Экология - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.

Объектом исследований в экологии являются экологические системы (экосистемы), включающие взаимосвязанные и взаимодействующие компоненты: живые организмы, продукты их жизнедеятельности, объекты окружающей среды. Для того чтобы понять, как функционируют экологические системы, какие существуют взаимосвязи между отдельными группами организмов и факторами окружающей среды в настоящее время, используют специальную научную методологию. Речь идет о системном анализе, как базовом методе в экологии, основанном на исследовании связей между элементами экосистем. Под системой в данном случае, понимается вся совокупность элементов, находящихся в разнообразных взаимоотношениях друг с другом и образующих определенную целостность, т. е. структурно-функциональное единство.

К 30-м годам XX в. изучение живых систем, сообществ организмов, отдельных организмов и их частей позволило ученым сформулировать ключевые принципы системного мышления. Первый и наиболее общий принцип системного мышления заключается в переходе от изучения частей к изучению связей, объединяющих отдельные части в единое целое.

Для системного подхода чрезвычайно важны не только сами объекты исследований, но и сложнейшие сети взаимоотношений между ними, создающие целое (систему). В результате существования подобных взаимоотношений целое всегда больше суммы его частей.

Предметом экологии является структура связей между элементами экосистем - живыми организмами разного уровня организации (отдельные организмы, популяции, сообщества) - и средой их обитания.

Уровни организации живой материи.Живые организмы обладают рядом признаков, которые отсутствуют у неживых систем: единство химического состава - 98 % химического состава приходится на углерод, кислород, азот и водород;

обмен веществ и энергии - использование внешних источников энергии в виде пищи, света и пр. Основу обмена составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы синтеза (ассимиляции) и разрушения (диссимиляции) органических веществ;

самовоспроизведение и наследственность, в основе которых лежит способность к образованию новых биологических молекул и структур в организме в соответствии с наследственной информацией, содержащейся в дезоксирибонуклеиновых кислотах (ДНК).

Помимо указанных признаков живые организмы характеризуются изменчивостью, создающей разнообразный материал для отбора наиболее приспособленных организмов; способностью к росту и развитию, а также раздражимостью, т.е. ответной реакцией живых организмов на внешнее воздействие.

Для живой материи характерны различные уровни ее организации: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный - между которыми существует сложное иерархическое соподчинение. Рассмотрим основные характерные особенности указанных уровней организации живой материи.

Молекулярный уровень. Каждый организм, как бы сложно он ни был устроен, состоит из различных биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, жиров, углеводов и других важных органических веществ. На этом уровне проходит граница между живым и неживым, начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации и пр.

Клеточный уровень. Все организмы структурно состоят из клеток - элементарных структурных единиц, имеющих сходное строение. Клетки обладают всеми свойствами живой системы: они осуществляют обмен веществом и энергией, растут, размножаются, реагируют на внешние раздражители.

Организменный уровень. Элементарной единицей этого уровня является особь. Как бы ни различались организмы между собой, все они состоят из клеток, объединенных в ткани, из которых состоят органы. Организм представляет собой гораздо более сложную живую систему, которая способна активно поддерживать упорядоченность внутренних структур, реагировать на изменения окружающей среды и приспосабливаться к среде обитания.

Популяциоино-видовой уровень - совокупность однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания (т. е. организмы одного биологического вида). На этом уровне выделяются популяции - относительно изолированные группы организмов одного вида, занимающие определенную территорию.

Биогеоценотический или экосистемный уровень. Биогеоценоз -совокупность организмов разных видов и факторы среды их обитания. На этом уровне действуют законы межвидовых отношений. В результате взаимодействия биоценоза и окружающей среды образуется экологическая система {экосистема).

Биосферный уровень. Биосфера - совокупность всех экосистем (биогеоценозов) на планете Земля со всеми сложными связями и взаимоотношениями между составляющими их частями.

Основное содержание современной экологии - изучение количественных закономерностей взаимоотношений организмов друг с другом и окружающей средой на популяционном, биоценотическом и биосферном уровнях.

