Абиотические факторы

К абиотическим факторам относятся факторы космические (солнечная радиация) климатические (свет, температура, влажность, атмосферное давление, осадки, движение воздуха), эдафические или почвенные факторы (механический состав почвы, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность почвы), орографические факторы (рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона), химические факторы (газовый состав воздуха, солевой состав и кислотность воды и почвенных растворов). Абиотические факторы воздействуют на живые организмы (прямо или косвенно) через те или иные стороны обмена веществ. Их особенностью является односторонность воздействия: организм может к ним приспособиться, но не оказывает на них существенного влияния.

I. Космические факторы

Биосфера, как среда обитания живых организмов, не изолирована от сложных процессов, протекающих в космическом пространстве, причем связанных непосредственно не только с Солнцем. На Землю попадает космическая пыль, метеоритное вещество. Земля периодически сталкивается с астероидами, сближается с кометами. Через Галактику проходят вещества и волны, возникающие в результате вспышек сверхновых звезд. Разумеется, наша планета наиболее тесно связана с процессами, происходящими на Солнце, – с так называемой солнечной активностью. Суть этого явления состоит в превращении энергии, накапливающейся в магнитных полях Солнца, в энергию движения газовых масс, быстрых частиц, коротковолнового электромагнитного излучения.

Наиболее интенсивные процессы наблюдаются в центрах активности, называемых активными областями, в которых наблюдается усиление магнитного поля, возникают области повышенной яркости, а также так называемые солнечные пятна. В активных областях могут происходить взрывоподобные выделения энергии, сопровождающиеся выбросами плазмы, внезапным появлением солнечных космических лучей, усилением коротковолнового и радиоизлучения. Известно, что изменения уровня вспышечной активности имеют циклический характер с обычным циклом, равным 22 годам, хотя известны колебания периодичностью от 4,3 до 1850 лет. Солнечная активность влияет на ряд жизненных процессов на Земле – от возникновения эпидемий и всплесков рождаемости до крупных климатических преобразований. Это было показано еще в 1915 г. русским ученым А. Л. Чижевским, основателем новой науки – гелиобиологии (от греч. хелиос — Солнце), рассматривающей воздействие изменений активности Солнца на биосферу Земли.

Таким образом, к числу важнейших космических факторов относится связанное с солнечной активностью электромагнитное излучение с широким диапазоном длин волн. Поглощение атмосферой Земли коротковолнового излучения приводит к образованию защитных оболочек, в частности озоносферы. Из других космических факторов следует назвать корпускулярное излучение Солнца.

Солнечная корона (верхняя часть солнечной атмосферы), состоящая в основном из ионизированных атомов водорода - протонов - с примесью гелия, непрерывно расширяется. Покидая корону, этот поток водородной плазмы распространяется в радиальном направлении и достигает Земли. Его и называют солнечным ветром. Он заполняет всю область солнечной системы; и постоянно обтекает Землю, взаимодействуя с ее магнитным полем. Понятно, что это связано с динамикой магнитной активности (например, магнитные бури) и непосредственно сказывается на жизни на Земле.

Изменения ионосферы в полярных областях Земли также связаны с солнечными космическими лучами, которые вызывают ионизацию. При мощных вспышках солнечной активности воздействие солнечных космических лучей может кратковременно превышать обычный фон галактических космических лучей. В настоящее время наукой накоплено много фактических материалов, иллюстрирующих влияние космических факторов на биосферные процессы. Доказана, в частности, чувствительность беспозвоночных животных к изменениям солнечной активности, установлена корреляция ее вариаций с динамикой нервной и сердечно-сосудистой систем человека, а также с динамикой заболеваний – наследственных, онкологических, инфекционных и др.

Особенности воздействия на биосферу со стороны космических факторов и проявлений солнечной активности состоят в том, что поверхность нашей планеты отделена от Космоса мощным слоем вещества в газообразном состоянии, т. е. атмосферой.

II. Климатические факторы

Важнейшая климатоформирующая функция принадлежит атмосфере как среде, воспринимающей космические и связанные с Солнцем факторы.

1. Свет. Энергия солнечного излучения распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Около 99 % ее составляют лучи с длиной волны 170-4000 нм, в том числе 48 % приходится на видимую часть спектра с длиной волны 400-760 нм, а 45 % - на инфракрасную (длина волны от 750 нм до 10"³ м), около 7 % - на ультрафиолетовую (длина волны менее 400 нм). В процессах фотосинтеза наиболее важную роль играет фотосинтетически активная радиация (380-710 нм).

Количество энергии солнечного излучения, поступающе­го к Земле (к верхней границе атмосферы), практически постоянно и оценивается значением 1370 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной.

Проходя через атмосферу, солнечное излучение рассеивается на молекулах газов, на взвешенных примесях (твердых и жидких), поглощается водяными парами, озоном, диоксидом углерода, пылевидными частицами. Рассеянное солнечное излучение частично доходит до земной поверхности. Его видимая часть создает свет днем при отсутствии прямых солнечных лучей, например при сильной облачности.

