Владимир Живетин - Биосферные риски

Динамичность экологических факторов во времени и пространстве, которая вырабатывается в процессе эволюции и естественного отбора и закрепляются на генетическом уровне, зависит от астрономических, климатических и геологических процессов, выполняющих управляющую роль по отношению к живым организмам и к областям Ω доп и Ω кр .

Рассмотрим наиболее важные виды абиотических факторов.

Освещенностьземной поверхности играет важную роль для всего живого. Организмы физиологически адаптированы к смене дня и ночи, к соотношению темного и светлого периода суток, обусловленного вращением Земли вокруг своей оси. Практически у всех живых организмов существуют суточные ритмы активности, связанные со сменой дня и ночи. Поэтому очевидно, что предлагаемые некоторыми учеными искусственные космические устройства для «экономного» освещения поверхности планеты требуют предварительной и тщательной экологической экспертизы.

Освещенность, т. е. световая мощность E на единицу площади, обратно пропорциональна квадрату расстояния r до источника света, и, кроме того, пропорциональна косинусу угла α между направлением на источник света и нормалью к площадке:

здесь S О = 1,36 кВт/м 2– солнечная постоянная (1 Вт/м 2= 679,6 лк); α О = const.

Расстояние до Солнца r в течение года меняется не очень значительно: при эксцентриситете 0,0167 перепад расстояний составляет 3,3 %. Это означает, что различие в освещенности Земли в целом между ее положениями в перигелии и афелии составляет почти 7 %. Это уже заметная величина, и ее необходимо учитывать при вычислении суммарной энергии, получаемой на различных широтах за день.

Поступающая от Солнца лучистая энергияявляется причиной того, что на нашей планете теплее по сравнению с космосом. Приравнивая потоки падающей на Землю солнечной энергии и отведенной от Земли обратно в космос, можно оценить температуру Т равновесного теплового излучения нашей планеты:

здесь Т О – температура поверхности Солнца; R О – радиус Солнца; а О – радиус земной орбиты; А — альбедо, или доля отраженной световой энергии, которую по данным спутниковых измерений можно принять равной 28 %.

Тепловое излучение Земли происходит в инфракрасной области. Для температуры Т = 257°К максимум теплового излучения приходится на длину волны λ = 11,3 мкм, которая в 22 раза больше максимальной длинны волны солнечного спектра. Заметим, что около 99 % всей энергии солнечной радиации приходится на лучи с длиной волны 0,17–4,0 мкм, в том числе 48 % приходится на видимую часть спектра с длиной волны 0,4–0,76 мкм, 45 % – на инфракрасную (длина волны от 0,75 мкм) и около 7 % – на ультрафиолетовую (длина волны менее 0,4 мкм). Преимущественное значение для жизни имеют инфракрасные лучи, а в процессах фотосинтеза наиболее важны оранжево-красные и ультрафиолетовые лучи.

Величина температуры Т = 257 º К является радиационной, она значительно ниже среднегодовой температуры умеренных широт Земли. Тепло в космос излучает, как правило, не сама земная поверхность, а атмосфера Земли, слой окружающего ее воздуха. Основные компоненты воздуха (азот, кислород и инертные газы) прозрачны в инфракрасном диапазоне длин волн. Однако углекислый газ и водяные пары, присутствующие в атмосфере в малых количествах, настолько сильно поглощают инфракрасное излучение, что именно они и определяют прозрачность земной атмосферы в инфракрасном свете, они же определяют и излучательные свойства нашей атмосферы. От изменяющейся влажности воздуха и от содержания углекислоты зависит та высота в атмосфере, где инфракрасное излучение покидает Землю и в конечном итоге определяет среднюю температуру земной поверхности.

Угол между направлением на Солнце и нормалью к поверхности Земли в данной точке сильно меняется и в течение дня, и день ото дня в течение года. Солнечная энергия, поступающая за сутки, является важнейшей характеристикой климата данной широты. Изменение ее со временем года диктует климатический ход смены сезонов.

Астрономическая теория колебаний климата была создана выдающимся югославским ученым М. Миланковичем в 20-е годы XX века. Эта теория дала возможность вычислить времена ледниковых периодов прошлого и предсказывать наступление следующих ближайших оледенений Земли. Дело в том, что эксцентриситет земной орбиты меняется под действием малых возмущений других планет. Он может достигать значений е max= 0,0658. Поскольку в перигелии и афелии расстояние до Солнца равно а О (1 – е ) и а О (1 + е ) соответственно, а освещенность Земли солнечными лучами обратно пропорциональна квадрату расстояния, то в течение года поступающая на Землю солнечная мощность меняется.

Характерный период изменения эксцентриситета составляет около 100 тыс. лет. Кроме того, с периодом 26 тыс. лет прецессирует (меняет свой наклон подобно «волчку», теряющему движение) земная ось, и угол наклона оси Земли к плоскости эклиптики (плоскости земной орбиты) тоже колеблется с периодом в 41 тыс. лет. Поэтому условия освещенности нашей планеты Солнцем существенно изменяются на протяжении как раз таких периодов времени, которые по порядку величины близки временам смены ледниковых эпох.

Влажность атмосферного воздухасвязана с величиной насыщения его парами воды. Наиболее богат влагой слой атмосферы до высоты 1,5–2,0 км, где концентрируется примерно 50 % всей влаги. Чем выше температура воздуха, тем больше в нем влаги. Однако для конкретной температуры воздуха существует определенный предел насыщения его парами воды, а разность между максимальным и данным насыщением называется дефицитом влаги или недостатком насыщения . Чем выше дефицит влаги, тем суше и теплее, и наоборот. На анализе динамики дефицита влаги основаны многие способы прогнозирования различных явлений в мире живых организмов.

Напомним, что пары воды не пропускают инфракрасное тепловое излучение поверхности Земли. Поэтому тепловую энергию в космос излучают верхние слои тропосферы, где паров воды уже меньше, – почти вся она сконденсировалась и вымерзла ниже, в облаках. На верхней границе облаков температура примерно равна радиационной температуре Земли (257ºК), и даже насыщенный водяной пар с плотностью, равной 1,27 г/м 3, при этой температуре уже прозрачен для теплового излучения. Поэтому верхняя граница облаков определяется общим содержанием влаги в воздухе и проходит примерно там, где инфракрасная прозрачность насыщенного водяного пара атмосферы становится настолько малой, что пропускает тепловое излучение. К низу облака температура растет, и возрастает концентрация насыщенных паров. Поэтому на некоторой высоте температура становится достаточной для испарения всей капельной воды облака, его водность обращается в ноль. Нижняя граница облаков определяется «точкой росы», когда концентрация влаги равна концентрации насыщенного пара.