книги / Основы экологии
..pdfПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПОНЯТИЕ .6.6
Рис. 6.14. Схема лихеноиндикационного зонирования сопредельных с г.Минском территорий по степени загрязнения серосодержащими техногенными эмиссиями:
1 — чистая зона; 2 — незначительно загрязненная; 3 — слабо загрязненная; 4 — значительно загрязненная; 5 — наиболее загрязненная зона
Прогрессирующее антропогенное поступление хими ческих элементов и их соединений в биосферу в настоя щее время достаточно точно фиксируется в глобальном масштабе. Однако роль их может заметно проявляться только при поступлении в конкретные экосистемы. Вме сте с тем экологический мониторинг процессов мигра ции, распределения и трансформации загрязнителей по зволяет детализировать общие закономерности миграции техногенных веществ и служить исходным материалом для прогноза состояния окружающей среды в интересах человека.
Биоиндикационные исследования в системе экологи ческого мониторинга позволяют проследить простран ственное распределение многих вредных для здоровья населения и природной среды веществ на фоне общего загрязнения исследуемой, территории в целом. Получен ные значения концентрации тех или иных веществ в конкретных экосистемах могут быть использованы в мо делировании и прогнозировании загрязнения и оценке его экологических последствий при глобальном, регио нальном и локальном уровне поступления вредных ве ществ в окружающую среду.
Индикаторами загрязнения водной среды выступают водоросли и высшие растения (макрофиты). В частнос ти, “цветение” воды в результате интенсивного размно жения синезеленых и зеленых водорослей есть следствие поступления в водоемы биогенных веществ. Образование сплошной прирусловой полосы из аира .обыкновенного (Acorus calamus) прямо указывает на поступление в вод ную экосистему стоков от животноводческого комплекса.
Вместе с тем растения, высшие и низшие, обладают уникальной фильтрующей способностью. Они поглоща ют из воздуха и нейтрализуют в тканях значительное количество вредных компонентов, поступающих в воз душный бассейн от теплоэнергетических объектов, про мышленных предприятий, транспорта и сельского хозяй ства. В водной среде растения выполняют ряд средообра зующих функций: фильтрационную (задержание и осаж дение различных механических примесей, переработка и усвоение органических и биогенных веществ), погло-
тительно-накопительную (поглощение и накопление ми неральных соединений и радиоактивных элементов) и детоксикационную (детоксикация вредных загрязните лей водоемов).
Циклы. Государственная политика, принимаемые решения в области ресурсопользования и охраны при роды могут ошибочно основываться на признании, пря мом или косвенном, преобладания антропогенных фак торов над естественными. Объяснение динамики природ ной среды — задача невероятно трудная: большинство изменений в ней и в здоровье человека можно связывать как с естественными, так и с антропогенными фактора ми, в зависимости от цели и задачи исследования.
Так, неверное объяснение изменения численности орга низмов конкретного вида, продуктивности сообществ, за болеваемости населения и других явлений, происходя щих в естественном режиме, влиянием антропогенных факторов нередко приводит к искаженной оценке состо яния окружающей среды и принятию ошибочного реше ния. Такие решения, как правило, сопровождаются на прасными усилиями с затратой огромных средств для решения экологической проблемы, которая не является порождением хозяйственной деятельности человека.
Развитию природной среды в естественном режиме свойственна цикличность. Под циклом понимается сово купность процессов и явлений, составляющих кругообо рот в течение определенного отрезка времени. В нем выделяются 4 фазы развития: исходное состояние (ми нимум, батифаза), восходящая фаза, максимальное разви тие (максимум, вершина), нисходящая фаза и окончание (минимум, батифаза). Фаза минимального развития, или значения (минимум), отделяет последующий цикл от предыдущего. Таким образом, создается ритмика разви тия природной среды и ее компонентов.
По завершении цикла природа приобретает новое ка чественное состояние при относительном сохранении ее исходных количественных характеристик (температуры воздуха, осадков, биоразнообразия, численности организ мов, биопродуктивности и др.), поскольку идет, хотя и медленный, процесс ее развития.
