6. 4. 2. Среда биосферы
Биосфера, как всякая экосистема, имеет среду. В первую очередь это космическое окружение, затем верхняя стратосфера и, наконец, подстилающая биосферу верхняя часть литосферы. Таким образом, факторы биосферной среды подразделяются на две группы: космические и геологические.
Солнце ~ центральное тело нашей планетной системы, звезда. Оно расточает в пространство колоссальное количество лучистой энергии. Для обитателей Земли Солнце является основным источником света и тепла. Солнце нагревает поверхностные слои атмосферы, гидросферы, поддерживает жизнедеятельность органического мира. Еще в глубокой древности человек интуитивно осознавал выдающуюся роль Солнца. Однако научное изучение нашего светила началось совсем недавно — четыре с половиной столетия назад. Поворотным моментом в отношении к Солнцу стал опубликованый в 1543 г. труд польского астронома Н. Коперника “Об обращении небесных сфер'1, в котором впервые был изложен план солнечной системы и начиная с которого Земля перестала быть центром вселенной.
Наблюдая Солнце визуально в течение тысячелетий, люди замечали на нем темные пятна. Изобретение телескопа подтвердило их наличие и позволило выявить цикличность в их появлении, а также максимумы и минимумы в цикле пятен. Солнечное пятно - это широкое углубление, поверхность которого лежит на несколько сотен километров ниже общей видимой поверхности Солнца. Область полной тени имеет меньшую температуру — 1700° и меньшую яркость -- на 1/4, чем остальная поверхность (Паркер, 1978).
Во второй половине XIX в. выяснилось, что Солнце является гигантским газовым шаром и что температура на его поверхности составляет 5800°С. При такой температуре все тела могут находиться только в газообразном состоянии. С появлением спектрального анализа было установлено, что Солнце на 3/4 состоит из водорода, на 1 /4 из гелия. На долю остальных химических элементов приходится 1/10000 доля массы звезды. Солнце светит за счет термоядерной энергии, выделяемой при “сгорании водорода”. Исходным продуктом реакции является водород, атомная масса которого равна 1,0080. При слиянии 4 ядер атомов водорода образуется ядро атома гелия. Атомная масса гелия 4,0026 - меньше, чем сумма атомных масс 4 атомов водорода (4,032). Избыточная масса в ходе реакции преобразуется в энергию.
Масса Солнца равна 1,989 е 1033 г, радиус Солнца 696 тыс. км, светимость Солнца 1.19е 1 О*11 эрг/год. Потеря массы Солнцем за счет излучения за год составляет 1,! 32 • 1022 г. За всю историю жизни, примерно равную 4,5 млрд лег, убыль массы Солнца достигла 5,96 • I О29 г, или 0,03 %. Таким образом, Солнце обладает колоссальным запасом энергии, который будет так же медленно расходоваться еще на протяжении нескольких миллиардов лет.
Однако долговечность Солнца не исключает небольших колебаний его светимости. Уже упомянутые темные пятна как раз и связаны с изменением светимости Солнца. В середине XIX в. астроном- любитель Г. Швабе установил, что число пятен на Солнце изменяется периодически. В годы высокой активности на поверхности светила видны сотни пятен. Через 5-6 лет они исчезают. Весь цикл колебаний числа пятен составляет 11 лет.
Физические вариации Солнца вызывают изменения на планетах и в межпланетной среде. Установлен, например, параллелизм в изменении числа и мощности магнитных бурь на Земле и числа пятен на Солнце. 11-летняя периодичность обнаружена также в колебаниях числа и интенсивности полярных сияний. Причинами этих возмущений являются потоки положительно заряженных элементарных частиц - протонов, выбрасываемых с поверхности Солнца. Космическое пространство вокруг Солнца заполнено потоками частиц, которые образуют так называемый “солнечный ветер”. В 1 см3 космического пространства в районе Земли насчитывают 5-10 частиц со средней скоростью движения 400-500 км/с. Во время сильных извержений с поверхности Солнца выбрасываются огромные плазменные облака. Плотность вещества “солнечного ветра-' увеличивается в сотни раз, а скорость движения возрастает до 1500 км/с. Над видимой поверхностью Солнца последовательно располагаются две его газовые оболочки — хромосфера и корона. Корона непрерывно расширяется в окружающее пространство. На фотографиях лучи ее во время затмений прослеживаются на 5-10 радиусов Солнца, с помощью радиотелескопов - на несколько десятков солнечных радиусов. Вещество расширяющейся короны переходит в потоки “солнечного ветра”, достигающие орбиты Земли. По образному выражению Э. С. Казимировского (1983), мы живем в солнечной короне, хотя Солнце удалено от нас на расстояние 150 млн км.
