Океаническое звено круговорота воды.

Совокупность перемещений воды в океане складывается из движений и круговоротов различных пространственных и временных масштабов. Периоды движений колеблются от нескольких секунд до сотен лет, а пространственные (горизонтальные и вертикальные) масштабы — от нескольких миллиметров до тысяч километров. Помимо морских течений, составляющих общую циркуляцию океаносферы, в океаническом звене участвуют также турбулентные явления, поверхностные и внутренние волны, приливные явления (колебания уровня и приливо-отливные течения), меандры и вихри, явления апвеллинга и даунвеллинга, переносящие энергию воды в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Атмосферное звено круговорота воды. Влага в атмосферу поступает за счет испарения. Содержание воды в атмосфере невелико: при выпадении на земную поверхность всей воды, находящейся в атмосфере, образовался бы слой в 25 м. Однако скорость влагооборота в атмосфере выше: за год влага сменяется примерно 45 раз (в среднем 1 раз за 8 дней). В результате на земную поверхность за год выпадает в среднем слой атмосферных осадков, равный 1,1 м.

Хозяйственное звено круговорота воды. Мнение о неограниченных запасах пресной воды на Земле основательно пересмотрено. Главными потребителями воды (обычно пресной) являются сельское хозяйство, промышленность и население. На нужды населения используется около 0,2×10¹² м³/год, причем шестая часть воды не возвращается в речную сеть. Следует учитывать, что сточные воды практически для любого обезвреживания необходимо разбавлять чистыми, на что внастоящее время расходуется примерно 40% всех мировых ресурсов качественной воды.

Мировой водный баланс. Количественное выражение глобальный круговорот воды находит в водном балансе Земли — соотношении между количеством воды, поступающей на земную поверхность ввиде осадков, и уходящей с нее за счет испарения в определенный интервал времени. Среднегодовые количество осадков и испарение взаимно уравновешивают друга.

Общую схему круговорота воды на поверхности Земли можно описать уравнениями водного баланса:

для поверхности Мирового океана

E₀ = X₀+f;

для поверхности суши

E_c = X_c-f,

где Е₀ — испарение с поверхности океанов; Е_с — испарение с поверхности суши; Х₀ — атмосферные осадки над океаном; Х_с — атмосферные осадки над сушей; f — сток с континентов.

Водный баланс связан с тепловым через испарение, так как на него затрачивается тепло, которое освобождается при конденсации водяного пара. Влагооборот сопровождается перераспределением тепла между геосферами и отдельными районами Земли, что важно для функционирования географической оболочки. Помимо этого, в процессе влагооборота происходит обмен веществом (солями, газами).

Биологические круговороты.Процессы созидания и разрушения органического вещества образуют биологические круговороты. Они сопряжены с круговоротами воды, воздуха, энергии, минеральных веществ подобно тому, как множество деталей составляют единый часовой механизм. Круговорот основных веществ в биосфере по Г.Хатчинсону показан на рис. 7.3.

Под биологическим круговоротом понимают поступление химических элементов из почвы, воды и воздуха в живые организмы, их превращение в новые соединения и возвращение в окружающее пространство в процессе жизнедеятельности организмов. Биологический (или биотический, по Н. Ф. Реймерсу) круговорот — явление непрерывное, циклическое, неравномерное во времени и пространстве. Оно сопровождается более или менее значительными потерями вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации — от биогеоценоза до биосферы.

Круговороты в биосфере имеют свою специфику, поскольку различают собственный биологический цикл жизни организма, его вовлеченность в общегеографический круговорот и частные круговороты атмосферы, гидросферы, литосферы, где каждому виду отведена своя роль.

Круговороты в биосфере выглядят очень сложными, с множеством линейных и нелинейных связей и взаимоотношений. Полного круговорота веществ в пределах геосистем не происходит, так как часть веществ всегда уходит за их пределы.

Исходная ветвь биологического круговорота — фотосинтез, в результате которого создается органическое вещество. Одновременно с фотосинтезом в каждом растении идет обратный процесс — дыхание. Кроме того, растения погибают, утрачивают часть надземных и подземных органов, образуя мертвое органическое вещество детрит, которое разлагается (минерализуется). Дыхание и разложение органического вещества не уравновешивают полностью процесс фотосинтеза. В нормально развивающихся фитоценозах количество создаваемого органического вещества превышает ту его часть, которая разрушается, т.е. существует положительный баланс органического вещества. Схематично этот процесс можно представить следующим образом:

1) в зеленых растениях на дневном свету идет фотосинтез: в хлорофилловых зернах разлагается вода, водород используется на построение органических соединений, а кислород выделяется в атмосферу;

2) органические вещества животных и растений после смерти организмов разлагаются микробами до простейших соединений — СО₂, воды, аммиака и др.;

3) минеральные соединения, возникшие описанным путем, снова поглощаются растениями, животными, микробами и снова входят в состав сложных органических веществ.

