объектов и систем — это динамические системы и могут быть отраже­ны только лишь динамическими моделями.

Второй этап моделирования — это математическая реали­зация логической структуры модели. С точки зрения техноло­гии применения математических методов можно выделить мо­дели аналитические и численные (компьютерские). Аналити­ческая модель — это построение теоретических концепций с применением строгого математического аппарата, обычно по­зволяющего вывести общую формульную зависимость. Ком­пьютерские модели П. М. Брусиловский, Г. С. Розенберг(1981) делят на имитационные и самоорганизующиеся.

Имитационные модели отражают представления иссле­дователя о взаимосвязях в экосистеме и как они реализуют­ся. Наилучшие результаты эти модели дают при составле­нии прогноза изменений в экосистеме. Самоорганизующие­ся модели относятся к классу регрессионных уравнений, в них широко используются вероятностно-статистические ме­тоды расчетов.

Третий этап моделирования предусматривает верифика­цию модели: проверку» соответствия модели оригиналу. На данном этапе необходимо удостовериться, что выбранная мо­дель отвечает второму требованию: адекватно отражает осо­бенности оригинала. Для этого может быть проведена эмпи­рическая проверка — сравнение полученных данных с резуль­татами наблюдений за оригиналом. Модель может быть при­знана высококачественной, если прогнозы оправдываются. При отсутствии эмпирических данных проводится теорети­ческая верификация — по теоретическим представлениям определяется область применения и прогностические возмож­ности модели.

Четвертый этап моделирования — это изучение модели, экспериментирование с моделью и экологическая интерпре­тация модельной информации. Основная цель этапа — выяв­ление новых закономерностей и исследование возможностей оптимизации структуры и управление поведением моделируе­мой системы, а также пригодность модели для прогнозирова­ния.

В экологии математические модели экосистем В. Д. Фе­доров и Т. Г. Гильманов (1980) предлагают разделить на мо­дели популяционного, биоценотического и экосистемного уров­ней. Популяционные модели описывают особенности отдель­ных популяций, отражают их свойства и внутренние законо­мерности: модели, позволяющие оценить динамику числен­ности и возрастного состава популяций в зависимости от ро­ждаемости и смертности, заданных как функции лишь от об­щей плотности и возрастного состава популяций. Модели био­ценотического уровня задаются как системы уравнений, отра­жающих динамику биоценоза как функцию плотностей состав­ляющих его популяций. Модели экосистемного уровня пред­ставляют собой системы уравнений, в число аргументов кото­рых включены как внутренние переменные состояния, так и внешние факторы воздействия и целостные свойства экоси­стем. Модели данного уровня учитывают и роль обратных свя­зей в функционировании систем.

При построении любой модели главная задача — создать модель достаточной полноты. Для этого необходимо стремить­ся учесть все существенные факторы влияющие на рассмат­риваемые явления; уделить специальное внимание наличию в ней противоречивых элементов, как одного из признаков полноты модели; учесть возможность появления неизвест­ных факторов, чтобы в случае необходимости дополнить мо­дель новым элементом.

Биология — одна из первых наук, в которой приоритетное значение приобрел системный подход в изучении природы, впервые в научной форме использованный Ч. Дарвином. Особенно широко используются системные идеи в экологии. На новую, более высокую ступень идеи системного подхода по­ставлены в учении В.. И. Вернадского о биосфере и ноосфере, где научному познанию предложен новый тип объектов — гло­бальные системы. Такой глобальной экосистемой и является биосфера, объединяющая на основе иерархического принципа все экосистемы Земли более низких уровней.

Контрольные вопросы

1. Что понимается под экосистемой?

2. Пищевые взаимоотношения организмов и трофическая структура экосистемы. Какие трофические системы явля­ются проводниками энергетических потоков в экосисте­мах?

3. Какое экологическое значение имеют продуцирование и разложение в природе?

4. В чем состоит экологическое значение принципа биологи­ческого накопления?

5. Что такое продуктивность экосистемы и уровни продуци­рования?

6. Что такое биомасса экосистемы и каковы экологические последствия ее нестабильности?

7. Как отражается трофическая структура экосистем эколо­гическими пирамидами численности? биомассы? продук­ции (энергии)?

8. Что такое цикличность экосистем, как и какими фактора­ми она обусловлена?

9. Что такое сукцессия и причины ее возникновения?

10. В чем сущность первичной и вторичной сукцессии? Эвтрофирование.

11. Что понимается под сукцессионной серией и как возника­ет климаксное сообщество?

12. Почему сообщество не может одновременно быть высо­костабильным и давать большой выход чистой продукции?

13. Что такое системная экология и на каких методах иссле­дования она базируется? Дайте характеристику основных системных принципов.

