Контрольная работа по «Основы экологии и экономика природопользования»

Кроме того, в естественных экосистемах ресурсы не теряются безвозвратно, и их запас постоянно  обновляется. Например, в результате биологического круговорота минеральные  элементы питания возвращаются в  почву при разложении органических остатков растений и животных, которые  использовали их ранее для построения собственного тела. Кормовая база хищников восстанавливается в результате размножения их жертв. В подобной ситуации речь должна идти не столько  об абсолютной величине ресурса, ограничивающего  жизнедеятельность организма или  популяции, сколько о скорости его  восстановления. В естественных условиях рост и развитие популяции часто  ограничивает тот фактор, который  имеет наименьшую скорость восстановления.

Рассматривая применимость закона минимума Либиха к естественным экосистемам, Ю. Одум накладывает на него следующее ограничение: закон  Либиха строго применим только в условиях стационарного состояния, т.е. тогда, когда потребление ресурса популяцией полностью восстанавливается его  притоком в систему.

2. Строение, структура  и функции атмосферы

Атмосфера - это внешняя газовая оболочка Земли, которая начинается у ее поверхности и простирается в космическое пространство приблизительно на 3000 км. История возникновения и развития атмосферы довольно сложная и продолжительная, она насчитывает близко 3 млрд лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но на протяжении последних 50 млн лет, как считают ученые, они стабилизировались.

Масса современной атмосферы  составляет приблизительно одну миллионную часть массы Земли. С высотой  резко уменьшаются плотность  и давление атмосферы, а температура  изменяется неравномерно и сложно, в том числе из-за влияния на атмосферу солнечной активности и  магнитных бурь. Изменение температуры  в границах атмосферы на разных высотах  поясняется неодинаковым поглощением  солнечной энергии газами. Наиболее интенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается  снизу, от поверхности океана и суши.

Следует отметить, что атмосфера  имеет очень большое экологическое  значение. Она защищает все живые  организмы Земли от губительного влияния космических излучений  и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебание  суточной температуры на Земле достигло бы ±200 °С. Атмосфера есть не только животворным «буфером» между космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии — главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).

Развитие гидросферы также  в значительной мере зависел от атмосферы  из-за того, что водный баланс и режим  поверхностных и подземных бассейнов  и акваторий формировались под  влиянием режима осадков и испарений. Процессы гидросферы и атмосферы  тесно связанные между собою.

Одной из главнейших составных  атмосферы есть водный пар, который  имеет большую пространственно-временную  изменяемость и сосредоточенный  преимущественно в тропосфере. Важной изменчивой составной атмосферы  есть также углекислый газ, изменчивость содержания которого связанна с жизнедеятельностью растений, его растворимостью в морской  воде и деятельностью человека (промышленные и транспортные выбросы). В последнее  время все более большую роль в атмосфере сыграют аэрозольные  пылеватые частицы - продукты человеческой деятельности, которые можно обнаружить не только в тропосфере, но и на больших  высотах (щоправда, в мизерных концентрациях). Физические процессы, которые происходят в тропосфере, оказывают большое  влияние на климатические условия  разных районов Земли.

Слои атмосферы

Атмосфера имеет слоистую структуру. От поверхности Земли вверх эти слои:

Тропосфера

 Стратосфера

 Мезосфера

 Термосфера

 Экзосфера 

Границы между слоями не резкие и их высота зависит от широты и времени года. Слоистая структура - результат температурных изменений на разных высотах. Погода формируется в тропосфере ( нижние примерно 10 км около 6 км над полюсами и более 16 км над экватором). И верхняя граница тропософеры выше летом, чем зимой.

Тропосфера

Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Для нее  характерно, что температура здесь  с высотой падает в среднем  на 0.6°/100 м (в отдельных случаях  распределение температуры по вертикали  варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают  почти все облака. Сильно развита  здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также  в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы.

 Высота, до которой  простирается тропосфера, над каждым  местом Земли меняется изо  дня в день. Кроме того, даже  в среднем она различна под  разными широтами и в разные  сезоны года. В среднем годовом  тропосфера простирается над  полюсами до высоты около 9 км, над умеренными широтами до 10-12 км и над экватором до 15-17 км. Средняя годовая температура  воздуха у земной поверхности  около +26° на экваторе и около  -23° на северном полюсе. На верхней  границе тропосферы над экватором  средняя температура около -70°,  над северным полюсом зимой  около -65°, а летом около  -45°.

  Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.

В тропосфере сосредоточен весь водяной пар и именно поэтому  все облака образуются в пределах тропосферы. Температура уменьшается  с высотой.