Поскольку наша планета — гигантский магнит, ее магнитное поле захватывает солнечные протоны, которые устремляются к геомагнитным полюсам в полярные области, где возникают полярные сияния. Возмущение магнитного поля — магнитные бури - набл юда- ется повсеместно.
Выявление тесной связи геомагнитных явлений с процессами на Солнце стимулировало ученых на поиски периодичности в развитии природных процессов на Земле. 11-летние циклы стали находить в колебаниях климата и погоды, в отложениях ленточных глин на дне водоемов, в колебаниях уровня бессточных озер, в фенологических явлениях, приросте деревьев, в изменениях урожайности сельскохозяйственных культур и поголовья скота, в колебаниях численности отдельных видов млекопитающих и насекомых, в периодичности эпизоотий животных и эпидемических заболеваний людей. Стало ясным, что Солнце является великим дирижером в развитии многих природных процессов на Земле.
Большой вклад в изучение солнечно-земных связей внесли российские ученые. Среди них выдающееся место занимает А. Л. Чижевский, основатель космической биологии и космической медицины,
книга которого “Земное эхо солнечных бурь” известна всем, кто сколько-нибудь интересуется солнечно-земными связями.
В XX в. представления о Солнце существенно обогатились. Ежедневно за Солнцем наблюдают более 50 обсерваторий, а также приборы космических и межпланетных станций. Исследованием Солнца и солнечно-земных связей занимаются тысячи сотрудников на всех континентах. Установлено, что кроме 11 -летних колебаний активности существуют длительные и короткие колебания Солнца. К числу длительных относятся колебания с периодами 22,95, 115,210, 2400 лет, выявлены еще более длительные колебания — 20, 115 тыс. лет и даже 300 млн лет. К числу коротких колебаний относятся периоды 8,5; 5,3; 2.2 лет. Если И-летние циклы солнечной активности изучаются на протяжении 1,5 столетий, то короткопериодные циклы - не более двух десятилетий, при этом малая амплитуда их колебаний очень затрудняет исследования. Тем не менее двухлетняя периодичность часто напоминает о себе жителям Земли. Так, для периода 1966-1977 гг. отмечена двухлетняя периодичность в производстве зерна, которую связывают с колебаниями климата. Двухлетняя периодичность замечена для численности популяции и вылова горбуши в дальневосточных морях.
В 1991 г. дальневосточный астроном В. Ф. Чистяков высказал предположение, что все физические колебания Солнца с разными периодами генерируются в области энергетического ядра звезды, но распространяются вверх с разными скоростями и имеют на поверхности разные амплитуды.
Представление о центральных областях Солнца и его ядре были получены лишь в последние 30-40 лет. Установлено, что центральное ядро Солнца составляет 0,3 солнечного радиуса. В этом ядре выделяется вся термоядерная энергия. В нем же сосредоточено 65% массы звезды. При “сгорании водородавыделяется энергия, которая повышает температуру плазмы, что в еще большей мере способствует выделению энергии. Однако при нагревании вещества возрастает давление, вследствие этого объем среды увеличивается, плотность уменьшается. Реакция идет на уменьшение, объем среды тоже уменьшается, а плотность вещества вновь возрастает. Таким образом, выделение термоядерной энергии в центре Солнца происходит не в процессе равномерного горения, а в колебательном режиме. Само ядро при этом пульсирует. 11-летние пульсации ядра наблюдаются непосредственно методом гелиосейсмологии. В голы максимумов 11-летних циклов ядро расширяется, в годы минимумов — сжимается. Кроме того, меняется период вращения ядра. Как установил американский астрофизик Р. Г. Дикке, скорость вращения ядра в 2 раза меньше скорости вращения экватора звезды (12,2 и 25,5 сут соответствен но). В годы высокой солнечной активности, когда энергетическое ядро сокращается, период вращения ядра увеличивается до 18 сут, а в годы ми нимумов уменьшается до 10 сут.
