Тема 2. Абиотические факторы глобального масштаба Первовзрыв
Астрофизики и физики-теоретики почти единодушны в том, что наши Вселенная и Галактика зародились 24-30 млрд. лет назад в процессе “первовзрыва", когда материя невообразимо высокой плотности практически мгновенно начала расширяться из “точки” со скоростью света; гипотетический процесс подробно описан, начиная со времен порядка 10-3 -10-1 секунды.
Возможно, с "первовзрывом" связаны шаровые звездные скопления, "шаровая" составляющая звездного населения нашей Галактики, сама Галактика (она относится к числу Галактик-гигантов) а , также, ядро Галактики, где, вероятно, еще сохранились остатки "протовещества” со времен первовзрыва.
Солнечная система и Земля много моложе Галактики - их возраст не превышает 5- 6 млрд. лет.
Считают, что:
1) малые по размеру и массе звезды (к ним относятся Сатурн и Юпитер) характеризуются "вялостью" ядерных превращений, в результате чего они более 100 млрд. лет так и останутся состоящими из водорода и гелия;
2) наше Солнце относится к классу звезд средней массы (G 3) с очень "спокойным" характером; при этом:
- за 4-6 млрд. лет его яркость (как утверждают климатологи) увеличилась всего на 40%;
- "мелкомасштабные" колебания излучения (связанные, например, с солнечными пятнами) не превышают 1% и находятся на пределе точности измерений;
- свои свойства Солнце сохранит еще, по крайней мере, 6 млрд. лет74;
3) звезды с массой, в 2-5 раз большей, чем у Солнца, имеет интенсивный характер протекания ядерных реакций и малый "срок жизни"- миллионы, десятки миллионов лет.
Особый интерес с точки зрения осмысления эволюции жизни в Солнечной системе представляют "Сверхновые" звезды - один из видов звезд большой массы.
На начальном этапе жизни большая масса звезды обеспечивает интенсивное "выгорание" исходного вещества с поддержанием очень высоких температур внутри нее. После выгорания исходного топлива температура резко падает; давление внутри не уравновешивает гравитационного притяжения внешних слоев к центру и они начинают "падать" на ядро звезды. При этом гигантские количества гравитационной энергии переходят в рентгеновское и гамма- излучения, в результате чего:
1) давление излучения отбрасывает внешние оболочки звезды (10-40% массы), которые быстро приобретают скорость, равную 20-40% скорости света; при таких скоростях яркость оболочки часто в течение недели (месяца) превышает яркость всей галактики; на звездном небе появляется ослепительно яркая “новая звезда”;
2) колоссальные энергии излучения и частиц превращают наружные слои звезды в гигантский термоядерный реактор, где генерируются все элементы таблицы Менделеева и "космические" лучи.
Такие взрывы "сверхновых" за 24-30 млрд. лет обогатили пространство, занимаемое звездной ассоциацией, космическими лучами, космической пылью, метеоритами, кометами, планетами типа Земли, Марса, Луны и т.п. и, конечно, несколько изменили химический состав звезд.
Наша Звездная ассоциация вращается вокруг ядра Галактики с периодом около 200 млн. лет; с "момента" своего “рождения” Землей совершено около 50 полных оборотов. Как ясно из вышеизложенного, что за это время неоднократно имело место влияние на земную жизнь абиотических факторов Галактического масштаба:
1) "космических" лучей; сейчас они обеспечивают около 50% "ионизирующего" облучения биоты Земли;
2) неизвестных факторов (ряд астрономов полагает, что в одной зоне траектории абиотическое воздействие очень неблагоприятно для жизни; с ней связывают гибель динозавров 65 млн. лет назад);
3) близких взрывов "Сверхновых" с прохождением Солнечной системы сквозь их "оболочку-реактор".
В нашей Галактике Сверхновые взрываются 2-3 раза в тысячелетие; наблюдения со спутников показали, что через 200-600 лет к нам приблизится такая оболочка Сверхновой, взорвавшейся 200-300 лет назад; к счастью, этот довольно близкий взрыв произошел в плоскости Галактики, сильно захламленной космической пылью, так что астрономы даже не заметили эту Сверхновую; вероятно, пыль защитит Землю и от оболочки.
4) загрязнений галактического пространства космической пылью, метеоритами и т.п. Так, климатологи полагают, что похолодание климата 20-25 млн. лет назад как-то связано с тектитами - стеклянными метеоритами, остатки которых высоко ценят аборигены Австралии; по мнению астрономов, тектиты не принадлежат к объектам Солнечной системы.
Отметим, что факторы Галактического масштаба имеют, как правило, случайный характер, но могут изменить свой уровень за достаточно малое время (Сверхновые звезды - за недели, месяцы).
