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 гидро- бионты 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 гидрато- фиты (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 мик- роконсументы, 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 С0₂, NH₄, Н₂0 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 pH, возникают дефицит кислорода и замор- ные 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.