Влияние гидрологических процессов на природные условия

Облик планеты. Благодаря специфическим физическим свойствам воды (высокая температура плавления и кипения) она на Земле широко распространена и в твердом, и в жидком, и в газообразном состоянии, образуя ледники, Мировой океан и водные объекты суши, подземные воды, влагу в атмосфере. Это во многом определяет и географический облик земного шара в целом. Как уже отмечалось в разд. 3.1, суммарная поверхность Земли, покрытая водой в жидком или твердом состоянии, равна 382,5 млн км², или 75% (!) поверхности планеты.

Современные климатические условия. Благодаря большой массе воды на поверхности Земли и особенностям ее тепловых свойств гидросфера Земли регулирует тепловые процессы, поглощая в среднем 77% поступающей к земной поверхности солнечной энергии, передавая ее затем в атмосферу в результате испарения и последующей конденсации водяного пара (84% всего радиационного баланса Земли), а также путем турбулентного теплообмена. Гидросфера, таким образом, выступает в качестве мощного нагревателя атмосферы и всей Земли.

Широтная климатическая зональность земного шара — в основном следствие неравномерного поступления солнечной радиации, обусловленного сферичностью Земли и наклоном земной оси. Кроме того, огромные массы льда, находящиеся в приполярных областях Земли, оказывают сильное охлаждающее влияние на районы, расположенные в высоких широтах, усугубляя, таким образом, широтную зональность. Если бы приполярные льды растаяли, то климат на Земле стал бы более теплым и однородным. Подобная климатическая обстановка была на планете, по-видимому, в неогеновом периоде (несколько миллионов лет назад). Вместе с тем природные воды, чьи тепловые свойства зависят от распределения солнечной радиации по широтам, сами существенно влияют на перераспределение теплоты в меридиональном направлении: с морскими течениями теплота из районов ее накопления (низкие широты) переносится в районы ее расходования (высокие широты), что выравнивает современные тепловые различия на разных широтах.

Метеорологические условия. Хотя метеорологические условия на планете и их изменчивость определяются атмосферной циркуляцией, роль в этом природных вод также очень велика. Во-первых, многие основные свойства самой атмосферы — результат воздействия на нее гидросферы. Общие закономерности распределения атмосферного давления, пассатные и муссонные ветры, облачность и другие факторы зависят от распределения суши и воды на земном шаре и различия в их нагреве. Во-вторых, определяемое общей циркуляцией атмосферы перемещение воздушных масс сопровождается их трансформацией над водными объектами (нагревание или охлаждение, насыщение влагой и т.д.). Основным источником осадков на Земле служит Мировой океан.

Крупные изменения климата. Крупные изменения климатических условий, в частности общее похолодание Земли, начавшееся с мелового периода, и периодические оледенения в четвертичное время, существенно влиявшие и на облик планеты, и на развитие на ней жизни, ученые пытаются объяснить многими причинами — астрономическими (изменения параметров земной орбиты, скорости вращения Земли, наклона земной оси), геологическими (тектонические процессы, катастрофические вулканические извержения, приводящие к уменьшению прозрачности атмосферы), радиационными (изменение солнечной постоянной, альбедо земной поверхности) и др. Однако в некоторых гипотезах не привлекаются эти «внешние» причины изменения климата, а делается попытка вывести эти изменения из закономерностей «внутренних» процессов взаимодействия гидросферы и атмосферы. Весьма интересны (хотя и дискуссионны) гипотезы о существовании глобальной автоколебательной системы атмосфера ↔ гидросфера и ее подсистем атмосфера ↔ океан, атмосфера ↔ ледники и ледники ↔ океан. О перераспределении воды между отдельными частями гидросферы речь шла в разд. 3.1. Сложные процессы взаимодействия океана и атмосферы будут рассмотрены в гл. 10.

В настоящее время отмечается заметное потепление климата. Объем материковых ледников медленно уменьшается, о чем свидетельствует продолжающееся повышение уровня Мирового океана (см. разд. 3.2). По-видимому, этот процесс будет продолжаться и дальше.

