2.5.2. Температура, атмосферное давление, влажность, атмосферные осадки и климат
Температура– важный фактор, определяющий существование, развитие и распространение организмов по земному шару. Весьма существенным является не только среднее значение температуры на некоторой территории, но и тепловой режим, т.е. временное распределение температуры.
Диапазон температур воздуха у земной поверхности весьма широк. Самыми жаркими местами на Земле являются Калифорния, Сахара, Аравия, Иран, Средняя Азия. В Долине Смерти (США, Калифорния) была зарегистрирована температура +56,7 C (1913 год), а в местечке Эль-Азизия недалеко от Триполи (Северная Африка, Ливия) – +57,84 C (1922 год). Самые холодные места – Северо-Восток Азии и Антарктида. В Оймяконе (Россия, Якутия) был зарегистрирован мороз –72 C (1933 год), на станции Восток в Антарктиде был отмечен рекордный мороз –89,2 C (1983 год). Среднегодовая температура также варьирует для разных регионов в значительных пределах: от отрицательных величин до почти +38 C. Для земного шара в целом она составляет у поверхности +14,4 C. Температуры бывают либо почти постоянными в течение всего года (вблизи экватора), либо меняются по сезонам. Немаловажными являются также и колебания температуры в течение суток. В Санкт-Петербурге среднегодовая температура составляет +4,3 C, средняя температура января отрицательна, –7,7 C, средняя температура июля – +17,8 C.
Температура воды в Мировом океане также колеблется в достаточно широких пределах как в зависимости от координат на земной поверхности, так и от глубины. Средняя температура воды в приповерхностных слоях Мирового океана составляет +17,4 C при колебаниях в пределах от –2 C до +33 C. Максимальная температура поверхности моря была зарегистрирована в Мексиканском заливе и на юге Красного моря, температура глубинных слоев – более или менее постоянна и составляет в среднем около +4 C. Исключение могут составлять термальные источники, температура воды в которых может достигать +100 C.
Благоприятный для живых организмов температурный режим исключает как слишком высокие температуры, вызывающие свертывание белков, так и слишком низкие, при которых прекращается деятельность ферментов. Однако некоторые формы жизни могут выдерживать достаточно высокие температуры (до 180 C) или очень низкие температуры, почти до абсолютного нуля. При очень низких температурах у таких организмов наступает состояние анабиоза, т.е. временная, обратимая приостановка всех жизненных процессов. Подобное состояние наблюдается у лишайников, мхов, вирусов, бактерий, некоторых видов беспозвоночных, земноводных, пресмыкающихся.
В зависимости от вида теплообмена различают два экологических типа животных:
пойкилотермные организмы – животные с неустойчивым уровнем обмена веществ, непостоянной температурой тела и почти полным отсутствием механизмов терморегуляции (холоднокровные): беспозвоночные, рыбы, амфибии, земноводные и др.;
гомойотермные организмы – животные с более высоким и устойчивым уровнем обмена веществ, в процессе которого осуществляется терморегуляция и обеспечивается относительно постоянная температура тела (теплокровные): птицы и млекопитающие.
Промежуточное положение между этими двумя группами занимают гетеротермные организмы, у которых в активном состоянии поддерживается относительно высокая и постоянная температура тела, а в пассивном (во время спячки или глубокого сна) температура тела мало отличается от внешней: суслики, ежи, летучие мыши, медведи, стрижи, утконосы, ехидны, кенгуру и др.
Наряду с температурой значительное влияние на многие живые организмы, в том числе и на человека, оказывает величина атмосферного давления. В норме атмосферное давление составляет 101,325 кПа (760 мм рт.ст., или 1 атм), однако может существенно колебаться, причем иногда в течение коротких временных промежутков.
Максимальное атмосферное давление было зарегистрировано в 1968 году в Агате (Россия, Красноярский край) и составило 108,33 кПа (813 мм рт.ст.), минимальное – 87,3 кПа (655 мм рт.ст.) – в 1958 году около Филиппинских островов.
Диапазон давлений, при котором существует жизнь, простирается от долей атмосферы на большой высоте до нескольких тысяч атмосфер на больших глубинах. Некоторые бактерии выдерживают давление до 12000 атм, а некоторые сохраняют жизнеспособность в почти полном вакууме.
Влажностьсреды также часто является фактором, лимитирующим численность и распространение организмов по земному шару. Влажность зависит от содержания водяного пара в воздухе. Обычно говорят об относительной влажности, которая выражается отношением (в процентах) содержания водяного пара в воздухе к максимально возможному, которое может содержаться в воздухе при данной температуре. Влага – основной фактор, определяющий разделение экосистем на лесные, степные и пустынные.
По отношению к водному режиму выделяют следующие экологические группы растений:
гидатофиты – водные растения, целиком или большей своей частью погруженные в воду: водоросли, ряска, элодея, кувшинка и др.;
гидрофиты – наземно-водные растения, погруженные в воду только нижними частями: стрелолист, частуха и др.;
гигрофиты – наземные растения, приспособленные к обитанию в условиях избыточной влажности: папоротники, кислица, болотные растения, или гелофиты и др.;
мезофиты – растения умеренно увлажненных местообитаний: луговые травы, многие лесные травы, лиственные деревья, большинство сельскохозяйственных культур и сорняков;
ксерофиты – растения сухих местообитаний, разделяющиеся на суккулентов, способных накапливать в тканях большое количество воды (кактусы, алоэ, агава и др.), и склерофитов, способных эффективно задерживать испарение воды (саксаул, верблюжья колючка, полынь, ковыль и др.).