Основные задачи экологии.Их можно сформулировать следующим образом:

1) изучение общих закономерностей взаимодействия живых организмов между собой и окружающей средой;

2) исследование особенностей взаимодействия между популяциями организмов и различными типами биологических сообществ разных географических зон;

3) исследование закономерностей формирования и изменения структурно-функциональной организации сообществ и экосистем в процессе их исторического развития;

4) изучение пределов устойчивости природных экосистем и закономерностей их адаптации к антропогенному воздействию.

Наука экология подразделяется на общую и прикладную.

Общая экология - наука о наиболее общих закономерностях взаимоотношений организмов и их сообществ со средой обитания.Она включает в себя такие разделы, как экология особей (аутэкология), экология отдельных популяций (популяционная экология), учение об экосистемах (синэкология), учение о биосфере (глобальная экология). В настоящее время экология человека выделяется в самостоятельный раздел общей экологии, что связано со специфическими связями между человеком и средой его обитания. Социальная экология как составная часть экологии человека представляет собой комплекс научных отраслей, в которые входит изучение связи человека с природной и социальной средой его обитания.

Прикладная экология - раздел экологии, посвященный изучению процессов антропогенного влияния на природную среду и последствий этого влияния.К ней относятся инженерная и сельскохозяйственная экология; промысловая экология; медицинская экология; охрана природы; экологическая экономики природопользования.

Экология, как и всякая наука, имеет два аспекта. Первый -это стремление к познанию закономерностей развития природы, второй - применение полученных знаний для решения проблем, связанных с сохранением окружающей среды. Стремительное повышение значимости экологии в современной жизни объясняется тем, что ни один из практических вопросов природопользования (строительство новых промышленных объектов, разработка и использование природных ресурсов, сельскохозяйственное производство) нельзя правильно решить без учета и прогноза возможных негативных изменений существующих фундаментальных связей между живыми и неживыми компонентами природы. Только фундаментальные экологические знания могут обеспечить создание научной основы рациональной и экологически безопасной эксплуатации природных ресурсов. Пренебрежение законами, составляющими основу функционирования и сбалансированности естественных природных процессов в биосфере, приводит к серьезным, порой катастрофическим последствиям для природы и человека.

В качестве примера можно привести известный случай проявления так называемой болезни Минамата. В 50-е годы XX в. в японскую бухту Минамата в большом количестве сбрасывались сточные воды азотного завода, содержащие ионы ртути. Предполагалось, что разбавленные в морской воде стоки не будут представлять никакой опасности для человека и природы. Однако в морской бухте в результате жизнедеятельности микроорганизмов образовалось значительно более токсическое соединение - метилртуть, которое активно включалось в пищевые цепи «мелкие водные организмы - рыба - пища человека» с возрастанием концентрации метилртути в конечных звеньях (эффект биоаккумуляции). В результате при незначительной начальной концентрации ионов ртути в морской воде рыба, попадавшая на стол рыбакам, была уже отравлена метилртутью. И только гибель нескольких десятков и заболевание сотен людей заставили власти потребовать, чтобы фирма, сбрасывавшая в бухту стоки с ртутью, признала свою вину и выплатила компенсацию пострадавшим.

В истории развития экологии выделяют четыре этапа:

• накопление знаний о жизни организмов и взаимоотношениях растений и животных в окружающей их среде;

• создание экологического направления в границах ботанической географии и зоогеографии в первой половине XIX в.;

• формирование экологии растений и животных как науки об адаптации во второй половине XIX и в начале XX в.;

• становление экологии как общебиологической науки, объектом исследования которой являются экосистемы различных уровней, начиная с 30-х годов XX века.

Одновременно с развитием человеческого общества накапливались данные о разнообразии живых существ, обитающих на Земле, и взаимоотношениях растений и животных. Даже первобытные люди уже имели представление о животных, их поведении и образе жизни. Первые попытки обобщить имеющуюся информацию о различных живых организмах отражены в работах античных философов. Так, Аристотель описал свыше 500 видов животных и рассказал об их поведении, о зимней спячке рыб, перелетах птиц, строительной деятельности животных, паразитизме кукушки и т. д. Теофраст привел сведения о зависимости формы и особенностей роста растений от почвы и климата.

