ecologie

CUPRINS PARTEA I-A: NOŢIUNI DE ECOLOGIE GENERALĂ..............................................................................5 C A P I T O L U L 1: NOŢIUNI INTRODUCTIVE .....................................................................................6 1.1 Obiectul ecologiei ........................................................................................................................................................7 1.2 Conexiunile ecologiei cu alte ştiinţe ...........................................................................................................................7 1.3 Istoricul ecologiei.........................................................................................................................................................8 1.4 Istoricul ecologiei în România ..................................................................................................................................11

C A P I T O LU L 2: BAZELE TEORETICE ALE ECOLOGIEI. NOŢIUNI GENERALE .................13 2.1 Însuşirile sistemelor biologice..................................................................................................................................13 2.2 Ierarhia sistemelor biologice .....................................................................................................................................17

C A P I TO L U L 3: ECOSISTEMUL .........................................................................................................20 3.1 Generalităţi .................................................................................................................................................................20 3.2 Biocenoza ...................................................................................................................................................................20 3.2.1 Structura biocenozei...........................................................................................................................................20 3.2.2 Indici structurali ai biocenozei...........................................................................................................................21 3.3 Populaţiile...................................................................................................................................................................26 3.3.1 Generalităţi..........................................................................................................................................................26 3.3.2 Mărimea populaţiei.............................................................................................................................................27 3.3.3 Distribuţia în spaţiu ............................................................................................................................................30 3.3.4 Structura pe vârste ..............................................................................................................................................30 3.3.5 Structura genetică ...............................................................................................................................................31 3.4 Strategii demografice................................................................................................................................................32 3.5 Biotopul ......................................................................................................................................................................35 3.5.1 Generalităţi..........................................................................................................................................................35 3.5.2 Atmosfera............................................................................................................................................................38 3.5.3 Energia radiantă – factor ecologic fizic ............................................................................................................47 3.5.4 Regimul termic al solului...................................................................................................................................56 3.5.5 Regimul termic al aerului...................................................................................................................................63 3.5.5.1 Procesele de încălzire şi răcire a aerului ...................................................................................................63 3.5.5.2 Variaţiile periodice ale temperaturii aerului. ...........................................................................................65 3.5.5.3 Variaţia temperaturii aerului cu altitudinea. .............................................................................................66 3.5.5.4 Variaţiile neperiodice (accidentale) ale temperaturii ...............................................................................69 3.5.5.5 Particularităţi ale stratului limită planetar.................................................................................................69 3.5.5.6 Distribuţia geografică a temperaturii aerului ............................................................................................70 3.5.6 Semnificaţiile şi efectele ecologice ale luminii şi temperaturii – factori fizici ..............................................71 3.5.7 Umiditatea, apa – factori ecologici fizici..........................................................................................................74 3.5.7.1 Aspecte generale; mărimi higrometrice ....................................................................................................75 3.5.7.2 Variaţiile periodice ale umidităţii aerului .................................................................................................77 3.5.7.3 Evaporarea şi evapotranspiraţia.................................................................................................................78 3.5.7.4 Condensarea................................................................................................................................................79 3.5.8 Produsele condensării.........................................................................................................................................81 3.5.8.1 Condensarea vaporilor de apă pe suprafaţa terestră .................................................................................81 3.5.8.2 Condensarea vaporilor de apă în atmosferă ..............................................................................................81 3.5.9 Meteorii ...............................................................................................................................................................85 3.5.9.1 Geneza precipitaţiilor (hidrometeorilor) ...................................................................................................86 3.5.9.2 Forme de precipitaţii...................................................................................................................................88 3.5.9.3 Regimul precipitaţiilor ...............................................................................................................................89 3.5.9.4 Distribuţia geografică a precipitaţiilor ......................................................................................................90 3.5.10 Efectele ecologice ale apei şi umidităţii – factori abiotici fizici ...................................................................91 3.5.11 Vântul - factor abiotic mecanic .......................................................................................................................93 3.5.11.1 Geneza vântului ........................................................................................................................................98 3.5.11.2 Caracteristicile vântului sunt direcţia şi viteza. ....................................................................................102 3.5.11.3 Structura vântului ...................................................................................................................................102 3.5.11.4 Circulaţia termică a aerului. Vânturile locale .......................................................................................103

3.5.11.5 Circulaţia generală a atmosferei ...........................................................................................................107 3.5.12 Efectele ecologice ale factorilor ecologici mecanici - aerul în mişcare (vântul) şi apa în mişcare...........110 3.5.12.1 Efectele ecologice ale vântului ..............................................................................................................110 3.5.12.2 Efectele ecologice ale apei în mişcare...................................................................................................110 3.5.13 Noţiuni de meteorologie sinoptică ................................................................................................................112 3.5.13.1 Masele de aer ..........................................................................................................................................112 3.5.13.2 Fronturile atmosferice ............................................................................................................................115 3.5.13.3 Geneza ciclonilor mobili ........................................................................................................................121 3.5.13.4 Vremea în principalele forme barice .....................................................................................................122 3.5.13.5 Prevederea vremii ...................................................................................................................................124 3.5.14 Clima. Geneza climei.....................................................................................................................................127 3.5.14.1 Clasificarea climatelor............................................................................................................................130 3.5.14.2 Clima României ......................................................................................................................................131 3.6 Structura trofică a ecosistemelor.............................................................. Eroare! Marcaj în document nedefinit. 3.7 Funcţiile ecosistemelor ............................................................................. Eroare! Marcaj în document nedefinit. 3.7.1 Funcţia energetică.............................................................................. Eroare! Marcaj în document nedefinit. 3.7.2 Circulaţia materiei ............................................................................. Eroare! Marcaj în document nedefinit. 3.7.3 Circulaţia informaţiei ........................................................................ Eroare! Marcaj în document nedefinit. 3.7.4 Autoreglarea şi stabilitatea................................................................ Eroare! Marcaj în document nedefinit.

PARTEA A II-A: NOŢIUNI DE ECOLOGIE FORESTIERĂ...............................................................135 CAPITOLUL 4: ECOSISTEMUL FORESTIER .......................................................................................136 4.1 Generalităţi ...............................................................................................................................................................136 4.2 Biocenoza forestieră.................................................................................................................................................136 4.2.1 Structura biocenozei forestiere ........................................................................................................................138 4.2.1.1 Elementele componente. ..........................................................................................................................138 4.3 Biotopul forestier .....................................................................................................................................................182 4.3.1 Generalităţi........................................................................................................................................................182 4.3.2 Particularităţi ale regimului factorilor ecologici în regiunile cu relief accidentat........................................183 4.3.3 Influenţa reciprocă între biocenoza forestieră şi factorii ecologici ...............................................................190 4.3.3.1 Influenţa pădurii asupra radiaţiei solare ..................................................................................................190 4.3.3.2 Influenţa luminii asupra biocenozei forestiere........................................................................................191 4.3.3.3 Influenţa biocenozei forestiere asupra temperaturii aerului...................................................................193 4.3.3.4 Influenţa biocenozei forestiere asupra temperaturii solului...................................................................197 4.3.3.5 Influenţa temperaturii asupra biocenozei forestiere ...............................................................................200 4.3.3.6 Influenţa biocenozei forestiere asupra vântului ......................................................................................203 4.3.3.7 Influenţa vântului asupra biocenozei forestiere poate fi atât pozitivă cât şi negativă..........................207 4.3.3.8 Influenţa biocenozei forestiere asupra umidităţii atmosferice...............................................................212 4.3.3.9 Regimul precipitaţiilor atmosferice în biocenoza forestieră..................................................................213 4.3.3.10 Influenţa biocenozei forestiere asupra evapotranspiraţiei....................................................................217 4.3.3.11 Influenţa umidităţii asupra biocenozei forestiere .................................................................................219 4.3.3.12 Influenţa compoziţiei aerului asupra biocenozei forestiere .................................................................223 4.3.3.13 Influenţa biocenozei forestiere asupra aerului atmosferic ...................................................................224 4.3.3.14 Influenţa biocenozei forestiere asupra solului ......................................................................................225 4.3.3.15 Influenţa solului asupra biocenozei forestiere ......................................................................................226 4.4 Particularităţi ale energeticii ecosistemelor forestiere ...........................................................................................228 4.4.1 Faze ale fluxului necromasei ...........................................................................................................................229 4.4.2 Formarea humusului.........................................................................................................................................239 4.4.3 Mineralizarea humusului..................................................................................................................................239

CAPITOLUL 5: TIPURI DE ECOSISTEME. TIPOLOGIA FORESTIERĂ.........................................241 5.1 Generalităţi ...............................................................................................................................................................241 5.2 Clasificare. Criterii...................................................................................................................................................241 5.3 Denumire, caracterizare ...........................................................................................................................................242

CAPITOLUL 6: DINAMICA ŞI SUCCESIUNEA ECOSISTEMELOR.................................................246 6.1 Generalităţi ...............................................................................................................................................................246 6.2. Ritmurile circadiene................................................................................................................................................246 6.3. Fenofaze şi fenaspecte ............................................................................................................................................248

6.4 Fluctuaţiile ciclice ....................................................................................................................................................250 6.4.1 Fluctuaţiile anuale ............................................................................................................................................251 6.4.2 Fluctuaţiile multianuale....................................................................................................................................251 6.5 Succesiunea ecologică .............................................................................................................................................254 6.5.1 Generalităţi........................................................................................................................................................254 6.5.2. Principalele tipuri de succesiuni.....................................................................................................................256

PARTEA I-A NOŢIUNI DE ECOLOGIE GENERALĂ

CAPITOLUL 1

NOŢIUNI INTRODUCTIVE

1.1 Obiectul ecologiei În 1866 Ernst Haeckel a introdus termenul de ecologie (de la grecescul oikos: casă, gospodărie, economie) şi a definit noua ştiinţă ca “studiul relaţiilor complexe, directe şi indirecte, cuprinse în noţiunea darwiniană de luptă pentru existenţă”. (Darwin folosea această expresie pentru desemnarea totalităţii relaţiilor intra şi interspecifice). Ulterior s-au dat numeroase definiţii ale ecologiei şi nu există una unanim acceptată, fiecare autor punând accentul pe anumite aspecte. Definiţiile pot fi grupate în două categorii, una cu accentul pus pe organisme, cealaltă cu accentul pus pe sisteme supraindividuale (Botnariuc, N., Vădineanu A., 1982). Din numeroasele definiţii care pot fi incluse în prima categorie se menţionează cele date de: MacFayden (1957) – Ecologia studiază relaţiile dintre vieţuitoare (plante şi animale) şi mediul lor, pentru a descoperi principiile după care se desfăşoară aceste relaţii. R. Dajoz (1970) – Ecologia este ştiinţa care studiază condiţiile de existenţă a fiinţelor şi interacţiunile de orice natură, care există între aceste fiinţe şi mediul lor. C. Sacchi şi P. Testard (1971) – Ecologia este disciplina biologică ce studiază raporturile organismelor cu mediul lor înconjurător. C. Krebs (1972) – Ecologia este studiul ştiinţific al interacţiunilor care determină distribuţia şi abundenţa organismelor. În cea de-a doua categorie se încadrează definiţiile date de: E. Odum (1971) – Ecologia studiază niveluri de organizare superioare celui individual şi anume populaţii, biocenoze, ecosisteme şi biosfera. M. Ghiliarov (1973) – Ecologia este ştiinţa corelaţiilor şi interacţiunilor vieţii pe trepte supraindividuale. B. Stugren (1975) – Ecologia este ştiinţa interacţiunilor în sistemele supraindividuale. Acestor definiţii li se pot aduce obiecţii; astfel, ecosistemul nu poate fi inclus în ierarhia sistemelor biologice deoarece înglobează biotopul care este de natură abiotică. De asemenea, ecologia nu studiază orice sistem sau treaptă supraindividuală; o algă sau un celenterat colonial, deşi sunt sisteme supraindividuale, nu sunt studiate de ecologie. De aceea, N. Botnariuc şi A. Vădineanu propun (1982) următoarea definiţie: Ecologia studiază sistemele supraindividuale de organizare a materiei vii (populaţii biocenoze, biosfera) integrate în mediul lor abiotic.

1.2 Conexiunile ecologiei cu alte ştiinţe Ecologia este o disciplină sintetică, o ştiinţă interdisciplinară; şi alte ştiinţe biologice pot fi însă caracterizate în acelaşi mod. Pentru precizarea locului ocupat de ecologie printre celelalte ştiinţe este adecvată împărţirea lor în funcţie de nivelul de organizare a sistemelor pe care le studiază. Astfel, sunt discipline care studiază structuri şi procese de nivel individual – biochimia, fiziologia, citologia, histologia, morfologia etc. În altă categorie se încadrează disciplinele care se adresează sistemelor supraindividuale (Botnariuc, N., Vădineanu, A., 1982). În acest sens, taxonomia şi sistematica, studiază legăturile de înrudire dintre specii şi în funcţie de acestea realizează sistemele de clasificare. Genetica şi evoluţia se adresează şi ele sistemelor suprapopulaţionale, studiind mecanismele de transformare adaptativă.

Spre deosebire de acestea, ecologia cuprinde în domeniul de studiu nu numai populaţiile ci şi întreaga ierarhie de sisteme biologice supraindividuale, deci şi biocenozele şi biosfera. Privitor la populaţii, ecologia studiază structura lor şi modul cum îndeplinesc funcţiile de transfer a materiei, energiei şi informaţiei în cadrul sistemelor din care fac parte. Ecologia are conexiuni cu diferite alte ştiinţe, atât biologice cât şi nebiologice. Relaţiile funcţionale dintre populaţii şi dintre acestea şi mediul lor abiotic constau în schimburi de materie, energie şi informaţie, ceea ce implică utilizarea conceptelor din domenii ca fizica (termodinamica), biochimia (pentru studierea mecanismelor moleculare ale schimburilor energetice), fiziologia (pentru cunoştinţele legate de respiraţie, digestie, asimilaţie, metabolism), informatica. Cercetarea biotopului determină strânse legături cu climatologia, geomorfologia, hidrologia, pedologia, chimia. Studiul organizării şi funcţionării sistemelor ecologice determină legături cu matematica (biostatistica) şi cibernetica. Este necesară evidenţierea „punctului de vedere ecologic” comparativ cu abordarea realizată de alte ştiinţe. Astfel, un morfolog studiază caracteristicile morfologice distinctive ale arborilor din specia Fagus sylvatica de exemplu, pentru a-i descrie şi încadra într-o anumită clasificare. Fiziologul studiază procesul de fotosinteză al acestor arbori, urmărind clarificarea mecanismelor de sinteză a substanţelor organice şi dependenţa acestui proces de diferiţi factori de mediu (lumină, temperatură, săruri minerale). Ecologul studiază fotosinteza arborilor sub aspectul rolului acesteia în viaţa biocenozei, ca furnizoare de materie organică pentru consumatorii de diferite ordine, studiază relaţiile speciei cu celelalte componente ale biocenozei, contribuţia la productivitatea acesteia, influenţa asupra biotopului etc. Deoarece omul intră în componenţa ecosistemelor majore ale biosferei pe care le influenţează esenţial prin activitatea sa, ecologia interferează şi cu ştiinţele sociale, cu psihologia etc. În concluzie, nu caracterul interdisciplinar este trăsătura caracteristică a ecologiei, ci modul în care ea integrează datele şi metodele altor ştiinţe în propriul domeniu de cercetare.

