Александр Челноков - Общая и прикладная экология

Итоговый радиационный баланс прихода солнечной энергии к поверхности Земли варьирует от 15 Вт/м 2в субполярных широтах и до 120 Вт/м 2в тропических.

При прохождении солнечного излучения через атмосферу его спектр значительно изменяется. В верхних слоях атмосферы (преимущественно озоновым слоем) поглощается коротковолновое ультрафиолетовое излучение, опасное для жизни, а в нижележащих слоях атмосферы (преимущественно облачным покровом) поглощается инфракрасное излучение. На верхней границе атмосферы максимум энергии солнечного света отмечается при 470 нм (в синей части). На поверхности Земли при высоком летнем солнцестоянии максимум энергии приходится на желтую часть спектра, а при низком положении солнца – на красную.

Верхний предел жесткости энергетического спектра солнечного света, к которому приспособлено большинство живых организмов, соответствует длинам волн 280–290 нм. Для всех живых организмов Земли сложившийся за миллионы лет радиационный баланс является необходимым условием жизнедеятельности.

Поверхности Земли достигают три вида солнечного излучения:

• ультрафиолетовые коротковолновые лучи с длиной волн < 400 нм, составляющие 10 % суммарной солнечной радиации. Они оказывают губительное действие на живые организмы;

• видимые лучи с длиной волн от 380 до 760 нм, составляющие 45 % суммарной солнечной радиации;

• инфракрасные лучи (или ближняя инфракрасная радиация – БИКР) с длинами волн 760–4000 нм, составляющие 45 % суммарной солнечной радиации.

Солнечная энергия, которую зеленые растения поглощают и используют в процессе фотосинтеза, называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР). ФАР – это такая радиация, квант которой, поглощаясь молекулой хлорофилла, приводит ее в возбужденное состояние. Понятие о ФАР ввел в науку русский ученый Л.А. Иванов (1918), развил и широко внедрил его А.А. Ничипорович (1956). Длина волн ФАР лежит в спектральном диапазоне 370–720 нм. Диапазон плотности светового потока (освещенности), в пределах которого разные растения могут осуществлять фотосинтез, варьирует от 5 до 350 Вт/м 2.

От интенсивности солнечного освещения зависит продуктивность растений. Установлено, что для растений наиболее продуктивны не прямые солнечные лучи, падающие на земную поверхность перпендикулярно, а рассеянные солнечные лучи. Прямая солнечная радиация в зависимости от высоты Солнца над горизонтом содержит в среднем 28–43 % ФАР, а рассеянная солнечная радиация составляет 50–60 % ФАР. Рассеянный свет поглощается растениями почти полностью, а коэффициент его использования намного больше, чем прямого света.

Каждое местообитание характеризуется определенным световым режимом , т. е. соотношением интенсивности (силы), количества и качества света. Показатели светового режима очень изменчивы и зависят от географического положения и рельефа местности, высоты ее расположения над уровнем моря, типа растительности, состояния атмосферы, времени года и суток и других факторов.

Интенсивность света (или сила света ) измеряется количеством энергии (ккал), приходящейся на единицу площади горизонтальной поверхности (1 см 2) в единицу времени (1 мин). Для прямых солнечных лучей этот показатель почти не изменяется в зависимости от географической широты. Наиболее сильно на него влияют особенности рельефа местности: на южных склонах интенсивность света всегда больше, чем на северных. Самым интенсивным является прямой солнечный свет, но менее интенсивный рассеянный свет используется растениями наиболее полно.

Количество света , определяемое суммарной радиацией , увеличивается от полюсов к экватору, что сопровождается изменениями его спектрального состава. Освещенность выражается в люксах (лк). Для определения светового режима необходимо учитывать также альбедо.

Альбедо – это количество отражаемого света. Оно выражается в процентах от общей радиации и зависит от угла падения лучей и свойств отражающей поверхности. На открытых местах растения кроме прямого и рассеянного (бокового) света получают также свет, отраженный от поверхности почвы, а зимой – от снега, т. е. нижний свет . Снежная поверхность отражает в среднем до 30 % света, а чистый снег – до 85 % суммарного солнечного света, причем спектральный состав отраженного света почти не меняется. Альбедо зеленых листьев клена составляет 10 %, а осенних пожелтевших листьев – 28 %. При этом растения отражают в основном физиологически неактивные лучи. Зеленый луговой травостой отражает 4 % поступающего на луга света, преимущественно длинноволновой части спектра. Особенно интенсивен нижний свет на южных склонах берегов рек, озер и морей, где в солнечный день он может составлять 35–85 % от прямого света. Различные виды растений по-разному отражают и пропускают свет, поэтому световой режим в сообществах растений (фитоценозах) неодинаков.

Температура. Из всех климатических факторов, связанных с энергетикой биосферы, наибольшее экологическое значение имеет температура. Она оказывает существенное влияние на энергетику биоты.

Значение температуры заключается и в том, что она изменяет скорость протекания физико-химических процессов в клетках, отражающуюся на всей жизнедеятельности организмов. Температура влияет на анатомо-морфологические особенности организмов, ход физиологических процессов, их рост, развитие, поведение и во многих случаях определяет географическое распространение растений и животных.

Температура воздуха на Земле занимает диапазон от –88,3 °C (станция «Восток», Антарктида) до +58,7 °C (Гарьян, Ливия). Средняя годовая температура слоя воздуха над континентами и океаном (исключая Антарктиду) +15,7 °C. Большие колебания относятся к отдельным поясам и сезонам. Средняя температура массы гидросферы +3,3 °C.

Максимальный температурный диапазон активной жизни чуть меньше диапазона жидкого состояния воды. Для большинства многоклеточных организмов он составляет от 0 до 50 °C. Диапазон температур, в котором клетки и многие организмы способны длительное время находиться в неактивном состоянии, существенно больше: от 0 до 271,16 °C. Переживание при температуре намного ниже точки замерзания жидкостей тела ( криобиоз ) хорошо известно для семян и спор, у низших беспозвоночных, у некоторых рыб и амфибий, а также в изолированных клетках высших животных и человека.

Согласно фундаментальной физико-химической закономерности скорость химических реакций существенно зависит от температуры и, как правило, увеличивается в 2–3 раза при возрастании температуры на 10° ( правило Вант-Гоффа ). Этому правилу подчиняется подавляющее большинство процессов в живых организмах, основанных на молекулярных реакциях, в том числе и сложные цепи биохимических реакций на клеточном уровне.