Характеристика особенностей воздуха как экологического фактора

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Слово «экология» образовано от греческого «ойкос», что означает дом, и «логос» - наука. Таким образом, изучение нашего «природного дома» охватывает изучение всех живущих в нем организмов и всех функциональных процессов, делающих этот «дом» пригодным для жизни. В буквальном смысле экология - это наука об организмах «у себя дома», наука, в которой особое внимание уделяется совокупности или характеру связей между организмами и окружающей их средой.

Экологические факторы - отдельные элементы среды, взаимодействующие c организмами. Воздух - это физическая смесь газов различной химической природы, имеющих для живых организмов главнейшее значение. Состав воздуха остается относительно постоянным как в течение суток, так и в течение года. 78% от общего содержания газов приходится на азот, 20% - на кислород. Как видите, на остальные газы приходится всего 2%. Воздух необходим для жизнедеятельности большинства живых организмов.

В настоящее время экология вышла за рамки сугубо биологической науки и превратилась в междисциплинарную науку, изучающую сложнейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Тем самым экология прошла сложный и длительный путь к осознанию проблемы «человек - природа», опираясь на исследования взаимодействий в системе «организм - среда». Актуальность этой проблемы, вызванной обострением экологической обстановки в масштабах всей планеты, привела к «экологизации» всех наук и других отраслей человеческой деятельности, т. е. к обязательному учету ими законов и требований экологии.

Цель курсовой работы: изучить воздух, как экологический фактор

Задачи курсовой работы:

- рассмотреть движение воздуха и газовый состав воздуха;

- рассмотреть климатическое и ботанико-географическое значение ветра;

- выявить экологическое значение кислорода, углекислого газа воздуха;

- определить значение анемофилии и анемохории, жизненной формы перекати-поле, формообразующего действия недостатка кислорода и ветра в целом;

- исследовать деструктивное механическое влияние ветра: бурелом, ветровал, ветровое полегание растений;

- охарактеризовать растения, имеющие жизненную форму перекати-поле, занесенных в Красную книгу Краснодарского края.

1. Движение воздуха. Газовый состав воздуха

Движение атмосферного воздуха происходит вследствие неравномерного нагревания земной поверхности солнцем. Благодаря этому возникает разница в величинах температуры и давления на различных участках земной поверхности, чем и обусловливаются перемещения воздушных масс как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях (ветры).

Рисунок 1 - Влияние температуры на относительную влажность воздуха

При неизменном количестве воды в воздухе относительная влажность увеличивается, когда температура падает (рисунок 1). Если воздух охлаждается до температуры ниже точки водонасыщения (100%), происходит конденсация и выпадают осадки.

Атмосфера - важная часть экосферы, с которой она связана биогеохимическими циклами, включающими газообразные компоненты. Это такие, как круговороты углерода, азота, кислорода и воды. Большое значение имеют и физические свойства атмосферы. Так, воздух оказывает лишь незначительное сопротивление движению и не может служить опорой для наземных организмов, что непосредственно сказалось на их строении. Вместе с тем некоторые группы животных стали использовать полет как способ передвижения. Особо следует отметить, что в атмосфере постоянно происходит циркуляция воздушных масс, энергию которой поставляет Солнце

Рисунок 2 - Упрощенная схема общей циркуляции воздушных масс атмосферы: 1 - теплый воздух; 2 - охлажденный воздух; 3 - зоны высокого давления; СЕ - пассаты; СД - доминирующие юго - западные ветры; GH - полярные северо-восточные ветры

Результатом циркуляции является перераспределение водяных паров, так как атмосфера захватывает их в одном месте (где вода испаряется), переносит и отдает в другом месте (где выпадают осадки). Если же в атмосферу поступают газы, в том числе загрязняющие, такие, как двуокись серы в промышленных районах, то система атмосферной циркуляции перераспределит их и они выпадут в других местах, растворенные в дождевой воде (рисунок 2). От тропических широт - поясов повышенного давления в каждом полушарии воздух направляется с одной стороны к экватору, с другой - к умеренным широтам. При этом он откланяется вправо в северном и влево в южном полушарии. Между тропиками и экватором дуют пассаты, они имеют северо - восточное направление в северном полушарии и юго - восточное в южном. Воздух, направляющийся от тропических широт в умеренные, отклоняется к востоку. Поэтому в умеренных широтах господствуют западные ветры - западный перенос воздуха. Из высоких широт в умеренные дуют ветры с преобладанием восточной составляющей. На границах материков и океанов ветры зимой дуют с материка на океан, а летом, наоборот, с океана на материк - это муссоны. Муссонные ветры особенно хорошо выражены в умеренных широтах, где разница между температурой зимы и лета особенно велика. Местное нагревание или охлаждение суши в любом участке земного шара сопровождается соответственно понижением или повышением давления, приводит к образованию сравнительно кратковременных, но мощных воздушных течений, так называемых циклонов и антициклонов. В центре циклона нагретый воздух поднимается в верхние слои атмосферы, где он охлаждается и движется к периферии. В то же время внизу от периферии к центру направляются более холодные слои воздуха, которые движутся против часовой стрелки вихреобразно вследствие вращения земли вокруг своей оси. В результате такой циркуляции атмосферного воздуха, захватывающей при своем перемещении огромные пространства земной поверхности, сила ветра в циклонах может достигнуть больших величин и привести к катастрофическим последствиям. Погода, как правило, становится пасмурной и сопровождается выпадением атмосферных осадков. Противоположная картина имеет место при антициклонах, сопровождающихся обычно сухой и ясной погодой. Помимо циклонов и антициклонов, на земной поверхности встречаются различные местные ветры. К ним относятся бризы - периодические ветры, образующиеся вследствие разницы температур на суше и воде; они дуют днем с моря на сушу, а ночью в обратном направлении; горные ветры, происхождение которых объясняется неравномерным нагревом склонов гор и долин, вследствие чего образуются восходящие воздушные потоки днем снизу вверх, ночью в обратном направлении; фен - очень сухой и теплый ветер, образующийся в горных районах и губящий растительность. Движение воздуха принято характеризовать направлением и скоростью. Направление движения воздуха определяется по точке горизонта, откуда дует ветер. Весь горизонт разбивают на восемь румбов: север, северо-восток, восток, юго - восток, юг, юго - запад, запад, северо - запад. Обозначая промежуточные румбы, указывают оба румба, между которыми находится данное направление, ставя первым по порядку основной румб (обычно пользуются начальными буквами названий стран света). Например, если направление ветра находится между севером и северо-востоком, то промежуточный румб называется ССВ (северо - северо - восток). Для изучения преобладающих направлений ветров используют специальную схему, получившую название «роза ветров». Так как для каждой местности характерна известная повторяемость направления ветра, то представляется возможным для обозначения этой повторяемости построить специальный график, характеризующий наиболее часто встречающееся, т. е. преобладающее, направление.

