Круговороты в географической оболочке
Круговороты в географической оболочке
Географическая оболочка — цельная, единая, сложная само-регулирующаяся система. Сохранение этих черт обеспечивается непрерывным движением материи, слагающей географическую оболочку. Причем движение не следует понимать только в форме перемещения. Движение — это непрерывное изменение материи. Всякое движение есть результат превращения энергии. Движение вещества, превращение энергии приводят к непрерывному изменению тех систем, которые слагают географическую оболочку.
Чем сложнее, чем организованнее система, тем она содержит больше информации. В хаосе нет организации, а следовательно отсутствует и информация. Обмен веществом, энергией, информацией между системами географической оболочки происходит непрерывно и повсеместно.
Географическая оболочка материальна. Одной из характерных особенностей движения материи в географической оболочке является то, что она осуществляется в виде круговоротов (По определению академика А. П. Виноградова, «круговороты — это повторяющиеся процессы превращения вещества в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер». Профессор А. И. Перельман определяет круговорот как «явление, при котором одни и те же вещества много-кратно участвуют в процессах, протекающих в географической оболочке»).
Круговороты не являются вполне замкнутыми циклами и, очевидно, никогда в точности не повторяются. Вещество, вступившее в трансформацию, нередко меняет многие свойства. Символом круговорота является не круг, а спираль. В результате каждого круговорота географическая оболочка не возвращается в прежнее состояние, а приобретает новые черты, новые свойства.
«Продвижение вдоль витка такой прогрессивно развертывающейся спирали, — писал видный советский геолог и географ академик Д. И. Щербаков, — одновременно должно обладать чертой повторяемости и чертой необратимости». Наличие круговоротов вещества, энергии и информации — одна из самых характерных особенностей географической оболочки. Круговороты пронизывают и связывают между собой все компоненты географической оболочки. Вещество, энергия непрерывно переходят из атмосферы и литосферу, гидросферу, живое вещество. Через них «все компоненты географической оболочки взаимодействуют и проникают друг в друга» (К. К. Марков).
В географической оболочке все круговороты неразрывно связаны друг с другом, и их разделение в известной мере условно. Классификация круговоротов в географической оболочке не разработана.
Круговорот вещества
Круговорот вещества легче поддается изучению и, следовательно, лучше нам известен.
Как к любому явлению, к круговороту вещества в географической оболочке можно подойти с самых различных точек зрения. Можно изучать круговорот с точки зрения процессов, с которыми связано движение вещества, скажем, круговорот геологический и круговорот биологический, или биотический. Можно изучать круговорот отдельных элементов, скажем, азота, кислорода, углерода, кальция и др. Можно изучать круговороты вещества отдельных компонентов географической оболочки, например, круговорот воды, круговорот воздуха и т. д. Можно, наконец, изучать круговорот в отдельных комплексах, скажем, в определенном ландшафте или в другом более крупном или более мелком географическом комплексе. Но какой бы круговорот мы ни изучали, нужно всегда помнить, что он пронизывает все среды. Это касается как круговорота отдельных химических элементов, так и круговорота природных компонентов— воды, воздуха и т. д.
Геологический и биологический круговороты. Самым всеобъемлющим круговоротом является так называемый большой геологический круговорот. В ходе большого круговорота магма, поднимаясь на поверхность, кристаллизуется и образует магматические породы. Разрушение магматических пород приводит к образованию осадочных пород. Последние, погружаясь в геосинклиналях (Геосинклинали — подвижные линейно вытянутые области земной коры, зарождение и развитие которых тесно связано с глубинными разломами. Вначале на протяжении длительного времени происходит активное опускание мощных толщ осадков и продуктов вулканической деятельности (собственно геосинклинальная стадия). Впоследствии в геосинклиналях происходит горообразование, и они превращаются в складчатую горную страну (орогенная стадия)) на глубины, где господствуют высокие температуры и высокое давление, претерпевают изменения, т. е. метаморфизируются, превращаясь в кристаллические породы, а затем переплавляются и вновь вливаются в магму. Затем цикл круговорота как бы повторяется. По мнению академика Л. П. Виноградова, «в современную эпоху обмен веществ между геосферами по вертикальному направлению достаточно определенно может наблюдаться в пределах 10— 20 км от поверхности земли и местами в 50—60 км». По некоторым расчетам } глубинные химические реакции протекают со скоростью 35*1017 г/год. А всего круговорот вещества, разрушенного выветриванием и смытого денудацией, продолжается около 100 миллионов лет.
Сложнее выглядит биологический круговорот. Он появился позднее геологического (примерно 3 миллиарда лет назад) в результате эволюции. Если подсчитать суммарную массу всех организмов, живших в течение всей истории Земли, и сравнить ее с массой веществ, образующих земную кору, то окажется, что суммарная масса живших на Земле существ во много раз превосходит общий вес всей земной коры. Следовательно, каждый элемент попадал в состав живого вещества не однажды, а многократно. Это многократное привлечение веществ из окружающих геосфер в состав живой материи, а затем их выведение и составляет то, что мы называем биологическим, или биотическим круговоротом вещества.
По И. П. Герасимову, биологический круговорот состоит из трех звеньев: 1. созидание первичной продукции (в процессе фотосинтеза); 2. превращение первичной продукции во вторичную (в основном животную) и 3. разрушение первичной и вторичной биологической продукции (бактериями и грибами).
Биологический круговорот представляет собой диалектическое единство созидания, превращения и разрушения. С одной стороны, это процесс вовлечения неорганического вещества в состав живого вещества, процесс перехода от неживого к живому, с другой стороны, процесс минерализации, т. е. перехода органических соединений в неорганические. Из неорганических соединений вновь формируется живое вещество. Но это не просто бесконечное повторение. При разложении органических остатков формируются уже не прежние минералы, а новые соединения, богатые энергией: гумусовые вещества, содержащие С, Н, О. N, и глинистые минералы, содержащие Si, Al, Fe и др.
Только растения суши вовлекают ежегодно в круговорот из почвы не менее 109 т минеральных веществ. Некоторые организмы стали специализированными концентраторами рассеянных элементов (По сравнению с концентрацией химических элементов в океанах водные организмы содержат: Zn и Мn в 105 раз, Сu, Са, I — в 104 раз, Si, P — в 103 раз, Fe, Br, Sr, As, Ag — в 102 раз, F, К, S — в 10 раз больше). Диатомеи, корненожки, радиолярии концентрируют кремний, астидии — ванадий, ряска — радий и т. д.
В процессе биологического круговорота веществ одновременно, взаимосвязанно изменяются как среда, так и сами организмы, а следовательно, характер и скорость круговорота. Диалектическое единство географической оболочки и живой материи проявляется постоянно и повсеместно. В настоящую эпоху круговорот живого вещества осуществляется в среднем примерно за 10—12 лет.
Круговорот отдельных элементов
Изучая круговорот отдельных элементов (кислорода, азота, углерода, кальция, фосфора, железа и т. д.), мы не только постигаем закономерности движения того или иного элемента в географических комплексах, но и получаем общее представление о скорости, с которой происходят круговороты веществ в географической оболочке в целом.
Круговорот кислорода. Кислород — самый распространенный элемент в географической оболочке. Общее количество кислорода достигает примерно 6*1016 т, составляя примерно 9/10 объема географических комплексов. Географическая оболочка как бы заполнена крупными ионами кислорода, которые почти соприкасаются между собой. Все остальные элементы занимают лишь промежутки между ионами кислорода. По данным В. М. Гольдшмидта, кислород занимает 91,7% объема литосферы. Кислород составляет 47% от всей массы литосферы, 86% от массы гидросферы, 23% от веса атмосферы и примерно 70% от веса живого вещества.
Наличие большого количества связанного химически кислорода было важной предпосылкой появления свободного кислорода. Свободный кислород появился в географической оболочке относительно недавно, после появления фотосинтезирующих растений. Впервые следы появления кислорода в атмосфере отмечаются при анализе горных пород, имеющих возраст около 1,8 миллиарда лет. До этого времени лишь ничтожное количество свободного кислорода участвовало в круговороте.
