяным паром: при 100-процентной относительной влажности вода перестает испаряться и пар начинает конденсироваться в виде тумана.

· Абсолютная влажность – масса водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха (кг/м³).

· Относительная влажность – отношение абсолютной влажности к ее максимальному значению при данной температуре. При 100% относительной влажности в воздухе (максимальный предел) может произойти конденсация водяных паров с образованием тумана, выпадением воды.

· Температура, при которой происходит конденсация паров воды, называется точкой росы.

· Разность между максимальным пределом и реальной насыщенностью называетсядефицитом влажности.

Оптимальная для человека влажность 40–60%. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, чем ниже – тем холоднее и более сыро. Повышение дефицита влажности приводит к усиленному плодоношению у растений и даже к интенсивному размножению (вспышкам деторождаемости) у животных. На анализе этого фактора основаны многие способы прогнозирования численности особей в мире живых организмов. Приспосабливаясь к условиям водного голода, растения адаптируются, сокращают листовую поверхность, сбрасывают листву полностью, увеличивают толщину защитной пленки листьев, листья приобретают сильную опушенность.

Для человека важна именно относительная влажность, поскольку от нее зависит интенсивность испарения влаги с кожи человека, со слизистых и т.п. Что же происходит с влажностью воздуха зимой?

Относительная влажность наружного воздуха в зимний период может быть вполне нормальной – 60–80%. В то же время абсолютная влажность будет низкой, поскольку холодный воздух не может содержать большое количество водяного пара. При проветривании теплого помещения холодный воздух с низким содержанием влаги попадает внутрь и нагревается. При этом количество водяного пара в воздухе (абсолютная влажность) не изменяется. Поскольку теплый воздух мог бы содержать значительно больше водяного пара, чем холодный, то относительная влажность резко снижается. Таким образом, зимой в отапливаемых помещениях относительная влажность воздуха понижается в 2–2,5 раза (до 20–35% при норме 40–60%). Пониженная влажность приводит к рассыханию мебели и других деревянных предметов, у людей начинает шелушиться кожа, пересыхают слизистые оболочки рта и носа, делая человека более восприимчивым к любой инфекции.

Влажность влияет на то, как комфортно чувствует себя человек в данный момент времени. Дело в том, что наличие влаги в воздухе резко меняет его теплопроводность и теплоемкость. Поэтому жара и холод в условиях большой влажности переносятся значительно тяжелее. Зимой при большой влажности человек сильнее мерзнет, а обморожения могут наступить уже при +4ºС. В жарком, тропическом климате выделяемый человеческим организмом пот из-за большой влажности воздуха не может эффективно испаряться и снижать температуру тела. Это приводит к большим водопотерям и нарушению терморегуляции организма и перегреву.

4. Осадки. Осадки – это результат конденсации водяных паров: роса, туман, при низких температурах – снег, иней. По количеству осадков выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны. Максимум осадков наблюдается в зоне тропических лесов, а минимум – в пустынях тропического пояса. Зоны, где количество осадков менее 250 мм в год, считаются засушливыми.

Рекордный уровень осадков – 1870 миллиметров за сутки (что составляет более 18 тысяч тонн на гектар земли) – наблюдался 15 марта 1952 года на острове Реюньон в Индийском океане. За календарный месяц выпало 9300 миллиметров осадков – этот рекорд принадлежит местечку Черапунджи в Индии. Этому же местечку принадлежит и «дождевой рекорд» за год – 26460 миллиметров.

В близи Каламы в пустыне Атакама (Чили) выпадает в среднем за год нулевое количество осадков. Атакама переживала засуху на протяжении 400 лет – тоже рекорд. Она закончилась в 1971 году.

Рекордные по величине градины весом более 1 килограмма, выпавшие 14 апреля 1986 года в Бангладеш, явились причиной смерти 92 человек. Они достигали 19 сантиметров в диаметре и 44,45 сантиметра в окружности.

5. Газовый состав атмосферы.Газовый состав атмосферы также является важным экологическим фактором. Примерно 3–3,5 млрд. лет назад атмосфера Земли содержала азот, аммиак, водород, метан и водяной пар, а свободный кислород в ней отсутствовал. Состав атмосферы в значительной степени определялся вулканическими газами. Из-за отсутствия кислорода не существовало озонового экрана, задерживающего ультрафиолетовое излучение Солнца. С течением времени за счет абиотических процессов в атмосфере планеты стал накапливаться кислород, началось формирование озонового слоя.

Состав атмосферного воздуха в настоящее время относительно постоянен. Соотношение газов в атмосферном воздухе следующее: 78,8% – азот; 20,95% – кислород; 0,93% – аргон; 0,03% – углекислый газ. На остальные вещества – неон, гелий, метан, водород, угарный газ, озон в сумме приходится 0,1%. 50% всей массы газов сосредоточено в 5-километровом нижнем приземном слое.

Важнейшим элементом атмосферного воздуха является азот, он участвует в образовании белковых структур. Кислород обеспечивает окислительные процессы в живых тканях. Диоксид углерода – демпфер солнечного излучения. Озон – экран по отношению к ультрафиолетовой части солнечного спектра. Концентрация кислорода наибольшая у поверхности земли и с высотой снижается, поэтому животные для адаптации к высоте стали повышать количество гемоглобина в крови, а растения – хлорофилла в листьях [4]. В середине ХIХ века постоянство химического состава атмосферы стало нарушаться из-за деятельности человека. Увеличилось количество угарного газа, появились фреоны, пары кислот, аэрозоли тяжелых металлов. Наиболее чувствительными к вредным газам оказались хвойные породы, менее восприимчивы лиственные породы, мхи, лишайники. В пределе, вокруг индустриальных центров в скором будущем могут образоваться лишайниковые пустыни.

