5.9. Энергетический баланс биосферы

Солнечная радиация является основным источником для большинства процессов, происходящих в биосфере. Именно благодаря Солнцу осуществляется непрерывный круговорот веществ в биосфере. Именно благодаря Солнцу в экосистемах обеспечивается постоянство и избыточность энергии. Каждую секунду Солнце излучает энергию, равную 3,827×10²⁶ Вт, называемую светимостью Солнца. Реальные масштабы излучаемой .энергии необыкновенно велики: этой энергии достаточно, чтобы растопить слой льда вокруг Земли толщиной 1 тыс. км. Но на планету попадает всего лишь одна двухмиллиардная доля всего солнечного излучения в виде прямой и рассеянной радиации.

Плотность потока солнечного излучения, достигающего пределов земной поверхности, называется солнечной постоянной, средняя величина которой принимается равной 1367 Вт/м². С учетом шарообразности планеты можно получить, что на верхнюю границу атмосферы поступает 1/4 часть этой величины, т.е. около 341,8 Вт/м². Учитывая площадь поверхности планеты (510 млн кв. км), можно легко сосчитать количество коротковолновой солнечной радиации за год – 1,743×10¹⁷ Вт.

Около 30% коротковолновой солнечной радиации отражается Землей и уходит обратно в мировое пространство. Доля этой отраженной световой энергии называется альбедо. Остальные 70% поглощаются атмосферой и земной поверхностью. В течение длительного времени Земля сохраняет свое тепловое равновесие, и соответственно количество теплоты, которое должно уходить в мировое пространство, должно быть равным поглощенной теплоте (239,3 Вт/м²). Согласно оценкам М.И. Будыко (1980), поглощенная земной поверхностью радиация расходуется следующим образом: 66% поглощается земной поверхностью, а 34% – атмосферой.

Радиационный баланс земной поверхности (R) равен поглощенной этой поверхностью радиации за вычетом эффективного излучения (I). Соответственно на долю R и I приходится 105 Вт/м² и 53 Вт/м² (из 66% это 44 и 22% соответственно) поглощенной Землей солнечной радиации.

Около 84% радиационного баланса земной поверхности тратится на испарение воды. Именно благодаря этим энергетиче­ским затратам происходит круговорот воды. Почти вся оставшаяся часть расходуется на турбулентный теплообмен с атмосферой. Ливни и ураганы, течения рек и наводнения, океа­нические течения и ветры – все это солнечная энергия. А зеленые растения, используя менее 1% энергии, преобразовывают ее с помощью фотохимических реакций в энергию сложных органических соединений. Но и этой энергии достаточно, чтобы создать и «накормить» такое удивительное разнообразие организмов, населяющих планету.

5.10. Биосфера как целостная система

В целом биосфера – это единый гигантский организм, в котором автоматически поддерживается ряд свойств, обеспечивающих ее функционирование, саморегулирование и устойчивость.

1. Биосфера – это открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии Солнца. Благодаря солнечной энергии и биохимической активности фотосинтезирующих организмов, зеленые растения обеспечили пищей и энергией все остальные организмы, образовали и поддерживают газовый состав атмосферы.

Впервые представления о влиянии солнечной активности на живые организмы были изложены в трудах А.Л. Чижевского, показавшего взаимосвязь многих явлений в биосфере с солнечной активностью. Предпола­гается, что активность Солнца влияет на многие геологические процессы, на социальную активность общества, на численность отдельных видов живых организмов или их популяций.

2. Биосфера – это централизованная система. Центральным звеном биосферы выступают все живые организмы, включая и человека. Одним из наиболее ошибочных подходов является антропоцентрический, отводящий центральное место в биосфере – человеку. Но человек и сам часть природы, и все его действия должны быть соотнесены с механизмами функционирования биосферы.

3. Биосфера – это целостная и дискретная система. Несмотря на специфичность и самостоятельность отдельных геосфер, суммарная деятельность населяющих эти оболочки живыхорганизмов объединяется на уровне биосферы как целостнойфункциональной системы. Целостность биосферы обусловлена тесной взаимосвязью всех слагающих ее компонентов, объеди­ненных круговоротом вещества и энергии. Изменение каждогоиз компонентов неминуемо ведет к изменению других и всей системы в целом.

4. Биосфера – устойчивая и саморегулирующая система.Это выражается в регуляции постоянства физико–химических и биологических функций. Для биосферы характерно свойство гомеостаза, под которым понимается способность гасить возникающие внешние и внутренние возмущения и приходить в исходное состояние путем включения ряда механизмов.

Гомеостатические механизмы биосферы построены по принципу Ле Шателье–Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, происходит смещение в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабевает. За длительную историю существования биосфера неоднократно переживала ряд таких возмущений, к которым можно отнести падения астероидов, крупные землетрясения и извержения вулканов.

5. Биосфера – это система, характеризующаяся огромным разнообразием. Разнообразие повышает ее устойчивость, поскольку обусловливает возможность дублирования отдельных функций. Поэтому на Земле существует более полутора миллионов живых организмов, среди которых нет «лишних» или «вредных»: каждому уготована своя конкретная роль. Так, в каждой маленькой клеточке биосферы – экосистеме, есть целый ряд взаимосвязанных организмов: травоядные консументы поедают «лишнюю биомассу», не позволяя растениям слишком сильно разрастаться; за травоядными пристально «следят» хищники, предотвращая их чрезмерное размножение; количество хищников регулируется количеством травоядных и т.д. Совместная деятельность живых организмов обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот. Кроме этого, все разнообразие функций живых организмов не может выполняться организмами какого-либо одного вида, а только лишь их сообществами.

6. Биосфера – система, обеспечивающая и поддерживающая круговорот веществ. За счет круговорота веществ в биосфере происходит устойчивое поддержание жизни. И несмотря на то, что многие биогеохимические круговороты отдельных элементов начинаются в экосистемах небольшого ран­га, на уровне биосферы они полностью завершаются. Так происходят планетарные процессы формирования и переотложения горных пород, поддержания экологических функций гидросферы и атмосферы, образования почв и поддержания их плодородия и т.п. Круговорот гарантирует неисчерпаемость отдельных химических соединений и непрерывность процессов, происходящих в биосфере. Стойкость биосферы обнаруживается в постоянстве ее общей массы, массы живого вещества и энергии, связанной с живым веществом, в среднем химическом составе всего живого.

Таким образом, только непрерывное функционирование биосферы как целостной системы способно обеспечить экологическую безопасность всех сообществ живых организмов и каждого в отдельности. Выход из строя хотя бы одной функции предполагает глобальную экологическую катастрофу.