Основы геоэкологии - [14]
Столь большие различия в площади зон указывают, при прочих равных условиях, на относительно более значительную для глобальной экологии роль процессов в тропической зоне и наименьшую – в полярной зоне.
II.3. Энергетические и вещественные особенности экосферы
Наиболее характерными особенностями любой сложной природной системы являются ее энергетическое и вещественное состояние и режим. В этой связи важнейшими факторами, определяющими режим и эволюцию экосферы, являются ее тепловой баланс и глобальные циклы вещества.
II.3.1. Тепловой баланс экосферы
Солнце – главный источник энергии, которая необходима для функционирования Земли как системы. Общее количество солнечной энергии, достигающей верхней атмосферы, составляет 5,49 · 10>24 джоулей за год. При этом поток солнечной радиации весьма мало изменяется во времени, обеспечивая устойчивую энергетику таких основных процессов экосферы, как общая циркуляция атмосферы и океана, выветривание и денудация верхних горизонтов литосферы, глобальные биогеохимические циклы вещества, образование первичной биологической продукции и пр. В частности, затраты солнечной энергии на испарение воды с поверхности океанов и суши определяют один из основных механизмов системы – глобальный гидрологический цикл, или круговорот воды.
Заметим, что другой источник энергии экосферы – поток из недр Земли к ее поверхности – в 20–30 тысяч раз меньше, чем поступление энергии от Солнца, хотя этот поток все же весьма значителен.
Для сравнения укажем, что человек использует сейчас примерно такое же количество энергии, как и поток из недр Земли.
Это иллюстрация того, что роль человека уже соизмерима с крупными природными процессами.
Солнечную энергию, приходящую к верхней границе атмосферы, постигают затем сложные преобразования[1]. Она частично:
а) рассеивается в атмосфере,
б) отражается от нее в мировое пространство,
в) достигает поверхности Земли.
В среднем для Земли почти половина солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы, достигает поверхности океанов и суши. В свою очередь, эта доля солнечной энергии:
а) отражается от поверхности Земли в атмосферу и за ее пределы,
б) нагревает поверхность почвы и океанов,
в) расходуется на испарение воды.
С точки зрения энергетического баланса экосфера – открытая система, потому что происходит свободный обмен энергией через границы системы. Несмотря на это, приходные и расходные части энергетического бюджета экосферы в высочайшей степени сбалансированы. Экосфера получает и теряет одинаковое количество энергии, что удерживает ее в относительно стабильном состоянии. Долговременные изменения теплового баланса Земли, как естественные, так и антропогенные, весьма малы по сравнению с основными компонентами теплового баланса, но именно эти изменения определяют вековые глобальные изменения климата.
В различных зонах поверхности Земли приток радиации не соответствует ее отдаче, так что радиационный баланс оказывается или положительным, или отрицательным, в полном соответствии с основными географическими закономерностями. Тепловое равновесие земной поверхности поддерживается межширотным обменом энергией посредством глобальной циркуляции атмосферы, а также и океана. Антропогенные изменения теплового баланса в отдельных точках или территориях (акваториях) могут вызывать изменения в циркуляции атмосферы с соответствующими воздействиями на климат.
II.3.2. Глобальные циклы вещества
Что касается обмена веществом, то он также происходит через границы экосферы, но интенсивность обмена ничтожно мала по сравнению с потоками вещества внутри системы. Из космоса, сквозь атмосферу на поверхность Земли выпадает примерно 40 млн тонн метеоритного вещества в год. Процессы обмена веществом внутри экосферы отличаются значительно большими размерами. Например, реки мира выносят в океаны порядка 20 млрд тонн наносов в год, это в две тысячи раз больше, чем привносится метеоритами. Поэтому можно сказать, что, с точки зрения геоэкологии, Земля и ее экосфера – это закрытые системы.
В закрытой системе неизбежно возникают циркуляционные движения вещества, что и происходит на Земле. Это круговороты вещества, такие как большой («геологический») круговорот, объединяющий разрушение и снос горных пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения, круговорот воды, биогеохимические циклы химических элементов, таких, например, как углерод, азот, фосфор, сера и др., общая циркуляция атмосферы, циркуляция вод океана. В сущности эти круговороты – один большой круговорот, разделяемый нами на отдельные составляющие для удобства нашего понимания глобальных процессов.
Любой глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков. Как правило, суммарная величина запасов значительно больше, чем потоков, что обеспечивает устойчивость круговорота. Одна из важных количественных характеристик – среднее время оборота вещества, вычисляемое как отношение запаса к потоку. Оно может определяться также для любой ветви круговорота (например, для ветви, описывающей круговорот углерода в наземной биоте).
Все естественные глобальные круговороты вещества отличаются чрезвычайно высокой степенью замкнутости. Современная продукция органического вещества в биосфере составляет 100 млрд т/год в единицах массы органического углерода. Эта величина соответствует 1000 млрд т живой массы. Время существования жизни на Земле – около 3,5 млрд лет. Если принять, что средняя продуктивность живой массы за это время равна 500 млрд т в год, то всего за время существования жизни образовалось приблизительно 2х10