Циклы имеют различную продолжительность. Тек тонические циклы охватывают очень длительные (более
100 млн лет) периоды в геологической истории Земли, приведшей к формированию современного лика биосферы. Чередование ледниковых эпох и теплых межледниковий происходит в течение десятков и сотен тысячелетий.
Для оценки состояния природной среды при экологи ческом мониторинге наибольший интерес представляют циклы ее развития за несколько лет и десятилетий, про являющиеся при жизни одного иди нескольких поколе ний людей.
Ритмические изменения в сообществах организмов (популяциях и биоценозах), служащие приспособления ми к циклическим колебаниям условий их существова ния, получили название биологических циклов. Они мо гут быть суточными, сезонными и многолетними. Суточ ный цикл обусловлен световым и температурным режи мом, а также изменением влажности субстрата и воздуха в течение суток. Он является причиной суточной дина мики сообществ. Сезонные циклы определяют динамику биоценозов, отвечающую временам года.
Многолетние биологические циклы выражаются в динамике численности тех или иных групп организмов, их расселении в новые места или сокращении ареала, в изменении биологической продуктивности. Термин “дина мика численности” обычно употребляется для животных, для растений близки по смыслу понятия “урожай”, “уро жайность” и “продуктивность” .
Регуляция численности животных может быть инди видуальной, биоценотической и популяционной. Инди видуальные адаптации выражаются в приспособлении организма к среде (температуре, влажности, газовому составу и др.), включая обмен веществ. Отклонение эко логических факторов от оптимума приводит к стрессу, с помощью которого организм преодолевает их вредное влияние, особенно в значениях, приближающихся к ми нимуму или максимуму, после которых наступает гибель организма.
Биоценотическая регуляция в основном выражается в отношениях между организмами, принадлежащими к разным трофическим уровням (растения и растительно ядные животные, хищники и их жертвы, хозяева и па разиты). В основе популяционной регуляции численнос ти лежит внутрипопуляционное существование группи
ровок — семей, стад, стай и колоний, способствующее относительной упорядоченности использования ресурсов и территории вплоть до заполнения емкости среды.
При многолетних биологических циклах происходят ритмичные изменения биоразнообразия, численности организмов и продуктивности экосистем. Они представ ляют собой суммированный результат колебаний абиоти ческих, в первую очередь климатических, факторов.
Один из основоположников учения о биосфере, сто ронник русского космизма А.Л.Чижевский подчеркивал, что развитие органического мира на Земле не есть про цесс самостоятельный, автохтонный, замкнутый в самом себе, а представляет собой результат действия земных и космических факторов, из которых вторые являются глав нейшими, так как они обусловливают состояние земной среды. Органический мир постоянно находится под вли янием Космоса. Для всего живого, для биосферы суще ственна не только непрерывно излучаемая Солнцем энер гия, но и периодически возникающие изменения в его активности (Чижевский, 1976).
Солнце являет собой раскаленный плазменный шар диаметром 1392 тыс. км, в нем сосредоточено 99,866 % массы Солнечной системы. Источником энергии, попол няющим потери от излучения и поддерживающим высокую температуру светила, являются ядерные реак ции, которые происходят в его недрах. Отток энергии происходит в переходной зоне, отделяющей хромосферу (средний слой атмосферы между фотосферой и солнеч ной короной) от солнечной короны.
В солнечной короне, самой внешней и наиболее разре женной части атмосферы, большую часть энергии уно сит солнечный ветер — потоки вещества, идущие от Солнца. Земля удалена от Солнца в среднем на 149,6 млн км, или только на 107 солнечных диаметров, и располо жена в пределах его атмосферы, поскольку солнечный ветер есть продолжение солнечной короны. Земля нахо дится в поле влияния Солнца огромной интенсивности. Излучение Солнца служит основным энергетическим источником для большинства природных процессов.
Совокупность явлений, наблюдаемых на Солнце и свя занных с образованием в атмосфере пятен, факелов, воло кон, протуберанцев, вспышек и других возмущений, на-
12 Зак. 2260
зывается солнечной активностью (W). Солнечная актив ность проявляется прежде всего в возникновении активных областей, которые занимают на диске светила два пояса, расположенные параллельно экватору по обе стороны от него между 10° и 30° широты.
