теория к семинару По Лупповой / Лекция 18 нов
..docЛекция 18
Географические явления в биосфере (продолжение)
План
-
Полярная асимметрия
-
Целостность географической оболочки Земли
С давних пор отдельные наблюдения, свидетельствующие о том, что северное и южное полушария нашей планеты во многих отношениях несимметричны, привлекали внимание ученых к данной проблеме. Идеи об антиподальности материков и океанов, закономерностях в расположении и очертаниях континентов отмечали английский философ-материалист Ф. Бэкон, французский географ Э. Реклю, М.В. Ломоносов и др. Л. Пастер открыл дисимметрию живого вещества и предложил сам термин «дисимметрия», а П. Кюри впоследствии расширил это понятие, перенеся его в область физических явлений. В 1914 г. Дж. Грегори в своей работе «Образование Земли» писал, что «фундаментальная разница между северным и южным полушариями есть наиболее бросающаяся в глаза черта в плане Земли». Он отметил преобладание материков в северном полушарии, а океанов — в южном, антиподальность суши и океана, выклинивание материков к югу и др.
В 1923 г. В.И. Вернадский в своих лекциях по геохимии в Париже впервые указал на явление дисимметрии нашей планеты на примере «подвижной части земной коры» — астеносферы в районе Тихого океана. Он писал: «Существование дисимметрии (не сплошных оболочек) указывает, что их происхождение тесно связано с геологическими явлениями в истории нашей планеты, имеющими планетарный характер. Оно отражается коренным образом на всех явлениях, имеющих место на Земле, и на всех исканиях, с Землей связанных». В.И. Вернадский впервые получил количественный показатель, подтверждающий дисимметрию планеты: общий коэффициент отношения суши и моря равен 1:2,4. И наконец, он указал на возможность нахождения «дисимметричных явлений» даже в Космосе...
В 1963 г. концепцию о полярной асимметрии (антисимметрии) как одной из важнейших географических закономерностей Земли обосновал академик К.К. Марков. Это свойство характерно и для других планет Солнечной системы. Правильность выделения полярной асимметрии Земли подтверждается новейшими материалами по планетам земной группы и планетам-гигантам. Так, на Марсе в северном полушарии преобладают светлые, более молодые поверхности, а в южном — темные и более древние. Асимметрична и Венера, на которой в северном полушарии сосредоточены гористые и возвышенные области, а в южном — более пониженные. Также отмечены элементы асимметричности и на планетах-гигантах (Юпитере, Сатурне, Нептуне). Ниже рассмотрим лишь наиболее интересные факты полярной асимметрии Земли.
Прежде всего уже сама фигура Земли асимметрична: северная полярная полуось на 70-100 м длиннее южной, поэтому полярное сжатие северного полушария меньше, чем южного. Фигура Земли напоминает кардиоидальный эллипсоид, причем северный полюс приподнят примерно на 30 м по сравнению с южным.
Отдельные проявления асимметричности в распределении материковых и океанических масс, в морфологии глобального рельефа Земли исследовались такими учеными, как В.И. Вернадский, С.В. Калесник, Г.Н. Каттерфельд, П.С. Воронов, В.А. Магницкий, Л.П. Шубаев и др. Полярная асимметрия северного и южного полушарий Земли заключается в том, что суша в северном полушарии занимает 39%, а в южном — 19%. Эта противоположность в распределении суши и океана особенно заметна в пределах субарктического, субантарктического и умеренного поясов обоих полушарий (рис. 44). В северном полушарии здесь располагаются наиболее приподнятые участки земной коры (щиты Балтийский, Алданский, Канадский, Анабарский), а в южном — океанические впадины (Африкано-Антарктическая, Беллинсгаузена и др.). Одной из причин такой антиподальности являются нисходящие движения в литосфере Земли в умеренных широтах южного полушария, и восходящие — в умеренной зоне северного полушария.
