2.5 Абиотические факторы наземной среды

Со́лнечная радиа́ция (солнечное излучение) – это электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца.

Количество солнечного излучения, поступающего к верхней границе атмосферы Земли, практически постоянно и оценивается значением 8,3 Дж/(см²∙мин.) и называется солнечной постоянной. Поступление энергии солнечного излучения к поверхности самой Земли существенно колеблется, в зависимости от ряда условий: высота солнца над горизонтом, широты, состояния атмосферы и т.д.

42 % всей падающей радиации отражается атмосферой в космическое пространство, 15 % поглощается толщей атмосферы и идет на ее нагревание и только 43 % достигает земной поверхности. Эта доля радиации состоит из прямой и рассеянной (диффузной) радиации (16 %). Общую сумму прямой и рассеянной радиации называют суммарной радиацией.

Общий приход теплоты зависит от суммы прямого и рассеянного излучения, который увеличивается от полюсов к экватору: полярные широты – 46∙10⁵Дж/год; тропические широты – (116…120)∙10⁵Дж/год.

Лучистая энергия Солнца обеспечивает все жизненные процессы на Земле. Для организмов она служит первичным источником энергии, без которого невозможна жизнь. С другой стороны, прямое воздействие света на протоплазму смертельно для организма.

Основные свойства лучевой энергии Солнца как экологического фактора определяются длиной волн. Волны, которые проходят атмосферу и достигают Земли, измеряются в пределах от 0,3 до 10 мкм.

По характеру действия на живые организмы спектр солнечной радиации разделяют на три части: ультрафиолетовое излучение (длина волны менее 400 нм) – около 7%, видимый свет с длиной волны 400 – 750 нм – около 48 % и инфракрасное излучение (длина волны от 750 нм до 10^3 м) – около 45%.

С областью видимой радиации, воспринимаемой человеческим глазом, почти совпадает ФР – физиологическая радиация (длина волны 300 – 800 нм), в пределах которой выделяют ФАР – область фотосинтетически активной радиации (380 – 710 нм).

Наибольшее влияние на организм оказывает видимый свет с длиной волны 0,38 – 0,75 мкм. Видимый свет неблагоприятно влияет на живые клетки и их функции в целом: изменяет вязкость протоплазмы, величину электрического заряда цитоплазмы, нарушает проницаемость мембран и меняет движение цитоплазмы. Свет влияет на состояние коллоидов белков и протекания энергетических процессов в клетках. Но, несмотря на это, видимый свет одним из важнейших источников энергии для всего живого.

Энергия видимого света используется в процессе фотосинтеза и накапливается в виде химических связей в продуктах фотосинтеза, а затем передается как еда всем другим живым организмам.

Коротковолновые ультрафиолетовые лучи UVC (100 – 280 нм) почти полностью и 90 % UVB (280 – 315 нм) поглощаются озоном, а также водяным паром, кислородом и углекислым газом при прохождении солнечного света через земную атмосферу. Излучение из диапазона UVA (315 – 380 нм) достаточно слабо поглощается атмосферой. Поэтому радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет UVA и в небольшой доле – UVB. Длина их волн лежит в пределах 0,3 – 0,4 мкм.

Коротковолновые лучи могут вызвать изменения наследственного материала – мутации. Для защиты от ультрафиолетовых лучей в покровных тканях у многих организмов производится дополнительное количество черного пигмента – меланина, который защищает от проникновения нежелательных лучей.

В небольших дозах ультрафиолетовые лучи необходимы животным и человеку. Под их воздействием в организме образуется витамин D.

Инфракрасные лучи повышают температуру тканей растений и животных, хорошо поглощаются объектами неживой природы, в том числе водой.

Освещенность земной поверхности связана с лучистой энергией Солнца и определяется продолжительностью и интенсивностью светового потока, географическими факторами, характером рельефа, состоянием атмосферы и т. д.

С участием света у растений и животных протекают важнейшие процессы: фотосинтез, транспирация, фотопериодизм, движение, зрение у животных, прочие процессы.

Каждое местообитание характеризуется определенным световым режимом, соотношением интенсивности (силы), количества и качества света.

Вследствие вращения Земли происходит периодическое чередование темного и светлого времени суток, изменение продолжительности светового дня. Данный фактор имеет правильную периодичность. У растений и животных в процессе эволюции выработались физиологические, морфологические и поведенческие адаптации к динамике освещенности. У всех животных, включая человека, существуют циркадные (суточные) ритмы активности.

Требования организмов к определенной продолжительности темного и светлого времени носят название фотопериодизма. Особенно большое значение имеют сезонные колебания освещенности.

Энергия солнечного излучения не только поглощается поверхностью Земли, но и отражается ею в виде потока длинноволнового излучения.

Для определения светового режима необходимо учитывать и количество отражаемого света. Более светло окрашенные поверхности отражают свет более интенсивно, чем темные.

Отношение отражаемого поверхностью потока солнечного излучения к поступившему называется альбедо.

Альбедо = (Ф_отр/Ф_пост)∙100 .

Влажность воздуха – это содержание в воздухе водяного пара. Больше всего влаги в нижних слоях атмосферы до высоты 1,5…2 км, где концентрируется 50 % всей влаги.

Колебания влажности воздуха наряду со светом и температурой регулируют активность организмов. Влажность как экологический фактор важна и тем, что изменяет реакцию организма на температурные колебания.

Осадки тесно связаны с влажностью воздуха и представляют собой результат конденсации водяных паров. В случае конденсации в приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги – иней. Конденсация и кристаллизация паров воды в более высоких слоях атмосферы образует облака различной структуры и является причиной атмосферных осадков.

