Экология Наземно-воздушная среда. Наземновоздушная среда обитания Воздух как экологический фактор

• Название: Наземновоздушная среда обитания Воздух как экологический фактор
• Дата: 13.11.2022
• Размер: 1 Mb.
• Имя файла: Экология Наземно-воздушная среда.docx
• Тип: Документы; #786758

Наземно-воздушная среда обитания

1.Воздух как экологический фактор.

2.Химический состав воздуха и его воздействие на растений и животных.

3.Аэробные и анаэробные организмы.

4.Использование живыми организмами вертикальных перемещений воздушных масс.

5.Ветер как экологический фактор в жизни растений и животных.

6.Давление воздуха как экологический фактор.

7.Орографичиские факторы.



Среди факторов окружающей среды, оказывающих постоянное и непосредственное воздействие на живые организмы, воздух играет наиболее важную роль. Значение атмосферного воздуха чрезвычайно многогранно. Прежде всего, воздух нужен как постоянный источник кислорода, необходимый для окислительных процессов и сохранения жизни.

Воздух как экологический фактор характеризуется постоянством состава – кислорода в нём обычно около 21%, углекислого газа 0,03%. Без воздуха не могут существовать ни зелёные растения, ни аэробные микроорганизмы, ни животные. Кислород необходим для дыхания большинства организмов, а углекислый газ используется при фотосинтезе.

По химическому составу чистый атмосферный воздух представляет собой смесь газов: кислорода, углекислого газа, азота, а также целого ряда инертных газов (аргон, гелий, криптон и др).

У поверхности Земли в атмосферном воздухе содержится: кислорода – 20,93%; азота – 78,1%; углекислого газа – 0,03% – 0,04%, а также встречаются различные примеси газообразных, капельно-жидких и твёрдых (пылевых) частиц, попадающих в атмосферу из локальных источников, которые могут иметь существенное экологическое значение.

Кислород – самая важная для жизни часть воздуха. Он необходим для окислительных процессов и находится в крови, в основном, в связанном состоянии – в виде оксигемоглобина. Высокое содержание кислорода способствовало повышению обмена веществ у наземных организмов по сравнению с первичноводными. Именно в наземной обстановке, на базе высокой эффективности окислительных процессов в организме, возникла гомойотермия животных.



Углекислый газ. Углекислый газ, или диоксид углерода, в природе находится в свободном и связанном состоянии. В природе происходят непрерывные процессы выделения и поглощения диоксида углерода В атмосферу он выделяется в результате дыхания человека и животных, а также процессов горения, гниения, брожения. Наряду с процессами образования в природе идут процессы ассимиляции диоксида углерода – активное поглощение растениями в процессе фотосинтеза. В современных условиях мощным источником поступления дополнительных количеств угл газа в атмосферу стала деятельность человека по сжиганию ископаемых запасов топлива. В высоких концентрациях углекислый газ токсичен. В природе такие концентрации встречаются редко.



Азот воздуха для большинства обитателей наземной среды представляет инертный газ, но ряд микроорганизмов

(клубеньковые бактерии, азотобактер, сине-зелёные водоросли и др) обладают способностью связывать его и вовлекать в биологический круговорот.

Местные примеси, поступающие в воздух, также могут существенно влиять на живые организмы. Это особенно относится к ядовитым газообразным веществам – метану, оксиду серы, оксиду углерода, оксиду азота, сероводороду, соединениям хлора, а также к частицам пыли, сажи и т.п. Например SO₂ раздражает слизистую оболочку дыхательных путей животных, CO взаимодействует с гемоглобином крови животных, образуя нерастворимые соединения и в результате этого нарушается тканевое дыхание и наступает удушье.



Аэробными организмами называются такие организмы, которые способны жить и развиваться только при наличии в среде свободного кислорода, используемого ими в качестве окислителя. К аэробным организмам принадлежат все растения, большинство простейших и многоклеточных животных, почти все грибы, то есть подавляющее большинство известных видов живых существ.