14. Какие типы моделей используются при экологическом моделировании? Уровни математических моделей экосис­тем.

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ*****************************************

Учение о биосфере

Биосфера — это среда нашей жизни, это та

при­рода, которая нас окружает, о которой мы

говорим в разговорном языке. Человек — прежде

всего — своим дыханием, проявлением своих

функций, нераз­рывно связан с этой «природой»,

хотя бы он жил в городе или в уединенном домике.

В. И. Вернадский

**********************************************************

Глава 6 биосфера — глобальная экосистема земли

§ 1. Биосфера как одна из оболочек Земли

Биосфера (греч. bios — жизнь, sphaira — шар, сфера) — сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным ком­понентом природной среды, окружающей человека.

Впервые термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались на­столько велики, что уже в первой трети XX в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании — уче­ние о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый В. И. Вернадский.

Земля и окружающая ее среда сформировалась в результа­те закономерного развития всей Солнечной системы. Около 4,7 млрд. лет назад из рассеяного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась планета Земля. Как и дру­гие планеты. Земля получает энергию от Солнца, достигаю­щую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло — одно из главных слагаемых климата Зем­ли, основа для развития многих геологических процессов. Ог­ромный тепловой поток исходит из глубин Земли.

По новейшим данным, масса Земли составляет 6∙10²¹ т, объ­ем — 1,083∙10¹² км³, площадь поверхности — 510,2 млн. км². Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей пла­неты ограничены.

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) — внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним — лито­сфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная обо­лочка Земли - биосфера.

Литосфера (греч. «литоc» — камень) — каменная оболоч­ка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы) (рис. 6.1). Земная кора сложена горными породами. Доля различных горных породе земной коре неодинакова — более 70% приходит­ся на базальты, граниты и другие магматические породы, око­ло 17% — на преобразованные давлением и высокой темпера­турой породы и лишь чуть больше 12% — на осадочные (табл. 6.1).

Земная кора — важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горю­чие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, пески, гра­вий и др.).

Рис. 6.1. Схема строения литосферы

Гидросфера (греч. «гидор» — вода) — водная оболочка Зем­ли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную.

Поверхностная гидросфера — водная оболочка поверхностной части Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Все эти воды постоянно или временно располагаются на зем­ной поверхности и носят название поверхностных.

Поверхностная гидросфера не образует сплошного слоя и прерывисто покрывает земную поверхность на 70,8%.

Подземная гидросфера — включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Их называют подземными. Свер­ху подземная гидросфера ограничена поверхностью земли, ниж­нюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры.

По отношению к объему земного шара общий объем гидро­сферы не превышает 0,13%. Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан (табл. 6.2). На долю под­земных вод приходится 23,4 млн. км², или 1,69% от общего объема гидросферы, остальное — воды рек, озер и ледников.

Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соле­ные воды океанов, морей и др. Общий объем пресных вод на Земле равен 28,25 млн. км³, или около 2% общего объема гид­росферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн. км³ воды, или всего лишь 0,3% объема гидросферы.

Гидросфера играет огромную роль в формировании при­родной среды нашей планеты. Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой, и т. д.).

Атмосфера (греч. «атмос» — пар) - газовая оболочка Зем­ли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пы­ли (табл. 6.3 по Н. Реймерсу, 1990). Общая масса атмосфе­ры — 5,15∙10¹⁵ т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом кон­центрации на высоте 20—25 км, расположен слой озона, защи­щающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов.

Атмосфера физически, химически и механически воздей­ствует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, дав­ления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воз­духа и является источником всех осадков. Атмосфера поддер­живает различные формы жизни на Земле.

В формировании природной среды Земли велика роль тро­посферы (нижний слой атмосферы до высоты 8—10 км в по­лярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических ши­ротах) и в меньшей степени стратосферы, области холодного разреженного сухого воздуха толщиной примерно 20 км. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее вы­брасывается вулканическая пыль, а в прошлом и продукты ядер­ных взрывов в атмосфере.

В тропосфере происходят глобальные вертикальные и го­ризонтальные перемещения воздушных масс, во многом опре­деляющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный пе­ренос пылевых частиц и загрязнений.

Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, про­исходящими в литосфере и водной оболочке.

К атмосферным явлениям относят: осадки, облака, туман, грозу, гололед, пыльную (песчаную) бурю, шквал, метель. Из­морозь, росу, иней, обледенение, полярное сияние и др.

Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодейству­ют между собой. Практически все поверхностные экзогенные геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере.

Биосфера — внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25—30 км (до озонового слоя), прак­тически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части био­сферы — воздуха, воды и горных пород и органического веще­ства — биоты обусловило формирование почв и осадочных по­род. Последние, по В. И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые гео­логические эпохи.