Страница 14 из 17
Рис. 14. Суммарная солнечная радиация на географических широтах Земного шара, средняя для разных долгот (по: Жаков, 1984).
Рис. 15. Интенсивность ультрафиолетового излучения в зависимости от высоты солнца. По: Троян, 1988.
Рис. 16. Длина самого продолжительного (а) и самого короткого (б) дня в разных географических широтах. По: Троян, 1988.
Эти свойства УФ-лучей используют для стерилизации, так как облучение в течение 5–7 минут убивает все бактерии и даже их цисты. Споровые микроорганизмы обладают вдвое большей сопротивляемостью к воздействию ультрафиолета. Еще более выносливы к нему грибы и яйца круглых червей-нематод. Очень большое значение имеет время экспозиции. Например, при длительном воздействии УФ-излучение ингибирует развитие спор грибов, а при коротком, наоборот, стимулирует их прорастание. Высшие растения, в принципе, не испытывают особой потребности в получении УФ-лучей. Они используются зелёными растениями лишь для синтеза витамина D. Он обусловливает некоторые виды пигментации, например, стимулирует образование антоцианов у растений при дефиците тепла. Выживаемость водных беспозвоночных (например, планарий) и позвоночных животных (например, рыб, лягушачьих головастиков) в экспериментах прямо зависит от доз УФ-облучения. Крупные наземные животные (птицы, млекопитающие и человек) испытывают потребность в определённом количестве УФ-излучения тоже для синтеза витамина D. Не случайно, что загорать любят не только белокожие, но и чернокожие люди. Известны зависимости между дозами УФ-облучения и числом детенышей у млекопитающих. В этой связи можно рассматривать вспышки массового размножения многих беспозвоночных и мелких позвоночных животных, которые совпадают по времени с усилением солнечной активности и поступлением повышенных доз ультрафиолетовых лучей через каждые 11 лет (лемминги, луговой мотылёк, сибирский шелкопряд). В избыточных количествах УФ-облучение приводит к ожогам, болезням кожи, волосяного покрова и даже смерти. Поток УФ зависит от высоты Солнца, т. е. растёт от полюсов Земли к экватору (рис. 15).
Тепловое излучение поступает на земную поверхность двумя путями. Лишь около 20 % инфракрасных лучей достигает земной поверхности непосредственно. Остальные 80 % сначала поглощаются водяными парами атмосферы и только потом поступают на Землю в виде тепла воздушных масс и осадков. Тепловое излучение инфракрасной части солнечного спектра определяет общие температурные рамки существования земной биоты. Живые организмы, за редкими исключениями, могут жить только в интервале температур между 0° и 50 °C. В этих пределах температура среды совместима с нормальным ходом процессов обмена веществ внутри организма. Ниже 0° замерзает вода в клетках, превращаясь в кристаллы льда, рвущие нежные клеточные оболочки. При температуре выше 50° меняется структура белков, они коагулируют.
Все физиологические процессы растений и животных зависят от температурных условий. Особенно заметное влияние температура оказывает на фотосинтез, обменные процессы, двигательную активность, размножение и т. д.
Пороговые температуры, при которых начинается или прекращается физиологическая активность животных и растений, специфичны для отдельных видов. От температуры окружающей среды зависит ускорение или торможение метаболических процессов.
Скорость движения животных тоже часто является линейной функцией температуры. У гомойотермных животных объём требуемой пищи меняется в зависимости от температуры тела и среды обитания. Форма размножения (половое, бесполое) и количество потомков во многих случаях тоже зависит от температуры окружающей среды.
На земной поверхности мест, не подверженных инсоляции, не существует. Однако количество поступающей инсоляции, её состав, ритм подачи энергии очень сильно различаются на разных участках географической арены, в зависимости от других факторов.
4.3. Форма планеты и её положение относительно Солнца
Этот фактор, в первую очередь, обусловливает неравномерное распределение инсоляции в пространстве. Солнечные лучи падают на выпуклую поверхность Земного шара под разными углами. Вблизи экватора они падают почти отвесно. При удалении от него угол падения уменьшается, поэтому эффективность поглощения радиации земной поверхностью снижается. В связи с этим суммарный поток солнечной радиации за стандартный промежуток времени при хорошей прозрачности атмосферы возрастает с уменьшением географической широты (рис. 16). Градиентность изменений предоставляет живым организмам уникальную возможность приспосабливаться к смене условий инсоляции постепенно, без резких скачков, что в большой мере обеспечило охват жизнью всей земной поверхности от экватора до полюсов.
4.4. Космические ритмы
Этот фактор обязан своим наличием вращению Земли вокруг своей оси и Солнца. В результате инсоляция земной поверхности происходит в строго определенном периодическом режиме. Он задан чередованием светлого и тёмного времени, сменой разных экологических сезонов, повторяемостью главных жизнеопределяющих явлений через стандартные промежутки времени: сутки, кварталы, годы. Благодаря этим ритмам, земная поверхность, находясь под контролем животворного в определенных пределах, но смертельного при избытке, инсоляционного потока, не успевает ни перегреться, ни переохладиться до состояния опасного для жизни.
Существование живых организмов в такой ситуации зависит, прежде всего, от их способности синхронно реагировать на ритмику инсоляции. Достигается это выработкой в процессе эволюции эндогенных (внутриорганизменных постоянных) ритмов метаболизма (циркадианных, квартальных, годичных, многолетних), характерных для каждого вида живых существ в нужное время в нужном месте.
Из-за того, что наклон оси вращения Земли к плоскости её околосолнечной орбиты составляет угол 66,5°, она обращается к светилу то Южным, то Северным полушарием. В положении на 22 июня (день летнего солнцестояния) земная ось наклонена в сторону Солнца северной половиной на 23,5°. В этот день полуденные лучи падают перпендикулярно, т. е. наиболее эффективно, на 23,5° с.ш. Параллель, проходящая через эту широту, получила особое название – Северный тропик или Тропик Рака. В этом положении Северное полушарие освещается и нагревается больше, чем Южное.
В день зимнего солнцестояния (22 декабря), в отличие от 22 июня, наибольшее количество тепла и света получает не Северное, а Южное полушарие. Теперь полуденные лучи Солнца падают отвесно на 23,5° ю.ш. Параллель, проходящая через эту широту, названа Южным тропиком или Тропиком Козерога.
Тропики Рака и Козерога являются знаковыми рубежами качественного изменения режимов инсоляции на общем градиентном фоне. Между тропиками Солнце в полдень бывает в зените дважды в год, поэтому поток инсоляции достигает здесь максимальных на Земле значений. Продолжительность дня и ночи в течение всего года постоянны (рис. 17). Сезонные флуктуации теплообеспечения и освещения выражены очень слабо. Условия жизни в нём по всем параметрам относятся, безусловно, к наиболее комфортным.
Параллели, проходящие на широтах 66,5° в Северном и Южном полушариях, именуемые соответственно Северным и Южным полярными кругами, тоже служат важными экологическими ориентирами. На всем пространстве от них до соответствующих полюсов обязательно бывают периоды, когда Солнце не восходит или не заходит по много дней (до полугода на полюсах). Однако даже при непрерывном полугодичном освещении солнечные лучи здесь лишь скользят по поверхности Земли под острым углом, не успевая отдать ей свою энергию. Амплитуда и контрастность сезонных изменений невелики. Условия жизни в них наиболее дискомфортны.