39.Вода
Вода необхідна всім живим організмам і є важливим лімітуючим фактором у наземних і водних екосистемах.
Кількість опадів, вологість значною мірою визначають, разом з термальним режимом, головні характерні риси наземних фітоценозів.
Хімічний склад і будова води
Вода має низку унікальних властивостей, які сприяють життєвим процесам на нашій планеті.
Максимальна щільність чистої води спостерігається за температури 3,98°С. Ця властивість прісної води – максимальна щільність за температури 3,98°С, а з охолодженням і нагріванням щільність зменшується – має величезне екологічне значення.
Воді притаманна надзвичайно висока теплоємність (4,9 Дж/г на 1°С). Така аномально висока теплоємність пояснюється тим, що частина теплової енергії йде на розривання водневих зв’язків між асоційованими молекулами. В результаті вода повільно нагрівається і повільно охолоджується, відіграючи тим самим роль важливого регулятора температури при її добових та сезонних коливаннях.
Підтриманню термостабільності води сприяє вкрай висока теплота пароутворення (2,26 × 106 Дж/кг, або 539 кал/г при 100°С) і плавлення криги (3,35 × 105 Дж/кг, чи 80 кал/г).
Солоність води – сумарна концентрація всіх мінеральних йонів, що містяться у в 1 літрі води, виражені в грамах. Вимірюється в проміле (‰).
Існує низка класифікацій вод за солоністю. У гідроекології та гідробіології традиційно користуються Венеціанською системою. Згідно цієї системи всі природні води поділяють на:
прісні (до 0,5‰), солонуваті, чи міксогалинні (0,5–30,0‰),
еугалинні, чи морські (30-40‰) та
гіпергалинні, чи пересолені (понад 40‰).
Солоність океанічної води досить постійна і зазвичай коливається в межах 34–35‰. Лише в поверхневому шарі коливання складають 2–3‰ (що обумовлено випаровуванням і опадами).
Різні організми по-різному переносять зміни солоності води. Ті, які переносять значні коливання солоності, називаються евригалинними на противагу від стеногалинних.
У водному середовищі організми вирішують проблеми свого водного-сольового балансу двома шляхами:
осмоконформісти (майже всі морські безхребетні, а з хребетних – міксини) є ізоосмотичними, тобто рідини їхнього тіла мають таку ж осмотичну концентрацію, як і середовище їх існування;
осморегулятори (практично всі мешканці прісних вод), внаслідок своєї гіперосмотичності (осмотичність рідин їхнього організму вища, ніж середовища існування), мають підтримувати свій водний баланс, постійно виділяючи з організму надлишок води, а морські хребетні, навпаки, внаслідок своєї гіпоосмотичності, мають різні пристосування до поповнення свого водного балансу внаслідок втрати води через напівпроникні поверхні. Зокрема, морські костисті риби заковтують воду, щоб надолужити її втрати.
Водночас практично всі організми – як осморегулятори, так і осмоконформери, здатні до йонної регуляції. Підтримання певної концентрації різних йонів у гідробіонтів досягається шляхом йонної регуляції – контролю над сольовим складом внутрішнього середовища.
Як показав Ж. Леб ще наприкінці XVIII століття, водяні організми можуть швидко гинути в осмотично сприятливому середовищі, якщо його сольовий склад не збалансований за співвідношенням окремих йонів, особливо одно- і двовалентних катіонів.
Особливе значення для гідробіонтів має іонний коефіцієнт – відношення суми йонів калію і натрію до суми йонів кальцію і магнію.
Зі зменшенням солоності природних вод йонний коефіцієнт знижується, оскільки відносне значення кальцію зростає (карбонати), а натрію знижується (зменшення хлоридів).
Особливо чутливі до змін йонного коефіцієнту морські організми, оскільки вони мешкають в умовах відносно постійної солоності і слабко адаптовані до її змін.
Прісноводні гідробіонти є типовими гіперосмотичними організмами, а тому головна проблема у них – видалення надлишку води, яка постійно надходить через напівпроникні поверхні.
Цікаво, що і для прісноводних, і для морських форм крайня межа поширення знаходиться в межах 7–8‰. Причому ця межа простежується в найрізноманітніших морях: Чорному, Азовському, Білому, Балтійському, Північному та інших, а також для різних фауністичних груп, тобто має універсальний характер. Показано що це пов’язано з впливом солоності на низку біологічних процесів (Хлебович, 1974). Оскільки кількість морських видів значно зменшується зі зниженням солоності нижче 7–8‰, а кількість прісноводних – з її підвищенням до цього рівня, в даному інтервалі солоності видове різноманіття населення вкрай незначне і представлене, головним чином, специфічними солонуватоводними формами. Це явище дістало назву “парадоксу солонуватих вод”.
Слід також відзначити, що у деяких прісноводних форм максимальна щільність популяцій спостерігається за солоності 3–5‰.
Значна стійкість гідромакрофітів до пониження солоності обумовлена міцними клітинними оболонками, що виявляють механічний опір осмотичному надходженню води до організму.
Водневий показник (рН) має колосальне значення для водних і грунтових екосистем.
Концентрація водневих йонів у природних водах досить постійна, оскільки завдяки наявності карбонатів вони є досить забуференими системами.