Таким образом, одни и те же элементы многократно образуют органические соединения живых организмов и многократно переходят в минеральное состояние. Темпы биологического круговорота определяют важнейшие черты миграции химических элементов в ландшафтной оболочке и характер связей между атмосферой, гидросферой и литосферой. Значение биологического круговорота тем более велико, что он действует уже многие сотни миллионов лет.

Рис. 7.3. Круговорот основных веществ в биосфере (по Г.Хатчинсону)

Трофические (пищевые) цепи. Неотъемлемой частью биологического круговорота является процесс питания. Часть вновь создаваемого органического вещества вовлекается в трофические (пищевые) цепи. Такие цепи состоят из последовательного ряда организмов, каждый из которых является источником пищи для последующего. Организмы, которые синтезируют необходимые им питательные вещества из простых неорганических соединений, называют автотрофными (самопитающимися), в пищевой цепи — продуцентами. Фотосинтезирующие автотрофы (зеленые растения, пурпурные бактерии) используют солнечную энергию, которая запасается в органическом веществе и затем расходуется всеми участниками трофической цепи. Хемосинтезирующие автотрофы (некоторые виды бактерий) получают энергию за счет окисления или разложения химических соединений (аммиака, сероводорода, пирита и др.).

Другой тип организмов — гетеротрофные, которые питаются готовыми органическими веществами. Гетеротрофы подразделяют на консументов и редуцентов. К консументам относят животных. По типу питания они делятся на растительноядных (питающихся растениями) и плотоядных (питающихся другими животными). Многие животные всеядны. Редуценты — грибы и некоторые бактерии — разлагают органические соединения на простейшие минеральные. Они как бы замыкают биологический круговорот веществ. Еще один тип гетеротрофного питания — паразитизм. Он распространен у некоторых видов животных и растений. Трофические цепи не изолированы одна от другой и, переплетаясь, они составляют пищевые сети. Принцип образования пищевых сетей состоит в том, что каждый продуцент имеет не одного, а несколько консументов. В свою очередь, консументы, среди которых преобладают полифаги, пользуются не одним, а несколькими источниками питания.

Главные потоки вещества и энергии трехступенной трофической цепи изображены на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Потоки вещества и энергии, проходящие через три трофические ступени (по П.Дювиньо и М.Тангу): С — фотоактивная радиация, усваиваемая зеленым листом; П_в — валовая продуктивность растения; П_ч — чистая продуктивность; К — часть растений, съедаемая растительноядными; Н — непоедаемые остатки; Э — экскременты; А₂ — валовая продукция, усваиваемая растительноядными; А₃ — валовая продукция, усваиваемая хищниками; П₂ — чистая продукция на уровне растительноядных; П₃ — чистая продукция на уровне хищников; Д_ь Д₂, Д₃ — потери на дыхание на различных уровнях

Биогеохимические круговороты. Согласно Н.Ф. Реймерсу, под биогеохимическим круговоротом следует понимать часть биологического круговорота, составленную обменными циклами химических веществ, тесно связанных с жизнью — главным образом углерода, воды, азота, фосфора, серы и биогенных катионов.

Биогеохимические круговороты играют огромную роль в географической оболочке: в ходе их реализации биогенная аккумуляция минеральных соединений (превращение СО₂, Н₂О, NH₃, SO₃ и других соединений в сложные, богатые энергией органические вещества) сменяется минерализацией органических соединений с освобождением энергии. Двойное название эти противоположно направленные процессы созидания и разрушения органического вещества получили потому, что они сопряжены с круговоротами энергии и переносом минеральных веществ.

Распределение энергии не единственное явление, обусловленное пищевыми цепями. Некоторые вещества по мере продвижения по цепи не рассеиваются, а наоборот, накапливаются. Известно, что из более 90 химических элементов, встречающихся в природе, 30 — 40 необходимы живым организмам. Некоторые элементы, такие как углерод, водород и азот, требуются в больших количествах, другие в малых или даже минимальных. Какова бы ни была потребность в них, все элементы участвуют в биогеохимических круговоротах.

Каждый химический элемент, совершая круговорот в экосистеме, следует по своему особому пути, но все круговороты приводятся в движение энергией, и участвующие в них элементы попеременно переходят из органической формы в неорганическую и обратно.