Различны также геологическая история и строение литосферы обоих полушарий нашей планеты. Северные материки (Европа, Азия, Северная Америка) сформировались в основном к середине протерозоя, а южные (Австралия, Африка, Южная Америка) — только к началу палеозоя, т.е. на 500 млн. лет позже. Большая часть южных материков (72-96%) занята древними платформами, значительная же часть северных материков образована палеозойским и мезо-кайнозойским горообразованием. Различная история геологического развития древнейших континентов (Гондваны, Лавразии) объясняет многие различия в очертаниях и строении земной коры современных материков. Так, материки северного полушария характеризуются большой изрезанностью береговой линии, обилием полуостровов и островов (24-39% от общей их площади), а материки южного — меньшей изрезанностью берегов и малым количеством островов (1-2%). В северном полушарии имеется пояс молодых гор (Атлас, Альпы, Кавказ, Тавр, Эльбурс — горная система на севере Ирана и др.), протянувшийся с запада на восток на месте средиземноморской геосинклинали Тетис; аналога ему в южном полушарии нет.
Асимметричность суши и океана северного и южного полушарий влечет за собой дисимметрию в распределении других компонентов географической оболочки. В южном полушарии вследствие значительного преобладания водной поверхности климат в целом ровнее, чем в северном. Если в северном полушарии средняя разность между температурой самого теплого и самого холодного месяца составляет 14 С, то в южном — чуть более 6°С. Отмечена также асимметрия в распределении температур поверхностных вод Мирового океана: средняя температура составляет +17,4°С, причем в северном полушарии она на 3°С выше по сравнению с южным. Теплые течения в северном полушарии распространяются от экватора до Северного Ледовитого океана, а в южном — не далее 35° ю.ш.
Особенно четко фиксируется полярная асимметрия в криосфере Земли (ледниковые покровы, горные ледники, многолетняя мерзлота). Ледники и ледниковые покровы занимают в настоящее время более 16 млн км2 (около 11% площади суши), причем подавляющая их часть (87%) заключена в ледниковом покрове Антарктиды (их объем достигает 25,6 млн км3). В Арктике характерны слабое континентальное оледенение, сильное морское оледенение и широко распространена многолетняя мерзлота. На Земле вечная мерзлота занимает около 21 млн км2 (или 14% площади суши), причем большая ее часть сосредоточена в северном полушарии (20 млн км2), а в южном — всего лишь 1 млн км2. Напротив, в Антарктиде — очень мощное континентальное оледенение, а морские льды и многолетняя мерзлота занимают сравнительно небольшие пространства.
Отмечаются также элементы асимметрии в распределении живого вещества в океане и на континентах, в частности географические пояса северного полушария, особенно умеренный и субтропический, намного превышают по биомассе аналогичные пояса южного полушария. Северные материки по биомассе на единицу площади также превышают южные, за исключением Южной Америки, имеющей максимальную величину (85,4 • 103 т/км2). В Мировом океане географические пояса северного полушария дают 10,6 • 109 т биомассы (или 55% от всей биомассы океана), а пояса южного — всего 6,6 • 109 т (34%), остальная биомасса приходится на экваториальные и субэкваториальные пояса.
Характерна также асимметрия в расположении географических зон в обоих полушариях Земли. Еще в 40-х годах нынешнего столетия зарубежный географ К.Тролль начал развивать представления о полярно-асимметричной структуре горизонтальных и высотных зон растительного покрова Земли. Он отмечал, что типичная бореальная растительность — тундра, тайга, смешанные леса — ограничена только континентальными пространствами Евразии и Северной Америки. Так, в северном полушарии огромные пространства занимает таежная зона (ее площадь достигает 13,4 млн км2), которая в Евразии с запада на восток тянется более чем на 7000 км, а в Северной Америке — на 5000 км. В южном полушарии ей аналога нет. В целом в южном полушарии отсутствуют именно те зоны, которые на материках северного полушария занимают самые большие территории (Марков и др., 1978).