Для этой цели на соответствующих линиях румбов откладывают отрезки, длина которых обозначает количество повторений направления ветра в процентах к общему числу всех ветров за период наблюдения (год, сезон, месяц). Концы этих отрезков соединяют прямыми линиями, получая таким образом график, характеризующий господствующие в данной местности ветры. значение розы ветров заключается в том, что она дает возможность получить наглядное представление о господствующих в данном районе ветрах и в соответствии с этим планировать строительство жилых кварталов, детских учреждений, больниц, санаториев и др. Рациональное размещение их по отношению к промышленным предприятиям предохраняет эти объекты от отрицательного влияния ветров, приносящих с собой различные атмосферные загрязнения (пыль, дым, вредные газы и пр.) Скорость измеряется длиной пути, пройденного ветром в единицу времени (метры в секунду).

Скорость движения воздуха - существенный фактор, оказывающий влияние на теплообмен человека наряду с температурой и влажностью воздуха. При низкой температуре большая скорость движения воздуха способствует охлаждению организма. Скорость движения воздуха оказывает определенное нервно - психическое действие. Прохладный и умеренной силы ветер тонизирует организм, а сильный и продолжительный вызывает возбуждение и раздражение. Неприятен также для человека и постоянный шум ветра Прибор, с помощью которого устанавливают направление ветра, называется флюгером; для определения скорости движения воздуха служит анемометр.

Движение воздуха в наружной атмосфере имеет существенное значение. Роль ветров заключается прежде всего в том, что благодаря перемешиванию воздушных масс происходит перенос тепла, холода и влаги из одних районов в другие, чем обусловливается смена погоды. Влияние движения воздуха на организм заключается в том, что оно как при высоких, так и при низких температурах в большинстве случаев усиливает теплоотдачу. Но при высоких температурах это повышение теплоотдачи улучшает самочувствие, а при низких играет отрицательную роль, способствуя переохлаждению, что может резко понизить сопротивляемость организма к простудным заболеваниям. Неблагоприятной представляется также роль больших скоростей движения воздуха в закрытых помещениях (сквозняки).

Ничто другое не является столь важным для жизни на Земле и в то же время так редко замечается, как окружающий нас атмосферный воздух. Жизнь человека и большинства других живых существ невозможна без дыхания. Прекращение дыхания даже на несколько минут влечет за собой прекращение жизнедеятельности. Наша планета Земля отличается от других планет наличием воздушной оболочки, атмосферы, атмосферного воздуха. Газовая оболочка спасает все живущее на Земле от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Верхние слои атмосферы частично поглощают, частично рассеивают эти лучи. Атмосфера защищает нас и от «звездных осколков».

Атмосферный воздух - смесь различных газов. В его составе 78,08% азота, 20,9% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа, других газов (гелий, метан, неон, ксенон, родон и др.) около 0,01%.Важнейшая составляющая атмосферного воздуха - кислород.

Именно он поглощается в легких человека из вдыхаемого воздуха. Взамен выделяется углекислый газ (двуокись углерода). Другая очень важная часть - это озон. Хотя его содержание очень мало (одна часть на сто тысяч частей воздуха), он выполняет жизненно важную роль, являясь преградой губительному для жизни ультрафиолетовому излучению Солнца. Без озона жизнь на Земле была бы совершенно иной, чем она есть сейчас. В его отсутствие до поверхности Земли доходило бы гораздо более сильное ультрафиолетовое излучение. А последствия воздействия даже его малой части хорошо знают те, кто получал солнечные ожоги. Благодаря присутствию в воздухе углекислого газа и водяного пара температура воздуха у земли оказывается существенно выше, чем если бы их не было. Другими словами, Воздух - естественная смесь газов (главным образом азота и кислорода - 98-99 % в сумме, а также углекислого газа, воды, водорода и пр.) образующая земную атмосферу.

Кислород (02) жизненно необходим почти для всех обитателей планеты. Это активный газ. Он участвует в химических реакциях с другими газами атмосферы. Кислород активно поглощает лучистую энергию. Кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы). В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения молекула кислорода распадается на атомы. Атомарный кислород, соединяясь с молекулой кислорода, образует новое вещество - трехатомный кислород или озон (03). Озон в основном находится на больших высотах. Там его роль для планеты исключительно благотворна. У поверхности Земли озон образуется при грозовых разрядах. В отличие от всех других газов в атмосфере, которые не имеют ни вкуса, ни запаха, озон имеет характерный запах. В переводе с греческого языка слово «озон» означает «остро пахнущий». После грозы этот запах приятен, он воспринимается как запах свежести. В больших количествах озон является отравляющим веществом. В городах с большим количеством автомобилей, а значит и большими выбросами автомобильных газов, в безоблачную или малооблачную погоду под действием солнечных лучей образуется озон. Город окутывается желто-синим облаком, видимость ухудшается. Это фотохимический смог.

Азот (N2) - нейтральный газ, он, не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в поглощении лучистой энергии.

