теория к семинару По Лупповой / лекция 17 нов

Лекция 17

Географические явления в биосфере

План

1. Общие географические закономерности в биосфере.

2. Ритмические явления

3. Зональность и азональность

В истории человечества многие природные стихийные бедствия (землетрясения, наводнения, за­сухи, тропические ураганы и др.) и экологические кризисы, приводящие к катастрофическим послед­ствиям, происходили именно от непонимания вза­имообусловленности всех природных процессов в биосфере. Особенно это резко сказалось при ин­тенсивном использовании естественных ресурсов. Развалины городов, остатки древних инженерных сооружений, следы сельскохозяйственного исполь­зования земель свидетельствуют о значительном воздействии человека на окружающую среду в ис­торическом прошлом. Не только стихийные бед­ствия, но и сам человек мог создавать губитель ную для него самого природную обстановку. От этих причин с лика Земли исчезали древние циви­лизации Египта, Вавилона, Древней Индии, Ки­тая и др. Гуманист эпохи Возрождения Эразм Рот­тердамский (1469-1536) писал: «Мир имеет свой собственный порядок, и мы должны постараться не нарушать его». Именно в познании закономер­ностей развития биосферы и лежит ключ к разум­ному природопользованию.

Большой вклад в познание закономерностей формирования и развития в целом географической оболоч­ки — биосферы Земли внесли отечественные географы: А.А. Григорьев, Л.С. Берг, К.К. Марков, И.П. Герасимов, Н.А. Солнцев, А.Г. Исаченко и др. Однако стройную концепцию и важнейшие закономерности развития географической обо­лочки создал акад. СВ. Калесник (1901-1977). В основу его положений взята идея о целостности природы, а отдельные компоненты географической оболочки рассматриваются с точки зрения их роли в формировании биосферы как еди­ного целого. Такие закономерности и надо понимать как общие географические, поскольку они действуют в преде­лах всей биосферы, оказывают влияние на каждый из ее компонентов и проявляются в любой ее части, в любом природно-территориальном комплексе. С. В. Калесник (1984) сформулировал ряд важнейших законов (целостности, кру­говоротов, ритмики и др.), по которым живет и развивает­ся биосфера, причем, нарушая их, человек способствует воз­никновению сложных социально-экологических проблем. Рассмотрим некоторые из них.

С первого дня жизни человека, с первой его сознательной мысли и до последнего часа, ритмы в той или иной форме сопровождают его суще­ствование. День и ночь; месяц и год; сочетания ряда лет в сухих и теплых фазах или во влажных, многоводных и про­хладных; ритмы землетрясений или солнечных и лунных затмений и многое другое в окружающей человека среде невольно и неизбежно оказывает свои влияния, зачастую весьма глубокие, на условия его существования. Еще с глу­бокой древности человек стремился проникнуть в смысл ритмичности явлений окружающей его природы, понять их причинность и по возможности воспользоваться ее следст­виями.

Впервые на научную основу проблему солнечно-земных связей поставил А.Л. Чижевский (1897-1964), который вы­явил статистические закономерности между земными явле­ниями и активностью Солнца, т.е. с числом солнечных пя­тен. Он стал основоположником новой науки – гелиобиологии — науки, изучающей зависимость биологических процес­сов на Земле от Солнца и космических тел. Большой вклад в развитие этой науки внесли отечест­венные ученые — М.С. Эйгенсон, Н.С. Щербиновский и др. Выявлена тесная связь между солнечной циклической ак­тивностью и ритмическими проявлениями различных биологических процессов в биосфере. К таким процессам можно отнести размножение виру­сов и бактерий, растений и животных, динамику числен­ности вредителей сельхозкультур, урожайность полей, прирост древесины в лесах, биопродуктивность водо­емов и т.п.

Ритмикой называется повторяемость во времени ком­плекса процессов, которые каждый раз развиваются в од­ном направлении. При этом различают две ее формы: периодическую — это ритмы одинаковой длительности (время оборота Земли вокруг оси) и циклическую — ритмы пере­менной продолжительности. Периодичность в биосфере проявляется во многих процессах: тектонических, геолого-литологических, климатических, гидрологических, почво­образовательных, биологических и многих других. Ритмы бывают различной продолжительности: геологические, сверхвековые, вековые, внутривековые, годовые, суточные и пр.

