Экология как наука - Иркутский государственный медицинский
реклама
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию (ГОУ ВПО ИГМУ Росздрава) Илларионова Е.А., Сыроватский И.П. Учебное пособие по основам экологии и охраны природы для студентов фармацевтического факультета Раздел: ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКОЛОГИИ. ЭКОСИСТЕМА. БИОСФЕРА, ГИДРОСФЕРА, АТМОСФЕРА, ЛИТОСФЕРА Иркутск – 2008 Авторы учебного пособия для студентов фармацевтического факультета «Экология как наука. Современное состояние экологии. Экосистема. Биосфера, гидросфера, атмосфера, литосфера»: доктор химических наук, профессор кафедры фармацевтической и токсикологической химии Иркутского государственного медицинского университета Илларионова Елена Анатольевна; кандидат фармацевтических наук, доцент кафедры фармацевтической и токсикологической химии Иркутского государственного медицинского университета Сыроватский Игорь Петрович. Рецензенты: доктор фармацевтических наук, профессор кафедры управления и экономики фармации Иркутского государственного медицинского университета Геллер Лев Николаевич; кандидат фармацевтических фармакогнозии с курсом наук, ботаники ст. преподаватель Иркутского кафедры государственного медицинского университета Мирович Вера Михайловна. Учебное пособие обсуждено на методическом совете фармацевтического факультета ИГМУ, рекомендовано к печати и использованию в учебном процессе на кафедре фармацевтической и токсикологической химии Центральным Координационным методическим советом Иркутского государственного медицинского университета, протокол № 2 от 20.09.2008 г. 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................. 4 ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКОЛОГИИ 5 ЭКОСИСТЕМА ................................................................................................. 24 БИОСФЕРА ....................................................................................................... 26 АТМОСФЕРА .................................................................................................... 29 ГИДРОСФЕРА .................................................................................................. 40 ЛИТОСФЕРА..................................................................................................... 53 ТЕСТЫ................................................................................................................ 57 ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................... 73 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие охватывает раздел общей экологии, касающийся общих вопросов экологии. В методическом пособии изложены вопросы современного состояния экологии, основная терминология, понятие об экосистемах. В пособии рассматриваются вопросы состава, структуры и функции биосферы, атмосферы, литосферы и гидросферы. Для контроля знаний студентов в пособие включены тесты по данному разделу программы. Пособие составлено в соответствии с программой по основам экологии и охраны природы (2004г.) для студентов 4 курса фармацевтического факультета. 4 ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКОЛОГИИ Природа представляет собой достаточно устойчивую и организованную систему, исторически сложившуюся в процессе эволюции органического мира, в которой каждый вид растений и животных занимает определенное место. взаимоотношения, Между нередко организмами возникают конкурентные, сложные определяющие пространственное распределение видов и численность особей. На распределение организмов большое влияние оказывают физические условия среды (температура, свет, влажность, смена погоды, состав почвы и др.). Экология - наука о взаимоотношениях организмов между собой, а также между организмами и средой обитания (греч. “ойкос” - жилище, “логос” - наука). Экология раскрывает конкретные взаимоотношения между популяциями разных видов в природе, между организмами и окружающей средой, исследует взаимоотношения между организмами в обществе (численность, строение, жизнедеятельность, поведение). Среда обитания представляет собой сложный комплекс разных элементов, взаимодействующих с организмами. Отдельные элементы среды называют экологическими факторами. Среди них различают три разные по своей природе группы факторов: абиотические факторы - все компоненты живой природы (температура, свет, влажность и т.п.), а также состав водной, воздушной и почвенной среды; биотические факторы - взаимодействия между особями в популяциях, между популяциями в природных сообществах; антропогенный фактор - вся разнообразная деятельность человека, приводящая к изменению природы как среды 5 обитания видов растений и животных или непосредственно оказывающая влияние на их жизнь. Каждый вид в процессе эволюции приспособляется к определенной интенсивности экологических факторов и амплитуде их колебаний и в свою очередь сам воздействует на окружающую среду. Приспособление к изменяющимся условиям среды происходит в результате естественного отбора: у организмов вырабатываются те или иные морфологические и физиологические особенности, позволяющие существовать именно в этих и ни в каких других условиях среды. Интенсивность фактора, наиболее благоприятную для жизнедеятельности организма, называют оптимальной (или оптимумом). Границы, за которыми существование организма невозможно, называют нижним и верхним пределами выносливости, т.е. чем больше отклонений от оптимума, тем хуже для организма. Оптимум для различных организмов разный, поскольку разные виды обладают неодинаковой нормой реакции в отношении факторов среды. Оптимум и границы выносливости по отношению к одному из факторов среды зависят от уровня других. Если же количественное значение хотя бы одного из факторов выходит за пределы выносливости, то существование вида становится невозможным, как бы ни были благоприятны остальные условия. Такие факторы, выходящие за границы максимума или минимума, называются ограничивающими. Например, распространение многих животных и растений к северу обычно ограничивает недостаток тепла, тогда как на юге ограничивающим фактором для тех или иных видов может быть недостаток влаги или необходимой пищи. Температура, свет и влажность являются наиболее важными факторами внешней среды. Эти факторы закономерно изменяются как в течение года и суток, так и в связи с географической зональностью. К этим факторам организмы обнаруживают зональный и сезонный характер приспособления. Солнечное излучение 6 является основным источником энергии для всех процессов, происходящих на Земле. В спектре солнечного излучения можно выделить три области, различные по биологическому действию: ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,290 мкм губительны для всего живого, но они задерживаются озоновым слоем атмосферы. До поверхности Земли доходит лишь небольшая часть более длинных ультрафиолетовых лучей (0,300 - 0,400 мкм). Они составляют около 10% лучистой энергии. Эти лучи обладают высокой химической активностью - при большой дозе могут повреждать живые организмы. В небольших количествах, однако, они необходимы, например, человеку: под влиянием этих лучей в организме человека образуется витамин Д, а насекомые зрительно различают эти лучи, т.е. видят в ультрафиолетовом свете. Они могут ориентироваться по поляризованному свету. Видимые лучи с длиной волны от 0,400 до 0,750 мкм (на их долю приходится большая часть энергии - 45% - солнечного излучения), достигающие поверхности Земли, имеют особенно большое значение для организмов. Зеленые растения за счет этого излучения синтезируют органическое вещество (осуществляют фотосинтез), которое используют в пищу все остальные организмы. Для большинства растений и животных видимый свет является одним из важных факторов среды, хотя есть и такие, для которых существования свет (почвенные, не является пещерные обязательным и условием глубоководные виды приспособлены к жизни в темноте). Большинство животных способны различать спектральный состав света - обладают цветовым зрением, а у растений цветки имеют яркую окраску для привлечения насекомыхопылителей. Инфракрасные лучи с длиной волны более 0,750 мкм глаз человека не воспринимает, но они являются источником тепловой энергии (45% лучистой энергии). Эти лучи поглощаются тканями животных и растений, 7 вследствие чего ткани нагреваются. Многие хладнокровные животные (ящерицы, змеи, насекомые) используют солнечный свет для повышения температуры тела (некоторые змеи и ящерицы являются экологически теплокровными животными). Световые условия, связанные с вращением Земли, имеют отчетливую суточную и сезонную периодичность. Почти все физиологические процессы у растений и животных имеют суточный ритм с максимумом и минимумом в определенные часы: например, в определенные часы суток цветок у растений открывается и закрывается, а у животных возникли приспособления к ночной и дневной жизни. Длина дня (или фотопериод), имеет огромное значение в жизни растений и животных. Растения, в зависимости от условий обитания, адаптируются к тени - теневыносливые растения или, напротив, к солнцу - светолюбивые растения (к примеру, хлебные злаки). Однако сильное яркое солнце (яркость выше оптимальной) подавляет фотосинтез, поэтому в тропиках трудно получить высокий урожай культур, богатых белком. В умеренных зонах (выше и ниже экватора) цикл развития растений и животных приурочен к сезонам года: подготовка к изменению температурных условий осуществляется на основе сигнала – изменения длины дня, которая в определенное время года в данном месте всегда одинакова. В результате этого сигнала включаются физиологические процессы, приводящие к росту, цветению растений весной, плодоношению летом и сбрасыванию листьев осенью; у животных - к линьке, накоплению жира, миграции, размножению у птиц и млекопитающих, наступлению стадии покоя у насекомых. Изменение длины дня животные воспринимают с помощью органов зрения, а растения - с помощью специальных пигментов, расположенных в листьях растений. Раздражения воспринимаются с помощью рецепторов, вследствие чего происходит ряд биохимических реакций (активация ферментов или выделение гормонов), а затем проявляются физиологические или поведенческие реакции. Изучение 8 фотопериодизма растений и животных показало, что реакция организмов на свет основана не просто на количестве получаемого света, а на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Организмы способны измерять время, т.е. обладают “биологическими часами” - от одноклеточных до человека. “Биологические часы” также управляются сезонными циклами и другими биологическими явлениями. “Биологические часы” определяют суточный ритм активности как целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности клеточных делений. Все химические процессы, протекающие в организме, зависят от температуры. Изменения тепловых условий, часто наблюдаемые в природе, глубоко отражаются на росте, развитии и других проявлениях жизнедеятельности животных и растений. Различают организмы с непостоянной температурой тела - пойкилотермные и организмы с постоянной температурой тела гомойтермные. Пойкилотермные животные целиком зависят от температуры окружающей среды, тогда как гомойтермные способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от изменений температуры окружающей среды. Подавляющее большинство наземных растений и животных в состоянии активной жизнедеятельности не переносит отрицательной температуры и погибает. Верхний температурный предел жизни неодинаков для разных видов - редко выше 40-45оС. Некоторые цианобактерии и бактерии обитают при температурах 70-90оС, в горячих источниках могут жить и некоторые моллюски (до 53оС). Для большинства наземных животных и растений оптимум температурных условий колеблется в довольно узких пределах (15-30оС). Верхний порог свертывания температуры белков, поскольку жизни определяется необратимое температурой свертывание белков (нарушение структуры белков) возникает при температуре около 60oС. 9 Пойкилотермные организмы в процессе эволюции выработали различные приспособления к изменяющимся температурным условиям среды. Главным источником поступления тепловой энергии у пойкилотермных животных - внешнее тепло. У пойкилотермных организмов выработались различные приспособления к низкой температуре. Некоторые животные, например, арктические рыбы, обитающие постоянно при температуре 1,8oС, содержат в тканевой жидкости вещества (гликопротеиды), препятствующие образованию кристаллов льда в организме; у насекомых накапливается для этих целей глицерин. Другие животные, наоборот, увеличивают теплопродукцию организма за счет активного сокращения мускулатуры - так они повышают температуру тела на несколько градусов. Третьи регулируют свой теплообмен за счет обмена тепла между сосудами кровеносной системы: сосуды, выходящие из мышц, тесно соприкасаются с сосудами, идущими от кожи и несущими охлажденную кровь (такое явление свойственно холодноводным рыбам). Адаптивное поведение проявляется в том, что многие насекомые, рептилии и амфибии выбирают места на солнце для обогрева или меняют различные позы для увеличения поверхности обогрева. У ряда холоднокровных животных температура тела может меняться в зависимости от физиологического состояния: к примеру, у летающих насекомых внутренняя температура тела может подниматься на 10-12oС и более вследствие усиленной работы мышц. У общественных насекомых, особенно у пчел, развился эффективный способ поддержания температуры путем коллективной терморегуляции (в улье может поддерживаться температура 34-35oС, необходимая для развития личинок). Пойкилотермные животные способны приспосабливаться и к высоким температурам. Это происходит также разными способами: теплоотдача может происходить за счет испарения влаги с поверхности тела или со слизистой верхних дыхательных путей, а также за счет подкожной сосудистой регуляции (например, у ящериц скорость тока 10 крови по сосудам кожи увеличивается при повышении температуры). Наиболее совершенная терморегуляция наблюдается у птиц и млекопитающих - гомойтермных животных. В процессе эволюции они приобрели способность поддерживать постоянную температуру тела благодаря наличию четырехкамерного сердца и одной дуги аорты, что обеспечило полное разделение артериального и венозного кровотока; высокого обмена веществ; перьевого или волосяного покрова; регуляции теплоотдачи; хорошо развитой нервной системы приобрели способность к активной жизни при разной температуре. У большинства птиц температура тела несколько выше 40oС, а у млекопитающих - несколько ниже. Весьма важное значение для животных имеет не только способность к терморегуляции, но и адаптивное поведение, постройка специальных убежищ и гнезд, выбор места с более благоприятной температурой и т.