До высот 500 км атмосфера в основном состоит из кислорода и азота. При этом если в нижнем слое атмосферы преобладает азот, то на больших высотах кислорода больше, чем азота. Азот, кислород и другие составляющие атмосферного воздуха находятся в атмосфере всегда в газообразном состоянии Постоянство газового состава воздуха обеспечивается интенсивным перемешиванием нижнего слоя воздуха. Это однородная или гомогенная атмосфера.

Аргон (Аr) - нейтральный газ, в реакции не вступает, в поглощении и излучении лучистой энергии не участвует. Аналогично - ксенон, криптон и многие другие газы. Аргон - тяжелое вещество, в высоких слоях атмосферы его очень мало.

Углекислого газа (С02) в атмосфере в среднем 0,03%. Этот газ очень необходим растениям и активно ими поглощается. Фактическое количество его в воздухе может несколько изменяться. В индустриальных районах его количество может увеличиваться до 0,05%. В сельской местности, над лесами, полями его меньше. Над Антарктидой примерно 0,02% углекислого газа, т.е. почти на 1/3 меньше его среднего количества в атмосфере. Столько же и даже меньше его над морем - 0,01 - 0,02%, так как углекислый газ интенсивно поглощается водой. Углекислый газ полностью прозрачен для солнечных коротковолновых лучей, но интенсивно поглощает тепловое инфракрасное излучение Земли.

С высотой все меньше становится тяжелых газов и, наконец, верхние слои атмосферы состоят из самых легких газов - гелия, а затем водорода (таблица 1). Такая неоднородная атмосфера называется гетерогенной.

Таблица 1 - Состав сухого воздуха на высотах до 100 км

Гелий (Не) - очень легкий газ. Он поступает в атмосферу из земной коры в результате радиоактивного распада тория и урана. Гелий улетучивается в космическое пространство. Скорость убывания гелия соответствует скорости поступления его из недр Земли. От высоты 600 км до 16000 км наша атмосфера состоит главным образом из гелия. Гелий не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в лучистом теплообмене.

Водород (Н2) еще более легкий газ. У поверхности Земли его очень мало. Он поднимается в верхние слои атмосферы. В термосфере и экзосфере атомарный водород становится доминирующим компонентом. Водород - это самая верхняя, самая дальняя оболочка нашей планеты. Выше 16000 км до верхней границы атмосферы, то есть до высот 30 - 40 тыс. км, преобладает водород. Таким образом, химический состав нашей атмосферы с высотой приближается к химическому составу Вселенной, в которой водород и гелий - наиболее распространенные элементы (таблица 2).

Таблица 2 - Элементарный состав звездного и солнечного вещества в сопоставлении с составом растений и животных

2. Климатическое и ботанико-географическое значение ветра

Ветер активно влияет на образование климата и вызывает ряд геологических процессов. Так, в районах с засушливым климатом ветер является главной причиной эрозии, он способен переносить большие количества пыли и песка и откладывать их в новых районах. Ветровая эрозия наиболее эффективно происходит в районах с незначительным растительным покровом или вообще без него, чаще всего такое отсутствие растительности обусловлено засушливым климатом этих районов. Кроме того, при отсутствии воды, что обычно является более эффективным фактором эрозии, ветровая эрозии становится более заметной. Откладывание материалов ветром приводит к образованию песчаных щитов и формированию таких форм рельефа, как песчаные дюны. Дюны достаточно часто встречаются на побережье и в пределах песчаных щитов в пустынях, где они известны как барханы. Другим примером является откладывание лёсса, однородной обычно нестратифицированной пористой хрупкой осадочной породы желтоватого цвета, состоящей из перенесенных ветром частиц наименьшего размера, ила.

Ветер имеет большое значение в природе и в жизни человека:

- ветер перегоняет тучи и облака (иначе дождь и снег были бы только над водной поверхностью);

- очищает воздух (уносит с нашей планеты отработанные автомобильные газы, дым от заводов);

- вырабатывает электроэнергию (с давних пор люди строили ветряные мельницы. Полярники, например, используют ветряные двигатели для получения тепла света);

- участвует в формировании рельефа (например, таких как барханов -песчаных холмов сложенных наносами песка, создает причудливые формы в виде башни или истукана);

- переносит на большое расстояние семена растений;

- помогает движению или затрудняет его. Ветер бывает попутный и встречный. Люди еще в древности поняли, что лодка и без весел. Может плавать, был бы ветер. Стали ловить его широкими полотнищами - парусами, постепенно научились строить корабли-парусники;

- велико эстетическое значение ветра (ощущать в жаркий день ласковый, нежный, легкий, летний ветерок - одно удовольствие);

Ветер как фактор географического распространения растений способствует без всякого сомнения распространению спор и семян на значительные расстояния от места их образования. Ветер обеспечивает анемохорию - один из распространенных способов разнесения семян. Распространение семян ветром может иметь две формы: семена могут плавать в движущемся воздухе, или могут быть легко подняты с поверхности земли. Важным ограничением анемохории является необходимость в образовании большого количества семян для обеспечения высокой вероятности попадания на удобный для прорастания участок, вследствие чего существуют сильные эволюционные ограничения на развитие этого процесса. Классическим примером растения, которое распространяется с помощью ветра, является одуванчик (Taraxacum) (рисунок 3), что имеет пушистый паппус, прикрепленный к семени, с помощью которого семена долго плавают в воздухе и разносятся на большие расстояния (рисунок 4).

Рисунок 3 - Одуванчик (Taraxacum)

Рисунок 4 - Распространение одуванчика с помощью ветра

Другим широко известным примером является клён (Acer) (рисунок 5), что имеет «крылатые» семена, способные пролетать определенные расстояния до падения (рисунок 6). На анемохорию полагаются много видов трав и рудеральных растений.

