Климатические факторы

Свет. Солнечный свет - основной источник энергии, обеспечивающий все жизненные процессы на Земле. Если принять солнечную энергию, достигающую Земли за 100%, то 19% ее поглощается при прохождении через атмосферу, 34% отражается обратно в космическое пространство и 47% достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации. Прямая солнечная радиация - это электромагнитное излучение с длинами волн от 0,1 до 30000 нм. На ультрафиолетовую часть спектра приходится от 1 до 5%, на видимую - от 16 до 45% и на инфракрасную - от 49 до 84% потока радиации, падающего на Землю. Распределение энергии по спектру зависит от массы атмосферы и высоты солнца.

Действие разных участков спектра солнечного излучения на живые организмы:

Ультрафиолетовые лучи (УФЛ).

До поверхности Земли доходят только длинноволновые (290 - 380 нм) УФЛ. Губительные для всего живого коротковолновые УФЛ поглощаются на высоте около 20-25 км озоновым экраном.

Длинноволновые УФЛ, обладающие большой энергией фотонов, имеют высокую химическую активность. Большие дозы их вредны для организмов, а небольшие - необходимы многим видам. В диапазоне 250-300 нм УФЛ оказывают мощное бактерицидное действие, у животных и у человека вызывают образование «антирахитического» витамина Д. При длине волны 200-400 нм ультрафиолет вызывает у человека загар, который является защитной реакцией кожи.

Инфракрасные лучи

Лучи с длинной волны более 750 нм оказывают тепловое действие.

Видимая радиация

Видимый солнечный свет несет приблизительно 50% суммарной энергии.

Область видимой (воспринимаемой человеческим глазом) радиации (300-800 нм). В этих пределах выделяют область активной фотосинтетической радиации (ФАР). Видимый свет имеет разное экологическое значение для фототрофных и гетеротрофных организмов.

Зеленым растениям свет нужен для процессов фотосинтеза или воздушного питания. Он также влияет на газообмен, синтез белков и нуклеиновых кислот, ростовые процессы и развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения.

Для животных солнечный свет не является таким необходимым фактором, как для зеленых растений, так как, в конечном счете, все гетеротрофы существуют за счет энергии, накопленной растениями. Свет для животных и человека - необходимое условие видения, зрительной ориентации в пространстве. Рассеянные, отраженные от окружающих предметов лучи, воспринимаемые органами зрения, дают значительную часть информации о внешнем мире. Развитие зрения у животных шло параллельно с развитием нервной системы. Для человека свет является внешним раздражителем, который через зрительный анализатор влияет на состояние нервной системы, повышая активность коры больших полушарий.

Вода

Протекание всех биохимических процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом возможно только при достаточном обеспечении его водой.

Дефицит влаги - одна из наиболее существенных особенностей наземно-воздушной среды. Вся эволюция наземных организмов шла под знаком приспособления к добыванию и сохранению влаги. Режимы влажности среды на суше очень разнообразны - от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами в тропиках до практического отсутствия в воздухе пустынь.

Водообеспечение наземных организмов зависит также от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запросов почвенной влаги, грунтовых вод и т. д. В среднем 0,5% воды идет на фотосинтез, а остальная - на восполнение испарения и поддерживание внутреннего давления клеток.

Растения, содержание воды в тканях которых непостоянно и зависит от степени увлажнения окружающей среды, называются пойкилогидрическими. Они легко и быстро как теряют, так и поглощают воду, используя влагу росы, туманов, дождей, а в сухом состоянии находятся в анабиозе, что позволяет им обитать там, где короткие периоды увлажнения чередуются с длительными периодами сухости.

Гомойогидрические растения способны поддерживать относительное постоянство обводненности тканей. Для них характерно наличие в клетках крупной центральной вакуоли с запасом воды, что делает клетку менее зависимой от изменения внешних условий. Кроме того, побеги этих растений защищены малопроницаемой для влаги поверхностной тканью, а наличие устьиц позволяет регулировать процессы испарения. Хорошо развитая корневая система может непрерывно поглощать влагу из почвы. Однако все эти механизмы регуляции водного баланса развиты в различной степени, что определило существование разных по экологии групп растений, и обеспечило заселение ими самых дефицитных и самых богатых водой участков суши.

Водообеспечение наземных животных.

Животные получают воду через питье, вместе с сочной пищей и в результате метаболизма (окисления и расщепления жиров, белков и углеводов). Потери воды происходят через покровы и слизистые оболочки дыхательных путей, выведение мочи и не переваренных остатков пищи. Хотя животные могут выдерживать кратковременные потери воды, но в целом расход ее должен возмещаться. Потеря воды, превышающая 10% массы тела, для человека гибельна.

Способы регуляции водного баланса у животных разделяют на поведенческие, морфологические и физиологические. К поведенческому относят: активный поиск воды и мест обитания, рытье нор (в норах влажность воздуха близка к 100% даже когда на поверхности очень сухо).