  Солнечные лучи легко проходят через тропосферу, а тепло, которое излучает нагретая солнечными лучами Земля, накапливается в тропосфере: такие газы, как углекислый газ, метан а также пары воды удерживают тепло. Такой механизм прогревания атмосферы от Земли, нагретой солнечной радиацией, называется парниковый эффект ( greenhouse effect). Именно потому, что источником тепла для атмосферы является Земля, температура воздуха с высотой уменьшается >>>

Граница между турбулентной тропосферой и спокойной стратосферой называется тропопауза. Здесь образуются быстро движущиеся ветры, называемые "реактивные потоки" ( jet streams)

Когда-то предполагали, что  температура атмосферы падает и  выше тропософеры, однако измерения  в высоких слоях атмосферы  показали, что это не так : сразу  выше тропопаузы температура почти  постоянна, а затем начинает увеличиваться  Сильные горизонтальные ветры дуют в стратосфере не образуя турбулентности. Воздух стратосферы очень сухой  и поэтому облака редки. Образуются так называемые перламутровые облака ( nacreous or mother-of-perl).

  Стратосфера очень важна для жизни на Земле, так именно в этом слое находится небольшое количество озона, которое поглощает сильное ультафиолетовое излучение, вредное для жизни. Поглощая ульрафиолетовое излучение озон нагревает стратосферу.

Стратосфера

Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся  тем, что температура в ней  в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы.

  Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.

  Нижняя стратосфера более или менее изотермична. Но, начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой, достигая на высоте около 50 км максимальных, притом положительных значений (от +10 до +30°). Вследствие возрастания температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала.

  Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше.

Мезосфера

Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура  с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля . Вследствие быстрого падения температуры с высотой  в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.

 На верхней границе  мезосферы давление воздуха раз  в 200 меньше, чем у земной поверхности.  Таким образом, в тропосфере, стратосфере  и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие  слои приходится ничтожное количество  воздуха 

На высоте около 50 км над  Землей температура снова начинает падать, обозначая верхнюю границу  стратосферы и начало следующего слоя - мезосферы. Мезосфера имеет  самую холодную температуру в  атмосфере: от -2 до - 138 градусов Цельсия. Здесь же находятся самые высокие  облака : в ясную погоду их можно  видеть при закате. Они называются noctilucent ( светящиеся ночью).

Термосфера 

Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется  очень высокими температурами и  потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две  части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы  до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя  часть - экзосфера, переходящая в  земную корону.

  Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен. Мы уже указывали , что на высотах 300-750 км его средняя плотность порядка 10-8-10-10 г/м3. Но и при такой малой плотности каждый кубический сантиметр воздуха на высоте 300 км еще содержит около одного миллиарда (109) молекул или атомов, а на высоте 600 км - свыше 10 миллионов (107). Это на несколько порядков больше, чем содержание газов в межпланетном пространстве.

  Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха - содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км - порядка 1015-106 на кубический сантиметр.

 В ионосфере выделяется  несколько слоев, или областей, с максимальной ионизацией, в  особенности на высотах 100- 120 км (слой Е) и 200-400 км (слой F). Но  и в промежутках между этими  слоями степень ионизации атмосферы  остается очень высокой. Положение  ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией носят название электронных облаков.

 От степени ионизации  зависит электропроводность атмосферы.  Поэтому в ионосфере электропроводность  воздуха в общем в 1012 раз  больше, чем у земной поверхности.  Радиоволны испытывают в ионосфере  поглощение, преломление и отражение.  Волны длиной более 20 м вообще  не могут пройти сквозь ионосферу:  они отражаются уже электронными  слоями небольшой концентрации  в нижней части ионосферы (на  высотах 70- 80 км). Средние и короткие  волны отражаются вышележащими  ионосферными слоями.

  Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно распространяться на большие расстояния, огибая поверхность Земного шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн. Поэтому для надежной радиосвязи необходимо непрерывное изучение состояния ионосферы. Наблюдения над распространением радиоволн как раз являются средством для такого исследования.

  В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по~ природе свечение ночного неба - постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля - ионосферные магнитные бури.

  Ионизация в ионосфере обязана своим существованием действию ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и свободных электронов, о чем говорилось выше. Колебания магнитного поля в ионосфере и полярные сияния зависят от колебаний солнечной активности . С изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке корпускулярной радиации, идущей от Солнца в земную атмосферу. А именно корпускулярная радиация имеет основное значение для указанных ионосферных явлений.

  Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.

 Говоря о высоких  температурах ионосферы, имеют  в виду то, что частицы атмосферных  газов движутся там с очень  большими скоростями. Однако плотность  воздуха в ионосфере так мала, что тело, находящееся в ионосфере,  например летящий спутник, не  будет нагреваться путем теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им солнечной радиации и от отдачи его собственного излучения в окружающее пространство. Термосфера находится выше мезосферы на высоте от 90 до 500 км над поверхностью Земли. Молекулы газа здесь сильно рассеянны, поглощают рентгеновское излучение ( X rays) и коротковолновую часть ультрафиолетового излучения. Из-за этого температура может достигать 1000 градусов Цельсия.