Рисунок 5 - Клен татарский (Аcer tatаricum)

Рисунок 6 - Распространение клена

Другой механизм распределения семян ветром имеет перекати - поле, что разносит его вместе со всем растением. Связанным с анемохорией процессом является анемофилия, процесс разнесения ветром пыльцы. Таким образом опыляется большое количество видов растений, особенно в случае большой плотности растений одного вида в определенном районе. Для распространения споровых растений, споры которых чрезвычайно легки, даже незначительные воздушные течения могут играть большую роль. Для цветковых растений движения атмосферы не могут иметь такого значения, так как их семена, даже самые мелкие, чересчур тяжелы, чтобы держаться в подвешенном состоянии. Для их распространения нужны более сильные воздушные движения, причем понятно, конечно, расстояние перемещения семени от места его возникновения при помощи ветра будет зависеть от силы последнего, размера, веса и наличия приспособлений к полету семян.

О значении, какое может иметь ветер, как фактор географического распространения цветковых растений, говорят многочисленные наблюдения переноса им не только семян, но и мелких животных, и других предметов на значительное расстояние. Влияние на животных. Одним из эффектов ветра на животных является влияние на температурный режим, в частности увеличение уязвимости от холода. Коровы и овцы могут замерзнуть при условии комбинации ветра и низких температур, поскольку ветер скоростью более 10 м/с делает их мех неэффективным для защиты от холода. Пингвины в целом хорошо приспособлены к низким температурам благодаря слоям жира и перьям, но при сильном ветре их плавники и ноги не выдерживают холода. Много видов пингвинов приспособились к таким условиям с помощью прижима друг к другу. Летающие насекомые часто неспособны бороться с ветром и поэтому легко переносятся им из привычных мест обитания, а некоторые виды используют ветер для массовых миграций. Птицы способны бороться с ветром, но также используют его во время миграций для уменьшения затрат энергии. Много других животных способны тем или иным образом использовать ветер для своих нужд или приспосабливаться к нему. Например, пищухи (Ochotona) не впадают в спячку, поэтому зимой питаются заготовленным сеном (рисунок 7). Пищухи собирают свежую траву и складывают её в кучу, пока она не высохнет. Иногда пищухи накрывают высыхающую траву камешками, чтобы её не разносило ветром. Тараканы (Blattoptera) способны чувствовать малейшие изменения ветра в результате приближения хищника, такого как жаба, и реагировать, с целью избежать нападения.

Рисунок 7 - Пищуха (Ochotona)

3. Экологическое значение кислорода, углекислого газа в составе воздуха

Газы - важнейшие прямодействующие условия жизни растений. В воздухе всегда имеется непостоянное количество примесей: пыль, микроорганизмы, споры, пыльца, мелкие семена, газообразные выделения организмов, отходы производств и т. п. Кроме того, в воздухе всегда есть водяной пар, иногда в значительном количестве. Такой состав воздуха во многом определяет возможность на Земле жизни. Биосфера коренным образом трансформировала атмосферу: она почти в тысячу раз уменьшила содержание в ней С02 и в двести раз увеличила количество 02. Суша покрылась растительностью и стала более аккумулятивной в отношении тепла и влаги. Потребляя и выделяя газообразные вещества, изменяя свойства земной поверхности, растения и сейчас оказывают большое влияние на атмосферу. Кислород, диоксид углерода, водяные пары и ряд примесей воздуха существенно влияют на жизнь растений. Так, кислород необходим для дыхания, а диоксид углерода - для углеродного питания. В атмосфере Земли почти весь кислород накоплен в результате деятельности цианобактерий и зеленых растений. Цианобактерии, развив тип фотосинтеза, побочным продуктом которого стало выделение О2, начали кардинальное изменение атмосферы, сделавшее возможным эволюцию аэробной жизни. В конечном счете кислород воздуха происходит из расщепленной при фотосинтезе воды, и почти вся вода Земли (около 1,5 млрд км3) примерно за 2 млн лет проходит через цикл фотосинтез (дыхание). Воздух воздействует на наземные растения и как физическая среда, их окружающая. Менее плотный, чем вода, он вызвал необходимость формирования у наземных растений механических тканей, поддерживающих над землей их тела. Существенное экологическое значение для растений имеет и движение воздуха. Горизонтальное перемещение воздушных масс оказывает механическое и иссушающее влияние, служит важным агентом распространения диаспор. Вертикальные конвекционные потоки способствуют переносу пыльцы и легких семян, а также во многом определяют тепловой режим территорий (перемешивание, стекание холодных масс в депрессии и т.д.). Кислород в клетке как главный окислитель жизненно необходим для существования эукариот и многих прокариот. Их клетки получают основную энергию в процессе кислородного дыхания. Ряд организмов разлагает органику в анаэробных условиях (брожение), но такой метаболизм удовлетворяет энергетические потребности менее эффективно. Однако роль свободного кислорода в организмах двойственна. Атомарный кислород и озон являются клеточными ядами, и эволюция жизни была бы невозможна без развития систем защиты от их прямого действия. В атмосфере чистого кислорода дыхание растений снижается, а при длительном его действии они гибнут. Это связано с усилением свободно радикальных реакций, повреждением мембран вследствие окисления их липидов и в конечном итоге - с нарушением многих процессов обмена веществ. Растения это аэробные организмы. Это означает, что распад органических соединений, синтезированных растениями в процессе фотосинтеза, протекает с потреблением молекулярного кислорода O2. Такой окислительный распад органических веществ в живых системах получил название дыхания. Таким образом, в процессе фотосинтеза растение синтезирует органические соединения, а в процессе дыхания частично использует свободную энергию этих соединений для покрытия затрат на построение своей биомассы. He менее важна роль дыхания и в синтетических процессах. Дело в том, что промежуточные продукты дыхания могут использоваться растением в процессах новообразования компонентов клеток. Продукты последовательного окисления углеводов в растении могут дать начало всем основным компонентам растительной клетки - аминокислотам и белкам, нуклеиновым кислотам, липидам. Рассматривая экологическое значение кислорода и роль дыхания, важно оценить, какую часть синтезированных при фотосинтезе органических веществ растение затрачивает на дыхание, а какую часть использует для наращивания своей массы. Соотношение массы и дыхания получило название коэффициента эффективности роста. Этот коэффициент показывает, какая доля продуктов фотосинтеза пошла на накопление биомассы растений, а какая доля была израсходована в процессе дыхания.