Таким образом, термоядерные процессы в центральных областях Солнца являются не только источником его светимости, но и приводят в действие механизм циклической активности звезды.
Так называемые 11 -летние циклы солнечных пятен фактически имеют варьирующую продолжительность - от 9 до 14 лет. Болес мощные циклы в среднем являются более короткими. Продолжительность циклов определяется по интервалу времени между соседними минимумами и соседними максимумами. В настоящее время экстремумы 11-летних циклов известны за пять столетий. Для XVIII-XX вв., например, выделяются четыре случая очень коротких значений продолжительности 11-летних циклов (lt; 10,5 лет) - 1734, 1839, 1939 и 1985 гг., совпадающих или почти совпадающих с пиками потепления климата. Полагают, что эти эпизодические потепления возникали в результате кратковременных “поярчаний" Солнца. Па рис. 6.10, охватывающем период с 1856 по 1989 гг., видны два главных максимума потеплений - 1940 и 1985 гг.
Резкие и кратковременные потепления климата с максимумами в названные годы повлияли на жизнь органического мира. Ярким показателем таких воздействий климата служат колебания численности популяции рыб Тихоокеанского бассейна. В XX в. было два пика численности дальневосточных сардин-иваси — в 1936 и 1985 гг. В 1993 г. иваси ушли из Японского моря.
Средневековый максимум солнечной активности, пришедшийся на XI-X11I вв. нашей эры, совпал с малым климатическим оптимумом, в то же время две депрессии солнечной активности 1400- 1510 гг. и 1645-1715 гг. совпали с малым ледниковым периодом (XV- XVIII вв.). Американский геофизик Дж. Эдди (1978 г.) выявил подобные значительные колебания активности Солнца на протяжении последних 5000 лет. Амплитуды многовековых колебаний солнечной активности изменялись в очень больших пределах. Так, в конце XVII в. пятна на Солнце появлялись очень редко. Вообще с XV по XVII вв. часто наблюдались периоды глубоких ослаблений солнечной активности. В середине и второй половине XX в., напротив, преобладали периоды, когда ежедневное число пятен составляло 1 -3 сотни. В XX в. уровень активности Солнца был самым высоким за последние 400 лет,
alt="" />
Рис. 6.10. Схема колебания температуры воздуха At* Северного полушария и длины циклов солнечных пятен Т в 1861-1989 гг. (по: Чистяков.
1997)
а климат наиболее теплым. Однако в период средневекового максимума активность Солнца превышала активность Солнца в XX в. Соответственно и климат был значительно теплее. Известно, например, что вХ-Х11 вв. виноград культивировался на севере Германии, в Латвии и Шотландии, т. е. на 4-5° севернее современной зоны выращивания винограда. Таяние льдов в Гренландии на протяжении последних 2200 лет наблюдалось в начале XI V в. с максимумом в 1325 г.
Для выявления свойств солнечной актвности в далеком геологическом прошлом очень плодотворным оказался метод изучения рядов варв (ленточных глин и эвапоритов). На сегодняшний день известен временной ход средней продолжительности циклов варв за последние 2,5 млрд лет. Эта интереснейшая зафиксированная в осадках летопись многое рассказала о ходе событий на Земле. Так, средняя продолжительность циклов варв прогрессивно уменьшалась: 2,5 млрд лет назад цикл длился 23,4 года; 2,3 млрд л. н. - 18,9л.; 1,75 млрд л. н. — 14,8; 700 млн л .н. — 12,0; в современную эпоху — 11,0 лет. Эволюционные сокращения продолжительности циклов свидетельствуют о прогрессивном росте диаметра солнечного ядра, увеличении активности и светимости Солнца. Эти данные согласуются с современными представлениями об эволюции Солнца: 4,5 млрд лет назад его светимость составляла 85% от нынешней, через 1 млрд лет она возрастетло 125 % (Чистяков, 1997).
