Абиотический компонент экосистемы
Главными климатическими факторами (переменными) в экосистеме являются свет, температура, влажность и воздушные массы.
Свет
У зеленых растений единственным источником энергии, которую они могут использовать для фотосинтеза, служит солнечное излучение. На интенсивность света влияет угол падения солнечных лучей на земную поверхность, широта местности, время дня и года и экспозиция склона. Все это не остается постоянным на протяжении определенных временных интервалов.
Уже после работ И. Кеплера (рисунок 3.1) было известно, что земная орбита имеет форму не круга, а эллипса. Было также известно, что ось вращения Земли на 23,5° отклоняется от перпендикуляра, опущенного на плоскость орбиты и что смена сезонов происходит потому, что в ходе движения Земли по ее орбита ориентировка этой оси остается постоянной. Так что когда Северный полюс оказывается обращенным к Солнцу, в Северном полушарии наступает лето, а когда он обращен в противоположную сторону зима. Каждый сезон начинается в момент прохождения Земной точки орбиты, называемой кардинальной. Наша планета достигает таких точек ежегодно около 21 декабря, 20 марта, 21 июня и 22 сентября. В Северном полушарии 21 декабря знаменует начало астрономической зимы. Этот пункт орбиты называется зимним солнцестоянием. В Южном полушарии тот же пункт называется летним солнцестоянием (рисунок 3,1).
Рисунок. 3.1 Чередование сезонов
Ось вращения Земли испытывает своеобразное качание, подобное периодическим отклонениям верхушек запущенного волчка, то есть что она движется по круговому конусу (рисунок 3.2). Это движение, получившее название прецессии, происходит очень медленно и на завершение одного оборота земной оси уходит 26000 лет.
В результате прецессии кардинальные точки испытывают медленное смещение по орбите. Для наблюдателя, смотрящего со стороны Северного полюса, это смешение направлено по часовой стрелке (рисунок 3.3). Одновременно с этим движением и независимо от него сама эллиптическая орбита также вращается, причем гораздо медленнее и в той же плоскости, но в противоположном направлении (теорема Эниггейна).
Так что фактическое смешение кардинальных точек по орбите представляет собой результат сложения этих двух движений. В данном смешении как раз и состоит климатический эффект прецессии. Была разработана математическая теория изменения климата в любом месте Земли.
Рисунок. 3.2. Пресессия земной оси.
Постоянство тепла и яркости Солнца иллюзорно
Солнце - это переменная звезда. Хорошо известен 11-летний цикл солнечных пятен (солнечной активности). Этот цикл является частью сложного комплекса 22-летних магнитных флуктуации, в течение которого изменяются потоки видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а также потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем. При этом верхние слои атмосферы Земли нагреваются и расширяются; появляются полярные сияния, изменяется конфигурация магнитного поля Земли, происходят изменения озонового слоя, и, возможно, климата. Но даже эти циклические изменения нельзя считать надежно установленными, поскольку Солнце вело себя по-другому совсем недавно - в XVII в. (маундеровский период 1645 - 1715 гг.) и его поведение может изменяться вновь.
Рис 3.3. Смещение кардинальных точек
Современные дискуссии о возможных изменениях окружающей среды концентрируется на эффектах, связанных человеческой деятельностью, таких как влияние на климат парниковых газов или разрушение озонового слоя под действие хлорфторуглеродов, Для понимания и количественной оценки этих эффектов необходимо знать другие факторы, влияющие на окружающую среду, особенно медленное изменение светимости Солнца и испускание потоков заряженных частиц.
Исследователи прилагают усилия для выяснения таких взаимодействий между тем, что происходит на Солнце и соответственно на Земле и для предсказания, если оно вообще возможно, изменений солнечной активности в будущем
Земля также не остается постоянной. Хорошо известны движения континентов, извержения вулканов, землетрясения. Кроме того, на состав атмосферы Земли огромное влияние оказали живые организмы. Таким образом, главные типы климата на поверхности Земли определяется взаимным расположением Земли и Солнца, состоянием Солнца, местоположением материков и океанов, направлением ветров и морских течений, под влиянием биоты (поглощение и выделение СO2, Ог) и в настоящее время антропогенной деятельностью.
Фотосинтез
Когда на пути потока лучистой энергии оказывается лист или хвоя, поток может быть частично отражен, пропущен или поглощен, Часть поглощенной энергии может достичь хлоропластов и запустить процесс фотосинтеза.
При фотосинтезе два широко распространенных неорганических соединения - диоксид углерода и вода - соединяются химически с образованием глюкозы, одного из простых Сахаров. Суммарное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид:
Фотосинтетические пигменты
Пигменты, которые участвуют в процессе фотосинтеза - это хлорофиллы, каратиноиды и фикобилины. Обнаружено несколько форм хлорофилла, которые различаются по молекулярной структуре. Хлорофилл а характерен для всех фотосинтезируюишх эукарисл и цианобактерий. Сосудистые растения, мхи, зеленые и эвгленовые водоросли содержат и хлорофилл в. Это вспомогательный пигмент, который расширяет спектр поглощения света в процессе фотосинтеза. У некоторых групп водорослей, в основном бурых и диатомных, вместо хлорофилла в функционирует хлорофилл с, а у многих красных водорослей - хлорофилл d.
В преобразовании энергии участвуют и другие типы пигментов - каротиноиды и фикобилины. Энергия, поглощенная вспомогательными пигментами, должна быть перенесена на хлорофилл а. Каротиноиды - это красные, оранжевые и желтые жирорастворимые пигменты, обнаруженные в хлоропластах и у цианобактерий. Фикобилины характерны для цианобактерий и хлоропластов красных водорослей.