Полярная асимметрия очень ярко выражена в распространении живых организмов. Голарктические области флоры и фауны сформировались только в северном полушарии, а в южном имеются своеобразные группировки организмов, свойственные флористическим областям Капской, Австралийской и фаунистическим Новозеландской (киви, моа) и Австралийской (утконос, ехидна, кенгуру, коала и др.). Отдельные виды растений (сосновые, секвойя, тисс, гинкго) встречаются только в северном полушарии. Наоборот, другие виды растений: из хвойных (подокарпус, дакридиум, либоцедрус, араукария) — произрастают только в южном полушарии. Многие представители протейных распространены преимущественно в южном полушарии (Капская область, юго-запад и восток Австралии).
Наиболее ярким примером полярной асимметрии в растительном покрове Земли являются южные буки (из рода нотофагус), представители которого в настоящее время встречаются исключительно в южном полушарии. По данным К. Хамфриза (1988), достоверные находки ископаемой пыльцы нотофагуса в кайнозойских отложениях говорят о том, что он и в прошлом был приурочен к южному полушарию, занимая более обширный ареал своего распространения. Все 36 видов южных буков, главным образом вечнозеленых деревьев, встречаются в южном полушарии (юг Южной Америки, Австралия, Тасмания, Новая Зеландия). В дождевых горных лесах Новой Гвинеи и Новой Каледонии встречается 18 видов вечнозеленых южных буков-нотофагусов.
Животный мир также подчеркивает значительные различия обоих полушарий Земли: пингвинам Антарктиды противостоят наземные животные Арктики (белые медведи, мускусные быки, лисицы, копытные и др.). В южном полушарии отсутствуют такие животные, как двугорбые верблюды, яки, моржи, а в северном — нет ламы и кондора. Только в южном полушарии существуют сообщества таких животных, как утконос, ехидна, сумчатый волк, киви, коала, сумчатые белки и пр. В Мировом океане — в северном полушарии исключительно распространены тресковые рыбы, а в водах южного полушария обитают нототениевые и белокровные рыбы. Так, нототениевые (около 50 видов) широко распространены только у берегов Антарктиды и у субантарктических островов, питаясь в основном крилем. Также в водах Антарктики обитает около 18 видов белокровных рыб (или белокровок). Эти рыбы уникальны в том, что у них в живом состоянии кровь не красная, как у всех позвоночных, а бесцветная из-за полного отсутствия в ней эритроцитов и гемоглобина. Редукция эритроцитов является своеобразной адаптацией, способствующей понижению вязкости крови и обеспечивающей достаточное кровообращение при жизни в ледяных водах Антарктики.
Имеющиеся палеографические материалы свидетельствуют о том, что полярная асимметрия биосферы отмечалась и в прошлые геологические периоды. Так, асимметрично происходило развитие древних ледниковых периодов на поверхности Земли: такие оледенения, как гуронское (ранний протерозой), позднеордовикское и четвертичное были распространены преимущественно в северном полушарии, а позднедокембрийское и гондванское (средний и поздний карбон) — главным образом в южном полушарии. Палеоботанические данные также говорят о том, что исконными растениями южного полушария и в прошлом были протейные, южные буки (нотофагусы), хвойные (подокарпус, дакридиум, араукария).
Гинкго, тисе, секвойя, сосновые всегда были аборигенами северного полушария. Например, гинкго в прошлом произрастало на обширных территориях нынешней Сибири, являясь одной из основных лесо-образующих листопадных пород умеренной зоны северного полушария. В кайнозойских отложениях найдены остатки секвойи и метасеквойи, которые в прошлом были распространены по всему северному полушарию (Аляска, Европа, Сибирь, Восточная Азия). В дальнейшем их ареал значительно сократился, и в настоящее время секвойя, как и гинкго (единственный вид — гинкго двулопастный — произрастает в горах Восточного Китая), произрастает лишь на западе США, а метасеквойя — только в горах Южного Китая.
