ОСНОВНЫЕ АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ УСТОЙЧИВОСТИ БИОСФЕРЫ

Основными внешними, абиотическими, факторами устойчивости земной биосферы, несомненно, являются солнечное излучение, наличие у Земли собственного магнитного поля и кислорода в атмосфере.

Солнечное излучение

Главным поставщиком энергии для нашей планеты является Солнце, под воздействием которого происходит подавляющее число процессов в экосфере.

Наибольшее значение для биосферы Земли имеет солнечная энергия, которая возбуждает движение атмосферы и океанических течений, поддерживает все жизненные процессы. Каменный уголь и нефть есть не что иное, как солнечная ископаемая энергия. Поток речной воды, сбегающий вниз к морю, рожден солнечным теплом, которое испарило воду с поверхности. Солнечная энергия воспринимается автотрофными организмами и обусловливает возможность трансформации ими неорганической субстанции: горных пород, минералов, элементов, входящих в состав воды и воздуха, в органическое живое вещество. Солнечная энергия имеет решающее значение в жизни экосистем[1] [2] [3].

Солнце представляет собой плазменный шар средним диаметром R@ = = 1,392 • 109 м (109 диаметров Земли), эффективной температурой фотосферы Т = 5780 К и светимостью (полной энергией, излучаемой по всем направлениям) L@ = 3,846 • 1026 Вт.

Солнце является центральной звездой Солнечной системы, которая обращается вокруг центра Галактики за 225—250 млн лет на расстоянии 8 кпк (парсек, пк — расстояние, с которого средний радиус земной орбиты виден под углом 1 секунда дуги, равно 206 265 а. е.).

Среднее расстояние Земли от Солнца называется астрономической единицей (а. е.) и составляет а = 149,6 • 106 км.

Естественно, на Землю попадает очень малая часть солнечного излучения. Она определяется телесным углом, под которым видна Земля на небесной сфере Солнца (рис. 1.1).

К определению солнечной постоянной

Рис. 1.1. К определению солнечной постоянной

Телесный угол — часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность (которая называется поверхностью, стягивающей данный телесный угол). Границей телесного угла является некоторая коническая поверхность.

Телесный угол измеряется отношением площади той части сферы с центром в вершине угла, которая вырезается этим телесным углом, к квадрату радиуса сферы:

Единицей измерения телесного угла в системе СИ является стерадиан, равный телесному углу, вырезающему из сферы радиусом г поверхность с площадью г2. Полная сфера образует телесный угол, равный 4л стерадиан (или 2 • 180)2/л ~ 41 252,96125 кв. градусов) для вершины, расположенной в центре сферы.

Телесный угол при вершине прямого кругового конуса с углом раствора а равен

KOL2

Когда угол раствора конуса мал. й - — (« выражено в радианах), „ли Q - = 0,000239а2 (а выражено в градусах).

Так, телесный угол, под которым с Земли видны Луна и Солнце (их угловой диаметр примерно равен 0,5°), составляет около 6 • 10-5 стерадиан, или —0,0005 % площади небесной сферы, т. е. полного телесного угла.

Мощность солнечного излучения, падающего на границе околоземного космического пространства (ОКП) и межпланетной среды перпендикулярно на круг радиусом, равным радиусу Земли R3, составляет

Здесь 70 = (1367 ± 3) Вт/м2 — солнечная постоянная, фундаментальная величина, характеризующая поток солнечного излучения, падающий на плоскую площадку, расположенную нормально к направлению на Солнце на расстоянии от него 1 а. е.

Естественные изменения солнечной постоянной (например, в 11-летнем периоде солнечной активности) не превосходят 0,1 %.

Часть потока, определяемого солнечной постоянной (сферическое альбедо Земли А3 = 0,30 -ь 0,36), отражается атмосферой и поверхностью Земли и не входит в ее тепловой баланс.

В итоге средний поглощенный поверхностью и атмосферой поток солнечного излучения у поверхности Земли на единицу ее площади составляет в = 240 Вт/м2.

Этот поток согласно закону Стефана — Больцмана и определяет эффективную температуру на поверхности Земли:

где постоянная Стефана — Больцмана а = 5,67 • 10~8 Вт-м-2-К"4.

Таким образом, температуру Земли можно определить из уравнения теплового баланса

В отсутствие атмосферы она составляла бы 255 К, или -18 °С. Однако реальная средняя температура Земли составляет 288 К (15 °С). Разность в 33 °С обусловлена парниковым эффектом.

Нагретая до температуры Ге^Земля излучает в ИК-диапазоне с максимумом вблизи Хт = 10 мкм (рис. 1.2, 1.3).

Плотность энергии абсолютно черного излучения ге = аГ4, где Т — температура излучающего тела (в данном случае Тс — солнечной фотосферы и Т3 — Земли). Плотность энтропии абсолютно черного излуче-

4

ния1 г5 = — суТ3. Отсюда

Ландау Л. Д.,Лифшиц Е. М. Статистическая физика. М. : Наука, 1964.