Мало кто знает, что свежий морской или загородный воздух содержит около 0,03 - 0,04% углекислого газа и это тот уровень, который необходим для нашего дыхания. Углекислый газ в крове тоже выполняет свою функцию, однако его концентрация должна быть предельно низка. Одновременно большинству из нас знакомо ощущение духоты в помещении и симптомы связанные с этим т.е. усталость, сонливость, раздражительность. Такое состояния многие связывают с нехваткой кислорода. На самом деле, это симптомы вызваны превышением уровня углекислого газа в воздухе. Кислород и углекислый газ взаимосвязаны: первого еще достаточно, а последнего уже в избытке.

Углекислый газ, содержащийся в воде, принимает участие в формировании известковых скелетных образований беспозвоночных животных и обеспечивает фотосинтез водных растений. При интенсивном фотосинтезе растений идет усиленное потребление углекислого газа (0,2 - 0,3 мл/л в час), что приводит к ее дефициту. На увеличение содержания СО2 в воде гидрофиты реагируют, повышая фотосинтез.

«Ядовитость» углекислого газа проявляется лишь тогда, когда содержание его во вдыхаемом воздухе приближается к содержанию во выдыхаемом, т.е. при наличии в атмосфере пяти и более процентов угле кислого газа прекращается диффузное выделение углекислого газа из организма. При 7 - 8 % содержании его в воздухе наступает обморок, а при 10 - 15% - смерть. В этом смысле содержание углекислот газа в атмосфере не вызывает никаких опасений (всего 0,03 %). Однако наблюдающееся в настоящее время медленное и неуклонное увеличение общего количества его в атмосфере не может не беспокоить человечество. Диоксид углерода играет одну из главных ролей в живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки. Диоксид углерода получается в результате множества окислительных реакций у животных, и выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газ атмосферы - основной источник углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения - только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещения они тоже его выделяют. В слое воздуха, который непосредственно примыкает к земной поверхности, количество углекислого газа испытывает и суточные колебания. Ночью его больше, днем меньше. Объясняется это тем, что в светлое время суток углекислый газ поглощается растениями, а ночью нет. Растения планеты на протяжении года берут из атмосферы около 550 млрд. т и возвращают в нее около 400 млрд. т кислорода. Углекислый газ порой называют удобрением для растений. Вот только несколько примеров работы углекислого газа: у цветущих растений наступает более ранее цветение, урожайность плодов увеличивается, у роз реже отмирают бутоны и получаются более крупные цветы. Порой углекислый газ играет в вопросе урожайности даже более весомую роль, чем минеральные удобрения. Потому что 94% своей сухой массы растение синтезирует из воды и углекислого газа, и только оставшиеся 6% из минеральных удобрений. Доказательством важности углекислого газа в жизни растений является и тот факт, что было подмечено, что в зимнее время года более продуктивно растут растения по краям теплицы, чем в центре. Потому что, как бы не была теплица герметична, воздух все таки в нее проникает, а с ним и углекислый газ, но до ее центра он не доходит, так как поглощается растениями.

4. Анемофилия и анемохория

Анемофилия - опыление с помощью ветра - очень распространенный способ доставки пыльцы. Среди покрытосеменных около 10% видов анемофильны. Ветроопыляемые растения преобладают среди голосеменных и однодольных. Опыляется ветром большинство лесообразующих пород лесной зоны (рисунок 8) (сосна - Pinus sylvestris, ель - Picea, береза - Betula, осина - Populus tremula), однако под пологом леса анемофилов мало. Анемофилы - основные доминанты пустынь, саванн, степей и лугов (полыни - Artemisia, солянки - Salsola, осоки - Carex, злаки). В лесах умеренного климата к ним относятся около 20 % видов. Этот процент снижается в тропиках, но возрастает в полярных широтах и районах, где господствуют злаковники (степи, саванны). На океанических островах, где обычны сильные ветры, до трети видов ветроопыляемы. Анемофилов также обычно много и в тех условиях, где насекомые немногочисленны (в Арктике).

Рисунок 8 - Опыление ветром лесообразующих пород

Анемофильные растения часто обладают раздельнополыми соцветиями. Цветки их обычно мелки, невзрачны, голые или с чашечковидным околоцветником, лишены запаха. Характерны длинные перистые рыльца, особой сложности и разнообразия достигающие в семействе Крапивные (Urticaceae). Пыльники анемофилов обычно сидят на длинных, легко раскачивающихся тычиночных нитях (как у злаков и конопли - Cannabis). Раскачиваются ветром и сережки. А тычиночные нити крапивы (Urtica) с силой раскручиваются и выбрасывают пыльцу. Пыльца анемофилов мелкая, сухая, с облегчающими массу воздушными мешками. Облегчает перенос пыльцы ветром и раннее цветение растений. Так, ряд древесных и кустарниковых пород пылит до распускания листьев. Пыльца анемофилов образуется в огромных количествах. Например, у кукурузы (Zea mays) в мужской метелке содержится до миллиона пылинок. А рогоз узколистный (Typha angustifolia) образует так много пыльцы, что, например, маори, живущие в Новой Зеландии, собирают ее, разводят водой и едят как кашу. Обычно считается, что анемофилия менее надежна и более расточительна, чем, например, энтомофилия, поскольку у пыльцы меньше шансов попасть на рыльце того же вида растения и в нужное время. Поэтому анемофильные растения часто растут большими группами и вырабатывают очень много пыльцы. Однако в процессе эволюции растения, захватывающие пыльцу из воздуха, трансформировались, чтобы лучше функционировать в окружающей аэродинамической обстановке. При этом изменялись и параметры пыльцевых зерен, и морфология воспринимающих пыльцу частей растений.