Наиболее крупные ритмы в истории нашей планеты свя­заны с проявлениями ритмов в развитии земной коры, орогенезов, вулканизма и магматизма. Геологические ритмы в фанерозое представлены каледонским, герцинским и аль­пийским тектоническими этапами. В связи с этим в исто­рии Земли в течение последних 600 млн. лет имели место пульсации в глобальном проявлении вулканизма. Длитель­ные периоды относительного затухания вулканизма сменя­лись периодами его бурного проявления. В истории Земли отмечалась повторяемость великих ледниковых эпох, кото­рые разделялись интервалами времени в 150-200 млн. лет.

Отдельные ритмы связаны с неравномерным облучени­ем Земли в связи с ее движением вокруг Солнца. Изменение времени наступления равноденствий (21000 лет), наклона оси вращения к плоскости эклиптики (40000 лет) и изменения формы земной орбиты (около 92000 лет) были выделены югославским ученым М. Миланковичем. Ритмические яв­ления отмечены и в космосе, в частности для Юпитера и Сатурна установлен 20-22-летний ритм активности. В ак­тивности Луны хорошо прослеживается ритм, близкий к вековому: отчетливые вспышки активности Луны наблю­дались в 1671, 1788, 1878 и 1964 гг.

Из сверхвековых ритмов достаточно исследован ритм продолжительностью 1850 лет. А.В. Шнитников в каждом ритме выделял 3 фазы:

1. трансгрессивную (300-500 лет) фазу прохладного влажного климата;

2. регрессивную (600-800 лет) фазу сухого и теплого кли­мата;

3. переходную (700-800 лет) между ними.

Причем в трансгрессивную наблюдалось усиление оле­денения, увеличение стока рек и повышение уровня бессточ­ных озер, а в регрессивную — реки мелели и уровни озер соответственно понижались. 1850-летний ритм Шнитникова также фиксируется в формировании рельефа земной по­верхности, особенно в горных и предгорных областях. Здесь во время сухих периодов преобладали процессы физическо­го выветривания, а в период влажных условий — вынос ог­ромного количества рыхлых продуктов выветривания на предгорные равнины. В результате нарушалось равновесие, при котором ритмично происходило воздымание горных систем и прогибание предгорных равнин. Особенно ярко ритмичность природных процессов фиксировалась для чет­вертичного периода (плейстоцена) — в чередовании ледни­ковых эпох и межледниковий.

Среди внутривековых ритмов наиболее четкими оказа­лись циклы продолжительностью 11, 22, 30-35, 20-50 лет. Эти ритмы отмечены во многих природных процессах. Так, 11-летняя цикличность наблюдается в различной толщине годичных колец у древесных пород, во вспышке некоторых эпидемических заболеваний, в ритмах массовых размно­жений саранчи и т.д. 35-летние ритмы Э. Брикнера уста­новлены для всего земного шара, когда серия влажных и прохладных лет сменяется серией теплых и сухих. Эти рит­мы А.В. Шнитников установил в колебаниях уровня Ладож­ского озера, озер Казахстана и юга Западной Сибири.

Годовая ритмика связана со сменой времен года, при­чем она отмечается в развитии компонентов природных ландшафтов различных географических зон, но наиболее четко она выражена в умеренном поясе. Эта ритмика обнаруживается в годовом ходе климатических элементов, в гид­рологических явлениях (ледостав, ледоход, половодье, межень), миграциях рыб и перелетах птиц, в зимней спячке животных. Годовые циклы хорошо известны у млекопи­тающих: цикл роста рогов у оленей, сезоны размножения у хищников, изменение окраски у животных. У многих арк­тических птиц размножение приурочено к периоду таяния снежного покрова. Птицы, населяющие влажные тропичес­кие леса, имеют тенденцию выводить птенцов в более сухие периоды года и т.д.

Суточная ритмика связана со сменой дня и ночи и с соот­ветствующими изменениями суточного хода температуры, влажности, процессов фотосинтеза. Эти ритмы практичес­ки можно отыскать в любом природном явлении. Способ­ность живых организмов ощущать время, наличие у мно­гих из них «биологических часов» — важное приспособле­ние, которое обеспечивает возможность выживания особи в данных условиях среды. Например, цветение многих ксерофитных растений в пустынях приурочено к определенному времени суток. Сарсазан — типичный представитель за­соленных местообитаний — имеет дневной тип цветения: цветки распускаются с 6-8 час. утра и до конца дня, но ма­ксимальное их количество распускается в 9-11 час. дня при температуре 20-23° С и относительной влажности 50-55%.