Абиотические факторы, связанные с Солнечной системой
Расстояние от Солнца до ближайших звезд ("летящая звезда Бернарда", "Проксима Центавра") составляет 0,5-0,6 светового года; до границ Солнечной системы - около 1 светового часа. Таким образом, влияние звезд нашей Звездной ассоциации на дела Солнечной системы ничтожно.
Достаточно ясно, что влияние на экосферу Земли планет Солнечной системы (за исключением Луны) также ничтожно мало. Можно отметить два, возможно, существенных фактора, связанных с Солнечной системой.
Метеориты и кометы. Полагают, что падение крупного (диаметром около 10 км) метеорита послужило причиной "катастрофы динозавров"; возможные последствия:
- удар способен резко повысить активность вулканов;
- при ударе могла образоваться мелкая пыль, которая на 30-100 лет изменила коэффициент отражения света Солнца и вызвала заметное похолодание климата Земли, "невыносимое" для динозавров;
- в состав метеоритов часто входят "тяжелые" металлы (например, стронций); при распылении вещества метеорита значительная часть поверхности суши могла получить дозу такого "микроэлемента", невыносимую для большей части биоты.
Впрочем, по другой гипотезе гибель динозавров связывают с близкой вспышкой Сверхновой (по третьей - с Галактической траекторией Солнца).
Хотя падение крупного метеорита - весьма редкое явление, с ним все равно надо считаться:
- геологи обнаружили на поверхности Земли (суша, дно морское, льды Антарктиды) несколько сот кратеров - остатков падения метеоритов или комет с характерным размером, возможно, 1-10 км;
- кратеры самого разного размера хорошо видны на поверхности Луны;
- не далее, как в 1995 г. метеорит диаметром около 10 км пронзил газовый гигант Юпитер.
"Солнечный ветер" и магнитное поле Земли
Известно, что Солнце является довольно интенсивным источником ионизированных частиц-протонов средней энергии. Биота Земли имеет "двойную" защиту от этого "солнечного ветра":
1) атмосфера Земли;
2) магнитное поле Земли.
Магнитное поле Земли взаимодействует с "солнечным ветром", образуя два тора - накопителя частиц, соосных экватору; остальное пространство “ближнего” космоса около планеты чисто от заряженных частиц (именно это обстоятельство и позволяет космонавтам длительно находиться на близких к Земле чистых от излучения орбитах).
Геофизикам хорошо известно, что:
а) "магнитная ось" Земли практически неизменна;
б) каждые 100-400 тысяч лет гигантский магнит Земля меняет свою полярность.
Как известно из электротехники, смена полярности магнитов сопровождается исчезновением магнитного поля; таким образом, каждые 100-400 тысяч лет у Земли "снимается" одна из двух защит от солнечного ветра. Явления при "переполюсовке" магнитного поля Земли пока совершенно не изучены (в работах биологов вообще не упоминается о смене полярности): возможно, "катастрофой" для части биоты окажутся:
а) повышение среднего уровня ионизирующих излучений;
б) изменение устойчивости климатических и погодных явлений при усилении взаимодействия солнечного ветра с верхними слоями атмосферы.
Кстати, по одной из гипотез воды Океана своим происхождением обязаны солнечному ветру.
Абиотические факторы, связанные с системой Солнце-Земля-Луна
Хорошо известно, что:
а) Земля вращается; это приводит к смене дня и ночи и, соответственно, вынуждает биоту "учитывать" это явление;
б) Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты, что приводит (совместное влиянием луны) к:
- появлению климатических поясов (тропики, средние широты и т.п.);
- смене времен года (вне тропиков);
- появлению приливов.
Приливы в Океане имеют высоту всего 0,5 м, но в узких заливах высота увеличивается до 10-24 м. Зона смачивания приливом ("абиссаль") является самостоятельным биомом; без сомнения, пограничная зона приливов оказала существенное влияние на выход жизни из Океана на сушу.
Менее известно, что в системе Земля-Солнце-Луна существуют три типа циклических изменений (климатологи исследуют их роль уже 80 лет):
- с периодом порядка 40 тысяч лет меняется наклон оси вращения Земли;
- в системе Солнце-Луна-Земля экваториальная плоскость немного "покачивается" ("прецессирует") с периодом 20-25 тысяч лет;
- с периодом 90-100 тысяч лет форма орбиты Земли меняется от эллиптической до практически круговой.
Соответственно, с этими же периодами немного (или заметно) смещаются климатические пояса Земли и "средняя" температура Земли; сейчас она на 10оС теплее, чем во время "великих оледенений", но на 8-9оС холоднее, чем в "самые теплые" времена.