Таким образом, важнейшее свойство потоков в экосистемах — их цикличность. Вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в организмы, но часто в иных количествах и состояниях. Между круговоротами элементов существует тесная связь (рис. 7.5).

Особенностью биогеохимических круговоротов является то, что в них участвуют не только биогенные элементы, но и посторонние, в том числе многие загрязняющие вещества (поллютанты).

Рис. 7.5. Общая схема циркуляции углерода, водорода и кислорода

Некоторые из них не только циркулируют в окружающей среде, но и имеют тенденцию накапливаться в организмах. В таких случаях концентрация поллютанта, обнаруженного в организмах, нарастает по мере прохождения его вверх по пищевой цепи, так как организмы быстрее поглощают загрязняющее вещество, чем выделяют его.

Общие замечания о круговоротах.Круговороты в пространстве всегда трехмерны и их надо рассматривать по вертикали, горизонтали и во времени.

Все описанные круговороты не являются круговоротами в точном смысле этого слова. Они не вполне замкнуты, и конечная стадия круговорота вовсе не тождественна его начальной стадии. Разрыв между ними образует вектор направленного изменения — развитие. Растения, например, отдают почве больше веществ, чем получают от нее, так как их органическая масса создана в основном за счет углекислого газа атмосферы, а не за счет элементов, поступивших из почвы через корневую систему. Изверженную горную породу можно расплавить, но при этом не образуется исходная магма, так как материнская магма, кристаллизуясь и превращаясь в твердое тело, отдает многие летучие вещества в атмосферу и гидросферу. Вода, нагнетаемая пассатами в Карибское море, — это не та вода, которая ушла отсюда ранее с потоком Гольфстрима, хотя некоторые струи этого потока и совершили полный оборот по часовой стрелке вокруг Саргассова моря.

Круговороты охватывают все геосферы. Движение вещества в одной из систем географической оболочки носит подчас характер своеобразного «разделения труда». Так, кислородом дышат все аэробные организмы, а возвращением его в атмосферу занимаются только зеленые растения. В биогеоценозе продуценты (зеленые растения и ряд бактерий) создают органическое вещество из минерального, консументы питаются готовыми органическими веществами, а редуценты (главным образом бактерии и грибы) разрушают живое или мертвое органическое вещество и переводят его в минеральное. По степени сложности круговороты весьма различны: одни из них сводятся преимущественно к механическим движениям (циркуляция атмосферы, морские течения), другие сопровождаются сменой агрегатного состояния вещества (круговорот воды), в третьих происходит его химическая трансформация (биологический круговорот).

При анализе круговоротов веществ следует помнить об их естественной изменчивости, связанной с разным состоянием геосфер и ритмичностью (цикличностью) природных процессов и явлений. Порядки и ритмика различных сред и процессов могут быть синхронными и асинхронными, что обусловливает наложение (интерференцию) или ослабление (релаксацию) эффектов. Географическая оболочка направленно развивается во времени. Однако ей свойственны ритмические колебания, при которых состояния геосистем периодически (с большей или меньшей правильностью в чередовании ритмов) повторяются.

Понятие о ритмах.Ритмическими процессами (ритмикой) называют повторяющиеся во времени явления, которые каждый раз развиваются в одном направлении. Это одна из закономерностей существования и развития географической оболочки, проявляющаяся в изменчивости всех процессов. Выделяют два вида ритмических движений: периодические и циклические.

Под периодами понимают ритмы одинаковой длительности (например, время оборота Земли вокруг оси или период обращения ее вокруг Солнца). Ритмы различной продолжительности именуют циклами. Цифры временных интервалов у циклов означают только среднюю продолжительность изменчивости явления (например, 11-летний цикл колебания солнечной активности). Таким образом, периодичность означает равновеликий характер временных интервалов, а цикличность — возвращение системы в исходное состояние через определенные промежутки времени. Следовательно, ритмичность одновременно включает свойства цикличности и периодичности, не обладая хронологической строгостью и не возвращая систему в исходное состояние.

Трудность изучения ритмических явлений заключается в том, что ритмов много, продолжительность их разная, происхождение неодинаково.

Проявляясь одновременно, ритмы нередко накладываются друг на друга, что приводит к усилению одних ритмов другими или к их взаимному ослаблению. Кроме того, скорость ответной реакции отдельных компонентов географической оболочки на внешние ритмические воздействия различна. Познание законов ритмики необходимо для разработки долгосрочного прогнозирования географических процессов.

