Солнечная радиация

Солнечная радиация относится к числу факторов, сыгравших ключевую историческую роль в эволюции биосферы.

Эта эволюция, по образному выражению Ю. Одума, была направлена на "укрощение" поступающего солнечного излучения, использование его полезных составляющих, ослабление вредных и защиту от них.

Таким образом, свет - это фактор не только '' жизненно важный, но и лимитирующий, причем и на максимальном, и на минимальном уровнях.

Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение с различными длинами волн от 0,05 до 3000 нм (1 нм = 1×10^-9 м) и более.

Этот поток можно разделить на несколько областей, различающихся физическими свойствами и экологическим значением для различных групп организмов. Границы этих областей приближенно можно представить следующим образом:

· < 150 нм - зона ионизирующей радиации,

· 150 - 400 (390) нм- ультрафиолетовая (УФ) радиация,

· 400 (390) - 800 (760) нм – видимый свет (границы диапазона различаются для разных организмов),

· 800 (760) - 1000 нм - инфракрасная (ИК) радиация,

· > 1000 нм – зона т.н. дальней ИК-радиации - мощного фактора теплового режима среды.

Для эколога важной характеристикой солнечного излучения является его интенсивность.

Интенсивность потока солнечной радиации по верхней границе атмосферы, называемая солнечной постоянной, равна 1380 Вт/м², или 1,980 кал/(мин× см²).

Она слегка варьирует по сезонам года вследствие изменения расстояния от Земли до Солнца. Фактический приток солнечной радиации к поверхности Земли меньше, чем на верхней границе атмосферы, вследствие отражения и поглощения энергии света в атмосфере.

Лучистая энергия, достигающая земной поверхности в ясный день, состоит примерно на:

10% из ультрафиолетового излучения

45%— из видимого света

45% — из инфракрасного излучения.

Меньше всего ослабляется видимый свет, при прохождении через облака и воду. Следовательно, фотосинтез может идти и в пасмурные день, и под слоем чистой воды некоторой толщины.

При прохождении через атмосферу:

· Изменяется и качественный состав радиации, например, наиболее коротковолновая часть спектра (с длиной волны примерно до 300 нм) отражается озоновым экраном (областью повышенного содержания озона О₃ на высотах 25 - 100 км).

· Установлено, что измененияе концентрации озона на 10% вызывает изменение уровня УФ-излучения в тропосфере в 1,5 - 2 раза.

· На уровне поверхности земли это значение меньше за счет рассеивания излучения газообразными и пылевидными примесями в атмосфере.

Радиационный баланс на верхней границе экосистемы составляют поглощенная солнечная радиация (1-а)Q и инфракрасное излучение атмосферы (B_e).

Уравнение радиационного баланса можно представить в виде:

R= (1 – a)Q – B_e

Где,

R - интенсивность остаточной радиации (радиационный баланс на верхней границе экосистемы);

(1 - a) Q - поглощенная солнечная радиация; (кал/см2/един. врем.)

Q - интенсивность суммарной радиации; (кал/см2/един. врем.)

a - коэффициент отражения(альбедо); а=Qотр/Q

Ве - инфракрасное излучение атмосферы.

Энергия радиации, поступающая в экосистему с интенсивностью R, претерпев ряд промежуточных превращений, расходуется в экосистеме на нагревание, турбулентную теплопередачу в атмосферу, фотосинтез, транспирацию. Процесс можно выразить уравнением:

R = Н + G + LE + F

Где

R - интенсивность остаточной радиации (радиационный баланс на верхней границе экосистемы);

Н - энергия, идущая на нагревание экосистемы;

G - энергия, идущая на турбулентную теплопередачу в атмосферу (из почвы);

LE - энергия, идущая на транспирацию (L - скрытая теплота парообразования, Е- интенсивность транспирации);

F - энергия, идущая на фотосинтез.

Остаточная радиация имеет суточную и сезонную периодичность.

В низких широтах (тропики) она положительна в течение всего года, в умеренных - величина R дважды приобретает нулевые значения, в высоких широтах (арктика) - на протяжении значительной части года остается постоянной.

R

LE

G

Животные и растения реагируют на различные области спектра:

· Так, у разных животных по-разному устроен зрительный аппарат, у них различное "цветовое" зрение. Среди млекопитающих цветовое зрение хорошо развито только у приматов, тогда как другие животные видят весь мир черно-белым, хотя и с большим числом оттенков.

Каждый вид организма адаптирован к тому или иному спектру длиной волны света. Одни виды организмов адаптировались к ультрафиолетовым, а другие к инфракрасным.