В настоящее время на поверхности Земли резко преобладают окислительные условия, в то время как на глубине, в магме и в глубинах морей — восстановительные. Другим источником свободного кислорода являются пары воды, разлагаемые ультрафиолетовым излучением Солнца (фотолиз), но по сравнению с фотосинтезом значение фотолиза несущественно. И, наконец, третий, еще менее существенный источник, — это выделение кислородосодержащих пород. Поглощается кислород при дыхании планктона, наземных организмов и при окислительном выветривании.
В настоящее время ощутимое влияние на количество связанного кислорода стал оказывать человек (На сжигание топлива в мире потребляется примерно 9*109 т кислорода в год). Находящийся в обращении кислород обновляется примерно каждые 2000 лет. Этот промежуток времени можно считать средним сроком продолжительности круговорота кислорода, связанного с жизнеде-ятельностью организмов. По сравнению с сотнями миллионов лет, сколько длится круговорот кислорода, связанный с геологическим движением веществ, круговорот кислорода, связанный с жизнедеятельностью организмов, протекает чрезвычайно быстро.
Чрезвычайно большая скорость круговорота веществ — одна из основных особенностей географической оболочки.
Вторая особенность круговоротов в географической оболочке, которую также можно проследить на примере круговорота кислорода, состоит в том, что только небольшая часть общих запасов того или иного элемента или вещества участвует в быстром круговороте. Но даже эта сравнительно небольшая доля играет огромную роль вследствие колоссальной скорости (по геологическим масштабам), с которой этот круговорот происходит. В качестве второго примера относительно быстро протекающего круговорота рассмотрим и так называемый биологический круговорот углерода. Общие запасы углерода в географической оболочке в 2,5 раза меньше, чем масса кислорода, и составляют примерно 2,5*1016 т. В атмосфере углерод находится в виде углекислого газа. В процессе фотосинтеза СО2 ассимилируется и превращается в органические соединения. Все растения (в основном фитопланктон) продуцируют около 150 млрд. т углерода в год, что соответствует накоплению энергии 6*1020 Дж (1,4*1020 кал). Часть растений поедается, но из круговорота этот углерод не выпадает.
Выделяется углерод частично при дыхании, но в основном при распаде органических соединений. Примерно 2 млрд. т в год добавляет в круговорот человек (сжигание топлива, обжиг известняков, производство цемента и др.). Примерно 1/4 из этого количества поглощается (растворяется) океаном, а 3/4 попадает в атмосферу. Интересно отметить, что все вулканы выбрасывают в среднем только 11 млн. т в год, т. е. почти в 200 раз меньше! Часть углерода (свыше 1 млрд. т в год) фиксируется в виде известняков, торфа, угля, нефти и надолго выпадает из биологического круговорота, но запасы углерода в атмосфере непрерывно пополняются за счет почвенного дыхания, деятельности человека, выделений с морей и океанов, вулканов и др.
В активном биологическом круговороте участвует лишь небольшая часть общих запасов углерода (по М. М. Ермолаеву, 0,0026% от его общей массы). Этот круговорот углерода совершается также относительно быстро, в среднем примерно за 300 лет (В разных звеньях цикла скорость круговорота углерода различна. В фитопланктоне круговорот происходит за 10 дней, в зоопланктоне — за 13,9 лет, в наземной растительности — за 40 лет, в почве — за 300—700 лет, в составе органического вещества, растворенного в морской воде, — за 3000 лет). С круговоротом углерода, собственно говоря, связано развитие жизни, накопление и превращение путем фотосинтеза той энергии, которая преобразовала безжизненную оболочку нашей планеты в сферу жизни.
Таким образом, говоря о круговороте углерода, следует иметь в виду две его основные формы: длительный круговорот, связанный с геологическими процессами и длящийся миллионы лет, и быстрый круговорот, связанный с процессами жизнедеятельности организмов в географической оболочке и длящийся примерно 300 лет (Недавно наша наука получила новое подтверждение скорости, с которой совершается круговорот углерода. При взрыве ядерных устройств в атмосфере образуются нейтроны. Азот— 14 (N14) атмосферы захватывает нейтрон и высвобождает протон, превращаясь тем самым в радиоактивный изотоп углерода — углерод—14 (С14). После прекращения испытаний оказалось, что вскоре углерода—14 в атмосфере осталось очень мало, так как он был быстро заменен обычным углеродом).
Современный круговорот кальция, например, длится не сотни, а десятки миллионов лет. Кальций поступает в круговорот в первую очередь путем разрушения известняков и других пород, содержащих кальций. Реки сносят ежегодно в океан 5*109 т кальция. Значительная часть его поглощается организмами на постройку раковин и скелетов. Особенно интенсивно поглощается кальций живущими в теплых морях фораминиферами, кораллами, моллюсками. Из их остатков, выпавших в осадок, формируются известняки. При отступании моря (регрессии) известняки обнажаются и вновь начинают разрушаться. Но их состав уже несколько изменяется. Так, известняки, сформировавшиеся в палеозое, более богаты углекислым магнием и поэтому часто переходят в доломиты, в то время как в современную эпоху доломиты почти не образуются. При больших давлениях и высоких температурах известняки превращаются в мрамор. На территории Молдавии, где море отступило в основном еще в миоцене, тогда же прекратился процесс осаждения кальция и образования известняков. Сейчас здесь протекает фаза выветривания, смыва, переотложения. Возраст молдавских известняков составляет примерно 10—15 миллионов лет. Это время можно считать началом цикла круговорота кальция. Однако невозможно точно сказать, когда цикл закончится, во всяком случае не раньше, чем через много миллионов лет.
Таким образом, круговорот кальция длится десятки миллионов лет.
Из круговоротов, более сложных, чем круговорот отдельных элементов, остановимся на круговоротах воды и воздуха, имеющих особенно большое значение для жизни и формирования географических комплексов.
Круговорот воды
Круговорот воды в географической оболочке состоит из множества звеньев, главные из которых океаническое, атмосферное и материковое.
Океаническое звено является поставщиком влаги в атмосферу. С поверхности океанов поступает в атмосферу 96% всего количества испарившейся влаги (Всего за год испаряется 525 тыс. км3 воды). В океане существует свой круговорот. Океаническая вода образует огромные относительно однородные по солевому составу и содержанию кислорода и температуре водные массы, между которыми располагаются зоны относительно резкого изменения свойств воды, называемые океанологическими фронтами. Различают первичные или основные массы, формирующиеся в поверхностных слоях, и вторичные, возникающие во фронтальных зонах в результате взаимодействия двух или нескольких водных масс. По вертикали толщу океана тоже делят на два основных слоя. Во-первых, это поверхностная зона («океаническая тропосфера»), ограниченная глубиной распространения вертикальной конвекции, для которой характерен наиболее активный обмен веществом и энергией с атмосферой. Во-вторых, глубинные и донные холод-ные, относительно однородные воды, называемые условно «океанической стратосферой». Между глубинными и поверхностными массами располагаются промежуточные водыг верхняя граница которых залегает на глубине 300—500 м, а нижняя— на 1000—1200 м. Скорость вертикального, как, впрочем, и горизонтального движения убывает с глубиной в 5—10 раз. Горизонтальная скорость течений достигает 35 см/сек в приэкваториальной зоне и уменьшается до 1—2 см/сек на широте 40—50°, затем снова возрастает до 10—20 см/сек в субполярных районах. Вертикальная скорость колеблется от тысячных долей сантиметра до тысячных долей миллиметра в секунду (от 10-3 до 10-4 см/сек.).
С точки зрения круговорота воды большое значение имеет наблюдающееся во всех океанах меридиональное передвижение глубинных вод к экватору.
