Методы биологического и математического моделирования в экологии.

Биологическое моделирование – воспроизведение в искусств. системах разл. процессов, свойств. живой природе. Пример биол. модели – аппарат искусственного кровообращения, искусств. почка, протезы. Широко применяются живые модели – т.е. изучение биологических процессов на более простых существах, например, зоохлореллу, которая служит моделью изучения обмена в-в. Задача – экспер. проверка гипотез относ-но структуры и ф-ий биол.систем. Сущность в том, что вместе с оригиналом, т.е. с какой-то реальной системой, изучается его искуссв-но созданное подобие – модель: 1) реальная – отражают самые существенные черты оригинала (например, аквариум – модель естеств.водоёма). 2) Знаковая – условное отображение оригинала, с пом. математич. выражений или подробного описания.

Математическое моделирование – матем. модели явл. более эффективным методом изучения экол. систем. Например, мат. символы позволяют сжато описать сложные экол. системы, а уравнения дают возможность формально определить взаимодейстивия их различных компонентов. Первые мат. модели: хищник- жертва и паразит – хозяин. На основе мат. модел-ия успешно изучают микробные популяции и популяции одноклеточных водорослей.

№3

№4

Геосферы Земли (атмосфера, гидросфера, литосфера).

Атмосфе́ра— газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Физические свойства

Толщина атмосферы — примерно 2000—3000 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)×1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003×1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27×1016 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура — −140,7 °C; критическое давление — 3,7 МПа; Cp при 0 °C — 1,0048×103 Дж/(кг·К), Cv — 0,7159×103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %.

Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

Состав сухого воздуха

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого газа (CO2).

Состав сухого воздуха[1][2]
Газ	Содержание по объёму, %	Содержание по массе, %
Азот	78,084	75,50
Кислород	20,946	23,10
Аргон	0,932	1,286
Вода	0,5-4	—
Углекислый газ	0,0387	0,059
Неон	1,818×10−3	1,3×10−3
Гелий	4,6×10−4	7,2×10−5
Метан	1,7×10−4	—
Криптон	1,14×10−4	2,9×10−4
Водород	5×10−5	7,6×10−5
Ксенон	8,7×10−6	—
Закись азота	5×10−5	7,7×10−5

Кроме указанных в таблице^[2] газов, в атмосфере содержатся SO₂, NH₃, СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I₂, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Строение атмосферы

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Граница атмосферы Земли

Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

Термосфера

Верхний предел — около 800 км. Температура растёт до высот 200—300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности — например, в 2008-2009 гг — происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.

Термопауза

Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Атмосферные слои до высоты 120 км

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~1500 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час­тицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

Гидросфе́ра (от др.-греч. Yδωρ — вода и σφαῖρα — шар) — совокрупность всех водных запасов Земли. Гидросферой называют водную оболочку Земли, представляющую собой со-вокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод. Общее коли-чество воды на Земле составляет 1386 млн. км3.

Химический состав последней близок к составу вод океана, в которых преобладают О₂ (85,7%), Н₂ (10,8%), Cl (1,93%) и Na (1,03%). Больше всего в Мировом океане (и в ГИДРОСФЕРА) содержится ионов Cl-, SO22-, Na+, Mg2+, несколько меньше - Br-, Са2+ , К+. Средняя концентрация солей 35 г/л. В океанич. водах присутствуют все известные химический элементы, но концентрация большинства из них низкая. В то же время общее количество элементов в океанич. водах огромно, например Аи содержится 6*106 т, Ag-5*109 т, U-5*108 т. Из морской воды добывают NaCl, Mg, Вг. Запатентованы способы извлечения Аи и Ag.

Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза превышает территорию суши.

Средняя глубина всего Мирового океана равна 704 м, а наибольшая — 11034 м. На 75% его площади преобладают глубины от 3 до 6 тыс. м.

Объем Мирового океана немногим более 0,1 % объема земного ша-ра, а по массе всего 0,023 % от массы Земли.

Толщина слоя океанической воды в среднем равна лишь 1:3448 части (или 0,03 %) земного диаметра.

Из общего количества воды на Земле доля пресных вод составляет 2,5 %, или 35 млн. км3. Однако подавляющая часть пресной воды труднодоступна. Почти 70 % пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледни-ках.

В верхней части земной коры на разной глубине под почвой находятся об-ширные запасы подземных вод. Точное количество воды подсчитать трудно. Пре-сные воды, как правило, залегают на глубине до 150—200 м, ниже они переходят в солоноватые и рассолы. Объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше, чем объем поверхностных пресных вод, содержащихся в озерах, реках и болотах. В реках одновременно содержится лишь 0,006 % пресных вод.

Площадь всех озер (соленых и пресных) на земном шаре несколько превышает 2 млн. км2. Наибольшее скопление крупных озер находится в областях древнего оледенения и тектонических разломов земной коры. Так в Северной Америке обра-зовались Великие озера. Самый крупный по площади зеркала пресноводный водоем мира (82 680 км2). Однако по объему воды (11600 км3) и максимальной глубине (406 м) оно значительно уступает Байкалу (24 000 км3 и 1741 м) и Танганьике (18 900 км3 и 1435 м).

Самая крупная водная экосистема Европы — Ладожское озеро имеет площадь 17 700 км2, объем воды 908 км3 при наибольшей глубине 230 м.

Общая площадь болот на земном шаре приблизительно 3 млн. км2, или 2 % суши. Почти 60 % болот расположено в России, меньше всего болот в Австралии (около 0,05 % площади).

Вода в атмосфере — это главным образом водяной пар и его конденсат (ка-пельки воды и ледяные кристаллы). Чем выше, температура воздуха, тем больше водяного пара он может содержать.

