Атмосфера: состав, строение и ее значение в обеспечении жизни на земле. Экологические стратегии выживания популяций. Кривые выживания ос

1. Атмосфера: состав, строение и  ее значение в обеспечении  жизни на земле.

     Атмосфера Земли

     Атмосфе́ра — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля.  Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

     Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли.

     Состав  атмосферы

     Атмосфера Земли состоит в основном из газов  и различных примесей (пыль, капли  воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

     Концентрация  газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂).

     Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO₂, NH₃, СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I₂, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

     Строение  атмосферы

1. Тропосфера

     Тропосфе́ра — нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км.

     При подъёме в тропосфере температура понижается в среднем на 0,65 К через каждые 100 м и достигает 180÷220 К (—90 ÷ —53° C) в верхней части. Этот верхний слой тропосферы, в котором снижение температуры с высотой прекращается, называют тропопаузой. Следующий, расположенный выше тропосферы, слой атмосферы называется стратосфера.

     В тропосфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются и атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. Происходящие в тропосфере процессы обусловлены, прежде всего, конвекцией.

     Часть тропосферы, в пределах которой на земной поверхности возможно зарождение ледников, называется хионосфера.

2. Тропопауза

     Тропопа́уза — слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой; переходный слой от тропосферы к стратосфере. 
В земной атмосфере тропопауза расположена, на высотах от 8—12 км (над уровнем моря) в полярных районах до 16—18 км — над экватором. Высота тропопаузы зависит также от времени года (летом тропопауза расположена выше, чем зимой) и циклонической деятельности (в циклонах она ниже, а в антициклонах — выше).

     Толщина тропопаузы составляет от нескольких сотен метров до 2—3 километров. В субтропиках наблюдаются разрывы тропопаузы, обусловленные мощными струйными течениями. Тропопауза над отдельными районами часто разрушается и формируется заново.

3. Стратосфера

     Стратосфе́ра — слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0° С), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

     Именно  в стратосфере располагается  слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О₃) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общая масса О₃ составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7—4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Разрушение О₃ происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»).

     В стратосфере задерживается большая  часть коротковолновой части  ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц и других свечений.

     В стратосфере и более высоких  слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют — на атомы (выше 80 км диссоциируют СО₂ и Н₂, выше 150 км — О₂, выше 300 км — Н₂). На высоте 200-500  км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О⁺₂, О⁻₂, N⁺₂) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы — ОН•, НО•₂ и др.

     В стратосфере почти нет водяного пара.

4. Стратопауза

     Стратопа́уза — слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя слоями, стратосферой и мезосферой. В стратосфере температура повышается с увеличением высоты, а стратопауза является слоем, где температура достигает максимума. Температура стратопаузы — около 0 °C.

     Стратопауза находится на высоте 50 — 55 км над уровнем моря. Атмосферное давление составляет около 1/1000 от давления на уровне моря.

5. Мезосфера

     Мезосфе́ра — слой атмосферы на высотах от 40—50 до 80—90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум (порядка +50°C) температуры расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном. Термин принят Географическим и геофизическим союзом в 1951 году.

     Газовый состав мезосферы, как и расположенных  ниже атмосферных слоев, постоянен  и содержит около 80% азота и 20% кислорода.

     Мезосфера отделяется от нижележащей стратосферы стратопаузой, а от вышележащей термосферы — мезопаузой. Мезопауза в основном совпадает с турбопаузой.

     Метеоры начинают светиться и, как правило, полностью сгорают в мезосфере.

     В мезосфере могут появляться серебристые облака.

6. Мезопауза

     Мезопа́уза — слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя слоями, мезосферой и термосферой. На Земле располагается на высоте 80 — 90 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около −225 °C (температура постоянная или медленно повышается), выше неё (до высоты около 400 км) температура снова начинает расти. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. На этой высоте наблюдаются серебристые облака.

7. Линия Кармана

     Линия Ка́рмана — высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом.

     В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

     Название  высота получила по имени Теодора фон Кармана, американского учёного венгерского происхождения. Он первый определил, что примерно на этой высоте атмосфера становится настолько разрежённой, что аэронавтика становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, становится больше первой космической скорости. Поэтому, для достижения бо́льших высот необходимо пользоваться средствами космонавтики.

     Определение границы условно, так как в  действительности не существует какой-либо границы, за которой заканчивается атмосфера и начинается космос. Так, внешняя часть земной атмосферы, экзосфера, простирается до высоты 100 тыс. км и более, на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу.