Суточный ритм для животных заключается в чередо­вании периодов активности и покоя. Многим животным свойствен либо дневной, либо ночной тип активности. К ночным животным относятся барсуки, скунсы, насеко­моядные (ежи), совы, ночные бабочки, летучие мыши и др. С ночным или дневным образом жизни связаны морфоло­гические адаптации, делающие животных малозаметными для их врагов или, наоборот, жертв. Самые искусные фор­мы защитной окраски встречаются у ночных животных, которые днем остаются неподвижными. Многие бабочки имеют на своих крыльях узоры, напоминающие кору тех деревьев, на которых они сидят в дневное время. У ночных видов всегда имеются только белые и черные типы окрас­ки: среди млекопитающих — дикобразы, скунсы, барсуки, хорьки имеют бело-черные узоры, причем белые пятна час­то расположены на голове и на спине. Характерна суточ­ная миграция для зоопланктона и многих рыб. Так, окуни в период дневного питания собираются в большие косяки вблизи поверхности, в течение ночного периода существо­вания рассеиваются в придонных слоях водной толщи.

В последние годы вновь возник интерес к исследовани­ям А. Л. Чижевского, который еще в 20-х годах высказал мысль о корреляции пиков активности Солнца со всплеска­ми социально-экономических потрясений. Так, было заме­чено, что на годы вблизи максимумов солнечной активнос­ти приходится ряд выдающихся научных открытий:

• 1869 г. — открытие Периодической системы элемен­тов Д. И. Менделеева;

• 1905 г, — создание теории относительности;

• 1926-1927 гг. — «героический период квантовой ме­ханики» и др.

• 1953г – расшифровка структуры ДНК

Установлена цикличность в проявлении катастрофичес­ких природных явлений (наводнений, землетрясений, цикло­нов, вулканических извержений, пыльных бурь и др.). Не­давно установлен интересный 850-летний цикл в таких явле­ниях: сильные засухи — вторжения кочевников (печенеги, гунны, монголы, тюрки) — солнечная активность. Сильным засухам и вторжениям азиатских кочевников предшест­вовали периоды особенно активного Солнца (в IV-VI и XI-XIII вв.). Всем крупным миграциям предшествовали значительные засухи в Азии, поэтому кочевники были вы­нуждены перемещаться в лучшие условия, вторгаясь в зем­ледельческие районы — с 300 г. произошло 9 миграций и вторжений азиатских кочевников.

Таким образом, ритмичность – это форма своеобразной пульсации биосферы как целостной системы, причем ритмы, как и круговороты, замкнуты в себе. Ритмика вхо­дит в понятие структуры ландшафта, ибо взаимодействие компонентов, подвижное во времени, определенным обра­зом организовано и отличается известной последователь­ностью. Знание и учет ритмических явлений необходимы при рациональном природопользовании и охране естест­венных ресурсов биосферы Земли.

Зональность и азональность

Основоположником учения о природной зональности является В.В. Докучаев (1846-1903), который обосновал зо­нальность как всеобщий закон природы. Этому подчинены все природные процессы и явления в пределах биосферы. В дальнейшем радиационные основы формирования зональ­ности земного шара были разработаны А.А. Григорьевым и М.М. Будыко. Основные причины зональности — форма Земли и ее положение относительно Солнца. Помимо широтности, на распределение тепла на Земле влияют харак­тер рельефа и высота местности над уровнем моря, морские течения, соотношение суши и моря и др. Поэтому в качест­ве границ тепловых поясов взяты изотермы (годовые или самого теплого месяца).

На земном шаре выделяют следующие термические пояса:

- теплый (или жаркий), в каждом полушарии ограниченный годовой изотермой +20° С, проходящий вблизи 30° с.ш. и ю.ш.;

- два умеренных (между годовой изотермой +20° С и изотермой + 10° С самого теплого месяца);

- два холодных (температура самого теплого месяца ниже +10° С)

- две области вечного холода (температура всегда ниже 0° С).

На Земле также хорошо фиксируется зональное распределение атмосферного давле­ния в виде 7 поясов:

• экваториального (пониженное давление)

• двух умеренных (пониженного давления),

• двух тропических (повышенное давление)

• двух полярных (повышенного давления).

В целом на земной поверхности выделяется 13 климатических поясов, имеющих широтное простирание и характеризующихся преобладанием в них определенной воздушной массы.

Также зонально на земном шаре распределяются атмо­сферные осадки. Выделяется влажная тропическая зона (при­мерно между 20° с.ш. и ю.ш.), где в течение года выпадает свыше 1000-2000 мм атмосферных осадков. Наибольшее среднегодовое количество осадков в мире фиксируется в Черрапундже (Индия) – 11633 мм и на Гавайских островах – 11684 мм.