Атмосферные осадки – это вода в жидком или твёрдом состоянии, выпадающая на земную поверхность из облаков или непосредственно из воздуха в случае сгущения водяного пара. Из облаков может выпадать дождь, снег, морось, ледяной дождь, снежные зёрна, ледяная крупа, град. Количество выпавших осадков измеряется толщиной слоя выпавших осадков в миллиметрах.

Осадки – важное звено в круговороте воды на земле, причём в разных широтах количество осадков резко колеблется. Выделяют влажные (гумидные) и сухие (аридные) зоны земного шара.

Атмосферные осадки – важный фактор, определяющий перемещение и распространение вредных веществ в окружающей среде. Присутствие водяных паров (тумана) в воздухе при одновременном поступлении в него вредных веществ, (например диоксида серы), приводит к образованию токсичного тумана. Загрязняющие вещества могут вымываться из атмосферы и выпадать на поверхность суши и океана в виде кислотных дождей. Твердыё примеси в атмосфере могут служить ядрами конденсации влаги, вызывая разные формы осадков.

Движение воздушных масс (ветер). Причинами возникновения движения воздушных масс (ветра) являются неравномерный нагрев разных участков земной поверхности, вызывающий перепады давления, а также вращение Земли (в глобальном масштабе). Ветровой поток направлен в сторону более прогретого воздуха (меньшего давления).

В приземном слое воздуха движение воздушных масс оказывает влияние на все метеорологические факторы окружающей среды, включая режимы температуры, влажности, испарения с поверхности суши и моря.

Ветер ускоряет транспирацию, что особенно ухудшает условия существования при низкой влажности. Кроме того, он косвенно влияет на все живые организмы суши, участвуя в процессах выветривания и эрозии.

Ветер – важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор, химических примесей и т.п.

Ветровые потоки – важнейший фактор переноса, рассеивания и выпадения загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от различных предприятий. Штиль в сочетании с инверсией температуры воздуха (инверсия – аномальное повышение температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы) рассматривается как неблагоприятные метеорологические условия (НМУ). НМУ способствуют сильному длительному загрязнению воздуха.

Давление.

Нормальным атмосферным давлением считается абсолютное давление на уровне поверхности Мирового океана 101,3 кПа (101325 Па).

В атмосферном воздухе давление меняется посезонно, в зависимости от состояния погоды и высоты над уровнем моря. По мере увеличения высоты относительно уровня океана давление уменьшается, снижается парциальное давление кислорода, усиливается транспирация у растений.

Давление в водной среде растет примерно на 1 атм. на каждые 10 м.

Для многих организмов есть свои пределы изменения давления, к которым они приспособились.

Живые организмы суши и водной среды четко реагируют на изменения давления.

Периодически в атмосфере образуются области пониженного давления с мощными воздушными потоками, перемещающимися по спирали к центру, которые называются циклонами. Циклоны связаны с неустойчивой погодой и большим количеством осадков. Противоположные природные явления называются антициклонами. Они характеризуются устойчивой погодой, слабыми ветрами и в ряде случаев температурной инверсией. При антициклонах возможны неблагоприятные метеорологические условия (НМУ), способствующие накоплению в приземном слое атмосферы загрязняющих веществ.

Орографические (геоморфологические) факторы, или факторы рельефа, – это влияние характера и специфики рельефа на жизнь организмов.

Основной фактор – высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается давление. В результате в горной местности по мере подъёма наблюдается вертикальная зональность распределения растительности, соответствующая последовательности смены широтных зон от экватора к полюсам.

Горные цепи могут служить климатическими барьерами.

Горы могут играть роль изолирующего фактора в процессе видообразования, так как служат барьером для миграции организмов.

Экспозиция (освещённость склона) – положения местности по отношению к сторонам света.

Крутизна склона – угол наклона местности к горизонту влияет на дренаж. Крутизна склона и особенности его поверхности могут сказываться на развитии корневых систем растений, их внешнем строении.

Рельеф местности является одним из важнейших факторов, от которых зависит перенос, рассеивание и накопление вредных примесей в атмосферном воздухе.

Температура. Температура непосредственно влияет на жизнедеятельность растений и животных, определяя их активность и характер существования в конкретных ситуациях. Особенно заметное влияние оказывает температура на фотосинтез, обмен веществ, потребление пищи, двигательную активность и размножение.

Понижение температуры ниже точки замерзания в клетке ведет к физическому расстройству самой структуры клетки и ее гибели.

Живой организм способен регулировать температуру в определенных пределах, но резкие перепады температурного режима могут привести к нарушению функционирования организма, а иногда даже к гибели.

Газовый состав атмосферы. Состав ее практически постоянен и включает: N₂ – 78%, О₂ – 20,9%, СО, аргон и другие газы, частицы воды, пыль.

Ионизирующие излучения. Как экологический фактор ионизирующие излучения представляют собой потоки частиц и электромагнитных квантов, прохождение которых через живую клетку и организм в целом приводит к ионизации и возбуждению составляющих их атомов или молекул. Источниками ионизирующих излучений служат космос, радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах, а также в биосфере, куда они могут попадать и вследствие антропогенной деятельности.

Различают три вида ионизирующего излучения: альфа-, бета- и гамма-излучения.

Космическое и ионизирующее излучение природных радиоактивных веществ горных пород, почвы и воды образует фоновое излучение, к которому адаптирована органическая жизнь на Земле.

Интенсивность ионизирующего излучения в окружающей среде значительно повысилась в результате попыток человека использовать атомную энергию.