Великие географические открытия в эпоху Возрождения и колонизация новых территорий послужили толчком к развитию систематики, описанию растений и животных, их внешнего и внутреннего строения. В XVIII в. в зоологии и ботанике начали появляться элементы нового подхода к изучению организмов - их образ жизни изучали в природных условиях. Так, Ж. Бюффон изучал проблемы влияния внешних условий на строение животных. Ж.Б. Ламарк создал эволюционное учение, согласно которому прежде всего под влиянием внешних условий происходит эволюция животных и растений. В первой половине XVIII в. в работах С.П. Крашенинникова, И.И. Лепехина, П.С. Палласа и других русских географов и натуралистов указывалось на взаимосвязанные изменения климата, растительности и животного мира в разных частях России.

В начале XIX в. экологическое мышление продолжало развиваться, чему способствовало появление биогеографии. Профессор Московского университета К.Ф. Рулье (1814-1858 гг.) пропагандировал необходимость изучения и объяснения жизни животных их сложных взаимоотношений с окружающим миром. Труд его ученика Н.А. Северцева «Периодические явления в жизни зверей птиц и гадов Воронежской губернии» (1855 г.) был первым в России глубоким экологическим исследованием животного мира отдельного региона.

Большую роль в развитии естествознания, в частности экологии, сыграла книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород, в борьбе за жизнь», напечатанная в 1859 г., в которой показано, что «борьба за существование» в природе приводит к естественному отбору, т. е. является движущим фактором эволюции. Менее чем через 10 лет Э. Геккель первым в своей работе употребил термин «экология», который лишь к концу XIX в. вошел в научный оборот. Во второй половине XIX в. содержание экологии заключалось только в изучении образа жизни животных и растений и их адаптации к климатическим условиям. В 1877 г. К. Мёбиус обосновал представление о биоценозе как о закономерном сочетании организмов в определенных условиях среды.

В первой половине XX в. вопросами взаимоотношений живых организмов с окружающей средой занимались специалисты в области ботаники, зоологии, почвоведения, географии, палеонтологии, геохимии и др. Вместе с тем авторы работ в этих отраслях знаний не считали свои исследования относящимися к области экологии. В 1935 г. А. Тенсли ввел в научный оборот понятие «экосистема», а в 1942 г. В.Н. Сукачев обосновал понятие «биогеоценоз». В 1942 г. Р. Линдеман предложил основные методы расчета энергетического баланса экосистем, которые позволили ученым разных стран подсчитывать максимальную биопродуктивность всей планеты, т. е. природный фонд органического вещества, находящийся в распоряжении человечества, и максимально возможные нормы изъятия биопродукции для нужд растущего населения Земли.

На современном этапе развития экологии методологической основой исследований служит целостный, интегрированный подход на биосферном уровне, предложенный выдающимся русским ученым В.И. Вернадским. Этот подход ориентирован на изучение специфических характеристик сложных организованных объектов (систем), многообразия связей между элементами, их разнокачественности и соподчинения.

Благодаря развитию новой экосистемной экологии пришло четкое осознание того, сколь велика зависимость человеческого общества от состояния природы на нашей планете. Стало предельно ясно, что необходимо перестраивать экономику промышленно развитых стран с учетом экологических законов.

С середины XX в., человечество вступило в эпоху глобального экологического кризиса, который был обусловлен экспоненциальным ростом народонаселения Земли, истощением не возобновляемых природных ресурсов (в первую очередь энергоресурсов), некомпетентной экологической политикой правительств различных стран. Непродуманное, обусловленное только сиюминутными экономическими или политическими интересами вмешательство человека во все сферы природы значительно увеличило опасность необратимых негативных изменений в экосистемах. Так, в СССР в 80-х годах XX в. из-за нерационального использования воды рек Сыр-Дарья и Аму-Дарья уровень Аральского моря снизился на 15 м, объем воды при этом уменьшился на 50 %. В результате здесь практически прекратился рыбный промысел. Более того, за падением уровня воды в море последовали снижение уровня грунтовых вод в сухопутных районах Приаралья и гибель пойменных лесов, падение продуктивности кормовых угодий, обеднение видового состава животных и растений (из 180 видов обитавших здесь промысловых животных осталось только 30). В итоге непродуманной экологической политики исчез залив Кара-Богаз-Гол в Каспийском море, произошло исчезновение уникальных природных экосистем и резкое ухудшение (аридизация) климата прилегающих территорий.