1.3 Istoricul ecologiei Încă din perioada preistorică omul a acumulat cunoştinţe legate de exigenţele ecologice ale diferitelor specii, în timpul căutărilor sale pentru găsirea vânatului sau a plantelor comestibile. Lucrările autorilor antici (Hipocrate, Aristotel, Pliniu, Teofrast) cuprind numeroase date despre condiţiile de viaţă ale diferitelor plante şi animale, despre însuşirile lor importante în alimentaţie, medicină sau meşteşuguri. Elemente cu caracter ecologic se găsesc în lucrările a numeroşi oameni de ştiinţă din antichitate până în Evul Mediu. Înainte de Darwin şi Haeckel, în 1792, ideea de bază a circulaţiei materiei a fost experimentată de Lavoisier; în 1833 Auguste Pyrame de Candolle a demonstrat necesitatea introducerii unei noi discipline botanice (geografia botanică sau geobotanica) care să studieze relaţiile reciproce dintre plante şi mediu (cercetări în acest sens au realizat şi Humbolt, Engler, Gray). În 1843, Forbes, studiind repartizarea animalelor în

Marea Egee, constată stratificarea acestora în adâncime, ceea ce evidenţiază aspectul dinamic al interrelaţiilor organisme-mediu. În 1861, Pasteur descrie amănunţit etapele descompunerii materiei organice moarte. Aceşti oameni de ştiinţă au fost consideraţi precursori în ecologie. Darwin descoperă conexiunile complexe din natură (pe care le integra în expresia “luptă pentru existenţă”) şi semnificaţia lor evolutivă. El evidenţiază rolul important al conexiunilor indirecte, mediate, dintre specii şi dintre ele şi mediul abiotic. În plus, Darwin descoperă şi demonstrează importanţa raporturilor numerice dintre speciile unei regiuni, importanţa schimbării componenţei unei asociaţii prin introducerea sau eliminarea unor specii pentru evoluţia ulterioară a acestor specii. În 1866 Haeckel introduce termenul de ecologie şi dă definiţia acestei ştiinţe. Acest moment marchează începutul primei perioade, descriptive, în dezvoltarea ecologiei, care a dus la acumularea unui bogat material faptic. I. În această perioadă sunt introduse noţiunile de biocenoză (Karl Möbius, 1877), autecologie şi sinecologie (Schröter 1896, 1902), cele două subdiviziuni ale ecologiei. A u t e c o l o g i a studiază raporturile unei singure specii cu mediul ei de viaţă; ea defineşte în special limitele de toleranţă şi valorile optime ale speciilor relativ la diverşi factori ecologici şi studiază acţiunea mediului asupra morfologiei, fiziologiei şi comportamentului acestora (deci studiază adaptările speciilor la mediu). S i n e c o l o g i a studiază raporturile între indivizii ce aparţin unor specii diferite din cadrul unor comunităţi, precum şi raporturile acestor indivizi cu mediul. Astfel, întrun studiu sinecologic pot fi adoptate două puncte de vedere: - unul static (sinecologie descriptivă) constând în descrierea comunităţilor de fiinţe vii care există într-un mediu anumit. Se determină în acest caz compoziţia specifică a comunităţilor, abundenţa, frecvenţa, constanţa şi repartizarea spaţială a speciilor. - altul dinamic (sinecologie funcţională) cu două aspecte; se poate descrie evoluţia comunităţilor şi factorii care determină succesiunea acestora într-un anumit mediu. Se mai poate studia funcţionarea ecosistemelor: transferurile de materie şi energie, lanţurile trofice, piramidele trofice, productivitatea şi randamentul (toate acestea constituie obiectul de studiu al sinecologiei cantitative) (Dajoz, R., 1972). Se înregistrează o importantă dezvoltare a cercetărilor legate de asociaţiile vegetale şi animale. Sunt descrise structura şi succesiunea vegetaţiei, asocierea plantelor în comunităţi, bazele ecologice ale răspândirii geografice a plantelor, legătura dintre succesiune şi condiţiile fizice. Noţiunea de climax este introdusă în 1916 de Clements, ca fiind stadiul final al succesiunii asociaţiilor vegetale. Astfel, perioada descriptivă are următoarele caracteristici: accentul principal este pus pe descrierea structurii şi variaţiei în timp şi spaţiu a factorilor abiotici, a comunităţilor vegetale şi animale, a asocierii speciilor; o altă caracteristică este reprezentată de apariţia ideii că o comunitate reprezintă un întreg, prin relevarea conexiunilor dintre speciile acestei comunităţi şi dintre ele şi condiţiile fizice. Astfel, Forbes (1887) afirmă că un lac este un “microcosmos” şi trebuie studiat ca un ansamblu. Clements (1916) merge chiar mai departe, făcând analogia între etapele existenţei unui individ şi etapele succesiunii ecologice care se încheie prin climax, considerând comunitatea un superorganism. Aceste analogii cuprind ideea valoroasă a intregralităţii

biocenozelor, dar exagerează similitudinile între sisteme aflate pe niveluri diferite de organizare. A apărut astfel necesitatea unei noţiuni noi, care să reflecte caracterul unitar al comunităţii, integrată cu factorii abiotici respectivi. Este definită de aceea noţiunea de ecosistem (Tansley 1935). Se impune necesitatea elaborării unui sistem de clasificare a comunităţilor. Se dezvoltă astfel descrierea şi clasificarea asociaţiilor vegetale, care sunt privite şi descrise analog speciilor (Braun-Blanquet, 1913). În acest mod ia naştere o ramură aparte a ecologiei: fitosociologia şi se elaborează un sistem complex de clasificare a asociaţiilor vegetale. II. A doua perioadă, perioada modernă, se caracterizează prin trecerea la studiul de teren şi experimental al aspectelor funcţionale ale ecosistemelor. Această trecere a fost determinată şi de faptul că în paralel cu studiile biocenologice s-a dezvoltat şi studiul populaţiilor. Primele cercetări cu caracter populaţional au apărut în domeniul social. Malthus (1798) susţinea că populaţia umană creşte în progresie geometrică în timp ce resursele alimentare cresc în progresie aritmetică. Aceste studii şi altele ulterioare referitoare la populaţia umană au fost utilizate apoi pentru populaţiile de animale. Se studiază astfel dinamica efectivelor la diferite populaţii: Elton, în 1924, arată că fluctuaţiile numerice ale unor populaţii au o anumită periodicitate. Volterra în 1926 studiază variaţia şi fluctuaţia numărului de indivizi ai speciilor dintr-o comunitate. În 1935, Gause verifică experimental teoria matematică a luptei pentru existenţă, iar Lotka, în 1934 concepe teoria analitică a asociaţiilor biologice. Se extind cercetările în domeniul geneticii populaţiilor. În evoluţionism se elaborează ideea că populaţia este obiectul selecţiei şi purtătorul material al evoluţiei. Tot în a doua perioadă de dezvoltare a ecologiei s-a studiat energetica ecosistemelor. Juday (1940) a studiat bugetul energetic al lacului Mendota (S.U.A.). S-au dezvoltat metode de estimare cantitativă a productivităţii (Boysen-Jensen 1919 pentru bentos şi Vinberg 1932 pentru măsurarea producţiei primare a planctonului). Demoll (1927) introduce noţiunea de biomasă, iar în studiul productivităţii raportul P/B (producţie/biomasă), pentru ilustrarea vitezei de reciclare a substanţelor. Dezvoltarea teoriei generale a sistemelor, apoi a ciberneticii şi a teoriei informaţiei a atras atenţia asupra problemelor organizării şi funcţionării materiei vii. S-a dovedit că toate sistemele biologice sunt organizate şi funcţionează după principii cibernetice: sunt autoreglabile şi au caracter informaţional. Reconsiderarea ecologiei prin prisma teoriei sistemice a fost făcută de zoologul american E.P.Odum. Ecologia modernă este caracterizată prin matematizarea tot mai accentuată a cercetărilor. Studiile ecologice sunt necesare pentru intervenţia raţională a omului în biosferă (Stugren, B., 1994). Studiile fenomenelor naturale ca şi cum ele ar fi izolate şi independente unele de altele, realizate până în a doua jumătate a secolului al XIX-lea au avut implicaţii practice nefaste. Cu toate că acest mod de gândire a susţinut eforturile ştiinţifice de “inventariere” a lumii, de sistematizare a cunoştinţelor astfel obţinute şi a determinat progresul acesteia într-o anumită perioadă, el s-a dovedit inadecvat realităţii şi a trebui înlocuit cu concepţia holistă a unităţii şi interconexiunilor lumii vii.

Punerea în practică a cunoştinţelor, principiilor şi conceptelor ecologiei a determinat apariţia unor numeroase discipline aplicative ca: protecţia mediului, ocrotirea monumentelor naturii, arhitectura landşaftului, agroecologia, ecologia pescuitului etc.

1.4 Istoricul ecologiei în România Începuturile ecologiei în România sunt legate de cercetările ştiinţifice din mai multe domenii biologice. Un prim domeniu este, ca şi pe plan mondial, cel al studiului covorului vegetal forestier al ţării şi al asociaţiilor vegetale. Bazele teoretice ale geobotanicii româneşti au fost puse de savantul clujean Borza (1924). Concepţia de bază a cercetărilor lui şi ale altor botanişti din ţară a fost bazată pe cea a lui Braun-Blanquet (Botnariuc, N., Vădineanu, A., 1982) În domeniul zoologiei, Racoviţă obţine rezultate importante pentru dezvoltarea ecologiei. În domeniul autecologiei au rămas clasice studiile sale cu privire la biologia cetaceelor din apele Antarcticii. Studiind viaţa din peşteri, Racoviţă întemeiază ştiinţa biospeologiei, cu un profund conţinut ecologic. Bujor studiază condiţiile de viaţă în apele suprasărate şi adaptările unor animale la aceste condiţii, iar Popovici-Bâznoşanu adaptări ale animalelor reofile (care trăiesc în apele curgătoare). Aceşti biologi pot fi consideraţi precursori ai ecologiei româneşti; întemeietorul ei este însă Antipa. El a fost elev al lui Haeckel şi a aplicat creator ideile evoluţiei în cercetările sale hidrobiologice asupra zonei inundabile şi a Deltei Dunării. Antipa pune în evidenţă procesul de autoreglare automată prin conexiune inversă negativă a nivelului apei din bălţi în raport cu nivelul apelor fluviului. Ideile lui Antipa legate de problemele funcţionării biocenozelor sunt dezvoltate în lucrarea „Organizarea generală a vieţii colective a organismelor şi a mecanismului producţiei în biosferă” (1935). Antipa arată că biocenozele reprezintă forma universală de organizare a vieţuitoarelor, deci dă o definiţie a nivelului de organizare a materiei vii. El sesizează de asemenea esenţa relaţiilor dintre individ şi biocenoză şi fenomenul de integralitate. O altă direcţie importantă de dezvoltare a preocupărilor ecologice este reprezentată de mişcarea pentru protecţia naturii. Evenimentul iniţial hotărâtor în acest sens a fost convocarea de către profesorul Popovici-Bâznoşanu, preşedintele Societăţii Naturaliştilor din România, a primului Congres al Naturaliştilor la Cluj, în 1928. În urma acestui congres şi a eforturilor susţinute ale lui Borza şi Racoviţă, în 1930 a fost promulgată prima lege pentru ocrotirea monumentelor naturii din România, a fost înfiinţată Comisia Monumentelor Naturii, iar în 1935 a fost înfiinţat Parcul Naţional Retezat. O publicaţie care a contribuit la protecţia mediului în ţara noastră a fost revista „Ocrotirea naturii”. În 1961 ecologia a fost introdusă ca disciplină de bază în învăţământul superior românesc, iar în 1965 a apărut primul manual românesc de ecologie elaborat de B. Stugren. TEMĂ DE CONTROL 1. Cine a introdus pentru prima oară termenul de ecologie? 2. Care a fost prima definiţie a acestei ştiinţe?

3. Cum se pot grupa definiţiile care au fost date ecologiei de-a lungul timpului? Daţi exemple de definiţii din fiecare grupă. 4. Care sunt conexiunile ecologiei cu alte ştiinţe? 5. Menţionaţi câteva date şi personalităţi care au contribuit esenţial la evoluţia ecologiei pe plan mondial. 6. Repere istorice şi specialişti români importanţi în evoluţia ecologiei în România.

