Общая и прикладная экология - Александр Челноков

Свет (в отличие от тепла) оказывает огромное формирующее влияние на облик растения. Деревья, выросшие в лесу, сильно отличаются по строению ствола и кроны от свободно стоящих деревьев. Лесные деревья имеют ровный, хорошо очищенный от сучьев, почти цилиндрический ствол и небольшую высокоподнятую крону. Деревья, растущие на свету, имеют конический ствол, близко от земли разветвляющийся на толстые сучья, и широкую крону. При одностороннем освещении крона дерева получает флагообразное развитие.

Свет влияет на структуру растительных сообществ. Морфология листьев и структура растительного покрова приспособлена для наиболее эффективного восприятия солнечной энергии. Светопоглощающая поверхность листьев земной флоры колоссальна: она в четыре раза больше поверхности Земли.

При создании группировок разных видов растений в зеленом строительстве необходимо строго учитывать их отношение к свету. Без такого учета растительная группировка будет нежизнеспособной.

Свет влияет на активность разных таксонов животных. Распространение водных растений, океанических животных и планктона ограничено областью проникновения солнечных лучей. Животные и растения реагируют на изменение длины волны света. Свет вызывает изменение влажности и температуры окружающей среды. Он является важным сигнальным фактором, обеспечивающим протекание суточных и сезонных биологических циклов (фотопериодизм).

Поток солнечной энергии – единственный источник энергии для биосферы. Почти всю радиационную энергию от Солнца Земля получает на верхней границе атмосферы (90 %). Длина световых волн, достигающих атмосферы, варьирует от 200 до 4000 нм.

Единицами измерения длины световых волн в международной системе единиц (СИ) являются микрометр (мкм) и нанометр (нм):

• 1 мкм = 10–3 мм = 10–4 см = 103 нм;

• 1 нм = 10–6 мм = 10–7 см = 10 ангстремам (А) = 10–10 м.

Солнце излучает в космическое пространство огромное количество электромагнитных волн разной длины и частоты. Спектр распределения энергии Солнца за пределами земной атмосферы показывает, что около 50 % солнечной энергии излучается в инфракрасной области, 40 % – в видимой и 10 % – в рентгеновской и ультрафиолетовой областях. Земная атмосфера, включая озоновый слой, избирательно по частотным диапазонам поглощает энергию электромагнитного излучения Солнца, поэтому до поверхности Земли доходит в основном излучение с длиной волны от 200 до 4000 нм.

Огромное количество световой энергии Солнца уходит за пределы солнечной системы. До поверхности атмосферы Земли, пройдя путь более 150 млн км, доходит только одна двухмиллиардная часть лучистой энергии, испускаемой Солнцем.

Плотность потока солнечного излучения, достигающего пределов земной атмосферы, составляет 1360 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной. Часть поступившей солнечной энергии отражается в космическое пространство, другая часть поглощается толщей атмосферы и используется на ее нагрев (44 %). Около 50 % солнечной радиации идет на испарение воды и осуществление большого геологического круговорота воды. При конденсации влаги выделяемая теплота используется на нагрев воздуха, воды, почвы, на обусловленные этим нагревом конвективные процессы в атмосфере и гидросфере (ветры, течения). На образование озона используется 5 % солнечной радиации. В процессе фотосинтеза все растения нашей планеты улавливают в среднем около 1 % энергии приходящего солнечного излучения, причем на создание органического вещества в процессе фотосинтеза затрачивается всего 0,1–0,2 % падающей на Землю солнечной энергии.

Итоговый радиационный баланс прихода солнечной энергии к поверхности Земли варьирует от 15 Вт/м2 в субполярных широтах и до 120 Вт/м2 в тропических.

При прохождении солнечного излучения через атмосферу его спектр значительно изменяется. В верхних слоях атмосферы (преимущественно озоновым слоем) поглощается коротковолновое ультрафиолетовое излучение, опасное для жизни, а в нижележащих слоях атмосферы (преимущественно облачным покровом) поглощается инфракрасное излучение. На верхней границе атмосферы максимум энергии солнечного света отмечается при 470 нм (в синей части). На поверхности Земли при высоком летнем солнцестоянии максимум энергии приходится на желтую часть спектра, а при низком положении солнца – на красную.

