Биотическая регуляция окружающей среды (1 раздел) ?>

Биотическая регуляция окружающей среды (1 раздел)

1. УСТОЙЧИВОСТЬ КЛИМАТА ЗЕМЛИ

Биота стабилизирует климат
Биота стабилизирует климат

Вводный раздел данной публикации здесь->

Источник: ЭКОЛОГИЯ, 1999, №2, с. 105-113 Оттиск всей статьи в формате PDF (710 Кб)

Обновленное рассмотрение проблемы устойчивости климата представлено в следующих публикациях:
Макарьева А.М. и Горшков В.Г. (2001) Доклады РАН, 376(6), 810-814 (PDF, 0.7 Мб).
Горшков В.Г. и др. (2001) Известия РАЕН, № 7 (2001): 62-74 (PDF, 1.0 Мб).
Gorshkov V.G., Makarieva A.M. (2002) Atmos. Chem. Phys. Discuss., 2, 289-337.

Приземная температура Земли является важнейшей характеристикой климата. Существование биоты может поддерживаться в достаточно узком температурном интервале, при котором вода находится в жидкой фазе. При температурах ниже точки замерзания воды может поддерживаться жизнь только теплокровных млекопитающих и птиц. При температурах, близких к точке кипения, могут выживать только некоторые бактерии горячих источников. Оптимальный для биоты температурный интервал окружающей среды заключается между 10 и 20 градусами Цельсия. Именно в этом интервале поддерживалась среднеглобальная приземная температура Земли на протяжении последних сотен миллионов лет, опускаясь до 10 оС в ледниковые периоды и поднимаясь до 20 оС в наиболее теплые периоды. Современная среднеглобальная приземная температура равна 15 оС. Отклонения от этой температуры на протяжении последних столетий не превосходили нескольких десятых градуса (Горшков, 1995).

Постоянная температура земной поверхности поддерживается солнечным излучением. Величина потока солнечного излучения определяется расположением планеты на околосолнечной орбите. Солнечное излучение, падающее на планету, частично отражается. Это делает планеты и их спутники видимыми на небосводе подобно звездам. Отраженная планетой часть солнечного излучения носит название альбедо.

Поглощенная планетой часть солнечного излучения нагревает поверхность планеты, что приводит к тепловому излучению планеты обратно в космос. Тепловое излучение поглощается так называемыми парниковыми газами атмосферы и частично возвращается обратно на поверхность планеты, что приводит к дальнейшему разогреву поверхности и повышению ее температуры. Это явление носит название парникового эффекта. Парниковые газы составляют ничтожно малую часть газовой концентрации атмосферного воздуха. Основные газы атмосферы азот (N2) и кислород (O2) не обладают парниковым эффектом.

Главным парниковым газом являются водяной пар, относительное содержание которого в атмосфере составляет менее 0,3%. Следующим по значению является двуокись углерода (СО2) с относительным содержанием порядка 0,03%. Относительное содержание остальных парниковых газов не превосходит (3 x 10-4) %.

Существует два физически выделенных устойчивых состояния климата это состояние полного оледенения поверхности с температурой, близкой к -100 oС, или состояние полного испарения океанов с температурой, близкой к +400 oС. Эти состояния земного климата близки к устойчивым климатам Марса или Венеры (см. Таблицу). В обоих этих состояниях никакая жизнь невозможна. В настоящее время не обнаружены физические барьеры, которые препятствовали бы переходу современного земного климата в эти два устойчивые состояния (см. рисунок). Такие переходы могли бы произойти за времена меньшие десяти тысяч лет.

Жизнь существует на Земле на протяжении 3,85 млрд. лет (Hayes, 1996). Все это время средняя приземная температура заведомо не выходила за пределы 5 — 50 оС и последние шестьсот миллионов лет колебалась в пределах 10 — 20 оС (Горшков, 1995). Это состояние климата ничем физически не выделено. Единственным объяснением существовавшей устойчивости пригодного для жизни климата Земли является предположение о действии биотической регуляции окружающей среды. Биотическая регуляция окружающей среды означает, что поведение альбедо, парникового эффекта и всех других важных для жизни характеристик климата Земли, на которые жизнь может воздействовать, находятся под контролем глобальной биоты (см. Рис. 1 и Приложение).

