2.3. Экологические факторы и их действие
Экологический фактор ‑ это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы. В свою очередь организм реагирует на экологический фактор специфическими приспособительными реакциями.
Классификация экологических, факторов приведена на рис.2.2.
Рис.2.2. Классификация экологических факторов.
Все экологические факторы могут быть сгруппированы в две крупные категории: факторы неживой (косной) природы, называемые абиотическими или абиогенными, и факторы живой природы, называемые биотическими, или биогенными.
Воздействие человека на окружающую среду проявляется, именно в изменении режима множества биотических и абиотических факторов. И часто эти изменения выходят за те пределы, которые отвечают экологическим требованиям живых организмов.
Любому живому организму необходимы не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества, а их определенный режим, т.е. существуют верхние и нижние границы амплитуды допустимых колебаний этих факторов. Чем шире пределы какого-либо фактора, тем выше устойчивость, т.е. толерантность (от лат. толеранция ‑ терпение) организма по отношению к условиям внешней среды, т.е. к ее абиотическим и биотическим факторам.
2.3.1. Абиотические факторы
Наша планета является объектом космического пространства и поэтому космические факторы оказывают существенное влияние на биосферу Земли и, в частности, на ее абиотические факторы.
На Землю попадает космическая пыль, метеоритное вещество, астероиды. От Солнца и других звезд на нее проникает электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн.
Эти обстоятельства влияют на совокупность климатических и почвенно-грунтовых условий планеты.
К важнейшим климатическим факторам нашей планеты относятся: лучистая энергия Солнца, освещенность земной поверхности, влажность воздуха, осадки, движение воздушных масс, давление атмосферы.
Лучистая энергия солнца
В солнечном спектре 48 % энергии приходится на видимую часть излучения с длиной волны от 400 до 760 нм. и 45 % - на инфракрасную область с длиной волны от 750 нм до 0,001 м. Около 7 % - на ультрафиолетовую область с длиной волны менее 400 нм.
Преимущественное значение для жизни на Земле имеют инфракрасные лучи, (они согревают нашу планету), а в процессах фотосинтеза важную роль играют оранжево-красные и УФ - лучи.
Солнечная энергия не только поглощается поверхностью Земли, но и частично ею отражается. От того какую долю солнечной энергии поглощает земная поверхность, зависит общий режим температуры и влажности на континентах. Чистый снег отражает примерно 80 – 95% энергии солнечной радиации, загрязненный снег ‑ 40 – 50 %, черноземная почва - до 5%, а сухая светлая почва – 35‑45%, хвойные леса – 10‑15 %.
Освещенность и влажность
Освещенность земной поверхности, связанная с лучистой энергией Солнца, играет важнейшую роль для всего живого на нашей планете. Такую же роль играет и влажность атмосферного воздуха. Она зависит от насыщения воздуха водяными парами.
Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до 1,5 ‑2 км). Там концентрируется примерно 50 % всех водяных паров. Чем выше температура, тем больше влаги в виде водяных паров может содержать воздух.
Обычно насыщение воздуха парами воды не достигает максимального, и разность между максимальным и реальным насыщением носит название дефицита влажности. Дефицит влажности ‑ важнейший экологический параметр. Он характеризует сразу две величины: и температуру и влажность воздуха на определенной территории. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот.
Осадки.
Атмосферные осадки, тесно связаны с влажностью воздуха. Они представляют собой результат конденсации водяных паров. Режим осадков предопределяет миграцию веществ в биосфере и условия существования земной флоры и фауны.
На земле выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны.
Максимальное количество осадков выпадает в зоне тропических лесов (до 2000 мм в год). Это гумидные зоны. А в пустынях (аридных зонах) количество осадков не превышает ‑ 0,18 мм в год.
Атмосферные осадки могут быть фактором загрязнения природной среды. Классический пример - кислотные дожди. Они являются результатом смешения в атмосфере паров воды и диоксида серы с их последующей конденсацией в капли сернистой кислоты, которая и создает кислотный дождь.