п. Они также несколькими способны путями: приспосабливаться кроме перьевого к низким или температурам волосяного покрова, теплокровные животные с помощью дрожи (микросокращения внешне неподвижных мышц) уменьшают теплопотери; при окислении бурой жировой ткани у млекопитающих образуется дополнительная энергия, поддерживающая обмен веществ. Приспособление теплокровных к высоким температурам во многом сходно с аналогичными приспособлениями холоднокровных: потоотделение и испарение воды со слизистой рта и верхних дыхательных путей (у птиц - только последний способ, так как у них нет потовых желез); расширение кровеносных сосудов, расположенных близко к поверхности кожи, что усиливает теплоотдачу (у птиц этот процесс протекает в неоперенных участках тела, например через гребень). Температура, как и световой режим, от которого она зависит, закономерно меняется в течение года и в связи с географической широтой. Поэтому все приспособления более важны для обитания при отрицательных температурах. 11 Вода играет исключительную роль в жизни любого организма, поскольку она является структурным компонентом клетки (на долю воды приходится 60-80% массы клетки). Значение воды в жизни клетки определяется ее физико-химическими свойствами. Вследствие полярности молекула воды способна притягиваться к любым другим молекулам, образуя гидраты, т.е. является растворителем. Многие химические реакции могут протекать происходить только в присутствии воды. Вода является в живых системах “тепловым буфером”, поглощая тепло при переходе из жидкого состояния в газообразное, тем самым, предохраняя неустойчивые структуры клетки от повреждения при кратковременном освобождении тепловой энергии. В связи с этим она производит охлаждающий эффект при испарении с поверхности и регулирует температуру тела. Теплопроводные свойства воды определяют ее ведущую роль терморегулятора климата в природе. Вода медленно нагревается и медленно охлаждается: летом и днем вода морей океанов и озер нагревается, а ночью и зимой также медленно охлаждается. Между водой и воздухом происходит постоянный обмен углекислым газом. Кроме того, вода выполняет транспортную функцию, перемещая вещества почвы сверху вниз и обратно. Роль влажности для наземных организмов обусловлена тем, что осадки распределяются на земной поверхности в течение года неравномерно. В засушливых районах (степи, пустыни) растения добывают себе воду с помощью сильно развитой корневой системы, иногда очень длинных корней (у верблюжьей колючки - до 16 м), достигающих влажного слоя. Высокое осмотическое давление клеточного сока (до 60-80 атм.), увеличивающее сосущую силу корней, способствует удержанию воды в тканях. В сухую погоду растения снижают испарение воды: у пустынных растений утолщаются покровные ткани листа, либо на поверхности листьев развивается восковой слой или густое опушение. Ряд 12 растений достигает снижения влаги уменьшением листовой пластинки (листья превращаются в колючки, часто растения полностью теряют листья - саксаул, тамариск и др.) Многие животные пустынь способны обходиться без питьевой воды; некоторые быстро и долго могут бегать, совершая длинные миграции на водопой (сайгаки, антилопы, верблюды и др.); часть животных добывает воду из пищи (насекомые, пресмыкающиеся, грызуны). Жировые отложения пустынных животных могут служить своеобразным резервом воды в организме: при окислении жиров образуется вода (отложения жира в горбе верблюдов или подкожные отложения жира у грызунов). Малопроницаемые покровы кожи (например, у пресмыкающихся) защищают животных от потери влаги. Многие животные перешли к ночному образу жизни или скрываются в норах, избегая иссушающего действия низкой влажности и перегрева. В условиях периодической сухости ряд растений и животных переходят в состояние физиологического покоя - растения приостанавливают рост и сбрасывают листья, животные впадают в спячку. Эти процессы сопровождаются пониженным обменом веществ в период сухости. Сезонная периодичность наиболее выражена в умеренных и северных широтах, поскольку особенно зависит от годового хода температуры. В основе сезонных явлений лежат приспособительные реакции организмов ритмического характера. Организмы постепенно готовятся к понижению температуры (холодное закаливание). К наступлению неблагоприятных условий животные и растения готовятся заранее. У формируются, например, зимующие почки, одревесневают растений побеги, опадают листья, питательные вещества оттекают в стебли и корни. У птиц и млекопитающих начинается осенняя линька, многие отлетают к югу, исчезают насекомые и другие беспозвоночные (одни прячутся, другие погибают). Зимой значительно снижен обмен веществ, в тканях 13 запасаются питательные вещества; у растений уменьшается количество влаги в тканях, особенно в семенах и зимних почках, и увеличивается содержание веществ, повышающих устойчивость к замерзанию (препятствуют образованию в клетках кристаллов льда). У насекомых зимой в организме образуется глицерин, препятствующий их промерзанию. К примеру, тканевая жидкость куколки бабочки-капустницы замерзает при температуре ниже -20-25oС, а личинка короеда-заболотника - при -53oС. Глубокое охлаждение вызывает временную обратимую остановку жизни, называемую анабиозом. Животные, которым зимой недостаточно пищи, впадают в спячку - летучие мыши, многие грызуны, барсуки, медведи. Спячка сходна с летним покоем холоднокровных организмов. При спячке также резко снижаются все обменные процессы. Одни насекомые зимуют в стадии куколки (бабочка-капустница), другие в стадии яйца (тутовый шелкопряд), третьи - в стадии взрослого насекомого (малярийный комар, бабочка-крапивница). Для водных организмов весьма важно содержание различных минеральных веществ в воде и их концентрация. По содержанию солей (г/л) выделяют 4 группы природных вод: пресные воды - до 0,5; солоноватые воды - 0,5 - 30; соленые воды - 30 - 40; рассолы - свыше 40.Концентрация и состав солей оказывают большое влияние на распространение и численность организмов в воде. Пресноводные животные в целом имеют более высокое осмотическое давление в клетках по отношению к окружающей их среде, поэтому вода поступает в их организмы через покровы постоянно. Простейшие излишки воды удаляют с помощью пульсирующих (сократительных) вакуолей, у многоклеточных для удаления излишка воды служат органы выделения. Некоторые рыбы, например угорь, может обитать как в пресной, так и в морской среде. В реках, прудах и озерах с повышением кислотности воды видовое разнообразие уменьшается. При повышенной кислотности нарушаются процессы осморегуляции, 14 изменяется работа ферментных систем, газообмен и пр. Кислород необходим для жизнедеятельности подавляющего числа живых организмов. В воздухе в среднем содержится 21% кислорода (по объему), а в воде - не более 1%. С повышением высоты над уровнем моря содержание кислорода в воздухе уменьшается соответственно снижению атмосферного давления. В высокогорных областях содержание кислорода в воздухе служит границей распространения многих видов животных. У водных животных развиваются различные приспособления для обеспечения потребности в кислороде: одни создают постоянный ток воды (например, рыбы за счет движения жаберных крышек); другие имеют разнообразные выросты для увеличения поверхности газообмена (ряд ракообразных); третьи поднимаются к поверхности и заглатывают воздух (тритоны, некоторые рыбы, киты, дельфины и др.). В растения кислород поступает через устьица в листьях, а в корни - за счет диффузии из почвы. У части растений образуются Паразитические дыхательные организмы корни получают (например, кислород за у счет орхидей). распада органических веществ. Магнитное поле Земли оказывает постоянное влияние на живые организмы. Чем выше широта, тем выше напряженность магнитного поля. Кратковременные нарушения магнитного поля (“магнитные бури”) возникают при изменении интенсивности потока частиц, идущих от Солнца (“солнечного ветра”). Поэтому магнитное поле может резко меняться в течение суток, что вызывает в свою очередь серьезные нарушения в функционировании сердечно-сосудистой и нервной системы человека. Растения также реагируют на магнитное поле Земли: главные корни растут вниз (положительный геотропизм), а стебель ориентирован к Солнцу (положительный гелиотропизм или отрицательный геотропизм). Птицы при перелетах ориентируются по магнитному полю. Под влиянием магнитного поля протекала вся эволюция органического мира. Живые 15 организмы в природе находятся в тесном взаимодействии и распределяются не случайно: они всегда образуют определенные, сравнительно постоянные комплексы - сообщества. Сообщества состоят из организмов, сходных по своим потребностям к пище; формирование сообществ определяется конкретными физическими условиями мест обитания, а также тесной зависимостью друг от друга. Функциональная система, включающая в себя сообщество живых существ и их среду обитания, называется экологической системой (или экосистемой). В такой системе связи между ее компонентами возникают, прежде всего, на пищевой основе и основе способов получения энергии. По способу питания, получения и использования энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные. В некоторые экосистемы (к примеру, почвенные) входят часто анаэробные микроорганизмы. В процессе питания аэробные гетеротрофы разлагают органическое вещество до углекислоты, воды и минеральных солей, которые в свою очередь могут быть использованы повторно автотрофами. В природе формируется непрерывный круговорот биогенных веществ: автотрофы извлекают необходимые для жизни химические вещества из окружающей среды и через ряд гетеротрофов они вновь в нее возвращаются. Все процессы осуществляются за счет притока энергии извне - лучистая энергия Солнца является источником этой энергии. Поэтому системы, получающие энергию от Солнца, называются открытыми. Круговорот веществ возник в процессе эволюции, что является непременным условием существования жизни. Световая энергия Солнца трансформируется организмами в другие формы: в химическую, механическую и, наконец, в тепловую. В соответствии с законами термодинамики такие превращения всегда сопровождаются рассеиванием части энергии в форме тепла. В экологических системах в процессе эволюции сложились цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и 16 энергию из исходного пищевого вещества. В пищевой цепи зеленые растения - это те организмы, которые создают начальное органическое вещество, используя энергию Солнца. Лишь только около 1% энергии, падающей на растения, превращается в потенциальную энергию химических связей синтезированных органических веществ и может быть использовано в дальнейшем при питании гетеротрофными организмами. При потреблении этой пищи животными организмами только 5-20% энергии пищи переходит во вновь построенное тело животного, остальная часть энергии, содержащейся в зеленом растении, расходуется на различные процессы жизнедеятельности животного, превращаясь в тепло и рассеиваясь. При поедании травоядного животного хищником часть накопленной энергии также расходуется. Вследствие потери полезной энергии цепи питания не могут быть очень длинными, чаще такая цепь состоит из 3-5 звеньев (пищевых уровней). Поэтому на каждом последующем уровне количество образующегося органического вещества резко уменьшается из-за потери энергии. Можно привести простой расчет: если принять за основу (округленно), что в вещество тела животного переходит в среднем 10% энергии съеденной пищи, то за счет 1 т растительной массы может образоваться 100 кг массы хищника. В действительности эти цифры могут быть и иными, поскольку коэффициент использования энергии неодинаков у разных видов. Выявляется четкая закономерность, называемая правилом экологической пирамиды: количество растительного вещества в несколько раз больше, чем общая масса растительноядных животных, а масса каждого последующего звена пищевой цепи также прогрессивно уменьшается. Различают несколько категорий “экологических пирамид”: пирамида чисел отражает число особей на каждом уровне пищевой цепи; пирамида биомассы – количество органического вещества (биомассу) на каждом уровне; пирамида энергии - количество энергии в пище. Все эти категории, 17 различаясь по направленность. абсолютным Пищевые значениям, связи в имеют экосистеме одинаковую не являются прямолинейными, так как компоненты экосистемы находятся между собой в сложных взаимодействиях. Между организмами возникают самые разные типы взаимоотношений, определяемые местом обитания. Каждый организм занимает свою экологическую нишу, зависящую от морфологической приспособленности организма, его физиологического состояния и поведения. Если популяции являются антагонистами в борьбе за пищу, место обитания и другие, необходимые для жизни факторы, то их отношения называют конкуренцией. В случае, когда одна популяция не испытывает влияния другой, т.