8. Граница атмосферы Земли

     Принято считать, что граница атмосферы  земли и ионосферы находится  на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере  и ионосфере.

9. Термосфера

     Термосфе́ра — слой атмосферы, следующий за мезосферой, — начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро и разрывно возрастает и может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150—300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. В нижней части термосферы рост температуры в сильной мере обусловлен энергией, выделяющейся при объединении (рекомбинации) атомов кислорода в молекулы (при этом в энергию теплового движения частиц превращается энергия солнечного УФ-излучения, поглощённая ранее при диссоциации молекул O2). На высоких широтах важный источник теплоты в термосфере — джоулева теплота, выделяемая электрическими токами магнитосферного происхождения. Этот источник вызывает значительный, но неравномерный разогрев верхней атмосферы в приполярных широтах, особенно во время магнитных бурь.

10. Экзосфера (сфера рассеяния)

     Экзосфе́ра — самая внешняя часть верхней атмосферы Земли. Нижняя граница экзосферы — экзобаза — определяется из соотношения равенства длины свободного пробега высоте однородной атмосферы. Частицы экзосферы двигаются по баллистическим траекториям, поэтому при наличии у них второй космической скорости достаточно высока вероятность покинуть планету без столкновений. 
Протяжённую экзосферу планеты часто называют короной; она состоит из атомов водорода, «улетучивающихся» из верхней атмосферы. Геокорона распространяется вплоть до высот порядка 100 тыс. км.

     Экзосфера Земли состоит из ионизированного газа (плазмы); у её основания отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1, в верхней части экзосферы газ почти полностью ионизирован. Нижняя и средняя части экзосферы в основном состоят из атомов О и N, с увеличением же высоты быстро растет относительно концентрация лёгких газов, особенно ионизированного водорода. Газокинетическая температура составляет 1500—3000 К, она слабо растет с высотой. Рост солнечной активности приводит к потеплению экзосферы и к увеличению её толщины.

     До  высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~1500 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

     На  высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

     На  долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.

     В зависимости от состава газа в  атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км. 
 

2. Экологические стратегии выживания  популяций. Кривые выживания  особенности К- и r- видов.

     Экологическая стратегия выживания — стремление организмов к выживанию.

     Экологических стратегий выживания множество. Например, еще в 30-х гг. А. Г. Роменский (1938) среди растений различал три основные типа стратегий выживания, направленных на повышение вероятности выжить и оставить после себя потомство: виоленты, патиенты и экспле-ренты.

     Виоленты (силовики) — подавляют всех конкурентов, например, деревья, образующие коренные леса.

     Патиенты  — виды, способные выжить в неблагоприятных  условиях («тенелюбивые», «солелюбивые»  и т. п.)

     Эксплеренты (наполняющие) — виды, способные  быстро появляться там, где нарушены коренные сообщества, — на вырубках и гарях (осины), на отмелях и т. д.

     Все многообразие экологических стратегий  заключено между двумя типами эволюционного отбора, которые обозначаются константами логистического уравнения: r-стратегия и К-стратегия. Тип r-стратегия, или r-отбор, определяется отбором, направленным прежде всего на повышение скорости роста популяции и, следовательно, таких качеств, как высокая плодовитость, ранняя половозрел ость, короткий жизненный цикл, способность быстро распространяться на новые местообитания и пережить неблагоприятное время в покоящейся стадии. К-стратегия (или К-отбор) направлена на повышение выживаемости в условиях уже стабилизировавшейся численности. Это отбор на конкурентоспособность, повышение защищенности от хищников и паразитов, повышение вероятности выживаемости каждого потомка, на развитие более совершенных внутривидовых механизмов численности (Гиляров, 1990).

     Очевидно, что каждый организм испытывает на себе комбинацию г- и К-отбора, но г-отбор преобладает на ранней стадии развития популяции, а К-отбор уже характерен для стабилизированных систем. Но все-таки оставляемые отбором особи должны обладать достаточно высокой плодовитостью и достаточно развитой способностью выжить при наличии конкуренции и «пресса» хищников. Конкуренция г- и К-отбора позволяет выделять разные типы стратегий и ранжировать виды по величинам г и К в любой группе организмов.

     Приспособления  особей в популяции в конечном счете направлены на повышение вероятности  выживания и оставление потомства. Среди приспособлений выделяется комплекс, называемый экологической стратегией. Экологическая стратегия популяции — это ее общая характеристика роста и размножения. Сюда входят темпы роста ее особей, время достижения поло-возрелости, плодовитость, периодичность размножения и т. д.