Образование активной области, меняющей структуру всех слоев атмосферы, по всей видимости, связано с движением плазмы, вызываемым выходом на поверхность локальных магнитных полей. Солнечные пятна указы вают на образование активной области, а солнечная вспышка —на внезапное выделение огромного количества энергии.
Солнечная вспышка, наиболее мощный процесс в атмосфере Солнца, сопровождается усилением излучения в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах волно вого спектра, ускорением частиц до высоких энергий, выбросом массы плазмы с магнитным полем в межпла нетное пространство. Жесткое электромагнитное и кор пускулярное излучение вспышек приводит к заметным возмущениям физических полей в межпланетном про странстве и в магнитосфере Земли, включая магнитные бури. Солнечная активность проявляется прежде всего в возникновении большого числа активных областей при мерно каждые 11 лет.
Под циклом понимается совокупность взаимосвя занных процессов, образующих законченный круг в те чение определенного отрезка времени. В целом солнеч ный цикл отражает взаимодействие магнитных полей различных масштабов —от глобального поля всего Солнца до тонких магнитных жгутов диаметром в сотни кило метров. Полный возврат к одной и той же магнитной конфигурации-происходит примерно через 22 года (маг нитный цикл). 11- и 22-летние солнечные циклы явля ются основными внутривековыми циклами солнечной активности. Мощность активных областей изменяется в квазивековом (от лат. guasi —как будто) цикле.
Колебание солнечной активности, сопровождающееся увеличением количества пятен и вспышек, ведет к изме нению электромагнитного, рентгеновского, ультрафиоле тового, видимого и радиоизлучения Солнца, а также по токов корпускулярных частиц. Из перечисленных ком понентов Земли достигают только видимое излучение и
радиоизлучение. Первое несет огромное количество энер гии, определяющей тепловой и динамический режим атмосферы, гидросферы и верхнего слоя литосферы, а также процессы в органической жизни Земли.
Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения иони зируют верхние слои атмосферы (ионосферу). По совре менным представлениям, все околосолнечное простран ство заполнено водородной плазмой, непрерывно истека ющей из короны (солнечный ветер). Частицы этой плазмы не попадают на поверхность Земли, они пополняют радиационные пояса планеты и ее магнитосферу, хвост которой вытянут в противоположную от Солнца сторону.
Исследования пятен, появляющихся на Солнце, были начаты европейскими учеными, в т.ч. Галилеем, еще в начале XVII века. Систематизацию наблюдений за ними за два с половиной столетия провел швейцарский астро ном Р.Вольф (1816—1896). Он определил годы максималь ного и минимального количества пятен —максимумы и минимумы солнечной активности за предыдущий пе риод наблюдений. Полученные числа Р.Вольф назвал относительными (W) и определил их для каждого дня по формуле
W=K(10g+f),
где g — число наблюдений групп и отдельных пятен в определенный момент времени; f —полное число пятен, подсчитанных в этих группах и отдельно; К —коэффи циент, зависящий от наблюдателя и его трубы.
Этой формулой пользуются до сих пор, хотя она не позволяет выразить с совершенной точностью состояние солнечной активности. За международную систему при няты числа Вольфа, публикуемые Цюрихской обсервато рией с 1849 г. (#=1). Несмотря на большую неточность, числа Вольфа имеют то преимущество перед другими характеристиками солнечной активности, что их значе ния определены за последние 250 лет, начиная с 1749 г., и они применяются при сопоставлении многих геофизи ческих и биологических процессов на Земле с солнечной активностью.
