Учебник Михайлова КСЕ

7.11. Атмосфера 181

Наибольшие колебания толщины озонового слоя наблюдаются в высоких широтах, поэтому вероятность возникновения озоновых дыр в

районах, близких к полюсам, выше, чем у экватора.

Углекислый газ поступает в атмосферу в значительном количестве. Он постоянно выделяется в результате дыхания организмов, горения, извержения вулканов и других процессов, происходящих на Земле. Однако содержание углекислого газа в воздухе мало, поскольку основная его масса растворяется в водах гидросферы. Тем не менее отме- чается, что за последние 200 лет содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось на 35%. Причина такого существенного увеличе- ния — активная хозяйственная деятельность человека.

Главным источником тепла для атмосферы является поверхность Земли. Атмосферный воздух достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечные лучи. Поступающая на Землю солнечная радиация частично поглощается атмосферой – главным образом, водяным паром и озоном, но подавляющая ее часть достигает земной поверхности.

Суммарная солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, частично отражается от нее. Величина отражения зависит от отражаю-

щей способности конкретного участка земной поверхности, так называемого альбедо. Среднее альбедо Земли — около 30%, при этом разница

между величиной альбедо от 7–9% для чернозема до 90% для свежевыпавшего снега. Нагреваясь, земная поверхность выделяет тепловые лучи в атмосферу и нагревает ее нижние слои. Помимо основного источника тепловой энергии атмосферы — теплоты земной поверхности, тепло в атмосферу поступает в результате конденсации водяного пара, а также путем поглощения прямой солнечной радиации.

Неодинаковый разогрев атмосферы в разных областях Земли вызывает неодинаковое распределение давления, что приводит к перемещению воздушных масс вдоль поверхности Земли. Воздушные массы перемещаются из областей с высоким давлением в области с низким давлением. Такое движение воздушных масс называют ветром. Ïðè

определенных условиях скорость ветра может быть очень большой, до 30 м/с и более (более 30 м/с — уже ураган).

Состояние нижнего слоя атмосферы в данном месте и в данное время называют погодой. Погода характеризуется температурой воздуха, осадками, силой и направлением ветра, облачностью, влажностью воздуха и атмосферным давлением. Погода определяется условиями циркуляции атмосферы и географическим положением местности. Она наиболее устойчива в тропиках и наиболее изменчива в средних и вы-

182 Глава 7. Планета Земля

соких широтах. Характер погоды, ее сезонная динамика зависят от климата на данной территории.

Ïîä климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, сохраняющиеся на протяжении длительного времени. Это усредненные за 100 лет характеристики — температура, давление, количество осадков и др. Понятие климата (от греч. klima — наклон) возникло еще в Древней Греции. Уже тогда понимали, что погодные условия зависят от угла, под которым солнеч- ные лучи падают на поверхность Земли. Ведущим условием установления определенного климата на данной территории является количе- ство энергии, приходящейся на единицу площади. Оно зависит от суммарной солнечной радиации, падающей на земную поверхность, и от альбедо этой поверхности. Так, в районе экватора и у полюсов температура мало меняется в течение года, а в субтропических областях и в средних широтах годовая амплитуда температур может достигать 65 С. Основными климатообразующими процессами являются теплообмен, влагообмен и циркуляция атмосферы. Все эти процессы имеют один источник энергии — Солнце.

Атмосфера является непременным условием для всех форм жизни. Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеют следующие газы, входящие в состав воздуха: кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. Кислород необходим для дыхания подавляющему большинству живых организмов. Азот, усваиваемый из воздуха некоторыми микроорганизмами, необходим для минерального питания растений. Водяной пар, конденсируясь и выпадая в виде осадков, является источником воды на суше. Углекислый газ — исходное вещество для процесса фотосинтеза. Озон поглощает вредное для организмов жесткое УФ-излучение.

Предполагают, что современная атмосфера имеет вторичное происхождение: она образовалась после завершения образования планеты около 4,5 млрд лет назад из газов, выделяемых твердыми оболочками Земли. В течение геологической истории Земли атмосфера под влиянием различных факторов претерпевала значительные изменения своего состава.

Развитие атмосферы зависит от геологических и геохимических процессов, происходящих на Земле. После возникновения жизни на нашей планете, то есть примерно 3,5 млрд лет назад, на развитие атмосферы начали оказывать существенное влияние и живые организмы. Значительная часть газов — азот, углекислый газ, водяной пар — возникла в результате извержения вулканов. Кислород появился около

7. 12. Общие представления о географической оболочке 183

2 млрд лет назад как результат деятельности фотосинтезирующих организмов, первоначально зародившихся в поверхностных водах океана.