В последние годы в океанах были обнаружены так называемые внутренние волны, а также гигантские вихри с диаметром в сотни и тысячи километров, в некоторой степени похожие на циклоны и антициклоны атмосферы, но их изучение только началось. Общую картину циркуляции поверхностных вод Мирового океана дает схема, составленная еще А. Гумбольдтом и дополненная В. Н. Степановым.
Факт относительно медленного движения глубинных вод пытались использовать в качестве аргумента в пользу захоронения в океанических впадинах радиоактивных отходов. Но использовать океан в качестве мусорной свалки это, по образному выражению норвежского путешественника и ученого Тура Хейердала, «все равно, что заметать мусор под ковер».
Советский гидролог М. И. Львович ввел понятие «активность водообмена», которое характеризует продолжительность смены всего объема воды данной части гидросферы в процессе круговорота воды. Выяснилось, что полное возобновление водных запасов Мирового океана продолжается примерно 3000 лет.
Атмосферное звено играет основную роль в переносе влаги в процессе атмосферной циркуляции. Единовременно в атмосфере находится всего 14 тыс. км3 влаги, но выпадает в течение года 525 км3, т. е. в 37 раз больше. Это означает, что примерно через каждые 9—10 дней весь запас атмосферной влаги обновляется. Движется атмосферная влага вместе с воз-душными массами в ходе циркуляции атмосферы, о которой пойдет речь ниже. Здесь лишь следует подчеркнуть, что именно в атмосферном звене активность водообмена достигает максимума.
Материковое звено можно разделить на ряд более мелких звеньев. М. И. Львович выделяет почвенное, литогенное, речное, озерное, ледниковое и биологическое звенья.
Почва обменивается влагой с атмосферой, реками, озерами, а также с глубинными слоями Земли. Вода стекает, просачи вается в грунт, испаряется, абсорбируется. Происходит это все очень быстро (По оценке М. И. Львовича, в почве содержится в 5 раз больше влаги, чем в атмосфере, а полный обмен длится менее года).
В литогенном звене наиболее активно участвуют в общем круговороте подземные воды, залегающие выше уровня дренирования. Эти воды выходят на поверхность в виде источников, питают реки. Продолжительность их обмена—от месяца до нескольких лет. С глубиной активность водообмена снижается. Воды насыщаются солями, часть воды входит в химические соединения, часть связывается осадочными породами (в виде кристаллогидратной, сорбированной и другие форм влаги) и прогревается вместе с ними. В процессе метаморфизации при высоких давлениях и температурах осадочные породы теряют воду. Высвободившаяся вода в виде пара поднимается вверх и либо выходит на поверхность в виде горячих источников, Ьибо скапливается в пластовых водах, либо выбрасывается из вулканов (В настоящее время вулканы выбрасывают в атмосферу ежегодно 40— 50 млн. т воды), где к ней присоединяется небольшое количество воды, выделившейся из магмы (ювенильной). Основная масса воды, разрушая породы литосферы и извлекая из них растворимые соли, стекает в океан. Легкорастворимые элементы накапливаются в морской воде, труднорастворимые осаждаются на дне. По Г. П. Калинину, водообмен литосферы продолжается несколько миллионов лет.
Речное звено. Обмен воды в реках происходит за 12—25 суток. Медленнее происходит обновление воды в проточных озерах (примерно за 3 года).
Ледниковое звено в настоящий момент содержит около 24 млн. км воды. Если бы все ледники растаяли, то уровень океана поднялся бы не менее чем на 60 м. Ледники занимают сейчас более 10% суши (16,2 млн. км2). 98,6% всей площади оледенения приходится на полярные страны. Движение воды в ледниках медленное, поэтому активность водообмена низка. По разным подсчетам, обмен воды в ледниках продолжается 9—15 тыс. лет.
Особую роль в круговороте воды играет биологическое звено. В процессе фотосинтеза и транспирации вовлекается в движение огромное количество воды. По М. И. Львовичу, расход на транспирацию равен в среднем 30 000 км3 в год или 40% суммарного испарения суши. В процессе фотосинтеза растения могут разлагать 225 км3 воды в год. Вся вода гидросферы проходит через живое вещество каждые 5,9 млн, лет.
Хотя в процессе круговорота, захватывающего атмосферу и литосферу, ежегодно участвует только 0,036% запасов воды на Земле, роль этого круговорота огромна. Можно смело сказать, что лишь с появлением круговорота влаги начался собственно процесс формирования географической оболочки. Вода преобразовала всю географическую оболочку.
Различают большой или мировой, малый, или внутриокеанический и внутриматериковый влагообороты. Большой влагооборот включает всю совокупность влагообмена как на материках, так и над океанами. Малый протекает только над океаном, т. е. вода, испаряясь над океаном, выпадает в виде осадков снова в океан. Внутриматериковый влагооборот включает процессы влагообмена над материком. Прежде чем попавшая на сушу влага вернется в океан она успевает несколько раз испариться, снова сконденсироваться и вновь выпасть в виде дождя. В отношении стока воды в океан с поверхности суши различают области: бессточные, или замкнутые, не имеющие стока в океан, и периферийные, или сточные. Периферийные области занимают 117 млн. км2, бессточные — 32 млн. км2.
Круговорот воздуха — циркуляция атмосферы
Самым подвижным компонентом географической оболочки является воздух. Находясь всегда в движении, он обеспечивает перенос тепла, влаги и многих химических элементов из одного района Земли в другой. Система крупномасштабных течений воздуха в тропосфере и нижней стратосфере, обеспечивающая вертикальный и горизонтальный обмены воздушных масс, называется общей циркуляцией атмосферы (от лат. «чиркулация»—вращение). У поверхности Земли общая циркуляция проявляется в первую очередь в виде системы господствующих ветров, таких, как пассаты, западные ветры умеренных широт, северо-восточные и юго-восточные в субарктических и субантарктических широтах и т. д. Ветры человек стал изучать давно. Особенно важны были эти знания для мореходов парусного флота, ибо от них зависели не только успех той или иной экспедиции или путешествия, но и сама жизнь мореплавателей.
Сторонники учения Птолемея о неподвижной Земле считали, что пассаты и тропические течения порождаются движением Солнца с востока на запад. Воздух и вода увлекаются Солнцем. Любопытно, что среди многих, пытавшихся найти объяснение пассатам, пассатным течениям, был и Леонардо да Винчи. Он видел основную причину в расширении воды и воздуха в районах, согретых солнцем. И вода, и воздух, нагретые и расширившиеся на востоке, устремляются на запад. И. Кеплер объяснял зарождение ветров и течений отклонением, связанным с вращением Земли, не сознавая при этом, что вращение может лишь отклонить уже начавшееся движение, но не вызвать его. Г. Галилей и Р. Декарт объясняли пассаты отставанием воздуха от движения быстро вращающейся Земли.
Ближе других своих современников к истине подошел талантливый голландский географ XVII века Б. Варений, но и он во многом ошибался. В 1735 году английский физик Годней (1685—1744) создает свою схему, которая, по его мнению, могла объяснить циркуляцию воздуха. По схеме Годлея воздух как бы циркулирует по вертикальным кольцам: внизу дует пассат, вверху ему навстречу — антипассат. С уточнениями и изменениями схема Годлея просуществовала свыше двух веков.
Новые методы исследования дали нам в руки ряд новых фактов, которые не укладывались в наши старые представления. Вертикальных колец циркуляции, на которых строилась вся классическая схема общей циркуляции атмосферы, в действительности в природе не обнаружили.
Известно, что основная причина, вызывающая движение воздуха, это перепад давления. Чем больше разница в давлении между двумя точками, чем больше барический градиент, тем больше скорость движения частиц воздуха. Градиент — это вектор и характеризуется не только скалярной величиной, но и направлением. Градиент всегда перпендикулярен к наименьшей изобаре.
