Свойства биосферы

1. Целостность и дискретность. Целостность биосферы обусловлена тесной взаимосвязью слагающих ее компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Изменение одного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом. При этом биосфера — не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обладающее своими особенностями и развивающееся как единое целое. Био­сфера — система с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования и устойчивости. На понимании целостности биосферы основывается теория и практика рационального природопользования. Учет этой закономерности позволяет предвидеть возможные изменения в природе, дать прогноз результатам воздействия человека на природу.

Целостность и взаимосвязь компонентов географической оболочки Земли существовали всегда, не только в современную эпоху, но и в геологическом прошлом. Особенно четко подобные связи установлены для четвертичного перийда (плейстоцен), когда формирование материковых ледниковых покровов вызывало значительное понижение уровня всего Мирового океана (на 100— ПО м). Это понижение уровня океана сказалось на природе всей поверхности Земли: произошло осушение шельфа, материки и острова получили другие очертания, возникли «континентальные мосты», по которым происходила миграция сухопутных фауны и флоры, и т. д. Во всех речных системах земного шара наблюдалась интенсификация глубинной эрозии. В теплые межледниковые эпохи материковые льды растаяли, что привело к значительному повышению уровня океана. Это вызвало затопление шельфа, разобщение материков и островов, ограничило миграцию наземных растений и животных. Подсчитано, например, что при полном таянии льдов Антарктиды повышение современного уровня океана составило бы 62 м.

2. Централизованность. Центральным звеном биосферы выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство, к сожалению, часто недооценивается человеком и в центр биосферы ставится только один вид — человек (идеи антропоцентризма).

3. Устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения, создаваемые внешними и внутренними воздействиями, включением определенных механизмов. Гомеостатические механизмы биосферы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам (извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения и т.п.). Гомеостатические механизмы биосферы подчинены принципу Ле Шателье— Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

4. Ритмичность. К своеобразной разновидности круговоротов в биосфере относятся ее ритмические изменения. Ритмикой называется повторяемость во времени комплекса процессов, которые каждый раз развиваются и одном направлении. При этом различают две ее формы: периодическую — это ритмы одинаковой длительности (время оборота Земли вокруг оси) и циклическую — ритмы переменной длительности. Периодичность в биосфере проявляется во многих процессах: тектонических, осадконакоплении, климатических, биологических и многих других. Ритмы бывают различной продолжительности: геологические, вековые, внутривековые, годовые, суточные и т. д. Основные из них — суточный, годовой, внутривековые и сверхвековые.

Суточная ритмика, как известно, обусловлена вращением Земли вокруг оси. Суточный ритм проявляется в изменении температуры, давления и влажности воздуха, облачности, силы ветра, в явлениях приливов и отливов, циркуляции бризов, процессах фотосинтеза у растений, в поведении животных. Эти ритмы можно отыскать в любом природном явлении. Способность живых организмов ощущать время, наличие у многих из них «биологических часов» — важное приспособление, которое обеспечивает выживание особи в данных условиях среды.

Годовая ритмика связана со сменой времен года, изменениями в интенсивности почвообразования и разрушения горных пород, сезонностью в хозяйственной деятельности человека. Годовая ритмика вызвана движением Земли по орбите вокруг Солнца. Ритмические изменения в различных компонентах ландшафта свойственны в той или иной форме любой географической зоне, но наиболее четко они выражены в умеренном поясе. Эта ритмика обнаруживается в годовом ходе климатических элементов, почвообразовательных и геоморфологических процессов, в гидрологических явлениях (ледостав, ледоход, половодье, межень), миграциях рыб и перелетах птиц, в зимней спячке животных. Годовые циклы хорошо известны у млекопитающих: цикл роста у оленей, сезоны размножения у хищников, изменение окраски у животных.

Разные экосистемы обладают различной суточной и годовой ритмикой. Годовая ритмика лучше всего выражена в умеренном поясе и очень слабо — в экваториальном.