C A P I T O LU L 2 BAZELE TEORETICE ALE ECOLOGIEI. NOŢIUNI GENERALE

2.1 Însuşirile sistemelor biologice Ecologia are ca bază conceptuală teoria sistemică, conform căreia întreaga natură, inclusiv viaţa, este reprezentată prin sisteme ierarhizate; prin urmare nici mediul nu este omogen, amorf, ci reprezintă un ansamblu de sisteme ierarhizate. Un sistem poate fi definit ca un ansamblu de elemente, identice sau diferite, unite prin conexiuni într-un întreg. Din punct de vederea al relaţiilor cu mediul, sistemele se clasifică în: sisteme izolate, care nu au schimb de materie şi energie cu mediul; astfel de sisteme nu există în natură. sisteme închise, care au doar schimburi energetice cu mediul (de exemplu un vas cu apă închis ermetic); nu există în natură, dar pot fi create artificial. sisteme deschise, care întreţin schimburi de materie şi energie cu mediul înconjurător. Sistemele biologice se deosebesc de cele nebiologice printr-o serie de însuşiri (Botnariuc, N., Vădineanu, A., 1982, Botnariuc, N., 1999): Caracterul istoric al sistemelor biologice. Pentru a înţelege structura şi funcţionarea unui sistem biologic trebuie să i se cunoască istoria, evoluţia în timp. Această caracteristică evidenţiază o alta: Dependenţa de starea iniţială şi comportamentul neliniar. Condiţia iniţială este hotărâtoare în determinarea traiectoriei pe care o va urma comportamentul sistemului. Acest comportament are caracter neliniar deoarece traiectoria dinamicii sistemelor biologice (evoluţia lor) este dependentă de condiţia iniţială; astfel, o schimbare în aparenţă neînsemnată a acestei condiţii poate determina o reacţie de mare amploare a sistemului. De aici rezultă sensibilitatea mare a sistemelor biologice la schimbările parametrilor de mediu, deci vulnerabilitatea acestora. Variabilitatea parametrilor de mediu poate determina schimbări rapide, treceri rapide, în salt, de la o stare la alta. Dependenţa de condiţia iniţială şi comportamentul neliniar fac practic imposibilă prognoza traiectoriei ce va fi urmată de sistemul biologic. Caracterul informaţional. Sistemele biologice sunt capabile să recepţioneze informaţii de la sistemele înconjurătoare (mediul ambiant biologic sau nebiologic), să le prelucreze, să le asimileze şi să le transfere altor sisteme. Informaţia fiind un mesaj alcătuit dintr-o succesiune de semnale de naturi diferite, un organism, o populaţie, pot recepţiona şi transmite informaţii pe căi fizice (sunete, culori), chimice (mirosuri, substanţe chimice din sol şi apă) sau fiziologice (comportamente, diferite gesturi sau alte activităţi). Sistemele biologice, având caracter istoric, moştenesc de la sistemele ascendente un stoc de informaţii la care se adaugă informaţia proprie, dobândită prin relaţiile proprii cu mediul. Fiecare categorie de sisteme biologice înregistrează şi transmite informaţia printr-un sistem propriu de semnale, numit cod. La indivizi de exemplu, codificarea informaţiei se realizează prin structura acizilor nucleici. Cantitatea de informaţie a unui

sistem e cu atât mai mare cu cât organizarea lui este mai avansată, cu cât el este mai complex. O importanţă deosebită are fidelitatea informaţiei recepţionate sau transmise, pentru menţinerea speciilor sau a altor categorii de sisteme biologice. Fidelitatea informaţiei, protecţia împotriva perturbărilor, este frecvent asigurată prin repetarea informaţiei, fenomen numit redundanţă. De aceea fiecare cromozom este în dublu exemplar, în fiecare celulă se repetă toată garnitura de cromozomi, în fiecare individ se repetă structura genotipului şi în fiecare specie se repetă mai mult sau mai puţin fidel patrimoniul genetic al speciei. Redundanţa excesivă este inutilă şi poate fi dăunătoare prin risipa de energie, prin supraîncărcarea canalelor de comunicaţie. De obicei însă, în ciuda acestor mecanisme, nu se realizează o fidelitate absolută, nici în recepţionarea, nici la transmiterea informaţiei. Dacă acest lucru s-ar întâmpla, el ar duce la fixitatea speciei, la rigiditate, la imposibilitatea evoluţiei. Integralitatea sistemelor biologice constă în faptul că, deşi ele sunt alcătuite din numeroase părţi componente (subsisteme), ele se comportă ca un întreg, ca un tot, faţă de factorii de mediu. Însuşirile întregului, sistemului, nu se reduc la suma însuşirilor părţilor componente ci apar trăsături noi, pe care nu le posedă nici una din părţile componente. De asemenea, părţile componente integrate într-un sistem manifestă însuşiri noi, pe care nu le manifestă în afara sistemului. Însuşirile noi ale sistemului integrator apar ca rezultat al conexiunilor între părţile lui. Integralitatea nu e la fel de dezvoltată la toate sistemele biologice; e cea mai pronunţată la organismele individuale, mai puţin pronunţată la populaţii şi cel mai puţin la biocenoze. Autoreglarea. Sistemele biologice funcţionează pe principii cibernetice, controlându-şi permanent parametrii de funcţionare. Autoreglarea se realizează prin feedback, ieşirile din sistem (sau răspunsurile) influenţând într-o măsură mai mare sau mai mică intrările. Mecanismul conexiunii inverse e redat schematic în figura 1.

Figura 1 - Mecanismul conexiunii inverse

Conexiunea inversă realizează stabilitatea sistemului biologic prin anihilarea influenţelor întâmplătoare ale diferiţilor factori perturbatori. Conexiunea inversă poate fi pozitivă sau negativă. Feed-back-ul negativ determină stabilitatea sistemului, reducând efectele perturbărilor, împiedicând depăşirea unui anumit prag al variaţiei parametrilor de stare ai sistemului. Feed-back-ul pozitiv are ca efect creşterea intrărilor, deci intensificarea efectelor, ceea ce în final ar determina autodistrugerea sistemului. În sistemele biologice conexiunea inversă pozitivă e adesea cuplată cu conexiunile inverse negative, fiind astfel împiedicată destabilizarea sistemului. În timp ce la organismele individuale există

structuri, organe specializate care asigură conexiunea inversă (organe de simţ, sistemul nervos), la sistemele supraindividuale (populaţii, biocenoze) nu există astfel de structuri, autocontrolul rezultând în mod pasiv, din organizarea complexă a sistemului. Sistemele biologice sunt sisteme cu control multiplu, de aceea sunt foarte stabile; fiecare parametru poate fi controlat şi reglat pe mai multe căi. Autoreglarea se raportează la condiţiile de mediu, ea permiţând menţinerea, supravieţuirea sistemului în condiţiile variaţiilor permanente ale factorilor de mediu. Autoreglarea dovedeşte comportamentul activ al organismului faţă de variaţiile mediului (un animal îşi alege hrana, caută sau construieşte un adăpost, evită sau se luptă cu duşmanii, îşi apără puii, alege locuri cu factori abiotici mai favorabili etc.). Deci, autoreglarea individuală sau supraindividuală este dovada că sistemele biologice nu sunt entităţi pasive care doar suportă influenţele mediului ambiant ci unele care se comportă activ prin selectarea şi chiar crearea acestor condiţii, ca urmare a activităţii pe care o desfăşoară. Însuşirile solului, chimismul apelor, compoziţia atmosferei, se datorează activităţii diferitelor organisme. Caracterul autopoietic este capacitatea sistemelor biologice de a se autoreface, fie că este vorba de regenerarea unor componente uzate, deteriorate, pierdute, fie de autoreproducere, adică de producerea unor organisme similare. Repararea AND-ului, refacerea epiteliilor, înlocuirea hematiilor, regenerarea unor organe (coada la şopârle, membre la crabi, refacerea ţesuturilor rănite) refacerea populaţiilor din puţini indivizi, restabilirea (între anumite limite) a structurii ecosistemelor deteriorate, sunt exemple de autopoieză. Acest fenomen este rezultatul capacităţii de autoorganizare a sistemelor, ca urmare a conexiunilor funcţionale dintre componentele sistemului: componentele în interacţiune sunt capabile să producă (să reproducă) aceeaşi reţea de structuri şi procese care le-a dat lor naştere. Comportamentul antientropic. Sistemele biologice întreţin permanent un schimb de substanţă şi energie cu sistemele înconjurătoare. La sistemele lipsite de viaţă aceste relaţii duc treptat la dezorganizarea sistemului, la dispariţia lui (o stâncă în contact cu mediul e treptat dezagregată, transformată în nisip şi pietriş). Conservarea sistemelor nevii depinde de izolarea lor de sistemele înconjurătoare, pe când existenţa sistemelor biologice este condiţionată de menţinerea relaţiilor energetice, materiale şi informaţionale cu mediul. Sistemele biologice au capacitatea de a transforma condiţiile de mediu în propriile lor condiţii; astfel, în timp ce unele componente ale sistemului se dezintegrează, eliberează energia, care este folosită de sistem. Se produce astfel o permanentă înlocuire a acestor componente pe seama substanţelor şi a surselor de energie exterioare sistemului. O consecinţă a acestui fapt este că în timp ce sistemele nebiologice evoluează în sensul creşterii entropiei, deci a dezorganizării lor, sistemele biologice au un comportament antientropic, ce contrazice în aparenţă legile termodinamicii clasice. Caracterul fractal al sistemelor biologice. Menţinerea sistemelor biologice depinde de fluxul permanent de energie prin sistem; în acest proces un rol important îl deţine interfaţa sistem biologic-mediu ambiant. Din geometrie este cunoscut faptul că între creşterea volumului şi creşterea suprafeţei unui corp este o disproporţie: când volumul creşte la cub, suprafaţa creşte la pătrat. Consecinţele biologice ale acestui fenomen sunt complexe. Astfel, creşterea biomasei (volumului) unui organism, implică amplificarea fluxului de energie şi a schimburilor, însă creşterea mult mai înceată a

suprafeţei devine la un moment dat un factor limitant al schimburilor, producându-se un aşa numit deficit de suprafaţă. Această problemă se poate rezolva pe două căi: prima constă în fragmentarea sau fracţionarea suprafeţei, ceea ce duce la mărirea ei faţă de biomasă. A doua cale e reprezentată de creşterea schimburilor energetice cu mediul datorită fluidizării acestuia. Fracţionarea şi deci mărirea suprafeţei se face prin apariţia de pliuri şi excrescenţe. Acest fenomen este întâlnit la toate nivelurile organizatorice: organismele pluricelulare sunt fractalizate în celule, plantele au numeroase frunze realizând o suprafaţă mai mare de contact cu mediul decât dacă ar fi reprezentate de o singură suprafaţă mare. La nivel ecosistemic, un lac de exemplu, dacă are linia de ţărm sinuoasă îi creşte interfaţa comparativ cu suprafaţa iar schimburile cu ecosistemele adiacente se amplifică. În ce priveşte fluidizarea mediului, la animalele reofile, curenţii de apă asigură un aport permanent de resurse, compensând imposibilitatea creşterii suprafeţei corpului, care trebuie să reziste la presiunea curentului. Caracterul dinamic al sistemelor biologice constă în faptul că sistemul poate exista un timp nedefinit într-o fază de relativă stabilitate sau de aşa numit echilibru dinamic. Echilibrul e numit dinamic pentru că sistemul nu se află într-o stare staţionară din două cauze: - sistemele biologice funcţionând după principii cibernetice, în interiorul lor acţionează simultan numeroase feed-back-uri prin care se produce controlul diferiţilor parametri ai sistemului şi se asigură stabilitatea acestuia. Această stabilitate care mai este denumită şi homeostazie, se asigură prin oscilaţii în jurul unei valori. - o a doua cauză e constituită de parametrii mediului care nu sunt constanţi ci oscilează periodic sau aperiodic (temperatura, lumina, umiditatea, chimismul mediului etc.). Oscilaţiile reprezintă un fenomen universal, atât în lumea lipsită de viaţă cât şi în cea biologică. Sistemele biologice, dinamice, datorită marii lor sensibilităţi au un comportament neliniar care este consecinţa a două mecanisme esenţiale: bifurcaţiile(A) şi haosul(B). A. S-a subliniat faptul că nu poate fi prevăzut comportamentul sistemelor biologice datorită neliniarităţii sale. Depinzând de condiţiile iniţiale (variabile) şi ca urmare a depăşirii unor limite de către variaţiile unor parametri esenţiali ai sistemului sau mediului, oscilaţiile sistemului se amplifică, devin aperiodice, dezordonate în aparenţă. Consecinţa acestor fluctuaţii este multitudinea de traiectorii posibile ale sistemului, fenomen numit bifurcaţie. În acest caz, traiectoria care va fi urmată este imprevizibilă. Prima bifurcaţie odată apărută poate fi urmată de alte bifurcaţii; în această stare de instabilitate, sistemul e foarte sensibil la schimbări ale parametrilor mediului. B. Amplificarea oscilaţiilor parametrilor de stare esenţiali face ca sistemul să intre într-un regim dinamic, în aparenţă dezordonat, numit haos. Dezordinea e doar aparentă însă, pentru că în sistemele dinamice se instalează un haos “determinist” în sensul că el are nişte legi proprii, pe care nu le cunoaştem încă în întregime. Starea de haos este de fapt o fază (şi un mecanism în acelaşi timp) de tranziţie către o nouă stare de echilibru dinamic (de ordine) a sistemului.

Problema stărilor de haos are o importanţă deosebită pentru cercetările ecologice, deoarece analiza sistemelor dinamice arată existenţa unor limite în monitorizarea şi prognoza stării viitoare a sistemelor supuse bifurcaţiilor şi dinamicii haotice. Sistemele biologice conţin o ierarhie de programe. Într-un sistem, trăsăturile morfologice, fiziologice, structurale, nu sunt fixe, ci se pot modifica între anumite limite. Un program poate fi definit ca fiind una dintre stările posibile pe care le poate realiza sistemul. Un sistem are numeroase programe, dar realizarea lor depinde de corelaţiile cu mediul; mai precis, se pot realiza doar acele programe pentru care există condiţii. Se pot distinge trei categorii de programe: - programe proprii sau “pentru sine”. Ele sunt reprezentate de structurile, funcţiile, comportamentele unui organism, care asigură autoconservarea acestui sistem. Exemple de astfel de programe sunt apărarea, găsirea hranei, consumul ei, digestia etc. - programe inferioare sunt programele subsistemelor sistemului dat. Pentru un organism, acestea sunt programele celulelor, ţesuturilor şi organelor componente. - programele superioare sunt reprezentate de structurile, funcţiile, comportamentele unui sistem care asigură existenţa sistemului superior, integrator. Pentru organism, aceste programe sunt cele care asigură existenţa populaţiei, speciei. Astfel, toate trăsăturile legate de reproducere reprezintă programe superioare ale organismului. Ierarhia programelor biologice duce la concluzia că programele subsistemelor sunt coordonate şi subordonate programului superior, deşi prin specificul lor reprezintă constrângeri ce influenţează modul şi limitele de realizare ale programelor superioare. Heterogenitatea. Nici un sistem biologic nu este omogen, ci e alcătuit din elemente diferite, heterogene. De exemplu autoreglarea presupune existenţa a minim două elemente diferite măcar funcţional: unul care reglează şi altul supus reglării. Toate sistemele biologice se dezvoltă, proces care duce la creşterea complexităţii şi deci a heterogenităţii lor interne. Metodele de calcul ale diversităţii interne a sistemului arată că valoarea ei maximă se realizează când părţile componente ale sistemului sunt în proporţii egale. Nici un sistem biologic real nu realizează această condiţie din cauza corelaţiilor existente între elementele componente. (De exemplu corelaţii între organe, între părinţi şi descendenţi, între populaţiile dintr-o biocenoză etc.) Aceste corelaţii duc la creşterea stabilităţii sistemului, deci există o heterogenitate optimă pentru stabilitate, care nu e neapărat heterogenitatea maximă.