У сфагнових болотах рН часто досягає 3,4, оскільки карбонатів дуже мало і присутня сульфатна кислота.
Під час інтенсивного фотосинтезу рН зростає до 10 і вище унаслідок майже повного вичерпання СО2 і підлуговування води карбонатами.
У морських водах рН зазвичай складає 8,1–8,4.
У водоймі добові коливання рН часто складають 2 одиниці і більше.
Гази у повітрі та воді
40.Атмосфе́ра (від древньогрецького ἀτμός – пара и σφαῖρα – куля) – газова оболонка (геосфера), що оточує планету Земля.
Атмосфера забезпечує:
фотосинтез та дихання;
захист живих організмів від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання, що відбувається завдяки наявності озонового шару;
перенесення тепла і вологи;
регулювання сезонного й добового коливання температури (якби не існувало атмосфери Землі добові коливання температури на поверхні сягали б 200° C);
існування атмосфери обумовлює низку складних екзогенних процесів:
вивітрювання гірських порід,
активність природних вод, мерзлоти, льодовиків, тощо.
Склад атмосфери досить постійний, оскільки конвекційні потоки забезпечують інтенсивне перемішування до висот не менше 100 км.
В атмосфері виокремлюють такі шари:
Тропосфера – її верхня межа знаходиться на висоті 8–10 км у полярних, 10–12 км – у помірних і 16-18 км – у тропічних широтах. Взимку вона розташована нижче, ніж улітку. Нижній, основний шар атмосфери, містить понад 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% усієї водяної пари, що міститься в атмосфері. В тропосфері значно розвинені турбулентність і конвекція, виникають хмари, розвиваються циклони і антициклони.
Тропопауза – умовною межа тропосфери, у якій зниження температури з висотою припиняється.
Стратосфера — від тропопаузи до стратопаузи, яка розташована на висоті близько 50-55 км. Характеризується незначним збільшенням температури з висотою, яка сягає локального максимуму на верхній межі. На висоті 20—25 км у стратосфері розташовано шар озону, який захищає живі організми від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання.
Стратопауза — розмежовує стратосферу та мезосферу. Визначена існуванням температурного піку, зумовленого поглинанням ультрафіолетового випромінювання Сонця озоном. Розташована на висоті 50—60 км. Виразно виявляється влітку.
Мезосфера – розташована на висотах 55-85 км. Температура поступово падає (від 0 °C у стратопаузі до —70 ÷ —90 °C у мезопаузі). Складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів, коливально збуджених молекул тощо обумовлюють світіння атмосфери.
Мезопауза – перехідний шар між мезосферою й термосферою. На Землі розташовується на висоті 80—90 км над рівнем моря. У мезопаузі знаходиться температурний мінімум, який становить близько 225 К (—50° C), вище неї (до висоти близько 400 км) температура знову починає зростати. Мезопауза збігається з нижньою межею області активного поглинання рентгенівського та найбільш короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця. На цій висоті спостерігаються сріблясті хмари.
Термосфера – верхня межа – близько 800 км. Температура зростає до висоти 200–300 км, де сягає значень близько 1500 К, після чого лишається майже постійною до великих висот. Під впливом ультрафіолетової і рентгенівської сонячної радіації та космічного випромінювання відбувається іонізація повітря («полярні сяйва») – основні шари іоносфери лежать всередині термосфери. На висотах понад 300 км переважає атомарний кисень.
Лінія Кармана — висота над рівнем моря, яка умовно приймається як межа між атмосферою Землі і космосом. Відповідно до визначення ФАІ (Fédération Aéronautique Internationale, Міжнародна авіаційна федерація), лінія Кармана проходить на висоті 100 км над рівнем моря.
Екзосфера – зона розсіювання, зовнішня частина термосфери, розташована вище 700 км. Газ в екзосфері сильно разріджений, і звідси йде втрата його частинок у міжпланетний простір (дисипація).
На висоті близько 2000–3000 км екзосфера поступово переходить в так званий ближньокосмічний вакуум, який заповнений сильно розрідженими частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ – лише частина міжпланетної речовини. Другу частину складають пилеподібні частки кометного і метеорного походження. Крім надзвичайно розріджених пилеподібних часток, в цей простір проникає електромагнітна і корпускулярна радіація сонячного і галактичного походження.
У залежності від складу газів в атмосфері виділяють гомосферу і гетеросферу.
Гетеросфера – це шари, де гравітація спричинює вплив на розділення газів. Тому їх перемішування на такій висоті незначне. Нижче неї лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери, яка називається гомосфера. Границя між цими шарами називається турбопаузою. Вона знаходиться на висоті близько 120 км.
Зазвичай у наземному середовищі кисень рідко виступає лімітуючим фактором. Проте у низці випадків цей чинник має суттєвий вплив.
Зокрема, у мешканців нір склад повітря істотно варіює, причому вміст кисню там може знижуватися до 15% і нижче (Darden, 1972).
На висоті 3000 м над рівнем моря починає проявлятися зниження працездатності, а на висоті 6000 м більшість людей не може вижити, що пов’язане з нестачею кисню, хоч його вміст у повітрі й там складає 20,95%.
Для водних мешканців, на відміну від наземних, кисень часто виступає як лімітуючий чинник.