Наблюдаются и более продолжительные ритмы (11, 22 — 23, 80 — 90 лет и др.). Среди внутривековых ритмов наиболее четкими оказались циклы продолжительностью 11, 30—35 и 20—50 лет. Эти ритмы отмечены во многих природных процессах. Так, 11-летняя цикличность наблюдается в толщине годичных колец у деревьев, во вспышках некоторых эпидемических заболеваний, в ритмах массовых размножений саранчи и др. 35-летние ритмы (ритмы Э. Брикнера) установлены для всего земного шара, когда серия влажных и прохладных лет сменяется серией теплых и сухих. Эти ритмы А. В. Шнитников установил в колебаниях уровня Ладожского озера, озер Казахстана и юга Западной Сибири.

Из сверхвековых ритмов хорошо изучен ритм продолжительностью 1800—1900 лет. А. В. Шнитников в каждом ригме выделял три фазы: трансгрессивную (фаза прохладного влажного климата— 300—500 лет), регрессивную (фаза сухого и теплого климата — 600—800 лет) и переходную между ними (700—800 лет). В трансгрессивную фазу наблюдалось усиление оледенения, увеличение стока рек и повышение уровня замкнутых озер, а в регрессивную — реки мелели, и уровни озер соответственно понижались.

Наиболее крупные - геологические - ритмы в истории Земли связаны с проявлением вековых колебаний земной коры, орогенных процессов, магматизма и вулканизма. Повторяемость великих ледниковых эпох, которые разделялись интервалами времени порядка 150—200 млн лет.

Некоторые ритмы связаны с неравномерным облучением Земли в связи с ее движением вокруг Солнца (изменение времени наступления равноденствий, наклона оси вращения к эклиптике и эксцентриситета земной орбиты).

Итак, ритмичность — это форма своеобразной пульсации биосферы как целостной системы, причем ритмы, как и круговороты веществ, замкнуты в себе. Ритмика входит в понятие структуры ландшафта, ибо взаимодействие компонентов, подвижное во времени, определенным образом организовано и отличается известной последовательностью. Знание и учет ритмических явлений необходимы при рациональном природопользовании и охране есте­ственных ресурсов нашей планеты.

Ритмические явления не повторяют полностью в конце ритма того состояния природы, которое было в его начале. Именно этим и объясняется направленное развитие природных процессов.

5. Горизонтальная зональность и высотная поясность. Об­щебиосферной закономерностью является горизонтальная зональность — закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающего на разные широты тепла в связи с шарообразной формой Земли. Этому закону подчинены все явления в пределах биосферы. Зональны климат, воды суши и океана, процессы выветривания, некоторые формы рельефа, образующиеся под влиянием внешних сил (поверхностных вод, ветра, ледников), растительность, почвы, животный мир.

Основоположником учения о природной зональности был В. В. Докучаев (1846—1903), который обосновал зональность как всеобщий закон природы. В дальнейшем радиационные основы формирования зональности земного шара были разработаны А. А. Григорьевым и М. М. Будыко. Основные причины зональности — форма Земли и ее положение относительно Солнца. Помимо широтности, на распределение тепла на Земле влияют характер рельефа и высота местности над уровнем моря, морские течения, соотношение суши и моря и др. Поэтому в качестве границ тепловых поясов взяты изотермы (годовые или самого теплого месяца).

На земном шаре выделяют термические пояса: теплый или жаркий, в каждом полушарии ограниченный годовой изотермой +20°С, проходящей вблизи 30° с. ш. и ю. ш.; два умеренных (между годовой изотермой +20°С и изотермой +10°С самого теплого месяца); два холодных (температура самого теплого месяца ниже +10°С) и две области вечного холода (температура всегда ниже 0°С). На Земле хорошо фиксируется зональное распределение атмосферного давления в виде 7 поясов: экваториального и двух умеренных пониженного давления, двух тропических и двух полярных повышенного давления. В целом на поверхности Земли выделяется 13 климатических поясов, имеющих широтное простирание и характеризующихся преобладанием в них определенной воздушной массы.

Также зонально на земном шаре распределяются атмосферные осадки. Выделяется влажная тропическая зона (примерно между 20° с. ш. и ю. ш.), где в течение года выпадает свыше 1000 мм осадков. Наибольшее среднегодовое количество осадков для Азии составляет 11633 мм (Черрапунджи, Индия), а максимальное в мире отмечено на Гавайских островах (11684 мм). Сухие зоны низких широт (между 20° и 40° с. ш. и ю. ш.) отличаются преобладанием антициклональных условий с нисходящими движениями воздуха. В этой зоне сосредоточены самые обширные пустыни мира. Наименьшее среднегодовое количество осадков на земном шаре зафиксировано в Америке (Чили) —0,8 мм в год. В районе Икике установлен абсолютный рекорд — в течение 14 лет подряд полностью отсутствовали атмосферные осадки. Влажные зоны средних широт (между 40° и 60° с. ш. и ю. ш.) отличаются значительным количеством осадков (более 500 мм), что связано с циклонической деятельностью. Холодные области высоких широт в обоих полушариях характеризуются малым количеством осадков (менее 250 мм), обусловленным господством низких температур.