2.2 Ierarhia sistemelor biologice Un sistem este alcătuit din subsisteme şi la rândul său este subsistem într-un sistem mai vast. Se formează astfel sisteme de niveluri diferite care împreună constituie o structură ierarhizată. Există mai multe categorii de ierarhii, de exemplu taxonomică şi organizatorică. Taxonomia este teoria şi practica clasificării organismelor. Sistematica se ocupă cu studiul diversităţii organismelor şi relaţiilor dintre ele, mai ales a celor filogenetice. Deci sistematica are ca problemă centrală descrierea şi denumirea tuturor organismelor (speciilor) actuale şi fosile, precum şi încadrarea lor în taxoni de diferite ranguri în cadrul ierarhiei taxonomice (clasa, regnul, specia sunt taxoni). Comparând pe bază de similaritate fenotipică şi mai rar pe baza cunoaşterii structurii genetice, distanţele

genetice între genurile unei familii cu cele din genurile altor familii, se constată că ele nu sunt nici pe departe egale. Ca urmare se impune concluzia că genurile din diferite linii filetice (ca de altfel şi alţi taxoni superiori) nu sunt nici pe departe echivalente între ele. Mai mult, dacă se compară distanţa dintre genuri, stabilită pe baza caracterelor fenotipice, se constată că nici aceste distanţe nu sunt echivalente. În consecinţă, deşi gradul de înrudire şi deci existenţa unui rang superior speciei este o realitate obiectivă, aprecierea lui de către cercetători este subiectivă, din lipsa unor criterii obiective şi datorită cunoaşterii insuficiente a realităţii. Ierarhia organizatorică este ierarhia nivelurilor de organizare ale materiei vii, a sistemelor biologice. Un n i v e l d e o r g a n i z a r e a materiei vii este un ansamblu de sisteme biologice echivalente, cu caracter de universalitate şi capabile de existenţă de sine stătătoare. Se disting următoarele niveluri de organizare: individual, populaţional (sau al speciei), al biocenozei, al biomilor şi al biosferei, integrată în ecosferă. Nivelul individual e reprezentat de organismele individuale care reprezintă forma elementară şi universală de existenţă şi organizare a vieţii. Sistemele care intră în alcătuirea unui organism constituie ierarhia somatică. În structura acestei ierarhii intră ioni, atomi, molecule, celule, organe, complexe de organe. În această ierarhie sunt integrate atât sisteme vii cât şi nevii. Astfel, n i v e l u r i l e d e i n t e g r a r e sunt reprezentate de totalitatea sistemelor atât biologice cât şi nebiologice, ierarhizate, cuprinse în structura unui organism. Procesul caracteristic al sistemelor nivelului individual este metabolismul, prin intermediul lui realizându-se schimbul de materie şi energie cu mediul. Funcţia principală a organismelor este reproducerea care asigură menţinerea speciei, sistemul superior. O altă trăsătură a organismelor este variabilitatea caracterelor genetice şi fenotipice, oferind materialul pe baza căruia acţionează selecţia. De asemenea, organismele au o existenţă în timp limitată şi capacitatea de a răspunde la variaţiile mediului. Nivelul populaţional. Populaţia este unitatea elementară a evoluţiei şi obiectul principal al selecţiei. Procesul caracteristic al populaţiilor este reprezentat de relaţiile intrapopulaţionale. Integralitatea şi autoreglarea sunt mai slab pronunţate decât la organisme iar funcţia principală este reprezentată de faptul că ele sunt verigi în transferul de materie (reciclarea substanţelor), energetic (folosirea, acumularea şi transferul de energie) şi informaţional. Nivelul biocenozelor. Biocenoza împreună cu biotopul formează un sistem mixt, ecosistemul. Acesta e sistemul supraindividual elementar capabil să asigure reciclarea substanţelor. Această însuşire este rezultatul relaţiilor interspecifice. Reciclarea substanţelor, regenerarea resurselor primare, realizarea unei producţii biologice, alături de selecţia naturală şi evoluţia populaţiilor reprezintă fenomene caracteristice nivelului biocenotic. Nivelul biomilor. Un biom este un complex de ecosisteme diferite şi are mare extindere geografică în anumite zone ale globului. Exemple de biomi sunt pădurile ecuatoriale, savana, pădurile de foioase, tundra, stepa etc.

Trăsătura caracteristică a biomului este dată de covorul vegetal cu o anumită structură taxonomică, precum şi de fauna cu o structură caracteristică. Nivelul biosferei. Biosfera este sistemul biologic global al Terrei, care prin structura sa biologică captează energia solară, o acumulează sub forma compuşilor organici, interacţionează cu scoarţa terestră şi cu alte geosfere influenţând structura acestora şi determinând fluxurile de materie (circuitele biogeochimice globale) şi energie de pe Terra. TEMĂ DE CONTROL 1. Care este teoria de bază a ecologiei? 2. Ce este un sistem? De câte tipuri pot fi sistemele; care sunt acestea? 3. În ce constă caracterul istoric al sistemelor biologice? 4. În ce constă caracterul informaţional al sistemelor biologice? 5. Ce este informaţia? Cum se asigură fidelitatea transmiterii informaţiilor? 6. Ce este integralitatea sistemelor biologice? 7. Ce sisteme au integralitate mai pronunţată? 8. Ce este autoreglarea sistemelor biologice şi cum se realizează ea? 9. Ce este caracterul autopoietic al sistemelor biologice? Exemple. 10. În ce constă caracterul antientropic al sistemelor biologice şi cum este posibilă conservarea lor în timp concomitent cu scăderea entropiei? 11. Ce este caracterul fractal al sistemelor biologice şi care sunt căile de rezolvare a problemei ridicate de deficitul de suprafaţă? 12. În ce constă caracterul dinamic al sistemelor biologice? 13. De ce este denumit echilibrul sistemelor biologice dinamic? 14. Care sunt mecanismele urmare a cărora sistemele biologice au un comportament neliniar? 15. Ce sunt programele sistemelor biologice şi de care sunt acestea? 16. Ce este heterogenitatea sistemelor biologice? 17. Ce este ierarhia organizatorică a sistemelor biologice? 18. Ce este un nivel de organizare; dar un nivel de integrare? 19. Care sunt nivelele de organizare din lumea vie şi care sunt caracteristicile lor?

C A P I TO L U L 3 ECOSISTEMUL

3.1 Generalităţi Prin ecosistem înţelegem unitatea organizatorică elementară a ecosferei, alcătuită din biotop, ocupat de o biocenoză şi capabilă de realizarea productivităţii biologice (Botnariuc, N., Vădineanu, A., 1982) Structura unui ecosistem este reprezentată de structura biotopului şi de structura biocenozei. Structura biotopului cuprinde totalitatea factorilor abiotici în dinamica lor. În structura biotopului sunt cuprinse şi relaţiile dintre aceste elemente componente, adică dintre factorii abiotici. Structura biocenozei cuprinde componenţa speciilor, proporţiile între populaţiile diferitelor specii, distribuţia lor în spaţiu, dinamica în timp precum şi relaţiile dintre specii. Structura ecosistemului mai cuprinde şi relaţiile care se stabilesc între factorii abiotici şi populaţiile biocenozei.

3.2 Biocenoza Termenul de biocenoză a fost introdus în 1877 de Möbius. El a studiat bancurile de stridii precum şi celelalte specii animale şi vegetale asociate cu ele, definind apoi biocenoza ca fiind o comunitate de organisme, ocupând un anumit teritoriu, adaptate la mediu şi unele faţă de altele, legate într-un întreg care se schimbă odată cu schimbarea numărului indivizilor unora dintre speciile componente. În spiritul concepţiei sistemice, biocenoza poate fi definită ca fiind un sistem supraindividual, reprezentând un nivel de organizare a materiei vii, alcătuit din populaţii legate teritorial şi interdependente funcţional. Interdependenţa populaţiilor din biocenoză este rezultatul evoluţiei lor în comun şi deci adaptării reciproce. Interdependenţa funcţională este cauza şi totodată efectul acumulării, transformării şi transferului de materie, energie şi informaţie. 3.2.1 Structura biocenozei Structura unui sistem cuprinde atât elementele sale componente cât şi relaţiile spaţiale şi temporale dintre ele. Drept urmare, studiul structurii unei biocenoze implică : - înregistrarea cât mai completă a speciilor componente, pe cele trei mari grupe funcţionale – producători, consumatori, descompunători. Nu toate speciile au aceeaşi importanţă în viaţa biocenozei. Unele sunt reprezentate printr-un număr mare de indivizi şi (sau) o biomasă considerabilă, altele sunt mai rare şi au deci un rol mai scăzut (sau diferit) în funcţionarea biocenozei. De aceea, pentru a avea o imagine corectă a structurii trebuie stabilite proporţiile dintre populaţii.

-

-

proporţiile dintre populaţii se exprimă atât prin numărul de indivizi cât şi prin biomasa lor, datorită faptului că organismele mici, deşi nu produc o biomasă prea mare, au o activitate metabolică relativ mai intensă decât organismele mari şi determină desfăşurarea mai rapidă a proceselor de mineralizare; organismele mari au rol mai important în acumularea de biomasă. distribuţia în spaţiu a populaţiilor şi dinamica în timp (în decurs de 24 de ore, pe sezon, pe ani etc.) a tuturor trăsăturilor structurale. Cunoaşterea exactă şi completă a structurii biocenozei este foarte importantă pentru înţelegerea funcţionării ei, precum şi pentru evaluarea cantităţii şi calităţii producţiei ei biologice. Astfel, în cadrul celor trei mari grupe funcţionale, trebuie stabilite nu numai componenţa în specii dar şi unele trăsături caracteristice ale speciilor mai importante, care prin specificul lor imprimă un anumit mod de funcţionare a biocenozei. Producţia primară nu este echivalentă în cazul unei păduri de foioase alcătuită din numeroase specii, al unei păduri monospecifice de fag sau al unei păşuni alpine. Deci, studiul structurii unei biocenoze nu implică numai cunoaşterea componenţei ei exacte ci şi a fenologiei, a unor trăsături caracteristice şi a succesiunii speciilor principale. 3.2.2 Indici structurali ai biocenozei

Pentru a exprima unele raporturi cantitative, precum şi unele relaţii de grupare între speciile unei biocenoze, se folosesc o serie de indici care permit, pe de o parte, caracterizarea mai completă a biocenozei, iar pe de altă parte permit compararea cantitativă a biocenozelor între ele. În acelaşi timp, aceşti indici reprezintă trăsături caracteristice generale ale sistemelor biocenotice, pe care populaţiile sau indivizii nu le au. Frecvenţa unei specii într-o biocenoză este proporţia (exprimată de obicei în procente) între numărul de probe conţinând specia dată şi numărul total de probe adunate în acelaşi timp. Cu cât numărul de probe va fi mai mare, cu atât valoarea obţinută va fi mai apropiată de frecvenţa reală. Abundenţa relativă a unei specii este proporţia (exprimată în procente) dintre numărul sau/şi masa indivizilor unei specii faţă de ale celorlalte specii, dintr-o probă, dintr-un număr de probe sau, preferabil, din numărul total de probe adunate în acelaşi timp. De subliniat că abundenţa e bine să fie exprimată atât prin numărul de indivizi cât şi prin biomasa lor, altfel se poate obţine o imagine deformată a structurii biocenozei şi implicit se ajunge la concluzii practice şi teoretice greşite. Abundenţa relativă a unei specii nu este întotdeauna corelată direct cu importanţa ei în funcţionarea biocenozei, în sensul că speciile cele mai abundente nu sunt întotdeauna şi cele mai importante şi invers. De exemplu, o specie de răpitor, deşi are o abundenţă relativă scăzută, este foarte importantă în controlul structurii biocenozei, pentru că realizează controlul numeric al efectivelor speciilor cu care se hrăneşte. Dominanţa este un indice prin care se exprimă influenţa uneia sau mai multor specii asupra structurii şi funcţionării biocenozei şi ecosistemului în general. Este necesară determinarea acestui indice deoarece s-a constatat că nu toate peciile au aceeaşi importanţă în menţinerea biocenozei. Unele specii, prin numărul indivizilor, prin biomasa lor, prin productivitatea lor sau prin alte activităţi au un rol esenţial în controlul biocenozei, deci în menţinerea structurii şi funcţionării ei. De exemplu într-o pădure de fag, această specie este dominantă ca număr, biomasă, spaţiu ocupat, jucând un rol