Таким образом, игнорирование фундаментальных экологических законов функционирования и развития природных экосистем в процессе взаимодействия человека и природы может иметь катастрофические последствия, как для биосферы, так и для человека. Особую тревогу вызывают масштабы современных энергозатрат человечества. Так, по разным оценкам, за 1 год население Земли расходует энергетических ресурсов в 10 раз больше, чем их запасается за это же время в биосфере в результате процессов фотосинтеза.

Ниже приведены примеры негативного воздействия хозяйственной ной деятельности человека на природу.

1. Уменьшение биологического разнообразия. За последние 2000 лет существования человека было истреблено 106 видов животных, а за последние 300 лет - около 50 видов.

2. Сокращение лесной зоны, создающей основную массу кислорода в процессе фотосинтеза. Потребление атмосферного кислорода людьми в настоящее время составляет около 23 % ежегодной его выработки биосферой и скоро сравняется с ней. При этом основной источник кислорода на Земле - зеленый пояс лесов - катастрофически быстро уменьшается. Масштабы уничтожения лесов давно превзошли масштабы их воспроизводства в природе: площади лесов в Европе за последние 500 лет сократились в три раза; в процессе строительства трансконтинентальной дороги, пересекающей центральную часть Южной Америки, вырубаются тропические джунгли, являющиеся своеобразными «легкими» биосферы.

3. Изменение содержания различных газов в атмосфере Земли. За последние 150 лет в результате интенсивного использования в качестве топлива угля и нефти на 25 % возросла концентрация углекислого газа. Увеличение концентрации парниковых газов (водяного пара, углекислого газа, метана и пр.) привело к усилению парникового эффекта и глобальному потеплению климата, а через 50 лет может привести к повышению уровня Мирового океана на 1,0 м в результате таяния ледников Антарктиды, в результате чего окажутся затопленными многие прибрежные районы.

4. Загрязнение среды обитания (почвы, атмосферного воздуха, воды) токсическими веществами. Возрастает площадь земель, занятых промышленными отходами, и увеличивается загрязненность сельскохозяйственных продуктов различными токсикантами. Возрастает загрязненность атмосферного воздуха (в основном за счет выбросов промышленных предприятий и автомобильного транспорта), что приводит к росту заболеваний населения: аллергических, онкологических, верхних дыхательных путей. Выброс хлор-фторуглеродов (фреонов) в атмосферу, используемых в хладогенераторах, приводит к разрушению защитного озонового слоя Земли, увеличению интенсивности жесткого ультрафиолетового излучения, губительного для всего живого, росту онкологических заболеваний кожи.

Несмотря на катастрофические и порой необратимые процессы, развивающиеся в разных странах в сфере экологии, существуют и отдельные положительные тенденции. Так, в некоторых странах Европы и Америки успешно реализуются проекты по восстановлению разрушенных природных ландшафтов и земельных угодий, превращенных в техногенные свалки, очищаются водные экосистемы. Например, 40 лет назад река Темза была одной из самых грязных в Европе. В настоящее время в результате жестких законодательных мер эта река настолько очистилась, что в нее заходят лососи. В США в результате целенаправленной природоохранной политики практически прекратился процесс деградации экосистем Великих озер и во многих случаях восстановились исходные экологические сообщества.

В целях сохранения уникальных природных экосистем во многих странах, в том числе и в России, созданы национальные биосферные заповедники, успешно развиваются программы экологического образования учащихся начиная с начальных классов. Межгосударственными соглашениями регламентируются квоты добычи морепродуктов, выброс парниковых газов (углекислого газа, метана, оксида азота и пр.).