Энергия солнечного излучения не только поглощается поверхностью Земли, но и отражается ею в виде потока длинноволнового излучения. Более светло окрашенные поверхности отражают свет более интенсивно, чем темные. Так, чистый снег отражает 80-95 %, загрязненный - 40-50, черноземная почва - 5-14, светлый песок - 35-45, полог ле­са - 10-18%. Отношение отражаемого поверхностью потока солнечного излучения к поступившему называется альбедо.

С лучистой энергией Солнца связана освещенность земной поверхности, определяющаяся продолжительностью и интенсивностью светового потока. У растений и животных в процессе эволюции выработались глубокие физиологические, морфологические и поведенческие адаптации к динамике освещенности. У всех животных, включая человека, существуют так называемые циркадные (суточные) ритмы активности.

Требования организмов к определенной продолжительности темного, и светлого времени носят название фотопериодизма, причем особенно важное значение имеют сезонные колебания освещенности. Прогрессивная тенденция к уменьшению продолжительности светового дня от лета к осени служит информацией для подготовки к зимовке или спячке. Поскольку фотопериодические условия зависят от широты, у ряда видов (в первую очередь у насекомых) могут образовываться географические расы, различающиеся по пороговой продолжительности дня.

2. Температура

Температурная стратификация – это изменение температуры воды по глубине водного, объекта. Непрерывное, изменение температуры характерно для любых экологических систем. Часто для обозначения такого изменения используют слово "градиент". Однако температурная стратификация воды в водоеме – специфическое явление. Так, в летний период поверхностные воды нагреваются сильнее, чем глубинные. Поскольку более теплая вода имеет меньшую плотность и меньшую вязкость, то ее циркуляция происходит в поверхностном, нагретом слое и с более плотной и более вязкой холодной водой она не смешивается. Между теплым и холодным слоем образуется промежуточная зона с резким градиентом температуры, которую называют термоклиной. Общий температурный режим, связанный с периодиче­скими (годовыми, сезонными, суточными) изменениями тем­пературы, также является важнейшим условием обитания живых организмов в воде.

3. Влажность. Влажность воздуха – это содержание в воздухе водяного пара. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до высоты 1,5-2,0 км), где концентрируется примерно 50 % всей атмосферной влаги. Содержание водяного пара в воздухе зависит от температуры последнего.

Обычно содержание паров воды в воздухе не достигает возможного максимума. Разница между максимально возможным и данным конкретным насыщением называется дефицитом влажности, или недостатком насыщения. Это важнейший экологический показатель, широко используемый в сельском и лесном хозяйстве.

4. Атмосферные осадки – это вода в жидком (капли) или твердом состоянии, выпадающая на земную поверхность из облаков или осаждающаяся непосредственно из воздуха вследствие сгущения водяного пара. Из облаков могут выпадать дождь, снег, морось, ледяной дождь, снежные зерна, ледяная крупа, град. Количество выпавших осадков измеряется толщиной слоя выпавшей воды в миллиметрах.

Осадки тесно связаны с влажностью воздуха и представляют собой результат конденсации водяных паров. Вследствие конденсации в приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги. Конденсация и кристаллизация паров воды в более высоких слоях атмосферы образуют облака различной структуры и являются причиной атмосферных осадков. Выделяют влажные (гумидные) и сухие (аридные) зоны земного шара. Максимальное количество осадков выпадает в зоне тропических лесов (до 2000 мм/год), в то время как в аридных зонах (например, в пустынях) – 0,18 мм/год.

Атмосферные осадки – важнейший фактор, оказывающий влияние на процессы загрязнения природной среды. Присутствие водяных паров (тумана) в воздухе при одновременном поступлении в него, например, диоксида серы приводит к тому, что последний превращается в сернистую кислоту, которая окисляется до серной. В условиях застоя воздуха (штиль) образуется устойчивый токсичный туман. Подобные вещества могут вымываться из атмосферы и выпадать на поверхность суши и океана. Типичным результатом являются так называемые кислотные дожди. Твердые примеси в атмосфере могут служить ядрами конденсации влаги, вызывая разные формы осадков.

5. Атмосферное давление. Нормальным давлением принято считать 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). В пределах поверхности земного шара существуют области высокого и низкого давления, причем наблюдаются сезонные и суточные минимумы и максимумы давления в одних и тех же точках. Различаются также морской и континентальный типы динамики атмосферного давления. Периодически возникающие области низ­кого давления носят название циклонов и характеризуются мощными потоками воздуха, движущегося по спирали и перемещающегося в пространстве к центру. Циклоны связаны с неустойчивой погодой и большим количеством осадков.

В противоположность им, антициклоны характеризуются устойчивой погодой, низкими скоростями ветра, в ряде случаев температурными инверсиями. При антициклонах могут возникать неблагоприятные с точки зрения переноса и рассеивания примесей метеорологические условия.