Элементы асимметрии фиксируются и для животного мира в прошлом. Так, в настоящее время в южном полушарии обитает 17 видов пингвинов. Остатки ископаемых пингвинов (22 вида) обнаружены только в южном полушарии, причем среди миоценовых видов Антарктиды встречались отдельные экземпляры, достигающие высоты 170 см, которые были лучше, чем современные пингвины, приспособлены к существованию на суше (Марков; 1986). Но по мере того, как увеличивался ледниковый покров Антарктиды, пингвинам приходилось адаптироваться к существованию в прибрежных водах океана, изменяя свои морфологические признаки (королевский пингвин имеет высоту ПО см, при весе 35-40 кг).
Приведенные данные показывают, что полярная асимметрия географической оболочки Земли наравне с такими особенностями, как ритмичность, зональность и азональность, является одной из важных закономерностей развития нашей планеты. Знание и использование этих закономерностей позволит более разумно решать проблемы рационального природопользования и охраны биосферы. И при этом не забывать слова А. Герцена: «Природа не может перечить человеку, если он не перечит ее законам».
Одним из важнейших свойств географической оболочки Земли является ее целостность. Целостность географической оболочки настолько велика и носит всеобщий характер, что стоит измениться одному компоненту, как сопряженно начнут меняться и все остальные. Каждый компонент (горные породы, рельеф, воздушные массы, почвы, растения, животные) развивается по своим собственным законам, но ни один из них не существует изолированно, не испытывая на себе влияния других компонентов, в свою очередь, не оказывая на них никакого воздействия. Ранее были подробно охарактеризованы взаимоотношения между различными компонентами биосферы, а также типы живых организмов и их тесная связь с окружающей средой. По степени консервативности компоненты можно расположить в такой убывающий ряд: литосфера — рельеф — климат — воды — почва — растительность — животный мир.
Взаимосвязь и целостность компонентов географической оболочки Земли существовала всегда, не только в современную эпоху, но и в геологическом прошлом. Особенно четко подобные связи были установлены для четвертичного периода (плейстоцена), когда формирование мощных ледниковых покровов на суше приводило к значительному понижению уровня всего Мирового океана (на 100-110 м). Это понижение уровня океана сказывалось на природе всей поверхности Земли: происходило осушение шельфа, материки и острова получали другие очертания, возникали «континентальные мосты», по которым происходила миграция сухопутных видов фауны и флоры, и т. д. Во всех речных системах земного шара наблюдалась интенсивная глубинная эрозия, что приводило к сносу в океан огромного количества обломочного материала. В теплые межледниковые эпохи материковые льды растаяли, что вызвало значительное повышение уровня океана. Произошло затопление шельфа, разобщение материков и островов, что ограничило миграцию растений и животных. Подсчитано, что при полном таянии льдов Антарктиды (их объем с шельфовыми ледниками составляет 25,6 млн км3, при средней мощности 2000 м), повышение современного уровня Мирового океана составило бы 62 м.
Особенно показателен пример пустыни Атакама и течения Эль-Ниньо (от испанского «младенец»). Атакама — одна из прибрежных пустынь западного побережья Южной Америки с экстрааридным климатом. Пустынность ее обусловлена влиянием холодного Перуанского течения. Осадки выпадают далеко не ежегодно, и их общее годовое количество составляет 10-50 мм. В прибрежной зоне Тихого океана обильны водоросли и рачки, которыми питается рыба, которую в свою очередь потребляют многочисленные птицы (бакланы, пеликаны и др.). Но иногда эта биологическая цепочка разрывается...