preponderent în desfăşurarea fluxului energetic şi în modificarea factorilor de mediu pentru celelalte specii componente ale biocenozei. Constanţa unei specii se exprimă de obicei în funcţie de frecvenţa ei. Speciile având frecvenţa peste 50% sunt considerate specii constante, cele cu frecvenţa cuprinsă între 25% şi 50% - specii accesorii, iar cele cu frecvenţa mai mică de 25% - specii accidentale. Fidelitatea exprimă tăria legăturilor unei specii cu alte specii ale biocenozei date. Această caracteristică este foarte importantă, deoarece ridică problema posibilităţii de a caracteriza biocenozele prin prezenţa unor specii sau a unor grupuri de specii care astfel devin indicatoare preţioase ale stării biocenozelor respective. În funcţie de fidelitate, speciile se împart în caracteristice, preferenţiale, întâmplătoare şi ubicviste (indiferente). În legătură cu s p e c i i l e c a r a c t e r i s t i ce (Pichod-Viale, D., Frontier, S., 1993), observatorii de teren au constatat încă de mult existenţa unor asociaţii regulate de grupe de specii caracteristice anumitor biocenoze. Un specialist poate afirma astfel dacă o specie sau alta sunt normale sau neobişnuite într-un sit unde au fost observate. De asemenea el poate aprecia dacă o asociaţie de mai multe specii indică o stare trecătoare sau una definitivă, sau indică un anumit caracter al mediului (de exemplu un anumit grad de degradare a sistemului, existenţa unui factor de mediu dominant sau deficitar). Aceste asociaţii sunt în general caracteristice unei asociaţii de caractere ale biotopului. Pentru anumite din situaţiile menţionate mai adecvată este utilizarea asociaţilor indicatoare în locul speciilor indicatoare. De exemplu, gradul de poluare a apelor a fost apreciat iniţial după prezenţa unei specii caracteristice (această modalitate de apreciere a calităţii apelor a fost denumită a saprobiilor). Ulterior, conform concepţiei sistemice s-a ţinut cont că grupuri de specii caracterizează starea unui sistem; afectarea unei verigi din reţeaua de legături ce conexează speciile unei biocenoze, duce la modificarea stării şi structurii întregii biocenoze. De aceea, determinarea gradului de poluare a apelor se face cu ajutorul unei histograme reprezentând numărul de specii din diferite grupe (alge, protozoare, rotiferi, crustacei, moluşte, peşti) dintr-o apă sau zonă nepoluată. Aceasta se compară cu o altă histogramă realizată pentru aceleaşi grupe de specii dar din zona poluată şi se determină diferenţa dintre numărul speciilor reprezentate în cele două cazuri. Valoarea practică a metodei constă în faptul că rezultatele pot fi prezentate cantitativ şi sunt accesibile şi unor specialişti nebiologi. Asociaţiile, dar şi speciile indicatoare sunt folosite pentru studierea reacţiei, răspunsului, ecosistemelor la diferite modificări ale mediului sau la alte tipuri de degradări antropice sau naturale. Cu ajutorul acestor specii se realizează biomonitorizarea ecosistemelor. Biomonitorizarea se utilizează pentru a înlocui sau completa monitorizarea instrumentală a ecosistemelor. Încă de acum un secol au fost folosite unele specii ca indicatori ai calităţii mediului; aşa este cazul lichenilor care au fost folosiţi primii ca specii bioindicatoare ale calităţii aerului. În prezent sunt bine puse la punct metode de utilizare a diferitelor specii de licheni ca indicatori ai populării cu dioxid de sulf. Ulterior s-au căutat alte specii indicatoare; alte specii de plante au fost utilizate ca indicatori ai poluării cu ozon, cu acid fluorhidric, cu peroxiacetil-nitraţi, cu metale grele, cu compuşi ai florului etc. Alături de plante, ca bioindicatori ai poluării se folosesc insectele, cum sunt albina-Apis mellifera pentru acid fluorhidric, sau păduchele

socului-Aphis sambucci pentru dioxid de sulf, iar dintre mamifere, şobolanul-Rattus rattus pentru dioxidul de azot. Speciile bioindicatoare mai sunt utilizate pentru a oferi şi alte informaţii legate de modificările în structura şi funcţionarea ecosistemelor; s-au utilizat în acest scop insecte, păsări, mamifere. Păsările de exemplu, sunt foarte buni bioindicatori ai schimbărilor de mediu, la care reacţionează prin modificarea compoziţiei în specii din cadrul unei biocenoze, prin modificarea comportamentului sau aspectului şi capacităţii de reproducere. Cercetarea asociaţiilor şi clasificarea lor nu e decât o etapă iniţială, mai trebuie cercetat motivul grupării şi evaluarea consecinţelor acestei grupări asupra funcţionării ecosistemului. Printre motivele grupării speciilor se pot enumera: factorii abiotici, factorii biotici şi factorul istoric. Factorii abiotici. Se grupează speciile care au aceleaşi exigenţe faţă de factorii abiotici. Biocenoza în întregul ei, cel puţin la maturitate, este considerată în fitosociologie ca “semnătura” vizibilă a unui biotop bine definit. Ca factori biotici ce influenţează gruparea speciilor sunt considerate toate interacţiunile dintre specii, directe şi indirecte. Speciile se grupează nu numai pentru că le permit factorii abiotici, dar şi pentru că asocierea le e necesară (de exemplu relaţiile de simbioză, cooperare, favorizare etc.) sau dimpotrivă, nu se asociază pentru că le este imposibil (de exemplu relaţiile de amensalism). Relaţiile menţionate sunt doar relaţii între două specii. Sunt foarte rare comunităţile în care să se fi inventariat ansamblul relaţiilor dintre specii. Aceste relaţii sunt atât de numeroase şi complexe încât inventarul lor exhaustiv este în general imposibil. Cele câteva inventarieri existente în literatura de specialitate se referă la sisteme foarte simple şi în nici un caz inventarierile nu sunt complete, adică nu merg de la bacterii la macroorganisme. De aceea se foloseşte o altă metodă, care constă în identificarea proprietăţilor globale ale ecosistemelor şi care constituie fundamentul teoriei ecosistemelor. Referitor la factorul istoric, se iau în considerare pentru a explica evenimentele şi structurile actuale, evenimentele anterioare. Aceste evenimente au acţionat asupra ecosistemului fie perioade lungi de timp, fie sporadic, în maniera impulsurilor şi bifurcaţiilor. Deci, o comunitate reflectă condiţiile ambientale, interacţiunile dintre speciile prezente dar şi istoria parcursă de această comunitate. În ce priveşte celelalte categorii de specii, grupate în funcţie de fidelitate, s p e c i i l e p r e f e r e n ţ i a l e sunt speciile care pot trăi în mai multe biocenoze dar preferă una anumită. S p e c i i l e î n t â m p l ă t o a r e sunt specii care apar într-o împrejurare sau alta în ecosisteme în care de obicei nu trăiesc. S p e c i i l e u b i c v i s t e sunt specii cu valenţe ecologice multiple, care pot exista în mai multe ecosisteme. Un alt indice structural al biocenozelor este echitabilitatea, ea exprimând modul cum este atribuită abundenţa relativă la fiecare din speciile unei biocenoze. Echitabilitatea are valoare maximă în cazul ideal în care speciile din gruparea luată în considerare sunt reprezentate prin acelaşi număr de indivizi (au aceeaşi abundenţă relativă). În condiţii naturale, abundenţa speciilor este foarte diferită, ducând la scăderea echitabilităţii.

Diversitatea unei biocenoze este legată de numărul de specii constituente. Valoarea diversităţii depinde şi de echitabilitate, deci de numărul indivizilor din fiecare specie. De exemplu diversitatea nu este aceeaşi în cazul în care cinci specii au o abundenţă relativă de 20%, comparativ cu cazul în care una din cele cinci specii are o abundenţă de 96% iar celelalte patru de 1%. În privinţa diversităţii speciilor dintr-o biocenoză se ridică două probleme: cauza ei şi semnificaţia ei biologică. Relativ la c a u z e l e creşterii biodiversităţii, Thienemann a enunţat încă de la începutul secolului nostru un principiu conform căruia, în condiţii abiotice şi biotice favorabile, numărul de specii dintr-o biocenoză este mare şi fiecare specie este reprezentată printr-un număr mic de indivizi. Din contră, în condiţii severe, numărul speciilor scade şi creşte numărul de indivizi din speciile respective. Există de asemenea un gradient general al condiţiilor, de la cele severe către cele favorabile, gradient însoţit de creşterea numărului speciilor. Într-adevăr, s-a observat că numărul speciilor din diferite grupe de plante şi animale creşte de la nord spre sud (în emisfera nordică). S-a pus în evidenţă de asemenea şi existenţa altor gradienţi: altitudinal, iar în unele cazuri şi longitudinal. Mai există şi un gradient temporal, mai exact, pe parcursul succesiunii ecosistemelor, de la unele simple, juvenile, spre cele mature, complexe, diversitatea creşte în timp. Mai mulţi factori pot contribui la creşterea diversităţii: - heterogenitatea spaţială a biotopilor care determină diversitatea mare a habitatelor - stabilitatea condiţiilor abiotice favorabile, fără variaţii mari ale temperaturii, umidităţii, cantităţii de nutrienţi (în zonele ecuatoriale de exemplu). Dacă însă sunt stabile condiţiile s e v e r e de mediu (zone deşertice, lacuri hipersaline), diversitatea e scăzută pentru că puţine specii pot rezista în aceste condiţii. - structura învelişului vegetal influenţează diversitatea consumatorilor de diferite ordine - competiţia între speciile aceluiaşi nivel trofic determină specializarea acestora şi oferă posibilitatea creşterii diversităţii - productivitatea mare a biocenozelor este echivalentă cu o cantitate mare de hrană disponibilă pentru un număr mare de specii În explicarea diversităţii trebuie ţinut cont şi de un alt factor, evidenţiat de Whittaker (1975) care afirma că “diversitatea naşte diversitate”. Astfel, un mediu fizic cu relief accidentat duce la diversificarea condiţiilor abiotice (temperatură, umiditate, lumină, vânt, cantitate de nutrienţi, pH etc.). Datorită acestor condiţii variate de mediu, apare o vegetaţie variată, care oferă la rândul ei habitate variate pentru numeroase specii. Arborii de exemplu oferă surse de hrană pentru specii care consumă rădăcini, scoarţă, lemn, frunze, flori, fructe etc. şi în acelaşi timp stratificarea vegetaţiei într-o pădure determină apariţia unor modificări verticale în variaţia factorilor fizici (temperatura, umiditatea etc.). De asemenea orice specie nou apărută în biocenoză, utilizează resurse care erau disponibile, dar creează şi noi posibilităţi de hrană pentru alte specii. Apare astfel un fel de conexiune inversă pozitivă: diversitatea ridicată determină în continuare o creştere şi mai rapidă a acesteia. Pentru a analiza care este limita maximă la care poate ajunge biodiversitatea trebuie mai întâi clarificată noţiunea de nişă ecologică.

Orice populaţie a unui ecosistem ocupă o porţiune a biotopului care reprezintă habitatul populaţiei respective, sau locul ei de trai. Populaţia desfăşoară o activitate în ecosistem, îndeplinind un anumit rol, o anumită funcţie în transferurile de materie şi energie ale ecosistemului, ceea ce reprezintă nişa ei ecologică. Mai simplu spus, habitatul este “a d r e s a” unei populaţii, iar nişa ecologică “o c u p a ţ i a” ei. În general se admite că o populaţie ocupă o nişă într-o biocenoză, şi că două populaţii care trăiesc în condiţiile aceleiaşi nişe nu pot coexista multă vreme, ci una dintre ele va fi eliminată. Se menţionează în acest context că expresia frecvent utilizată de “nişă liberă” implică ideea că într-un anumit ecosistem există la un moment dat o nişă liberă pe care o specie nouă vine şi o ocupă. În acest caz nişa e confundată cu habitatul. Ea nu există anterior venirii speciei, ci este c r e a t ă de specie după pătrunderea ei în ecosistem, nişa fiind rezultatul activităţii acesteia. În ceea ce priveşte creşterea diversităţii, este clar că aceasta este însoţită de îngustarea nişelor ecologice şi scăderea numărului de indivizi din fiecare specie. Acest număr poate scădea până la un anumit prag, sub care apar dificultăţi în întâlnirea sexelor şi deci în reproducere, în menţinerea teritoriului, în rezistenţa faţă de duşmani. Deci creşterea biodiversităţii are o limită obiectivă, nu poate avea loc la nesfârşit. În legătură cu relaţia o specie – o nişă ecologică trebuie făcute câteva precizări: deseori o specie ocupă în diversele sale stadii de dezvoltare mai multe nişe ecologice. De exemplu un fluture în stadiul de ou nu consumă nutrienţi, dar este sursă de hrană pentru ciuperci sau pentru paraziţi ai ouălor, în stadiul de omidă consumă frunze şi e consumat de diverşi prădători (păianjeni, păsări) sau paraziţi, stadiul de pupă e din nou pasiv, iar în cel de adult consumă polen şi polenizează flori. Mai mult decât atât, diferenţierea nişelor se poate face şi pe sexe în cadrul aceleiaşi populaţii. La multe specii de Culicidae (ţânţari), femelele se hrănesc cu sângele nevertebratelor iar masculii consumă lichide de origine vegetală. Această segregare a nişelor ocupate de fiecare populaţie este o modalitate de a evita riscurile cauzate de scăderea numărului de indivizi ca urmare a îngustării nişelor şi în consecinţă o modalitate de creştere în continuare a diversităţii. O altă modalitate de evitare a riscurilor legate de scăderea numărului de indivizi este ruperea unor corelaţii şi creşterea gradului de independenţă a unor populaţii. Exemple în acest sens sunt înmulţirea agamă a unor specii vegetale (care astfel nu mai depind de polenizatori) sau înmulţirea partenogenetică la multe animale (care permite evitarea dificultăţii întâlnirii sexelor). În ce priveşte s e m n i f i c a ţ i a b i o l o g i c ă a diversităţii, trebuie menţionat în primul rând faptul că o anumită diversitate funcţională e o condiţie a însăşi existenţei unui sistem biologic. În al doilea rând, diversitatea formelor vieţii în fiecare nivel trofic permite sporirea intrărilor de energie şi folosirea eficientă a unor resurse variate. Interacţiunea dintre specii permite evoluţia organizării biocenozei, a autocontrolului ecosistemului care astfel devine mai rezistent la perturbări. Creşterea diversităţii are ca rezultat creşterea complexităţii legăturilor dintre specii ceea ce determină realizarea unui control multiplu reciproc şi creşterea stabilităţii ecosistemelor. TEMĂ DE CONTROL

1. Ce este ecosistemul? 2. Ce cuprinde structura biotopului? Dar a biocenozei? 3. Cine a introdus pentru prima dată termenul de biocenoză? 4. Definiţi biocenoza 5. Ce presupune studiul unei biocenoze? 6. De ce este necesară cunoaşterea (studiul) biocenozei? 7. Ce sunt indicii structurali ai biocenozelor şi care este utilitatea lor? 8. Ce este frecvenţa unei specii? 9. Ce este abundenţa relativă? 10. Ce este dominanţa ? 11. Ce este constanţa şi cum se pot grupa speciile în funcţie de ea? 12. Ce este fidelitate aşi cum se clasifică speciile în funcţie de fidelitate? 13. Care este importanţa speciilor caracteristice? 14. Ce este fitosociologia, care a fost evoluţia ei şi ce importanţă prezintă astăzi? 15. Ce este climaxul? 16. Care sunt motivele care determină gruparea (asocierea) speciilor? 17. Ce este echitabilitatea? 18. Ce este diversitatea unei biocenoze? 19. Care sunt cauzele care determină creşterea biodiversităţii unei biocenoze? 20. Ce este nişa ecologică? 21. Care sunt limitele până la care poate creşte biodiversitatea? 22. Care este semnificaţia ecologică a biodiversităţii şi importanţa ei practică?