Верхний предел жесткости энергетического спектра солнечного света, к которому приспособлено большинство живых организмов, соответствует длинам волн 280–290 нм. Для всех живых организмов Земли сложившийся за миллионы лет радиационный баланс является необходимым условием жизнедеятельности.

Поверхности Земли достигают три вида солнечного излучения:

• ультрафиолетовые коротковолновые лучи с длиной волн < 400 нм, составляющие 10 % суммарной солнечной радиации. Они оказывают губительное действие на живые организмы;

• видимые лучи с длиной волн от 380 до 760 нм, составляющие 45 % суммарной солнечной радиации;

• инфракрасные лучи (или ближняя инфракрасная радиация – БИКР) с длинами волн 760–4000 нм, составляющие 45 % суммарной солнечной радиации.

Солнечная энергия, которую зеленые растения поглощают и используют в процессе фотосинтеза, называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР). ФАР – это такая радиация, квант которой, поглощаясь молекулой хлорофилла, приводит ее в возбужденное состояние. Понятие о ФАР ввел в науку русский ученый Л.А. Иванов (1918), развил и широко внедрил его А.А. Ничипорович (1956). Длина волн ФАР лежит в спектральном диапазоне 370–720 нм. Диапазон плотности светового потока (освещенности), в пределах которого разные растения могут осуществлять фотосинтез, варьирует от 5 до 350 Вт/м2.

От интенсивности солнечного освещения зависит продуктивность растений. Установлено, что для растений наиболее продуктивны не прямые солнечные лучи, падающие на земную поверхность перпендикулярно, а рассеянные солнечные лучи. Прямая солнечная радиация в зависимости от высоты Солнца над горизонтом содержит в среднем 28–43 % ФАР, а рассеянная солнечная радиация составляет 50–60 % ФАР. Рассеянный свет поглощается растениями почти полностью, а коэффициент его использования намного больше, чем прямого света.

Каждое местообитание характеризуется определенным световым режимом, т. е. соотношением интенсивности (силы), количества и качества света. Показатели светового режима очень изменчивы и зависят от географического положения и рельефа местности, высоты ее расположения над уровнем моря, типа растительности, состояния атмосферы, времени года и суток и других факторов.

Интенсивность света (или сила света) измеряется количеством энергии (ккал), приходящейся на единицу площади горизонтальной поверхности (1 см2) в единицу времени (1 мин). Для прямых солнечных лучей этот показатель почти не изменяется в зависимости от географической широты. Наиболее сильно на него влияют особенности рельефа местности: на южных склонах интенсивность света всегда больше, чем на северных. Самым интенсивным является прямой солнечный свет, но менее интенсивный рассеянный свет используется растениями наиболее полно.

Количество света, определяемое суммарной радиацией, увеличивается от полюсов к экватору, что сопровождается изменениями его спектрального состава. Освещенность выражается в люксах (лк). Для определения светового режима необходимо учитывать также альбедо.

Альбедо – это количество отражаемого света. Оно выражается в процентах от общей радиации и зависит от угла падения лучей и свойств отражающей поверхности. На открытых местах растения кроме прямого и рассеянного (бокового) света получают также свет, отраженный от поверхности почвы, а зимой – от снега, т. е. нижний свет. Снежная поверхность отражает в среднем до 30 % света, а чистый снег – до 85 % суммарного солнечного света, причем спектральный состав отраженного света почти не меняется. Альбедо зеленых листьев клена составляет 10 %, а осенних пожелтевших листьев – 28 %. При этом растения отражают в основном физиологически неактивные лучи. Зеленый луговой травостой отражает 4 % поступающего на луга света, преимущественно длинноволновой части спектра. Особенно интенсивен нижний свет на южных склонах берегов рек, озер и морей, где в солнечный день он может составлять 35–85 % от прямого света. Различные виды растений по-разному отражают и пропускают свет, поэтому световой режим в сообществах растений (фитоценозах) неодинаков.

Температура. Из всех климатических факторов, связанных с энергетикой биосферы, наибольшее экологическое значение имеет температура. Она оказывает существенное влияние на энергетику биоты.