Три типа орбитальных абиотических факторов могут частично компенсировать друг друга, но могут и суммироваться; к сожалению, по замечанию одного климатолога "впереди нас ожидает 60000 лет отвратительной орбитальной геометрии" (когда амплитуда изменений температуры Земли максимальна и она “склонна к оледенению”).
Абиотические факторы, связанные с глобальной циркуляцией атмосферы
Важнейшими абиотическими факторами являются температура (или, что почти то же, уровень солнечного облучения - "инсоляции") и влажность воздуха (количество осадков).
Важной особенностью экосферы Земли является то, что вода может находиться в ней во всех трех состояниях:
- жидком (Океан занимает 75% поверхности Земли);
- пара - в атмосфере; пар поступает в нее из различных водоемов (Океана) и в твердом или жидком состоянии способен выпадать на сушу и ледники;
- твердом (ледники, лед).
Распределение влаги и крупных составляющих биосферы - биомов (влажные тропические леса, саванны, степи, тундра и т.п.) в широтном направлении оказалось тесно связанным с глобальной циркуляцией атмосферы.
Глобальная циркуляция атмосферы была открыта около 400 лет назад, когда были обнаружены пассаты - "торговые ветры", круглый год дувшие с постоянной скоростью - 15-25 км/ч в одном направлении. Общая схема глобальной циркуляции атмосферы и распределения биомов Земли изображена на рис.1. Отметим следующее.
Рис.1. Общая схема глобальной циркуляции атмосферы и распределения биомов Земли.
1. В районе экватора теплый, насыщенный влагой воздух поднимается ("всплывает"); при этом он охлаждается ниже "точки росы"; выпадают обильные дожди; возникает биом "влажных тропических лесов".
2. Поднявшись вверх, воздух движется в сторону полюсов. По первой (400-летней давности) теории он и доходил до полюса, где, охлаждаясь, опускался вниз. Эта теория вскоре после возникновения была уточнена - существует не одна, а три (через 30о) ячейки циркуляции.
3. Когда сухой воздух опускается вниз, он нагревается; его относительная влажность уменьшается: возникает биом пустынь.
4. При дальнейшем "возвратном" движении воздуха над поверхностью Земли он постепенно увлажняется - формируются биомы степей и саванн.
5. Полярные ячейки малы по размеру; в Северном полушарии на широте 60-70о расположена тундра, в Южном - гигантский ледяной материк Антарктиды.
6. Воздух в ячейке движется, в первом приближении, по меридиану; вращение Земли приводит к появлению "Кориолисова ускорения" и ветров, дующих в широтном направлении - пассатов.
7. На просторах Океана пассаты разгоняют поверхностные слои воды так, например, что между Африкой и Америкой формируется мощная "океанская река" - Гольфстрим; аналогичные течения есть между Америкой и Азией. В Южном полушарии на широте 40-60о почти нет суши; дующие в одном направлении ветры создают мощное водное течение и устойчивые сильные ветры знаменитых "ревущих сороковых широт".
8. Постоянство уровня Океана и теплые течения приводят к появлению холодных придонных течений. Вынося на поверхность продукты жизнедеятельности редуцентов, холодные течения становятся в зонах шельфа, "банках", возле островов и т.п. зонами "жизни" и сосредоточения рыболовецких сейнеров.
9. Материки, их горы и равнины искажают довольно простую "глобальную циркуляцию атмосферы", так что в зависимости от конфигурации суши приходится говорить о ветрах разных типов, погоде, сложной системе океанских течений и т.п.; существенно влияют на “детали” циркуляции атмосферы и циклоны.
10. Особую роль в экосфере играют горы и, в особенности, горные хребты. Напомним, что при подъеме потоков воздуха он охлаждается; выпадают осадки в форме дождя и снега. Далее, при подъеме в гору температура снижается; возникает “вертикальная зональность” - чередование биомов с изменением высоты. При этом даже на отдельной горе возникает колоссальное разнообразие абиотических факторов и, соответственно, биоразнообразие. Горные хребты увеличивают площадь биомов гор, устраняют влияние “островного эффекта” (особенно, если они способны объединить “горные” биомы с "широтными"). Так, Анды позволяют выравниваться и обогащаться биоте Америк и тундры почти до экватора; “мечтой” многих биологов является побывать в одной китайской провинции, где "крест-накрест" пересекаются два многотысячекилометровых горных хребта.
Абиотические факторы, связанные с движением коры Земли
С древнейших времен человек заметил вертикальные движения земной коры, когда появляются "молодые горы", равнины становятся дном моря или "выходят" из моря и т.п. Такие перемещения поверхности, конечно, очень важны для биосферы.