Движение воздушных масс.
Ветер представляет собой движение воздушных масс. Он возникает при не одинаковом нагреве разных участков земной поверхности. Ветровые потоки - важнейший фактор переноса, рассеивания и выпадения загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от промышленных предприятий, теплоэнергетики, транспорта, вулканов и т.д. Сила и направление ветров (роза ветров) предопределяют режим загрязнения окружающей среды.
Мощные потоки воздуха, движущегося по спирали от периферии к центру носят название циклонов. Циклоны связаны с неустойчивой погодой и большим количеством осадков.
В противоположность им, антициклоны характеризуются устойчивой безветренной погодой и малым количеством осадков. При антициклонах могут возникать неблагоприятные метеорологические условия с точки зрения переноса и рассеивания примесей.
Массовые выбросы в атмосферу аэрозолей и пыли от промышленных предприятий могут резко изменить рассеивание солнечного излучения в атмосфере и уменьшить поступление тепла к поверхности Земли с излучением солнца.
Уничтожение лесов и иной растительности, создание крупных искусственных водохранилищ увеличивает отражение солнечной энергии от поверхности земли, а загрязнение пылью, например, снега и льда - наоборот, увеличивает поглощение энергии и приводит к их интенсивному таянию.
Глобальные последствия интенсивной антропогенной деятельности человека могут реализоваться в парниковом эффекте и в ядерной зиме.
Суть парникового эффекта состоит в том ,что по мере накопления в атмосфере диоксида углерода, оксидов азота, фторхлоруглеродов (фреонов) происходит накопление избыточной теплоты в приземном слое атмосферы, т.е. нарушается тепловой баланс планеты. Эффект подобен тому, что наблюдается в покрытых стеклом или пленкой теплицах В результате температура воздуха у земной поверхности возрастает. Прогнозируется, что если содержание С02 увеличится с нынешних 336 частей на миллион до 400 - 500 частей на миллион, то температура воздуха поднимется на 1,0 ‑ 1,5°С. Это может привести к катастрофическим изменениям климата, и, в частности, к массовому таянию ледников и подъему уровня Мирового океана.
Ядерная зима считается возможным следствием ядерных (в том числе и локальных) войн. В результате ядерных взрывов и неизбежных пожаров тропосфера может оказаться насыщенной твердыми частицами пыли и пепла в таком количестве, что станет экраном для солнечных лучей.
Экранирование Земли от солнечного излучения приведет к сильному понижению температуры с неизбежным снижением урожаев, массовой гибелью живых организмов, включая человека, от холода и голода.
Процессы, связанные с последствиями ядерной зимы, в настоящее время являются предметом математического моделирования. Но человечество располагает и природным примером подобных явлений, который заставляет отнестись к нему очень серьезно.
Так, в 1883 году произошло сильнейшее извержение (взрыв) вулкана Кракатау, в Зондском проливе (между островами Ява и Суматра). В атмосферу были выброшены миллионы тонн пепла, которые в течение нескольких лет оставались взвешенными в атмосфере и подвергались глобальному переносу с воздушными массами. В результате в течение трех лет после извержения вулкана наблюдалось сильное глобальное похолодание климата и снижение урожаев сельскохозяйственных культур.
Абиотические факторы почвенного покрова на Земле разнообразны и непосредственно влияют на плодородие почвы. Плодородие зависит от физических и химических свойств почвы. В совокупности они представляют собой эдафогенные (от греч. эдафос ‑ почва), или эдафические факторы.
Верхний слой почвы (толщиной 10 – 15 см), содержащий продукты перегнивания органики, является наиболее плодородным и называется гумусовым или перегнойным. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы. Именно в нем происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых образуются элементы питания растений.
Важнейшими химическими свойствами почвы являются концентрация солей в почвенном растворе и его кислотность, оказывающая решающее влияние на активность почвенных микроорганизмов и усвоение растениями питательных веществ, которые этими микроорганизмами трансформируются в форму, доступную для растений.