 	  По оси ординат отложены значения потенциальной функции 4U/I (см. Приложение) в зависимости от абсолютной температуры T. Штриховая линия описывает физические состояния полного оледенения, 1, и полного испарения океанов, 3, которые отделены друг от друга физическим барьером с максимумом в области T » 300 K (27 оС). Сплошная линия включает современное состояние климата 2, которое определяется устойчивым минимумом, отделенным от состояний 1 и 3 потенциальными барьерами, поддерживаемыми биотой. Эти барьеры имеют максимум вблизи точек пересечения потенциальной кривой 2 (см. таблицу) с потенциальными кривыми 1 и 3. Заштрихована область наблюдаемых температур земного климата.
Рисунок. По оси ординат отложены значения потенциальной функции 4U/I (см. Приложение) в зависимости от абсолютной температуры T. Штриховая линия описывает физические состояния полного оледенения, 1, и полного испарения океанов, 3, которые отделены друг от друга физическим барьером с максимумом в области T » 300 K (27 оС). Сплошная линия включает современное состояние климата 2, которое определяется устойчивым минимумом, отделенным от состояний 1 и 3 потенциальными барьерами, поддерживаемыми биотой. Эти барьеры имеют максимум вблизи точек пересечения потенциальной кривой 2 (см. таблицу) с потенциальными кривыми 1 и 3. Заштрихована область наблюдаемых температур земного климата.

Разберем теперь конкретные механизмы биотической регуляции окружающей среды. Продолжение->

Приложение
ФИЗИЧЕСКИ И БИОТИЧЕСКИ УСТОЙЧИВЫЕ КЛИМАТЫ ЗЕМЛИ

Тепловой баланс земной поверхности определяется уравнением:

,    (1)

где T = t + 273 oC — абсолютная температура в градусах Кельвина, t — температура в градусах Цельсия, I — солнечная постоянная, A — альбедо, a — коэффициент парникового эффекта, s — постоянная Стефана-Больцмана, с — средняя глобальная плотность теплоемкости на единицу площади земной поверхности, cT — тепловая энергия единицы площади земной поверхности, t — время; принято, что коэффициенты a и b в общем случае зависят от температуры T (см. таблицу). Правая часть (1) может рассматриваться как сила, равная по определению отрицательному градиенту потенциальной функции U (функции Ляпунова) по температуре T.

Функцию U получаем интегрированием (1). Постоянную интегрирования фиксируем условием обращения минимального значения U в ноль. В области, где коэффициенты a и b являются постоянными, имеем:

,  (2)

где T0 — равновесная стационарная температура, возникающая при Устойчивым стационарным состояниям соответствует неравенство Все состояния в области постоянных, не зависящих от температуры коэффициентов a и b являются устойчивыми.

Состояния полного оледенения 1 и полного испарения океанов 3 (см. рисунок) соответствуют твердому и газообразному состояниям воды (см. таблицу), в которых альбедо и парниковый эффект мало меняются с изменением температуры, и коэффициенты a и b в (1) и (2) можно считать постоянными. Современное состояние климата, расположенное в области температур жидкой фазы воды, соответствует физически изменяющимся с температурой коэффициентам a и b и в пределах точности современных данных (North et al., 1981; Горшков, 1995) не является физически устойчивым по отношению к переходу в состояния 1 или 3 (см. рисунок, штриховая линия). Устойчивость современного климата может обеспечиваться биотической регуляцией окружающей среды, в результате которой, несмотря на наблюдаемые широтные изменения коэффициентов a и b с температурой (North et al., 1981), их среднеглобальные значения, по-видимому, поддерживаются практически постоянными, и возникает соответствующая устойчивая потенциальная яма, отделенная от состояний 1 и 3 потенциальными барьерами (см. рисунок, сплошная линия). Переходы между состояниями возможны вблизи точек пересечения соответствующих потенциальных кривых, которые приближенно определяют максимумы барьеров.

Таблица. Термические характеристики планет (по Mitchell, 1989)

Планеты

Солнечная постоянная

A = a = 0
(орбитальная температура)

A > 0, a = 0
(тепловое излучение в космос)

A > 0, a > 0
(средние значения на поверхности планет)

I, Вт/м2

t, oC

A, %

t, oC

a, %

t, oC

Марс

589

-48

15

-56

7

-53

Венера

2613

+58

75

-41

99

+460

Земля

1367

+5

30

-18

40

+15

Земля при полном оледенении

80

7

-90

Земля при полном испарении океанов

75

99

+400

Примечание:

I солнечная постоянная мощность потока солнечного излучения на единицу перпендикулярной поверхности на орбите планеты; A альбедо отношение отраженного потока к полному потоку солнечного излучения; a коэффициент парникового эффекта отношение потока теплового излучения, отраженного атмосферой обратно к поверхности Земли, к полному тепловому излучению поверхности планеты. При полном оледенении Земли ее альбедо принято равным альбедо ледникового и снежного покровов, а коэффициент парникового эффекта принят равным коэффициенту парникового эффекта Марса. При полном испарении океанов парниковый эффект и альбедо приняты равными соответствующим величинам на Венере.

Следующий раздел->

GD Star Rating
loading...

Еще статьи на тему:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Подпишитесь на рассылку

Введите Ваш E-mail, что бы быть в курсе


Subscribe!