Анемохория (от греч. anemos - ветер и choreo - продвигаюсь) - распространение плодов, семян, спор и других зачатков растений воздушными течениями, чему способствуют малые размеры и небольшой вес семян (орхидные, заразиховые), а также волоски на семенах и плодах (ивы, тополя), крылатые выросты (вязы, ясени, клёны), ости (ковыли) и другие приспособления. Такие семена и плоды могут переноситься ветром на расстояние до 40 км. Анемохорными приспособлениями типа крыльев или парашютов обладают и некоторые тяжёлые плоды, например, у держи - дерева (Paliurus spina - christi).

Рисунок 9 - Плоды держи - дерева (Paliurus spina - christi)

Особым типом анемохоров служат так называемые ветряные баллисты или анемобаллисты, у которых имеется механизм для разбрасывания семян, приводимый в действие порывам и ветра. Хорошим примером является мак (Papаver) (рисунок 10).

Когда сидячие на длинных эластичных ножках коробочки мака раскачиваются ветром, они разбрасывают семена через верхушечные поры на довольно значительное расстояние (рисунок 11).

Подсчитано, что у мака снотворного (Papaver somniferum) семена могут таким образом разлетаться на расстояние до 15 метров. Анемобаллисты имеются также среди представителей гвоздичных, норичниковых и некоторых других семейств.

Плоды подавляющего большинства гвоздичных -- многосемянные коробочки, вскрывающиеся зубчиками и располагающиеся обычно на верхушке стебля.

Созревшие семена высыпаются не сразу, а частями в разные стороны, когда порыв ветра или прикосновение животного встряхнет стебель

Семена некоторых гвоздичных разносятся муравьями. Односемянные, невскрывающиеся плоды -- орехи разносятся ветром или животными.

Рисунок 10 - Мак снотворный (Papaver somniferum)

Рисунок 11 - Коробочка мака, готовая к рассеиванию

Также особый тип анемохории - перекатывание ветром семян, плодов или целых растений (типа перекати - поле) по поверхности земли, что обеспечивается шаровидной формой.

Рисунок 12 - Перекати-поле

У грибов по воздуху переносятся преимущественно сухие, легко распыляющиеся в период созревания споры. Анемохория свойственна мучнисто - росяным, ржавчинным, плесневым, трутовым и другим грибам, споры которых образуют порошащие скопления на поверхности субстрата или выбрасываются из споро вместилищ в виде пылевидных облачков, либо свободно выпадают из плодовых тел. Благодаря ничтожно малым величине и массе споры грибов легко подхватываются восходящими потоками воздуха и ветром. Особенно много спор содержится в воздухе над лесами и плантациями сельскохозяйственных культур. Малая скорость падения спор позволяет им долго удерживаться в воздухе и подниматься в верхние слои атмосферы.

Споры фитопатогенных грибов и некоторые бактерии были обнаружены в стратосфере на высотах до 27360 м.

4.1 Жизненная форма перекати-поле

Это жизненная форма цветковых травянистых растений, позволяющая им перемещаться под действием ветра. Шарообразная надземная часть растения образована густым сплетением мелких побегов или листьев прикорневой розетки.

Рисунок 13 - Перекати-поле

После образования семян она отрывается от корня и порывами ветра перемещается на значительные расстояния, рассеивая зрелые семена. Чаще всего такие растения встречаются в степях, полупустынях и пустынях. Большинство перекати - поле вегетативно не размножаются. В особенности это относится к преобладающим в южных степях стержнекорневым видам. Отсутствие вегетативного размножения вызывает необходимость большой семенной продуктивности. Форма растения в виде шара как раз и обеспечивает огромное количество цветков, следовательно, и плодов, но при этом развивается большая вегетативная масса и, как следствие, необходимость самоочистки. Это свойство удалять отмершие части растений тем более важно, что наши обычные перекати - поле по разным причинам не поедаются скотом. Таким образом, жизненная форма перекати - поле экологически неоднородна. В ней можно наметить три группы растений в соответствии с тем значением, которое имеет отрывание и перекатывание их наземных частей: а) служит только для рассеивания семян. Сюда относятся одно - и двулетники, а также многолетние виды, у которых отрывается только соцветие (например, бельвалия сарматская - Bellevalia sarmatica); б) является способом рассеивания семян и служит для самоочистки; к этой группе относится большинство многолетних видов перекати - поле; в) служит только для самоочистки от надземной растительной массы.

Форма перекати - поле несомненно хорошо приспособлена к постепенному рассеиванию зачатков. Строго говоря, растения перекати - поле являются не анемохорами, а псевдоанемохорами, так как сами зачатки (плоды или семена) ветром не разносятся, и ветер лишь способствует рассеиванию зачатков. Считается общепризнанным, что жизненная форма перекати - поле - очень совершенное приспособление для рассеивания семян на обширных равнинных пространствах, в частности в степях. И действительно, среди растений степей или вообще степной зоны мы встречаем много представителей перекати - поле, принадлежащих самым различным семействам. Из зонтичных здесь можно назвать синеголовник полевой (Eryngium campestre), некоторые володушки (Buplеurum); из маревых - солянку русскую (Salsola ruthenica), рогач песчаный (Ceratocarpus arenarius) Из представителей других семейств широко известны как перекати - поле - Качим метельчатый (Gypsоphila paniculаta), катран (Cramb), василек распростертый (Centaurea diffuse), клоповник (Lepidium) и др.

Качим метельчатый (лат. Gypsоphila paniculаta) - растение семейства Гвоздичные (рисунок 14). Имеет своеобразную жизненную форму, получившую в народе название перекати - поле. Это название часто распространяется и на само растение. Особенность её в том, что стебли от основания начинают сильно ветвиться, и в итоге образуется шаровидный куст. После созревания семян высохший стебель переламывается у самой земли, и растение перекатывается ветром, разбрасывая семена. В отличие от других представителей рода Качим (Gypsоphila) - Качим метельчатый (Gypsоphila paniculаta) менее приурочен к известнякам, но так же предпочитает сухие местообитания и растёт в степях и на сухих лугах. Имеет декоративное значение, а также используется сельском хозяйстве как закрепитель подвижных песков.