Морфологические: образования, способствующие задержанию воды в теле (раковины улиток, роговые покровы рептилий и т. п.).

Физиологические: способность к образованию метаболической влаги, экономия воды при выделении мочи и кала, величина потоотделения, отдача воды со слизистых.

В целом запасы воды на Земле значительны: до 80% поверхности планеты занято водой, однако пресная вода составляет от этих запасов только 3%. При этом пресные водоемы распределены очень неравномерно. Например: 80% пресной воды на территории России сосредоточены в одном - единственном водоеме - озере Байкал. Последние годы возник острый дефицит пресной воды, связанный прежде всего с увеличением ее расходов в сельском хозяйстве (орошение) и в промышленности. Происходящее при этом загрязнение водоемов усугубляет дефицит. Все водоемы постоянно загрязняются естественным путем продуктами выделений и мертвыми остатками организмов, смывами с поверхности почвы. Однако это естественное природное загрязнение нейтрализуется процессами самоочищения водоемов, включающих растворение и разбавление, осаждение нерастворимых компонентов, поэтапную утилизацию основной массы органических и минеральных веществ всем комплексом населяющих водоем организмов.

Антропогенное загрязнение воды превышает естественные возможности водоемов к самоочищению.

Обычно все виды антропогенного загрязнения подразделяют на три типа: биологический, химический, физический.

Биологическое загрязнение. Основным источником являются бытовые сточные воды и стоки животноводства. При отсутствии или неисправности канализационных и очистных систем эти стоки привносят в водоемы массу мертвых органических веществ и живых организмов, в первую очередь микроорганизмов, в том числе и патогенных для человека и животных. Увеличение концентрации органических веществ создает в водоеме более комфортные условия для одних групп организмов и неблагоприятные для других. Это приводит к изменению видовой структуры биоценоза, нарушению равновесия в экосистеме и может привести к полной смене биоценоза.

Наличие в водоеме патогенных микробов создает условия для широкого распространения инфекционных заболеваний человека и животных при гигиеническом и пищевом использовании водоема и населяющих его организмов.

Химическое загрязнение. Основными источниками химического загрязнения являются растениеводство, промышленность, транспорт. Ядохимикаты и минеральные удобрения, различные токсические соединения, в том числе соли тяжелых металлов, поверхностно-активные вещества (ПАВ), в том числе синтетические моющие средства, нефть и нефтепродукты вызывают гибель значительной части организмов, нарушая структуру биоценоза, сбалансированность круговорота веществ в экосистеме, процессы самоочищения. Нефть и нефтепродукты, образуя на поверхности воды тонкую пленку (поверхностный слик), препятствуют нормальному газо- и водообмену, чем усугубляют токсическое воздействие. Различные химические вещества накапливаются в тканях организмов, включаются в круговорот веществ экосистем и проявляют свои токсические, мутагенные и другие свойства далеко от места первичного загрязнения, а также в продуктах питания.

Физическое загрязнение. Основными источниками этого вида загрязнения являются горнодобывающая и строительная промышленность. Сброшенные в водоем пустая порода и строительный мусор приводят к его обмелению и изменению характера донных отложений, а вследствие этого к изменению температурного и светового режимов, что неизбежно приводит к изменению биоценоза и нарушению равновесия экосистемы. Все вместе это может привести к зарастанию, заболачиванию и самоликвидации водоема.

Воздух

Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и незначительную опорность. Жизнь во взвешенном состоянии в воздухе невозможна. В то же время невозможна наземная жизнь без воздуха. Поэтому мы говорим о наземно-воздушной среде обитания. Все обитатели этой среды тесно связаны с поверхностью земли, которая служит им для прикрепления и опоры. Так как малая плотность воздуха создает низкое сопротивление передвижению, многие наземные животные приобрели способность к полету.

Благодаря вертикальным и горизонтальным передвижениям воздушных масс возможен пассивный полет ряда организмов, поэтому многие виды приспособились к анемохории - расселению с помощью воздушных потоков.

Растительный и животный мир нашей планеты эволюционировал при барометрическом давлении 740-760 мм рт. ст. (на уровне моря) и большинство современных видов приспособлено к данному атмосферному давлению. С высотой давление уменьшается, и на высоте 5800 м равно половине нормального, что ограничивает распространение видов в горах. В целом, все наземные организмы стенобатны, т. к. обычные колебания давления составляют долю атмосферы и даже для высоко полетных птиц не превышают нормального.

Газовый состав воздуха в приземной атмосфере по содержанию основных компонентов однороден (азот - 78,1%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, углекислый газ - 0,03% - 0,04% по объему) благодаря постоянному перемешиванию конвекционными и ветровыми потоками.

Азот для большинства обитателей среды является инертным газом, но ряд микроорганизмов способен связывать его и вовлекать в биологический круговорот.