Изменение только одного фактора — смена холодного течения теплым — влечет за собой взаимосвязанную перемену всех составляющих компонентов природного ландшафта, что соответствует закону целостности. Примерно раз в 8-12 лет, обычно в феврале-марте, когда ослабевает юго-восточный пассат, а значит и Перуанское холодное течение, от экватора начинает распространяться эпизодическое теплое течение Эль-Ниньо. Особенно катастрофический характер эти изменения носили в 1925, 1951, 1967, 1972, 1982 гг. В этом небольшом районе Мирового океана в отдельные годы вылавливалось более 12 млн т анчоусов, а в 1973 г. после сильного Эль-Ниньо — всего 1,8 млн т. Это стало экономической катастрофой для ряда стран, связанных с промыслом анчоусов. Чем же была вызвана подобная катастрофа?
Приход теплых малопродуктивных вод, бедных кислородом и планктоном, оказывает катастрофическое влияние на экосистему прибрежных районов. В 1982 г. температура поверхностных вод океана во время прихода Эль-Ниньо превысила средние многолетние значения на 8-10° С. В этот период почти полностью из прибрежных районов исчезли анчоусы, за ними гибли или улетали многочисленные птицы, которые питаются в основном рыбой. Подсчитано, что 5 млн птиц ежедневно потребляют около 1000 т анчоусов. Во время прихода Эль-Ниньо в 1957 г. численность птиц уменьшилась с 27 до 6 млн особей. С побережий улетают птицы, формирующие знаменитые залежи гуано, местами покрывающие берега 50-метровым слоем. Долгое время гуано было главным минеральным удобрением и экспортировалось во многие страны мира. В теплых водах иногда возникают вспышки развития некоторых водорослей (динофлагеллят), весьма токсичных для окружающей фауны. Это так называемые «красные приливы», которые еще более усугубляют катастрофическое воздействие теплого течения. Особенно отрицательное влияние на морских животных оказало Эль-Ниньо 1982 г., в частности в районе Галапагосских островов численность морских игуан сократилась на 30-35%, бакланов бескрылых — на 45%, галапагосских пингвинов — на 78%, погибли почти все новорожденные морские котики.
В этот период над пустыней Атакама разражаются тропические ливни, так, в марте 1925 г. здесь выпало 390 мм атмосферных осадков. В феврале 1982 г. ливневые осадки в Перу вызвали наводнения на равнинах и большие оползни в горах (Федоров, 1984). Обилие осадков приводит к тому, что в Атакаме появляются растения-эфемеры и масса насекомых. Коренным образом меняются природные ландшафты побережий, пустыня преображается в цветущий ковер, но это мало радует местных жителей. Они остаются без средств к существованию, так как прекращается лов анчоусов, закрываются карьеры по добыче залежей гуано. Такое состояние продолжается 3-4 месяца, иногда и более 5-6, после чего теплое течение Эль-Ниньо отодвигается к экватору, в район Галапагосских островов, а холодное Перуанское течение занимает свое обычное место. И все природные процессы начинают развиваться в обратном направлении: подъем глубинных вод (зона апвеллинга), богатых кислородом и питательными веществами, ведет к обильному размножению фитопланктона (поэтому появляются анчоусы), затем прилетают многочисленные птицы. Сравнительно быстро выгорает растительность, улетают насекомые, и пустыня Атакама в конечном счете приобретает свой обычный вид.
Исследования последних лет показали, что появление Эль-Ниньо имеет не только региональный, но и глобальный характер, оказывающий влияние на систему океан — атмосфера. Так, в годы развития Эль-Ниньо в юго-восточной части Тихого океана устанавливается зона пониженного давления, а в бассейне Индийского океана — повышенного. Это в свою очередь вызывает засухи в Индии, Восточной Африке, Австралии (особенно это фиксировалось в 1941, 1965-1966, 1972, 1982-1983 гг.). появление Эль-Ниньо заметно влияет на глобальную климатическую систему и гидрологический цикл; когда не наблюдается Эль-Ниньо, тогда в районе побережий Индийского океана фиксируются значительные наводнения (Водные ресурсы, 1992, № 4). Так, катастрофическое Эль-Ниньо 1982 г. привело путем сложных взаимодействий к жесточайшей засухе 1982-1983 гг. в Африке, аналогичные явления были отмечены в 1987 г., когда в районе Сахеля, Судана и Эфиопии резко уменьшилось количество осадков или их вообще не было.