У животных жизнь в отсутствие кислорода (анаэробиоз) встречается как вторичное приспособление. Аэробные организмы осуществляют биологическое окисление главным образом посредством клеточного дыхания. В связи с образованием при окислении токсичных продуктов неполного восстановления кислорода, аэробные организмы обладают рядом ферментов (каталаза, супероксиддисмутаза), обеспечивающих их разложение и отсутствующих или слабо функционирующих у облигатных анаэробов, для которых кислород оказывается вследствие этого токсичным.

Наиболее разнообразна дыхательная цепь у бактерий, обладающих не только цитохромоксидазой, но и другими терминальными оксидазами.

Особое место среди аэробных организмов занимают организмы, способные к фотосинтезу, - цианобактерии, водоросли, сосудистые растения. Выделяемый этими организмами кислород обеспечивает развитие всех остальных аэробных организмов.

Организмы, способные развиваться при низкой концентрации кислорода (≤ 1 мг/л), называются микроаэрофилами.

Анаэробные организмы способны жить и развиваться при отсутствии в среде свободного кислорода. Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер, открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Распространены они главным образом среди прокариот. Метаболизм их обусловлен необходимостью использовать иные окислители, чем кислород.

Многие анаэробные организмы, использующие органические вещества (все эукариоты, получающие энергию в результате гликолиза), осуществляют различные типы брожения, при которых образуются восстановленные соединения - спирты, жирные кислоты.



Другие анаэробные организмы - денитрифицирующие (часть из них восстанавливает окисное железо), сульфатвосстанавливающие, метанообразующие бактерии - используют неорганические окислители: нитрат, соединения серы, СО₂.

Анаэробные бактерии разделяются на группы маслянокислых и т.д. в соответствии с основным продуктом обмена. Особую группу анаэробов составляют фототрофные бактерии.

По отношению к О₂ анаэробные бактерии делятся на облигат- ных,которые неспособны использовать его в обмене, и факультативных (например, денитрифицирующие), которые могут переходить от анаэробиоза к росту в среде с О₂.

На единицу биомассы анаэробные организмы образуют много восстановленных соединений, основными продуцентами которых в биосфере они и являются.

Последовательность образования восстановленных продуктов (N₂, Fe^2+, H₂S, CH₄), наблюдаемая при переходе к анаэробиозу, например в донных отложениях, определяется энергетическим выходом соответствующих реакций. Анаэробные организмы развиваются в условиях, когда О2 полностью используется аэробными организмами, например в сточных водах, илах.

Таким образом, связь между перемещением воздуха и атмосферным давлением двусторонняя: без разности давлений не было бы движения воздуха, но без движения воздуха не было бы и разности давлений. Поясним это следующим образом.

Представим себе два одинаковых по высоте и по площади сечения столба жидкости и допустим, что плотность жидкости равна единице, площадь поперечного сечения столба — одной квадратной единице площади, а высота столба — четырём линейным единицам. Тогда объём каждого столба будет четыре объёмные единицы, а вес — четыре весовые единицы. При условии, что жидкость в обоих столбах имеет одинаковую температуру, давление её на плоскость АВ в обоих столбах будет одинаковым, а именно четыре весовые единицы, равно как и на уровнях А₁В₁, А₂В₂, А₃В₃ и А₄В₄, отстоящих от плоскости АВ на одну, две, три и четыре линейные единицы: на высоте А₁В₁ давление будет равно трём весовым единицам, на высоте А₂В₂ двум, на уровне А₃В₃ одной единице и на уровне А₄В₄ нулю. Поверхность, на которой все точки испытывают одинаковое давление, называется изобарической. В нашем случае изобарические поверхности, проведённые на любой высоте в обоих столбах жидкости, будут параллельны друг другу и плоскости АВ.