Классификация ритмических движений.Колебания параметров, характеризующих свойства геосфер, обусловлены многими причинами. При их классификации удобно исходить из длительности географических процессов, изменчивость которых определяется соответствующими пространственно-временными масштабами. Среди колебаний обнаруживается достаточно циклов, продолжительность которых варьирует от нескольких сотен миллионов лет (гигациклы) до периодов случайных флуктуации длительностью в минуты, секунды и их доли. Целесообразность такого условного подразделения очевидна, поскольку каждая геосфера имеет свой набор причин и следствий, проявляющихся в определенный отрезок времени.

Геологические циклы — самая крупная единица установленной периодичности. Они отразились в смене режимов осадконакопления, вулканизма и магматизма, эпохах расчленения и выравнивания рельефа, периодах формирования кор выветривания и элювиальных образований, в чередовании морских трансгрессий и регрессий, ледниковий и межледниковий, в изменении климата планеты и содержании атмосферных газов.

Вся известная нам геологическая история Земли обнаруживает циклы в несколько сотен миллионов лет, служащих фоном для более коротких (десятки миллионов, миллионы, сотни тысяч лет и др.) циклов, природа которых различна. Наиболее продолжительным астрономическим периодом является галактический год — время между двумя последовательными прохождениями Солнца через одну и ту же точку галактической орбиты. Этот период составляет 180—200 млн лет. Колебательными движениями земной коры и обусловленными ими изменениями распределения суши и моря определяется геологическая периодичность с ритмом 35—45 млн лет, который положен в основу выделения периодов. Указанные отрезки времени представляют собой своеобразные «сезоны» галактического года, к которому приурочены различные феномены планетной системы: крупные тектоно-магматические циклы, эпохи трансгрессий ирегрессий, выравнивания и расчленения суши, возникновение глобальных ледниковых эпох и др. Существует цикл продолжительностью 85—90 млн лет (космическое полугодие, или драконический период у астрономов), обусловленный сменой положения плоскости эклиптики Солнечной системы относительно такой же плоскости Вселенной. При анализе крупных деформаций земной коры и ее поверхности намечается периодичность в 500—570 млн лет (утроенный галактический год), причина которого пока не ясна. История развития Земли за последние 570 млн лет делится на три этапа: каледонский (кембрий, ордовик, силур), длительностью около 200 млн лет, герцинский (девон, карбон, пермь), длительностью 150— 190 млн лет, альпийский (мезозой, кайнозой), длительностью около 240 млн лет. Последний часто разделяется на ранне-альпийский (киммерийский) продолжительностью около 170 млн лет и позднеальпийский (альпийский), начавшийся около 70—90 млн лет назад.

При некотором различии в длительности эти этапы обладают общими чертами, которые позволяют говорить о цикличности: начало каждого этапа ознаменовано общим опусканием земной коры, а завершение ее поднятием. В эпоху опускания господствуют морской режим и однообразный климат, в эпоху поднятий широко распространены суша, мощные складкообразовательные и горообразовательные движения, разнообразные климаты. Средняя (170— 190 млн лет) продолжительность этих этапов примерно соответствует длительности галактического года. Прямого отражения во времени быть не может, так как надо учитывать запаздывание отражения воздействия на конкретный объект. Существуют предположения о возможном сопоставлении цикличности великих оледенений, повторявшихся примерно через 150—160 млн лет, и длительности галактического года.

Сверхвековые ритмы. Продолжительность сверхвековой ритмики составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Особенно хорошо выражен ритм продолжительностью 1800— 1900 лет (например, смена влажного и засушливого климата Сахары). Согласно А. В. Шнитникову, в каждом цикле длительностью 1850 лет есть три фазы: трансгрессивная (фаза прохладно-влажного климата), развивающаяся весьма быстро и энергично, но относительно короткая — 300 — 500 лет; регрессивная (фаза сухого и теплого климата) продолжительностью 600—800 лет, которая протекает медленно и вяло; переходная, охватывающая промежуток в 700—800 лет. Переход от регрессии к трансгрессии — четкий и быстрый, а от трансгрессии к регрессии — сглаженный. В трансгрессивную фазу усиливается оледенение, увеличивается сток рек, повышается уровень озер; в регрессивную ледники отступают, реки мелеют, уровень озер понижается. Помимо этого, в климатических рядах хорошо прослеживаются колебания с периодами 3500—4500 лет, представляющие собой удвоенные ритмы.

Строго периодично изменяются некоторые астрономические факторы: периодичность наступления равноденствий составляет 21 тыс. лет; изменение наклона эклиптики от 24°36' до 21°58' происходит с интервалом в 40 тыс. лет и влияет на положение тропиков и полярных кругов, что обусловливает заметные климатические циклы продолжительностью 40,4—40,7 тыс. лет.