Несколько неожиданно последние 20 лет стала общепризнанной теория "дрейфа" материков - их достаточно беспорядочного перемещения по поверхности "земной сферы" со скоростью 1-5 см/год, или 300-1000 км за 30-100 млн. лет (теория была даже подтверждена непосредственным измерением скорости лазером на базе Земля-Луна в ходе космических исследований). Теория "дрейфа" материков возникла у геологов около 100 лет назад; при этом они исходили как из сходства очертаний "противолежащих" материков, так и из сходства геологических структур в зонах разрыва (горный хребет, "разорванный" пополам).
С использованием современных вычислительных машин были сопоставлены климат Земли и возможные расположения материков. Анализ показал следующее.
1. Земля получает от Солнца количество тепла, вообще говоря, достаточное для того, чтобы все ее воды были свободны ото льда. Этот случай "теплого" климата реализуется, если:
а) обе полярные области "свободны" от материков;
б) в обеих полярных областях имеются глубоководные бассейны, в которые могут приносить тепло тропиков теплые экваториальные течения.
2. Если одна из полярных областей занята материком или мелководными морями, имеется тенденция к ее оледенению. При этом:
а) открытая вода и суша отражают 8-10% падающего на нее света Солнца;
б) ледник отражает около 80% света Солнца;
Появляются две тенденции:
1) снижения средней температуры поверхности Земли;
2) сохранения ледника в "статическом состоянии".
Например, если бы льды Гренландии внезапно растаяли, образовавшиеся вода и суша обеспечили настолько большой приток тепла, что льды Арктики также растаяли бы.
Рис.2. Уровень моря за последние 100 тыс. лет
(по П.Вейлю)
3. Особенно склонна к оледенениям конфигурация материков, подобная существующей в настоящее время, когда:
а) одна из полярных зон (Южная) занята ледяным щитом Антарктиды;
б) вторая полярная зона (Северная) занята мелководным Океаном, слабо обменивающимся водой с тропической зоной (Гольфстрим, доходящий до Мурманска и Шпицбергена).
4. Зона оледенения "вбирает" в себя воду Океана, уровень которого понижается.
На рис.2 приведены колебания уровня моря за последнее тысячелетие; при этом:
- амплитуда колебаний достигает 100 м.;
- во времени изменения уровня Океана сильно напоминают вполне закономерные синусоидальные колебания;
- наше время соответствует минимуму оледенения.
Климатологи отмечают, что 50-летие 1900-1950 гг. по климатическим условиям было наилучшим за последнюю тысячу лет; расцвет цивилизаций древности начался 4000-6000 лет назад с окончанием последнего "Великого оледенения". Отметим, что современное положение уровня Океана в “зоне максимума”, где он практически не изменяется, позволяет надеяться на устойчивость климата в течение ближайших 1000-5000 лет (естественно, без учета антропогенного воздействия).
Абиотические факторы космического и геологического масштаба. Общие выводы
Для биосферы Земли эти факторы можно разделить на несколько групп.
1 группа. Вращение Земли, движение ее вокруг Солнца, космическое излучение высокой энергии обеспечивают почти строго периодическое достаточно кратковременное (сутки, год) изменение условий "в доме живого".
2 группа. Галактические и околосолнечные космические пыль, метеориты, кометы и т.п. могут привести к практически непредсказуемым внезапным или медленно развивающимся "катастрофам", неподвластным Человечеству.
3 группа. Распределение материков по поверхности Земли, глобальная циркуляция атмосферы, "орбитальная" геометрия системы Земля-Солнце-Луна в настоящее время соответствуют чувствительному к изменениям, склонному к "оледенению" климату. Глобальная циркуляция атмосферы приводит к закономерному чередованию биомов, имеющих заметно отличающиеся биомассу, биопродуктивность, биоразнообразие и т.п. Отметим, что основал часть площади наиболее биопродуктивных биомов уже освоена Человеком и частично доведена до деградации; основная часть площади экосферы не подвержена заметному антропогенному влиянию, но она (пустыни, тундры, тайга, глубоководия Океана и т.п.) имеет ничтожную биопродуктивность малопригодна для биоты и Человечества.
В то же время:
- уровень развития современной науки и технических средств (сумма технологии) явно недостаточны не только для управления, но и для уверенного прогнозирования климатических и погодных изменений как под воздействием антропогенных факторов, так и от "естественных" причин;
- уровень развития современной науки позволяет уверенно прогнозировать негативность влияния как антропогенных факторов, так и возникающих от "естественных" причин;
- климатические и погодные изменения могут оказаться катастрофическими для Человечества;
- особенности технологии принятия и воплощения решений обществом (общественные отношения) не позволяют надеяться на то, что развитие пойдет по рациональному (разумному) сценарию (См. Часть 1).
|