е. между ними нет взаимодействия, то такая ситуация называется нейтрализмом. Например, белки и лоси в одном лесу не контактируют между собой. В природе возникают ситуации, когда один вид наносит ущерб другому, но в то же время не может существовать без него. Такой тип взаимоотношений называют либо паразитизмом (когда представители какого-либо вида обитают внутри или на поверхности другого - например, паразитические черви, обитающие внутри млекопитающих и человека), либо хищничеством (когда представители одного вида ловят и поедают представителей другого - например, отношения между волками и грызунами и др.). Симбиоз - сожительство (от греч. “син” - вместе, “биос” - жизнь) представляет такую форму взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них извлекает пользу от другого. Симбиоз - понятие широкое и включает много разных вариантов отношений между видами. Если присутствие одной популяции благоприятно для другой, но не является необходимым условием существования, то такие отношения носят характер протокооперации (на панцирях многих ракообразных обитают различные кишечнополостные, которые получают пищу, когда его хозяин 18 ловит и поедает других животных, однако они могут существовать и раздельно). Протокооперацию можно в определенном смысле отнести к симбиозу. Существуют и другие формы симбиоза: мутуализм, комменсализм и даже паразитизм. В случае, когда оба вида извлекают выгоду из совместного существования и не могут жить самостоятельно, то такая ассоциация являются термиты, называется в мутуализмом. кишечнике которых Примером мутуализма обитают жгутиковые (простейшие), имеющие ферменты для разложения древесины, которой питаются термиты. Формирование мутуализма проходит через несколько стадий: сначала ассоциация носит характер комменсализма (т.е. такой тип взаимоотношений, когда один из двух совместно обитающих видов комменсал - извлекает пользу из совместного существования, не причиняя, однако, вреда другому виду), а затем через фазу протокооперации отношения в ассоциации переходят в мутуализм. Комменсализм широко представлен в океане, где практически в каждой норе, вырытой червем, и в каждой раковине обитают гости, использующие убежище хозяина и не приносящие ему ни пользы, ни вреда. Микориза представляет собой симбиоз, в котором может проявляться и паразитизм: или гриб в какой-то период начинает питаться соками корня и повреждает его, или клетка корня, выделяя ферменты, разрушают гриб-симбионт. Рыбы-лоцманы, следующие за акулами, черепахами, дельфинами, кормятся остатками пищи этих животных, а также их экскрементами и паразитами. Такие отношения между видами называют нахлебничеством (один из вариантов комменсализма). Другая форма комменсализма получила название квартиранства: в полости голотурии “морского огурца” находят убежище разнообразные мелкие виды животных. Растения - эпифиты (от греч. “эпи” - на, сверх, “фитом” - растение) поселяются на деревьях. Например, на деревьях поселяются водоросли, лишайники, мхи, орхидеи - они питаются за счет 19 фотосинтеза и отмирающих тканей хозяина, но не их соками. Комменсализм, протокооперация и мутуализм, таким образом, являются типами положительных взаимоотношений между организмами, когда организмы не наносят ущерба друг другу и выгодны обоим или одному из партнеров. При антагонистических отношениях между видами - аменсализме, паразитизме и хищничестве- одному из видов наносится ущерб. При аменсализме страдает один вид, а другой развивается нормально: например, плесневый гриб Penicillium выделяет пенициллин вещество, подавляющее рост различных бактерий, но бактерии не оказывают влияния на плесневый гриб. При клинических испытаниях пенициллина было выявлено, что при его применении увеличилось число грибковых заболеваний, поскольку в естественных условиях развитие грибов сдерживается присутствием бактерий. При антогонизме - аменсализме, паразитизме и хищничестве - ошибочно полагать, что отношения между хозяином и паразитом или хищником и жертвой всегда вредны для хозяина или жертвы. Со временем под влиянием естественного отбора губительное действие паразита или хищника ослабевает, поскольку паразит может сохраниться лишь в том случае, если перейдет на какойлибо новый вид, пригодный в качестве хозяина. Если же паразит не найдет нового хозяина, то он погибает сам. Часто производят отстрел хищников, уничтожающих полезных животных. Это приводит к значительному увеличению численности жертвы на определенном ареале и ей уже не хватает пищи. В результате жертва начинает гибнуть от нехватки пищи (от голода). В природе численность популяции хищника изменяется в соответствии с численностью жертвы популяции, причем колебания численности хищника несколько отстает от изменений численности жертвы. Антропогенное воздействие - непосредственное воздействие человека на организмы или воздействие через изменение им среды 20 обитания. Человек стал оказывать влияние на природу с тех пор, как перешел к охоте и земледелию. С середины XIX в. начала интенсивно развиваться промышленность, что привело к загрязнению окружающей среды. К концу XX в. влияние человеческой деятельности на атмосферу, гидросферу и почву прогрессировало с развитием различных производств, освоением новых технологий и интенсификацией сельского хозяйства. В атмосферу поступает более 200 млн т оксида и диоксида углерода, 150 млн т сернистого газа, более 50 млн т оксидов азота, примерно такое же количество углеводородов. В воздух поступают тяжелые металлы и другие элементы, масса мелкодисперсных частиц и пыли. Содержание СО2 в воздухе возросло на 10%, а он препятствует тепловому излучению в космическое пространство, создавая так называемый “парниковый эффект”. Дальнейшее повышение концентрации СО2 в атмосфере может создать условия для повышения температуры на планете, отступлении границы полярных льдов к северу и повышению уровня Мирового океана. В последнее время очень много говориться о кислотном дожде, глобальном потеплении, истончении озонового слоя планеты. Все эти негативные процессы вызваны тоннами загрязняющих вредных веществ, которые выбрасываются в атмосферный воздух промышленными предприятиями. Вы только представьте себе, каждый год в атмосферный воздух попадает приблизительно тысяча тонн промышленной пыли и других загрязняющих веществ. Большие города страдают от смога, они прямо-таки задыхаются. Ситуация осложняется тем, что в больших городах, как правило, практически нет зелени, деревьев, которые, как известно, являются легкими планеты. Транспорт – это один из главных загрязнителей окружающей природной среды. На сегодняшний день автомобили, с их бензиновыми и дизельными двигателями, стали главными источниками загрязнения атмосферы в промышленных странах. Огромные площади лесов, которые 21 росли в Африке, Южной Америке и Азии, стали уничтожаться, обеспечивая потребности различных отраслей промышленности в Европе и Соединенных штатах Америки. Это очень страшно, потому что уничтожение лесов нарушает кислородный баланс не только в этих странах, но и на всей планете в целом. В результате, практически одномоментно исчезли некоторые разновидности животных, птиц, рыб и растений. Многие из животных, птиц и растений сегодня находятся на гране исчезновения, многие из них внесены в «Красную книгу Природы». Несмотря ни на что, люди до сих пор продолжают убивать животных для того, чтобы некоторые из людей могли носить шубы и меха. Задумайтесь, сегодня мы убиваем животных не ради того, чтобы добить себе пищу и не умереть с голоду, как это делали наши древние предки. Сегодня люди убивают животных ради забавы, ради того, чтобы получить их мех. Некоторые из таких животных, например, лисы, вполне реально подвергаются опасности навсегда исчезнуть с лица нашей планеты. Каждый час несколько видов растений и животных исчезает с лица нашей планеты. Реки и озера высыхают. Одним из самых ярких примеров отрицательного антропогенного влияния человека является Аральское море, которое стало намного меньше из-за отрицательного воздействия человека. Загрязнение атмосферного воздуха и мировых океанов, истощение озонового слоя и другие возникшие проблемы являются следствием небрежного отношения человека к экологии и окружающей нас среде. Защита окружающей среды стала той проблемой, над решением которой работают ученые всего мира. Должны быть предпринятые самые активные меры для того, чтобы создать международную систему экологической безопасности. На сегодняшний день уже сделано достаточно много шагов для обеспечения экологической безопасности всей планеты. 159 стран, все члены Организации Объединенных Наций, объединились в управление по охране окружающей 22 природной среды. Было проведено достаточно много конференций, на которых обсуждались проблемы экологии, решение которых ни в коем случае нельзя откладывать. В России и большинстве республик бывшего Союза Советских Социалистических республик существуют некоторые территории, на которых состояние окружающей природной среды находится в прямо-таки бедственном положении. Местами бедствия, практически местами экологической катастрофы являются - Аральское море, озеро Байкал, Кузбасс, Семипалатинск и Чернобыль, и это некоторые из подобных, страшных областей. Основным источником загрязнения на данных территориях является радиация. Радиация коварна тем, что её не видно, как, например, пыль, а последствия этого загрязнения поистине чудовищны. Более чем двадцать лет назад на берегу озера Байкал была построена целлюлозно-бумажная фабрика. В результате практически бесконтрольного загрязнения озера сточными водами, основным поставщиком которых и была целлюлозно-бумажная фабрика, более чем пятьдесят процентов пресной, одной из наиболее чистых вод планеты было потеряно. Из-за загрязнения изменилась в целом вся экологическая система озера. В 1986 году, атомная станция, расположенная в Чернобыле, это недалеко от Киева, взорвалась. Во время взрыва было выброшено очень опасное радиоактивное облако. Ситуация осложнялась не только наличие такого опасного взрыва, но и того, что из-за преобладающих ветров, были затронуты этим радиоактивным облаком многие страны Европы. Это, а также праведное негодование пострадавших от радиации стран, стало отправной точкой к тому, чтобы сократить изготовление таких смертельных промышленных и военных побочных продуктов. После той страшной катастрофы, которая произошла в Чернобыле, жителей близлежащих эвакуированы. городов и Достаточно деревень много должны людей, были которые быть срочно попали под смертоносное воздействие радиации, умерли, а, также, очень много людей 23 осталось инвалидами. Экологические катастрофы наносят очень большой вред природе и окружающий среде, но больший вред экологические катастрофы причиняют человеку. Человечеству нужно принять верное решение – хочет ли оно жить или умереть. ЭКОСИСТЕМА Любой вид, любая популяция и даже отдельная особь живут не изолированно от среды своего обитания, а напротив, испытывают многочисленные взаимные влияния. Живые организмы влияют друг на друга (вспомнить хотя бы влияние плотности популяции на темп ее роста), на среду своего обитания (например, почва, которую мы возделавали как отдельную среду жизни, является продуктом деятельности живых организмов), а также испытывают действие внешних факторов - как в эволюционном, так и в индивидуальном плане. Поэтому нет ничего удивительного в том, что сообщества взаимодействующих живых организмов представляют собой не случайный набор видов, а вполне определенную систему, достаточно устойчивую, связанную многочисленными внутренними связями, с относительно постоянной структурой и взаимообусловленным набором видов. Такие системы принято называть биотическими сообществами, или биоценозами (что в переводе с латыни и означает "биологическое сообщество"), а системы, включающие живых организмов и среду их обитания, - экосистемами. Термин был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли для обозначения естественного комплекса живых организмов и физической среды, в которой они обитают. Таким образом, экосистема - это совокупность взаимодействующих видов растений, животных, грибов, микроорганизмов, взаимодействующих между собой и с окружающей их средой таким образом, что такое сообщество может сохраняться и 24 функционировать необозримо длительное время. Биотическое сообщество (биоценоз) состоит из сообщества растений (фитоценоз), сообщества животных (зооценоз), сообщества микроорганизмов (микробиоценоз). Все организмы Земли и среда их обитания также представляют собой экосистему высшего ранга - биосферу. Биосфера также обладает устойчивостью и другими свойствами экосистемы. Каждый вид в биотическом сообществе играет определенную экологическую роль. Ученые к настоящему времени не описали и десятой части всех населяющих планету видов, особенно плохо изучены насекомые и микроорганизмы. В то же время предполагают, что микроорганизмы могут играть ведущую роль в поддержании устойчивости всей биосферы. В связи с малой изученностью того, какова роль каждого отдельного вида, нельзя наверняка утверждать, что вымирание одногоединственного вида не будет иметь серьезных последствий для устойчивости экосистемы или всей биосферы. С этим связана известная "экологическая поговорка" Б. Коммонера: "Природа знает лучше". Иными словами, изменять что-то в природных сообществах и при этом не знать точно, как "работает" природа, - кажется не самым разумным подходом. Вернемся к взаимодействию видов, составляющих биоценоз. Эти виды связаны многочисленными связями, поэтому изменение численности или исчезновение одного вида может необратимо сказаться на других видах. Между видами отмечают как пищевые (связанные с использованием в пищу одних видов другими), так и непищевые связи. Непищевые взаимоотношения между видами чрезвычайно многообразны: одни виды являются средой обитания для других; ряд видов помогают другим перемещаться в пространстве или распространять семена. Иногда продолжение рода невозможно без участия других видов: например, для размножения многих цветковых растений необходимо участие опыляющих насекомых. Многообразие коакций (то есть различных взаимоотношений 25 между видами) Существование мы рассмотрим экосистемы в возможно следующем благодаря уроке. постоянному притоку энергии извне - таким источником энергии, как правило, является солнце, хотя не для всех экосистем это справедливо. Устойчивость экосистемы обеспечивается прямыми и обратными связями между ее компонентами, внутренним круговоротом веществ и участием в глобальных круговоротах. С современных позиций наиболее крупной экосистемой планеты, поддерживающей глобальный круговорот веществ является биосфера. БИОСФЕРА БИОСФЕРА оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (15–20 км), верхнюю часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2– 3 км на суше и на 1–2 км ниже дна океана. Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э.Зюсс в 1875, тогда как основы учения о биосфере, которые актуальны и в современной науке, были разработаны В.И.Вернадским. Биосфера состоит из живого, или биотического, и неживого, или абиотического, компонентов. Биотический компонент – это вся совокупность живых организмов (по Вернадскому – «живое вещество»). Абиотический компонент – сочетание энергии, воды, определенных химических элементов и других неорганических условий, в которых существуют живые организмы. Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота веществ между биотическим и абиотическим компонентами. Круговороты веществ называются биогеохимическими циклами. Существование этих циклов обеспечивается энергией Солнца. Земля получает от Солнца ок. 26 1,3·1024 калорий в год. Около 40% этой энергии излучается обратно в космос; 15% поглощается атмосферой, почвой и водой; остальная энергия – это видимый свет, первичный источник энергии для всей жизни на Земле. Фотосинтез, хемосинтез, дыхание и брожение – основные процессы, благодаря которым поток энергии проходит через организмы. Первые два процесса обеспечивают синтез органических веществ за счет энергии света (фотосинтез) и окисления неорганических веществ (хемосинтез). В ходе дыхания и брожения органические вещества расщепляются, а заключенная в них энергия используется живыми организмами, но в конечном итоге переходит в тепло. Брожение, в отличие от дыхания, не требует кислорода. Наглядное представление о путях прохождения энергии дают пищевые цепи. Каждое их звено – это определенный трофический уровень. Первый трофический уровень занимают автотрофы, или продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т.д. Продуценты – это растения, цианобактерии (сине-зеленые «водоросли») и некоторые другие типы бактерий. Часть энергии, связанной продуцентами в процессе фотосинтеза, расходуется при собственном дыхании, другая часть сохраняется в их клетках и тканях и доступна для консументов. Разность между скоростью фотосинтезирующих фотосинтеза организмов и называется скоростью чистой дыхания первичной продукцией. В чистую первичную продукцию переходит всего около 0,1% солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. Однако за год абсолютное количество чистой первичной продукции составляет 6·1020 калорий, что соответствует 165 млрд. т органического вещества. Организмы, не способные к фотосинтезу или хемосинтезу, – это гетеротрофы, или консументы. К ним относятся животные, грибы, 27 большая часть бактерий и немногие растения, утратившие способность к фотосинтезу. Консументы зависят прямо (травоядные) или косвенно (хищники) от величины чистой первичной продукции как источника энергии и веществ. Прохождение энергии через живое вещество представляет собой путь от света к продуцентам, далее к консументам, а от тех и других – к теплу. Этот путь – поток, а не круговорот, поскольку в виде тепла энергия рассеивается в окружающей среде и не может снова использоваться для фотосинтеза. Таким образом, энергетический поток через живое вещество – это процесс потери накопленной организмами энергии. Другой важнейший аспект существования жизни на Земле – биогеохимические циклы, в которые вовлечены вода и основные биогенные химические элементы – C, H, O, N, P, S, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na, K и др. Все циклы состоят из двух фаз: органической (во время которой вещество или элемент находится в составе живых организмов) и неорганической. Последовательные переходы вещества из одной фазы в другую совершаются бесчисленное число раз. Так, например, ежегодно проходит через органическую фазу и возвращается в неорганическую 1/7 часть всего углекислого газа и 1/4500 часть кислорода атмосферы; подсчитано, что вся вода оборачивается за 2 млн. лет. Жизнь невозможна без воды. Вода – источник водорода, одного из важнейших элементов, входящего в состав живых организмов. Метаболические реакции в организмах происходят в жидкой фазе, и вода является той средой, с которой организмы потребляют биогенные элементы и с которой удаляются конечные продукты метаболизма (шлаки). Вода составляет от 50 до 95% веса живых организмов. В круговороте воды важную роль играет процесс испарения в растениях. Через корни растения поглощают воду и получают растворенные в ней соли. Через листья происходит испарение воды. В течение вегетационного 28 периода зерновые культуры на площади 1 га испаряют ок. 4 000 000 л воды, но только 0,4% этого количества используется непосредственно в процессе фотосинтеза. Для получения 1 кг зерна требуется ок. 500 л воды. Очевидно, что растениям необходимо громадное количество воды, а поскольку консументы питаются растениями, их суммарные потребности в воде намного выше того количества, которое они поглощают непосредственно. Например, человеку для физиологических нужд требуется ок. 2,1 л воды в день, но для получения съедаемого им за день количества пищи нужны еще 10 000 л воды. Поддержание динамического равновесия между биотическим и абиотическим компонентами биосферы является необходимым условием существования всех форм жизни. Воздействие человека на биосферу, сопровождающееся ухудшением качества воды, сведением лесов или выбросом в атмосферу загрязняющих веществ, может создать угрозу жизни на Земле. АТМОСФЕРА АТМОСФЕРА, газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования, начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие – азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1. На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15–25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, 29 расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы – это также и химическая лаборатория, поскольку там, в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ Размеры. Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешние слои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих радиус Земли, считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное пространство. Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоев Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Этот т.н. солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную «полость», внутри которой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, – с противоположной, ночной стороны. Граница магнитного поля Земли называется магнитопаузой. С дневной стороны эта граница проходит на расстоянии около семи земных радиусов от поверхности, но в периоды повышенной солнечной активности оказывается еще ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы, 30 внешняя оболочка которой называется также магнитосферой, так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых обусловлено магнитным полем Земли. Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5·1015 т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2. Значение для жизни. Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления. Самый нижний, приземный слой атмосферы особенно важен для человека, который обитает в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя оболочка «твердой» Земли называется литосферой. Около 72% поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющими большую часть гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного. Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов, определяющих состояние атмосферы. Состав. Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов (см. табл.). Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак. 31 СОСТАВ АТМОСФЕРЫ Газ Содержание в сухом воздухе, % N2 азот 78,08 O2 кислород 20,95 Ar аргон 0,93 CO2 углекислый газ 0,03 Ne неон 0,0018 He гелий 0,0005 Kr криптон 0,0001 H2 водород 0,00005 Xе ксенон 0,000009 В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы – водород и гелий. Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижних 30 км, то изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы. Энергообмен. Солнце является главным источником энергии, поступающей на Землю. Находясь на расстоянии около 150 млн. км от Солнца, Земля получает примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человек называет «светом». Большая часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом 32 устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство. Механизм этого равновесия крайне сложен. Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое пространство. Еще большую часть приходящей радиации отражают облака. Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном – горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижних слоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло пропускает свет внутрь и почва нагревается. Поскольку стекло относительно непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев нижних слоев атмосферы за счет присутствия водяного пара и углекислого газа часто называют парниковым эффектом. Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода, находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ – водяной пар, который выносит огромное количество энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде тепла. Около половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы. Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, 33 который прогревается только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы. Помимо общего нагревания атмосферы солнечным «светом», значительное прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Строение. По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере увеличения расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Строго говоря, этот барьер непроницаем, так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами, но в данном случае этими факторами можно пренебречь. Поскольку атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только нижняя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая со стороны межпланетного пространства. Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступление вещества из окружающего космического пространства. Большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватывается магнитосферой, либо отталкивается ею. На атмосферу действует также сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью степень сжатия воздуха зависит от массы вышележащего столба воздуха, поэтому с высотой плотность воздуха уменьшается. Давление, равное массе вышележащего столба воздуха, приходящейся на единицу площади, находится в прямой зависимости от плотности и, следовательно, также понижается с высотой. 34 Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, так как изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхности ок. 3% на каждые 100 км высоты. В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно. Как показано на рис. 1, она убывает приблизительно до высоты 10 км, а затем вновь начинает расти. Это происходит при поглощении ультрафиолетовой солнечной радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (О3). Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается. Выше температура вновь понижается, так как там гораздо меньше молекул газа, и соответственно сокращается поглощение энергии. В еще более высоких слоях температура вновь повышается вследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника. Полагают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000 до 35 10 000оС. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является «горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика. Таким образом, атмосфера состоит из отдельных слоев (т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес. На основании осредненного распределения температур метеорологи разработали схему строения идеальной «средней атмосферы». Тропосфера – нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках – 18–20 км, в умеренных широтах – ок. 10 км) и времени года. Национальная метеорологическая служба США провела зондирование вблизи Южного полюса и выявила сезонные изменения высоты тропопаузы. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее граница на короткий период в августе или сентябре поднимается приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения – 7,5 км, где и остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км. Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека. Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные 36 течения строго определенного направления. Турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба». Стратосфера. Вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, где ветры дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха. На основе наблюдений, проведенных с помощью самолетов и шаровзондов, приспособленных для полетов на постоянной высоте, в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и проявляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты. Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образование озона), оказывает воздействие на процессы в тропосфере. Особенно активное перемешивание связано с атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы 37 существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекался в нижние слои стратосферы. Значительные успехи были достигнуты в изучении вертикальной структуры нижних слоев атмосферы в связи с совершенствованием техники запуска на высоты 25–30 км радиозондов. Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80–85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до –110оС были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа. В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока еще недостаточно изучены. Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Вблизи земной поверхности в 1 м3 воздуха содержится ок. 2,5·1025 молекул, на высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, – приблизительно 1019, на высоте 200 км, в ионосфере, – 5·1015 и, по расчетам, на высоте ок. 850 км – примерно 1012 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 108–109 на 1 м3. 38 На высоте около 100 км количество молекул невелико, и они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на 650 км. При определенной температуре скорость движения молекулы зависит от ее массы: более легкие молекулы движутся быстрее тяжелых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме того, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атомарный кислород приобретает все большее значение в составе атмосферы и на высоте около 200 км становится ее главным компонентом. Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладают легкие газы – гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы. Такое разделение по весу, называемое диффузным расслоением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги. Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые 39 молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство. ГИДРОСФЕРА ГИДРОСФЕРА - водная оболочка - Земли в отличие от литосферы и атмосферы покрывает земной шар лишь на 70% его поверхности. К гидросфере относятся Мировой океан и воды суши: реки, озера, подземные воды, горные и покровные ледники. Все они связаны между собой в планетарном процессе круговорота воды, газов и минеральных солей. Самое большое скопление воды на поверхности Земли - это Мировой океан. Он является основным водохранилищем нашей планеты. Испаряющаяся с его поверхности влага переносится ветрами на материки и, выпадая в виде осадков, орошает землю, питает реки, подземные воды и горные ледники. Мировой океан делится материками и островами на отдельные океаны, моря, проливы и заливы. До последнего времени Мировой океан делили на четыре океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Изучение структуры водных масс океанов и их динамики привело ученых к убеждению, что часть Мирового океана вокруг Антарктиды и до южных оконечностей Азии, Австралии, Африки и Южной Америки целесообразно выделять в качестве отдельного (пятого) океана и называть его Южным. По сравнению с площадью материков площадь Мирового океана огромна. Один только Тихий океан больше площади всей суши. В Северном полушарии Земли водой занят 60% его поверхности, в Южном - 80%. Площадь окраинных и средиземных морей составляет около 10% площади всего Мирового океана. Общий объем воды в океанских бассейнах 1370 млн. км3. Объем воды в морях составляет менее трех процентов объема воды в океане. Средняя глубина океана - 3795 м, открытых окраинных морей - 874 м, средиземных морей 40 1289 м. Наибольшая глубина океана обнаружена в Марианском желобе и составляет 11022 м. Средняя концентрация солей в океане 35 г на 1 кг воды, или 35 промилле (от лат. pro mille - за тысячу, тысячная часть числа, обозначается %.). На поверхности соленость океана в областях сильных испарений может быть больше, чем в глубинных слоях, а в областях обильных дождей - меньше. У берегов при смешении с речной водой она может быть значительно меньше обычной. Например, в поверхностных слоях Белого моря соленость составляет не более 26%., Черного моря 18%., Балтийского - 6-8%., Азовского - 11 %., а на поверхности Красного моря, в которое не впадает ни одна река и где испарение велико, соленость достигает 40%.. Установлено, что состав и относительное содержание различных солей в Мировом океане повсюду неизменны. Это является следствием наличия мощных морских и океанических течений. Но непрерывный обмен веществ происходит не только между отдельными частями Мирового океана, но и между океаном, атмосферой и сушей. Подсчитано, что за год вместе с брызгами воды, будучи подхваченными ветрами, выносится на сушу 300-400 млн. тонн солей. В свою очередь, с суши за счет речных стоков ежегодно выносится в океан в среднем 3,3 млн. тонн растворенных веществ. Половина этого количества осаждается на дне океана. В Мировом океане зародилась жизнь. Возникшая в нем растительность, обогатила атмосферу кислородом и сделала ее пригодной для жизни животных. Деятельность растительных организмов, произрастающих в океане и разлагающих воду на водород и кислород, - и поныне главный источник свободного кислорода в атмосфере. Уже более трех миллиардов лет происходит эволюция организмов. Они непрерывно поглощают необходимые для жизни, растворенные в воде вещества и создают из них сложные органические соединения. В свою 41 очередь, морские организмы, перемещаясь в воде (порой на большие расстояния) и выделяя продукты обмена веществ, оставляют повсюду следы своей жизнедеятельности, а, умирая, превращаются в органические остатки. Последние при соединении с растворенным в воде кислородом восстанавливают первоначальные минеральные соли. Морские животные и растения обладают удивительной способностью: они накапливают в своих организмах взятые из воды медь, цинк, ванадий, железо и другие элементы. Это приводит к тому, что их концентрация в тканях организмов в сотни и тысячи раз выше, чем в морской воде. Организмов некоторые соли и многие, рассеянные и редкие химические элементы при отмирании выпадают из круговорота: они опускаются на дно и образуют там мощные слои донных осадков. При этом частично они переходят в состав минеральных соединений. Таким образом, донные осадки представляют собой в основном илы, образованные известковыми и кремнистыми остатками организмов, - их скелетами и раковинами. Во всех природных водах в растворенном состоянии содержатся азот, кислород, углекислый и другие газы. Количество газов, которое может раствориться в морской воде, зависит от ее солености, гидростатического давления и температуры. Чем больше соленость и выше температура, тем меньше газов может раствориться в морской воде, и наоборот. Кислород, растворенный в океанской воде, берется из воздуха или является результатом фотосинтеза растений, произрастающих под водой. Он расходуется на дыхание живых организмов и окисление органических остатков. Углекислый газ, растворенный в воде, берется из воздуха или выделяется при дыхании организмов и окислении органических остатков. Он используется растениями при фотосинтезе. Растения и бактерии, 42 живущие в воде, извлекают из углекислого газа на построение своих тканей около 100 млрд. т углерода в год. Таким образом, в холодных (полярных) областях планеты океан извлекает кислород и углекислый газ из воздуха, газы растворяются в воде, и течения переносят их в глубинные слои и тропики. Кислород обеспечивает в глубинных слоях условия жизни животных и растений. Углекислый газ выделяется в тропиках в атмосферу. Содержание углекислого газа в атмосфере в 60 раз меньше, чем в океане. Поэтому последний можно рассматривать как хранилище запасов углекислого газа. Воды Мирового океана служат для химических элементов средой превращений, с одной стороны, и транспортным средством, с другой. В результате многих химических и биохимических преобразований вещества находятся в нем в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, свободном состоянии и соединениях. Это означает, что Мировой океан является "геохимическим реактором". Это реактор работает на тепловой и световой энергии Солнца. Мировой океан является также и аккумулятором тепла. Около 95% его вод имеют среднюю температуру 3,8oС. Эта температура в современных климатических условиях остается практически неизменной. Но на поверхности океана в разных его областях температура воды существенно различна (рис.1). Так, в экваториальной зоне вода нагрета до 25-26o С, а в приполярных областях ее температура бывает ниже нуля (в воде с соленостью 35%. лед образуется при температуре - 1,9o С). 43 Рис.1. Изотермы Мирового океана Сезонные колебания температуры воды в средних широтах составляют 5-10o С, в северо-западных частях Атлантического и Тихого океанов, они достигают 15o С, а в полярных областях и тропиках - не превышают 2o С. Придонные воды океана имеют температуру около нуля: в полярных областях она ниже нуля, а в средних и экваториальных широтах выше. В верхних слоях воды наблюдаются многолетние циклы потепления или похолодания. Это оказывает существенное влияние на климат, погоду и особенно на жизнь рыб. С глубиной температура воды в океане обычно снижается. В северных широтах верхний слой прогретой воды достигает к осени толщины 10-15 м, в средних широтах - 40-50 м. Под ним наблюдается тонкий сезонный слой резкого скачка температуры. Его называют термоклином. Ниже термоклина вода немного холоднее. При сильном волнении и зимнем охлаждении слой температурного скачка разрушается, температура воды становится сравнительно одинаковой до глубины 50 м. Как известно, вода обладает большой теплоемкостью: 1 м3 воды, охладившись на один градус, может на столько же нагреть более 3300 м3 воздуха. Это свойство воды позволяет Мировому океану служить аккумулятором и распределителем солнечного тепла на поверхности Земли. В умеренных и полярных широтах морские воды летом 44 накапливают тепло, а зимой отдают его в атмосферу. В тропиках же вода нагревается с поверхности круглый год. Течения переносят теплые экваториальные воды в высокие широты, при этом холодные воды возвращаются в тропики в противотечениях. В частности, теплое течение Гольфстрим смягчает климат Англии и Скандинавии, течение Куро-Сио делает более теплым климат Японии, а холодные Восточно-Гренландское и Лабрадорское противотечения охлаждают восточные берега Северной Америки, Курильское - Азии. Вода в океане не стоит на месте, а все время перемещается. Эти перемещения осуществляются течениями. Основной причиной их образования являются ветры. В Атлантическом и Тихом океанах Они дуют круглый год, создают по обе стороны от экватора мощные потоки северного и южного пассатных течений, нагоняют воду к западным берегам обоих океанов. Часть этой воды возвращается к восточным берегам в виде экваториального противотечения. Другая часть, встретив на своем пути барьер из материков и островов, огибает его с северных и южных окраин, а затем, повернув на восток, образует круговую циркуляцию воды, как в Северном, так и в Южном полушариях. Эта система течений особенно четко наблюдается в Тихом океане. В Индийском океане круговые течения располагаются южнее экватора, а к северу от него господствуют течения сезонные. Их вызывают ветры, дующие летом с океана на сушу, а зимой в обратном направлении. Их называют муссонами. Различают течения теплые и холодные. При этом имеется ввиду, что температура вод, переносимых этими течениями, соответственно теплее или холоднее температуры окружающей воды. Например, температура воды Бенгельского течения у мыса Доброй Надежды 20oС, но по сравнению с окружающей водой это - холодное течение. С другой стороны, одна из северных ветвей Гольфстрима Нордкапское течение - с температурой воды 4-6oС считается теплым, так 45 как оно обогревает холодные прилегающие берега. О мощности океанских течений можно судить по такому примеру: Гольфстрим у полуострова Флорида переносит в среднем за год 750 тыс. км3 воды. Это больше годового стока всех рек земного шара в 20 раз, а на параллели 38 o с.ш. это течение превышает речной сток в 60 раз! Еще недавно считалось, что глубинные, и в особенности придонные океанские воды почти неподвижны. Теперь же установлено, что даже у самого дна вода перемещается, а подповерхностные течения по своей мощности мало отличаются от поверхностных. Так, в Тихом океане под пассатным течением обнаружено встречное течение, у которого скорость достигает 130 км в сутки. В Атлантике наши океанологи открыли подповерхностное течение восточного противопассатного направления. Его назвали именем М.В.