3.3 Populaţiile 3.3.1 Generalităţi În cadrul biocenozelor speciile sunt reprezentate de populaţii. Populaţia este o unitate organizatorică complexă, prin care o specie este reprezentată în fiecare din ecosistemele incluse în arealul său. În cadrul populaţiei, indivizii componenţi sunt diferenţiaţi din punct de vedere fenotipic (polifenism) şi genetic (polimorfism) în grupări de indivizi între care se stabilesc relaţii care asigură integralitatea şi elaborarea mecanismelor de autocontrol (Botnariuc, N., Vădineanu, A., 1982). Efectivul de indivizi al unei populaţii este distribuit pe categorii de indivizi diferenţiate şi distribuite într-un mod caracteristic în spaţiu, reflectând heterogenitatea mediului şi un anumit tip de relaţii intrapopulaţionale. Pentru aceste categorii de indivizi, ratele cu care se desfăşoară fluxul de energie şi sunt reciclate elementele, sunt diferenţiate. Schema simplificată a unui ecosistem se reduce de fapt la relaţiile unei populaţii cu diferite componente biotice şi abiotice ale ecosistemelor care o integrează (figura 2).

Figura 2 - Relaţiile unei populaţii cu elementele componente ale ecosistemului integrator (după Bodnariuc, N., Vădineanu, A., 1982)

În concepţie sistemică, trăsăturile structurale şi funcţionale care definesc populaţia în timp sunt considerate parametri de stare, iar valorile pe care le iau aceşti parametri – variabile de stare. Ca parametri de stare sunt folosite următoarele trăsături structurale şi funcţionale: mărimea populaţiei, distribuţia în spaţiu a indivizilor, structura pe vârste, structura genetică, precum şi energia acumulată şi energia cheltuită pentru menţinere. 3.3.2 Mărimea populaţiei Mărimea populaţiei este principalul parametru de stare structural ce caracterizează orice populaţie naturală. Mărimea populaţiilor naturale fluctuează în general în limite largi, cu ritmuri diferite, fiind cel mai sensibil parametru de stare la modificările presiunii mediului. Cel mai frecvent, efectivul populaţiilor naturale se exprimă ca număr de indivizi raportat la unitatea de volum sau suprafaţă a ecosistemului care integrează populaţia dată. Acest mod de exprimare reprezintă unitatea de măsură cel mai frecvent folosită în ecologie şi cunoscută sub numele de densitate absolută. De cele mai multe ori nu e suficient să se exprime mărimea populaţiilor numai prin densitatea numerică. Sunt populaţii care realizează densităţi numerice mici, dar care acumulează o cantitate de materie organică sau energie mare. Trebuie deci luată în considerare şi biomasa, nu numai numărul de indivizi. Există metode practice diferite pentru estimarea mărimii populaţiei. Determinarea se poate face prin: - numărarea tuturor indivizilor unei populaţii. Este ideală în ce priveşte gradul de precizie, dar nu poate fi aplicată decât în cazul câtorva specii (plante, păsări sau animale cu comportament teritorial). - prelevarea de probe; această metodă variază după cum este vorba de specii vegetale, de specii de animale cu mobilitate ridicată sau specii de animale cu mobilitate scăzută.

Determinarea mărimii unei populaţii la un moment dat nu e suficientă, deoarece populaţia este un sistem complex, dinamic, supus permanent unei presiuni variabile din partea mediului şi ca urmare, efectivul variază mereu în cadrul unui domeniu de stabilitate. Populaţia îşi reînnoieşte permanent elementele componente (indivizii) prin procese care asigură intrările şi respectiv ieşirile. Aceste procese sunt reprezentate schematic în figura 3. “Intrările” sunt reprezentate de imigrare şi natalitate iar “ieşirile” de mortalitate şi emigrare. Dacă rata intrărilor de indivizi este mai mare decât rata ieşirilor, pentru intervalul în care această relaţie se păstrează, mărimea populaţiei va creşte şi invers. Fenomenul este complex, pentru că fiecare din procesele menţionate se desfăşoară cu viteze diferite şi pentru că la anumite populaţii naturale (cu mobilitate scăzută) intrarea şi ieşirea indivizilor se realizează preponderent prin natalitate şi mortalitate; la altele, cel puţin în anumite perioade, echilibrul dinamic se realizează prin imigrare şi emigrare. La alte populaţii, deşi imigrarea şi emigrarea sunt masive, nu contribuie la variaţia efectivului populaţiei deoarece se compensează reciproc.

Figura 3 - Procese care determină fluctuaţiile efectivului unei populaţii (după Botnariuc, N., Vădineanu, A.,1982)

Natalitatea este un termen care defineşte un proces amplu ce include producerea de noi indivizi prin naştere, ecloziune, germinare sau diviziune. În legătură cu reproducerea ca program superior al indivizilor, menit să asigure perpetuarea populaţiei ca sistem superior, se diferenţiază două aspecte: f e c u n d i t a t e a, prin care se înţelege capacitatea potenţială, fizică, a unei populaţii în ce priveşte reproducerea. f e r t i l i t a t e a, care exprimă măsura în care capacitatea fizică se concretizează în indivizi viabili introduşi în populaţie. Deci rata natalităţii este egală cu rata fertilităţii şi exprimă numărul de indivizi introduşi în populaţie de o femelă în unitatea de timp stabilită. Rata natalităţii variază în timp în funcţie de presiunile mediului în general (mai ales în funcţie de cantitatea şi calitatea hranei), de densitatea populaţiei respective sau a populaţiilor competitoare. De asemenea, rata natalităţii variază în funcţie de structura populaţiei pe vârste, pentru aceleaşi condiţii de mediu. Mortalitatea este procesul de eliminare de indivizi din populaţie, prin moarte fiziologică precum şi datorită prădătorilor, bolilor sau altor factori aleatori. Se poate vorbi de longevitate fiziologică, care este echivalentă cu durata ciclului de dezvoltare şi de longevitate ecologică, care exprimă longevitatea medie, realizată în condiţii de mediu date. La fel ca în cazul ratei natalităţii, şi rata mortalităţii depinde de presiunea mediului şi se diferenţiază în raport cu structura pe vârste a populaţiei. Influenţa factorilor de mediu asupra efectivelor populaţiilor se poate exprima sintetic printr-un aşa numit “tabel de viaţă”. Se poate reprezenta grafic, cu ajutorul datelor din acest tabel “curba supravieţuirii”. În abscisă se trece vârsta, iar în ordonată

numărul de indivizi care au supravieţuit la diferite vârste. Aceste curbe evidenţiază particularităţile fiecărei vârste în ceea ce priveşte rezistenţa la presiunea mediului. Curbele de supravieţuire cunoscute pentru diferite populaţii sunt de cinci tipuri (figura 4): I. curbe pentru populaţii la care rata mortalităţii este scăzută până la ultimul stadiu, apoi creşte brusc II. mortalitatea creşte cu o rată constantă în raport cu vârsta III. mortalitatea se menţine constantă la toate vârstele, determinând o curbă de supravieţuire liniară IV. rata mortalităţii este crescută la stadii juvenile şi descreşte cu o rată constantă pe măsură ce se înaintează în vârstă, curba de supravieţuire fiind uşor concavă. V. mortalitatea are o rată mare la stadiile tinere, după care scade rapid la un nivel relativ constant.

Figura 4 -Tipurile de curbe teoretice de supravieţuire pentru diferite populaţii (după Botnariuc, N., Vădineanu, A.,1982)

Figura 5 - Forma generală a curbei de supravieţuire pentru populaţiile naturale (după Botnariuc, N., Vădineanu, A.,1982)

În mod obişnuit, populaţiile naturale de animale şi plante au curbe de supravieţuire care se aseamănă cu o combinaţie a celor cinci tipuri teoretice menţionate (figura 5). Stadiile tinere au, în general, o rată a mortalităţii crescută (indivizii sunt mici, fără experienţă, vulnerabili) care se reduce la o valoare constantă în cazul adulţilor şi creşte iarăşi în ultimele stadii ale ciclului de dezvoltare. Cunoaşterea curbelor de supravieţuire la populaţiile naturale are i m p o r t a n ţ ă p r a c t i c ă pentru că ne arată care sunt stadiile vulnerabile, sensibile la presiunea mediului. Astfel se pot stabili factorii de mediu faţă de care vulnerabilitatea este mai mare pentru ca aceştia să fie controlaţi astfel încât să crească rata mortalităţii dacă e vorba de o populaţie de dăunători sau să se reducă, dacă populaţia respectivă are valoare economică. Curba de supravieţuire este un element indispensabil în activităţile de control biologic şi de amenajare şi exploatare raţională a populaţiilor.

3.3.3 Distribuţia în spaţiu Distribuţia în spaţiu este un parametru de stare important, deoarece modalitatea în care o populaţie este distribuită în spaţiul delimitat de graniţele unui ecosistem influenţează considerabil valoarea densităţii ecologice (număr de indivizi / unitate de spaţiu locuit). Populaţiile naturale vegetale şi animale pot avea o distribuţie spaţială întâmplătoare, uniformă sau grupată. Distribuţia este întâmplătoare atunci când poziţia în spaţiu a fiecărui individ este independentă de a celorlalţi indivizi. Acest mod de distribuţie este rar întâlnit datorită relaţiilor indivizilor cu factorii abiotici sau cu ceilalţi indivizi. În cazul unei populaţii cu efectiv numeric mare, ocupând un spaţiu restrâns şi ai cărei indivizi au o mare mobilitate se poate considera că fiecare individ se poate afla în oricare punct din spaţiu, deci se poate vorbi de o distribuţie întâmplătoare. Dacă indivizii unei populaţii sunt distribuiţi la distanţe egale între ei, se consideră că acea populaţie are distribuţie uniformă. Acest tip de distribuţie poate fi întâlnit la populaţiile la care există comportamentul de teritorialitate. Relaţiile complexe intra şi interpopulaţionale, precum şi relaţiile cu factorii abiotici determină cel mai adesea o distribuţie grupată. Distribuţia spaţială a unei populaţii are o anumită semnificaţie ecologică. Astfel, distribuţia grupată poate indica: - o viaţă socială dezvoltată - un anumit comportament legat de reproducere - transportul orientat al seminţelor, pontei sau indivizilor în primele stadii de dezvoltare - un comportament colectiv de apărare şi căutare a hranei - faptul că indivizii evită zonele în care valoarea factorilor de mediu se îndepărtează de optim - gruparea mai poate fi determinată de competiţia dintre diferite populaţii naturale pentru asigurarea necesităţilor energetice, asociată cu heterogenitatea mediului, astfel încât populaţiile să ocupe zonele care le avantajează. În aprecierea concretă a tipului de distribuţie apar dificultăţi datorită faptului că mărimea, forma şi modul de prelevare a unităţilor de probă pot influenţa serios determinarea. 3.3.4 Structura pe vârste Structura pe vârste este un parametru structural şi este definită de numărul claselor de vârstă, de amplitudinea acestora şi de distribuţia efectivului populaţiei pe clase de vârstă. Numărul şi amplitudinea claselor de vârstă variază într-un domeniu foarte larg, de la 1-3 zile pentru bacterii, până la 60-100 de ani la mamifere sau arbori. În general se admit pentru simplificare trei vârste ecologice: prereproductivă, reproductivă şi postreproductivă. Având în vedere că, în raport cu structura pe vârste, sunt diferenţiate ratele cu care se desfăşoară procesele metabolice, sensibilitatea la presiunea mediului şi fecunditatea, mai ales la speciile cu ciclul de dezvoltare mai mare de doi-trei ani, trebuie diferenţiate mai multe clase de vârstă. Durata ciclului de

dezvoltare şi în consecinţă a fiecărei clase de vârstă variază în cadrul aceleiaşi specii de la o populaţie la alta şi în cadrul aceleiaşi populaţii în timp, în funcţie de valorile pe care le iau o serie de factori de mediu cum ar fi temperatura, umiditatea, presiunea sau sursa de energie. Vârsta se determină după numărul de inele diferenţiabile la solzi în cazul peştilor, sau la cochilie în cazul bivalvelor, după dimensiunea capsulei cefalice la chironomide, după greutatea cristalinului la iepure, sau după numărul inelelor de creştere la arbori. Determinarea vârstei şi numărului de indivizi dintr-o probă va permite estimarea mărimii populaţiei şi respectiv distribuţia indivizilor pe clase de vârstă la diferite momente în timp. Distribuţia indivizilor pe clase de vârstă se reprezintă grafic (figura 6) plasându-se pe ordonată clasele de vârstă cu amplitudinea corespunzătoare, iar pe abscisă proporţia de indivizi caracteristică fiecărei vârste.

Figura 6 - Tipurile principale de piramide ale vârstelor (după Botnariuc, N., Vădineanu, A.,1982) I. proporţia de indivizi tineri e mare II. proporţia de indivizi tineri e medie III.proporţia de indivizi tineri e mică

Se obţin astfel piramidele vârstelor care aproximează de obicei trei tipuri de bază. Populaţia I are tendinţa de creştere rapidă a efectivului, populaţia II se află în stare de echilibru staţionar iar efectivul populaţiei III se reduce. În cazul populaţiilor ale căror generaţii nu se suprapun, (la fiecare moment dat, întregul efectiv aparţine unei singure clase de vârstă) sau în cazul populaţiilor la care vârsta e foarte dificil de determinat, se poate înlocui distribuţia pe clase de vârstă cu distribuţia pe clase de dimensiuni. 3.3.5 Structura genetică Polimorfismul genetic este un parametru reprezentat de categoriile de indivizi diferenţiabili din punct de vedere genotipic şi de distribuţia frecvenţelor în cadrul acestor categorii. Structura genetică şi mai ales modificarea sa în timp reprezintă principala cale de estimare cantitativă a ratei transformărilor adaptative şi a posibilităţilor de răspuns a populaţiilor naturale la modificările presiunii mediului. Se întâmpină încă mari dificultăţi în folosirea sa ca parametru de stare în cercetările ecologice, datorită bazei materiale necesare, a volumului mare de muncă implicat şi a lipsei de personal specializat. Din aceste cauze, în ce priveşte determinarea structurii genetice a populaţiilor naturale, în toate studiile ecologice, ea a fost redusă la stabilirea structurii pe sexe a populaţiei.