Зональность проявляется и в гидрологических п роцессах. Зональными чертами обладают минерализация и глубина залегания подземных вод — от ультрапресных и близких к дневной поверхности в тундре и экваториальных лесах до солоноватых и соленых глубокозалегающих грунтовых вод в полупустынях и пустынях. Зонален коэффициент стока, показывающий, какая доля в процентах атмосферных осадков стекает в реки (остальная испаряется). Так, в тундре он равен 75%, в тайге 65%, в зоне смешанных лесов 30%, в лесостепной 17%, в степях и полупустынях 4—6%. Зональность отражается и на водном режиме рек, зависящем от условий их питания.

Наиболее крупные зональные подразделения — географические пояса. Они отличаются друг от друга температурными условиями, а также общими особенностями циркуляции атмосферы, почвенно-растительного покрова и животного мира. На поверхности земного шара выделяется 13 географических поясов, имеющих распространение на материках и океанах. На суше выделяются следующие географические пояса: экваториальный и в каждом полушарии субэкваториальный, тропический, субтропический, умеренный, а также в Северном полушарии субарктический и арктический, а в Южном — субантарктический и антарктический. Аналогичные по названию пояса выявлены и в Мировом океане. Географические пояса протягиваются преимущественно в широтном направлении.

Внутри поясов на суше по соотношению тепла и влаги выделяются природные зоны, названия которых определяются по преобладающему в них типу растительности. Так, например, в субарктическом поясе это зоны тундры и лесотундры, в умеренном поясе — зоны лесов, лесостепи, степи, полупустынь и пустынь, в тропическом поясе — зоны лесов, редколесий и саванн, полу­пустынь и пустынь. Как правило, они совпадают с основными и переходными типами природных экосистем (биомами и экотопами), В связи с неоднородностью земной поверхности, а, следовательно, и увлажнения в различных частях материков зоны не всегда имеют широтное простирание.

Каждой географической зоне свойствен свой зональный тип растительности, который изменяется при движении от северных границ к южным. Поэтому во многих растительных зонах еще выделяют подзоны. Так, в таежной зоне выделяют северную, среднюю и южную тайгу. Достаточно сравнить северную и южную подзоны тайги по некоторым природнымфакторам, чтобы увидеть значительные различия этих подзон. Так, в северной тайге средняя температура июля составляет +14...+16°С, запас фитомассы в среднем 1500 ц/га; здесь огромные площади занимают болота, основными типами почв являются глеево-подзолистые. В южной тайге соответственно температура июля⁴ составляет +18...+19°С, запас фитомассы достигает 3000 ц/га; степень заболоченности значительно ниже и преобладают дерново-подзолистые почвы.

На территории России принято выделять 9 растительных зон: полярных пустынь, тундр, лесотундр, лесов, лесостепей, степей, полупустынь, пустынь и влажных субтропических лесов. В каждой зоне наиболее характерный тип растительности связан с плакорными участками (от греч. «плакор» — равнина, плоскость) — слабо расчлененными пространствами, где почвы и растительные сообщества имеют типичные зональные черты. Так, в лесной зоне на плакорных участках произрастает лес, а за его пределами — азональные типы растительности. Поэтому О. Е. Агаханянц считает, что с ботанико-географической точки зрения лесотундры, лесостепи и полупустыни, имеющие на плакоре типы растительности смежных зон, не совсем правильно называть зонами, а лучше — полосами динамического контакта.

Зональность почвообразования определяется в основном климатическими условиями и характером растительного покрова. Основоположником почвоведения является В. В. Докучаев. Именно, изучая почвы, он вывел закон о природной зональности. Почвы — один из основных компонентов географической оболочки, они являются, по образному выражению В. А. Ковды, «убежищем» живого вещества, его местообитанием и продуктом. Раз­нообразие почв на земной поверхности велико, что обусловлено различным сочетанием факторов почвообразования: горных пород, рельефа, климата, растительности и др. Однако главные типы почв распространены в соответствии с законом зональности.