Ломоносова. В некоторых местах ширина этого течения достигает 15000 км, скорость - 100 км в сутки. Подповерхностное течение обнаружено также и в Индийском океане. Интенсивное перемещение океанских вод происходит не только за счет мощных течений и противотечений, но еще и вследствие приливов и отливов. Приливы нагоняют воду на берега, поднимают высоко над причалами суда, в устьях рек создают волны, направленные против течения. Отливы обнажают береговую полосу опускают суда, и они могут оказаться или на мели, или сместиться намного ниже причалов. Причины приливов и отливов одним из первых объяснил И.Ньютон. Главная из них связана с различием в притяжении частиц воды Луной (рис. 2.17, а). Частицы, находящиеся в данный момент ближе к Луне, притягиваются ею сильнее, а находящиеся дальше - слабее. Вследствие этого на стороне Земли, обращенной к Луне, и на противоположной ее стороне (вблизи точек А и В) вода поднимается, и наблюдается прилив. Вблизи же точек С и D уровень воды снижается - здесь наступает отлив. При этом в двух противоположно расположенных областях земного шара 46 образуются две приливные волны. Вследствие этого над каждым пунктом Мирового океана приливная волна проходит в сутки дважды. Следуя за Луной, она перемещается с запада на восток навстречу направлению вращения Земли. Скорость этой волны составляет 1800 км в час. Трение воды о дно океанов и внутреннее трение воды несколько задерживают движение приливной волны. Поэтому момент полной воды в какой-то точке Мирового океана не соответствует нахождению Луны над ней, а смещен относительно этого положения в сторону запаздывания (рис. 2.17, б). Время запаздывания зависит от особенностей рельефа дна и берегов. Например, на бельгийском побережье оно составляет полчаса, а в заливах Белого моря - пять часов. Это время называется прикладным часом. Аналогично Луне свою приливную волну создает Солнце. При расположении Солнца и Луны на одной линии (т.е. в полнолуние и новолуние), прилив оказывается самым высоким. Его называют сизигийным. При расположении Солнца и Луны под углом 90o (четверть Луны) прилив оказывается наименьшим. Его называют квадратурным. Он меньше сизигийного в среднем в 2,7 раза. В открытом море размах приливных колебаний уровня воды не превышает одного метра. У берегов величина прилива больше. Особенно высоки приливы в бухтах и заливах, которые открыты в сторону океана. В них приливные волны и течения нагоняют воду. Самые высокие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Северная Америка) - 18 м, в устье реки Северн (Англия) - 16 м, в заливе Мон-Сен-Мишель (Франция) - 15 м, а в нашей стране в губах Охотского моря - 13 м, в Мезенском заливе Белого моря - 11 м. Величины приливов, время наступления приливов и отливов, вычисленные на год вперед для разных пунктов побережья, публикуются в специальных справочниках. Поверхность океанов и морей постоянно покрыта волнами. Высота волны измеряется от подошвы до гребня по вертикали, длина - от одного 47 гребня до другого. Волны, следующие одна за другой, имеют, как правило, разную высоту. Последняя зависит от многих причин и, в том числе, от наложения одних волн на другие. Волны затрудняют мореплавание и бывают причиной гибели даже больших современных судов. Из-за встречной волны намного снижают свою скорость суда. Сила удара волны о вертикальную стенку измеряется десятками тонн на квадратный метр. В результате этого волны разрушают берега и портовые сооружения. Так, в 1953 году в Генуе во время шторма был разрушен волнолом, ограждающий порт города Генуя Он был рассчитан на волны высотой 5 м, а на него обрушились волны высотой 7 м. Это привело к тому, что волнолом шириной 12 м и длиной 4 км был разрушен. Знание законов образования волн позволяет составлять прогнозы волнений, предупреждать об опасности суда, находящиеся в открытом море, рассчитывать береговые гидротехнические сооружения. Различают волны ветровые, цунами и барические. Первые из них возникают при ветре. Особенно большие волны вызывают штормы и ураганы, когда скорость ветра достигает 25 и 35 м/с соответственно. Вторгаясь на сушу, такие волны вызывают огромные наводнения и разрушения. Так, в 1959 году волны, вызванные ураганом, полностью разрушили японский город Нагоя, в котором проживало два миллиона человек. В открытом океане ветровые волны достигают высоты 18-20 м, но очевидцы рассказывают, что встречаются волны высотой в 25 и даже 30 м. Преобладающая же высота океанских волн - около 4 м. На глубине ниже 100 м от поверхности ветровое волнение не ощущается. С выходом на отмелый берег ветровые волны становятся короче, но выше и на глубине, примерно равной их высоте, разрушаются, образуя пенистые буруны. Волны цунами* образуются при извержениях подводных вулканов и при подводных землетрясениях. В отличие от ветровых волн они охватывают 48 всю толщу воды. В открытом океане скорость распространения волн цунами достигает 800 км/ч, высота - примерно полметра. С выходом на прибрежное мелководье высота волн цунами быстро растет и иногда достигает 20-30 м. Одновременно с волной цунами возникает "ударная волна". Она распространяется со скоростью звука - 5400 км/ч, т.е. в 6-7 раз быстрее, чем сама волна. Это позволяет с помощью гидрофонов заранее регистрировать ударную волну, устанавливать место ее возникновения, вычислять время, через которое придет волна, принимать оперативные меры, направленные на уменьшение потерь и разрушений. Барические волны возникают при прохождении циклона. В его центре атмосферное давление снижается иногда до 660 мм. Вследствие этого на поверхности океана образуется выпуклость высотой до 1 м. Она и создает волну, которая подобно цунами может привести к тяжелым последствиям. Так, в 1953 г. циклон в Северном море у берегов Англии вызвал мощную барическую волну, совпавшую по времени с высоким приливом. Усиленная ветровыми волнами, она выросла на мелководье до десятиметровой высоты, дошла до берегов Голландии, прорвала плотины, отделявшие страну от моря, и привела к тому, что погибло 1400 человек, около 400 тыс. голов скота, было разрушено 143 тыс. домов, затоплена территория площадью 2500 км2. Таким образом, Мировой океан - это: самое большое на Земле скопление воды, - основное водохранилище нашей планеты, - колыбель жизни на Земле, - гигантский геохимический реактор, - аккумулятор тепловой энергии. Выдающийся вклад в исследование Мирового океана внес французский исследователь Жак Ив Кусто (1910 - 1997). Со своей командой на научно-исследовательском судне "Калипсо" он обследовал многие точки Мирового океана, причем не только на поверхности воды, но, главным образом, под водой. Для подобных исследований он изобрел акваланг, по его проектам были построены подводные дома, глубоководный аппарат "ныряющее блюдце". 49 Он - автор многих книг и кинофильмов о путешествиях в "мир безмолвия" и о жизни в нем. В гидросферу Земли входят также реки и озера. Реки содержат примерно 1200 км3 воды, которая меняется в них в среднем 30 раз в год. Реки часто начинаются там, где выходят на поверхность подземные воды: на склонах гор и холмов, в оврагах, болотистых низинах. Горные реки начинаются иногда от нижних краев ледников. Некоторые реки вытекают из озер. Например, Урал начинается родничками, бегущими с гор, Волга вытекает из болота, Нева и Ангара вытекают из озер. Различают четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. Но первоисточником питания всегда служат атмосферные осадки: их выпадает на поверхность суши более 100 тыс. км3 ежегодно. Из них примерно треть стекает в океан. Территория, с которой река собирает атмосферные осадки, называется водосборным бассейном. Последний охватывает не только саму реку, но и ее притоки. Количество воды, которое река выносит в море, океан или бессточное озеро за год, называется стоком. Количество воды, протекающее в реке через ее поперечное сечение в одну секунду, называется расходом реки. Сток зависит от количества выпавших за год атмосферных осадков и может меняться от года к году в широких пределах. Расход реки меняется в течение года. Больше всего он бывает во время паводков и половодий. Паводок представляет собой сравнительно кратковременное и непериодическое поднятие уровня воды в реке, возникающее в результате обильных дождей или быстрого таяния снега и ледников. Половодье - это продолжительный подъем уровня воды в реке, вызываемый основным источником ее питания. Половодье, как правило, повторяется ежегодно, причем в определенный сезон. У рек с дождевым питанием половодье наступает в период дождей, со снеговым - весной, с ледниковым - летом. У 50 рек, берущих начало на склонах высоких гор, бывает два половодья: первое - весной при таянии снега, второе - летом при таянии ледников. Период низкого уровня воды в реке по окончании половодья называют меженью. Паводки и половодья часто затопляют села и города, разрушают жилища, уничтожают посевы, смывают верхний (плодородный) слой почвы. У каждой реки различают коренное русло и пойму. Коренное русло - это та часть поверхности Земли, по которой течет река при низком (меженном) уровне воды, а пойма - та часть, которая затопляется водой при разливе реки. Пойма, естественно, располагается по обеим сторонам коренного русла. При обильных дождях или интенсивном таянии снега часть воды стекает по поверхности Земли до ближайших ручьев. При этом образуется так называемый поверхностный сток. С ним вода уносит частицы почвы, а, собираясь в небольшие ручейки, заметно размывает почву и образует в ней промоины. Этот процесс называют водной эрозией* почвы. Если наклон местности, по которой течет река, большой, то ее русло вследствие эрозии постоянно углубляется. Нижним пределом такого углубления является уровень дна водоема, в который впадает река. Некоторые реки имеют пороги. Так называются выходы скалистых пород, которые перегораживают русло реки. Вода при протекании через пороги кипит и бурлит, как в котле. Если русло реки в каком-то месте имеет резкое понижение, то образуется водопад. Водопады встречаются чаще всего в горных районах. На излучинах встречаются мелководные участки, называемые перекатами. В месте впадения в море или озеро река имеет наименьший уклон. Здесь течение ослабевает, из воды оседает принесенные ею песок и ил. Иногда из них намываются целые острова, разделяющие основной поток воды на рукава. Так образуется дельта. Она постепенно растет и за счет наносов выдвигается в море или озеро. Если река впадает в море, имеющее у берегов сильные приливные течения, то они смещают наносы, и у реки образуется устье воронкообразной формы. 51 Это так называемый эстуарий. Эстуарии возникают также на берегах, опускающихся под влиянием тектонических процессов внутри Земли. Озера занимают 2% поверхности суши и содержат около 230 тыс. км3 воды. В России десятки тысяч больших и малых озер. Наиболее богаты ими Карелия, Новгородская и Калининская области, некоторые области Сибири. В Финляндии озера занимают 15% территории страны. Большие озера смягчают климат окружающей территории. Зима вокруг них теплее, а лето - прохладное. Так, на берегах Байкала средняя температура воздуха в январе редко опускается ниже -9o С, тогда как в Верхоленске, расположенном всего в 75 км от озера, она доходит до -25o С. Некоторые озера представляют собой диковинки природы. Например, озеро Пауэлл Лейк в Северной Америке и некоторые озера в Норвегии имеют совершенно пресные верхние слои, но под ними находятся лишь слегка опресненные морские воды. Дело в том, что когда-то эти озера были морскими заливами. Вследствие тектонических процессов они были отрезаны от моря и впоследствии подняты над уровнем моря вместе с сушей. Некоторые озера в пустынях Центральной Азии (например, озеро Лобнор) регулярно меняют свое положение на поверхности суши. Это связано с тем, что впадающие в них реки, меняют русла. Кстати, в упомянутом озере Лобнор в XIX веке вода была пресной, а теперь она соленая. В Антарктиде недавно обнаружены три озера, из которых одно совсем не замерзает, а два, хотя и покрыты льдом круглый год, но на глубине температура воды в одном +8o С, а в другом +22o С. В этих озерах воду подогревает тепло Земли. Глубинная вода в них теплая и очень соленая. Она плотнее холодной поверхностной и поэтому не перемешивается с ней. В целом гидросфера Земли представляет собой уникальное образование. Ничего подобного пока что не обнаружено ни на какой другой планете. Именно благодаря гидросфере на Земле 52 присутствует живое вещество и вполне возможно, что именно наличие гидросферы является основной причиной его возникновения. ЛИТОСФЕРА ЛИТОСФЕРА — внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору с частью верхней мантии Земли и состоит из осадочных, изверженных и метаморфических пород. Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, изменением скорости распространение сейсмических волн и увеличением электропроводности пород. Толщина литосферы на континентах и под океанами различается и составляет в среднем соответственно 25— 200 и 5—100км. Рассмотрим в общем виде геологическое строение Земли. Третья за отдаленностью от Солнца планета — Земля имеет радиус 6370 км, среднюю плотность— 5,5 г/см3 и состоит из трех оболочек — коры, мантии и ядра. Мантия и ядро делятся на внутренние и внешние части. Земная кора - тонкая верхняя оболочка Земли, которая имеет толщину на континентах 40-80 км, под океанами — 5-10 км и составляет всего около 1 % массы Земли. Восемь элементов — кислород, кремний, водород, алюминий, железо, магний, кальций, натрий — образовывают 99,5 % земной коры. На континентах кора трехслойная: осадочные породы укрывают гранитные, а гранитные залегают на базальтовых. Под океанами кора «океанического», двухслойного типа; осадочные породы залегают просто на базальтах, гранитного пласта нет. Различают также переходный тип земной коры (островно-дуговые зоны на окраинах океанов и некоторые участки на материках, например Черное море). Наибольшую толщину земная кора имеет в горных районах (под Гималаями - свыше 75 53 км), среднюю — в районах платформ (под Западно-Сибирской низиной — 35-40, в границах Русской платформы — 30-35), а наименьшую— в центральных районах океанов (5-7 км). Преобладающая часть земной поверхности — это равнины континентов и океанического дна. Континенты окружены шельфом- мелководной полосой глубиной до 200 г и средней шириной близко 80 км, которая после резкого обрывчастого изгиба дна переходит в континентальный склон (уклон изменяется от 1517 до 20-30°). Склоны постепенно выравниваются и переходят в абиссальные равнины (глубины 3,7-6,0 км). Наибольшие глубины (9-11 км) имеют океанические желоба, подавляющее большинство которых расположенная на северной и западной окраинах Тихого океана. Основная часть литосферы состоит из изверженных магматических пород (95 %), среди которых на континентах преобладают граниты и гранитоиды, а в океанах-базальты. Актуальность экологического изучения литосферы обусловленная тем, что литосфера является средой всех минеральных ресурсов, одним из основных объектов антропогенной деятельности (составных природной среды), через значительные изменения которого развивается глобальный экологический кризис. В верхней части континентальной земной коры развиты грунты, значение которых для человека тяжело переоценить. Грунты - органо-минеральный продукт многолетней (сотни и тысячи лет) общей деятельности живых организмов, воды, воздуха, солнечного тепла и света есть одними из важнейших природных ресурсов. В зависимости от климатических и геолого-географических условий грунты имеют толщину от 15-25 см до 2-3 м. Грунты возникли вместе с живым веществом и развивались под влиянием деятельности растений, животных и микроорганизмов, пока не стали очень ценным для человека плодородным субстратом. Основная масса организмов и микроорганизмов литосферы сосредоточенная в 54 грунтах, па глубине не большее нескольких метров. Современные грунты являются трехфазной системой (разнозернистые твердые частицы, вода и газы, растворенные в воде, и порах), которая состоит из смеси минеральных частиц (продукты разрушения горных пород), органических веществ (продукты жизнедеятельности ее микроорганизмов и грибов). Грунты играют огромную роль в кругообороте воды, веществ и углекислого газа. С разными породами земной коры, как и с ее тектоническими структурами, связанные разные полезные ископаемые: горючие, металлические, строительные, а также такие, что есть сырьем для химической и пищевой промышленности. В границах литосферы периодически происходили и происходят грозные экологические процессы (сдвиги, сели, обвалы, эрозия), которые имеют огромное значение для формирования экологических ситуаций в определенном регионе планеты, а иногда приводят к глобальным экологическим катастрофам. Глубинные толщи литосферы, которые исследуют геофизическими методами, имеют довольно сложную и еще недостаточно изученное строение, так же, как мантия и ядро Земли. Но уже известно, что с глубиной плотность пород возрастает, и если на поверхности она составляет в среднем 2,3-2,7 г/см3, то на глубине близко 400 км - 3,5 г/см3, а на глубине 2900 км (граница мантии и внешнего ядра) - 5,6 г/см3. В центре ядра, где давление достигает 3,5 тыс. т/см2, она увеличивается до 13-17 г/см3. Установлен также и характер возрастания глубинной температуры Земли. На глубине 100 км она составляет приблизительно 1300 К, на глубине близко 3000 км —4800, а в центре земного ядра — 6900 К. Преобладающая часть вещества Земли находится в твердом состоянии, но на границе земной коры и верхней мантии (глубины 100— 55 150 км) залегает толща смягченных, тестообразных горных пород. Эта толща (100—150 км) называется астеносферой. Геофизики считают, что в разреженном состоянии могут находиться и другие участки Земли (за счет разуплотнения, активного радиораспада пород и т.п.), в частности - зона внешнего ядра. Внутреннее ядро находится в металлической фазе, но относительно его вещественного состава единого мнения на сегодня нет. 56 ТЕСТЫ 1. а) б) в) г) 2. а) б) в) г) 3. а) б) в) г) 4. а) б) в) г) 5. а) б) в) г) 7. а) б) в) г) Фактор, уровень которого приближается выносливости организма, называют: экстраординарным; оптимальным; лимитирующим; фатальным. к пределам Степень воздействия атмосферных загрязнителей на состояние листьев и других органов растений определяется соотношением двух противоположенных направленных процессов: поглощения и выделения атмосферной влаги и углекислого газа; синтеза и распада запасных питательных веществ; поступления углекислого газа и выделения энергии в виде тепла; поступления токсичных веществ и их нейтрализации. Самыми опасными с точки зрения влияния на экологическую обстановку производствами являются столярные цеха, кирпичные заводы; производства фарфора и керамики; химические и химико-фармацевтические комбинаты производства керамзита, обработка камня. Наибольшая доля загрязнений, особенно в городах, приходится на: химико-фармацевтические предприятия; транспорт; производство карандашей; хлебозаводы. Последовательные называют: генезисом; сукцессией; метаморфозом; демутацией. изменения видового состава экосистемы Непрерывно меняющееся состояние атмосферы у земной поверхности называют: климатом; погодой; фактором; средой. 57 8. Принцип совместного гармоничного развития человека и природы называют: а) корреляцией; б) адаптацией; в) коэволюцией; г) конвергенцией. 9. а) б) в) г) 10. а) б) в) г) 11. а) б) в) г) 12. а) б) в) г) 13. а) б) в) г) В. И. Вернадский назвал почву биокосным веществом, потому что она состоит из: живых организмов и разлагающихся остатков; частиц грунта и разложившейся органики; компонентов, созданных живыми организмами вместе с неживой (косной) природой (водой, атмосферой и т. д.); разлагающихся остатков органики и подземныхчастей растений. Одним из основоположников экологии как науки о взаимоотношениях живых организмов и среды обитания считают: К. Линнея (XVIII в.); Ж.-Б. Ламарка (XVIII в.); Г. Ф. Гаузе (XX в.); Э. Геккеля (XIX в.). Раздел экологической медицины, который занимается ранней диагностикой заболеваний, вызванных промышленным загрязнением, называют: донозологией; пульмонологией; онкологией; кардиологией. Классическим примером токсиканта, который накапливается в организме, считают: Мn — марганец; С1 — хлор; V — ванадий; As — мышьяк. В крупных промышленных городах из-за загрязнения среды наиболее быстро нарастает рост заболеваний: желудочно-кишечного тракта; органов дыхания; кожи и среднего уха; суставов и костей. 58 14. а) б) в) г) Примеры взаимоотношений в природе, одному организму и безразличные другому: акула и рыба-прилипала; рак-отшельник и актиния; ель и береза; заяц и волк. выгодные а) б) в) г) 16. а) б) в) г) Одной из особенностей Мирового океана как экосистемы является постоянная циркуляция, обусловленная: перемещением гидробионтов; сильными, постоянно дующими ветрами; разницей температур слоев воды; испарением с поверхности. Одной из особенностей организма как среды обитания является: высокая пищевая конкуренция; недостаток свободной влаги; высокое осмотическое давление; сложность снабжения кислородом. 17. а) б) в) г) К экологической группе фильтраторов относят: планарию молочно-белую; перловицу обыкновенную; форель ручьевую; тритона обыкновенного. 18. Неоднородность экологических условий в почве контрастней всего проявляется: в горизонтальном направлении; при смене дня и ночи; в вертикальном направлении; при смене сезона. 15. а) б) в) г) 19. а) б) в) г) 20. а) б) Более чувствительны и уязвимы к антропогенному воздействию экосистемы, расположенные: на континентах в умеренных широтах; севернее пояса тайги и южнее степей; в акваториях умеренных широт; только на экваторе. При антропогенной деградации лесные экосистемах проходят стадии: появления большого количества видов травянистых растений; последовательного исчезновения мхов, лишайников, трав и древесных растений; 59 в) г) 21. а) б) в) г) последовательного исчезновения сначала крупных, а затем старых деревьев и кустарников появления разнообразных насекомых-вредителей Сокращение ВДОС, которое появилось в 1972г. после XXVII сессии Генеральной Ассамблеи ООН и связано с международным праздником, ежегодно отмечаемым 5 июня, означает: Всероссийский день охраны среды; Всероссийский день окружающей среды; Всемирный день оздоровления семьи; Всемирный день окружающей среды. а) б) в) г) Локальные изменения климата, которые складываются около поверхности почвы, называют: средой; фактором; погодой; микроклиматом. 23. а) б) в) г) Процесс восстановления почв называют: интродукцией; рекультивацией; мелиорацией; репарацией. 24. Геологическую оболочку Земли, населенную живыми организмами, называют: стратосферой; атмосферой; биосферой; гидросферой. 22. а) б) в) г) 25. а) б) в) г) 26. а) б) в) г) Экологическая роль снегового покрова для растений заключается в: улучшении дыхания листьев; защите зимующих зеленых частей растений; предохранении растений от излишнего испарения; сохранении созревших семян от поедания. Для того чтобы замедлить антропогенное старение озер, необходимо: развести макрофитов; устранить хищных рыб; развести травоядных и хищных рыб; устранить травоядных рыб. 60 27. а) б) в) г) 28. а) б) в) г) 29. а) б) в) г) 30. а) б) в) г) 31. а) б) в) г) 32. а) б) в) г) 33. а) Первый экологический кризис в истории человечества произошел в: неолите; меловом периоде; палеолите; мезолите. Основным источником поступления в атмосферу газа метана считают: лесные массивы; луговые и степные районы; болотистые районы; горные отрасли. Положение, которое занимает вид в составе биоценоза, называют: биотой; биотопом; экологической нишей; экотопом. Для уменьшения концентрации микроорганизмов уничтожения плесени и улучшения общей экологической обстановки в квартирах используют: озонирование; кондиционирование; дезодорирование; хлорирование. Одной из особенностей Мирового океана как системы является постоянная циркуляция, которая обусловлена: разными концентрациями растворенных веществ; тропическими ливнями; таянием антарктических и арктических« глубинными течениями. Вещества, полученные в результате искусственного синтеза и попавшие в природную среду, называют: мутагенами; ксенобиотиками; криогенами; сидератами. Химические вещества (препараты), используемые против болезней, вызванных грибками, называют: фитонцидами; 61 б) в) г) фунгицидами; телергонами; гербицидами. 34. а) б) в) г) Повышение содержания органических веществ в воде называют: олиготрофикацией; баридизацией; эвтрофикацией; нитрофикацией. 35. а) б) в) г) Почву В. И. Вернадский назвал: косным веществом; биогенным веществом; биокосным веществом; мертвым веществом. 36. Около 250 млн лет назад произошла экологическая катастрофа планетарного масштаба, в результате которой: вымерли динозавры; наступило первое оледенение и сильнейшее похолодание, вызвавшее вымирание наземных растений; произошло вымирание многих видов всех царств; произошло вымирание всех форм жизни на континентах. К наиболее опасным загрязнителям относят такие производства, как: кирпичные и цементные; нефтехимические и целлюлозно-бумажные; керамические и фарфоровые; столярные и слесарные. Охраняемые территории, где не разрешена хозяйственная деятельность, но допускается организованный отдых, лов рыбы по лицензии и пеший туризм, называются: заповедниками; охотохозяйствами; национальными парками; памятниками природы. Только что изготовленные изделия из стружечной плиты (ДСП), фанеры, пористой резины не используют для благоустройства жилых помещений, так как они выделяют в опасных количествах: метан, азот, угарный газ, свинец; углекислый газ, асбест, инертные газы; серу, фосфор, бром, хлор; формальдегиды и другие органические соединения. а) б) в) г) 37. а) б) в) г) 38. а) б) в) г) 39. а) б) в) г) 62 40. а) б) в) г) Доминантными видами в биоценозе называют: самые высокие растения и крупные животные; самые быстро размножающиеся виды; самые массовые виды; самые устойчивые к воздействию внешней среды виды. 41. Относительно однородное по абиотическим пространство, занятое биоценозом, называют: биотой; биотопом; экосистемой; экотоном. а) б) в) г) 42. а) б) в) г) 43. а) б) в) г) условиям Наиболее эффективно задерживают пыль: березовые рощи; сосновые леса; буковые леса; еловые леса. Площадь, занятую деревьями или кустарниками и используемую для лесохозяйственных целей, называют: лесной полосой; лесостепной зоной; лесной площадью; лесным хозяйством. а) б) в) г) Наиболее отрицательное воздействие на воспроизводство лесных экосистем на всех стадиях развития оказывают: тепловые загрязнения; атмосферные загрязнители; фотохимические смоги; световые загрязнители. 45. а) б) в) г) Истребление лесов на обширных территориях приводит к : снижению уровня воды в реках; увеличению содержания кислорода; образованию оксидов азота; таянию высокогорных ледников. 46. Важнейшим условием сохранения лесных ресурсов является своевременное: принятие соответствующих законов; распыление жидких удобрений; устранение источников радиации; лесовозобновление. 44. а) б) в) г) 63 47. а) б) в) г) Наиболее перспективными и эффективными мерами борьбы с вредителями лесов считают: биологические методы; физические способы; экономические меры; химические методы. а) б) в) г) Совокупность всех покрытых лесом земель, а так же земель, предназначенных для ведения лесного хозяйства, называют: лесопарком; лесными полосами; лесным фондом; лесной зоной. 