Эрозионно-аккумулятивные процессы на земном шаре. Геоморфологический облик современной суши, да и довольно обширной прибрежной зоны океанов и морей, без всякого сомнения, сформировался под огромным и в ряде случаев решающим воздействием гидрологических процессов. Помимо, пожалуй, ветровой эрозии, во всех других проявлениях экзогенных природных процессов непосредственная или косвенная роль воды очевидна: физико-химическое выветривание горных пород немыслимо без участия воды; эрозионно-аккумулятивные процессы на суше, абразия морских берегов, формирование дельтовых равнин и шельфа, подводных каньонов и глубоководных конусов выноса — все это результат мощного воздействия гидрологических процессов. Эрозионно-аккумулятивные процессы в речных бассейнах изменяют горные системы, сформировавшиеся в результате эндогенных процессов (тектоника, вулканизм и др.).

В современном рельефе суши многочисленные формы обязаны своим происхождением эрозионной, транспортирующей и аккумулирующей роли текущей воды (овраги, речные долины, русла рек и их поймы и т.д.). Песчаные пустыни Средней Азии и Африки, лессовые плато в Азии — также, по-видимому, результаты аккумулятивной работы древних рек. Ледники также создают при своем движении специфические формы рельефа (троговые долины, моренные холмы, гряды и т.д.).

Взаимосвязь природных вод и биосферы. Биосфера, согласно учению В.И. Вернадского,— это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлена прошлой или современной деятельностью живых организмов. Биосфера охватывает часть атмосферы, поверхностные воды и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны сложными биохимическими процессами,— миграцией вещества и энергии. Как было показано выше, в появлении на Земле жизни, ее развитии и распространении ведущая роль принадлежит воде. Границы биосферы и гидросферы практически совпадают.

Размещение организмов на планете в целом подчиняется климатической зональности, но существенно зависит от наличия воды и ее физико-химических свойств. Основной средой обитания животных служит океан. Растения заселяют и океан и сушу; в последнем случае их распространение во многом определяется тремя факторами: поступлением тепла, характером почв и, что особенно важно, наличием воды.

Водные объекты служат местом обитания многих организмов — гидробионтов. По месту обитания и характеру перемещения гидробионты подразделяются на планктон (организмы, находящиеся в водной толще во взвешенном состоянии, не способные самостоятельно перемещаться на большие расстояния и переносимые в основном течениями), нектон (животные, обитающие в водной толще, приспособленные к активному плаванию и способные самостоятельно перемещаться в пространстве на большие расстояния), бентос (организмы, обитающие на дне), нейстон (организмы, прикрепляющиеся к поверхностной пленке воды и передвигающиеся по ней сверху — эпинейстон или снизу — гипонейстон).

Планктон подразделяют на фитопланктон (различные водоросли), зоопланктон (простейшие, кишечнополостные, ракообразные и др.) и бактериопланктон (бактерии). Нектон представлен в водной среде высшими животными (киты, тюлени и др.), рыбами и некоторыми моллюсками.

Бентос подразделяют на фитобентос (высшие водные растения) и зообентос (живущие на дне черви, моллюски, иглокожие и др.). К нейстону относятся простейшие, одноклеточные водоросли, клопы-водомерки, жуки-вертячки, личинки насекомых и др.

Растения, живущие в воде, подразделяют на гидрофиты (растения, погруженные в воду только своей нижней частью) и гидратофиты (растения, погруженные в воду полностью или большей своей частью).

Решающее влияние на жизнь гидробионтов оказывают условия их питания. Часть гидробионтов относится к автотрофным организмам, развивающимся путем поглощения из воды растворенных веществ или синтеза органического вещества в присутствии света (например, фитопланктон). Автотрофные организмы (в основном зеленые растения) также называют продуцентами. Организмы, питающиеся готовым органическим веществом, т. е. другими растительными или животными организмами, называются гетеротрофными (рыбы, ракообразные, водные млекопитающие и др.). К гетеротрофам относятся также бактерии, грибы, питающиеся органическим детритом. Гетеротрофные организмы иногда называют консументами: это макроконсументы (в основном животные) и микроконсументы, или деструкторы (в основном бактерии).