Рисунок 14 - Качим метельчатый (Gypsоphila paniculаta)

4.2 Формообразующее действие недостатка кислорода и ветра в целом

В заболоченных почвах содержание кислорода иногда настолько мало, что растения вынуждены перестраивать свою морфологию и анатомическое строение. Некоторые из них приобрели способность образовывать кочки и размещать корни вне анаэробных условий, например на сырых лугах это наблюдается у многих осок и злаков (луговик дернистый - Deschampsia cespitosa, вейник Лангсдорфа - Calamagrostis langsdorffii). У ряда болотных и водных видов развивается аэренхима - воздухоносная ткань с увеличенными межклетниками. Иногда в основании стебля разрастаются рыхлые ткани. В корнях выраженность воздухоносной ткани усиливается с их возрастом и заглублением. Развитую аэренхиму в корнях имеют более 13 % сосудистых растений Центральной Европы. Воздухоносная ткань характерна и для видов, приспособленных к переменному увлажнению. У них также формируется толстостенная опробковевшая экзодерма, что служит приспособлением к периодическому пребыванию корней в увлажненной почве. К этой группе растений относятся хвощ полевой (Equisetum arvense), осока высокая (Carex elata), кровохлебка лекарственная (Sanguisorba officinalis), сухопутная форма горца земноводного (Polygonum amphibium). Ряд растений хорошо аэрируемых почв формирует аэренхиму, оказавшись в условиях недостаточной аэрации. Это свойственно даже ксерофильному кострецу прямому (Bromopsis erecta), а также мезофитам - овсянице луговой (Festuca pratensis) и др. При ухудшении аэрации многие виды образуют придаточные корни с аэренхимой. Для приморских тропических растений мангровых зарослей очень характерны пневматофоры (дыхательные корни). Во время прилива над водой возвышаются только кроны мангровых деревьев, а во время отлива обнажаются стволы и система особых корней - ходульных и дыхательных.

Мангровые заросли - вечнозеленые леса тропических и экваториальных широт, способные расти в зоне приливов и отливов у самых берегов. Мангры выполняют роль границы между сушей и океаном, а так же служат убежищем для многих водных животных (рисунок 15).

Рисунок 15 - Мангровые леса

Мангры - это не отдельные растения, а целая группа растений, приспособившихся расти в почве под водой. Распространение мангровых лесов не ограничено лишь областями, где господствует климат тропических дождевых лесов; там, где этому благоприятствуют теплые морские течения, мангры развиваются севернее Северного и южнее Южного тропиков. Следовательно, это типичный пример азональных растительных сообществ, которые местами развиваются вдоль берегов до зоны с умеренно теплым климатом. У них есть набор приспособлений, помогающих обитать в местах, бедных кислородом и повышенной солености. Листья мангровых расположены очень высоко, поэтому даже сильные приливы не скрываю ветки под водой. Корни не полностью находятся в почве, а поднимаются над уровнем воды. Это позволяет растениям получать кислород сразу из воздуха, а подземные корни только удерживают ствол. Пневматофоры необходимы мангровым растениям, так как ил, в котором они растут, почти не содержит кислорода. Они имеют возвышающиеся над субстратом части, содержащие отверстия, через которые воздух поступает в воздушные полости и проходит в подземные части растений. Дыхательные корни могут быть разного типа. У одних видов они коленчато выступают из ила, у других - ползучие змеевидные, у третьих - вертикально выходят из полужидкого субстрата. Кроме мангровых растений на почвах со слабой аэрацией дыхательные корни развивают некоторые пальмы, панданусы (Pandanus), сахарный тростник (Saccharum cfficinarum) и др.

Рисунок 16 - Соннератия белая (Sonneratia alba)

Рисунок 17 - Дыхательные корни Соннератии белой (Sonneratia alba) в мангровых зарослях во время отлива

Из анатомо-морфологических изменений, вызываемых недостатком аэрации почвы, отметим еще утончение клеточных стенок в корнях, ослабление корневого ветвления и образования корневых волосков, формирование придаточных корней в основании стебля. Ризосфера при этом обычно имеет меньший объем, корни укорачиваются, занимая более поверхностное положение, масса надземной части растения снижается, площадь листьев и содержание в них хлорофилла падают, иногда наступает хлороз. У водных растений с целью максимизации поступления кислорода обычно увеличивается поверхность подводных органов, что часто достигается сильным удлинением, истончением и рассечением листьев.