Некоторые организмы способны различить длину волны. Они обладают специальными световоспринимаемыми системами и имеют цветное зрение, которые имеют огромное значение в их жизнедеятельности. Многие насекомые чувствительны к коротковолновому излучение, которое человек не воспринимает. Ночные бабочки хорошо воспринимают ультрафиолетовые лучи. Пчелы и птицы точно определяют свое местонахождение и ориентируются на местности даже ночью.

· Процесс фотосинтеза у растений является предметом специального изучения. С изменением длины волны сильно меняется интенсивность фотосинтеза, т. е. существует оптимум, в диапазоне которого процесс идет наиболее эффективно.

Растения приспособились к условиям светового излучения путем создания пигментов, наборы которых сильно отличаются у разных представителей растительного мира.

Наиболее значительные отличия имеют место у наземных и водных растений. Проходя через слой воды, красная и синяя область спектра поглощаются, и получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Красные морские водоросли (Rhodophyta) имеют дополнительные пигменты (фикоэритрины), позволяющие им использовать энергию Солнца и в этом диапазоне длин волн. Благодаря такому приспособлению они могут жить на больших глубинах, чем зеленые водоросли.

 

Процессы протекающие у растений и животных с участием света

Фотосинтез – 1-5% падающего света

Транспирация – 75% на испарение воды с поверхности растений

Фотопериодизм – необходим для синхронизации жизненных процессов (размножения и т.д.)

Движение - фототропизм и фотонастия у растений необходим для обеспечения оптимальной освещенности. Фототаксис животных и одноклеточных растений.

Зрение у животных

Синтез витамина D, пигментация, поведенческие реакции избегания и т.д.

 

· Ультрафиолетовые лучи носят много энергии и обладают большим фотохимическим воздействием. Организмы к ним очень чувствительны.

· Инфракрасные лучи несут меньше энергии и очень быстро поглощаются водой, но некоторые сухопутные организмы также используют их, и за счет их повышают температуру своего тела по сравнению с температурой окружающей среды.

Организмы сильно реагируют и на интенсивность света. По этим признакам они делятся на три экологические группы:

1. Светолюбивые, солнцелюбивые или гелиофиты — которые способны нормально развиваться только под солнечными лучами.

2. Тенелюбивые, или сциофиты —это растения нижних ярусов лесов и глубоководные растения, например, ландыши и другие.

· При снижении интенсивности света замедляется и фотосинтез. У всех живых организмов существуют пороговые чувствительности интенсивности света.

· У различных организмов пороговая чувствительность неодинакова. Например, интенсивный свет тормозит развитие мух дрозофилл, даже вызывает их гибель.

· Свет может выступать в качестве сигнального фактора, для более сухого и теплого пространства.

· У большинства фотосинтетических растений при слабой интенсивности света идет торможение синтеза белков, а у животных тормозятся процессы биосинтеза.

· Большинство наземных организмов ведут дневной образ жизни. Например, большинство воробьиных и другие. Исключительно ночной образ жизни ведут, например, мелкие грызуны и т.д.

3. Теневыносливые или факультативные гелиофиты. Растения которые хорошо растут и в тени и на свету. У животных эти свойства организмов называются светолюбивые (фотофилы), тенелюбивые (фотофобы).

· Большая часть планктонных организмов ночью поднимается на поверхность воды, а днем они опускаются на глубину до 100 м. Эти организмы избегают слишком яркого света. Например, веслоногие рачки.

· Некоторые организмы эволюционно адаптировались к смене дня и ночи. Эти организмы приобрели свойства внутренних часов. Например, реснитчатые простейшие делятся только ночью, если даже в лабораторных условиях их постоянно освещать.

· Смена дня и ночи имеет большое биологическое значение. На экваторе продолжительность дня в течение года не изменяется. В умеренном поясе имеются весна, лето и зима. Продолжительность дня называют фотопериодом. К фотопериоду организмы адаптировались эволюционно.

· Фотопериод, как экологический фактор оказывает влияние на многие стороны жизнедеятельности организмов и их биологическим явлениям.

· Например, размножение и другие свойства многих млекопитающих и птиц проходит в зависимости от длины дня. Наступление цветения у большинства высших растений и их различных биологических свойств приурочены к различным условиям светового дня.

· Лет насекомых на свет:

1. гипотеза Леба(1924) (тонус конечностей и источник света).

2. гипотеза Будденброкка (1917)- менотаксис-движение под определенным углом к лучам света (логарифмическая спираль). Бегущая жужелица.

3. гипотеза Мазохина-Поршнякова (1960). Свет - индикатор открытого пространства. Бъются в окно и на экран.

В целом, лет на свет – ступенчатый механизм, при этом на каждой ступени работают свои механизмы.

· Роль ультрафиолетового излучения в окраске лепестков цветов и крыльев некоторых белянок (4-5% УФ отражают ♀). Ночные бабочки отражают 20-55% УФ-лучей.