6. Движение воздуха. Причиной образования ветровых потоков и перемещения воздушных масс является неравномерный нагрев разных участков земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону меньшего давления, но и вращение Земли также влияет на циркуляцию воздушных масс в глобальном масштабе. В приземном слое воздуха движение воздушных масс оказывает влияние на все метеорологические факторы окружающей среды, т.е. на климат, включая режимы температуры, влажности, испарения с поверхности суши и моря, а также транспирацию растений.

Особенно важно знать, что ветровые потоки – важнейший фактор переноса, рассеивания и выпадения загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от промышленных предприятий, теплоэнергетики, транспорта. Сила и направление ветра определяют режимы загрязненности окружающей среды. Например, штиль в сочетании с инверсией температуры воздуха рассматривается как неблагоприятные метеорологические условия (НМУ), способствующие длительному сильному загрязнению воздуха в районах промышленных предприятий и проживания людей.

Общие закономерности распределения уровней и региональных режимов экологических факторов

Географическая оболочка Земли (как и биосфера) неоднородна в пространстве, она дифференцирована на отличающиеся друг от друга территории. Ее последовательно делят на физико-географические пояса, географические зоны, внутризональные горные и равнинные области и подобласти, подзоны и т. д.

Физико-географический пояс – это крупнейшая таксономическая единица географической оболочки, слагающаяся из ряда географических зон, близких по тепловому балансу и режиму увлажнения.

Выделяют, в частности, арктический и антарктический, субарктический и субантарктический, северные и южные умеренные и субтропические, субэкваториальный и экваториальный пояса.

Географическая (она же – природная, ландшафтная) зона – это значительная часть физико-географического пояса с особым характером геоморфологических процессов, с особыми типами климата, растительности, почв, животного и растительного мира.

Зоны имеют преимущественно (хотя далеко не всегда) вытянутые в широком плане очертания и характеризуются сходными природными условиями, определенной последовательностью в зависимости от широтного положения – это широтная географическая зональность, обусловленная главным образом характером распределения солнечной энергии по широтам, т. е. с уменьшением ее прихода от экватора к полюсам и неравномерностью увлажнения.

Наряду с широтной существует также типичная для горных районов вертикальная (или высотная) зональность, т. е. смена растительности, животного мира, почв, климатических условий, по мере подъема от уровня моря, связанная в основном с изменением теплового баланса: перепад температуры воздуха составляет 0,6-1,0 °С на каждые 100 м высоты.

III. Эдафические или почвенные факторы

Согласно определению В. Р. Вильямса, почва – рыхлый поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечивать органическое и минеральное питание растений. Плодородие зависит от физических и химических свойств почвы, которые в совокупности представляют собой эдафогенные (от греч. эдафос - почва), или эдафические, факторы.

1. Механический состав почвы. Почва – продукт физического, химического и биологического преобразования (выветривания) горных пород, является трехфазной средой, содержащей твердые; жидкие и газообразные компоненты. Она формируется в результате сложных взаимодействий климата, растений, животных, микроорганизмов и рассматривается как биокосное тело, содержащее живые и неживые компоненты.

В мире существует множество типов почв, связанных с различными климатическими условиями и спецификой процессов их образования. Почвы характеризуются определенной поясностью, хотя пояса далеко не всегда имеют сплошной характер. Среди главнейших типов почв России можно назвать тундровые, подзолистые почвы таежно-лесной зоны (самые распространенные), черноземы, серые лесные почвы, каштановые почвы (к югу и востоку от черноземных), бурые почвы (характерны для сухих степей и полупустынь), красноземы, солончаки и др.

В результате перемещения и превращения веществ почва обычно расчленяется на отдельные слои, или горизонты, сочетание которых на разрезе образует профиль почвы (рис. 2), который в общем виде выглядит следующим образом:

· самый верхний горизонт (А₁), содержащий продукты перегнивания органики, является наиболее плодородным. Он называется гумусовым или перегнойным, имеет зернисто-комковатую или слоистую структуру. Именно в нем происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых образуются элементы питания растений. Гумус имеет разную окраску.

· Над гумусовым горизонтом располагается слой растительного опада, который принято называть подстилкой (А₀,). Он состоит из еще не разложившихся растительных остатков.

· Ниже гумусового горизонта расположен малоплодородный белесый слой толщиной 10-12 см (А₂). Питательные вещества вымыты из него водой или кислотами. Поэтому его называют горизонтом вымывания или выщелачивания (элювиальным). Собственно он и является подзолистым горизонтом. Слабо растворяются и остаются в этом горизонте кварц и оксид алюминия.

· Далее расположен горизонт вмывания (или иллювиальный), где накапливаются вымытые из вышележащих горизонтов минеральные и органические соединения (В). Он имеет плотную структуру, обычно темную окраску.

· Еще ниже залегает материн­ская порода (С).

Рис. 2