Основные экологические факторы. Солнечная радиация

Солнечная радиация относится к числу факторов, сыгравших ключевую историческую роль в эволюции биосферы. Эта эволюция, по образному выражению Ю. Одума, была направлена на "укрощение" поступающего солнечного излучения, использование его полезных составляющих, ослабление вредных и защиту от них. Таким образом, свет - это фактор не только '' жизненно важный, но и лимитирующий, причем и на максимальном, и на минимальном уровнях.

Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение с различными длинами волн от 0,05 до 3000 нм (1 нм = 1×10^-9 м) и более. Этот поток можно разделить на несколько областей, различающихся физическими свойствами и экологическим значением для различных групп организмов. Границы этих областей приближенно можно представить следующим образом:

· < 150 нм - зона ионизирующей радиации,

· 150 - 400 (390) нм - ультрафиолетовая (УФ) радиация,

· 400 (390) - 800 (760) нм - видимый свет (границы диапазона различаются для разных организмов),

· 800 (760) - 1000 нм - инфракрасная (ИК) радиация,

· > 1000 нм - зона т.н. дальней ИК-радиации - мощного фактора теплового режима среды.

Для эколога важной характеристикой солнечного излучения является его интенсивность. Интенсивность потока солнечной радиации по верхней границе атмосферы, называемая солнечной постоянной, равна 1380 Вт/м², или 1,980 кал/(мин× см²). Она слегка варьирует по сезонам года вследствие изменения расстояния от Земли до Солнца.Фактический приток солнечной радиации к поверхности Земли меньше, чем на верхней границе атмосферы, вследствие отражения и поглощения энергии света в атмосфере. При прохождении через атмосферу часть солнечной радиации рассеивается молекулами газов атмосферы и водяными парами, часть отражается от облаков. Изменяется и качественный состав радиации, например, наиболее коротковолновая часть спектра (с длиной волны примерно до 300 нм) отражается озоновым экраном (областью повышенного содержания озона О₃ на высотах 25 - 100 км). Установлено, что измененияе концентрации озона на 10% вызывает изменение уровня УФ-излучения в тропосфере в 1,5 - 2 раза. На уровне поверхности земли это значение меньше за счет рассеивания излучения газообразными и пылевидными примесями в атмосфере.

Радиационный баланс на верхней границе экосистемы составляют поглощенная солнечная радиация и инфракрасное излучение атмосферы. Расходную часть баланса составляет собственное инфракрасное излучение экосистемы, интенсивность которого пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры излучающей поверхности.

Эта зависимость выражается формулой (нижеследующие формулы взяты из кн.: Федоров В. Д., Гильманов Т. Г. Экология. М.: Изд-во МГУ, 1980):

где s - константа Стефана-Больцмана; d - коэффициент относительного лучеиспускания (поглощения), зависящий от характера излучающей поверхности.

Уравнение радиационного баланса можно представить в виде:

где R - интенсивность остаточной радиации (радиационный баланс на верхней границе экосистемы); (1 - a) Q - поглощенная солнечная радиация; Q - интенсивность суммарной радиации; a - коэффициент отражения; В_е - инфракрасное излучение атмосферы.

Остаточная радиация имеет суточную и сезонную периодичность. В низких широтах она положительна в течение всего года, в умеренных - величина R в суточном цикле дважды приобретает нулевые значения (утром и вечером), в высоких широтах - на протяжении значительной части года остается постоянной.

Энергия радиации, поступающая в экосистему с интенсивностью R, претерпев ряд промежуточных превращений, расходуется в экосистеме на нагревание, турбулентную теплопередачу в атмосферу, фотосинтез, транспирацию. Процесс можно выразить уравнением:

R = Н + G + LE + F, (6)

где R - интенсивность остаточной радиации (радиационный баланс на верхней границе экосистемы); Н - энергия, идущая на нагревание экосистемы; G - энергия, идущая на турбулентную теплопередачу; LE - энергия, идущая на транспирацию (L - скрытая теплота парообразования, Е- интенсивность транспирации); F - энергия, идущая на фотосинтез.

Животные и растения реагируют на различные области спектра. Так, у разных животных по-разному устроен зрительный аппарат, у них различное "цветовое" зрение. Среди млекопитающих цветовое зрение хорошо развито только у приматов, тогда как другие животные видят весь мир черно-белым, хотя и с большим числом оттенков.

Процесс фотосинтеза у растений является предметом специального изучения. С изменением длины волны сильно меняется интенсивность фотосинтеза, т. е. существует оптимум, в диапазоне которого процесс идет наиболее эффективно.

Растения приспособились к условиям светового излучения путем создания пигментов, наборы которых сильно отличаются у разных представителей растительного мира. Наиболее значительные отличия имеют место у наземных и водных растений. Проходя через слой воды, красная и синяя область спектра поглощаются, и получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Красные морские водоросли (Rhodophyta) имеют дополнительные пигменты (фикоэритрины), позволяющие им использовать энергию Солнца и в этом диапазоне длин волн. Благодаря такому приспособлению они могут жить на больших глубинах, чем зеленые водоросли.

Таким образом, здесь вступает в силу компенсация факторов: отдельные растения и целые сообщества приспосабливаются к разным спектральным характеристикам и различной интенсивности светового потока. И у наземных, и у водных растений интенсивность фотосинтеза линейно зависит от интенсивности солнечной радиации.