Âтечение последнего времени происходят заметные изменения

âатмосфере, связанные с активной хозяйственной деятельностью че- ловека. Так, согласно наблюдениям, за последние 200 лет произошел существенный рост концентрации парниковых газов: содержание углекислого газа возросло в 1,35 раза, метана — в 2,5 раза. Значительно увеличилось содержание многих других переменных компонентов в составе воздуха.

Происходящие изменения состояния атмосферы — увеличение концентрации парниковых газов, озоновые дыры, загрязнение воздуха — представляют собой глобальные экологические проблемы современности.

7. 12. Общие представления о географической оболочке

В. В. Докучаев, открывший закон географической зональности, отме- чал, что в природе гармонично взаимодействуют друг с другом шесть природных компонентов: земная кора литосферы, воздух атмосферы, вода гидросферы, растительный и животный мир биосферы, а также почва постоянно обмениваются между собой веществом и энергией.

Обмен веществом происходит постоянно, и примеров таких можно привести множество:

вода растворяет минералы и горные породы;

вода гидросферы является частью живых организмов биосферы;

вода в виде пара постоянно присутствует в нижнем слое атмосферы Земли;

минералы и горные породы литосферы всегда находятся в живых организмах, в атмосфере (пыль, песок), в воде;

углекислый газ воздуха растворяется в воде;

организмы биосферы — растения — усваивают углекислый газ, выделяя кислород;

накапливаясь на дне океанов, останки организмов биосферы образуют толщи осадочных пород литосферы;

кислород в атмосфере и гидросфере является главным источником жизни организмов биосферы.

184 Глава 7. Планета Земля

Все процессы на Земле происходят благодаря энергии Солнца и внутренней энергии Земли. В каждом из приведенных выше примеров предполагается и обмен энергией. Так, энергия растений биосферы, потребляемая животными, создает энергию животного мира. Вечные льды гидросферы охлаждают атмосферу и гидросферу. Благодаря этим процессам в природном комплексе сохраняется определенное равно-

весие между всеми природными компонентами. Благодаря этим процессам природа имеет удивительную способность к самовосстановлению, самоочищению, саморегуляции. Если в природном комплексе ме-

няется один какой-нибудь компонент, то все другие меняются тоже, при этом стараясь восстановить свое равновесие. Стремление к самовосстановлению — одно из главных свойств природы.

Географическая оболочка — это целостная и непрерывная оболочка Земли, среда деятельности человека, в пределах которой соприкасаются, взаимно проникают друг в друга и взаимодействуют нижние слои атмосферы, поверхностные толщи литосферы, вся гидросфера и биосфера. Между этими частями происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Таким образом, географи- ческая оболочка — это планетарный, охватывающий всю поверхность Земли, природный комплекс.

Суммарная толщина географической оболочки — несколько десятков километров. Основным источником процессов, происходящих в географической оболочке, служит энергия Солнца. Ее неравномерное поступление и распределение по шарообразной поверхности Земли приводит к огромной пространственной дифференциации природных условий в географической оболочке, в результате чего ее можно разделить на более мелкие природные комплексы, среди которых есть сходные (однородные) и совершенно различные.

Наиболее крупные зональные подразделения географической оболочки — географические (природные) пояса Земли, протягивающиеся в широтном или субширотном направлении. Они совпадают с климатическими поясами и имеют те же названия, так как выделяются по температурным условиям и преобладающим воздушным массам.

Однако природные комплексы географических поясов также неоднородны. Наиболее значительные изменения в природных условиях вызваны делением поверхности Земли на материки и океаны. Различ- ное сочетание тепла и влаги в прибрежных и внутренних частях материков является причиной образования в географических поясах

7. 12. Общие представления о географической оболочке 185

природных зон — природных комплексов менее крупных размеров, которые в свою очередь можно подразделить на подзоны и другие бо-

лее мелкие природные комплексы, например ландшафты. Ландшафт (îò íåì. Land — земля и schaft — взаимосвязанный) —

природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительность и живой мир) находятся в сложном взаимдействии и взаимообусловленности, образуя единую неразрывную систему. Многими учеными ландшафт рассматривается в качестве основной единицы в иерархии природно-терри- ториальных комплексов.

Особенности различных ландшафтов формируются под воздействием как зональных, так и азональных факторов. К зональным относят климат, воду, почвы, растительный и животный мир; к азональным — рельеф, геологическое строение, горные породы.

Еще одно важное положение в современных концепциях географии занимает понятие географическая среда, которая возникла в ре-

зультате длительной эволюции географической оболочки под влиянием антропогенного воздействия, создания так называемой «вторичной природы», то есть городов, заводов, каналов, транспортных магистралей и др.