Воздух, нагретый в одном районе у поверхности земли, расширяется, увеличиваясь в объеме. Изобарические поверхности (поверхности одинакового давления)наклоняются от теплой области к холодной. Следовательно, на высоте в теплой области давление выше, а в холодной — ниже. Высокое давление в теплой области вызывает вверху движение воздуха в сторону холода. Внизу, у поверхности земли, мы обычно ощущаем это в виде падения давления там, где тепло, и роста давления там, где холодно. Эта связь между холодом и теплом настолько прочно нами усваивается, что всякое распределение давления которое не соответствует привычной схеме: холод — высокое, тепло — низкое, воспринимается нами с недоверием. Между тем, на высоте в 2—3 км именно в теплых областях давление высокое, а в холодных — низкое. На высоте барический градиент направлен от теплой области к холодной. На земле теплыми областями являются экваториальные и тропические широты, холодными — полярные. Изобарическая поверхность в 300 мб проходит зимой над экватором на высоте 9,5—10 км, а над полюсами — на высоте 8—8,5 км. Следовательно, в средней и верхней тропосфере и нижней стратосфере барический градиент направлен от экватора к полюсам. Но в Северном полушарии ветер отклоняется от градиент а вправо, в Южном—влево. Возникают планетарные потоки воздуха в основном вдоль параллелей, называемые западным переносом. Ветер, дующий на высотах параллельно изобарам, называется геострофическкм ветром. Следовательно, циркуляция атмосферы на высотах имеет квазигеострофическйй характер (от греческого «квази»,— почти).
Чем больше перепад температур, тем больше градиент, чем больше градиент, тем больше скорость ветра. Наибольшие перепады наблюдаются вдоль атмосферных фронтов (границ воздушных масс). Здесь возникают ветры, дующие с ураганной . скоростью в 100—200 км/час (30—50 м/сек); а иногда и свыше 300 км/час. Эти ветры называют струйными течениями. Особой силы ветры достигают над границей между воздухом умеренных и тропических широт. Ширина зоны струйного течения достигает нескольких сотен километров.
Итак, в верхней тропосфере и нижней стратосфере ветер дует почти всегда с запада (западный перенос), за исключением зоны, непосредственно примыкающей к экватору, где отклонение равно нулю.
Как известно, движение воздуха происходит вихреобразно. Самые большие вихри мы называем циклонами и антициклонами. Вращаются циклоны против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой срелке — в Южном. Антициклоны, имеющие в центре высокое давление, вращаются в Северном полушарии по часовой стрелке, в Южном — наоборот.
Образовавшись в струе движения воздуха, идущего в основном с запада на восток, циклоны и антициклоны должны были бы двигаться в том же направлении, однако этого не происходит, так как отклонение, связанное с вращением Земли (сила Кориолиса), не всюду одинаково. Величина отклонения возрастает от экватора к полюсам . В результате циклоны отклоняются к высоким широтам, а антициклоны — к низким. Двигаясь к высоким широтам, циклоны наталкиваются на стену тяжелого холодного воздуха, образующего полярную шапку. Здесь, на широте 75—65° с. ш. и 60—65° ю. ш.,циклоны скапливаются, и в среднем преобладает низкое давление. Это так называемые субполярные зоны низкого давления. С внутренней (обращенной к умеренным широтам) стороны зон господствуют западные ветры, с внешней, обращенной к полюсам,— восточные.
Антициклоны, двигаясь к низким широтам, примерно на широте 25—30° прекращают свое движение к экватору, так как меридиональная составляющая становится ничтожно малой. На этих широтах антициклоны скапливаются, и в результате здесь преобладает высокое давление (субтропический пояс высокого давления). Восточная, обращенная к экватору, часть этих антициклонов и образует пассаты.
На экваторе господствуют восходящие токи воздуха и давление всегда низкое. Даже если бы антициклон попал на экватор, он бы растекся во все стороны, так как здесь сила Кориолиса равна нулю.
Образование поясов низкого давления вследствие скопления циклонов в субарктических и субантарктических широтах и поясов высокого давления в результате скопления антициклонов в субтропических позволяет объяснить основные черты общей циркуляции атмосферы. Общая циркуляция усложняется миграцией зон высокого и низкого давления к северу и к югу вслед за Солнцем. За год из Северного полушария в Южное и обратно переносится 1013 т воздуха.
Циркуляция воздуха происходит непрерывно. Благодаря ей сглаживаются температурные контрасты между днем и ночью, между летом и зимой, между экватором и полюсом.
Циркуляция атмосферы еще далеко не полностью изучена. Известно, например, что ее ослабление усиливает контраст между экватором и полюсом. В Африке на экваторе идут проливные дожди, а в Арктике возрастает суровость зим — наступают льды.
Циркуляция атмосферы — один из основных факторов, определяющих климатический режим местности, который; в свою очередь, обуславливает характер и интенсивность протекания многих процессов в литосфере, гидросфере и в жизненном покрове и в итоге во всех частях географической оболочки.
Круговороты вещества — важнейшее условие формирования, развития и существования географических комплексов.
В каждой географической зоне, в каждом географическом комплексе круговороты вещества имеют свои особенности. Они протекают по-разному в горах и на равнинах, в теплых и холодных поясах, в сухих и влажных областях и т. д. Не удивительно поэтому, что очень многие особенности круговорота воды, атмосферы, горных пород и отдельных химических элементов требуют дальнейшего пристального изучения.
Круговорот энергии
Энергией называется способность материальной системы совершать работу. Энергия — общая мера различных форм движения материи.
Энергия, поступающая в географическую оболочку, или аккумулированная и высвобожденная в процессе различных превращений, происходящих в географической оболочке, является «движущим началом» (К. К. Марков) всех явлений, с которыми мы здесь сталкиваемся.
Особое значение для географической оболочки имеет свойство энергии переходить из одной формы в другую. Хотя значительная часть энергии в географической оболочке проявляется в форме тепловой энергии, накапливается она обычно в других формах — химической, кинетической, электрической и т. д. Для многих процессов, происходящих в географической оболочке, необходима аккумулированная, концентрированная энергия.
Энергетика процессов географической оболочки стала привлекать внимание ученых гораздо позже, чем движение вещества. Круговорот энергии гораздо менее нагляден и поддается изучению намного труднее, особенно если учесть ее постоянные переходы из одного вида в другой.
Особую роль в усилении внимания к энергетике географической оболочки сыграли работы академика А. А. Григорьева, считавшего «кардинальными для географии вопросы о роли энергетической составляющей в формировании закономерностей зональной дифференциации географической среды». Ос-новным методом изучения потоков энергии в географических комплексах является метод балансов. А. А. Григорьев утверждал, что «в энергетическом отношении географическая оболочка делится на два яруса: во внешнем ярусе основным источником тепла является солнечная энергия, во внутреннем — радиоактивный распад и аналогичные процессы. Граница между ними на суше проходит на глубине нескольких десяток метров и менее, в умеренных широтах — на глубине 15—30 м».
В свете современных данных утверждение А. А. Григорьева о том, что основным источником энергии во внутреннем ярусе является ядерная энергия радиоактивного распада, требует, очевидно, пересмотра.
Оба энергетических яруса географической оболочки связаны с Солнцем. Солнечная энергия — основная энергия всех ярусов географической оболочки. В верхнем ярусе солнечная энергия действует непосредственно, в то время как в нижнем ярусе непосредственного влияния солнечной энергии почти не ощущается, и основную роль играют процессы, связанные с действием энергии, накопленной в осадочных и метаморфических породах (в геохимических аккумуляторах), энергии радиоактивного распада, гравитационной и др.
Баланс энергии, приходящей на поверхность Земли, показывает, что 99,98% поступает от Солнца и только 0,02%—из недр литосферы.
На верхней границе атмосферы интенсивность потока солнечной лучистой энергии составляет 1,94 ккал/см2/мин (для всей Земли — 1,4*1021 ккал/год или 5,8*1021 кДж в год). Часть радиации (37% или 23*1020 кДж = 5,5*1020 ккал/год) отражается обратно в Космос, часть (12,5*1020 кДж = З*1020 ккал/год) поглощается атмосферрй и, наконец, 23*1020 кДж = 5,5*1020 ккал/год доходит до поврехности Земли.