Допустим далее, что температура левого столба стала большей и высота его (при неизменном поперечном сечении) в результате расширения увеличилась ещё на одну линейную единицу (до уровня A₅B₅); температура правого столба сохранила своё прежнее значение. Очевидно, что объём левого столба стал равным пяти объёмным единицам, вес остался неизменным (четыре весовые единицы), а плотность жидкости стала равной 4:5 = 0,8.

Легко видеть, что после нагревания левого столба давление его на поверхность АВ нисколько не изменилось: 0,8 X 5 = 4 весовые единицы. Однако оно изменилось на более высоких уровнях. На уровне А₁В₁ раньше давление было равно 3, теперь же 0,8 X 4 = 3,2. На высоте А₂В₂ вместо 2 оно стало равным 0,8 X 3 = 2,4; на высоте А₃В₃. вместо 1 стало равным 0,8 X 2 = 1,6, а на высоте А₄В₄ вместо 0 оказалось 0,8 X 1 = 0,8.

Сравнив теперь давления на одних и тех же уровнях в левом и правом столбах, убеждаемся, что они различны, и чем выше уровень, тем сильнее это различие. Если оба столба не изолированы друг от друга, то для выравнивания давлений на одних и тех же уровнях начнётся перемещение жидкости, и прежде всего от верхней части левого столба к верхней части правого столба. Нагретый столб при этом теряет вещество и становится легче, более холодный правый столб получает вещество и становится тяжелее, т. е. давление правого столба на плоскость АВ увеличивается, давление левого столба на ту же плоскость ослабевает. Это немедленно влечёт за собой перемещение жидкости от нижней части холодного столба к нижней части тёплого. Таким путём устанавливается циркуляция жидкости: поверху — от левого столба к правому, понизу — от правого к левому, снизу вверх — в левом столбе, сверху вниз — в правом столбе.

Примерно то же происходит и в атмосфере. Нагревание столба воздуха приводит к его вертикальному растяжению, к наклону на высоких уровнях изобарических поверхностей в сторону более холодного столба воздуха и, следовательно, к перемещению воздуха вдоль этого уклона; в результате на низких уровнях создаётся уклон изобарических поверхностей от холодного столба к тёплому и движение воздуха по поверхности земли от холодных мест к тёплым.

Таким образом, в атмосферной циркуляции, возникающей между холодными и тёплыми районами, можно различать две противоположно направленные горизонтальные ветви (верхнюю и нижнюю) и две противоположно направленные вертикальные ветви (подъём воздуха, опускание воздуха). Горизонтальные ветви могут простираться на тысячи километров, длина вертикальных ветвей, очевидно, не превосходит максимальной высоты тропосферы, т. е. 16 км. Вместе с тем роль вертикальных движений атмосферы исключительно велика и в некоторых отношениях даже выше, чем роль горизонтальных перемещений, так как образование атмосферных осадков связано преимущественно с восходящими движениями воздуха.

Движение воздуха осложняется рядом факторов. Прежде всего оно задерживается трением, как внутренним, так и внешним (о земную поверхность). На больших высотах трение резко падает, вследствие чего скорость ветра сильно увеличивается.

Если горизонтальное перемещение воздуха (т. е. ветер) захватывает большое расстояние, на его направлении сказывается отклоняющая сила вращения Земли, эффект которой пропорционален скорости ветра и географической широте. В северном полушарии ветер отклоняется вправо от направления градиента давления, всегда перпендикулярного к изобарам (т. е. линиям, соединяющим точки одинакового атмосферного давления). Отклонение может достигать такой величины, что воздух будет перемещаться уже параллельно изобарам. Если воздух движется при этом по замкнутым изобарам, на него будет действовать ещё и центробежная сила, всегда направленная от центра системы замкнутых изобар. Как увидим впоследствии, в результате влияния отклоняющей силы вращения Земли создаются динамические условия для неравномерного распределения давления по Земле, и роль этих динамических причин не меньшая, чем роль тепловых факторов.

Вертикальные движения атмосферы (поднятия и опускания) бывают иногда вызваны существованием механических препятствий, но обычно они связаны с изменением веса единицы объёма воздуха, которое обусловлено изменением температуры и влажности воздуха.

Воздух, поднимающийся кверху, попадает в области всё более и более ослабевающего давления. Это позволяет ему расширяться. На расширение затрачивается известная работа, а в связи с ней известное количество тепла. В результате воздух охлаждается. Если при этом он ниоткуда не получает тепла и никуда тепла не отдаёт, то весь описанный выше процесс, протекающий без обмена тепла с окружающей средой, называется адиабатическим, или динамическим охлаждением. Сухой (т. е. не насыщенный водяным паром) воздух при подъёме на каждые 100 м испытывает адиабатическое охлаждение на 1° (точнее, на 0°, 977).

Опускающийся воздух, попадая в область возрастающего давления, сжимается окружающим его воздухом; работа, затрачиваемая на сжатие, вызывает увеличение внутренней энергии опускающегося воздуха, что и обнаруживается повышением температуры последнего. В результате воздух испытывает адиабатическое нагревание, которое составляет 1° при опускании на каждые 100 м.

Абсолютно сухого воздуха на Земле нет; в каждой восходящей воздушной массе содержится то или иное количество водяного пара. С увеличением высоты восхождения и, следовательно, с прогрессирующим адиабатическим охлаждением, имеющийся в воздухе водяной пар всё более и более приближается к состоянию насыщения. Пока насыщение не достигнуто, охлаждение равно 1° на каждые 100 м подъёма. Но с того момента, когда воздух окажется насыщенным и начнется конденсация водяного пара, процесс перестает быть адиабатическим, так как воздух получает теплоту, освобождающуюся при конденсации водяного пара. В дальнейшем при подъёме на каждые 100 м воздух охлаждается уже медленнее, а именно — от 0,3 до 0°,9 (в зависимости от ряда условий), но в среднем на 0°,5.

Когда влажный (насыщенный) воздух опускается, величина его адиабатического нагревания такая же, как и у сухого (ненасыщенного) воздуха, т. е. 1° на 100 м, если только в нём нет взвешенных капелек воды или кристалликов льда, на испарение которых тратится некоторое количество тепла, что несколько уменьшает величину нагревания.

Если воздушная масса поднялась на известную высоту, стала насыщенной, поднялась на некоторую дополнительную высоту после насыщения, а затем опустилась обратно к поверхности Земли, то очевидно, что температура её будет больше той, какую она имела в начале подъёма.

Условия подъёма и опускания воздушных масс зависят от существующих соотношений между вертикальным градиентом температуры и только что рассмотренным адиабатическим градиентом. Первый, как известно, составляет 0°,6 на 100 м, но это величина средняя: она может колебаться в довольно значительных пределах.

Допустим, что в атмосфере температура убывает с высотой на 1° на каждые 100 м. Тогда ясно, что воздушная масса, поднимающаяся в этой атмосфере кверху и испытывающая адиабатическое охлаждение (т. е. тоже 1° на каждые 100 м), в любой точке будет иметь ту же температуру и плотность, что и окружающий её воздух. В этом случае говорят о безразличном равновесии воздушной массы.

Допустим, что вертикальный температурный градиент представлен своим средним значением (т. е. 0°,6 на каждые 100 м). Тогда соотношения между восходящим воздухом и окружающей атмосферой уже другие. На высоте 1 км падение температуры в атмосфере составит 6°, а восходящая и адиабатически остывающая масса воздуха на той же высоте охладится на 10°; значит, на этом уровне она окажется холоднее окружающего воздуха, плотнее и получит стремление вернуться к исходному положению, т. е. опускаться. В этом случае говорят об устойчивом равновесии. Если иметь дело не с восходящей, а с нисходящей массой в аналогичных условиях, равновесие тоже окажется устойчивым, потому что нисходящий поток воздуха окажется теплее окружающей среды и получит стремление к подъёму, т. е. опять-таки к возврату в исходное положение.

Наконец, в третьем случае, когда градиент температуры воздуха больше адиабатического, всякая восходящая масса делается теплее и легче (получает импульс подниматься ещё выше), а всякая опускающаяся — холоднее и тяжелее окружающей атмосферы (получает импульс опускаться ещё ниже). Это — неустойчивое равновесие.

Восходящий воздух охлаждается, что при достаточной степени охлаждения приводит к конденсации одержащегося в нём водяного пара. Стало быть, восходящие ветви атмосферных циркуляций являются активными деятелями образования атмосферных осадков.



Воздух, как и другие факторы среды, оказывает на организмы прямое и косвенное действие. При прямом воздействии он имеет небольшое экологическое значение. Косвенное влияние воздуха осуществляется через ветры.

В регионах, где постоянно дует сильный ветер, обычно беден видовой состав мелких летающих животных, поскольку они не могут противостоять ему при полёте. У животных, обитающих в таких местах, развиваются плотные покровы, предохраняющие тело от охлаждения и потерь влаги. Так, на океанических островах с постоянными сильными ветрами многие птицы и особенно насекомые утрачивают крылья и способность к полёту. Воздушные потоки выполняют определённую роль и в расселении растений и животных. На большие расстояния переносятся ветром споры микроорганизмов, цисты простейших. Даже более крупные животные используют потоки воздуха для расселения. Пауки разносятся ветром на паутине.

Малая плотность воздуха обуславливает низкую сопротивляемость передвижению. Поэтому многие наземные животные использовали в ходе эволюции экологические выгоды этого свойства воздушной среды, приобретя способность к полёту.

Малая плотность воздуха обусловливает сравнительно низкое давление на суше. В норме оно равно 760 мм рт. ст. С увеличением высоты над уровнем моря давление уменьшается. На высоте 5800 м оно равняется лишь половине нормального. Низкое давление может ограничивать распространение видов в горах. Для большинства позвоночных верхняя граница жизни около 6000 м. Снижение давления влечёт за собой уменьшение обеспеченности кислородом и обезвоживание животных за счёт увеличения частоты дыхания.



Орографические факторы - это особенности элементов рельефа (от греч. oros - гора и grapho - пишу). Они оказывают влияние на распространение организмов по земной поверхности. К таким факторам относятся:

• особенности элементов рельефа;

• высота над уровнем моря;

• экспозиция и крутизна склонов.

Рельеф создает разнообразные условия местообитания для растений и животных в связи:

• с изменениями температурных режимов;

• увлажнением почвенного покрова.

Характер воздействия рельефа определяется мощностью его развития. В связи с этим различают макро-, мезо- и микрорельеф:

• макрорельеф предопределяет не только распространение организмов по высотным зонам, но и оказывает косвенное влияние (горные сооружения), создавая барьерную роль на пути движения воздушных масс, порождая азональные ландшафты;

• мезорельеф оказывает воздействие на распределение зональных, интра- и экстразональных сообществ в пределах природных зон;

• микрорельеф (холмики, западины, блюдца) приводит к формированию небольших по размерам сообществ.

Подъем в гору часто напоминает путешествие от экватора к полюсу. При поднятии на каждые 100 м температура воздуха понижается в среднем на 0,5 °С. Увеличивается длительность вегетационного периода. У подножия гор могут находиться тропические моря, а на вершине дуют арктические ветры. С одной стороны горы может быть тепло и солнечно, с другой - холодно и влажно. Экспозиция склона: на северных склонах растения образуют теневые формы, на южных - световые. Крутизну склонов характеризуют быстрый дренаж и смывание почв, поэтому здесь почвы маломощные и сухие. Если уклон превышает 35°, почва и растительность обычно не образуются.