6. Температура на поверхности Земного шара. По сравнению со всеми абиотическими факторами температура имеет наибольшее значение для человека. Количество тепла, падающего на горизонтальную поверхность Земли, пропорционально синусу угла стояния солнца над горизонтом. Поэтому существуют суточные и сезонные колебания температуры.

Температура оказывает регулирующее влияние на многие процессы жизни растений и животных, изменяя интенсивность обмена веществ. Активность клеточных ферментов лежит в пределах от +10 до +40°С, при низких температурах реакции идут замедленно, но при достижении оптимальной температуры активность ферментов восстанавливается. Пределы выносливости организмов в отношении температурного фактора для большинства видов не превышают 40 – 45°С, пониженные температуры оказывают менее неблагоприятное воздействие на организм, чем высокие. Нижний предел связан с переходом воды в твердое состояние; верхний – со свертываемостью белка. Жизнедеятельность организма осуществляется в пределах от –4 до +45°С. Однако небольшая группа низших организмов способна обитать в горячих источниках при температуре 85°С (серные бактерии, сине-зеленые водоросли, некоторые круглые черви). Многие низшие организмы легко выдерживают очень низкие температуры (их устойчивость к замерзанию объясняется высокой концентрацией солей и органических веществ в цитоплазме).

У каждого вида животных, растений и микроорганизмов выработались необходимые приспособления как к высоким, так и к низким температурам. Так, многие насекомые при наступлении холодов скрываются в почве, под корой деревьев, в трещинах скал, лягушки зарываются в ил на дне водоемов, некоторые наземные животные впадают в спячку и оцепенение. Приспособление от перегрева в жаркое время года у растений выражается в увеличении испарения воды через устьица, у животных – в виде испарения воды через дыхательную систему и кожные покровы. Животные, не обладающие системой активной терморегуляции (холоднокровные, или пойкилотермные), колебания внешней температуры переносят плохо, поэтому их ареалы на суше относительно ограничены (амфибии, рептилии). С наступлением холодов у них снижается обмен веществ, потребление пищи и кислорода, они погружаются в спячку или впадают в состояние анабиоза (резкое замедление жизненных процессов при сохранении способности к оживлению), а при благоприятных погодных условиях пробуждаются и снова начинают активную жизнь. Споры и семена растений, а среди животных – инфузории, коловратки, клопы, клещи и др. – могут много лет находиться в состоянии анабиоза. Млекопитающие и птицы переносят неблагоприятные условия в активном состоянии, пользуясь убежищами, поэтому они в меньшей степени зависят от окружающей среды. В период чрезмерного повышения температуры в условиях пустыни животные приспособились переносить жару путем погружения в летнюю спячку. Растения пустынь и полупустынь весной за очень короткий срок завершают вегетацию и после созревания семян сбрасывают листву, вступая в фазу покоя (тюльпаны, мятлик луковичный, иерихонская роза и др.).

Для животных оптимум температуры + 18–29°С.

Животные, имеющие постоянную температуру, называются теплокровными. Они живут за счет активного обмена веществ и термоизоляции тела (мех, перья, одежда). К ним относится и человек.

Среди теплокровных животных прослеживается связь между географическим распространением и их морфологическими приспособлениями, которые сформулированы в виде правил.

Правило Бергмана (1847): животные одного вида в более холодных областях имеют более крупные размеры (белый медведь – 1000 кг, бурый – 750 кг, гималайский – 65 кг).

Суть правила. Теплопродукция (выделение тепла клетками организма) пропорциональна объему тела. Теплоотдача (потеря тепла, его передача в окружающую среду) пропорциональна площади поверхности тела. С увеличением объема площадь поверхности растет относительно медленно, что позволяет увеличить отношение «теплопродукция/теплоотдача» и, таким образом, компенсировать потери тепла с поверхности тела в холодном климате.
Математическая иллюстрация правила Бергмана (рис. 5.3). Представим себе двух животных, имеющих тело в виде правильных кубов со сторонами а у первого и 2а – у второго животного.

Таким образом, отношение (фактически – отношение теплопродукции к теплоотдаче!) у второго животного в два раза больше, что делает второе животное более приспособленным к условиям холодного климата.

	S1 = 6 a2		S2 = 6 (2a)2 = =24 a2
	V1 = a3	V2 = (2a)3 = =8 a3
	T1 = V1 / S1 = =a3/ 6 a2 = = a / 6	T2 = V2 / S2= = 8a3/ 24 a2 = =a / 3

Рисунок 5.3 - Математическая иллюстрация правила Бергмана

Правило Аллена (1877): выступающие части тела у теплокровных животных (уши, хвосты, лапы) тем короче, а тело тем массивнее, чем холоднее климат.

Тонкие выступающие части тела, имеющие небольшой объем, но большую площадь поверхности, увеличивают теплоотдачу, т.е. ведут к значительной потере тепла организмом.

Пример правила Алена: лисица Сахары – фенек – имеет длинные конечности и уши, лиса умеренных широт более приземиста, а песец (живет в холодной местности) имеет маленькие уши и короткую морду.