5. Деструктивное механическое влияние ветра

5.1 Бурелом

Бурелом или ветролом - слом ветром стволов и вершин деревьев (рисунок 18). Хотя буря и сильный ветер почти синонимы, а потому вред, причиняемый лесу тем и другим одинаков, но принято различать бурелом от ветровала: ель, пихта, сосна и осина, при произрастании последних двух на мокрой и болотистой почве, легко валятся бурей и ветром, выворачиваются из почвы с корнями - это ветровал. Напротив того, дуб, бук, ясень, клен, лиственница и сосна, растущая на боровой почве, глубоко внедряясь своими корнями в почву, представляют большое противодействие буре и ветру, которые ломают у них ветви, вершину, а иногда и стволы, производя бурелом. Степень вреда, причиняемого лесу бурей и ветром, кроме древесных пород, из которых состоит лес, зависит: а) от качеств почвы - на плотных почвах скорее бывает бурелом, на рыхлых - ветровал; б) от возраста - молодые и средневозрастные насаждения менее страдают, чем приспевающие и спелые; в) деревья, выросшие в сомкнутых полных насаждениях и потом случайно выставленные действию бурь и ветра, сильнее повреждаются, чем постоянно произраставшие на свободе или на опушке, с краю леса, которые обнаруживают замечательную в этом отношении устойчивость. Последствия бурелома - буреломные деревья. Под действием ветра на крону дерева его ткани деформируются и, если давление ветра на крону не превышает силу сцепления корней с почвой, но превосходит сопротивление ствола излому, ствол ломается. Образование бурелома зависит от ряда факторов: характера ветра, времени года, морфологических особенностей древесной породы, ее возраста и состояния, состава древостоя. Бурелом отдельных деревьев или их групп происходит при скорости ветра 8-10 м/с. Сильные ветры со скоростью 25 - 30 м/с наносят большой ущерб лесным массивам, а иногда и полностью уничтожают их. Особенно опасны порывистые, вихреобразные движения ветра. В целом сосна и пихта (Abies), в норме имеющие довольно глубокие корневые системы, являются «буреломными породами», ветер чаще не может вывернуть их с корнем и переламывает ствол. К буреломной породе из - за непрочной древесины относится и осина (Populus tremula). А вот липа (Tilia) от бурелома страдает меньше, так как имеет развитый луб. Ветроустойчивы же породы с глубокой и разветвленной корневой системой дубы (Quercus), сосна горная (Pinus mugo), сосна сибирская (Pinus sibirica), секвойя (Sequoia), тутовое дерево (Morus) и др.

Рисунок 18 - Воздействие бурелома на деревья

5.2 Ветровал

Ветровал - это вывал ветром деревьев с отрывом от почвы части или всей корневой системы. Последствие ветровала - ветровальные деревья (рисунок 19). Ветер, вызывая изгиб ствола, одновременно приподнимает корневые системы. Последние как бы «дышат» в почве, расшатываются, что приводит к обрыву мелких и средних корней, а в целом - к нарушению связи корневой системы с почвой и ослаблению жизнедеятельности дерева. При скорости воздушного потока 25 м/с часть деревьев будет вывалена с корнями. Шторм и ураган (ветер разрушительной силы скоростью 30 м/с и выше) вываливает с корнями уже не одиночные деревья или их небольшие группы, а целые лесные массивы. Отрицательный эффект ветровала усиливается в местах произрастания возрастных насаждений: чем старше насаждения, тем разрушительнее последствия ветровала. Особенно страдают спелые и перестойные насаждения, пораженные корневой гнилью, а также выросшие в густом лесу, но после вырубки соседних деревьев оказавшиеся на открытом пространстве. Ветровалы возникают гораздо реже лесных пожаров, что является одной из причин меньшего к ним внимания со стороны органов законодательной власти в нашей стране. Однако в зарубежных странах ? лесных державах с различной формой собственности на леса имеются административно-экономические механизмы регулирования последствий ветровалов.

Опасность возникновения ветровала зависит от ряда факторов: характера ветра, времени года, морфологических признаков и биологических особенностей древесной породы, типа почвы, состава, возраста и формы насаждения, его состояния. Характерны осенние ветровалы на влажной и не промёрзшей почве. Во многих случаях им предшествуют дожди, которые разжижают почву, уменьшают сцепление корневых систем деревьев с почвенными грунтами. Обычно ветровалы подвержены породы с поверхностной корневой системой. Сильно подвержены ветровалу некоторые вечнозеленые деревья (лавр - Laurus, олива - Olea, мирт - Myrtus). Из летнезеленых пород таковы ивы (Salix), березы (Betula), боярышник (Crataegus), бук (Fagus) и многие тополя (Populus).

Рисунок 19 - Последствия ветровала

Ветровальности ели способствует также густая и плотная крона, испытывающая большое давление ветра. Воздействию ветра подвержены деревья, кроны которых входят в первый ярус или возвышаются над ним; семенники, оставшиеся после сплошной рубки; деревья в стене леса, примыкающей к вырубке или гари; деревья, оставшиеся после выборочных рубок и постепенных рубок и пораженные корневой гнилью.

Повреждение участков лесного фонда во многом определяется состоянием охраны леса от пожаров, способами рубок и порядком их проведения.

Для защиты лесных насаждений рекомендуется создание ветроупорных опушек из ветроустойчивых пород, а также смешанных и сложных насаждений. Ветровальные деревья необходимо по возможности быстро удалять из насаждений, т. к. их присутствие в лесу существенно ухудшает санитарное состояние древостоя, увеличивает пожарную опасность и создает условия для размножения стволовых вредителей (короедов, усачей) и болезнетворных грибов.

Ветровальные деревья нередко используют в качестве «ловчих» деревьев при борьбе с насекомыми - вредителями леса. Несмотря на то, что древесина ветровальных деревьев по качеству обычно ниже, чем у свежесрубленных, она может быть использована в хозяйственных целях.

5.3 Ветровое полегание растений

Существует однонаправленное и спутанное ветровое полегание растений. Мы можем рассмотреть это на примере злаков. Так, под воздействием порыва ветра (воздух в котором перемещается в одном направлении со скоростью не менее 15 - 20 м/с) стебли злаков вблизи верхней части первого надземного междоузлия необратимо смещаются и ложатся один на другой в одном направлении, образуя однонаправленное полегание злаков (рисунок 20). Под воздействием вихревого порыва ветра (воздух в котором перемещается в разных направлениях со скоростью не менее 15 - 20 м/с) стебли злаков вблизи верхней части первого надземного междоузлия необратимо смещаются и полегают в разных направлениях, образуя спутанное стеблевое полегание злаков.

Восприимчивость к полеганию и его проявление на стеблях или корнях культур, подверженных действию сильного ветра, зависит от свойств стебля и корневой системы, а также от формы верхних частей растения, сдерживающих порывы ветра и дождя. Причины отмирания ветвей под действием ветра могут быть чисто механическими: обламывание изгибающихся побегов, обрывание листьев и т.д. Однако более губительно иссушающее действие ветра. Под его влиянием ветви могут испарять влаги намного больше, чем обычно, в результате чего клетки теряют воду и погибают.