Попадая на земную поверхность, солнечная радиация частично (35%) отражается в атмосферу, но основная часть поглощается водой, горными породами, живым веществом.
Поток энергии несолнечного происхождения, идущей из Космоса, незначителен (3*106 Дж/сек), примерно на 5 порядков меньше потока, идущего от Солнца (1,4*10-1 Дж/сек).
Некоторое количество энергии (180*1017 кДж или 43*1017 ккал в год) поступает в географическую оболочку из глубинных слоев. 17,8*1017 кДж (4,26*1017 ккал) в год дает радиоактивный распад. 150*1017 кДж (36*1017 ккал) в год поступает в результате уплотнения Земли под действием силы тяжести (Под действием гравитации радиус Земли сокращается на 0,4—0,5 мм в год. При этом высвобождается энергия, часть которой попадает в географическую оболочку), 11,7*1017 кДж (2,8*1017 ккал) в год — от приливного трения.
Поток энергии, поступающей из земных недр, в 300 раз меньше энергии, приходящей на внешнюю границу Земли от Солнца.
Большая часть энергии, получаемой из глубины и высвобождаемой в литосфере, расходуется на эндогенные процессы. Солнечная энергия, поступившая в географическую оболочку в основном в виде излучения, частично превращается в тепловую и расходуется на обеспечение энергией современных процессов географической оболочки, частично переходит в другие виды энергии и аккумулируется.
Способность аккумулировать солнечную энергию в значительном количестве — одна из отличительных сторон круговорота энергии в географической оболочке. Огромные запасы свободной, легко высвобождаемой и легко обращаемой энергии обеспечивают брльшую интенсивность хода процессов, формирующих географическую оболочку.
Накопление солнечной энергии, а затем ее дальнейшее потребление происходит во всех компонентах — в литосфере, гидросфере, атмосфере, и, конечно, в живом веществе, которое с точки зрения энергетики является самым активным из компонентов. Причем круговорот в любой из геосфер неразрывно связан с круговоротом в других геосферах и выделяется нами лишь для удобства рассмотрения. В то же время каждая геосфера имеет свои специфические черты круговорота энергии, знание которых необходимо для понимания механизма сквозного круговорота в географических комплексах.
Литосферное звено круговорота энергии. Литосфера накапливает солнечную энергию в огромных количествах. Основные процессы накопления — это физическое и химическое выветривание.
При физическом выветривании много энергии расходуется на раздробление вещества, и эта энергия как бы аккумулируется. При дроблении суммарная площадь частичек увеличивается. Наличие большого количества вещества в тонкодисперсном состоянии (глины, пески и др.) характерно для географической оболочки, причем значительная доля частиц имеет диаметр меньше 0,0001 мм. «В твердых телах,— говорит А. И. Перельман,— атомы связаны прочными электростатическими и другими связами, для разрыва которых необходимо затратить энергию. Мы можем горные породы раздробить с помощью механической энергии, можем добиться их разрушения и другим путем (например, нагревая и охлаждая), но во всех случаях затрата энергии необходима». В географической оболочке прямо или косвенно (через живое вещество и воду) солнечная энергия затрачивается на раздробление вещества. Интенсивность поглощения энергии в процессах дезинтеграции составляет 0,1 эрг/см2/сек. Вещество в дисперсном состоянии об-ладает большей энергией, чем массивное вещество. Эта дополнительная энергия называется «поверхностной энергией», и ее запасы в географической оболочке огромны.
Появление поверхностной энергии А. И. Перельман объясняет следующим образом. Поверхностная энергия «связана с неодинаковым положением атомов в глубине вещества и на его поверхности. В массе вещества каждый атом окружен другими атомами, с которыми он прочно связан различными силами. Эти силы образуют силовое поле, распространяющееся во все стороны атома. На поверхности тела часть сил не связывается с другими атомами, они свободны и могут совершать работу, например, притягивать чужие атомы из воздуха или воды. Следовательно, поверхность твердых тел обладает энергией, за счет которой может быть совершена работа, например, поглощение вещества из раствора. Особенно важна способность всех дисперсных веществ поглощать (сорбировать) из воздуха или воды различные соединения»;
Дисперсное вещество—весьма важный аккумулятор солнечной энергии, однако подсчета накопленной в такой форме энергии пока еще нет. Не выяснена и направленность потока энергии в настоящую эпоху, т. е. непонятно, преобладает ли расход энергии на дробление (физическое выветривание) или же количество высвобождаемой и вводимой в оборот уже накопленной энергии больше потребляемой, одним словом, не ясно в конечном итоге, является ли дисперсия статьей прихода илй расхода.
При химическом выветривании пополнение энергии происходит в основном за счет увеличения межатомных расстояний. Геохимики — академик Н. В. Белов и профессор В. И. Лебедев — подсчитали, что большое количество энергии накапливается в полевых шпатах при перестройке кристаллической решетки.
Интенсивность потока энергии в результате изменения (диагенеза) алюминиевых соединений оценивается в 0,8 эрг/см2/сек.
Таким образом, физическое и химическое выветривание поглощает примерно 1 эрг/см2/сек. Количество энергии, накопившейся в географической оболочке в результате этих процессов, не подсчитано. Однако расходуется она в основном не на экзогенные процессы (на поверхности), а на эндогенные (в глубине). Эту энергию также можно считать превращенной солнечной энергией. Следовательно, есть основания полагать, что и в нижнем ярусе географической оболочки роль превращенной солнечной энергии абсолютно преобладает над энергией, поступающей от других источников.
В гидросферном звене круговорота накопление энергии происходит тоже в основном за счет излучения Солнца. Поступившая солнечная энергия поглощается тонким поверхностным слоем и расходуется на нагревание воды. Вследствие малой теплопроводности воды эта энергия почти не передается на глубину. Передача энергии от вышележащих слоев к нижележащим про-исходит главным образом путем вертикального, турбулентного перемешивания и переноса тепла глубинными течениями. Полученная энергия расходуется на излучение в атмосферу, на испарение, на контактный (турбулентный) подогрев нижних слоев воздуха. Процессы, изменяющие энергетическое (тепловое) состояние океана, происходят непрерывно. Некоторые из них сопровождаются поглощением, другие — выделением энергии (тепла). Разность прихода и расхода составляет энергетический баланс.
Гидросфера служит прекрасным аккумулятором энергии. Это связано с тем, что: 1) объемная теплоемкость воды в 3—4 раза больше теплоемкости горных пород; 2) в прозрачной воде солнечная радиация проникает в глубину; 3) отражение солнечных лучей водой (альбедо) меньше, чем отражение суши; 4) вода подвижна, поэтому, помимо передачи энергии путем молекулярной теплопроводности, как это имеет место в горных породах, в воде появляются турбулентные движения (конвекция). Турбулентный перенос энергии в воде совершается в 1000— 10 000 раз быстрее, ^чем путем теплопроводности; 5) нагревание и охлаждение охватывают значительную толщу воды; 6) вода очень легко переходит из одного состояния в другое (испаряется, конденсируется), поглощая или выделяя энергию.
В силу этих свойств вода нагревается медленнее и медленнее остывает, являясь прекрасным аккумулятором энергии. Вода накапливает энергию в основном в виде тепла, а тепловая энергия, как известно, всегда стремится уйти к областям, где ее меньше. В результате вода становится одним из важнейших регуляторов распределения тепловой энергии в географической оболочке. Если принять за 100% количество энергии, поглощенной песком, то в воздух уйдет непосредственно на нагревание 43%, а 57% пойдет вглубь. Из 100% радиации, поглощенной океаном, лишь 0,4% отдается непосредственно воздух/, а 99,6% уходит в глубь воды. Суточный и годовой теплообсроты в воде в 20—30 раз больше, чем на почве.