Во многих странах действует система норм природопользования и охраны окружающей среды, включающая, в частности, плату за пользование природными ресурсами, существенные тарифы за загрязнение, административную и уголовную ответственность за нанесение ущерба природным системам. Кроме того, важную роль играют общественные природоохранные движения и фонды экологического образования.

Среди многих нерешенных до сих пор глобальных проблем одной из главных является поддержание надежности функционирования природных экологических систем. Предотвратить необратимое катастрофическое изменение экологических систем можно лишь путем тщательного экологического планирования, обеспечивающего го сохранение естественного равновесия в природных комплексах в результате уменьшения антропогенной нагрузки.

Американский эколог Б. Коммонер в своей работе «Замыкающий круг» (1974) предложил в афористической форме ряд экологических положений, которые впоследствии стали называть законами экологии. Законы эти в основе своей известны, так как вытекают из общих законов сохранения вещества и энергии. Их соблюдение - обязательное условие любой деятельности человека, связанной с природой. Вот эти законы.

I. Все связано со всем.Воздействие на какую-либо часть экосисистемы может вызвать изменение в другой ее части, порой географически удаленной. В результате трансграничных атмосферных переносов загрязняющие вещества разносятся за тысячи километров от места их производства. Например, компоненты чрезвычайно опасного загрязняющего вещества ДДТ обнаружены в теле пингвинов в Антарктиде, такие токсические вещества, как полихлорированные бифенилы, - в печени рыб, обитающих в самых чистых районах Мирового океана.

II. Все должно куда-то деваться.Этот закон вытекает из закона сохранения материи и позволяет по-новому взглянуть на проблему образования отходов. Извлечение огромных количеств веществ из недр, сопровождается, как правило, десятикратным загрязнением окружающей среды. Так, в ходе получения 1 т металла образуется 10 т отходов пустой породы.

III. Природа знает лучше. Существующие природные экосистемы не следует изменять в целях их улучшения (поворачивать реки вспять, создавать новые моря в пустынях и т. д.), поскольку это может привести только к нарушению исторически сложившихся связей в экосистемах и общему ухудшению экологической ситуации.

IV. Ничто не дается даром (за все надо платить). Этот закон объединяет предыдущие три закона. Самое опасное, что, воздействуя на процессы функционирования природных экосистем, человек далеко не всегда может предвидеть результаты этого воздействия. Так, использование современных антиэкологических биотехнологий в животноводстве (скармливание коровам в виде костной муки отходов со скотобоен) привело к возникновению неизвестных ранее прионовых болезней (болезней бешенства коров) - принципиально нового типа заболеваний, вызванного патогенными белками.

Контрольные вопросы и задания

1. Что изучает наука экология и как она связана с охраной природы?

2. Основные задачи экологии.

3. В чем познавательное и прикладное значение экологии?

4. Охарактеризуйте «законы Коммонера» и сформулируйте их основное содержание.

СТРУКТУРА БИОСФЕРЫ

Каждая наука имеет свою область изучения. Для экологии это биосфера - сфера жизни, т. е. часть планеты, которая включает совокупность живых существ и в которой возможна жизнь.

Понятие биосферы было введено австрийским ученым Э. Зюссом в 1875 г. Стройное учение о биосфере было создано выдающимся русским ученым В.И. Вернадским. Основы этого учения были изложены в 1926 г. в книге «Биосфера», где рассмотрены свойства «живого вещества» и его функции в формировании современного облика Земли. В составе биосферы В.И. Вернадский выделил четыре ре основных типа разных, но взаимосвязанных веществ:

косное вещество - геологические образования, не созданные живыми организмами;

живое вещество - вся совокупность биологической массы живых организмов на Земле;

биокосное вещество - комплексы тесно взаимодействующих элементов живого и косного вещества, например почва;

биогенное вещество - геологические породы, созданные в результате жизнедеятельности живых существ (известняки, песчаники, железные руды, каменный уголь, нефть и т. п.).