Среди таких микроорганизмов важную роль выполняют нитрифицирующие бактерии, в частности, нитрозоамонас и нитробактер. В аэробной среде нитрозоамонас окисляет аммиак до солей азотистой кислоты, а нитробактер ‑ до азотной. В анаэробнных условиях идет обратный процесс – денитрификация ,который связан с восстановлением солей азотной кислоты до азота.
Рельеф местности является одним из важнейших факторов, от которых зависит перенос, рассеивание и накопление вредных примесей в атмосферном воздухе. Расположенные в низинах населенные пункты подвергаются сильному застойному загрязнению, а растительность ‑ угнетению вплоть до гибели.
Весьма велика роль абиотических факторов водной среды, т.к. она занимает преобладающую часть биосферы Земли. Из 510 млн км2 общей площади земной поверхности на Мировой океан приходится 361 млн. км2 (71 %).
Океан ‑ главный приемник и накопитель солнечной энергии, т.к. вода обладает высокой теплоемкостью ( Ср= 4,19 кДж/кг.град.).Это примерно в десять раз более высокая теплоемкость,чем у железа.
Водная оболочка Земли наряду с океанами включает и пресные воды, сосредоточенные в пределах суши (горные льды, реки, болота, озера), и внутренние моря. Важнейшими физическими особенностями водной среды являются:
Подвижность, т.е. постоянное перемещение водных масс в пространстве. Они способствуют поддержанию постоянства физических и химических характеристик водного объема.
Температурная стратификация, т.е. изменение температуры воды по глубине водного объекта.
Годовые, суточные и сезонные изменения температуры. Самыми низкими температурами воды считают -2°С, а самыми высокими 35 ‑ 37°С.
(В данном случае не имеется в виду температура геотермальных вод). В целом на Земле динамика колебаний температуры воды существенно меньше, чем воздуха.
Прозрачность воды, которая определяет световой режим под ее поверхностью.
От прозрачности (и обратной ей характеристики ‑ мутности) зависит фотосинтез зеленых и пурпурных бактерий, фитопланктона, высших водных растений, а следовательно, и накопление биомассы в пределах так называемой эвфотической (от греч. эв - пере-, сверх-, фотос ‑ свет) зоны, т.е. освещенной толщи воды, где процессы фотосинтеза преобладают над процессами дыхания.
Мутность обусловлена содержанием в воде взвешенных веществ, в том числе и поступающих в водные объекты с промышленными и иными стоками.
Соленость также является важным экологическим фактором. Соленость связана с содержанием в воде растворенных карбонатов, сульфатов и хлоридов. В пресных водах их содержание невелико, причем до 80 % составляют карбонаты. Воды открытого океана содержат в среднем 35 г/л солей, Черного моря ‑ 19, Каспийского ‑ около 13, Азовского ‑ 10, Балтийского ‑ 5, Мертвого – 260 г/л с преобладанием хлоридов кальция, калия, натрия и магния.
Растворенные газы и в первую очередь кислород контролируют процессы жизнедеятельности в водной среде. От их концентрации зависят фотосинтез и дыхание водных организмов.
Перерасход кислорода на дыхание водных обитателей и окисление поступающих в воду загрязняющих веществ ведет к преобладанию анаэробных процессов, т.е. к "загниванию" воды, из-за избытка в ней мертвой органики. Это явление называется эвтрофированием (от греч. эв ‑ пере-, сверх-, трофее ‑- питаюсь).
Распространение и жизнедеятельность организмов в воде зависят от кислотности среды. Каждый вид гидробионта адаптирован (приспособлен) к определенному значению рН : одни предпочитают кислую среду, другие ‑ щелочную, третьи ‑ нейтральную. Промышленные, сельскохозяйственные и бытовые стоки существенно меняют этот показатель, что приводит к смене одних групп водных обитателей на другие.