Роль водного, океанического звена в круговороте энергии огромна и до сих пор недостаточно нами изучена. В океанах накапливается и большое количество энергии «несолнечного» происхождения. Так, только приливы обладают энергией примерно в 7*1013 кВт/час или 2,5*1020 Дж (6*1019 кал) в год. Куб морской воды со стороной примерно в 250 м содержит столько тяжелого водорода — дейтерия, что его перевод в гелий (1 г дейтерия, превращаясь в гелий, высвобождает около 100 000 кВт энергии) высвободил бы энергию, равную годовой добыче угля во всем мире (всего в Мировом океане не менее 25*1012 т дейтерия). Эту энергию можно было бы получить, если сжечь количество бензина, примерно в 1500 раз превышающее объем Мирового океана. Роль ядерной энергии, накопленной в гидросфере, в ходе современных процессов еще не выяснена.
В атмосферном звене энергия не столько накапливается, сколько непрерывно превращается и расходуется. Источником всех движений в атмосфере является солнечная радиация, которая однако поглощается не столько непосредственно в виде коротковолновой световой радиации, сколько в виде длинноволновой тепловой радиации, излучаемой Землей.
Механизм нагревания воздуха сложнее механизма нагревания литосферы. В почве тепло передается вглубь путем непосредственного соприкосновения частичек породы друг с другом (молекулярная теплопроводность). В воздухе молекулярная передача осуществляется только в слое, непосредственно прилегающем к земле. Остальная атмосфера нагревается благодаря способности некоторых газов (пары воды, углекислота) и частичек пыли поглощать тепловое излучение (инфракрасные волны), причем за счет поглощения тепловых лучей атмосфера нагревается в тысячу раз сильнее, чем в результате молекулярного теплообмена.
Но главным механизмом нагревания воздуха является так называемый турбулентный обмен (Турбулентностью называют возмущенное состояние воздушного потока, в котором непрерывно происходит перемешивание воздуха). Воздух, нагревшийся у земной поверхности, начинает вихреобразно двигаться и подниматься (тепловая конвекция), тем самым перенося энергию (тепло) в верхние слои. В наших широтах над материком за счет турбулентного теплообмена воздух получает 30—40 ккал/см2 в год, или от 4,1*10-3 до 5,4*10-3 Дж/сек. В целом над континентами турбулентный обмен в два с половиной раза сильнее, чем над океанами. Если поверхность земли в целом теряет за счет турбулентного обмена 13 ккал/см2 в год, то поверхность океана — 8 ккал/см2 в год, а поверхность суши 21 ккал/см2 в год. Максимальных значений турбулентный обмен достигает над тропическими пустынями Северного полушария (до 60 ккал/см2 в год).
Нагревание воздуха происходит и за счет конденсации испарившейся влаги. Ведь испарение 1 г воды требует затраты около 2,5 кДж или 600 ккал. Конденсируясь, вода возвращает эту энергию окружающей среде (воздуху). Поэтому в насыщенном парами воздухе, в котором происходит конденсация водяного пара, температура понижается с высотой в два раза медленнее, чем в сухом (примерно на 1° на 100 м в сухом и на 0,5° на 100 м в насыщенном воздухе). В целом атмосфера получает за счет конденсации 2,46*106 кДж/м2 = 59 ккал/см2 в год. Особенно много тепла (5*106 кДж/м2 или 120 ккал/см2 в год) получают экваториальные широты (0—10° с. ш.). В целом на Земле на испарение расходуется 10,4*1020 кДж или 2,5*1020 ккал/год (свыше 80% радиационной энергии, поглощенной поверхностью Земли). Это одна из наиболее подвижных частей круговорота энергии. Затраченная в одном районе на испарение, энергия высвобождается в другом при конденсации.
Энергия в атмосфере еще переносится горизонтальными потоками. Но в целом для всей атмосферы роль горизонтальных потоков сводится к нулю, так как, получая тепло в одном районе, они лишь переносят его в другой. Экваториальные широты (0° - 10° с. ш.) отдают этим потокам 2,1* 106 кДж/м2 (50 ккал/см2) в год, а северные полярные широты (60—70° с. ш.), наоборот, получают 1,34 кДж/м2 (32 ккал/см2) в год. Из всего тепла, переносимого к полюсам из излишков, накопленных в низких широтах, воздух переносит 90%, а вода — лишь 10%. И это вопреки тому, что теплоемкость воздуха меньше теплоемкости воды.
Чтобы переносить такие огромные количества тепла, воздух должен двигаться быстрее, обращаться чаще. В действительности, несмотря на меньшую массу, кинетическая энергия атмосферы примерно в 50 раз превышает энергию всех движений в океане. Общая кинетическая энергия всех атмосферных движений практически постоянна и равна приблизительно 1021 Дж.
В атмосфере также действует потенциальная энергия, определяемая в данном случае как энергия взаимодействия частиц воздуха с полем тяготения Земли (энергия положения). Ее роль в движении воздуха велика (опускание!), однако суммы движений вверх и вниз балансируются, и в общем балансе роль потенциальной энергии сводится к нулю.
Вследствие разности в количестве энергии, получаемой разными точками, образуются перепады энергии, приводящие воздух в движение. Это, по выражению академика В. В. Шулейкина, своеобразные тепловые машины. Главных тепловых машин две. В «тепловой машине № 1» нагреватель — экватор, охладитель— полюс.
Разность в нагреве полюсов и экватора приводит воздух в движение, непрерывно превращая тепловую энергию в кинетическую. Коэффициент полезного действия этой машины довольно низок. Только 2% тепловой энергии превращается в энергию движения — кинетическую. Нерастраченную на движение энергию воздух переносит. Благодаря тому, что в каждый определенный момент воздуха движется больше, чем воды, вопреки его относительно малой теплоемкости, воздух переносит больше тепла, чем вода.
В «тепловой машине № 2» нагреватель и охладитель периодически меняются местами. Летом роль нагревателя играет кон- тинент, охладителя — океан. Зимой — наоборот. Это заставляет огромные массы воздуха периодически смещаться с океана на сушу и с суши на океан.
Атмосферное звено круговорота энергии оказывает решающее влияние на всю жизнь географической оболочки, обеспечивая более равномерное распределение тепла и влаги, как между широтными зонами, так и между материками и океанами.
В живом веществе географической оболочки круговорот энергии приобретает самую сложную форму.
Накопление солнечной энергии в живом веществе происходит в результате фотосинтеза. Это единственный процесс, в результате которого происходит увеличение свободной энергии живого вещества (500 кДж/моль или около 120 ккал/моль (Моль — сокращенное название грамм-молекулы. Грамм-молекула — число граммов вещества, равное его молекулярному весу)). В основе фотосинтеза лежит фотохимическая реакция, т. е. процессы, происходящие при поглощении кванта излучения молекулой хлорофилла, которое приводит ее к возбуждению, т. е. к запасанию энергии внутри молекулы. Возбужденная молекула способна вступать в фотохимические реакции, которые в темноте термодинамически невозможны. Фотохимическое действие может оказывать только свет такой длины волны, которая поглощается данной молекулой.
Энергия излучается порциями (квантами), которые способны поглотить или отдать молекулы, атом или ядро при переходе из одного состояния в другое. Чем длиннее волна, тем меньше квант. Квант ультрафиолетового излучения имеет энергию в 9 электрон-вольт, квант видимого зеленого света — примерно 1,3 электрон-вольт. Кванты слишком высоких энергий губительны для организмов.
Всякое электромагнитное излучение, в том числе свет, представляет собой поток фотонов. Фотон — мельчайшая «частица» электромагнитного излучения, имеющая энергию в один квант. Фотон движется со скоростью света. Но как только он остановится, его энергия переходит в другие формы.