Diferenţierea pe sexe a indivizilor componenţi ai majorităţii populaţiilor naturale reprezintă una din expresiile polimorfismului genetic cu semnificaţie importantă în caracterizarea din punct de vedere ecologic şi evolutiv a acestora. Pentru caracterizarea dinamicii mărimii populaţiei este necesar să se cunoască proporţia de reprezentare a sexelor (raportul sexelor) şi dacă acest raport se menţine constant sau se modifică în timp în favoarea sau în detrimentul femelelor (aceasta deoarece rata intrărilor de indivizi în populaţie prin reproducere depinde de numărul de femele şi de prolificitatea acestora). La majoritatea organismelor superioare, dimorfismul sexual se bazează pe diferenţierea genetică şi morfologică a unei singure perechi de cromozomi. În condiţii normale, atât cromozomul X, cât şi cromozomul Y conţin gene care represează genele ce conferă o anumită orientare în producerea unui tip de gameţi, realizându-se astfel un raport al sexelor echilibrat, de 1 la 1. Acest raport, în cadrul populaţiilor naturale se poate modifica pe parcursul ciclului de dezvoltare datorită diferenţierii morfo-fiziologice şi în consecinţă a sensibilităţii lor diferite la presiunea exercitată de mediu. La unele specii de organisme inferioare sexul este determinat genic, mecanism de determinare caracterizat prin labilitate în raport cu o serie de factori de mediu (la amfibieni, amfipode). La acestea, în funcţie de modificarea mediului, raportul sexelor fluctuează în limite largi. Practic, raportul sexelor se determină cu ajutorul unităţilor de probă în care se separă morfologic indivizii celor două sexe.

3.4 Strategii demografice În nişa sa ecologică populaţia unei specii se confruntă cu condiţii de mediu care pot fi stabile sau fluctuante, cu resurse alimentare diverse (diversitate ce depinde de diversitatea mediului), se mai confruntă cu alte specii concurente, cu variate cauze de mortalitate (prădători, paraziţi, boli microbiene) sau cu inhibiţii determinate de specii amensale. Dacă reuşeşte să facă faţă acestor presiuni externe, specia supravieţuieşte. Supravieţuirea este condiţionată de două elemente: - arealul de repartiţie al speciei trebuie să fie suficient de întins iar procentul de difuziune suficient de mare pentru a fi posibilă o repopulare dintr-un punct în altul prin migrare (uneori speciile au mecanisme de supravieţuire – de exemplu protecţie împotriva unui prădător – care le permit menţinerea de mici comunităţi locale numite rezerve, care vor permite repopularea ulterioară). - existenţa unei concordanţe între rata natalităţii şi rata mortalităţii Cea de-a doua condiţie de supravieţuire a unei specii stă la baza unei clasificări a speciilor în funcţie de strategia lor în succedarea generaţiilor, denumită strategie demografică (Frontier, S., Pichod-Viale, D., 1993). În general, speciile din aceeaşi categorie taxonomică se înşiruie conform unui gradient al strategiei demografice, de la strategia r la strategia K (r este coeficientul de creştere numerică exponenţial, caracteristic începutului creşterii numerice a populaţiilor, iar K este biomasa finală la care ajunge o specie). Strategia demografică de tip r. Această strategie caracterizează speciile care se impun în ecosistem prin marea lor viteză de înmulţire. Populaţiile respective sunt specializate în colonizarea unor resurse, fie că este vorba de resurse alimentare fie de un spaţiu disponibil (de aceea se numesc şi specii oportuniste). Aceste specii sunt în puternică competiţie între ele şi selecţia se va face pe baza unei maximizări a lui r :

populaţia care îşi va creşte cel mai repede efectivul, va acapara resursa. Mecanismele care determină creşterea lui r sunt variate, reprezentând adaptări la mortalităţi masive: descendenţe numeroase, precocitatea maturităţii sexuale, număr ridicat de reproduceri în cursul vieţii. Accelerarea demografiei se face mult mai adesea prin creşterea numărului de generaţii în unitatea de timp decât prin creşterea numărului de indivizi la fiecare reproducere. Speciile cu strategie r admit o mortalitate ridicată, căreia îi răspund prin explozii demografice. Ele îşi reglează fecunditatea deoarece nu pot controla cauzele mortalităţii, care cel mai adesea sunt externe. Calea cea mai rapidă pentru creşterea ratei natalităţii la o populaţie constă în micşorarea vârstei maturităţii sexuale. Dacă reproducerea intervine devreme, diversele cauze ale mortalităţii nu au avut încă timp să se exercite din plin şi numărul de reproducători este mare. Deci, r-selecţia va favoriza populaţiile cu maturitate precoce, reproducere unică în viaţă (forme semelpare) şi speranţă de viaţă scăzută a adulţilor; are loc o apropiere a generaţiilor, ceea ce îl creşte şi mai mult pe r. Uneori totuşi, selecţia a favorizat forme cu mai multe reproduceri în timpul vieţii (forme iteropare) ceea ce constituie o garanţie împotriva dispariţiei populaţiei respective din cauza instabilităţii condiţiilor climatice sau datorită insuficienţei hranei în momentul apariţiei descendenţilor. În acest caz, mai multe reproduceri în timpul vieţii reprezintă un avantaj. Populaţiile cu strategie de tip r prezintă anumite caracteristici: - sunt populaţii în expansiune, limitate doar de epuizarea resursei pe care o colonizează sau de o modificare a mediului în care trăiesc (modificarea substratului, acumularea unei substanţe toxice etc.) - o mare parte a energiei asimilate este folosită pentru reproducere - populaţiile cu strategie r fiind în competiţie puternică, numărul lor este mic şi diversitatea biocenozei din care fac parte este scăzută - ele au în teritoriul pe care îl ocupă o densitate foarte fluctuantă: prezintă perioade de multiplicare intensă, urmate de perioade de mortalitate masivă ce reflectă de exemplu aporturi sporadice ale unei resurse, urmate de consum rapid - plantele cu strategie de tip r risipesc energie, apă şi alte resurse (de exemplu azot); ele realizează producţii ridicate. Coeficientul de transpiraţie al buruienilor de exemplu, este de ordinul miilor. Raportul P/B (raportul între producţia primară brută şi biomasă) este ridicat, iar viteza de recirculare a materiei e mare, ceea ce înseamnă că rata de refacere a biomasei este ridicată şi că se cheltuieşte multă energie pentru menţinerea în viaţă a unei cantităţi date de materie - în general, populaţiile cu strategie de tip r sunt populaţii pioniere care colonizează noi biotopuri sau recolonizează biotopuri perturbate. Sunt specii robuste, tolerante, puţin specializate, ce pot coloniza medii dificile şi se pot adapta la puternice fluctuaţii ale mediului. În acelaşi timp, ele modifică rapid mediul, putând să schimbe textura substratului, să-l îmbogăţească în materie organică. Speciile vegetale din această categorie sunt la originea primului humus. Strategia demografică de tip K. Criteriul de selecţie în acest caz este stabilizarea biomasei la valoarea sa maximă K. Deoarece astfel de specii nu se înmulţesc intens, ele folosesc mecanisme de stabilizare, de protejare a biomasei. Populaţiile acestor specii sunt bine adaptate la mediu şi la sistemele din care fac parte. Sunt specii ce trăiesc în nişe ecologice înguste, specii cu grad înalt de specializare. Caracteristicile demografice sunt

opuse celor ale populaţiilor de tip r, adică numărul de descendenţi şi frecvenţa reproducerilor sunt scăzute, compensate de mecanisme de protecţie a puilor şi tinerilor de exemplu. Densitatea numerică e stabilă şi competiţia reciprocă între astfel de specii este scăzută, deoarece ele nu necesită aceleaşi resurse. Mai exact, numeroase specii cu strategie de tip K modifică prin activitatea lor mediul, făcându-l impropriu pentru alte specii (uneori de exemplu, elimină toxine, stabilind cu celelalte specii relaţii antagonice). Astfel, speciile acaparează totalitatea resurselor fără să se reproducă intens. În acelaşi timp realizează şi economie de resurse şi energie. În acest mod, speciile K, deşi apar mai târziu în succesiunea ecologică, reuşesc să înlocuiască speciile r, speciile pioniere. Acestea rămân întotdeauna în număr mic în biocenoză, în “rezervă”, în eventualitatea degradării biotopului sau a necesităţii unei colonizări. Ele sunt ţinute la un nivel scăzut de densitate numerică de acţiunea antagonistă a speciilor K. La speciile K, mortalitatea juvenilă este scăzută, iar speranţa de viaţă şi longevitatea ridicate. A fost menţionat faptul că aceste specii economisesc energie; astfel, o mare parte din energia asimilată este folosită pentru realizarea şi întreţinerea mecanismelor de protecţie (realizarea de deplasări, de rezerve în vederea sezoanelor nefavorabile; apar comportamente complexe, deseori sociale, printre care comportamentul de protecţie al puilor etc.). Energia folosită astfel este însă mai mică decât cea necesară intensei sinteze de biomasă. Natalitatea şi mortalitatea fiind scăzute, biomasa este traversată de un slab flux de energie; raportul P/B e scăzut iar viteza de reciclare a substanţelor e mică. Speciile K se instalează numai după ce speciile pioniere le-au creat anumite condiţii, adică în ecosisteme evoluate, mature. Aceste specii sunt în general specializate, puţin tolerante faţă de fluctuaţiile factorilor abiotici, având nevoie în consecinţă de un mediu stabil. Nu există doar specii cu strategii demografice tipice, r sau K. Există un gradient de trecere de la strategiile r la cele K şi uneori chiar la aceeaşi specie tendinţa r şi tendinţa K pot alterna în funcţie de mediu. Cea mai bună modalitate de determinare a tipului de strategie demografică constă în stabilirea raportului dintre energia consacrată reproducerii şi energia totală asimilată. De exemplu: - la graminee, raportul între greutatea inflorescenţei şi greutatea întregii plante este materializarea gradientului r – K. - la păsări, unele specii fac câţi pui pot să hrănească şi din numărul total, unii mor datorită condiţiilor nefavorabile de mediu. Alte specii fac mai puţini pui decât pot să hrănească, dar mediul e stabil şi speranţa de viaţă a puilor este mare; aceste specii au strategie de tip K. - la unele specii de şopârle se înregistrează un paradox aparent: speciile cu strategie de tip r populează zone caracterizate prin calm meteorologic şi specii cu strategie demografică de tip K populează zone deşertice sau cu pluviometrie neregulată. Explicaţia constă în faptul că în zonele dificile sunt mai puţini prădători, şi ca urmare şopârlele cu strategie de tip K îşi pot permite să aibă mai puţini descendenţi, având în schimb dezvoltate mecanisme de rezistenţă la îngheţ sau la lipsa apei.

-

la mamifere şi păsări se observă reacţii bioetologice la variaţia resurselor alimentare şi a condiţiilor de viaţă în general. Astfel, rata natalităţii scade când hrana e insuficientă şi creşte când aceasta redevine îndestulătoare. De asemenea, în cazul unor prelevări importante din populaţie, creşte rata natalităţii (la populaţiile de delfini exploatate industrial de exemplu, intervalul dintre două naşteri a scăzut în 30 de ani de la patru la doi ani (Botnariuc, N., 1999) TEMĂ DE CONTROL

1. Definiţi populaţia 2. Care sunt relaţiile pe care le stabileşte populaţia cu celelalte elemente componente (biotice şi abiotice) ale ecosistemului? 3. Ce sunt parametrii de stare ai populaţiilor? Dar variabilele de stare? 4. Care sunt parametrii de stare ai populaţiilor? 5. Ce este mărimea populaţiei şi cum fluctuează ea? 6. Care este unitatea de măsură a populaţiei? 7. Care sunt metodele de determinare a efectivului unei populaţii? 8. Care sunt “intrările” şi “ieşirile” dintr-o populaţie şi cum influenţează ele mărimea acesteia? 9. Definiţi natalitatea, fecunditatea, fertilitatea, mortalitatea şi factorii care le influenţează 10. Ce este tabelul de viaţă? Dar curba de supravieţuire? 11. De câte tipuri pot fi curbele de supravieţuire şi care este importanţa lor practică? 12. Ce este densitatea ecologică? 13. Care sunt tipurile de distribuţie în spaşiu a indivizilor unei populaţii? 14. Care sunt posibilele caize ale unei distribuţii grupate? 15. Ce este structura pe vârste a populaţiei? 16. Care sunt vârstele ecologice ale indivizilor unei populaţii? De ce se diferenţiază mai multe clase de vârstă? 17. Cum se determină vârsta la diferite specii? 18. Ce sunt piramidele vârstelor şi de câte tipuri? 19. Când se poate înlocui distribuţia pe calse de vârstă cu distribuţia pe clase de dimensiuni? 20. Care este importanţa structurii genetice a populaţiilor şi cum se determină ea? 21. La ce se reduce studiul structurii genetice a populaţiilor în studiile ecologice? 22. Determinarea sexelor la organismele superioare şi inferioare 23. Ce sunt strategiile demografice şi de câte tipuri pot fi ele? 24. Care sunt caracteristicile strategiei demografice de tip r? 25. Care sunt caracteristicile strategiei demografice de tip K? 26. Cum se poate determina tipul de strategie demografică a unei populaţii?