На рис. 6.11 показан временной ход продолжительности 11 -летних циклов варв на протяжении последних 700 млн лет. Как видно, ледниковым периодам отвечали длинные циклы варв - 11,5 лет, межледниковым - короткие — 10,4 лет. Колебания продолжительности циклов подтверждают правило зависимости климата от уровня солнечной активности: в периоды высокой активности Солнца 11-летние циклы становятся короче, а климат теплее. Таким образом, причиной великих оледенений планеты были длительные понижения активности и светимости Солнца.
Известно, что Солнце совершает полный оборот вокруг центра Галактики примерно за 176 млн лет (разные авторы указывают эту цифру по-разному — от 170 до 250). В течение этого галактического года солнечная система встречается с различными областями Галактики, различающимися интенсивностью космического излучения, магнитными свойствами, запыленностью пространства межзвездным веществом.
Возникающие при этом возмущения в виде периодических изменений скорости планеты ведут к периодически повторяющимся эпохам активного горообразования, рифтогенеза, вулканизма на Земле. Тектонические движения глобального масштаба влияют и на уровень Мирового океана. Кардинальные изменения абиогенных компонентов биосферы неизбежно влекут за собой отклик живого вещества (изменения биологической продуктивности, смещения биологических циклов), что, в своюочередь, влияет на литогенез и климат. Глобальные результаты повторяющихся эпох активных тектонических движений и соответствующих реакций живого вещества выражаются в биосферных ритмах. Каждый такой ритм (продолжительностью около 180 млн лет) состоит из более коротких ритмов второго и третьего порядков (90 и 22 млн лет), которым отвечают значительные изменения климата и уровня Мирового океана, например потепления и трансг рессии.
Как теперь стало ясно, крупнейшие вымирания происходили с определенной периодичностью, особенно заметной в течение последних 250 млн лет. На основе палеонтологических данных за этот интервал геологической истории из 11 800 родов вымерли 9 250 родов. Пики 9 массовых вымираний приходятся на периоды 11,38, 65, 91,115, 144, 194,219, 248 млн лет назад. Таким образом, как отмечает Н. А. Федонкин (1991), примерно через каждые 25-30 млн лет органический мир Земли потрясали крупные катастрофы.
Важный критерий устойчивости экосистем - их биологическое разнообразие, способствующее формированию компенсаторных и регуляторных механизмов, которые позволяют говорить о биосфер-
J
$
ном гомеостазе. История органического мира дает нам примеры и резкого роста разнообразия, и его значительного сокращения. Похоже, что катастрофы и кризисы вымирания и смена сообществ - нормальное обыденное состояние биосферы, необходимая и существенная особенность ее развития.
Важным фактором, способствовавшим эволюции биосферы, особенно увеличению многообразия живого, было расщепление двух суперконтинентов — Лавразии и Гондваны — на отдельные материки. Расщепление Лавразии на Се верную Америку, Гренландию и Евразию, а Гондваны на Южную Америку, Африку, Индию, Австралию и Антарктиду, начавшееся в триасе, закончилось к меловому периоду. Эти кардинальные преобразования суши, конечно, сказались на вращении планеты вокруг оси, на атмосферной циркуляции, особенностях морских течений. Все это вместе отразилось на климате.
Органический мир реагировал на эти преобразования поверхности планеты распространением покрытосеменных, изменением фауны рептилий, усилением видообразования среди млекопитающих.
Таким образом, среда биосферы не оставалась постоянной. В начальные моменты ее эволюции изменения обусловили саму возможность развития материи в направлении жизни. В критические периоды эти изменения приводили к переоценке приспособленное-
ти различных групп организмов, что сопровождалось вымиранием одних и усиленным развитием других, т. е. перемены в организации абиогенной среды неизбежно отражались на организованности биосферы, повышая ее устойчивость. В конце концов, главным фактором эволюции биосферы стала сама жизнь.
В настоящее время главным фактором, определяющим направление эволюции биосферы, выступает человеческая деятельность.
Таким образом, в ходе развития биосферы происходила смена ведущих факторов, определявших ее эволюцию: взаимодействие абиогенных веществ и процессов, взаимодействие организмов, социальные взаимодействия людей в процессе производства.