Таким образом, по В.И. Вернадскому, биосфера представляет собой одну из геологических оболочек Земли, в которой происходит взаимодействие живого и косного вещества планеты.

Земля имеет форму геоида, сплюснутого у полюсов. Под влиянием гравитации Земля движется по орбите и вращается вокруг своей оси, от чего зависят земной год, смена времен года, дня и ночи и их длительность. Этим обусловливаются не только основные ритмы на нашей планете, но и ее термодинамика. Под влиянием притяжения Луны и Солнца происходят морские приливы и отливы, оказывающие прямое воздействие на формирование прибрежных морских экосистем.

Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, общая масса которой оставляет 5,27×10¹⁵ т, является довольно надежным экраном, защищающим жизнь от космического холода и от воздействия высокочастотных компонентов солнечной и космической радиации.

По химическому составу современная атмосфера состоит из 78,08 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,0324 % углекислого газа.

В стратосфере на высоте 15...30 км находится озоновый слой, где под воздействием высокочастотного ультрафиолетового излучения молекула кислорода (О₂) раскалывается на атомы, и в результате взаимодействия с молекулами кислорода образуется озон (О₃).Озоновый слой атмосферы играет очень важную роль при защите всего живого на Земле от губительного высокочастотного ультрафиолетового излучения.

Атмосферу подразделяют на: термосферу, стратосферу, тропопаузу, тропосферу. В состав биосферы входит лишь нижняя часть атмосферы - тропосфера, для которой характерно конвекционное движение воздуха. Верхняя граница тропосферы изменяется в течение года: летом она выше, зимой ниже. У полюсов верхняя граница тропосферы колеблется в диапазоне 8...10 км, у экватора - в диапазоне 16...18 км, в умеренных зонах - в диапазоне 9...12 км. Именно в тропосфере образуются облака и здесь сосредоточена основная масса водяного пара. Масса самой тропосферы составляет приблизительно 80 % массы всей атмосферы. Температура в тропосфере убывает с высотой (на 0,6 °С на каждые 100 м) и на верхней границе тропосферы достигает -50... -70 °С

Между тропосферой и стратосферой существует слой в 1 2 км (тропопауза), где господствуют очень сильные струйные воздушные потоки воздуха, перемещающиеся со скоростью 150...300 км/ч. В стратосфере (втором слое атмосферы) практически нет водяных паров, ее температура медленно поднимается, достигая на верхней границе среднегодового значения 0 °С.

Температура воздуха в нижних слоях тропосферы является показателем погоды (кратковременных метеорологических условий местности) и климата (устойчивых годовых циклов погодных условий). Важную роль в формировании погоды и климата играют термодинамически активные примеси (ТАП) - переменные составные части атмосферы, способные сильно влияют на состояние воздуха и распределение в атмосфере тепла.

Важнейшей ТАП является водяной пар, что обусловлено особыми свойствами воды, прежде всего высокой теплоемкостью и большой энергией парообразования и конденсации. Весь водяной пар в атмосфере обновляется в среднем за один год 33 раза или один раз в 11 дней. Водяной пар очень быстро конденсируется в капли при понижении температуры (облака, туман) или на частицах пыли (смог). Водяной пар и особенно сформировавшаяся облачность усиливают парниковый эффект, пропуская солнечную радиацию до поверхности Земли и поглощая низкочастотное тепловое инфракрасное излучение из нижних слоев атмосферы. К особым свойствам воды в атмосфере можно также отнести, то что осадкообразование идет быстрее, чем испарение, поэтому, как правило, насыщение атмосферы водяным паром не происходит. Исключение составляют некоторые местности в экваториальной зоне Земли. Таким образом, водяные облака и осадки - это особенности проявления погоды на Земле. От них в значительной мере зависит климат.

Другой важный компонент ТАП в атмосфере - углекислый газ, который, как и водяной пар, способствует парниковому эффекту. Кроме того, в воздухе иногда появляются аэрозоли и пылевые облака, которые рассеивают солнечную радиацию и понижают температуру поверхности Земли, если пыль попадает выше тропопаузы и, следовательно, медленно оседает. В целом по многолетним наблюдениям и расчетам среднегодовая температура воздуха у поверхности Земли в среднем составляет около 15 °С.