Внутривековые ритмы. Многие исследователи (Г.Ф. Лунгерсгаузен, Е.В.Максимов, М.М.Ермолаев и др.) считают, что большинство наблюдаемых в природе внутривековых ритмов имеет космическое происхождение, поскольку обнаружена связь с ритмами Солнца и отдельных небесных тел. Для годовых колебаний системы атмосфера—океан—суша выделены следующие циклы, каждый из которых имеет свою природу: 111 лет, 80—90 лет, 44 года, 35—40 лет, 22 года, 19 лет, 11 лет, 6—7 лет, 3—4 года, 2 года.

Полагают, что солнечная активность ответственна за возникновение в географической оболочке (через возмущение магнитного поля и циркуляцию атмосферы) ритмов средней продолжительностью в 2—3 года, 5—6 лет, 11 лет, 22—23 года, 44 года, в 80—90 лет, а возможно и более длительных. Они установлены во многих явлениях: толщине годичных колец у деревьев, периодичности снегонакопления в Антарктиде, размножении саранчи, повторяемости магнитных бурь и полярных сияний, изменчивости гидрометеорологических параметров, урожайности зерновых культур, чередовании вспышек жизнедеятельности ряда организмов, заболеваемости людей, в геологических отложениях (глинах, торфах, кораллах) и др. Огромный вклад в изучение гелио-геофизических связей внесли А.Л.Чижевский и В.Н. Купецкий.

В колебании солнечной активности наиболее известен 11-летний цикл, хотя, как видно из табл. 7.5, его продолжительность может меняться. В изменении интенсивности природных процессов (осцилляции горных ледников, активизация эруптивной деятельности вулканов и сейсмической активности, катастрофические наводнения крупных равнинных рек и др.) наблюдается ритм продолжительностью около 90 лет. Полагают, что он также связан с солнечной активностью, а именно с усилением каждого восьмого солнечного цикла (88—90 лет).

Таблица 7.5. Метод наложенных эпох солнечной активности (по В. Н. Купецкому)

Цикл	Продолжительность цикла солнечной активности
Рост	Максимум	Спад
			1986 14	1987 29	1988 103	1989 157	1990 142	1991 146	1992 94		1994 30	1995 18
			1976 13	1977 28	1978 90	1979 156	1980 154	1981 141	1982 116	1983 67	1984 46	1985 18	1986 14
		1964 10	1965 15		1967 94	1968 106	1969 106	1970 104	1971 67	1972 69	1973 38	1974 34	1975 16	1976 13
			1954 4	1955 38	1956 142	1957 190	1958 184	1959 159	1960 112	1961 54	1962 38	1963 28	1964 10
			1944 10	1945 33	1946 93	1947 152	1948 136	1949 135	1950 84	1951 69	1952 31	1953 14
		1933 6	1934 9	1935 36	1936 80	1937 114	1938 110	1939 89	1940 68	1941 48		1943 16	1944 10
	1923 6	1924 17	1925 44	1926 64	1927 69		1929 65	1930 36	1931 21	1932 11
		1913 1	1914 10			1917 104	1918 81	1919 64	1920 38	1921 26	1922 14
		1901 3	1902 5	1903 24	1904 42	1905 64	1906 54	1907 62	1908 48		1910 19			1913 1
		1889 6		1891 36		1893 85	1894 78	1895 64	1896 42	1897 26		1899 12	1900 10	1901 3
	1878 3	1879 6	1880 32	1881 54	1882 60	1883 64	1884 64	1885 52	1886 25	1887 13
			1867 7	1868 37		1870 139	1871 111	1872 102	1873 66	1874 45	1875 17	1876 11	1877 12	1878 3

Примечания: 1. В графах вместе с годом приведены числа Вольфа. 2. Значения центрированы относительно среднегодового максимума солнечной активности.

Установлены ритмы, обусловленные изменениями приливо-образующей силы в результате взаимного положения Земли, Луны и Солнца. Наиболее известным из них является лунный деклинационный период в 18,6 лет (известный как «Сарос» очень давно), а также ритмы длительностью 1—2 года, 8—9 лет и около 111 лет.

Э.А. Брюкнер в 1890 г. установил, что почти везде на земном шаре климат испытывает циклические колебания со средней продолжительностью одного цикла около 30—35 лет. За это время серия влажных и прохладных лет сменяется серией теплых и сухих. По другим данным (уровень озер, водоносность рек и горных ледников, ледовитость, температура воздуха и др.), продолжительность ритмов может колебаться от 20 до 45 лет.