Поглощение света связано с переходом одного из электронов в молекуле с энергетически более низкого уровня на более высокий. Энергия поглощенного кванта должна точно соответствовать расстоянию между уровнями. Кванты другой величины поглощаться не будут. Поглощенная при фотосинтезе энергия (184*1016 кДж или 44*1016 ккал/год) называется фотосинтетически активной. По расчетам Н. М. Сваткова, средняя интенсивность аккумуляции энергии живым веществом на поверхности Земли составляет 4*10-4 эрг/см2 в сек. По оценке известного советского специалиста по фотосинтезу профессора А. А. Ничипоровича из атмосферы ежегодно извлекается 46*109 т углерода, который связывается растениями. А. И. Перельман считает, что на 1 га поверхности земли образуется примерно 3 т органического углерода. Для образования 46*109 т органического углерода необходимо, чтобы ежегодно 170*109 т углекислоты связывалось с 68*109 т воды, образуя 115*109 т сухого органического вещества. Не весь образовавшийся углерод вступает в биотический круговорот, часть его превращается в запасы горючих ископаемых, где уже сосредоточено около 1013 т (200 т/га) углерода, что соответствует 10,9*1019 кДж или 2,6*1019 ккал. Это, кажущееся нам сейчас огромным, количество энергии, сосредоточенной в нефти, угле, торфе, фактически на целый порядок меньше количества солнечной энергии, доходящей до поверхности Земли в течение года (5,5*1020 ккал/год). Гораздо большее количество еще не учтенного углерода рассеяно в виде битума, угля, гумуса, в осадочных породах и известняках, мраморах и т. д. Только в известняках сосредоточено 1014 т углекислого кальция.
Хотя на первый взгляд кажется, что количество солнечной энергии, расходуемой на создание органического вещества, чрезвычайно мало (всего 0,1—0,2%), роль этой энергии огромна. Органическое вещество, разлагаясь (преимущественно бактериями), высвобождает аккумулированную солнечную энергию. При выделении 1 литра СО2 высвобождается 21,1 кДж (5,047 ккал). Скопление свободной химической энергии способствует образованию все более сложных химических соединений, иногда с резко противоположными свойствами, которые создают чрезвычайно сложные, неуравновешенные и поэтому развивающиеся комбинации, столь характерные для живой материи. Эти соединения, по словам создателя кибернетики Норберта Винера, «обладают ненормально большой способностью запасать энергию и информацию».
При изучении круговорота энергии в живом веществе нужно иметь в виду, что аккумуляция энергии в зеленых растениях лишь начало круговорота. Растения поедаются животными, травоядные животные — хищниками, мелкие хищники — крупными. Каждое звено получает энергию, аккумулированную предыдущим— создается трофическая цепьг или цепь питания. Но живые вещества трансформируют и аккумулируют энергию с большими потерями. Каждое последующее звено цепи ассимилирует только некоторую долю поглощенной энергии. Так, например, американские ученые подсчитали, что в зоне прибрежного рыболовства 1 м2 морской поверхности в среднем за сутки поглощает 12,6*106 Дж (3*106 кал) солнечной энергии, что обеспечивает продукцию диатомовых водорослей, аккумулировавшую 3,8*103 Дж (900 кал). За счет диатомей создается запас зоопланктона. Зоопланктон поедается рыбой, а улов рыбы на 1 м2 эквивалентен запасам энергии в 21 Дж (5 кал). Сле-довательно, эффективность всей системы — 0,00015%.
Растения связывают 0,1—0,3% солнечной энергии. Большая часть съеденного животными используется для создания тепла, для передвижения в поисках пищи и. т. д. Считают, что для получения 1 кг говядины требуется 70—90 кг свежей травы (эффективность 1,3—2%). Хищники, питающиеся травоядными, создают биомассу и накапливают энергии в десятки раз меньше травоядных.
Если расположить один над другим прямоугольники, длина которых пропорциональна аккумуляции энергии на определенном уровне, то получится треугольник (экологическая пирамида). Чем длиннее трофическая цепь, тем выше пирамида.
Накопление энергии в живом организме прекращается с его смертью. С этого момента начинается разложение, осуществляемое редуцентами. Если бы организмы не разлагались, то их слой на земной поверхности достиг бы 80 м мощности. Развитие жизни прекратилось бы.
Подытоживая все сказанное о круговороте энергии в географической оболочке, следует подчеркнуть следующие его основные особенности.
Вся географическая оболочка является областью трансформации солнечной энергии, непраерывно переходящей из одной формы в другую.
Круговорот энергии не замыкается в одной геосфере, в одном компоненте. Во всей оболочке осуществляется непрерывный обмен энергией между атмосферой, литосферой, гидросферой и живым веществом. Все круговороты в отдельных геосферах неразрывно связаны между собой.
Особую роль в круговороте энергии играет живое вещество.
Географическая оболочка представляет собой систему, обладающую «ненормально большой способностью запасать энергию».
Энергетическое состояние географической оболочки в целом находится в динамическом равновесии, т. е. количество полученной свободной энергии уравновешивается количеством отданной или перешедшей в связанное состояние.
Круговорот информации
Географическая оболочка — сложная саморегулирующаяся динамическая система, открытая потокам вещества и энергии как йз Космоса, так и из глубин Земли.
Еще в 1930 г. В. И. Вернадский писал: «Земная кора и очевидно сама Земля не есть инертное место в Космосе не связанных между собой явлений: она является своеобразным механизмом, обладает известной организованностью, которую мы только начинаем вскрывать». Вскрытие своеобразия организованности географической оболочки — одна из основных задач нашей науки.
На греческом языке слово система означает «соединение, составленное из частей». Ученые определяют систему по-разному: «комплекс элементов, находящихся во взаимодействии» (Л. Берталанфи), «организованное множество, образующее целостное единство» (А. Д. Урсул), «упорядоченная множественность предметов или свойств» (Р. Чарли и Б. Кэнеди), «объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе» (Политехнический словарь) и т. д. Целостная система обладает дополнительными свойствами по сравнению со свойствами слагающих ее компонентов или частей (Наличие свойств, порождаемых системой и не выводимых из наблюдаемых свойств ее элементов, называется эмерджентностью системы). Нельзя изучать лес, исходя только из свойств древесины или горных пород, как нельзя изучать архитектуру, исходя только из свойств камня и цемента. Для географов это особенно важно. Недоучет дополнительных (эмерджентных) свойств, возникающих в результате системных взаимодействий, или желание ограничиться изучением отдельных компонентов и небольших частей вызвало глубокий кризис в географии} о котором писал еще В. В. Докучаев. Все это чуть было не привело к исчезновению географии. Именно изучение взаимосвязей В. В. Докучаев называл «высшей прелестью естествознания».
Системный подход к сложным явлениям — одна из самых характерных черт развития современного естествознания. А некоторые географы, как например, академик В. Б. Сочава, писали, что такой подход будет одним «из особо плодотворных во второй половине XX века». Любая система требует определенной организации, определенной структуры (Структура — латинское слово, означающее взаимосвязь, взаиморасположение составных частей системы). Система может быть как относительно простой, так и чрезвычайно сложной и состоять из целой иерархии соподчиненных систем5 являясь сама частью еще большей системы. Например, наша географическая оболочка является частью системы «планета Земля». Та, в свою очередь, представляет собой часть солнечной системы, а солнечная система — часть Галактики. Итак, «вся доступная нам природа образует некую систему, некую совокупную связь тел» (Ф. Энгельс). Географическая оболочка, в свою очередь, является более крупной системой по сравнению с системами гидросферы, атмосферы, отдельного океана, отдельной горной страны и так вплоть до системы отдельного атома или атомного ядра.
Если система находится в неравновесном состоянии, она постепенно меняет свою организацию. Отсутствие организации, упорядоченности, разрушение всякой специфики, хаотическое состояние называют в кибернетике и в теории систем энтропией (От греческих слое «ен» — в и «тропе» — превращение).
По законам физики неуправляемые системы постепенно упрощаются, разрушаются, т. е. стремятся к энтропии. Между тем, максимума упорядоченности, своих высших форм организации материя достигла именно в географической оболочке. Как вверх, так и вниз от географической оболочки происходит уменьшение сложности, упрощение, снижение уровня организации. Эта черта является одной из самых характерных для географической оболочки. Следовательно, в вещественном, т. е. в геохимическом отношении географическая оболочка не среднее тело Космоса, а весьма своеобразное образование. В структурном отношении она также не соответствует среднему уровню организации материи в Космосе, а на много порядков сложнее.