Следует отметить высокую стабильность газового состава атмосферы. Благодаря эффективному перемешиванию воздуха в результате естественных конвекционных процессов (до высоты приблизительно 100 км) газовый состав атмосферы достаточно однороден. Лишь выше 600 км (в верхней части термосферы) заметна утечка в космос наиболее легких газов - водорода и гелия. Если бы газовый состав не обновлялся, то весь газообразный водород исчез бы за 2000 лет, гелий - за 24 млн. лет.

Важнейшее значение для существования природных экосистем имеет теплообмен, происходящий между космическим пространством, атмосферой и поверхностью Земли, взаимодействующей с атмосферой.

Для поддержания своей постоянной температуры Земля должна отдавать в безвоздушное пространство столько же энергии, сколько получает ее от Солнца.

Атмосфера почти не прозрачна для инфракрасной радиации, которую она большей частью поглощает с помощью термодинамически активных примесей, прежде всего водяного пара и углекислого газа Основная часть тепла исходит от земной поверхности в основном в результате конденсации водяных паров. Таким образом, вода в атмосфере и океане играет важную роль аккумулятора тепла и, в свою очередь, обусловливает конвекционные процессы в атмосфере и гидросфере. Мировой океан ослабляет суточные и годовые колебания температуры атмосферы. При этом годовые амплитуды температуры над материками значительно больше, чем над океанами.

Разница в нагревании Солнцем различных областей Земли приводит к движению ее оболочек - океана и атмосферы. Таким образом, Земля представляет собой как бы тепловую машину: ее нагреватель - Солнце, а холодильник - холод безвоздушного пространства. При этом тепловая энергия преобразуется в механическую работу - движение воздушных масс, океанических течений и испарение воды с поверхности океана.

Движение атмосферы и океанических вод перераспределяет энергию, полученную от Солнца, благодаря чему создается более равномерный климат Земли. Наиболее крупными элементами тепловой машины являются тропические пояса Земли (нагревательный элемент с положительным бюджетом тепла) и высокоширотные области (холодильник с отрицательным тепловым бюджетом). Воздух, нагретый в тропиках, поднимается в верхние слои атмосферы, затем устремляется к полюсам и, охлаждаясь там, опускается и возвращается к экватору вдоль поверхности Земли. Вследствие вращения Земли эти ветры отклоняются в юго-западном направлении в Северном полушарии и в северо-восточном - в Южном полушарии. В результате этого на Земле существует зона постоянных ветров со скоростью 5...7,5 м/с (пассаты) между широтами 25° и 5° в каждом полушарии.

Кроме того, давление воздуха и система ветров зависят от разницы прогрева моря и суши. В холодное время года нагревателем в тепловой машине служат наиболее теплые области океана, а холодильником - материки. В теплое время года ситуация меняется, материк нагревается быстрее океана и служит нагревателем, а океан - холодильником. Исключение составляют лишь Антарктида и Гренландия, которые из-за мощного материкового оледенения круглый год выполняют функции холодильника. Например, в январе над Азией и Северной Америкой появляется область высокого давления, в то время как над океаном давление понижено. Муссонная циркуляция над Индийским океаном в зимнее время в значительной степени определяется областью высокого давления над Азией, которая вызывает юго-западные ветры. Этот поток сухого воздуха вызывает сильное испарение над сушей и смежным океаном. В июле ситуация меняется: теперь ветры дуют с Индийского океана на северо-восток, т. е. в сторону материка. Влажный океанический воздух, достигая теплого материка, приносит с собой обильные осадки, которые называются муссонными дождями.

Тропические ураганы или тайфуны, средняя ширина которых достигает нескольких сотен километров, а высота 6...15 км, также появляются в результате работы тепловых машин. Нагревателем служат наиболее теплые участки океана, а холодильником - все окружающее их пространство. Речь идет о весьма устойчивых образованиях, засасывающих колоссальные массы воды и движущихся со скоростью нескольких десятков километров в час. Движение тайфунов сопровождается сильными ливнями с расходом воды, близким или в несколько раз превышающим годовую норму.

Аналогичный механизм тепловой машины обусловливает морские течения. Движущей силой служит разница температур и плотности (солености) воды, дополняемая эффектом вращения Земли. Картина течений осложняется конфигурацией материков, а также рельефом морского дна. Наиболее известные морские течения - Гольфстрим и Куросио.

Закономерности образования влаги в атмосфере, процессы ее конденсации, формирования облаков и движение воздушных масс определяют характер распределения осадков над поверхностью континентов. Наибольшее количество осадков (2000...3000 мм) выпадает в экваториальной зоне, достигая максимальных значений (7000... 10 000 мм) в бассейне реки Амазонки, на островах Индонезии и в некоторых районах Индии. «Полюс дождливости» (12 000 мм) находится в Индии, в районе Черапунджи (2°3' с. ш. и 91°8' в. д.). Количество осадков в субтропиках и пустынных районах Северного полушария снижается до 250 мм, местами - до 100 мм.

Итак, атмосфера Земли, с одной стороны, защищает жизнь на Земле от космического холода и губительных высокочастотных ультрафиолетовых излучений, а с другой - включает в себя химические элементы, входящие в состав атмосферных газов, которые составляют важный биогеохимический резерв, необходимый при функционировании всех живых организмов.

Гидросфера, так же как и атмосфера, является важнейшей абиогенной оболочкой биосферы. В состав гидросферы, масса которой составляет около 1,46 • 10¹⁸ т, обычно включают всю воду Земли в жидкой и твердой фазах.

Основную часть гидросферы - 94 % всей ее массы - составляют соленые воды Мирового океана, включающие Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый океаны. Остальная вода сосредоточена в ледниках и снежном покрове, в водах рек и озерах в подземных водах.

Объем вод Мирового океана - 1,37 млн км , а площадь-361 млн км² (почти 71 % поверхности Земли). Средняя глубина Мирового океана - 3795 м, максимальная - 11023 м. Если бы поверхность Земли была гладкой, то океан затопил бы сушу и имел глубину. 2685 м, а его уровень был бы на 245 м выше современного.

В настоящее время средняя соленость морской воды составляет 35 г соли на 1 л воды, что очень близко к солености крови человека. Соленость Балтийского моря колеблется от 3 до 10 г/л. Самая соленая вода в Красном море - около 42 г/л.

Неравномерность нагрева поверхности Мирового океана и, следовательно, различная плотность вод, создают течения в океане (рис. 3.1). Наиболее мощные поверхностные течения тропической зоны океана приурочены к северу и югу от экватора -это пассатные течения (их скорость 50...70 см/с). Они создаются постоянно дующими мощными ветрами - пассатами (северный пассат - с северо-востока на юго-запад, южный - с юго-востока на северо-запад).

Там, где пассатные течения упираются в материки, они поворачивают и несут тропическое тепло в умеренные, иногда даже в полярные, климатические зоны Земли. Согласно действию Кориолисовых сил морские течения в Северном полушарии отклоняются вправо, а в Южном - влево. Основные теплые течения, отходящие от пассатных течений: в северной части Атлантического океана - Гольфстрим, в южной части - Бразильское течение; в Тихом океане - Куросио, аналог Гольфстрима. В Северном полушарии теплые течения заходят за полярный круг, а в Южном доходят лишь до 35° южной широты.

Западные воды тропической части Мирового океана являются наиболее теплыми и здесь формируются такие уникальные высокопродуктивные экосистемы, как коралловые рифы и острова (атоллы), в этих же частях, как правило, зарождаются и тропические циклоны (тайфуны, ураганы).

Пресные воды Земли - важнейшая для человека и высших животных часть гидросферы. В общем объеме гидросферы доля пресных вод составляет всего 6 %, из которых на долю подземных вол приходится около 4 %, а на льды покровных оледенений – около 2 %. Используемая человеком и вообще живыми организмами пресная вода в жидкой фазе (вода рек и озер) составляет