Основной цикл деятельности Солнца, как уже отмеча лось, равен в среднем 11 годам, с индивидуальными от клонениями в сторону увеличения или уменьшения. В
действительности продолжительность его колеблется от 7 до 17 лет. Этот главный цикл солнечной активности рельефнее всего, и ход кривой пятнообразовательного процесса имеет волнообразный характер с постепенным чередованием максимумов и минимумов (рис. 6.15). На дежность прогноза солнечной активности, особенно на ступления экстремумов, имеет огромное значение для смягчения вызванных ими явлений в природной среде, органической жизни и особенно в изменениях здоровья человека. В квазивековом цикле 3 -5 главных 11-летних цикла с относительно невысокой солнечной активностью (числа Вольфа в максимуме, как правило, не превышают 100) сменяются также 3—5 циклами с высокой актив ностью светила (числа Вольфа достигают 200).
Нулевой номер присвоен циклу, максимум которого был около 1750 г. В середине 90-х гг. XX века закон чился XXII цикл с глубоким минимумом в 1996 г. и на чале 1997 г., когда на диске Солнца активных областей практически не было. Однако вблизи его максимума на Солнце наблюдались явления такой большой мощности, которые астрономы регистрируют на звездах, находя щихся от нас в миллион раз дальше. Максимума насту пивший XXII цикл достигнет примерно в первом году третьего тысячелетия (Кацова, Лившиц, 1998).
А.Л.Чижевский предупреждал, что не следует преуве личивать факты или неверно их трактовать, и Солнце не решает ни общественных, ни экономических вопросов, хотя в биологическую жизнь планеты вмешивается очень активно. В некоторые эпохи все живое на Земле прихо дит в волнение вследствие судорожных спазм неоргани ческой материи, окружающей это живое (Чижевский, 1976). Авария на Чернобыльской атомной электростан ции произошла 26 апреля 1986 г. —в год минимума сол нечной активности. Накануне, 23 и 24 апреля, на Солн це наблюдалось ограниченное число пятен. Конечно, не состояние Солнца — причина технических катаст роф, но учитывать его активность в ходе проектирова ния и эксплуатации экологически опасных объектов необходимо.
В настоящее время накопилось достаточно данных, сви детельствующих об электромагнитной природе солнеч ного фактора, ответственного за гелиобиологические свя-
Солнечная активность
Рис. 6 .1 5 . Изменение солнечной активности: сплошная линия - 11-летние циклы , штриховая - квазивековой цикл
зи. Причинно-следственная цепочка, раскрывающая ме ханизм этих связей, представляется следующей: сол нечная активность возмущение магнитосферы и ионо сферы возрастание напряженности естественного элек тромагнитного поля Земли реакция организма. Факт влияния солнечной активности на погоду и климат уже научно обоснован, хотя и нуждается в развитии конк ретных исследований. Реальность биологического дей ствия солнечной активности, связанного с изменением электромагнитного поля Земли, уже доказана А.Л.Чижевским и другими гелиобиологами, однако не следует исключать и прямого воздействия волновой радиации и корпускулярного излучения Солнца на орга низм и биосферу.
Исследование всей цепи связей, приводящих к 11-лет ней цикличности многих процессов в биосфере, далеко от завершения. Накопленный обширный материал не оставляет сомнений в наличии таких связей. Так, была установлена корреляция между 11-летним циклом сол нечной активности и землетрясениями, засухами, навод нениями, колебаниями уровня озер, урожайностью сель скохозяйственных культур, размерами годичных колец у деревьев, размножением и миграцией саранчи, эпиде миями гриппа, тифа, холеры, числом сердечно-сосудистых заболеваний и другими явлениями в неживой и живой природе.
Цикличные изменения солнечной активности воспри нимаются чувствительными к ней организмами. Попу ляциям, биоценозам и экосистемам, помимо суточных и сезонных циклов, свойственны многолетние циклы, про являющиеся в изменении численности тех или иных групп организмов (вплоть до вымирания), продуктивнос ти, расселении в новые места и др. Эти многолетние циклы обусловлены в первую очередь изменениями солнечной активности и климата, во многом зависящего от нее, хотя нельзя исключать и другие факторы.
Исследование цикличности явлений, связаных с сол нечной активностью, полезно для осуществления конк ретных мер по использованию природных ресурсов и улуч шению экологической ситуации. Массовое усыхание ело вых насаждений на территории Беларуси во второй по ловине 1990-х гг. приобрело характер экологического