Зональность характерна и для Мирового океана. От экватора к полюсам изменяются свойства поверхностных вод (температура, соленость, плотность и прозрачность, интенсивность волнения и др.), а также состав растительности и животного мира.

В жизни биосферы, помимо явлений, подчиняющихся закону зональности, не менее важную роль играют процессы азональности, т. е. не зависящие от распределения солнечной радиации. Это движения земной коры, образование складок, разломов, горных сооружений, вулканизм, землетрясения и др. Как отмечает С. В. Калесник, все разнообразие земной поверхности, отраженное в различии географических ландшафтов, есть результат сочетания и взаимодействия зональных и азональных факторов. Азо­нальные влияния на географическую зональность выражаются в формировании высотной поясности и в разделении географических зон на провинции на основе рельефа земной поверхности, состава горных пород и распределения суши и моря.

Высотная поясность — закономерная смена природной среды с подъемом в горы от их подножия до вершин. Она обусловлена изменением климата с высотой: понижением температуры (на 0,6°С на каждые 100 м подъема) и до определенной высоты (до 2—3 км) увеличением осадков. Смена поясов в горах происходит в той же последовательности, как и на равнине при движении от экватора к полюсам. Отличием является присутствие в горах особого пояса субальпийских и альпийских лугов, которого нет на равнинах.

Высотная поясность начинается в горах с аналога той горизонтальной зоны, в пределах которой расположены горы. Так, в горах, находящихся в степ­ной зоне, нижний пояс - горно-степной, в лесной — горно-лесной и т.д. Количество высотных поясов зависит от высоты гор и их местоположения. В горах отмечается вертикальная почвенная зональность, что связано с изменением высот, климатических и растительных условий. В горных странах, больше чем на равнине, ввиду значительного разнообразия природных условий распространены почвенные типы, свойственные только этим районам (горно-луговые, горно-дерновые, горно-лесные бурые и др.). Однако наряду с типичными горными здесь распространены и почвы равнинных территорий (тундровые, подзолистые, черноземные).

6. Полярная асимметрия (дисимметричность биосферы). В 1923 г. В.И. Вернадский в своих лекциях по геохимии в Париже впервые указал на явление дисимметрии нашей планеты на примере «подвижной части земной коры»— астеносферы в районе Тихого океана: «Существование дисимметрии (не сплошных оболочек) указывает, что их происхождение тесно связано с геологическими явлениями в истории нашей планеты, имеющими планетарный характер. Оно отражается коренным образом на всех явлениях, имеющих место на Земле, и на всех исканиях, с Землей связанных».

В. И. Вернадский впервые получил количественный показатель, подтверждающий дисимметрию планеты: общий коэффициент отношения суши и моря равен 1:2,4. И, наконец, В. И. Вернадский указал на воз­можность нахождения «дисимметричных явлений» даже в Космосе...

Не менее важной особенностью развития географической оболочки является полярная асимметрия. Еще в 1914 г. Дж. Грегори в своей работе «Образование Земли» писал, что «фундаментальная разница между северным и южным полушариями есть наиболее бросающаяся в глаза черта в плане Земли». Правильность выделения этой особенности биосферы подтверждается новейшими материалами о наличии полярной асимметрии у планет земной группы и даже планет-гигантов. Ниже рассмотрим лишь наиболее интересные факты асимметрии северного и южного полушарий нашей планеты. Прежде всего уже сама фигура Земли асимметрична, причем северная полярная полуось на 70—100 м длиннее южной, поэтому полярное сжатие северного полушария меньше, чем южного. Фигура Земли - геоид -напоминает кардиоидальный эллипсоид, с осевой впадиной на Южном полюсе и выпуклостью — на Северном.