     Существует две стратегии выживания - это r стратегия и k стратегия выживания.

     Экологические стратегии популяций отличаются большим разнообразием. Так, при  изложении материала роста популяций  и кривых роста были использованы символы r и К. Быстроразмножаю-щиеся виды имеют высокое значение r и называются r-видами. Это, как правило, пионерные (нередко их называют «оппортунистическими») виды нарушенных местообитаний. Данные местообитания называют r-отбирающими, так как они благоприятствуют росту численности r-видов.

     Виды  с относительно низким значением r называют К-видами. Скорость их размножения чувствительна  к плотности популяции и остается близкой к уровню равновесия, определяемому  величиной К. Об этих двух типах видов говорят, что они используют соответственно r-стратегию и К-стратегию.

     Эти две стратегии, по существу, представляют два различных решения одной  задачи — длительного выживания  вида. Виды с r-стратегией быстрее заселяют нарушенные местообитания (обнаженная горная порода, лесные вырубки, выгоревшие участки и т. д.), чем виды с К-стратегией, т. к. они легче распространяются и быстрее размножаются. Виды с К-стратегией более конкурентоспособны, и обычно они вытесняют r-виды, которые тем временем перемещаются в другие нарушенные местообитания. Высокий репродуктивный потенциал r-видов свидетельствует, что, оставшись в каком-либо местообитаний, они быстро использовали бы доступные ресурсы и превысили поддерживающую емкость среды, а затем популяция погибла бы. Виды с r-стратегией занимают данное местообитание в течение жизни одного или, самое большее, нескольких поколений. В дальнейшем они переселяются на новое место. Отдельные популяции могут регулярно вымирать, но вид при этом перемещается и выживает. В целом эту стратегию можно охарактеризовать как стратегию «борьбы и бегства».

     Следует отметить, что одну и ту же среду обитания разные популяции могут использовать по-разному, поэтому в одном и том же местообитаний могут сосуществовать виды с r- и К-стратегией. Между этими крайними стратегиями существуют переходы. Ни один из видов не подвержен только r- или только К-отбору. В целом же r- и К-стратегии объясняют связь между разнокачественными характеристиками популяции и условиями среды. 
 

3. Каков состав парниковых газов  в процентном отношении? Основные источники  их поступления в  атмосферу.

     Парниковые  газы — газы с высокой прозрачностью в видимом диапазоне и с высоким поглощением в дальнем инфракрасном диапазоне. Присутствие таких газов в атмосферах планет приводит к появлению парникового эффекта.

     Основными парниковыми газами, в порядке  их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан, озон, галогеноуглероды, оксиды азота и фторсодержащие газы (Трифторид азота, Фреон).

1. Водяной пар

     Водяной пар — основной естественный парниковый газ, ответственный более чем  за 60 % эффекта. Прямое антропогенное воздействие на этот источник незначительно. В то же время, увеличение температуры Земли, вызванное другими факторами, увеличивает испарение и общую концентрацию водяного пара в атмосфере при практически постоянной относительной влажности, что, в свою очередь, повышает парниковый эффект. Таким образом, возникает некоторая положительная обратная связь. С другой стороны, облака в атмосфере отражают прямой солнечный свет, тем самым увеличивая альбедо Земли, что создает антипарниковый эффект, несколько уменьшая общее количество поступаемого солнечного излучения и прогрев атмосферы.

2. Углекислый газ

     Источниками углекислого газа в атмосфере  Земли являются вулканические выбросы, жизнедеятельность организмов, деятельность человека. Антропогенными источниками являются: сжигание ископаемого топлива; сжигание биомассы, включая сведение лесов; некоторые промышленные процессы приводят к значительному выделению углекислоты (например, производство цемента). Основными потребителями углекислого газа являются растения, однако, в состоянии равновесия, большинство биоценоза за счет гниения биомассы поглощает приблизительно столько же углекислого газа, сколько и производит.

3. Метан

     Парниковая  активность метана примерно в 21 раз  выше, чем у углекислого газа. Время жизни метана в атмосфере составляет примерно 12 лет. Сравнительно короткое время жизни в сочетании с большим парниковым потенциалом делает его кандидатом для смягчения последствий глобального потепления в ближайшей перспективе.

     Основными антропогенными источниками метана являются пищеварительная ферментация у скота, рисоводство, горение биомассы (в т. ч. сведение лесов). Как показали недавние исследования, быстрый рост концентрации метана в атмосфере происходил в первом тысячелетии нашей эры (предположительно в результате расширения сельхозпроизводства и скотоводства и выжигания лесов). В период с 1000 по 1700 годы концентрация метана упала на 40 %, но снова стала расти в последние столетия (предположительно в результате увеличения пахотных земель, пастбищ и выжигания лесов, использования древесины для отопления, увеличения поголовья домашнего скота, количества нечистот, выращивания риса). Некоторый вклад в поступление метана дают утечки при разработке месторождений каменного угля и природного газа, а также эмиссия метана в составе биогаза, образующегося на полигонах захоронения отходов.

     Анализ  пузырьков воздуха во льдах свидетельствует  о том, что сейчас в атмосфере  Земли больше метана, чем в любое  время за последние 400000 лет. С 1750 года средняя глобальная атмосферная концентрация метана возросла на 150 процентов от приблизительно 700 до 1745 частей на миллиард по объему (ppbv) в 1998 году. За последнее десятилетие, хотя концентрация метана продолжала расти, скорость роста замедлилась. В конце 1970-х годах темпы роста составили около 20 ppbv в год. В 1980-х годов рост замедлился до 9-13 ppbv в год. В период с 1990 по 1998 наблюдался рост между 0 и 13 ppbv в год. Недавние исследования (Dlugokencky и др.) показывают устойчивую концентрацию 1751 ppbv между 1999 и 2002 гг.

     Метан удаляется из атмосферы посредством  нескольких процессов. Баланс между  выбросами метана и процессами его  удаления в конечном итоге определяет атмосферные концентрации и время  пребывания метана в атмосфере. Доминирующим является окисление с помощью химической реакции с гидроксильными радикалами (ОН). Метан реагирует с ОН в тропосфере, производя СН3 и воду. Стратосферное окисление также играет некоторую (незначительную) роль в устранении метана из атмосферы. На эти две реакции с ОН приходится около 90% удаления метана из атмосферы. Кроме реакции с ОН известно еще два процесса: микробиологическое поглощение метана в почвах и реакция метана с атомами хлора (Cl) на поверхности моря. Вклад этих процессов 7% и менее 2% соответственно.

4. Озон

     Различают тропосферный и стратосферный озон. Первый является парниковым газом, вклад которого в парниковый эффект атмосферы, по наиболее широко распространенным научным оценкам, составляет около 25% от вклада СО2. Второй является важной составляющей некоторых слоев стратосферы, известных как озоновый слой и защищает Землю от ультрафиолетового излучения солнца, его вклад в парниковый эффект оценивается как близкий к нулю.

     Большая часть тропосферного озона образуется, когда оксиды азота (NOx), окись углерода (СО) и летучие органические соединения вступают в химические реакции в присутствии солнечного света. Транспорт, промышленные выбросы, а также некоторые химические растворители являются основными источниками этих веществ в атмосфере. Метан, атмосферная концентрация которого значительно возросла в течение последнего столетия, также способствует образованию озона. Время жизни тропосферного озона составляет примерно 22 дня, основными механизмами его удаления являются связывание в почве, разложение под действием ультрафиолетовых лучей и реакции с радикалами OH и HO2.

     Концентрации  тропосферного озона отличаются высоким уровнем изменчивости и  неравномерности в географическом распределении. Существует система  мониторинга уровня тропосферного  озона в США и Европе, основанная на спутниках и наземном наблюдении. Поскольку для образования озона требуется солнечный свет, высокие уровни озона наблюдаются обычно в периоды жаркой и солнечной погоды. Нынешняя средняя концентрация озона в Европе в три раза выше, чем в доиндустриальную эпоху.

     Увеличение  концентрации озона вблизи поверхности  имеет сильное негативное воздействие  на растительность, повреждая листья и угнетая их фотосинтетический  потенциал. В результате исторического  процесса увеличения концентрации приземного озона, вероятно, была подавлена способность поверхности суши поглощать СО2 и поэтому увеличились темпы роста СО2 в XX веке. Ученые (Sitch и др. 2007) полагают, что это косвенное воздействие на климат увеличило почти вдвое тот вклад, который концентрация приземного озона внесла в изменения климата. Снижение загрязнения нижней тропосферы озоном может компенсировать 1-2 десятилетия эмиссии СО2, при этом экономические издержки будут относительно невелики.

5. Оксид азота

     Парниковая  активность закиси азота в 298 раз  выше, чем у углекислого газа.