В 20-е годы прошлого века на обширных территориях земного шара было отмечено потепление климата, усилившееся к 1940 г. Заметно потеплел атлантический сектор Арктики (это событие получило название «потепление Арктики»): повысилась средняя температура зимы, уменьшилась ледовитость морей, опустился уровень вечной мерзлоты, отступили ледники, лоси распространились до побережий северных морей. Потепление не затронуло центральных районов Азии, севера Африки, Антарктиды, а в Австралии стало даже холодней. Полагают, что причиной описанных изменений являются нарушения в интенсивности общей циркуляции атмосферы. В 30-х годах XX в. В. Я. Вангенгеймом были начаты обстоятельные исследования общей циркуляции атмосферы. В непрерывном ходе метеорологических процессов Северного полушария он выделил элементарные синоптические процессы (ЭСП), обобщенные позже в трех формах атмосферной циркуляции - западной (W) восточной (Е) и меридиональной (С). Общая циркуляция атмосферы является системой атмосферных макропроцессов непрерывно изменяющихся в пространстве и времени. Развитие атмосферных макропроцессов проходит ряд стадий (эпох), отличающихся как характером самого процесса, так и его пространственно-временным масштабом. Цепь развития атмосферных процессов в эпохе определяется преобладанием соответствующей циркуляционной формой переноса, которую А. А. Гире схематически представил в следующем виде:

Установлено, что в что в периоды повышения солнечной активности в тропосфере активизируются меридиональные формы циркуляции и ослабевает зональный перенос.

Сейсмическая активность Земли также носит ритмический характер при средней продолжительности ритмов в 22 —23 года.

Эль-Ниньо — аномальное продвижение теплых экваториальных вод южной ветви Межпассатного противотечения далеко на юг вдоль побережья Южной Америки при ослаблении юго-восточного пассата. Такие вторжения теплых вод резко меняют океанологические и метеорологические условия в прибрежных районах Перу и Чили и приводят к массовой гибели холоднолюбивых промысловых рыб, катастрофическим ливням и штормам большой силы Моменты (фазы) наступления Эль-Ниньо различны, но отмечена периодичность в 2, 4—5 и 8 лет.

При изучении этой проблемы совместно рассматриваются колебания атмосферы, называемые Южным колебанием, колебания океана, регистрируемые по его теплым фазам Эль-Ниньо и холодным — Ла-Нинья, и колебания Земли, проявляющиеся через изменения скорости ее вращения и нутацию географических полюсов. Хронология фаз Эль-Ниньо и Ла-Нинья приведены в табл 7.6. Отмеченные эффекты отражаются далеко за пределами Тихого океана и омываемых им территорий.

Таблица 7.6. Хронология фаз Эль-Ниньо и Ла-Нинья, год

Холодная фаза (Ла-Нинья)	Нейтральная фаза	Теплая фаза (Эль-Ниньо)

Нестабильность вращения Земли (изменения скорости ее вращения и колебания земной оси) порождает в океане и атмосфере полюсной прилив, который в свою очередь влияет на движения атмосферы и океана и протекающие в них процессы. Его амплитуда в океане составляет 0,5 см и зависит от величины смещения полюса. По мнению И. В. Максимова, 6-летний ритм движений полюса вращения Земли является следствием наложения 14-месячного чандлеровского движения и 12-месячного движения мгновенного полюса вращения Земли.

Внутригодовые ритмы, характеризующие сезонные колебания, наиболее выражены в высоких и умеренных широтах и в некоторых тропических районах (например, в муссонной зоне Индийского океана).

Внутригодовая, или сезонная, ритмика проявляется в смене времен года, ходе климатических элементов, гидрологических явлениях (ледостав, ледоход, половодье), почвообразовательных и геоморфологических процессах (усиление речных врезов при увеличении расходов воды в паводки и половодья и их затишье в межень, активизация термокарста летом и его замирание зимой, изменение величины плоскостной и почвенной эрозии в разные времена года) и др. Эта изменчивость свойственна любой географической зоне, но определяется различными причинами: в умеренных широтах — преимущественно ходом температуры, в субэкваториальных областях — режимом увлажнения, в полярных районах — световым режимом.

Внутримесячная ритмика, связанная с изменчивостью периода обращения Солнца, изменением фаз и склонений Луны, обусловливает соответствующие колебания атмосферных, гидрологических и биологических процессов. Внутримесячные колебания скорости вращения Земли обнаруживают периодичность в 27, 14 и 9 суток.

