Функционирование биосферы

В самом начале этой книги было сказано, что все уровни организации жизни образуют соответствующие системы, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений. Эти системы образуют своеобразную иерархическую лестницу, в которой меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем. Вот одной из таких крупных систем и является биосфера.

Функционирование биосферы – это циклическое движение вещества при постоянном притоке внешней энергии. В процессе этого движения устанавливается динамическое равновесие между различными компонентами биосферы. Любое воздействие на любой из этих компонентов или циклов может быть причиной выхода системы из этого равновесия. Понятно, что наиболее быстро на такое воздействие будут реагировать те подсистемы биосферы, которые обладают наибольшей скоростью циклических обменов, т.е. системы низшего ранга (например, экосистема, атмосфера, гидросфера). Возникшее в них возмущение будет передаваться с затуханием системам более высокого ранга, и в конечном итоге биосфере в целом.

Реакция биосферы и отдельных её компонентов (например, экосистем) на воздействие извне зависит во многом от характера воздействия: интенсивности, амплитуды, скорости нарастания нагрузки. Понятно, что более энергичное воздействие вызовет и более активный её отклик, а превышение интенсивности этим воздействием некоего порога (предела толерантности) приведёт к угнетению системы. Отсюда вытекает вывод о том, что обязательным условием сохранения устойчивости биосферы является необходимость достаточно медленных изменений параметров среды. Время изменения внешних условий должно быть существенно больше времени релаксации системы, т.е. времени, которое необходимо для восстановления равновесия системы после тех или иных внешних возмущений.

Функционирование биосферы осуществляется за счет энергии Солнца. Тепловой поток из глубин Земли эквивалентен всего лишь 0,02-0,03% потока солнечной энергии и поэтому при грубом расчете теплового баланса Земли им можно пренебречь.

От Солнца на единицу поверхности внешней границы тропосферы в среднем поступает примерно 250 ккал/(см^2. год). Треть этого потока отражается, и, следовательно, Земля поглощает 167 ккал/(см^2. год). Из них 59 ккал/(см^2. год) поглощает атмосфера, и на долю поглощения земной поверхности приходится 108 ккал/(см^2. год). Эта энергия преобразуется различными способами, но в любом случае возвращается в атмосферу и далее в космос. Так, 12 ккал/(см^2. год) возвращается в атмосферу через турбулентные потоки воздуха, 60 ккал/(см^2. год) — в результате испарения воды с поверхности и ее конденсации в атмосфере, а 36 ккал/(см^2. год) уходит в космос в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Часть этого инфракрасного излучения (1,3 ккал/(см^2. год)) задерживается в атмосфере, нагревая ее и формируя «парниковый» эффект.

Парниковым эффектом атмосферы называется разность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной) температурой, под которой эта планета видна из космоса.

Радиационная температура — величина, характеризующая полную (по всему спектру) энергетическую яркость излучающего тела.

Энергия, поступающая к поверхности Земли, распределятся между сушей и океаном, причем океан забирает почти вдвое больше, чем суша. Это объясняется большой теплоемкостью воды и ее подвижностью. Мировой океан является мощным аккумулятором солнечного тепла, в нем содержится тепла в 2100 раз больше того количества, которое за год поступает от Солнца ко всей поверхности Земли (7,6*10²³ ккал по сравнению с потоком в 3,65*10²⁰ ккал/год). Поэтому его взаимодействием с атмосферой определяется погода на земном шаре. Тепло, поглощаемое в тропиках, переносится течениями в высокие широты, смягчая климат умеренных и полярных шрот. В целом гидросфера работает под влиянием накачки солнечной энергии как гигантская тепловая машина.

В отличие от воды, которая испытывает фазовые превращения и гораздо более энергоемка, воздух только механически перемещается согласно градиенту температур и давлений. Зато скорость его перемещения может быть очень высокой по сравнению с водными потоками.

Воздух тропиков, нагреваясь, расширяется и поднимается к верхним слоям атмосферы. Воздух полярных районов охлаждается и, сжимаясь, опускается вниз и растекается по поверхности Земли, устремляясь в тропические районы. Вращение Земли приводит к отклонению циркуляции воздуха от меридионального направления. Особенности земной поверхности вызывают дополнительные завихрения и потоки, образование которых трудно предсказать (бури, ураганы и т.п.).

Контрольные вопросы по теме:

1. За счет чего осуществляется функционирование биосферы?

2. Что является условием сохранения устойчивости биосферы?

3. Что такое парниковый эффект атмосферы?