49. а) б) в) г) Истребление лесов на обширных территориях приводит к : уменьшению прозрачности атмосферы; увеличению продуктивности лесов; дестабилизации состава атмосферы; снижению уровня естественной радиации. 50. а) б) в) г) Среди мер по охране лесов важное значение имеет борьба с : вселением новых видов; резерватами; урбанизацией; пожарами. 51. Охрана хозяйственно-ценных и редких видов растений состоит в: организации научно-проектных изысканий; нормированном сборе, исключающем истощение; 48. а) б) в) г) 52. а) б) в) г) 53. а) б) промышленном использовании природных территорий; применении высокоэффективных комплексных удобрений. Верхняя граница жизни в биосфере ограничена : наличием пищевых ресурсов; наличием воздушно-кислородной среды; наличием нормального атмосферного; озоновым экраном. Газовый состав атмосферы, процент соотношения химических элементов, входивших в биогеохимический круговорот, в процессе эволюции: оставался одинаковым; постоянно менялся в глобальном масштабе; 64 в) г) 54. а) б) в) г) изменялся во времени, но сейчас возвращается к исходным показателям; менялся незначительно и только локально. Усложнение и увеличение связей в природе в процессе эволюции сделало биосферу: менее устойчивой к различным потрясениям; более устойчивой к различным потрясениям; не повлияло на ее устойчивость; лишь немного менее устойчивой. 55. В. И. Вернадский видел дальнейшее развитие биосферы в переходе ее в состояние: а) техносферы; б) антропосферы; в) ноосферы; г) урбосферы. Биосфера является одной из оболочек Земли, по возрасту она: самая древняя; равна всем другим оболочкам Земли, образовывались одновременно; в) самая молодая из оболочек Земли; г) чуть старше гидросферы. 57. При сравнении современной биосферы с ее предшественницами оказалось, что: а) ее газовый состав и процентное соотношение газов сильно изменились; б) газовый состав не менялся, менялось только процентное соотношение газов (парциальное давление); в) газовый состав не менялся; г) установить это не представляется возможным. 56. а) б) 58. Большой процент углерода в процессе существования биосферы накапливался в : а) сланцах и карбонатных породах; б) песчаниках; в) кремнийорганических породах; г) железных и марганцевых рудах. 59 а) б) в) В ходе эволюции сложился определенный баланс расхода и образования веществ и элементов: ресурсы азота практически неисчерпаемы, а запасы фосфора постепенно сокращаются; ресурсы азота и фосфора неисчерпаемы; ресурсы азота и фосфора сокращаются одновременно быстро; 65 г) ресурсы азота постоянно уменьшаются, а фосфора увеличиваются. 60. Прогноз дальнейшего развития биосферы указывает, что температура на планете: будет неуклонно понижаться; останется на прежнем уровне; будет неуклонно повышаться; будет лишь немного понижаться а) б) в) г) 61. а) б) в) г) 62. а) б) г) 63. а) б) в) г) 64. а) б) в) г) По цепям питания свинец накапливается в веществе в следующей последовательности: зоопланктон — рыбы — моллюски бентоса; чайки, бакланы — хищные рыбы — морские котики; бурые водоросли — кораллы — человек; различные рыбы — хищные птицы — водоросли — ракообразные. В биосфере Земли скопилось много углерода, причем его значительно больше содержится в: растворенном виде в морях и океанах в СО2, Н2, СО32- и ионов НСО32-, атмосфере в виде СО, СО2; в)почвах; животных и растениях. Какой химический элемент, используемый для производства батарей, ламп, в электрохимическом производстве хлора, для производства красок, пестицидов, измерительных приборов, в гидротехнике, при попадании в организм вызывает судороги параличи, психические расстройства, слепоту и обладает тератологическим действием (болезнь Минамата): Sb — сурьма; Fe — железо; Hg — ртуть; Сr — хром? В ходе эволюции сложился определенный баланс веществ и элементов: ресурсы азота практически неисчерпаемы, а запасы фосфора постепенно сокращаются; ресурсы азота и фосфора неисчерпаемы; ресурсы азота и фосфора одновременно быстро сокращаются; ресурсы азота постоянно уменьшаются, а фосфора увеличиваются. 66 65. а) б) в) г) В процессе эволюции трофическая пищевая емкость среды обитания человечества: возросла в тысячи раз; уменьшилась в сотни раз; не изменялась с времен первобытных людей; имеет тенденцию к понижению. 66. При подъеме к вершине горы происходит не только изменение влажности и температуры воздуха, но и: а) уменьшение радиоактивности; б) изменение атмосферного давления воздуха; в) уменьшение скорости ветра; г) пылевое загрязнение воздуха. 67. а) б) в) г) 68. а) б) в) г) Азот выделяется в воздух из почвы благодаря деятельности: нитрифицирующих бактерий; денитрифицирующих бактерий; аэробных бактерий; сапротрофных бактерий. Биогеохимический круговорот веществ в природе обеспечивается: за счет воздушного переноса; за счет питания растений; биогенной миграцией элементов; за счет энергетики воды, ветра и внутренней энергии Земли. 69. а) б) в) г) Озоновый слой атмосферы разрушается под действием: жесткой солнечной радиации; хлорфторорганических соединений; углекислого газа; изменения геомагнитных свойств атмосферы. 70. а) б) в) г) Плотность жизни зависит от ряда факторов, одним из которых является: наличие пищевых ресурсов; видовое разнообразие; атмосферное давление; климат. 71. а) б) в) г) В. И. Вернадский выделял три формы вещества на Земле: косное, некосное и воду; биокосное, (живое) органическое и воду; (живое) органическое, почва и вода; косное, биокосное и (живое) органическое 67 72. а) б) в) Основные водные массы гидросферы Земли сосредоточены в: ледниках; озерах; реках. 73. а) б) в) г) Преобладающими горными породами земной коры и газами в атмосфере являются: карбонаты, пески и кислород; мраморы, известняки и углекислый газ; базальты, граниты и азот; граниты, карбонаты и азот. 74. а) б) в) г) Весь кислород атмосферы накопился за счет: почвенных существ; химических процессов в недрах Земли; фотосинтеза; водных животных. 75. а) б) в) г) Важными свойствами живого вещества планеты является: накопление и перераспределение вещества на Земле; излучение тепла (энергии); поглощение тепла и воды; уничтожение ресурсов Земли. 76. Основным энергетическим источником для жизни на Земле является: космическая энергия и энергия воды и ветра; солнечная энергия; внутренняя энергия Земли; энергия самих живых организмов Земли. а) б) в) г) 77. Биогенные элементы биосферы способны перемещаться не только благодаря силе тяжести, стекая с суши по рекам в моря и океаны, где они в конце концентрируются, но и поступать обратно, например, к верховьям рек, в результате: а) тектонических подвижек, землетрясений и вулканизма; б) воздушного переноса и благодаря дождям и ураганам; в) функционирования пищевых цепей, благодаря хищным и рыбоядным птицам, а также различным рыбам; г) деятельности различных детритофагов. 78. Развитие живого вещества биосферы заключается в: а) повышении уровня его организации и приспособленности к окружающей среде; б) активном размножении и расселении по планете; в) увеличении численности особей и видового разнообразия; г) увеличении площади, занимаемой живым веществом Земли. 68 79. а) б) в) г) 80. а) б) в) г) 81. а) б) в) г) 82. а) б) в) г) 83. а) б) в) г) 84. а) б) в) Биологический круговорот веществ представляет собой: полностью замкнутый цикл, включаю обмен веществом и энергией; открытый циклический процесс обмена веществом и энергией, обусловленный жизнедеятельностью живых существ планеты; обмен энергией и веществом между верхними слоями земных недр и поверхностью Земли; обмен веществом и энергией, осуществляется исключительно в воздушной среде позвоночными животными. Основные виды взаимодействия живого вещества с окружающей средой: энергетическое, вещественное и информационное; электромагнитное, радиационное и химическое; молекулярное, генетическое, пространственное; микроволновое и пространственное. Практически весь кислород атмосферы Земли накоплен за счет: космических процессов, происходивших за делами планеты; процессов, происходивших в древних горных породах Земли; фотосинтеза зеленых растений в прошлые геологические эпохи; вулканических выбросов из недр Земли. Круговороты важнейших биогенных элементов в биосфере, созданные живыми организмами, подразделяются на: круговороты газов и осадочные круговороты; круговороты газов и металлов; круговороты растворов и горных пород; круговороты органических и неорганических веществ. Многие морские виды накапливают в своих скелетах кальций, кремний или фосфор и, отмирая, создают на дне морей и океанов большие толщи: вулканических горных пород; осадочных органогенных пород; метаморфических и магматических органогенных пород; таких специальных пород не существует. Ежегодно в круговорот веществ поступает много млрд т растительной продукции как с суши, так и из океанов, причем с суши поступает: в два раза больше, чем из океанов; в два раза меньше, чем из океанов; приблизительно столько же, сколько и из океанов; 69 г) в десять раз меньше, чем из океанов. 85. а) б) в) Денитрифицирующие бактерии способствуют: накоплению азота в горных породах; выделению азота из почвы в атмосферу; накоплению азота в осадочных породах морен и океанов; выделению азота из растений и животных. Биогенная миграция элементов осуществляет: образование осадочных горных пород; биогеохимический круговорот веществ в воде; процесс восстановления нарушенных земель; перенос веществ внутри суши. г) 86. а) б) в) г) 87. а) б) в) г) 88. а) б) в) г) Максимальная толщина почвенного слоя характерна для следующих почв: бурые почвы, 2 м; серые лесные почвы, 3 м; чернозем, более 10 м; чернозем, до 6 м. Основные горные породы земли и металлы, слагающие земную кору: карбонаты, мраморы и алюминий; базальты, граниты и алюминий; граниты, гнейсы и железо; базальты, граниты и медь. 89. Экологические факторы, одинаково воздействующие на развитие современных природных популяций человека и животных, это: а) климат, размеры особей, численность особей, пища; б) пища, болезни; в) пища, продолжительность жизни, хищники; г) болезни, климат, размеры ареала. 90. а) б) в) г) Экосоциальные болезни нашего века отличаются от болезней прошлых столетий тем, что сейчас на первый план вышли: инфекционные болезни; сердечно-сосудистые, онкологические и легочные заболевания; травматизм, инфекционные болезни и болезни органов чувств (глаз, ушей и т. д.); болезни нервной и опорно-двигательной систем. 91. Предельная численность любого вида в естественных условиях ограничивается: 70 а) б) в) г) экологическими условиями среды; размерами его среды обитания; количеством особей и климатом; экологической емкостью среды его обитания. 92. Медицинская экология — это прикладная дисциплина, которая изучает: а) влияние промышленного загрязнения на функционирование различных компонентов экосистем; б) возможности создания безотходных технологий; в) влияние промышленного производства на здоровье человека; г) взаимовлияние природных экосистем и объектов промышленного производства. 93. Свинец (Рb), ионы которого вызывают анемию, почечную недостаточность, заболевания легких и замещают ионы кальция (Са) в костях, используют в производстве: а) труб, красок и автомобильного топлива; б) солнечных батарей и космических антенн; в) калийных и фосфорных удобрений; г) ртутных батарей, ламп, красок, пестицидов. 94. Степень восприимчивости различных организмов тканей и клеток к действию ионизирующих излучений называют: а) реакционной способностью; б) радиопротекцией; в) радиочувствительностью; г) радиоактивностью. 95. а) б) в) г) 96. а) б) в) г) Отравление организма, вызванное накоплением ионов мышьяка (As), который используется при производстве пестицидов и моющих средств, проявляется в: поражении костного мозга и нарушении образования клеток крови; почечной недостаточности, раке легких и кожи, умственных расстройствах; заболеваниях легких и верхних дыхательных путей; поражении клеток железистого эпителия желудка и кишечника. Повреждение зубной эмали вызывает избыток в питьевой воде ионов: Са — кальция; Si — кремния; F — фтора; S — серы. 71 97. а) б) в) г) 98. а) б) в) г) Уменьшение толщины озонового слоя в верхних слоях атмосферы даже на 0,1% приводит к повышению уровня заболеваний: органов дыхания; пищевода и желудка; кожи; органов выделения. Выпадение волос у людей, шерсти у овец и перьев у птиц вызывается повышенным содержанием в окружающей среде ионов: Hg — ртути; Se — селена; As — мышьяка; Рb — свинца. Отравление ионами свинца (Рb), который используется в производстве труб, красок и автомобильного топлива, вызывает: а) анемию, почечную недостаточность, заболевания легких, замещение ионов кальция (Са) в костях; б) почечнокаменную болезнь, гипертонию, уменьшение гемоглобина в крови вследствие замещения в организме ионов цинка (Zn); в) параличи, судороги, психические расстройства, слепоту и различные уродства; г) нарушение образования клеток крови. 100. Использованные люминесцентные лампы являются источниками одного из наиболее опасных ядов — ионов: а) Рb — свинца; б) Hg — ртути; в) Сd — кадмия; г) Ni — никеля. 99. 72 ЛИТЕРАТУРА 1. Арзамасцев А. П. Основы экологии и охраны природы. Учебное пособие. М., 2005. 2. Арзамасцев А. П. Основы экологии и охраны природы. Практикум. М., 2005. 3. Арзамасцев А.П., Коваленко Л.И. «Основы экологии и охраны окружающей среды» терминологический словарь М, 2001. 4. Хван Т.А., Промышленная экология. Учебное пособие, Ростов н/Д «Феникс», 2003. 5. Садовникова Л.К., Орлов Д.С., Лозановская И.Н. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении. Учебное пособие, М., «Высшая школа», 2006. 6. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология. М., «Дрофа», 2005. 73