Основными количественными показателями интенсивности биологических процессов в водных объектах служат биомасса и продукция.

Биомасса — это общее количество органического вещества в живых организмах в данном водном объекте и в данный момент времени. Биомассу выражают либо в единицах массы, либо относят к единице объема воды (г/м³) или площади дна (г/м², кг/га). Увеличение биомассы связано с ростом и размножением организмов, перемещением из смежных районов, уменьшение — с гибелью, перемещением за пределы рассматриваемого объекта, изъятием для хозяйственных нужд (выловом).

Свойство водных объектов воспроизводить органическое вещество в виде живых организмов называется биологической продуктивностью, количественной характеристикой которой служит продукция, т.е. приращение биомассы за некоторый интервал времени. При этом важнейшую роль играет так называемая первичная продукция, т.е. органическое вещество, создаваемое автотрофными организмами, в основном в процессе фотосинтеза. Гетеротрофные организмы лишь преобразуют органическое вещество.

Противоположного характера процесс связан с деструкцией, или разложением органического вещества, ведущим механизмом которого являются окислительные процессы. Разложение органического вещества может быть полным, и тогда продуктами его распада будут СО₂, NH₄, Н₂О и др. (см. формулу (3.9)), или неполным. В последнем случае неполностью разложившиеся остатки растительности формируют слои торфа, сапропелита, горючих сланцев, бурого и каменного угля, а остатки водных живых организмов (в первую очередь беспозвоночных) — слои органогенных морских осадочных пород, например известняки, состоящие из раковин фораминифер, кораллов, брахиопод, моллюсков и т.д.

Водные объекты по условиям питания гидробионтов подразделяют на олиготрофные (биогенных веществ мало, планктон развит слабо), евтрофные (большое содержание биогенных и органических веществ, бурно развивается фитопланктон), дистрофные (в воде содержатся вредные для развития жизни вещества, наблюдается недостаток кислорода), мезотрофные (водные объекты со средними условиями питания).

Евтрофирование — это процесс повышения биологической продуктивности водных объектов в результате накопления биогенных веществ под действием естественных или антропогенных факторов. В результате усиленного развития в водном объекте растений и микроорганизмов, а затем их гибели ухудшается качество воды — уменьшается ее прозрачность, появляются неприятные вкус и запах, повышается величина рН, возникают дефицит кислорода и заморные явления.

Полагают, что евтрофирование водных объектов начинается, если содержание фосфора в воде превысит, по некоторым данным, 10—30 мкг/л. Благоприятным условием для развития водных организмов отвечает содержание кислорода в воде не менее 4 мг/л.

Вода как важная часть входит в состав всех организмов в количестве от 60 до 99,7%. В наземных растениях 70—90% воды, в водорослях 90—98%. Медузы на 95—98% состоят из воды, в рыбах ее около 70%. Млекопитающие содержат 63—68% воды. Сам человек на 65% состоит из воды.

Вода также необходима для жизнедеятельности организмов: ее потребляют и животные и растения. Огромные объемы воды фильтруют самые распространенные на Земле животные — беспозвоночные (простейшие, кишечнополостные, моллюски, губки, ракообразные и др.), живущие в водах океана и водоемов суши. Большие количества воды (близкие к величине речного стока) пропускают через себя растения. Главный механизм этого процесса — поднятие воды по капиллярам тканей растений и транспирация (физиологическое испарение).

Водные экосистемы. Понятие «экосистемы», в частности водные, неразрывно связано с представлением об экологии как комплексе наук: экосистемы — это предмет изучения экологии. Термин «экология» был впервые предложен в 1866 г. немецким зоологом Э. Геккелем; экологию он определил как общую науку об отношениях организмов к окружающей среде. Понятие «экосистема» было введено в науку в 1935 г. английским ботаником А. Тенсли. Согласно его определению, экосистема — это природный комплекс, образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания, связанными между собой обменом веществ и энергии. Многие трактовки понятий «экология» и «экосистема», появившиеся в последующее время, являются в той или иной степени модификациями терминов, предложенных Геккелем и Тенсли.

Согласно Ю. Одуму (1986), все природные экосистемы подразделяются на три группы: наземные (тундра, леса разного типа, степи и пустыни), пресноводные (озера, реки, болота) и морские (океан, шельф, эстуарии, соленые марши). Из этого перечня видно, что водные экосистемы очень распространены и служат важными компонентами природной среды Земли. Изучать водные экосистемы призвана гидроэкология (водная экология) как часть общей экологии (или геоэкологии). В состав гидроэкологии входит и гидрология (см. Введение).

Водные экосистемы могут быть подразделены не только на упомянутые выше типы, но и по иерархической подчиненности: глобальная экосистема Мирового океана вместе с речной сетью его водосбора; изолированные водные экосистемы областей внутреннего стока; крупные водные объекты (океаны, речные системы); отдельные реки, озера, моря, водохранилища, болота; их крупные части (притоки, дельты, заливы, лагуны, лиманы, эстуарии и др.); экосистемы самого низкого ранга (элементы водоемов и водотоков — экосистемы плесов, литорали, пелагиали и т.д.).

По данным Ю. Одума (1986), водные экосистемы принадлежат к числу самых биопродуктивных на планете. Наибольшей удельной (на 1 м² площади) биопродуктивностью обладают эстуарии, влажные тропические леса, районы морского апвеллинга (подъема вод), т.е. экосистемы, в которых вода играет важнейшую роль. Общая же валовая первичная биологическая продукция распределяется между сушей и Мировым океаном приблизительно в пропорции 60:40%. Ю. Одум отмечает также, что малая биопродуктивность некоторых экосистем (например, пустынь) связана, прежде всего с недостатком воды.

Существенным недостатком определений Геккеля, Тенсли и многих других, касающихся экологии и экосистем, является отсутствие в них упоминания о человеческом обществе и его хозяйственной деятельности. В позапрошлом и начале прошлого века это, возможно, было оправдано, поскольку человек (не биологический вид, а социально-экономический фактор) еще слабо взаимодействовал как с живой, так и с неживой природой. В наши дни человеческое общество и его хозяйственная деятельность становятся мощнейшим экологическим фактором, причем действующим в двух направлениях: с одной стороны, человеческое общество, обеспечивая себе необходимые условия жизнедеятельности и социально-экономического развития, активно использует как абиотические, так и биологические ресурсы природы, с другой — преобразует и те и другие ресурсы, изменяя и регулируя их, а нередко и нарушая экологическое равновесие.

Поэтому водную экосистему (т.е. экосистему, в структуре и функционировании которой ведущая роль принадлежит воде) следует рассматривать как систему, состоящую из трех самостоятельных, но активно взаимодействующих компонентов:

· абиотическая часть водной экосистемы, т.е. вода с содержащимися в ней растворенными (включая газы) и взвешенными веществами, грунты дна и берегов водных объектов;

· биотическая часть экосистемы, т.е. все гидробионты и их комплексы — биоценозы;

· человеческое общество и его хозяйственная деятельность.

К числу характеристик абиотической части водных экосистем, имеющих наибольшее экологическое значение как для развития водной биоты, так и для обеспечения жизнедеятельности человека и его хозяйственной деятельности, необходимо прежде всего отнести: температуру, минерализацию (соленость) и мутность воды; содержание в ней химических веществ, в том числе биогенных, органических и загрязняющих; концентрацию кислорода и диоксида углерода; скорости течения; интенсивность водообмена между различными частями водного объекта; уровни воды и площади заливания поймы; ледовые явления. Изучением пространственно-временной изменчивости этих экологически значимых характеристик и занимается гидрология.