Сухие зоны низких широт (между 20° и 40° с.ш. и ю.ш.) отличаются преобладанием антициклональных ус­ловий с нисходящими движениями воздуха. Поэтому здесь сосредоточены самые обширные экстрааридные и аридные зоны мира (пустыни). Наименьшее среднегодовое коли­чество осадков на земном шаре отмечено в Арике (Чили) — 0,8 мм в год. В районе Икике установлен абсолютный рекорд — в течение 14 лет подряд полностью отсутствовали осадки. Влажные зоны умеренных широт (между 40° и 60° с.ш. и ю.ш.) отличаются значительным количеством осадков (бо­лее 500 мм), что связано с циклонической деятельностью. Холодные области высоких широт в обоих полушариях ха­рактеризуются малым количеством осадков (менее 250 мм), обусловленным господством высокого давления и низких температур.

Зональность проявляется и в гидрологических процес­сах. Зональными чертами обладают минерализация и глу­бина залегания подземных вод — от ультрапресных и близ­ких к земной поверхности в тундре и экваториальных лесах до солоноватых и соленых глубокозалегающих—в полупус­тынях и пустынях. Зонален коэффициент стока, показы­вающий, какая доля в процентах атмосферных осадков стекает в реки (остальная испаряется). Так, в тундре он равен 75%^:, в тайге 65%, в зоне лесов (смешанных и широко­лиственных) — 30%, в лесостепях 17%, в степях и полупус­тынях — всего 4-6%. Зональность отражается и на водном режиме рек, зависящем от условий их питания.

Первая классификация рек по типам питания и водному режиму была разработана А. И. Воейковым (1884), прин­ципы которой получили дальнейшее развитие в современ­ной классификации рек М. И. Львовича. На основании глав­ных закономерностей водного режима выделяются основ­ные типы рек мира:

1. экваториальный — питание только дождевое, обиль­ное в течение всего года, преобладает осенний сток (Амазонка, Конго, Голубой Нил);

2. субэкваториальный и тропический — преимущест­венно дождевое питание с преобладанием летнего (Парана, Ориноко, Замбези) и осеннего стока (Ни­гер, Нил с притоками);

3. субтропический — дождевое питание (основная мас­са осадков выпадает зимой) с преобладанием зимне­го стока (Тибр, Арно, Муррей);

4. умеренный — для него характерны различные источ­ники питания, значительные колебания уровня и вод­ности речных систем. Так, здесь представлены реки снегового питания с преобладанием весеннего стока (Волга, Днепр, Дон, Обь, Енисей, Миссисипи); реки дождевого питания с доминированием весеннего сто­ка (Эльба, Одер, Дунай, Висла) и т.п

5. субарктический — преимущественно снеговое пита­ние с летним стоком (Юкон, Колорадо, Вилюй, Ко­лыма).

Отмеченные типы рек не исчерпывают всего их разно­образия, иногда в определенных физико-географических условиях складываются особые их типы (озерный, горный).

Зональность почвообразования определяется в основном климатическими условиями и характером растительного покрова. Первую классификацию почв предложил В. В. Докучаев (1900), который выделял три главных типа почв: нормальные (или зональные), переходные (болотные, болотно-луговые) и анормальные (аллювиальные, эоловые). Он также отметил закономерности распространения генетичес­ких типов почв и их связь с природными зонами, в частнос­ти в классе зональных (нормальных) типов почв он выде­лил следующие типы:

Типы почв Зоны

Тундровые .... Бореальная зона

Светло-серые подзолистые Таежная зона

Серые и темно-серые Лесостепная зона

Черноземные Степная зона

Каштановые и бурые Пустынно-степная зона

Аэральные (желтоземы)…. Зона пустынь

Латеритные (красноземы)………… Субтропическая и тропическая лесная зона

В особую группу выделяют почвы горных областей, расположенных в различных климатических зонах. Это области с преобла­данием геохимического выноса, эрозии, денудации; почвы щебнисты и почвенный покров фрагментарен. Почвы горных поясов занимают на земном шаре 26,7 млн км² (или 18% от всей суши). На территории нашей страны выделяется ряд раститель­ных зон (с севера на юг): арктические пустыни, тундра, лесо­тундра, тайга, зона смешанных и широколиственных лесов, степи, полупустыни. Каждой географической зоне свойствен свой зональный тип растительности, изменяю­щийся при движении от северных границ к южным. Поэто­му во многих растительных зонах еще выделяют подзоны.