Среди наземных животных различают следующие группы:
гидрофилы – влаголюбивые животные (мокрицы, ногохвостки, комары, наземные планарии, наземные моллюски и амфибии и др.);
мезофилы – животные, обитающие в районах с умеренной влажностью (многие насекомые, птицы, млекопитающие и др.);
ксерофилы – сухолюбивые животные (верблюды, пустынные грызуны и пресмыкающиеся и др.).
Влажность среды во многом определяется количеством атмосферных осадков (дождя, снега и т.д.) на данной территории.
Годовая сумма атмосферных осадковв разных районах земного шара меняется от практически 0 до 3000 мм и более; при этом осадки выпадают или примерно равномерно в течение года, или их основная доля приходится на определенный – влажный – сезон. В Санкт-Петербурге среднегодовое количество осадков составляет 673 мм, но испарение воды примерно на одну треть меньше этого значения, что и обусловливает повышенную влажность.
Режим
температуры и осадков на некоторой
территории в течение достаточно долгого
периода времени называетсяклиматом.
При этом определяющую роль играет количество осадков, а температура – в каком-то смысле вторичную роль (за исключением самых холодных регионов). Так, при количестве осадков более 750 мм в год будут развиваться лесные сообщества, а температура определяет только, какой именно тип леса будет формироваться в данном регионе: хвойный, листопадный или вечнозеленый. При количестве осадков от 250 до 750 мм в год развиваются злаковые степи, а при меньших количествах – пустыни. Отметим, что на климат опосредованно могут влиять и другие абиотические факторы – рельеф поверхности, ветер, тип почв и т.п. В результате на отдельных участках земной поверхности формирование климатических условий может существенно отличаться от описанной выше весьма общей схемы. При этом подобные отклонения могут иметь очень локальный характер, что приводит к формированию микроклимата.
Климатические условия на Земле не остаются неизменными. Особенно стремительно климат изменяется в последние десятилетия. Обычно это связывается с деятельностью человека: сжигание органического топлива приводит к увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере, что приводит к возрастанию температуры (так называемый парниковый эффект, который будет более подробно рассмотрен ниже), а возрастание температуры, в свою очередь, влияет на климат.
В действительности все обстоит не так просто. В анализе причин изменения климата следует принять в расчет естественные процессы, никак не связанные с человеческой деятельностью. О том, что такие процессы существуют, свидетельствует история климата Земли.
На рис.2.1 приведено изменение среднегодовой температуры Северного полушария за последние 11000 лет. Значения температуры представлены как отклонения от климатической нормы 1951 – 1980 годов. Видно, что температура испытывала значительные колебания еще до того, как человек получил возможность оказывать серьезное влияние на газовый состав атмосферы.
Рис.2.1. Отклонения среднегодовой температуры Северного полушария и концентрация CO2в атмосфере за последние 11000 лет
На этом же рисунке представлены колебания содержания углекислого газа в атмосфере. Как видно, концентрация углекислого газа в атмосфере также претерпевала значительные изменения вне зависимости от человеческой деятельности. Отметим также, что, как видно из рисунка, жесткой связи между среднеглобальной температурой и концентрацией углекислого газа не наблюдается: повышение содержания углекислого газа может как предшествовать росту температуры (например, период около 2700 года до нашей эры), так и отставать от него (примерно 1200 год нашей эры.).
Таким образом, антропогенное воздействие на климат должно рассматриваться вместе с естественными причинами. Какие же факторы оказывают влияние на глобальные изменения климата?
Если ограничиться отрезком времени порядка тысячелетия, что характерно для современного периода проблемы парникового эффекта, то можно выделить шесть основных факторов, влияющих на климат:
концентрации парниковых газов атмосферы;
концентрации тропосферных аэрозолей – сернокислотных или сульфатных аэрозолей, образующихся в результате взаимодействия оксидов серы и атмосферного водяного пара (тропосфера – нижний слой атмосферы до высоты 8 – 10 км в полярных, 10 – 12 км в умеренных и 16 – 18 км в тропических широтах, характеризующийся убыванием температуры с высотой);
солнечная постоянная, т.е. тепловой поток, поступающий от Солнца на внешнюю границу тропосферы;
вулканическая активность, определяющая степень насыщения стратосферы аэрозолями серной кислоты; в отличие от тропосферного аэрозоля со временем жизни примерно 6 суток стратосферный аэрозоль является долгоживущим – его время жизни достигает 5 – 7 лет (стратосфера – слой атмосферы, лежащий над тропосферой до высоты 50 – 55 км и характеризующийся возрастанием температуры с высотой);
апериодические колебания в системе "атмосфера – океан" (явление Эль-Ниньо) – повторяющиеся через нерегулярные промежутки времени значительные (до 12 C) колебания температуры морской воды в гигантской акватории Тихого океана (0 – 12южной широты, 180 – 80западной долготы);
параметры орбиты Земли (эксцентриситет, прецессия, угол наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики).
Из перечисленных шести факторов только два первых связаны с деятельностью человека (в основном за последние 200 – 300 лет). Остальные четыре фактора имеют исключительно естественное происхождение. Следует также учитывать, что влияние разных факторов на изменение климата может быть существенно различным. Например, если увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере ведет к потеплению климата из-за парникового эффекта, то повышение концентрации тропосферного сульфатного аэрозоля, также вызванного сжиганием органического топлива, приводит к похолоданию климата из-за увеличения экранирования прямого солнечного излучения. В целом суммарная величина антропогенного воздействия на изменение климата Земли соизмерима с суммарным вкладом естественных факторов.