Этот пример показывает важность учета целостности географической оболочки при решении практических вопросов рационального природопользования и охраны окружающей среды. Поэтому прав был акад. И.П. Герасимов (1985), который объяснял ряд возникших экологических проблем тем, что их создал человек при «очевидной нехватке научных знаний об основных закономерностях развития окружающей среды, физической сущности природных процессов и динамике их изменений, вызванных антропогенными факторами».
Наиболее ярким примером несоблюдения закона целостности, что привело в конечном итоге к экологическому кризису (или даже катастрофе), возникшему под воздействием деятельности человека, служит деградация экосистемы Приаралья.
С 60-х годов в результате сокращения притока воды с 60 км3 до 20-30 км3 в 80-е годы и, наконец, до 5 км3 в 90-е годы в Аральское море, ускоренными темпами начались обмеление и осолонение водоема. Все это привело к тому, что уровень Арала понизился более чем на 15-16 м. Изменение только одного компонента природной среды привело к деградации экосистемы Аральского моря и прилегающих территорий. Так, объем вод Арала уменьшился более чем на 65%, площадь водоема сократилась на 45%, средняя глубина уменьшилась на 43% (с 16 до 9 м), возросла почти в 3 раза соленость вод и т.д. Все это привело к тому, что в бассейне Аральского моря резко возросла континентальность климата, увеличилось число дней с пыльными бурями, вырос вынос солей с осушенного дна (в 1990 г. с 29 тыс. км2 было вынесено около 90 млн т пыли и солей). Такое снижение уровня водоема привело к кардинальной перестройке природных ландшафтов окружающих территорий, имеющих тенденцию прогрессирующего их опустынивания. Началась деградация почв, растительности и животного мира, в частности исчезли приречные тугаи, численность обитающих млекопитающих в Приаралье уменьшилась с 70 до 30, в 2 раза сократилась численность птиц и т. п. Ухудшение состояния окружающей среды отрицательно сказалось на эффективности сельского хозяйства. Так, засоление почв резко понизило урожайность хлопчатника и других культур, почти в два раза уменьшилась продуктивность пастбищ, сократились запасы лекарственных трав и т. п. (Глазовский, 1990). Ухудшение качества природной среды, в том числе чрезмерное применение минеральных удобрений и пестицидов, привело к росту заболеваемости и смертности местного населения. За последние десять лет в Приаралье общая смертность возросла почти в 15 раз, заболеваемость раком пищевода — в 7-10 раз, брюшным тифом — в 20 раз, желчнокаменной болезнью — в 5 раз и т. д. Итак, экосистема Аральского мора, находившаяся до 60-х годов нынешнего столетия в динамическом равновесии, под воздействием антропогенных факторов пришла в дестабилизированное состояние, т.е. началась полная деградация природной среды. Намечен комплекс природоохранных мероприятий с участием различных международных организаций по спасению Арала.
Но человек забыл экологические уроки прошлого... По историко-археологическим данным установлено, что в низовьях Сырдарьи и в Приаралье в VI-V вв. до н. э. существовали крупные земледельческие государства (Хорезм), позднее исчезнувшие. Остатки этих цивилизаций (густая сеть ирригационных каналов) показывают, что в историческом прошлом площадь орошаемых земель достигала современных размеров, причем только в Хорезмском оазисе процессами засоления было охвачено более половины его площади. Вероятно, упадок этих земледельческих государств был связан не только с социально-экономическими причинами, но и с экологическими катастрофами, возникшими в результате нарушения человеком природного равновесия (Григорьев, 1991). Любые сведения об экологических кризисах и уроках прошлого полезны для совершенствования оценок современного состояния окружающей среды, для выработки наиболее правильных взаимоотношений с ней в будущем.