Географическая среда — это часть природы Земли, с которой че- ловеческое общество непосредственно взаимодействует в своей жизни и производственной деятельности на данном этапе истори- ческого развития.

В последнее время наряду с понятием о географической среде в на- учный обиход вошло также понятие об окружающей природной среде

(или окружающей среде).

Окружающая среда — необходимое условие жизни и деятельности общества. Она служит средой его обитания, важнейшим источником ресурсов, оказывает большое влияние на духовный мир людей.

Природное окружение всегда было источником существования че- ловека. Однако взаимодействие человека и природы менялось в разные исторические эпохи.

Два миллиона лет назад первобытные люди все необходимое для жизни находили в природном окружении, занимаясь охотой и собирательством: люди охотились на животных и птиц, ловили рыбу, выкапывали корни и луковицы растений, собирали ягоды, грибы, личинки насекомых, опустошали птичьи гнезда, забирали мед у пчел, вылавли-

186 Глава 7. Планета Земля

вали моллюсков и ракообразных на морском побережье, кочуя в поисках пищи с места на место. Некоторые индийские племена Северной и Южной Америки, бушмены Африки, аборигены Австралии до сих пор живут собирательством.

Появление и развитие земледелия 7 тыс. лет назад положило нача- ло массовой вырубке лесов на Земле. По оценкам ученых, к моменту появления человека на Земле леса занимали 60% ее поверхности, а сейчас — только 30%. В настоящее время нетронутые человеком леса сохранились в тайге России, Канады, а также в тропических лесах Амазонии. В наибольшей степени леса сведены в Евразии и Северной Америке. По мере расширения пахотных земель и пастбищ быстрыми темпами вырубаются тропические леса Африки, Юго-Восточной Азии, Амазонии. Древесина повсеместно используется в качестве дешевого топлива.

Пастбищные земли наиболее сильно подвержены опустыниванию. Этот процесс характерен для всех материков Земли. По оценкам специалистов, человек радикально изменил и освоил 56% территории суши, причем это наиболее благоприятные для жизни районы. Природу некоторых географических зон Земли можно наблюдать только в заповедниках. К ним относятся в первую очередь североамериканские прерии и европейские степи. Они полностью освоены человеком.

Ученые-географы предложили классифицировать географические зоны по степени их преобразования человеком; неизмененные (аркти- ческие пустыни), слабо измененные (тундра, лесотундра, северная тайга, полупустыни и пустыни), сильно измененные (смешанные и широколиственные леса, южная тайга), преобразованные (лесостепи, степи).

В ландшафтоведении, в зависимости от степени антропогенного воздействия, выделяют первичные природные ландшафты, которые

образованы действием лишь природных факторов; природно-антро- погенные ландшафты, которые образованы действием как природных, так и антропогенных факторов; и антропогенные ландшафты, сущест-

вование которых поддерживается лишь за счет деятельности людей.

Вопросы для самопроверки

1.Чему равен радиус Земли? Насколько экваториальный радиус Земли длиннее полярного?

2.Как называется оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии?

Вопросы для самопроверки 187

3.Назовите три слоя, составляющие материковую земную кору.

4.Назовите древние платформы, лежащие в основании материков Африка, Северная Америка, Южная Америка.

5.Дайте определение тектонических структур: плита, платформа, щит, фундамент, осадочный чехол.

6.Перечислите важнейшие функции гидросферы Земли. Каким образом вода осуществляет терморегуляцию планеты?

7.Какова роль гидросферы в круговороте веществ в природе?

8.На какие отдельные зоны делится атмосфера? Каковы принципы этого деления?

9.Каков состав атмосферы?

10.В чем разница между климатом и погодой?

11.В чем заключается гипотеза возникновения атмосферы?

Глава 8 ЖИВАЯ МАТЕРИЯ

8.1. Электромагнитные взаимодействия как определяющие химический и биологический уровень организации материи

Живое вещество, как и вся материя Вселенной, состоит из атомов и молекул, для которых уже известны определенные законы поведения, в том числе на квантово-молекулярном уровне. В этом смысле при научном познании живого представляется вполне возможным применение физических представлений и моделей по исследованию развития природы и закономерностей процессов, проходящих в живом организме. По этому поводу советский физикохимик и биофизик М. В. Волькенштейн писал: «В биологии как в науке о живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти, в том числе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля».

По мнению многих исследователей, изучение проблем генетиче- ского кода, молекулярной природы наследственности и т. д. на заклю- чительном этапе сводится к квантово-механическому объяснению всех этих явлений. В связи с этим следует отметить, что атомно-молеку- лярное толкование большинства явлений живого на сегодняшний день представляется наиболее верным. Вероятно, что живой и неживой природой управляют одни законы, однако механизм их проявления разный, что подтверждается синергетикой как наукой о неравновесных системах и самоорганизации.