Принципиально новый шаг в проблеме зональности был сделан А. А. Григорьевым и М.И. Будыко (1956), которые подвели под явления зональ­ности физический и количественный базис и сформулирова­ли периодический закон географической зональности. Они предложили так называемый радиационный индекс сухости (К), который выражен отношением годового радиационно­го баланса (R) к скрытой теплоте испарения и годовой сумме атмосферных осадков. Радиационный Индекс сухости (по М. И. Будыко) — отношение годового радиационного баланса подстилающей поверхности R к сумме тепла Lr, необходимого для испарения годового количества осадков r на той же площади:

К = R / Lr

(Lr — скрытая теплота парообразования). При Индексе сухости < 0,45 климат характеризуется как избыточно влажный; от 0,45 до 1,00 — влажный; от 1,00 до 3,00 — недостаточно влажный; более 3,00 — сухой.Величина индекса сухости определяет тип ландшафтной зоны, а величина ра­диационного баланса — конкретный характер и облик зоны. Например, наименьшим значением К (до1/3) соответствует тундра, значениям индекса (от 1/3 до 1) — лесная зона, от 1 до 2 — степная, больше 2 — полупустынная и больше 3 — пустынная зона. Однако в лесной зоне по различной величи­не радиационного баланса (с севера на юг) сменяются сле­дующие типы лесных формаций: тайга, смешанные и ши­роколиственные леса, субтропические леса, муссонные леса и экваториальные влажные тропические леса (гилеи). Ана­логичная зависимость установлена и для районов с недостаточным увлажнением: при радиационном балансе (0-50 ккал/см² в год) — это пустыни умеренного пояса; при величине (50-75) — субтропические пустыни и при значени­ях (более 75) — пустыни тропического пояса.

В жизни биосферы, помимо явлений, подчиняющихся закону зональности, не менее важную роль играют процес­сы азональности, т.е. не зависящие от распределения солнеч­ной радиации. Это движения земной коры, образование складок, разломов, горных сооружений, вулканизм, цуна­ми, землетрясения (и связанные с ними оползни, снежные, лавины) и т. д. Все разнообразие земной поверхности, от­раженное в различии географических ландшафтов, есть ре­зультат сочетания и взаимодействия зональных и азональ­ных факторов. Азональные влияния на географическую зо­нальность выражаются в формировании высотной пояснос­ти и в разделении географических зон на провинции на ос­нове рельефа, состава горных пород и распределения суши и моря.

В последнее время обращено внимание на азональные процессы в связи с увеличением количества опасных при­родных катастроф (землетрясения, цунами, извержения вул­канов, оползни, снежные лавины, наводнения, тропические ураганы и пр.). По данным Научного центра по эпидемио­логическим катастрофам (Брюссель), с 1965 по 1992 г. в мире погибло от природных катастроф около 3,6 млн. человек, пострадало более 3 млрд. чел., общий экономический ущерб составил 340 млрд. долл. Так, наибольшее число погибших в мире приходится на такие природные катастрофы, как наводнения, тропические штормы, землетрясения и др. Причем более 90% человеческих жертв, связанных с природными катастрофами, пришлось на Азию и Афри­ку. Часто землетрясения вызывают активизацию других природных процессов, причем на значительной площади вокруг эпицентра. Так, землетрясение в Эквадоре (1987 г.) послужило причиной массовых оползней, которые разрушили 6 миль трансэквадорского газопровода. Извержение вулкана Эл-Руиз в Колумбии (1976 г.) спровоцировало по­явление огромных селей, под которыми погибло 23 тыс. (из 30 тыс.) жителей городка Армеро, цунами в Индонезии в 2003 г. унесло более 10 000 жизней.

Таким образом, рост количества природных катастроф, с одной стороны, увеличение плотности населения и рас­ширение техносферы на Земле — с другой, — существенно повышают вероятность того, что в зону риска природных катастроф буду вовлечены территории, насыщенные слож­ными инженерными сооружениями. К последним относят атомные электростанции, химические предприятия, нефте- и газопроводы, плотины, транспортные системы. Поэтому в мае 1994 г. в Йокогаме (Япония) состоялась 1 Всемирная конференция по проблемам уменьшения опасности от стихийных бедствий. Конференция указала на необходимость комплексного подхода к проблемам глобальной безопасности, включающего меры по предотвращению природных, техногенных и экологических катастроф, имеющих единую причинно-следственную связь.