Кислород необходим для окислительных процессов в организмах. Благодаря постоянному высокому содержанию не является фактором, лимитирующим жизнь в наземной среде за исключением высокогорных районов.

Углекислый газ имеет чрезвычайно большое значение в связи с потреблением растениями в процессе фотосинтеза. Его содержание может изменяться в отдельных участках приземного воздуха в значительных пределах. Низкое содержание СО2 тормозит фотосинтез, излишнее - токсично.

Различные газообразные, капельно-жидкие и пылевидные примеси, поступающие в воздух, могут существенно влиять на живые организмы. Основным источником этого загрязнения атмосферы является производственная деятельность человека.

Антропогенные изменения атмосферы

Производственная деятельность человека приводит к изменениям в постоянном газовом составе атмосферы.

Увеличение концентрации СО2 в атмосфере происходит вследствие широкомасштабного сжигания топлива. К 2006 году его концентрация достигла 0,04%. Поскольку отраженные от поверхности Земли солнечные лучи задерживаются молекулами углекислого газа, то указанное увеличение концентрации привело к развитию так называемого "парникового эффекта" и повышению среднегодовой температуры на 0.8 градуса. Такое общее потепление на планете неизбежно приведет к таянию ледников и связанным с ним увеличением доли воды на поверхности планеты, длительному периоду погодной нестабильности.

О2 Годовой расход кислорода на Земле в 1000 раз превышает его образование зелеными растениями. И хотя изменений концентрации кислорода в атмосфере пока не наблюдается, экологи считают, что дальнейшее уменьшение площадей лесных массивов (особенно в экваториальном поясе) в сочетании с увеличением потребления неизбежно приведет к снижению доли кислорода в атмосфере.

О3. Начиная с 80-х годов прошлого века, в районе над Антарктидой зафиксированы разрушения озонового слоя, максимум которых достигал 10000 км². Точные причины этого явления неизвестны. Однако тот факт, что почти за столетие исследовательских работ в Антарктике подобные нарушения озонового слоя зафиксированы только в наши дни, позволяет предположить его антропогенные истоки.

АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА подразделяется на газообразное и физическое. Для контроля и характеристики загрязненности среды введен показатель предельно допустимых концентраций (ПДК) - максимального количества миллиграмм вещества в 1 кубическом метре воздуха.

ГАЗООБРАЗНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА происходит в результате выбросов в атмосферу промышленными предприятиями и транспортом различных газов. Наиболее распространенными из них являются:

- Сернистый газ (SО₂). Источники загрязнения: химическая и металлургическая промышленность, теплоэлектростанции, котельные, автотранспорт. Количество в дыме зависит от содержания серы в топливе. ПДК разовая - 0,5мг/м, среднесуточная - 0,15мг/м.³

- Окись углерода СО. Газ без цвета и запаха. Образуется при неполном сгорании топлива, присутствует во всех дымовых выбросах и выхлопных газах. Основные источники: домны, коксовые и газогенераторные производства, автотранспорт (в больших городах концентрация окиси углерода может достигать среднего значения 10мг/м3). ПДК разовая - 6мг/м³, суточная - 1мг/м³. Вступает в реакцию с гемоглобином, препятствуя его реакции с кислородом и вызывая удушье, действует на ЦНС, возможно хроническое отравление.

- Окислы азота (NO, N₂O₅, NO₂) - смесь непостоянного газового состава. Источники загрязнения: выбросы промышленных предприятий по производству азотных соединений, крупномасштабные взрывные работы. ПДК суточная 0,1 мг/м³, разовая - 0,3 мг/м³. При длительном вдыхании вызывает бронхиты, истощение, анемию, нарушение желудочной секреции, разрушение зубов, ухудшение состояния больных туберкулезом и лиц с сердечно-сосудистыми заболеваниями. В атмосфере, соединяясь с водяными парами, окислы азота превращаются в азотную и азотистую кислоту.

ФИЗИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА. Содержание в воздухе некоторого количества пыли (наземной, космической, морской) - явление естественное и не представляющее опасности для живых организмов благодаря процессам самоочищения воздуха, с одной стороны, и сформировавшимися в процессе эволюции системам защиты внутренней среды организмов от проникновения пыли - с другой.

Опасность представляют пылевые частицы, выбрасываемые промышленными предприятиями и транспортными средствами, способные благодаря своим размерам и низкой массе преодолевать барьерные системы организмов и длительное время находиться во взвешенном состоянии. Пылевое загрязнение воздуха не только накладывает отпечаток на внешний вид местности, но и изменяет микроклиматические условия, способствует развитию парникового эффекта. Многие химические соединения (свинца, марганца, мышьяка, фтора, ртути, углеводороды и др.), присутствующие в дымовых выбросах, могут вызывать хронические отравления. Но и нетоксические компоненты пыли могут вызывать поражение органов дыхания, кожи и глаз.