- •Министерство образования и науки Украины
- •Тема 2. Сложные биогенные системы как объект изучения екологических наук. Свойства и законы функционирования сложных систем Экосистемы. Концепция экосистемы
- •Пространственная структура екосистем
- •Концепция функционирования экосистемы
- •Тема 3. Понятие среды обитания, структура природной среды
- •Гидросфера
- •Атмосфера
- •Литосфера
- •Организм как среда жизни
- •Тема 4. Организм и факторы среды. Основы аутэкологии
- •Понятие об экологических факторах
- •Тема 5. Характеристика и классификация экологических факторов
- •Концепция лимитирующих факторов. Закон минимума Либиха
- •Закон толерантности
- •Тема 6. Абиотические факторы среды и их влияние на живые организмы
- •Основные экологические факторы. Солнечная радиация
- •Температура окружающей среды
- •Влажность.
- •Соленость
- •Реакция среды (рН)
- •Газовый состав среды обитания
- •Тема 7. Биотические факторы среды, их виды и влияние на живые организмы Биогенные элементы и факторы, лимитирующие продукцию
- •Экологические ниши
- •Межвидовые и внутривидовые связи в экосистеме
- •Другие экологические классификации и группы организмов
- •Экологические ниши
- •Тема 8. Антропогенный фактор как группа экологических факторов, возникшая вследствие человеческой деятельности. Его характеристика и влияние на живые системы
- •Тема 9. Популяция как елементарная единица изучения экосистем. Основы демэкологии (екологии популяций)
- •Организация на популяционном уровне
- •Свойства популяционной группы
- •Потенциальная скорость естественного роста популяции
- •Флуктуации численности популяции.
- •Механизмы изменения численности популяции
- •Регуляция численности популяции
- •Типы взаимодействия между популяциями различных видов.
- •Отрицательные взаимодействия
- •Положительные взаимодействия
- •Тема 10. Биоценоз как экологическая система Биоценоз
- •Биоценология
- •Трофическая структура биоценозов
- •Пространственная структура биоценозов
- •Экологические ниши
- •Основные формы межвидовых связей в экосистемах
- •Тема 11. Основы учения об экосистемах (биогеоценология) Понятие и структура биогеоценоза. Трофическая структура и продуктивность экосистем
- •Обмен вещества и энергии в экосистемах. Сети питания.
- •Развитие и эволюция экосистем. Сукцессии и климакс.
- •Аллогенные (экзогенные) и аутогенные (эндогенные) сукцессии. Другие классификации сукцессий
- •Экологические модификации.
- •Тема 12. Основы глобальной экологии (биосферологии) Эволюция биосферы
- •Современные представления о биосфере
- •Динамика биосферы
- •Глобальные круговороты углерода и воды
- •Круговорот азота
- •Круговорот фосфора
- •Круговорот серы
- •Круговорот второстепенных элементов и пестицидов
- •Количественная оценка биохимических циклов
- •Тема 13. Ноосфера как стадия развития биосферы. Основы концепции ноосферы
- •Тема 14. Экология и ее прикладные области Охрана и рациональное использование природных ресурсов планеты
- •Охрана и рациональное использование природных ресурсов
- •Охрана окружающей среды
- •Охрана почв.
- •Охрана водных ресурсов
- •Охрана атмосферы
- •Охрана видов и экосистем
- •Экологические основы интродукции
- •Биологические методы борьбы с вредителями
- •Фитомелиорация
- •Экологическая диагностика
- •Контроль численности экономически важных видов
- •Рекультивация промышленных земель
- •Тема 15. Социальные аспекты экологических наук. Социоэкология Общество как компонент глобальной экосистемы. Влияние деятельности человека на окружающую среду
- •Демография человеческого вида
- •Мировая демографическая ситуация
- •Демографические проблемы Украины
- •Тема 16. Техногенез и экологические проблемы. Техноэкология. Промышленная экология. Урбоэкология
- •Техносфера. Природно-промышленные системы и закономерности их функционирования
- •Экологические проблемы городов
- •Тема 17. Экология человека. Влияние качества природной среды на здоровье человека Влияние окружающей естественной среды на здоровье населения
- •Экологическая медицина, валеология, экопатология. Гигиеническое нормирование и контроль содержания химических веществ. Санитарно-гигиенические показатели объектов окружающей среды
- •Тема 18. Методы исследования в экологических науках. Современные достижения экологических наук, основные направления исследований Полевые наблюдения
- •Экспериментальные методы
- •Моделирование в экологии
- •Проблематика и основные направления экологических исследований
Тема 6. Абиотические факторы среды и их влияние на живые организмы
Экосистемы испытывают воздействие таких внешних по отношению к ним физических факторов, как солнечная радиация, температура внешней среды, ионизирующее излучение, влажность, атмосферное давление, течения и др. Лимитирующие физические факторы в основном являются внешними по отношению к экосистеме.
