Пустыни: физические условия среды обитания

Условия, в которых пустынным растениям и животным приходится жить и бороться за свое существование, весьма суровы: это солнце, настолько палящее, что воздух в тени прогревается до 50 °С; песок, переносимый ветром и обладающий такой силой абразии, что он высекает из скал причудливые скульптуры; сухая как порох земля, десятилетиями не получающая ни капли дождя. Физические условия среды обитания главным образом определяют, какие растения и животные могут существовать в этой среде. В лесах и степях растительность дает тень и в какой-то степени изменяет физические условия среды обитания. Но в пустыне растительность столь скудная, что практически не может служить защитой от зноя, ветра и засухи.

На нашей планете существуют пустыни разного типа, и у экологов нет единого мнения по поводу того, что входит в понятие «пустыня». Общими чертами многих пустынь являются высокая температура, которая держится по крайней мере продолжительную часть года, и засушливые условия. Обычно пустыни расположены в тех зонах, где количество осадков не превышает 250 мм/год, а годовое испарение воды, если ее поместить в открытый сосуд, будет больше годовой суммы осадков. Хотя для полярных районов также характерно малое количество осадков, но из-за низких температур их нельзя считать типичными пустынями.

Воздушные потоки, создающие пустыни

Фотографии, полученные со спутников, запечатлевают определенную картину распределения растительности на нашей планете, о чем большинство людей имеет лишь отдаленное представление. Растительность самым непосредственным образом связана с климатом, и поэтому полярные районы покрыты ледяными шапками, а в экваториальных широтах произрастают тропические леса. Ни один вид растений не растет случайно в том или ином регионе; более того, характер растительности определен климатом, рельефом местности и типом почвы. Для того чтобы понять, что представляют собой экосистемы пустыни, мы должны уяснить для себя, климат каких районов планеты способствует возникновению пустынь, и понять причины возникновения такого климата.

На экваторе земная поверхность находится почти под прямым углом к лучам Солнца. Но чем дальше от экватора, тем в силу сферичности Земли меньше становится этот угол и тем меньше поступает к поверхности Земли солнечной энергии; на полюсах лучи Солнца практически параллельны земной поверхности. В силу этого поверхность планеты в низких широтах прогревается гораздо сильнее, чем в высоких. По мере повышения температуры поверхности Земли прогреваются и приземные слои воздуха.

Плотность воздуха зависит от его температуры: на экваторе воздух самый теплый, а следовательно, и самый легкий, в результате чего там происходит подъем воздушных масс. Полярные воздушные массы, напротив, имеют тенденцию опускаться. Поскольку за счет земного притяжения воздушные массы удерживаются у Земли в виде пленки, поднимающиеся у экватора слои воздуха не уносятся в космос, а на большой высоте перемещаются к полюсам. Воздушные слои, опускающиеся у полюсов, также не могут скапливаться у поверхности Земли — они перемещаются к экватору, чтобы заменить там воздушные массы, переместившиеся к полюсу.

Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, мы бы могли наблюдать именно такой процесс перемещения воздушных масс. Мы увидели бы две зоны, или два пояса, опускающегося воздуха (у полюсов) и увидели бы третий пояс — поднимающегося воздуха (у экватора). Таким образом, существуют как бы две огромные ячейки циркуляции, обволакивающие оба
полушария: слои поднимающегося воздуха у экватора движутся по направлению к полюсам, а потом возвращаются к экватору у поверхности Земли. Мы воспринимаем такие воздушные течения в нижних слоях атмосферы в северном полушарии как северные ветры, а в южном полушарии — как южные.

Однако в действительности все обстоит не так-то просто — этот характер движения нарушает вращение Земли. Сложный характер взаимодействия динамики воздушных потоков на вращающейся Земле с неравномерным поступлением солнечной энергии на ее поверхность приводит к образованию не двух, а шести огромных ячеек атмосферной циркуляции, что
определяет климатические зоны земного шара и, в свою очередь, характер растительности и животного мира. Этот сложный циркуляционный механизм состоит из трех поясов поднимающегося воздуха: один на экваторе и по одному поясу у 60° с. и ю. ш. Поднимающийся воздух охлаждается по мере того, как попадает в верхние более холодные атмосферные слои. А так как холодный воздух не может удержать такое же количество водяного пара, как теплый, охлаждение вызывает его конденсацию и выпадение осадков в этих поясах. Таким образом, в районе экватора и в зонах у 60° с. и ю. ш. выпадает большое количество осадков.

Земля окружена четырьмя поясами опускающегося воздуха: по одному возле каждого полюса и по одному в зоне от 20 до 30° с. и ю. ш. Поскольку опускающийся воздух нагревается и может удержать большое количество влаги, то он не только препятствует выпадению осадков, но и сам поглощает влагу с поверхности Земли. В результате в районах полюсов сравнительно низкий уровень годовых осадков, поэтому эти районы иногда и называют полярными пустынями.

Настоящие — жаркие — пустыни мира, такие, как Сахара (самая большая в мире), австралийские пустыни, североамериканские пустыни, пустыни Средней Азии и Индии, пустыни Южной Африки, в основном расположены в двух жарких субтропических поясах опускающихся воздушных масс. Если субтропические пояса обусловили существование самых обширных аридных зон, то некоторые локальные особенности ландшафта и циркуляции атмосферы способствовали возникновению аридных условий в других менее обширных районах. Структура локальных воздушных течений в этих зонах не сводится к двум циркуляционным ячейкам, а носит более сложный характер.

В северном полушарии ячейка поднимающегося воздуха находится примерно на широте 60°, на высотах поток этот движется к Северному полюсу. В районе Северного полюса он опускается и возвращается на юг примерно между полюсом и широтой 60°. Во второй ячейке воздух поднимается у широты 60°, затем перемещается к широте 30°, здесь опускается и, поворачивая над поверхностью Земли на север, возвращается в зону, расположенную между широтами 30 и 60°. Третья ячейка представляет собой поднимающийся у экватора воздух, который перемещается по направлению к широте 30°, там опускается и возвращается к экватору у поверхности Земли. В южном полушарии имеет место зеркальное отражение этих процессов.

Наличие скорости вращения Земли и различие нагрева воздуха у экватора и у полюсов не только обусловливает возникновение этих семи поясов подъема и опускания воздушных масс и шести ячеек циркуляции воздуха, но и приводит к изменению направления воздушных потоков над Землей внутри этих ячеек. Между экватором и 30° с. ш. воздушные массы
движутся к экватору с северо-востока на юго-запад; такие потоки воздуха называются пассатами. Между 30 и 60° с. ш. воздушные потоки над поверхностью Земли движутся по направлению к Северному полюсу с юго-запада на северо-восток; такие потоки называются западным переносом. К северу от 60° с. ш. воздушные массы над Землей перемещаются с северо-востока на юго-запад; такие потоки называются полярным ветром. Зеркальное отражение этой картины ветров наблюдается в южном полушарии.

Воздушные потоки в самых низких слоях атмосферы собирают влагу над океанами и сбрасывают ее в виде осадков на континенты. Западные прибрежные районы Северной Америки и Европы, расположенные выше 35—40° с. ш., характеризуются довольно влажным климатом, поскольку западный перенос приносит с Тихого и Атлантического океанов на сушу
большое количество влаги.

По мере того как эти воздушные массы переносятся над сушей, они поднимаются и охлаждаются, влага конденсируется и выпадает в виде осадков. Продвигаясь в глубь континентов, воздух постепенно теряет влагу, и соответственно климат в континентальных районах становится суше, чем в прибрежных.

Хотя аридные и полуаридные районы Австралии, составляющие около двух третей континента, лежат в субтропической зоне высокого давления, самый сухой район континента находится в его центре. Пустыня Гоби в Монголии расположена, так же как и влажная Западная Европа, между 40 и 45° с. ш., в зоне западного переноса. Но к тому времени, когда западный перенос достигает пустыни Гоби, расположенной в восточной части Евразии, он успевает пройти над огромными пространствами суши с малым испарением и потерять в виде дождей большую часть своей влаги.

Дождевая тень

Если преобладающие ветры поднимаются над горными хребтами, они резко охлаждаются и еще более интенсивно теряют влагу.

Вдоль западной границы Соединенных Штатов Америки с севера на юг тянутся две горные гряды: более низкий Береговой хребет и более высокие Каскадные горы и хребет Сьерра-Невада. Западные потоки, несущие влагу с Тихого океана в глубь континента, поднимаются над горными грядами и в результате охлаждения теряют влагу над западными склонами
гор. Лишенные влаги воздушные массы опускаются по восточным склонам Каскадных гор и Сьерры-Невады, высушивая на своем пути слои почвы. В результате в западной части Соединенных Штатов Америки образовалась пустыня Большого Бассейна.

Такие подветренные склоны горных массивов находятся в так называемой зоне дождевой тени. Большой Водораздельный хребет, тянущийся вдоль восточного побережья Австралии, блокирует поступление влаги, которую несут с Тихого океана южные пассаты, в результате чего большая часть континента превращается в зону дождевой тени. Пустыня Такла-Макан в провинции Синьцзян, в Китае, с трех сторон окружена горами. Патагонская пустыня в Южной Чмерике находится в зоне дождевой тени Андов.

Сухой воздух и отраженное тепло

Если в лесных районах летом в дневное время относительная влажность обычно достигает 80—90 %, то в пустынях она составляет всего лишь 10—20 %, а ночью повышается не более чем до 20—40 %. Во влажных районах значительная часть солнечной радиации отражается или поглощается облаками и атмосферным водяным паром. В результате менее половины поступающей солнечной радиации достигает поверхности Земли. Но в пустынях отсутствие облачности и низкая влажность воздуха способствуют практически беспрепятственному прохождению солнечной радиации, большая часть которой поступает на поверхность Земли. В результате районы пустыни получают большее количество солнечной энергии, чем тропики, несмотря на то что пустыни находятся в более высоких широтах. Температура воздуха в пустыне в тени обычно достигает 40—45 °С, а иногда и 50 °С, при этом температура земной поверхности может составлять 70—80 °С.

Любой предмет, поглощающий солнечную радиацию, излучает в свою очередь тепловую энергию. При вращении Земли вокруг своей оси те или иные районы в ночное время лишаются поступления солнечной энергии, но при этом продолжают излучать собственную радиацию, что приводит к потере тепла и понижению температуры земной поверхности. Во влажных районах облака и атмосферная влага частично экранируют эти потери радиации; точно так же они блокируют часть радиации, поступающей на Землю в дневное время, и, таким образом, ночью температура понижается не более чем на 5—10 °С.

Однако в пустыне воздух, лишенный влаги, не препятствует излучению радиации в ночное время, а в дневное время он практически не задерживает поступающую солнечную энергию. Таким образом, ночью температура падает на 20—25 °С, и в пустынях наблюдаются резкие суточные ее перепады.

Формирование физико-географических особенностей пустынь

Одна из отличительных особенностей пустыни — ее живописность. Титанические силы природы создают самые невероятные ландшафты, подобные которым не встречаются нигде на земном шаре. Хотя для многих скудность растительности, а то и полное ее отсутствие — символ бесплодия и враждебности пустыни, густая растительность скрыла бы от нас причудливый рельеф пустынь, укрыла бы красные, золотые, коричневые, черные, серые скалы и землю, придающие пустынным ландшафтам живописный вид.

Вообще основные топографические особенности поверхности Земли складываются под воздействием двух противоположных сил: превращающих кору земного шара в горы, холмы и равнины и снова стирающих эти формы с лица Земли, — это прежде всего воздействие воды, ветра и льда. Вода сама по себе оказывает разрушительное воздействие, но если при
этом она несет с собой песок или гравий, ее разрушительные свойства значительно усиливаются. Ветер также видоизменяет ландшафт на свой лад.

Вообще эрозия протекает быстрее во влажных зонах, поскольку большое количество дождей приводит к сильной абразии. Когда во влажных районах дождевая влага проходит сквозь покров листвы, она снижает кислотность, достаточно высокую из-за присутствия в листве танина. В аридных районах, где дожди выпадают редко, процесс эрозии развивается медленнее. Речные потоки, берущие начало в более влажных районах или высоко в горах, протекая по аридным районам, испещряют равнину ущельями и образуют плоские столовые горы и крутые холмы, время жизни которых достигает миллионов лет.

В аридных районах за счет некоторых характерных особенностей процессов эрозии горы сменяются водоемами, крутые холмы и столовые горы — низинами и ущельями. Поскольку поднимающиеся воздушные массы охлаждаются и теряют влагу, горные районы в зонах пустыни получают больше осадков в виде дождя, чем низменные. В результате водные потоки испещряют землю оврагами, ущельями и каньонами и уносят с собой соли, гравий, валуны, которые оседают в виде конуса выноса аллювиальных осадков, расходящихся от устья каньона. Склоны гор прорезывают многочисленные каньоны, их конусы выноса объединяются у основания хребта, образуя складчатую аллювиальную юбку, которую в Северной Америке называют испанским словом бахада.

Когда стекающий с горного хребта водный поток достигает подножья, его скорость уменьшается и он уже не способен нести дальше булыжники и крупные обломки скал. Затем, растекаясь по долине, водные потоки постепенно осаждают песок и ил.

Таким образом, аллювиальный слой верхней части бахады может быть очень твердым, тогда как в низине он состоит из мелкоземной глины или суглинка. Зоны растительности вдоль склона бахады свидетельствуют о зональном распределении аллювиальных частиц. Обычно самая богатая и разнообразная растительность отмечается у вершины бахады, где
у растений имеется гораздо более широкий выбор места жительства.

Другая характерная черта ландшафта пустыни — наличие сухих русел рек, которые называются уош (wash) или арройо (arroyos) в Северной Америке, уэд (oed) в Северной Африке и вади (wadi) на Среднем Востоке. Они возникают на горном хребте и вьются по пустыне. Старые русла остаются сухими, за исключением редких периодов сильных ливней, когда в них поступает дождевой сток, который выносится на равнину. Как правило, по краям старых русел растительность обычно более обильная, чем в остальной части пустыни. Если посмотреть с воздуха, то можно заметить, что в пустынях на редкость скудная растительность, причем на ее фоне благодаря тонким линиям чуть более богатой растительности четко выделяется сетка русел.

Долины, расположенные между горными грядами, называются в Северной Америке плайями (playas), в Северной Африке — шоттами (chatts) и на Среднем Востоке — квазами (qas); в них иногда скапливаются воды из старых русел, и тогда они становятся дном мелких озер. В плайе вода сохраняется не более нескольких недель — во время сезона дождей и после них. Как только сток дождевых вод прекращается, скопившаяся в плайе вода испаряется. Но в некоторых районах, где вода поступает с насыщенных влагой больших площадей, особенно с крупных горных хребтов, приток воды может быть достаточно продолжительным, при этом он должен превышать процесс испарения. В таких случаях в плайях вода держится круглый год, и они превращаются в озера — именно это и произошло с большими солоноватыми озерами в южной части Туниса, с Большим Соленым озером и с Мертвым морем.

Пустынные плайи и озера обычно соленые, поскольку стекающие воды содержат большое количество растворенных химических веществ, особенно хлора и натрия, составляющих поваренной соли. Когда вода из плайи испаряется, эти химические элементы остаются в почве, и содержание минеральных солей постоянно увеличивается. Концентрация солей в Большом Соленом озере и Мертвом море в восемь раз выше среднего содержания солей в океане.

Почвы пустыни

У многих людей слово «пустыня» ассоциируется с необозримыми песками, испещренными дюнами. И действительно, в пустынях мира дюны занимают огромные площади. Великие Эрги Сахары обычно называют морями песчаных дюн. Другой обширный район дюн имеется в Саудовской Аравии, в пустыне Гоби, в пустыне Тар (Западная Индия), в пустыне
Намиб (Южная Африка), в Большой Песчаной пустыне (Австралия). Однако площадь, занимаемая неподвижными песками, более тяжелыми почвенными породами и небольшими обломками камней, превышает площадь голого песка и дюн. Поскольку дожди в пустынях выпадают крайне редко, пустынные почвы сохраняют свои минеральные ингредиенты. Дождевая вода часто просачивается на глубину 20—30 см. Как только небо очищается от облаков, влага начинает испаряться на жарком солнце. По мере того как почва высыхает, вода, находящаяся в ее нижних слоях, поступает наверх и тоже испаряется. Это движение наверх воды в маломощных поверхностных слоях почвы сопровождается выносом
минералов, которые в результате оказываются на поверхности. Пустынные почвы засолены, особенно в небольших впадинах, где образуются лужи, которые покрываются тонкой белой корочкой соли.

Почва в пустыне может быть насыщена минеральными солями, но чрезвычайно бедна органическими веществами, поскольку растительность здесь очень скудная и растительных остатков, которые попадали бы в почву, практически нет. Тем не менее высокий процент содержания минеральных веществ в почве весьма благоприятствует проведению сельскохозяйственных работ в тех районах, где в почве не слишком много камней и есть доступная вода. С помощью ирригационных систем удалось сделать плодородными обширные аридные районы в США, Мексике, Ливии, Северной Азии, Израиле, Саудовской Аравии и Индии.

Скудная растительность в пустынях — результат того, что почва там подвержена ветровой и водной эрозии. Поверхностные частицы почвы нередко выдуваются ветром, происходит постепенное обнажение камней и гальки, и в результате в пустыне остаются лишь скальные породы. Такие участки пустынной поверхности в Северной Африке называются регами,
на Среднем Востоке — гамадами, а в Австралии — джибберными равнинами.

Там, где скапливается песок, унесенный ветром из районов гамады, образуются дюны, которые представляют собой подвижные волны песка, располагающиеся под прямым углом к преобладающему направлению ветра. Пологий склон дюны направлен навстречу ветру, а подветренный обрывается довольно круто. Дюна передвигается, когда песок сдувает ветром с подветренного склона через ее вершину.

Почва и влага

Растения корнями поглощают воду из почвы. Поступление влаги в растения и соответственно их рост зависят от размеров почвенных частиц. Мелкозернистая почва сильнее препятствует инфильтрации воды, чем крупнозернистая. Так, например, при выпадении 10 мм осадков в виде дождя некоторая их часть собирается в лужи и стекает по мелкокомковатой глинистой почве. Часть воды все же проникает в почву, но не более чем на 10—15 см. Песчаная почва впитывает все осадки до глубины 40—50 см. Крупнозернистая почва также благоприятствует росту растений, поскольку она легче отдает влагу корням. Почвенные воды — это или свободная жидкость, перемещающаяся в почве под действием силы тяжести либо в результате подъема к поверхности при испарении, или же жидкость, содержащаяся в микроскопически тонких пленках, обволакивающих частицы почвы. Свободная влага, доступная растениям с достаточно длинной корневой системой, используется в первую очередь. Когда ее запасы иссякают, растения поглощают влагу, обволакивающую частицы почвы. Поскольку водные пленки более плотно обволакивают мелкозернистые, а не крупнозернистые частицы, из песчаной и каменистой почв растениям удается получить больше воды.

Эта особенность, вероятно, является одной из причин того, что в пустыне растительность более разнообразна, более привлекательна и даже более обильна в бахадах, где почва крупнозернистая, чем на дне долин, где почва обычно глинистая. Самые неблагоприятные физические условия для растительности отмечаются в низинах, где можно встретить несколько видов растений, адаптировавшихся к засухе.

Теперь мы имеем некоторое представление о тех неблагоприятных условиях среды, в которых обитают пустынные организмы. Пустыня обрекает как растения, так и животных на суровые условия существования, что объясняется высокой температурой и недостатком влаги. Эти физические условия определяют характер растительности, которая является для животных пищей и укрытием, необходимыми для выживания.