Географическая оболочка — динамичная, меняющаяся система. Одним из основных условий сохранения такой системы является ее движение в состоянии, отличном от равновесного, но близкого к нему (квазиравновесном). Ее можно сравнить с вращающимся волчком, который сохраняет устойчивость до тех пор, пока он движется. Не равновесие, но близкое к равновесному состояние систем географической оболочки позволяет воздействовать на них относительно слабыми количествами вещества и энергии, что дает ключ к искусственному управлению состоянием систем.
Каждая система, входящая в состав географической оболочки, характеризуется особыми специфическими дополнительными свойствами, вытекающими из системных взаимосвязей, зависящих от характера, уровня организации. Изучение взаимосвязей, возникающих в системах географической оболочки различного уровня организации, — одна из основных, еще далеко не решенных задач современной географии. В природе преобладают неупорядоченные, случайные структуры. Для преобразования случайных связей (беспорядка) в специфические, закономерные (порядок) необходимо затратить энергию. Следовательно, при появлении специфического разнообразия уменьшается энтропия системы.
Появление специфической организации, специфических черт структуры происходит по определенным законам, т. е. требует дополнительной информации.
Проблема определения понятия «информация» оказалась одной из самых трудных для современной науки. В настоящее время общепризнанного определения не существует, хотя понятие «информация» наряду с такими понятиями, как вещество, структура, система и др. стало одним из основных в современном естествознании. Информация свойственна лишь системам, обладающим разнообразием. То, что является однородным, неупорядоченным, в состоянии энтропии, не содержит информации. Информация несет уменьшение энтропии, следовательно, информация есть негэнтропия.
До возникновения кибернетики (Кибернетика (от греческого слова «кибернос» — искусство управления) — наука об общих закономерностях процессов управления в системах. Наука о восприятии, хранении, передаче и использовании информации. Основные положения кибернетики были сформулированы американским ученым Норбертом Винером в книге «Кибернетика», опубликованной в 1948 г) считалось, что информация свойственна лишь человеку, поскольку лишь он обладает сознанием. Такое антропоцентрическое понимание информации господствовало до середины 50-х годов. Современная теория информации отвлекается от требования осмысленности, от требования обязательного использования информации человеком. Информацию несет не только человеческая речь, она содержится в любых объектах и процессах, которые подчиняются статическим закономерностям. Получение информации означает ликвидацию неопределенности. Так как абсолютное большинство законов, действующих вокруг нас, имеет статистическую, вероятностную природу, то можно сказать, что информация содержится во всех закономерных системах.
Появление информации связано с таким свойством материи, как отражение. Отражение определяется как общее свойство материи, которое выражается в способности материальных тел через внутренние изменения воспроизводить в иной форме особенности взаимодействующих тел. «Вся материя обладает свойством, по существу родственным с ощущением, свойством отражения» (В. И. Ленин). В неживой природе отражение имеет элементарную форму — форму следа. У живых организмов, не имеющих нервной системы, появляется раздражи-мость затем, у более высокоорганизованных развивается психика и, наконец, у человека появляется сознание. Это позволило Н. М. Амосову разделить информацию по уровням развития материи на три категории: 1) элементарную — в неживой природе; 2) биологическую — в живых организмах; 3) логическую — осмысленную.
А. Д. Урсул считает, что в неживой природе информационное содержание ниже, чем в живой. Системы неживой природы лишь передают и хранят информацию, но не используют ее. Неживым системам свойствен пассивный, случайный тип замены деградированных (разрушенных) элементов. Поэтому нарушенное равновесие может и не восстановиться.
Живые организмы, как управляемые, т. е. кибернетические системы, не только передают и хранят информацию, но и используют ее. Они активно приспосабливаются к внешней среде и активно ищут замену для деградированных элементов. Лишь в живых системах появляется способность превращать информацию в сообщения.
В географической оболочке имеются системы, состоящие как из живых организмов, так и из тел неживой природы. Для живых организмов неживая природа только среда, из которой они черпают находящуюся там информацию. Но сами организмы являются лишь частью более сложных географических систем. Изменяясь сами и влияя на окружающую среду, они изменяют геосистемы.
Для превращения информации в сообщение, ее нужно превратить в сигнал. Одну и ту же информацию могут нести разные сигналы, например, одно и то же сообщение можно передать буквами на бумаге, в виде радиосообщения (радиоволны), спроектировать на экран (световые волны), передать звуковым сигналом (звуковые волны), взмахами флажков и т. д. Преобразование одной формы («языка») в другую называется кодированием. Для нас особенно важно, что при кодировании энергия сигнала не всегда эквивалентна его действию. Энергия шума шагов человека, дошедшего до стада диких коз, ничтожно мала по сравнению с энергией, которую необходимо затратить, чтобы поднять такую массу, как стадо, и проделать такую работу, как бег. Если свести все процессы в географической оболочке к простому обмену веществом и энергией и не учитывать наличия информационных процессов, то невозможно понять развития географических систем. Способность извлекать информацию из окружающей среды и использовать ее — одна из самых важных функций живого вещества в географических системах. Количество информации, содержащееся в разных системах, может резко различаться. Чем сложнее, система, тем больше информации она содержит. Чем больше фнтропия, т. ё. чем система менее упорядочена, тем она требует больше информации для перехода в организованное состояние. Зная количество информации, можно установить сложность системы (объекта). За единицу количества информации принят бит (Бит (от английских слов binary digit — двойной разряд). Один бит соответствует выбору одной из двух равновероятных альтернатив (бинарный выбор)). Эта единица удобна, так как она является основой всех исчи-слений на электронных вычислительных машинах. Импульс тока либо проходит, либо нет и требует выбора одного из двух вариантов (По-немецки «Ja-Nein Einheit», т. е. «единица да—нет»). В битах исчисляется объем памяти запоминающих устройств электронных машин.
Количество информации, накопленное в географических системах, огромно. Они хостэят обычно как из косной, так и из живой материи, и достаточно сказать, что одна клетка бактерии через 1 минуту после деления содержит 1000 млрд. (1012) бит информации (Столько информации додержат примерно 1000 страниц энциклопедии).
Живое вещество географической оболочки реагирует и видоизменяется не только в результате прямого энергетического воздействия, но зачастую используя накопленную энергию. Видоизменение живого вещества и частичное видоизменение через него среды не всегда эквивалентно полученной порции энергии и часто связано со способностью использовать информацию. Это приводит к усложнению структур географической оболочки, к накоплению в них огромного количества информации. Если построить график накопления информации по вертикали, то окажется, что географическая оболочка совпадает с зоной максимума.
В ходе круговоротов географической оболочки не только происходит обмен веществом и энергией, но изменяется организация, степень разнообразия, т. е. информация. Проследим это, следуя за А. И. Перельманом, в большом геологическом круговороте. При остывании магматического очага структура усложняется — растет информация. При разрушении кристаллических пород происходит дальнейшее усложнение, дальнейший рост информации. «При переплавлении осадочных пород, образовании магмы, несомненно, разнообразие уменьшается: возникает более или менее гомогенный расплав, в котором химические элементы и осколки молекул распределены равномерно. При этом увеличивается «тепловое» хаотическое движение атомов и молекул — возрастает энтропия, уменьшается информация.
А. И. Перельман считает, что в географической оболочке можно различить две категории процессов:
- Процессы, сопровождаемые накоплением энергии, увеличением разнообразия, усложнением, накоплением информации. Особенно свойственны областям, где имеется живое вещество.
- Процессы, сопровождаемые выделением энергии, уменьшением разнообразия, сложности, потерей информации. Преобладают в зоне магматизма. Оба процесса неразрывно связаны, как связаны все процессы круговоротов вещества, энергии и информации в единый грандиозный процесс развития географической оболочки.