Основные экологические факторы. Солнечная радиация
Солнечная радиация относится к числу факторов, сыгравших ключевую историческую роль в эволюции биосферы. Эта эволюция, по образному выражению Ю. Одума, была направлена на "укрощение" поступающего солнечного излучения, использование его полезных составляющих, ослабление вредных и защиту от них. Таким образом, свет - это фактор не только '' жизненно важный, но и лимитирующий, причем и на максимальном, и на минимальном уровнях.
Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение с различными длинами волн от 0,05 до 3000 нм (1 нм = 110-9 м) и более. Этот поток можно разделить на несколько областей, различающихся физическими свойствами и экологическим значением для различных групп организмов. Границы этих областей приближенно можно представить следующим образом:
150 нм - зона ионизирующей радиации,
150 - 400 (390) нм - ультрафиолетовая (УФ) радиация,
400 (390) - 800 (760) нм - видимый свет (границы диапазона различаются для разных организмов),
800 (760) - 1000 нм - инфракрасная (ИК) радиация,
1000 нм - зона т.н. дальней ИК-радиации - мощного фактора теплового режима среды.
Для эколога важной характеристикой солнечного излучения является его интенсивность. Интенсивность потока солнечной радиации по верхней границе атмосферы, называемая солнечной постоянной, равна 1380 Вт/м2, или 1,980 кал/(мин см2). Она слегка варьирует по сезонам года вследствие изменения расстояния от Земли до Солнца.Фактический приток солнечной радиации к поверхности Земли меньше, чем на верхней границе атмосферы, вследствие отражения и поглощения энергии света в атмосфере. При прохождении через атмосферу часть солнечной радиации рассеивается молекулами газов атмосферы и водяными парами, часть отражается от облаков. Изменяется и качественный состав радиации, например, наиболее коротковолновая часть спектра (с длиной волны примерно до 300 нм) отражается озоновым экраном (областью повышенного содержания озона О3 на высотах 25 - 100 км). Установлено, что измененияе концентрации озона на 10% вызывает изменение уровня УФ-излучения в тропосфере в 1,5 - 2 раза. На уровне поверхности земли это значение меньше за счет рассеивания излучения газообразными и пылевидными примесями в атмосфере.
Радиационный баланс на верхней границе экосистемы составляют поглощенная солнечная радиация и инфракрасное излучение атмосферы. Расходную часть баланса составляет собственное инфракрасное излучение экосистемы, интенсивность которого пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры излучающей поверхности.
Эта зависимость выражается формулой (нижеследующие формулы взяты из кн.: Федоров В. Д., Гильманов Т. Г. Экология. М.: Изд-во МГУ, 1980):
где - константа Стефана-Больцмана; - коэффициент относительного лучеиспускания (поглощения), зависящий от характера излучающей поверхности.
Уравнение радиационного баланса можно представить в виде:
где R - интенсивность остаточной радиации (радиационный баланс на верхней границе экосистемы); (1 - ) Q - поглощенная солнечная радиация; Q - интенсивность суммарной радиации; - коэффициент отражения; Ве - инфракрасное излучение атмосферы.
Остаточная радиация имеет суточную и сезонную периодичность. В низких широтах она положительна в течение всего года, в умеренных - величина R в суточном цикле дважды приобретает нулевые значения (утром и вечером), в высоких широтах - на протяжении значительной части года остается постоянной.
Энергия радиации, поступающая в экосистему с интенсивностью R, претерпев ряд промежуточных превращений, расходуется в экосистеме на нагревание, турбулентную теплопередачу в атмосферу, фотосинтез, транспирацию. Процесс можно выразить уравнением:
R = Н + G + LE + F, (6)
где R - интенсивность остаточной радиации (радиационный баланс на верхней границе экосистемы); Н - энергия, идущая на нагревание экосистемы; G - энергия, идущая на турбулентную теплопередачу; LE - энергия, идущая на транспирацию (L - скрытая теплота парообразования, Е- интенсивность транспирации); F - энергия, идущая на фотосинтез.
Животные и растения реагируют на различные области спектра. Так, у разных животных по-разному устроен зрительный аппарат, у них различное "цветовое" зрение. Среди млекопитающих цветовое зрение хорошо развито только у приматов, тогда как другие животные видят весь мир черно-белым, хотя и с большим числом оттенков.
Процесс фотосинтеза у растений является предметом специального изучения. С изменением длины волны сильно меняется интенсивность фотосинтеза, т. е. существует оптимум, в диапазоне которого процесс идет наиболее эффективно.
Растения приспособились к условиям светового излучения путем создания пигментов, наборы которых сильно отличаются у разных представителей растительного мира. Наиболее значительные отличия имеют место у наземных и водных растений. Проходя через слой воды, красная и синяя область спектра поглощаются, и получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Красные морские водоросли (Rhodophyta) имеют дополнительные пигменты (фикоэритрины), позволяющие им использовать энергию Солнца и в этом диапазоне длин волн. Благодаря такому приспособлению они могут жить на больших глубинах, чем зеленые водоросли.
Таким образом, здесь вступает в силу компенсация факторов: отдельные растения и целые сообщества приспосабливаются к разным спектральным характеристикам и различной интенсивности светового потока. И у наземных, и у водных растений интенсивность фотосинтеза линейно зависит от интенсивности солнечной радиации.