Баланс солнечной энергии на Земле. На каждый квадратный метр поверхности Земли от Солнца ежесекундно приходит энергия 1370 Дж (лекция 13). Эта энергия неравномерно распределена по спектральному диапазону (рис. 11.1).
Учитывая поглощение излучения атмосферой, можно сказать, что около дошедшего до Земли излучения 10% приходится на коротковолновый (ультрафиолетовый) диапазон, 45% - на видимую часть спектра, 45% - на инфракрасный диапазон. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,3 мкм практически полностью поглощается озоновым слоем.
Земля отражает часть падающей солнечной энергии. Мера этого (альбедо) определяется через отношение падающей и отраженной энергии. Величина альбедо зависит от характера поверхности. Чистый сухой снег отражает 90-95% падающей энергии (поэтому в горах крайне опасно находиться без солнечных очков, человек может ослепнуть - снежная слепота); сырой снег - 40-45%; сплошной поверхностный покров - 10-25%.
В среднем 30% энергии Солнца отражается, 69% идет на нагрев поверхности Земли и испарение воды, 0,2% тратится на механическую работу волн, течений, ветра и лишь 0,8% поступает в живую природу через фотосинтез - процесс образования (при участии энергии солнечного излучения) клетками высших растений, водорослей и некоторыми бактериями органических веществ. Основная энергия поступает в неживую природу.
202
При этом только около 1% падающей на растение солнечной энергии превращается в потенциальную энергию химических связей синтезированных органических веществ. Более половины этой энергии расходуется на обеспечение жизни самих растений и т.д.
Мы не будем рассматривать биохимические циклы, приводящие к этому. Для характеристик этих процессов на макроскопическом уровне можно использовать понятие продуктивности (скорости образования органического вещества на единицу площади или объема) живых организмов.
По оценкам, средняя чистая (за вычетом расходов на собственные нужды) продуктивность одного квадратного метра Земли составляет 0,3 кг в год. Это очень мало. При этом до 75% полной (валовой) продуктивности в высоких широтах и 40% - в низких широтах переходит в чистую продуктивность. То есть в высоких широтах эффективность фотосинтеза выше!
Низкая продуктивность биосферы есть проявление общесистемного правила - энергетическая стоимость поддержания структуры зависит от ее размеров. Чем больше и сложнее система, тем больше энергии необходимо тратить на внутренние потребности самой системы (дыхание, движение, поддержание температуры и т.п.). Иначе - тем меньше чистая продукция, избыточная по отношению к необходимым внутренним расходам.
Ограничителем роста системы является соотношение прихода и расхода энергии. Когда они равны, рост системы прекращается. Количество живого вещества, поддерживаемое в этих условиях, называется максимальной емкостью среды. По экспертным оценкам, оптимальная емкость, способная сохраняться длительное время, должна быть не более половины максимальной.
Замкнутые пути, по которым циркулируют химические элементы, носят название биогеохимических круговоротов или циклов. Только два химических элемента покидают Землю - водород и гелий. Остальные остаются в сфере влияния Земли и полностью участвуют в биогеохимических циклах.
203
Каждый круговорот состоит из двух основных частей.
Первая содержит сосредоточенный в геологических оболочках запас химических элементов, подверженный медленным превращениям и переходам из одних форм в другие.
Вторая - запас, находящийся в живой природе, участвующий в относительно быстрых превращениях органического мира.
Любой круговорот имеет три основных показателя: скорость (количество вещества, входящего или выходящего из цикла в единицу времени), время оборота (необходимое для полной смены всего вещества, вовлеченного в цикл), коэффициент рециркуляции (отношение возвращаемой доли по отношению к общему количеству вещества, вовлеченного в цикл).
По разным оценкам, гидросфера обновляется за период от 3000 до 2 миллионов лет, земные воды - за 5000 лет, почвенная влага - за 1 год. Углекислый газ совершает круговорот за 300 лет. Кислород оборачивается за 2000 лет.
Скорость оборота для леса может быть определена, например, по отношению сухого вещества подстилки к сухой массе опавших растений. Так, для заболоченных лесов это отношение равно 50, тундры - больше 20, тайги - до 20, степи - до 2, субтропиков - до 1, саванны - до 0,2, тропических лесов - не более 0,1. Исключительно быстрый круговорот в тропических лесах приводит к тому, что в почвах практически не происходит накопления органического вещества. Достаточно убрать лес - образуется пустыня.
Энергия Солнца используется только один раз. Она связывается зелеными растениями и далее циркулирует по пищевым цепям, проходя через травоядных, хищников и деструкторов (микроорганизмы, грибы и т.п., питающиеся мертвым органическим веществом).
В конце концов энергия Солнца высвобождается в виде тепла. Чем длиннее пищевые цепи, тем дольше солнечная энергия пребывает в структуре оборота живого вещества. Пищевые цепи не могут быть длинными, так как с одного звена на другое переходит не более 10% массы вещества, вовлеченного в кругооборот.
204
В любой пищевой цепи только часть энергии используется на накопление биомассы. Поэтому биомасса предшествующего звена всегда больше, чем следующего. В противном случае исчезли бы ресурсы для развития живой материи.
Данное явление было изучено Ч. Элтоном и носит название пирамиды Элтона. Пример такой пирамиды продемонстрирован модельным расчетом.
Пусть имеется поле люцерны площадью 4 га. На этом поле пасутся телята (и едят только люцерну), а телятиной питается 12-летний мальчик. Оценки показывают, что люцерна использует только 0,24% падающей на поле солнечной энергии, не более 8% которой приходится на телят, всего 0,7% энергии накопленной телятами, расходуется на рост и развитие ребенка с 12 до 13 лет.
Правило пирамиды универсально и объективно отражает круговорот веществ и энергии в биосфере.
- Опишите баланс солнечной энергии на Земле.
- Проанализируйте биогеохимический кругооборот на вашем садовом участке.
- Почему интенсивная вырубка лесов в районе Амазонки может привести к глобальной экологической катастрофе?
- Что такое "пищевая цепь"? Поясните понятие "пищевая пирамида". Постройте пищевую пирамиду с участием человека.
205