Существование физических полей разной природы в живых организмах представляет значительный интерес. Это связано с одной стороны с раскрытием сущности физики живого, а с другой — с взаимодей-

8.1. Электромагнитные взаимодействия 189

ствием полей живых организмов с полями окружающей природной среды, обусловленными главным образом гелио- и геофизическими факторами. Эти взаимодействия обеспечивают живому организму необходимый ему объем информации в процессе жизнедеятельности. Функционирование всех систем живого организма динамично отражается в мозаике физических полей и излучений, исходящих из него, которые, в свою очередь, зависят от параметрических изменений естественных фоновых полей и излучений, окружающих живой организм.

Идентификация полей и излучений, например, человеческого организма сейчас широко используется в медицине для определения динамики различных физиологических процессов и выявления «неполадок» в функционировании определенных органов. Поэтому физиче- ские поля и излучения живого организма как бы есть своеобразное «табло» его физиологических процессов. Например, человеческий организм способен продуцировать инфракрасное излучение (ИК) и излучения сверхвысокой частоты (СВЧ), электромагнитные поля (ЭМП)

èизлучения (ЭМИ) и т. д. По существу, живой организм окружен биополем, под которым следует понимать присущую ему совокупность физических полей.

Электромагнитное взаимодействие обусловливается электриче- скими и магнитными зарядами. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Магнитные силы порождаются движением электрических зарядов, то есть электрическими токами. Согласно закону Кулона, сила электрического взаимодействия будет силой притяжения или отталкивания в зависимости от знаков взаимодействующих зарядов. Видимый свет, являющийся основой существования зеленых растений, синтезирующих органическое вещество на Земле, да

èвсего живого, является электромагнитным излучением определенного диапазона частот.

Согласно теории советского биохимика А. И. Опарина электромагнитные излучения Солнца и электрических разрядов явились энергетической основой абиогенного происхождения жизни. Именно с их помощью происходил процесс образования биомолекул: аминокислот, нуклиотидов, полисахаридов, белковых комплексов, а затем клетки как главной структуры живого.

Электромагнитные поля и электромагнитные излучения являются основными видами излучения для живых организмов. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу. Электромагнитные взаимодействия характеризуют структуру и поведение атомов, отвечают за связи

190 Глава 8. Живая материя

между молекулами различных веществ, таким образом определяя химические и биологические явления.

Электромагнитные поля и излучения в живом организме связаны с возникновением, движением и взаимодействием электрических зарядов в процессе его онтогенеза. На клеточном уровне они возникают при работе митохондрий, на органном и организменном уровнях — при работе сердца и токе крови в сосудах, при нервных и мышечных сокращениях.

Электрические явления в живом организме характеризуются определенными последовательностями электрических импульсов и ритмами определенной характеристики, поскольку в каждом органе вырабатываются свои определенные, специфические электроколебательные процессы. Ритмичность и частота колебаний этих процессов зависят от степени активности организма (сон, бег, сильный стресс и т. д.). В свою очередь, активность физиологического состояния организма (например, человека) и его работоспособность также зависят от биоритмов и периодически меняются сообразно времени суток. Биологи- ческие ритмы как следствие эволюционного процесса проявляются на всех уровнях организации живой материи, начиная с клеток и закан- чивая биосферой.

Ритмичность на уровне клеток живого организма определяется биохимическими колебательными процессами, связанными с движением ионов, необходимых для жизнедеятельности клетки (К+, Ñà2+ и др.), как вовнутрь клетки, так и из нее. Доказано, что общим регулятором внутриклеточных процессов являются ионы кальция. Именно они и их концентрация обеспечивают биологические ритмы клеток.

Ритмичность на уровне растительных организмов проявляется в годовом изменении темпов роста, суточном движении листьев; на уровне животных организмов в темпах двигательной активности, в колебаниях температуры, функционировании органов внутренней секреции, синтеза гормонов, белков, половой активности и т. д. Американский математик и кибернетик Н. Винер писал, что «именно ритмы головного мозга объясняют способность чувствовать время». Чем сложнее система, тем она обладает большим количеством биоритмов. Биоритмы определяют биологическое время и свойственны неравновесным самоорганизующимся живым системам.

Интенсивность физико-химических процессов в мембране и, следовательно, в самой клетке определяется величиной мембранного потенциала. Это значит, что энергия электрического поля в мембранах, подобно конденсаторам, играет важную роль в поддержании устойчи-