Материки и морские течения. Основы общей экологии

Материки и морские течения

Атмосферные осадки распределены по поверхности Земли таким образом, что большая часть влажных областей находится вблизи экватора, а главные пустыни образуют пояс, лежащий примерно на широте 30° к северу и к югу от экватора (рис. 5.3). Все великие пустыни — Аравийская, Сахара, Калахари и Намиб в Африке, Атакама в Южной Америке, Мохаве и Сонора в Северной Америке и Австралийская пустыня — лежат в этих поясах.

Однако и здесь имеются исключения. Когда на пути воздушных течений возникают горы, воздух вынужден подниматься вверх, где он охлаждается и теряет свою влагу, выпадающую в виде осадков с наветренной стороны горного хребта. Когда же воздух опускается вдоль подветренных склонов гор и проносится над лежащими за ними низменностями, он вбирает в себя влагу, создавая тем самым засушливые области, известные под названием дождевая тень. Пустыни Большого Бассейна на западе США и пустыня Гоби в Азии лежат в дождевой тени обширных горных хребтов.

Для внутренних частей материков характерен более засушливый климат, чем для побережья, просто потому, что эти области больше удалены от океана, поверхность которого служит главным местом испарения воды. Кроме того, морской климат прибрежных областей менее изменчив, чем континентальный климат внутренних областей, так как колоссальная теплоемкость воды по сравнению с сушей способствует относительному постоянству температуры на побережье. Например, разница между самой высокой и самой низкой среднемесячной температурой вблизи Тихоокеанского побережья США в Портленде (штат Орегон) равна 16 °С. Чем дальше от моря, тем эта разница больше: 18°С в Спокане (штат Вашингтон), 26°С в Хелине (штат Монтана) и 33°С в Бисмарке (штат Северная Дакота).

Морские течения также играют важную роль в распределении тепла по поверхности Земли. В больших океанических бассейнах холодная вода обычно перемещается к тропикам вдоль западных побережий материков, а теплая вода перемещается к умеренным широтам вдоль восточных побережий (рис. 5.4). Наличие на западном побережье Южной Америки пустынь, доходящих до самого экватора, частично обусловлено холодным течением Гумбольдта, направляющимся к северу вдоль по Чили и Перу, а кроме того, эти области лежат в дождевой тени Анд. И напротив, благодаря теплому Гольфстриму, берущему начало в Мексиканском заливе, в Западной Европе мягкий климат распространяется далеко на север.

Распределение по земле главных пустянь

Главные морские течения

Смена времен года

Климат той или иной области в целом можно охарактеризовать как жаркий или холодный, влажный или сухой. Однако любой климат подвержен регулярным циклическим изменениям, которые представляют собой такой же существенный его аспект, как средние температуры или среднее количество осадков за длительное время. Периодические циклы изменений климата обусловлены периодическими астрономическими явлениями: вращение Земли вокруг своей оси создает суточную периодичность условий среды; обращение Луны вокруг Земли определяет ритмы приливов; вращение Земли вокруг Солнца — смену времен года.

Земной экватор слегка наклонен относительно плоскости той орбиты, по которой Земля вращается вокруг Солнца. В результате этого северное полушарие получает больше солнечной энергии, чем южное, в то время, когда на севере лето, и меньше, когда на севере зима. Сезонные колебания температуры возрастают с увеличением расстояния от экватора. В северных районах северного полушария различия между средними температурами в разные месяцы года могут достигать 30 °С, а различия между крайними температурами превышают 50 °С, тогда как в тропиках средние температуры самого жаркого и самого холодного месяцев различаются всего на 2—3 °С.

Закономерности в сезонных изменениях количества осадков осложняются существованием широтных поясов влажного и сухого климата, которые перемещаются к северу и к югу, следуя за сменой времен года. Самые большие годичные колебания количества осадков наблюдаются в широких поясах, лежащих примерно на 20° к югу и к северу от экватора (рис. 5.5). По мере того как одно время года сменяется другим, эти области пересекаются попеременно солнечным экватором, приносящим проливные дожди, и субтропическими поясами высокого давления, которые приносят чистое небо.

Рис. 5.6. Воздействие, оказываемое на климат Панамы сезонными перемещениям» солнечного экватора.

Северо-восточные пассаты создают зимой сухую погоду и дождевые тени вдоль Тихоокеанского- побережья Центральной Америки. Пассатные ветры, отгоняя поверхностные воды от Тихоокеанского побережья, создают также апвеллинг (поднятие холодной воды).

Панама, лежащая на 9° с.ш., находится во влажном тропическом поясе, но даже здесь сезонные перемещения солнечного экватора оказывают глубокое влияние на климат. Тропический пояс, для которого характерны обильные дожди, лежит в основном южнее Панамы в течение большей части нашей зимы, но летом он оказывается прямо над Панамой. Соответственно зимой в Панаме сухо и ветрено, а летом влажно и дождливо (рис. 5.6). Климат Панамы более влажный на северной (обращенной к Карибскому морю) стороне перешейка, откуда дуют преобладающие ветры, чем на южной (тихоокеанской) стороне. Этот эффект дождевой тени более ярко выражен в лежащей западнее Коста-Рике, где на пути влажного воздуха, приходящего с карибской стороны перешейка, стоит цепь высоких гор. В низменностях, расположенных на тихоокеанской стороне, в зимние месяцы так сухо, что большая часть деревьев теряет листву. Деревья с совершенно голыми ветвями (рис. 5.7) представляют собой резкий контраст по сравнению с деревьями, покрытыми пышной листвой, характерной для дождливого периода и более типичной для тропического леса.

Сезонные циклы в водных средах

Юго-восточные ветры, непрерывно дующие над Панамой во время сухого периода, создают в Тихом океане области сильного апвеллинга (поднятия воды) вдоль южного побережья перешейка. Ветры отгоняют теплые поверхностные воды от берега, а их место занимают холодные

массы воды, поднимающиеся из глубоких частей океана. В результате диапазон колебаний температуры воды в течение года у тихоокеанского побережья примерно втрое шире, чем у Карибского побережья.

Моря нагреваются Солнцем точно так же, как материки и атмосфера, но вследствие большой массы воды они играют роль поглотителей тепла, которые уменьшают амплитуду колебаний температуры. Небольшие озера, находящиеся в умеренном поясе, более чувствительны к смене времен года, чем океан. Циклические изменения температуры — важный фактор, обусловливающий распределение питательных веществ в озерах, потому что изменения температурных градиентов, идущих от поверхности воды до дна водоема, вызывают вертикальное перемешивание воды дважды в год — весной и осенью. Сезонные изменения температурных профилей представлены на рис. 5.8. Вода имеет наибольшую плотность при 4°С, а поэтому в покрытых льдом озерах вода холодней всего непосредственно под поверхностью, а по направлению ко дну становится чуть теплее (вплоть до 4°С). Ранней весной Солнце постепенно нагревает поверхность воды. До тех пор, пока температура на поверхности не достигнет 4 °С, верхние слои воды опускаются в находящиеся непосредственно под ними более прохладные слои. Это слабое вертикальное перемешивание создает равномерное распределение температур по все толще воды. В отсутствие температурной стратификации, которая бы препятствовала перемешиванию, дующие над поверхностью ветры вызывают глубокое вертикальное передвижение воды ранней весной (весеннее перемешивание), выносящее питательные вещества из областей разрушения органического вещества в донных осадках на поверхность.

С каждым днем солнце поднимается все выше, и воздух над озером прогревается; поверхностные слои воды при этом нагреваются быстрее, чем более глубокие слои, так что создается четко выраженная зона изменения температуры, называемая термоклинной; вода, находящаяся по обе стороны термоклины, не смешивается. В результате теплая поверхностная вода буквально плавает на лежащей под ней холодной воде. Глубина термоклины варьирует в зависимости от локального распределения ветров, а также от глубины и мутности воды в озере. Термоклины встречаются повсюду на глубине между 5 и 20 м от поверхности воды; в озерах, глубина которых не достигает 5 м, стратификации обычно не наблюдается. В Уолден-Понде (Конкорд, штат Массачусетс) на глубине между 6 и 10 м возникает четко выраженная термоклина. В августе температура воды в пределах этой термоклины падает от 25 до 5 °С.

Термоклина разделяет поверхностный слой теплой воды (эпилимнион) и глубокие слои холодной воды (гиполимнион). Большая часть, первичной продукции озера создается в эпилимнионе, хорошо освещаемом солнцем. Благодаря фотосинтезу запасы кислорода на поверхности озера постоянно пополняются, так что эпилимнион всегда хорошо аэрирован и предоставляет благоприятные условия для жизни животных, однако растения нередко истощают запасы растворенных в воде минеральных питательных веществ, ограничивая тем самым свою собственную продуктивность. Гиполимнион отделен от поверхности озера резко, выраженной термоклиной, а поскольку он нередко лежит ниже эвфотической зоны, где происходит фотосинтез, животные и бактерии истощают имеющиеся в нем запасы кислорода, создавая тем самым анаэробные условия.

Осенью вода в поверхностных слоях озера охлаждается быстрее, чем в более глубоких, становится тяжелее и начинает опускаться вниз. Это вертикальное перемешивание (осеннее перемешивание) продолжается до поздней осени, пока температура поверхностных вод не упадет ниже 4 °С и не возникнет зимняя стратификация. Осенью вертикальное перемешивание воды происходит гораздо интенсивнее, чем весной, так как для летней стратификации характерен более резкий перепад температур, чем для зимней. Осеннее перемешивание ускоряет перемещение кислорода в глубинные воды и выносит питательные вещества наверх. В тех озерах, где в разгар лета гиполимнион довольно сильно, прогревается, к концу лета, когда еще достаточно тепло для того, чтобы; происходил рост растений, вертикальное перемешивание может доходить до больших глубин. В результате в это время на поверхность, выносится большое количество питательных веществ, что приводит к последующему резкому увеличению популяции фитопланктона — так называемому осеннему цветению воды.

Интегрированное описание климата

При описании климата легче разложить его на отдельные компоненты— температуру, влажность, количество осадков, ветры и солнечное излучение, — чем оценивать совместное влияние всех этих факторов на экосистему. Нам, однако, необходимо понять взаимодействия между климатическими факторами, потому что все эти факторы явно взаимосвязаны в своем влиянии на жизнь. Например, благоприятное действие сезонных дождей на рост растений выражено гораздо более интенсивно в теплые месяцы, чем в холодные. Тепловой стресс создается в результате взаимодействия ветра и солнечного излучения с температурой; на водный баланс оказывают совместное влияние температура и влажность.

Климограммы позволяют одновременно показать сезонные изменения температуры и количества осадков. Для получения климограммы по оси абсцисс откладывают количество осадков, а по оси ординат—. температуру; по среднемесячной температуре и среднемесячному количеству осадков находят точки для каждого месяца. Соединив последовательно точки для всех месяцев данного года, можно получить картину изменений климата в данной местности в течение года (рис. 5.9). Горизонтальное распределение точек, соответствующих отдельным месяцам, свидетельствует об изменении количества осадков, а вертикальное— об изменении температуры.

Климограммы дают возможность наглядно сопоставлять климаты разных местностей. По представленным на рис. 5.9 графикам сразу видно, что в Панаме смена времен года сопровождается заметными изменениями количества осадков, однако температура при этом изменяется мало. Что же касается города Нью-Йорк, то здесь наблюдается прямо противоположная картина. С востока на запад — от Цинциннати (штат Огайо) до Уиннемакки (штат Невада) —климат становится все более засушливым, но диапазон колебаний температуры не изменяется. Следовательно, изменения растительности — от листопадного широколиственного леса в Огайо до низкотравной прерии в Вайоминге и пустынных кустарников в Неваде — связаны не с температурной выносливостью разных видов, а с их потребностями в воде. Хотя в январе погода в Сан-Диего такая же, как в Линкольне (штат Небраска) в апреле, в целом климат этих местностей различается так же сильно, как и растительность. В Сан-Диего жаркое сухое лето и прохладная влажная зима благоприятствуют медленно растущим засухоустойчивым кустарникам (чапараль), тогда как Линкольн окружен (или, вернее, был окружен) высокотравной прерией. Летние дожди на Великих равнинах обеспечивают более высокую продуктивность растений, чем дожди, выпадающие зимой на западном побережье, потому что в прериях обилие осадков приходится на теплые летние месяцы — наилучшее время года для роста растений. Зимы, однако, здесь слишком холодные и сухие для роста кустарников.

Рис. 5.9. Климограммы репрезентативных местностей в Северной Америке.

Каждая точка представляет среднюю температуру и среднее количество осадков за данный месяц. Линии, соединяющие точки для разных месяцев по данной местности, отражают сезонные изменения климата.

Хотя климограмма полезна для сопоставления условий разных местностей, на ней не удается сочетать эффекты температуры и влажности таким образом, чтобы это было биологически осмысленно, и она не выражает кумулятивное воздействие погоды на условия среды. Например, в засушливые сезоны как испарение, так и транспирация (испарение воды с поверхности листьев) удаляют воду из почвы. Если дождей выпадает недостаточно, чтобы уравновесить потери за счет испарения и транспирации, то дефицит влаги в почве неуклонно возрастает, быть может, на протяжении нескольких месяцев. Иными словами, содержание влаги в почве отражает количество осадков, выпавших за последний месяц, а также более недавние поступления воды в почву.

В 1948 г. географ Торнтвейт (Thornthwaite) предложил метод оценки доступности воды в почве на основе климатических факторов. Он сравнивал скорость, с которой влага извлекается из почвы как растениями, так и за счет непосредственного испарения из почвы, с той скоростью, с какой она восстанавливается за счет выпадающих осадков. Суммарное количество влаги, удаляемой из почвы в результате испарения и транспирации, составляет общую эвапотранспирацию местообитания. В естественных средах эвапотранспирация иногда ограничивается наличием влаги в почве. Потенциальной эвапотранспирацей называется количество воды, которую можно было бы извлечь из почвы, если бы это не лимитировалось содержанием в ней влаги. Если поступление влаги (количество выпавших осадков минус поверхностный сток) превышает потенциальную эвапотранспирацию во все времена года, то почва насыщена влагой круглый год, как в Бреварде, штат Северная Каролина (рис. 5.10). В Бар-Харборе (штат Мэн) поступление влаги падает ниже потенциальной эвапотранспирации в теплые летние месяцы, а поэтому в конце лета и в начале осени почва содержит мало влаги. Кантон (штат Миссисипи) по количеству осадков сходен с Бар-Харбором, но более жаркий климат в Миссисипи повышает испаряемость влаги из почвы. В летние месяцы возникают серьезные недостатки воды. В Манхаттане (штат Канзас) выпадает гораздо меньше дождей, чем в Кантоне (штат Миссисипи), но, поскольку дожди в основном приходятся на летний период, когда потенциальная эвапотранспирация достигает максимума, дефицит почвенной влаги здесь не больше, чем в Миссисипи. В Гранд-Джанкшен (штат Колорадо) климат сухой, почва на протяжении большей части года бедна влагой и редко бывает насыщена ею; продуктивность растений здесь соответственно невысокая.

Поскольку потенциальная эвапотранспирация возрастает с повышением температуры, тепловой стресс и недостаток воды развиваются параллельно. Поэтому в бореальных областях, где количество осадков составляет 250—500 мм в год, водный бюджет более благоприятен для продукции растений, чем в тропических областях с таким же количеством осадков.

Проведенный Торнтвейтом анализ, возможно, недостаточно подробен, чтобы предсказывать местные изменения количества почвенной влаги и продуктивности растений, но составленные им графики позволяют судить об относительной продолжительности и жестокости засушливого периода. Постоянно регистрируя приход и расход воды в разное время года, можно оценить кумулятивное воздействие климата на содержание влаги в почве.