Асимметричность северного и южного полушарий заключается и в том, что суша в северном полушарии занимает 39%, а в южном—19%. Эта противоположность в распределении суши и океана особенно заметна в пределах субарктического, субантарктического и умеренного поясов обоих полушарий. Асимметричность суши и океана северного и южного полушарий влечет за собой асимметричность в распределении других компонентов географической оболочки. Так, в южном полушарии вследствие значительного преобладания водной поверхности климат в целом ровнее, чем в северном. Если в северном полушарии средняя разность между температурой самого теплого и самого холодного месяца составляет 14°, то в южном'— чуть более 6°. Теплые течения в северном полушарии распространяются до Северного Ледовитого океана, в южном — не далее 35° ю. ш. В Арктике характерны слабое континентальное оледенение, сильное морское оледенение и широко распространена многолетняя мерзлота. Так, на Земле многолетняя мерзлота занимает около 21 млн. км² (или 14% площади суши); из них на северное полушарие приходится 20, а на южное — всего только 1 млн. км. Напротив, в Антарктиде — очень мощное континентальное оледенение, а морские льды и мерзлота занимают сравнительно небольшие пространства.

Различия между северным и южным полушариями особенно ярко проявляются при рассмотрении растительных сообществ. В северном полушарии огромные пространства занимает таежная зона, которая в Евразии с запада на восток тянется более чем на 7000 км, в Северной Америке — на 5000 км. В южном полушарии ей аналога нет. В целом в южном полушарии отсутствуют именно те географические зоны, которые на материках северного полушария занимают самые большие территории (тундра, лесотундра, тайга, смешанные и широколиственные леса практически отсутствуют на юге южного полушария). Отдельные виды растений встречаются только в северном полушарии (сосновые, секвойи, таксодиевые), другие (подокарпус, араукария, дакридиум)—произрастают в южном. Отличия проявляются и в животном мире. Пингвинам Антарктиды противостоят наземные животные Арктики: белые медведи, мускусные быки, лисицы, копытные. В южном полушарии отсутствуют такие животные, как двугорбые верблюды, яки, моржи, а в северном нет ламы, кондора, нототениевых рыб и др. Только для южного полушария (Австралия, Новая Зеландия) свойственны сообщества таких животных, как утконос, ехидна, кенгуру, сумчатый волк, киви, коала, сумчатые белки и др.

7. Круговорот веществ и энергозависимость. Биосфера — открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличие от количества солнечной энергии, количество атомов вещества на Земле ограничено. Круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный материал» живого — углерод.

Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимися круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ — многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли.

Круговорот веществ осуществляется при непрерывном потоке солнечной энергии.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты.

До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два. Геологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Геологический круговорот веществ осуществляется без участия живых организмов. Биологический круговорот — круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. С появлением человека возник антропогенный круговорот или обмен веществ. Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологичес­кую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)).

В отличие от геологического и биологического круговоротов веществ, антропогенный круговорот веществ в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества.

8. Большое биоразнообразие. Биосфера — система, характеризующаяся большим разнообразием видов. Это свойство обусловлено следующими причинами: разными средами жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной); разнообразием природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; наличием регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); биологическим разнообразием живых организмов.

В настоящее время описано более 2 млн. видов. Однако реальное число видов на Земле в несколько раз больше, чем их описано. Не учтены многие насекомые и микроорганизмы, особенно в тропических лесах, глубинных частях океанов и в других малоосвоенных местах обитания. Кроме этого, современный видовой состав — это лишь небольшая часть видового раз­нообразия, которое принимало участие в процессах биосферы за период ее существования. Каждый вид имеет определенную продолжительность жизни (10 — 30 млн. лет), поэтому число видов, принимавших участие в эволюции биосферы, исчисляется сотнями миллионов. Считается, что к настоящему времени арену биосферы оставили более 95% видов.

Разнообразие обеспечивает возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими, степень сложности и прочности пищевых и другие связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом.

К сожалению, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению экосистем любого ранга. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшафтов, резко уменьшились площади лесов (до появления человека они занимали примерно 70% суши, а сейчас — не более 20—23%). Идет дальнейшее, невиданное по масштабам, уничтожение лесных экосистем, особенно наиболее ценных и сложных тропических, спрямление русел рек, создание промышленных районов и т.п.

Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить значительный объем нужной продукции (например, с сельскохозяйственных полей), но за это приходится рассчитываться снижением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды.

Неслучайно, что биологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу трех важнейших экологических проблем, по которым приняты специальные Заявления или Конвенции. Кроме сохранения разнообразия, такие конвенции приняты по сохранению лесов и по предотвращению изменений климата.

Поиск по сайту: