Тема 4. Устойчивость экосферы и механизмы ее поддержания.

Вопрос 1.Земля как глобальная экосистема

Земля как планета. Положение Земли в Солнечной системе, ее размеры, форма, особен­ности движения предопределяют несколько основных свойств планеты, в том числе ее геоэкологические особенности.

• Земля — относительно небольшая планета. Площадь ее поверх­ности составляет 510 млн км² , из них суша — 149 млн км² , а сво­бодная от ледников суша — 133 млн км². Ограниченность пространства и ресурсов, заключенных в этом пространстве, при возрастающей численности населения мира и росте его потребностей, приве­дет к неизбежности возникновения, рано или поздно, глобаль­ного геоэкологического кризиса.

• Главный источник энергии, необходимой для функционирова­ния экосферы Земли, — это Солнце. Позиция Земли по отношению к Солнцу оптимальна по сравнению с другими планетами: наша планета достаточно близка к Солнцу, чтобы получать от него не­обходимое количество энергии, определяющей почти все основ­ные процессы в экосфере. В то же время Земля не настолько приближена к Солнцу, чтобы получать избыточное количество энергии.

• Ось вращения Земли наклонена под углом 66°33' к плоскости эклиптики. Это обстоя­тельство обусловливает изменяющееся в течение года неравномер­ное распределение солнечной радиации по земной поверхности. Оно обеспечивает также раз­личную продолжительность светового дня и ее внутригодовую из­менчивость в зависимости от широты.

• Параметры движений Земли изменяются с определенной перио­дичностью. Среди многих периодов выделяются, например, вари­ации средней продолжительностью 92, 40 и 21-23 тыс. лет, свя­занные с закономерными изменениями параметров движений Земли (эксцентриситета орбиты, наклона оси вращения плане­ты к плоскости орбиты, прецессии равноденствия). Это приво­дит к периодичности изменений геоэкологической обстановки, таких как колебания климата, повышение или понижение уровня океана, развитие или сокращение оледене­ния и пр. Периодичность различной продолжительности — от­личительная особенность, многих природных явлений.

• Форма Земли не соответствует в точности какой-либо геомет­рической фигуре, но для текущих задач геоэкологии она может быть аппроксимирована как шар. Отсюда вытекают два важных следствия: закономерное из­менение от экватора к полюсам интенсивности солнечного излучения, что является основной причиной природной зональности и ландшафтного разнообразия; площадь тропической зоны существенно больше умеренной, а тем более полярной зоны, что определяет ее доминирующее участие в формировании глобальных экологических процессов.

Наиболее характерными особенностями любой сложной природной системы являются ее энергетическое и вещественное состояние и ре­жим. В этой связи важнейшими факторами, определяющими режим и эволюцию экосферы Земли, являются ее тепловой баланс и глобальные циклы вещества.

Главным источником энергии, которая необходима для функ­ционирования экосферы является энергия Солнца. Поток солнечной радиации составляет 5,49 х 10 Дж за год и почти не изменяется во времени, обеспечивая устойчивую энергетику таких основных процессов экос­феры, как, общая циркуляция атмосферы и океана, выветри­вание и денудация верхних горизонтов литосферы, глобальные биогео­химические циклы вещества, образование первичной биологической продукции и пр. В частности, затраты солнечной энергии на испарение воды с поверхности океанов и суши определяют один из основных ме­ханизмов системы — глобальный гидрологический цикл, или кругово­рот воды.

Заметим, что другой источник энергии экосферы — поток из недр Земли к ее поверхности. Солнечную энергию, приходящую к верхней границе атмосферы, постигают затем сложные преобразования, формирующие приходную и расходную части радиационного баланса.

Таким образом, с точки зрения энергетического баланса, экосфера — открытая система, поскольку она характеризуется свободным обменом энергией через ее границы. Несмотря на это приходные и расходные части энергетического баланса экосферы строго сбалансированы. Экосфеpa получает и теряет одинаковое количество энергии, что удерживает ее в относительно стабильном термическом состоянии. Долговременные изменения теплового баланса экосферы, как естественные, так и антро­погенные, весьма малы по сравнению с основными компонентами теп­лового баланса, но именно эти изменения определяют вековые глобаль­ные изменения климата. В различных зонах поверхности Земли приток радиации не соот­ветствует ее отдаче, так что радиационный баланс оказывается или по­ложительным, или отрицательным, в полном соответствии с основны­ми географическими закономерностями. Тепловое равновесие земной поверхности поддерживается межширотным обменом энергией посред­ством глобальной циркуляции атмосферы, а также и океана. Антропо­генные изменения теплового баланса в отдельных точках, или террито­риях (акваториях), могут вызывать изменения в циркуляции атмосфе­ры с соответствующими воздействиями на климат.

Что касается обмена веществом, то он также происходит через гра­ницы экосферы, но интенсивность обмена с внешней средой по сравнению с потоками ве­щества внутри системы ничтожно мала. Процессы обмена веществом внутри экосферы отличаются значительно большими размерами. Поэтому можно сказать, что с точки зрения геоэко­логии Земля и ее экосфера — это закрытые системы.

В закрытой системе неизбежно возникают циркуляционные дви­жения вещества, что и происходит на Земле. Это круговороты веще­ства, такие как большой («геологический») круговорот, объединяющий разрушение и снос горных пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения, круговорот воды, биогеохимические циклы хи­мических элементов, таких, например, как углерод, азот, фосфор, сера и др., общая циркуляция атмосферы, циркуляция вод океана. Все естественные глобальные круговороты вещества отличаются чрез­вычайно высокой степенью замкнутости.

Поэтому даже незначительные, но устой­чивые антропогенные воздействия могут приводить к существенным изменениям естественных круговоротов. Отсюда вытекает важнейшая роль деятельности человека в возникновении и усилении несбаланси­рованности круговоротов с серьезными последствиями глобальных раз­меров.

Таким образом, функционирование экосферы как глобальной экосистемы базируется на мощном и устойчивым при­током энергии извне и взаимосвязанными замкнутыми циклами вещества. При этом отличительная особенность естественных балансов энергии и веще­ства — высокая степень их сбалансированности.

В настоящее время становятся весьма заметными воздействия че­ловека как на энергетический баланс Земли, так и на глобальные циклы вещества. Медленная естественная эволюция экосферы была связана с малоинтенсивным потоком биогенных элементов, резко усилившимся в антропогенных системах, что привело к повы­шению неустойчивости экосферы. Под влиянием деятельности человека сред­няя скорость оборота вещества в экосфере многократно увеличивается относительно естественной и система становится разомкнутой, а следовательно, неустойчивой.

Все антропогенные экосистемы, даже самые высокоурожайные, пре­красно возделываемые поля и хорошо ухоженные парки отличаются высокой степенью незамкнутости. С этой точки зрения природно-антропогенные системы, такие как поля, сады, огороды, пастбища, лесные плантации, не говоря уже о городских системах, вносят все усиливаю­щуюся неустойчивость в состояние экосферы. Нарушения замкнутости как локальных систем, так и глобальных циклов приводят к серьезным геоэкологическим проблемам.