Внутрисуточная ритмика проявляется в изменении всех гидрометеорологических параметров (температуры, влажности, атмосферного давления), приливо-отливных явлениях, фотосинтезе, биологической активности животных и др. Нагревание горных пород днем и остывание их ночью создает суточный ритм физического выветривания. Такой же ритм присущ и процессам почвообразования.

Бризы и горнодолинные ветры — это проявление суточной ритмики движения воздуха, вызванной изменением его плотности при нагревании и охлаждении. Под влиянием тех же причин наблюдается и «дыхание» гидросферы: ночью холодная вода поглощает газы, днем теплая вода выделяет их, под влиянием освещенности происходят суточные миграции планктона: днем — на глубину, ночью — к поверхности.

В классификации А.С. Монина и других пространственно-временные масштабы явлений в атмосфере и гидросфере включают: мелкомасштабную (от долей секунды до десятков минут), мезомасштабную (от часа до суток), синоптическую (от нескольких суток до недели — для атмосферных и до нескольких месяцев — для океанологических процессов) и крупномасштабную (многолетнюю) изменчивости. Эта классификация вполне соотносится с выделенными ранее ритмами.

Общие замечания о ритмах.Закон целостности географической оболочки исключает возможность существования изолированной ритмики отдельных компонентов. Ритмичность явлений — это форма своеобразного «дыхания» географической оболочки как целостной системы, и задача исследователя состоит в поиске и установлении связи между ритмами разнообразных географических процессов.

Вследствие пространственной изменчивости своей структуры географическая оболочка реагирует неодинаково на синхронные (одновременные) и периодические внешние возмущения. Поэтому наблюдается сдвиг фаз ритмов во времени и пространстве, что придает природе определенную мозаичность.

Ритмические процессы, как и круговороты вещества, не замкнуты. Всякий географический ландшафт изменяется с возрастом, поэтому ритмические явления, протекающие на фоне непрерывного развития географической оболочки, не могут повторить в конце ритма первоначальное состояние — каждый географический процесс происходит только один раз. Поэтому при исследовании ритмики и установлении их средних величин к числовым значениям добавляют частичку «квази», что означает «как бы» ритм той или иной продолжительности. Необходимо учитывать факты разновременных начал и окончаний ритмов разного происхождения и различной продолжительности, которые выделяются на основании неоднозначных фактов и критериев. Порой создается причудливая интерференция (наложение) периодов и циклов, указывающая на своеобразную нестационарность явлений, или скрытую периодичность, которую не всегда можно расшифровать.

Методы и способы изучения ритмики различны и во многом зависят от длины временного ряда, который анализируется. При исследовании непродолжительных ритмов дело обстоит лучше, поскольку репрезентативные ряды данных составляют до 100 лет. Продолжительные ритмы чаще всего не фиксируются прямыми наблюдениями, но проявляются при палеогеографических исследованиях или их изучают по косвенным признакам. Их установлению ученым помогают уже выясненные закономерности функционирования природных систем, отраженных в объектах географической оболочки. Динамика биоты, помимо собственных циклов, отражающих совокупное влияние абиотических и биотических факторов, неразрывно связана с формированием и распространением ареала. Новые виды образуются путем изменения предковых форм, естественного отбора и сохранения наиболее приспособленных видов, победивших в борьбе за существование. Последнее проявляется в виде прогрессирующего биоразнообразия. Виды, попадающие в условия географической изоляции, дают начало ветвям филогенетического древа, все дальше отходящими от ствола сначала на уровне микро-, а затем и макроэволюционной дивергенции. Таким образом, формируются неповторимые черты биосферы, отличающиеся не только по составу видов, но и родов и семейств. Однако каждый вид существует только определенное время.

В.И. Вернадский отметил огромную внутреннюю потенцию живого вещества к растеканию по земной поверхности и назвал это явление «давлением жизни». Оно выражается во «всюдности» жизни, в захвате ею всякого свободного пространства биосферы. Огромная энергия жизни определяется быстротой размножения. Растекание живого вещества контролируется только внешними силами, воздействие которых может проявляться ритмически. Жизненные процессы замирают при неблагоприятной (например, низкой) температуре, недостаточном количестве пищи, отсутствии места для обитания, из-за конкуренции с другими организмами. Если нет внешних препятствий, всякий вид в определенное для него время может покрыть весь земной шар. Некоторые примеры скорости расселения организмов приведены ниже (по О.Е. Агаханянцу):

Организмы Скорость заселения

Бактерии <1,8 сут

Насекомые 203—366 сут

Цветковые растения (клевер) ~11 лет

Рыбы (карп) ~12 лет

Птицы (куры) ~18 лет

Крысы ~8 лет

Слоны ~1000 лет

Наблюдаемые на протяжении фанерозоя мегаритмы в развитии органического мира тесно связаны с геологическими циклами. Можно говорить о сменявших друг друга во времени «волнах жизни», каждая из которых слагается из эпох появления, расцвета и вымирания группы организмов.