Спектральное распределение энергии излучения Солнца на границе земной атмосферы, поверхности Земли и теплового излучения Земли

Рис. 7.2. Спектральное распределение энергии излучения Солнца на границе земной атмосферы, поверхности Земли и теплового излучения Земли

Спектральный состав естественного излучения Земли

Рис 13. Спектральный состав естественного излучения Земли

Тогда скорость производства (экспорта) энтропии для Земли равна

Подставив соответствующие температуры, получим1 —- = -6-1014

dt

Вт/К. Такому значению полного экспорта энтропии соответствует плотность потока энтропии на поверхности Земли (при плотности потока энергии —230 Вт/м2) е5 ~ -1 Вт/(м2 • К). Он компенсирует среднюю плотность производства энтропии (10-3—10^Вт/(м2 • К) в нижних слоях атмосферы.

Далее, поток энергии от земного ядра к поверхности составляет2 —0,2 Вт/м2. Если температура ядра Земли составляет 103—104 К, а на поверхности — порядка 300 К, то экспорт энтропии за счет теплового потока Земли имеет порядок -1011 Вт/К. Таким образом, основную роль в экспорте энтропии играет солнечное излучение.

Спектр солнечного излучения близок к спектру абсолютно черного тела с максимумом в районе длины волны 475 нм. В УФ- и ИК- диапазонах заключено до 95 % энергии солнечного излучения. При прохождении земной атмосферы солнечное излучение ослабляется, а его максимум смещается к 550 нм (см. рис. 1.2). Интересно отметить, что область максимальной спектральной чувствительности человеческого глаза также лежит около 550 нм.

В достигающем поверхности излучении присутствуют линии поглощения газов, составляющих атмосферу: основное поглощение в УФ- области приходится на озон, в ИК-области — на пары воды и углекислый газ.

Интегральные характеристики потоков энергии у земной поверхности представлены в табл. 1.13.

Таблица 1.1

Потоки энергии у земной поверхности

Виды процессов

Мощность

Вт

Доля, %

Солнечная радиация

1,8 • 10!7

100

Поглощение атмосферой и земной поверхностью

10!7

69

Поглощение земной поверхностью

8 • 1016

46

  • 1 Трухин В. И., Показеев К. В., Куницын В. Е. Общая и экологическая геофизика. М. : Физматлит, 2005.
  • 2 Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет. М. : Наука, 1983.
  • 3 Горшков В. Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М. : ВИНИТИ, 1995; Климов С. К, Родин В. Г., Григорян О. Р. Изучение и контроль «космической погоды» // Земля и Вселенная. 2000. № 4. С. 9—18; Лосев К. С. Экологические проблемы и перспективы устойчивого развития России в XXI веке. М. : Космосинформ, 2001.

Виды процессов

Мощность

Вт

Доля, %

Расход за испарение

4 • 10[4]

24

Турбулентные потоки тепла

10[4]

7

Перенос тепла с экватора к полюсам атмосферой

3 • 1015

3

Перенос тепла с экватора к полюсам океаном

2 • 1015

2

Поглощение сушей

2 • 10[4]

13

Испарение сушей (эвапотранспирация)

5 • 1015

3

Испарение растениями (транспирация)

3 • 1015

2

Диссипация ветровой энергии

2 • 1015

1

Диссипация волновой энергии

10]5

0,6

Фотосинтез

1014

0,06

Падение всех осадков (гравитационное)

1014

0,08

Гидроресурсы рек

3 • 1012

2 • Ю-з

Виды возобновимых мощностей (геотермальная, вулканов и гейзеров, приливная, лунного излучения, падающего на Землю)

3 • 1013

0,02

Антропогенное усиление парникового эффекта

Ю13

0,6

Современное мировое энергопотребление человечества

2 • 1013

7 • IQ-3

Как очевидно из табл. 1.1, человечество уже потребляет энергию, величину которого можно сравнить с падающей солнечной энергией. Сто лет назад это потребление было на три порядка ниже.

Столь высокие темпы потребления энергии ведут к разрушению окружающей биосферу среды. Биологическая природа при выходе из состояния равновесия за счет действия обратных связей (принцип Ле Шателье — Брауна) может вернуться в прежнее состояние.

Принцип Ле Шателье — Брауна (1884)

Нарушение равновесия любой физической, биологической или экологической системы по какому-либо параметру приводит к возникновению в ней компенсирующих процессов, возвращающих систему в состояние равновесия. Простейший пример: в системе «маятник — нить» при отклонении ее из состояния равновесия возникает возвращающая сила, стремящаяся это отклонение компенсировать.

собой единственную систему, обеспечивающую устойчивость окружающей среды при любых возникающих внешних возмущениях. Она обладает огромным количеством обратных связей. Число молекул (число ячеек памяти) в биосфере определяется как 1048.