Биологическая вода — это вода, содержащаяся в живых организмах и расте-ниях, в которых в среднем ее находится 80 %. Общая масса живого вещества био-сферы 1400 млрд. т. Отсюда масса биологической воды равна 1120 млрд. т, что со-ответствует 1120 км3. 2

Вода — это единственное вещество на Земле, существующее в природе во всех трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.

Литосфера

Литосфера — это твердая оболочка Земли (глубиной около 200 км), под кото-рой находятся мантия и ядро.

Под литосферой понимается внешняя оболочка "твердой" Земли, располо-женная ниже атмосферы и гидросферы над астеносферой. Мощность литосферы из-меняется от 50 км (под океанами) до 100 км (под материками). Ее верхняя, менее плотная и менее упругая оболочка называется земной корой, нижняя (подстилаю-щая) — субстратом, входящим в состав верхней мантии.

В земной коре – верхней части литосферы – обнаружено 90 химических элементов, но только 8 из них широко распространены и составляют 97,2%. По А.Е. Ферсману, они распределяются следующим образом: кислород – 49%, кремний – 26, алюминий – 7,5, железо – 4,2, кальций – 3,3, натрий – 2,4, калий – 2,4, магний – 2,4%.

Границей между земной корой и субстратом служит поверхность Мохоро-вичича. Скорость продольных сейсмических волн при переходе через эту поверх-ность сверху вниз возрастает скачкообразно с 6,7—7,6 до 7,9-8,2 км/сек, а попереч-ных - с 3,6-4,2 до 4,4—4,7 км/сек. Плотность вещества также увеличивается скачко-образно с 2,9-3,0 до 3,1-3,5 т/м3.

Земная кора различна на материках и под океанами. Материковая кора состоит из материка, его шельфа, материкового склона и материкового подножья. Ее сред-няя мощность около 34 км, а максимальная (в горных странах) до 75 км. Она разде-ляется на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый.

Осадочный слой (средняя плотность 2,4—2,5 т/м3 ), мощностью до несколь-ких километров, состоит из разновозрастных измененных или неизмененных оса-дочных и вулканических пород, которые нередко разорваны, смяты в складки или смещены по разрывам. В образовании осадочного слоя большую роль сыграли жи-вые организмы, похоронив себя в "былых биосферах".

Гранитный слой (средняя плотность 2,7 т/м3), мощностью 15—17 км, являет-ся главным в материковой коре. Он состоит из гранитов, гнейсов, кварцитов и дру-гих "кислых" горных пород со значительным участием (больше 60 %) в их составе кремнезема Si02. Гранитный слой на щитах выходит на поверхность.

Нижний, базальтовый слой, мощностью 15—20 км, плотный в земной коре (средняя плотность 2,9 т/м3), включает в себя базальты, габбро и другие основные горные породы с пониженным содержанием кремнезема (40— 50 %) и повышенным — оксидов металлов. Гранитный и базальтовый слои разделены поверхностью Кон-рада, при переходе которой сейсмическими волнами скорость их прохождения воз-растает скачкообразно от 6 (в гранитном слое) до 6,5—7,2 км/с (в базальтовом).

Океаническая земная кора имеет толщину до 5—10 км. Она находится под морскими водами, если их глубина больше 3,5 км, и также подразделяется на три слоя: верхний (не менее 1 км)- осадочный, средний — в основном базальтовый, и нижний — сложенный габбро и серпентинитами— ультраосновными породами с содержанием кремнезема менее 40 %. Субстрат верхней мантии, располагающийся на астеносфере, представляет собой своеобразную жесткую платформу, на которой в результате геологического развития Земли образовалась земная кора. С глубиной температура горных пород повышается, и в верхней мантии под материковой корой она предполагается близкой к 600—700 °С. В астеносфере, нижняя граница которой находится на глубинах 250-350 км, температура, по всей видимости, близка к точке плавления (1500—1600 °С). По этой причине вязкость вещества здесь сильно понижена по сравнению с литосферой и более глубокими слоями мантии. Астеносфера — основной очаг образования магмы. В ней происходит медленное перемещение разогретого до плавления вещества, которое предположительно служит причиной вертикальных и горизонтальных движений литосферы.

Земная кора, представляющая собой хрупкую оболочку, разбита на отдельные геологически разновозрастные, более и менее активные глыбы, которые подверже-ны постоянным движениям, как вертикальным, так и горизонтальным. Крупные (не-сколько тысяч километров в поперечнике), относительно устойчивые глыбы земной коры с низкой сейсмичностью и слабо расчлененным рельефом получили название платформ (от фр-plat — плоский и form — форма). Они имеют кристаллический складчатый фундамент и разновозрастной осадочный чехол. В зависимости от воз-раста платформы делятся на древние (докембрийского) и молодые (палеозойского и мезозойского возраста). Древние платформы являются ядрами современных конти-нентов, общее воздымание которых сопровождалось более быстрым поднятием (ан-теклиза) или опусканием (синеклиза) их отдельных структур (щиты и плиты).

Земная кора находится в положении изостазии (от греч. isostasios — равный по весу) — равновесном состоянии, при котором "плавающие" по астеносфере глы-бы, в том числе платформы, взаимно уравновешивают друг друга. Воздымание од-них областей вызывает опускание других, и наоборот. Крупные прогибы земной ко-ры с мощной толщей морских осадков получили название геосинклиналей или гео-синклинальных складчатых поясов, которые в современном лике Земли представле-ны горными системами и образование которых связано, согласно контракционной гипотезе, с уменьшением объема Земли . В соответствии с гипотезой фик-сизма причина разделения земной коры на платформы и геосинклинали заключена в пространственно неравномерном протекании глубинных процессов в астеносфере и, возможно, нижней мантии (неравномерный разогрев вещества и горизонтальное пе-ремещение его масс).

№5

№6