Характерная черта динамики географической оболочки и ее компонентов — саморегулирование, которое базируется на принципе всеобщей связи явлений. Благодаря саморегулированию географическая оболочка сохраняет свою устойчивость и многие параметры геосистем находятся в состоянии динамического равновесия несмотря на резкие колебания внешних факторов.

Основная причина постоянства — всеобщая взаимосвязанность концентраций веществ. В соответствие с принципом Ле-Шателье— Брауна, нельзя изменить концентрацию одного компонента замкнутой термодинамической системы без изменения содержания остальных компонентов: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, оказывать внешнее воздействие, то в системе усиливается то направление процесса, течение которого ослабляет данное воздействие, и положение равновесия смещается в том же направлении. Это обстоятельство защищает систему от внешних возмущений. Другое дело определить, когда такое равновесие наступит. Надежность системы возрастает с увеличением ее сложности. В определенной мере этот принцип применим к открытой термодинамической системе, каковой является географическая оболочка. В большинстве незамкнутых геосистем действие этого принципа ограничено, так как всегда есть возможность стороннего поступления анализируемого компонента. Вопрос правомочности применения принципа Ле-Шателье — Брауна в географических системах чрезвычайно важен, так как на его основе оценивается состояние биосферы и возможности жизнедеятельности организмов.

Во многих случаях динамическое равновесие принимает форму автоколебаний (колебание величины относительно некоторого среднего ее значения). Таковы суточные и годовые колебания большинства физико-географических параметров. Например, автоколебательный характер имеют процессы природной системы солнечная радиация—

Рис. 7.6. Схема взаимодействия компонентов тепло- и влагооборота

испарение — облачность (рис. 7.6). За счет солнечной радиации земная поверхность нагревается, что приводит к росту испарения. Поступившая в атмосферу влага конденсируется и образуются облака, которые частично задерживают приходящую коротковолновую солнечную радиацию. Уменьшение ее прихода на земную поверхность понижает температуру поверхности, вследствие чего снижается испарение. Соответственно, изменяется интенсивность и других процессов: уменьшается поступление влаги в атмосферу, рассеиваются облака, вновь увеличивается приход солнечной радиации и начинается новый цикл. Таким образом, четыре взаимосвязанных процесса контролируют друг друга, не давая возможности каждому выйти за определенные границы. У стрелки, идущей от облачности к солнечной радиации, стоит знак «-» (минус), который означает, что влияние облачности на солнечную радиацию отрицательно (при ее увеличении поступление коротковолновой солнечной радиации уменьшается, и наоборот). Этот триггер исполняет роль регулятора с отрицательной обратной связью, стабилизируя систему.

В системе положительной обратной связи все взаимодействующие факторы усиливают друг друга, поэтому она саморазвивается. По такой схеме развиваются тропические циклоны (выделяющаяся при конденсации влаги энергия способствует подъему масс воздуха на большую высоту, а, следовательно, и более интенсивной конденсации).Перемещения вещества и энергии в географической оболочке связывают ее составляющие в целостную систему, в которой изменение одной части приводит к изменению остальных. Так, процесс дегляциации современного оледенения теоретически может привести к повышению уровня Мирового океана на несколько метров. В результате окажутся затопленными большие площади приморских равнин, произойдут изменения в характере тепло- и влагообмена и атмосферной циркуляции, интенсивности речной эрозии и как следствие — смещение географических зон. В географической оболочке связи осуществляются неравномерно в пространстве и во времени. Горизонтальные перемещения воздуха, воды, минеральных частиц и других субстанций обычно в сотни и тысячи раз превышают вертикальные. Имеет место несимметричность взаимодействий: в одних направлениях перенос сильнее, чем в других. Перемещение разных субстанций происходит с разной скоростью. Все это определяет наличие участков, относительно слабо связанных с другими, с небольшими скоростями обмена вещества и энергии, — болота, замкнутые морские котловины, глубоководные части Мирового океана. Существуют регионы, отличающиеся большими скоростями обмена веществом и энергией — морские побережья, русла рек, предгорья, фронтальные зоны в океане, энергоактивные зоны литосферы. Пространственные и временные различия в характере взаимодействий определяют необходимость тщательного анализа цепей связей в геосистемах при воздействии на природную среду.