Поэтому сохранение природных сообществ и существующих видов живых организмов в объеме, способном обеспечивать функционирование принципа Ле Шателье по отношению к глобальным возмущениям окружающей среды, является главным условием благополучного продолжения жизни на планете[7].

В биологии на основе анализа данных о круговороте углерода показано, что нарушение стабилизации биосферы произошло после начала промышленной революции, когда антропогенная доля потребления продукции биосферы превысила 1 %. До этого остававшаяся невозмущенной часть биосферы в течение всей ее эволюции компенсировала антропогенные нарушения за счет действия отрицательных обратных связей. Даже такая глобальная катастрофа, как Юкатанское событие, уничтожила лишь часть крупных животных, не нарушив нормального функционирования остальной части биоты и ее способности к стабилизации окружающей среды.

Спектральное распределение энергии, испускаемой Землей, имеет достаточно сложный характер (см. рис. 1.3). Оно заключено между распределениями энергии абсолютно черного тела с температурами 288 и 218 К. Общая мощность этого длинноволнового излучения составляет 230 Вт/м[8] и уравновешивает мощность излучения, попадающего к поверхности Земли от Солнца. Вид спектрального распределения длинноволнового излучения Земли обусловлен тем, что поверхность Земли испускает излучение как абсолютно черное тело с температурой 288 К, а в ОКП уходит та часть излучения, для которого атмосфера прозрачна. В остальных областях спектра в ОКП и далее в открытый космос излучает стратосфера, температура которой составляет в среднем 218 К.

Длинноволновая составляющая земного излучения в космос, кроме того, зависит от целого ряда факторов. На рис. 1.4 представлен ее временной тренд, показывающий прямую зависимость от энергии, выделяющейся во время явлений Эль-Ниньо и вулканических извержений[8].

Эль-Ниньо — нагревание поверхностного слоя воды вблизи тихоокеанского побережья Южной Америки до температур выше средних в результате воздействия экваториального противотечения (движущегося с запада на восток), происходящее каждые 3—7 лет и продолжающееся до двух лет. Вызывает значительные изменения климата во всем мире.

Ход длинноволновой составляющей радиационного баланса Земли и основные аномальные природные явления

Рис. 1.4. Ход длинноволновой составляющей радиационного баланса Земли и основные аномальные природные явления

  • --ERBE SC; ? — ERBE WN; * — СРРБ Метеор; х — CERES TRMM;
  • ? — СРРБ Ресурс; н--CERES Terra; д — Восстановленные данные; - - - - — УДР Тренд

Солнечная энергия оказывает влияние на всю атмосферу. Так, в районах проявления полярных сияний температуры термосферы значительно выше, чем на низких широтах. Вероятно, захваченные частицы солнечного ветра (протоны и электроны) отдают часть своей энергии в атмосферу, особенно при столкновении с молекулами газа вблизи точек отражения, и сходят со своих прежних орбит. Так происходит нагрев высоких слоев атмосферы в зоне полярных сияний.

Небольшие отклонения орбит искусственных спутников обусловлены изменениями плотности атмосферы при ее нагреве Солнцем. Кроме того, максимум концентрации электронов испытывает нерегулярные колебания вследствие кратковременных вспышек ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Кратковременные колебания плотности воздуха, соответствуют вспышкам на Солнце и возмущениям магнитного поля. Эти явления объясняются вторжением частиц солнечного происхождения в атмосферу Земли и нагревом тех ее слоев, где проходят орбиты спутников.

  • [1] Обридко В. Н. и др. Космические факторы эволюции биосферы: новые направле
  • [2] ния исследований // Проблемы эволюции биосферы. Серия «Геобиологические системы
  • [3] в прошлом». М. : ПИН РАН, 2013. С. 66—94.
  • [4] Биосфера (состоящая из возникшей в процессе эволюции естественной биоты, взаимодействующей с окружающей средой) представляет
  • [5] Биосфера (состоящая из возникшей в процессе эволюции естественной биоты, взаимодействующей с окружающей средой) представляет
  • [6] Биосфера (состоящая из возникшей в процессе эволюции естественной биоты, взаимодействующей с окружающей средой) представляет
  • [7] Горшков В. Г., Кондратьев К. Я. Принцип Ле Шателье в приложении к биосфере //Экология. 1990. № 1. С. 7—15.
  • [8] Головко В. А., Пахомов Л. А., Успенский А. Б . Исследование поля уходящего излучения Земли с помощью сканирующего радиометра радиационного баланса на российских спутниках «Метеор» и «Ресурс» // Электронный журнал «Исследовано в России».2006.
  • [9] Головко В. А., Пахомов Л. А., Успенский А. Б . Исследование поля уходящего излучения Земли с помощью сканирующего радиометра радиационного баланса на российских спутниках «Метеор» и «Ресурс» // Электронный журнал «Исследовано в России».2006.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >