Изменения внешней среды. Основы общей экологии

Изменения внешней среды

Повседневный опыт убеждает нас в том, что окружающая естественная среда изменчива. Климат и характер биологических сообществ тесно связаны друг с другом. Путешествуя с востока на запад США. можно видеть, как постепенное изменение климата сопровождается соответствующими изменениями растительности. Высокоствольные широколиственные леса, окаймляющие восточное побережье, сменяются в засушливых штатах Среднего Запада прерией, а в безводной области Большого Бассейна — пустыней, поросшей кустарником. В горах Запада, создающих весьма разнообразный рельеф местности, путешественник наблюдает смену различных вертикальных зон растительности— от жаркой кустарниковой пустыни до прохладных ольховых и еловых лесов, покрывающих горы. Еще более резкие контрасты можно заметить, если проехать от северной части Канады до Панамы.

Главные типы климата на поверхности Земли определяются взаимным расположением Земли и Солнца, местоположением материков и океанов, направлениями ветров и морских течений. Однако существуют также локальные различия среды, обусловленные геологическими факторами и рельефом местности; эти различия создают возможность для возникновения разнообразных сообществ в пределах областей с однородным климатом. Дальнейшие изменения физических свойств среды и увеличение их разнообразия происходят под влиянием растительности и деятельности животных.

Глобальные типы климата

Принято считать, что климат на Земле становится холоднее и суше по направлению к полюсам и жарче и влажнее по направлению к экватору, однако это сверх упрощенное представление, и отклонений от него так же много, как от любого прогноза погоды. Тем не менее в распределении определенных типов климата выявляются некоторые общие тенденции.

Глобальные колебания климата определяются главным образом положением Солнца по отношению к поверхности Земли. Атмосфера, океаны и суша нагреваются сильнее всего, когда солнечные лучи падают на них под прямым углом. Когда же Солнце стоит близко к горизонту и его лучи падают на поверхность под косым углом, тепла от него поступает меньше, так как при этом его лучи не только рассеиваются по большей площади, но и проходят более длинный путь в атмосфере; значительная часть его световой энергии либо отражается, либо поглощается атмосферой и пере излучается в пространство в виде Высота Солнца над горизонтом в один и тот же день различается в разных частях земного шара: если в тропиках Солнце стоит в зените, то в арктических областях оно находится над горизонтом, а, следовательно, количество поступающего от Солнца тепла возрастает от полюсов к экватору. Такое неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности Земли определяет общие закономерности распределения температур, количества осадков и направления ветров.

Нагретый воздух расширяется, становится менее плотным и поэтому поднимается вверх. Его способность удерживать водяные пары возрастает, и испарение ускоряется. Скорость испарения с водной поверхности почти удваивается при повышении температуры на каждые 10 °С. Наиболее интенсивно Солнце нагревает атмосферу в тропиках. Нагретый поверхностный воздух захватывает водяные пары и начинает подниматься вверх. Когда такой насыщенный влагой воздух достигает некоторой высоты и охлаждается, водяные пары сгущаются, образуя плотные тучи, изливающиеся на тропический ландшафт дождем. Вследствие суточных циклов нагревания и охлаждения дожди в тропиках в большинстве случаев выпадают в послеполуденное и вечернее время; в умеренных областях летние грозы, обусловленные мощными вертикальными потоками теплого влажного воздуха, также чаще всего случаются во второй половине дня. Горячий тропический воздух может удерживать гораздо больше влаги, чем воздух в умеренных или арктических областях. Соответственно наибольшее годовое количество осадков выпадает в тропиках (рис. 5.1). Причина такого влажного климата тропиков не в том, что в тропических широтах больше воды, чем в других местах, а в том, что в тропиках круговорот воды в атмосфере происходит быстрее. Циклы испарения и выпадения осадков определяются Солнцем; широтное распределение осадков зависит в первую очередь от количества энергии, а не от количества воды. Распределение материковых массивов суши играет второстепенную роль. В южном полушарии осадки более обильны, потому что океаны и озера составляют большую часть его поверхности (81% по сравнению с 61% в северном). Вода испаряется более интенсивно с открытых водных поверхностей, чем с поверхности суши или растений.

Экваториальная штилевая полоса и пассатные ветры

Ветры управляются энергией, поступающей от Солнца, так же как и круговорот воды в атмосфере. В сущности, эти два явления неразделимы, и направление ветров оказывает сильное влияние на распределение осадков. Массы теплого воздуха, поднимающиеся вверх в тропиках, в конечном счете распространяются к северу и югу в верхних слоях атмосферы. Этот воздух замещается снизу воздушными массами, лежащими вблизи поверхности земли в субтропиках (рис. 5.2). На П№ роте примерно 30° к северу и к югу от солнечного экватора массы прилегающего из тропиков воздуха, нагретого Солнцем и поднявшегося вверх, уже достаточно охлаждаются и начинают вновь опускаться к поверхности земли. Этот воздух относительно сухой, так как большая* часть содержавшейся в нем влаги успела сконденсироваться и выпасть в виде дождя над тропическими областями, где возникают эти воздушные течения. Его способность испарять и удерживать влагу возрастает по мере того, как он опускается вниз и нагревается. Когда этот воздух доходит до поверхности Земли в субтропических широтах и распространяется к северу и к югу, он забирает влагу от суши, создавая зоны засушливого климата.

Рис. 5.2. Упрощенная схема конвективных воздушных токов в атмосфере в тропический и субтропических широтах.

Конвективные токи в атмосфере, возникающие под действием солнечной энергии, перераспределяют тепло и влагу по поверхности Земли. В той области тропиков, где происходит поднятие масс нагретого воздуха, — в экваториальной штилевой полосе — выпадает очень много дождей. В отличие от этого опускающиеся воздушные массы забирают у земли влагу, которая переносится ветрами в другие места. Пассаты, постоянно дующие в сторону экватора с засушливых «конских широт»,, переносят захваченную по пути влагу в тропики.

Подобно тому как в тропиках нагретый воздух поднимается вверх, холодные массы воздуха над северной и южной полярными областями* опускаются вниз и перетекают по поверхности земли в сторону более низких широт. Когда эти холодные массы воздуха встречаются с нагретым воздухом, перемещающимся по умеренным широтам к полюсам теплый влажный воздух поднимается выше, чем более плотный воздух с полюсов, и охлаждается, что приводит к выпадению осадков.