3.5 Biotopul 3.5.1 Generalităţi Cercetarea structurii biotopului presupune studiul cantitativ şi calitativ, în timp şi spaţiu a elementelor structurale ale biotopului, şi anume a factorilor geografici, mecanici,

fizici şi chimici. Variaţia în spaţiu este reprezentată de gradientul biotopului dat, iar variaţia în timp reprezintă dinamica acestuia. Variaţia factorilor poate fi periodică, cu o anumită amplitudine, deci poate avea caracter de r e g i m, sau această variaţie poate fi neregulată, cu amplitudini mari, la intervale diferite, deci poate avea caracter p e r t u r b a t o r. Efectele ecologice ale acestor două tipuri de variaţii sunt şi ele diferite: efectul variaţiilor cu caracter de regim este adaptarea, iar variaţiile neregulate şi de marea amploare care depăşesc limitele intervalelor de toleranţă ale factorilor ecologici au ca efect eliminarea unui număr mare de indivizi din una sau mai multe populaţii. In afară de aceste efecte directe ale variaţiei factorilor abiotici, apar şi efecte indirecte: adaptarea unei populaţii atrage după sine prin intermediul relaţiilor interspecifice modificări ale altor populaţii, adică evoluţia lor corelată. Reducerea numărului de indivizi sub o anumită limită, determină dispariţia populaţiei căreia îi aparţin, ceea ce duce la restructurări ale ecosistemului, iar dacă populaţia se reface, genotipul speciei va fi unul nou, astfel încât ecosistemul va fi iarăşi modificat. O importanţă ecologică deosebită o au factorii fizici: temperatura, lumina, apa şi umiditatea, vântul. Variaţia acestor factori depinde de radiaţia solară, de atmosfera pământului, de suprafaţa terestră şi de interacţiunile care se realizează între aceste elemente. Studiul fenomenelor care se produc în atmosferă şi la interacţiunea dintre aceasta şi suprafaţa terestră e realizat de meteorologie (Marcu,M., 1983). Denumirea provine din limba greacă, “meteoron” însemnând fenomen care se produce în aer, iar “logos”, cunoaştere, vorbire, descriere. Influenţe hotărâtoare asupra biocenozelor, asupra “viului” în cadrul ecosistemelor au atât v r e m e a sau timpul, cât şi c l i m a . Vremea (sau timpul) este starea atmosferei la un moment dat, determinată de complexul proceselor şi fenomenelor atmosferice şi e caracterizată de totalitatea elementelor ecologice sau meteorologice. Clima este regimul multianual al vremii, ce caracterizează o anumită regiune geografică. Datorită faptului că este direct afectat de fenomenele meteorologice, omul a fost preocupat de mersul vremii din totdeauna. Primii observatori şi comentatori ai fenomenelor din atmosferă au fost agricultorii, crescătorii de vite şi marinarii. În timp, observaţiile s-au înmulţit şi au început să fie consemnate (Apostol, L., 2000). În secolul IV î.e.n. Aristotel a publicat un tratat intitulat “Meteorologhia” în care autorul descrie şi explică unele fenomene care au loc în atmosferă, cum ar fi haloul, curcubeul etc. De starea vremii şi de climă s-au mai ocupat şi Hiparch, cel mai mare astronom al antichităţii, precum şi Strabo, Pitagora, Euclid, Ptolemeu, Seneca, Pliniu cel Bătrân. Unii navigatori renumiţi au contribuit şi ei la progresul meteorologiei; Columb a furnizat informaţii necesare cunoaşterii alizeelor, Vasco da Gama a musonului indian. Primele observaţii meteorologice sistematice sunt cunoscute din secolul al XIVlea (la Driby, în Anglia). O dată cu progresul tehnicii s-au inventat diverse instrumente de măsură a fenomenelor atmosferice sau a factorilor meteorologici. După apariţia termometrului şi barometrului, în 1653 este realizată prima reţea meteorologică, alcătuită din 7 staţii meteorologice, la Toscana, în nordul Italiei. În 1720, la Florenţa, s-a înfiinţat “Academia experienţei”, care trimitea în diverse oraşe ale Europei (Bologna, Parma, Insbruk, Paris, Varşovia) instrucţiuni şi tabele pentru

efectuarea observaţiilor şi notarea datelor legate de presiune, temperatură, umiditate, vânt, aspectul cerului. Pentru a asigura comparabilitatea datelor meteorologice la scară mondială este însă necesar ca în toate ţările să se obţină aceste date după o metodă unică, cu acelaşi tip de aparate şi concomitent. În a doua jumătate a secolului al XVIII-lea au fost organizate primele observaţii meteorologice regulate, acesta fiind considerat şi momentul apariţiei meteorologiei ca ştiinţă. Observaţii sistematice s-au realizat în Germania în 1780, la Petersburg în 1722, la Praga în 1752, în Franţa în 1856. Începutul colaborării internaţionale s-a făcut în a doua jumătate a secolului al XIX-lea. Primul congres internaţional meteorologic a avut loc la Viena în 1873 şi tot atunci au fost puse bazele Organizaţiei Meteorologice Internaţională (O.M.I.) cu sarcina de a coordona activitatea reţelei de staţii meteorologice din lume. Aceasta a funcţionat până în 1951 când a luat fiinţă actuala Organizaţie Meteorologică Mondială (O.M.M.), în cadrul Organizaţiei Naţiunilor Unite (O.N.U.). Din 5 în 5 ani au loc congrese meteorologice mondiale, cu care ocazie se alege şi comitetul executiv şi preşedintele O.M.M. În 1960 s-a hotărât ca 23 septembrie să fie “Ziua meteorologică mondială”. O.M.M. are sediul la Geneva şi din ea fac parte 182 de state. Activitatea organizaţiei este structurată în 4 mari programe: “Veghea meteorologică mondială”, „Programul de cercetări privind atmosfera globală”, “Programul privind interacţiunea om-mediu” şi “Programe de cooperare tehnică”. În cadrul acestor programe se realizează normele de organizare, dotare şi funcţionare a staţiilor meteorologice, cooperarea între cele 182 de state afiliate, schimbul de informaţii meteorologice necesare prognozelor, aplicarea rezultatelor cercetării meteorologice în diferite sectoare ale activităţii economice, stimularea activităţii ştiinţifice. Principala sarcină a O.M.M. este de a organiza serviciul mondial meteorologic, de a realiza colaborarea tuturor ţărilor la difuzarea prognozei timpului conform unei anumite scheme. În România, cele mai vechi însemnări legate de vreme datează din secolul al XVlea, existând diferite documente şi cronici (a lui Grigore Ureche de exemplu), care menţionează fenomene meteorologice neobişnuite, cum ar fi grindina, ninsorile abundente şi viscolele, ploi torenţiale, inundaţii etc. Primele observaţii instrumentale se fac în secolul al XVIII-lea; la Iaşi, un medic militar rus, Lerche, face măsurători ale temperaturii (1770-1772). Alte observaţii se fac la Cluj (1833-1845) la Sibiu (1789-1791 şi 1798-1827), la Bucureşti (1773) şi începând cu 1836 observaţii legate de temperatură, presiune şi vânt de către profesorul Petrache Poenaru şi de medicii Iuliu Barach şi Carol Davila. Ulterior, Gh. Asachi, I. Cihac, P.Poni, T. Stamate fac la Iaşi înregistrări meteorologice mai complexe. Primele staţii meteo în care se fac observaţii sistematice apar la noi în ţară în secolul XIX, la Sibiu (1851), Bucureşti (1857), Sulina (1859), Giurgiu (1863), Bistriţa (1864). Ca urmare a Congresului internaţional de la Viena (1873), în perioada 1880-1882 s-au înfiinţat noi staţii la Timişoara, Odorhei, Satu Mare, Alba Iulia, Petroşani, Iaşi, Galaţi, Brăila, Arad, Ocna Şugatag, Feldioara. În 1884 se înfiinţează Institutul Meteorologic Central al României, condus până în 1907 de Ştefan Hepites care a coordonat primele observaţii sistematice în principalele porturi dunărene, a publicat analele Institutului Meteorologic şi Buletinul lunar al observaţiilor meteorologice. După primul război mondial institutul este reorganizat, fiind condus de E. Oteteleşianu, care a fost preocupat în primul rând de prevederea vremii. Ca

urmare a fost înfiinţat serviciul sinoptic care prognozează pentru prima dată starea vremii în România pentru 24 şi 36 de ore. În 1961 a fost schimbat numărul şi programul observaţiilor de la trei la patru, la orele 1, 7, 13 şi 19. Din acelaşi an, datele meteo curente din reţeaua meteorologică naţională se publică în anuarul meteorologic. Din 1970 denumirea institutului devine Institutul Naţional de Meteorologie şi Hidrologie (I.N.M.H.) în cadrul căruia există secţii de Fizica atmosferei, Meteorologie sinoptică, Agrometeorologie, Actinometrie, Climatologie, Instrumente meteorologice. Există de asemenea laboratoare de specialitate dotate cu aparatură şi mijloace tehnice moderne (radar meteo, staţie de recepţie a datelor transmise de sateliţii meteo, echipament pentru schimbul de date şi informaţii pe plan naţional şi internaţional). În prezent, în ţara noastră funcţionează 180 staţii meteo şi 306 posturi pluviometrice, grupate în 7 Centre Regionale Meteorologice. Există şi o reţea de 15 staţii meteo automate, 4 observatoare aerologice şi staţii meteorologice pe cele 17 aeroporturi ale ţării. 3.5.2 Atmosfera Obiectul de studiu al meteorologiei îl constituie atmosfera care a fost atent analizată până în prezent, dar ale cărei caracteristici nu sunt încă pe deplin cunoscute, datorită dimensiunilor sale şi complexităţii fenomenelor de ansamblu care au loc în cadrul ei. Atmosfera este învelişul gazos al planetei noastre, menţinut în jurul ei de forţa de atracţie terestră. Numele său este de origine greacă şi derivă din atmos – gaz şi sphaira – sferă. Atmosfera este constituită dintr-o masă de aer de 5.10 18 kg, din care 80% este conţinută în primii 10 km de la suprafaţa pământului. Privită din spaţiu, atmosfera apare ca o aureolă a pământului, de culoare albastră. Stratul inferior, mai dens, al atmosferei are formă de elipsoid, ca şi Pământul, dar e mai bombat la ecuator şi mai turtit la poli decât acesta. Aceasta deoarece aerul are o densitate mult mai mică decât litosfera. Bombarea mai accentuată a atmosferei la ecuator se datorează şi încălzirii puternice a aerului din această zonă, astfel încât acesta se dilată şi apar puternice mişcări ascendente verticale (mişcări convective). Forma stratului inferior al atmosferei (troposferei) se modifică în 24 de ore sau de la iarnă la vară în funcţie de încălzirea sau răcirea diferenţiată a aerului. De asemenea, învelişul gazos al pământului este supus atracţiei gravitaţionale şi prezintă fenomenul de maree (flux şi reflux). Forma straturilor superioare nu mai este eliptică. În 1960, Fesencov a emis ipoteza că atmosfera are formă de pară, cu partea turtită îndreptată spre soare şi cu cea alungită către partea opusă. Această formă a fost confirmată de cercetările efectuate cu ajutorul sateliţilor meteorologici şi este datorată “vântului solar”(reprezentat de un flux de protoni şi electroni emis continuu de soare). Cu excepţia planetei Mercur, celelalte planete au şi ele un înveliş gazos, care este diferit de cel al Pământului. Atomi şi molecule ale diferitelor gaze plutesc şi în spaţiul cosmic (interplanetar). Legat de originea învelişului gazos al planetelor s-au emis diferite ipoteze. Una din ipoteze susţine că învelişul gazos respectiv ar fi rezultat din atomii şi moleculele de gaze şi particulele fine de materie cosmică din spaţiul cosmic, concentrate în jurul

planetelor datorită forţei de gravitaţie a acestora. O altă ipoteză susţine că atmosferele planetelor ar reprezenta reziduurile masei gazoase ce alcătuia nebuloasa iniţială, care prin concentrare a dat naştere planetelor. Altă ipoteză consideră că în urma răcirii planetelor au fost emise diferite gaze care au format atmosfera acestora. Toate aceste ipoteze sunt diferite, decurgând din ipotezele privitoare la înseşi modul de formare a planetelor (Posea, G., Armaş,I., 1998). Atmosfera terestră a rezultat în urma unui proces îndelungat de evoluţie, care a durat peste 4 miliarde de ani, proces corelat cu evoluţia celorlalte învelişuri ale Pământului: litosfera, hidrosfera, biosfera. Compoziţia chimică a atmosferei. Atmosfera este un amestec de diferite gaze; proporţia cea mai ridicată o au oxigenul şi azotul care însumează împreună peste 99% (tabelul 1). Proporţia gazelor componente ale atmosferei Tabelul 1 gazul Azot Argon Dioxid de carbon Neon Heliu Kripton

proporţia 78,09% 0,93% 0,03% 1,8·10-3 5,2·10-4 1,0·10-4

gazul Oxigen Hidrogen Xenon Ozon Radon

proporţia 20,95% 5,0·10-4 8,0·10-6 1,0·10-6 6·10 -18

În cantităţi foarte mici se mai întâlnesc şi alte gaze cum sunt: xenonul, ozonul, radonul, metanul, amoniacul, oxidul de azot, dioxidul de azot. Această compoziţie a fost determinată pentru prima dată de Lavoisier. Unele dintre gazele aflate în cantităţi reduse iau naştere datorită proceselor fotochimice din atmosferă (ozonul), proceselor biologice (metanul) sau emanaţiilor din interiorul scoarţei terestre. Oxigenul şi azotul, gazele principale din atmosferă joacă un rol important în viaţa plantelor şi animalelor. Proporţia lor în atmosferă este aproape constantă. Oxigenul este foarte activ din punct de vedere chimic în cadrul proceselor de oxidare, fie că este vorba de oxidare rapidă, ca în cazul arderilor, fie că este vorba de oxidare lentă, în cazul proceselor de alterare. Între geosferele Terrei şi atmosferă există un permanent flux de oxigen; el duce la menţinerea unei cantităţi relativ constante de oxigen în atmosferă. Prin fotosinteză se eliberează în atmosferă oxigen, care este consumat aproape în întregime, în procesele de respiraţie şi descompunere a materiei organice. Astfel, întreaga cantitate de oxigen din atmosferă se ciclează prin intermediul biosferei, o dată la 6000 de ani. Oxigenul mai este eliberat în atmosferă şi prin procesul de fixare a carbonului în sedimentele marine. Dacă nu ar avea loc un consum echivalent de oxigen din atmosferă prin alterare, atunci cantitatea de oxigen din atmosferă s-ar dubla în 4 milioane de ani. Proporţia azotului rămâne aproximativ constantă datorită inerţiei sale. Importanţa azotului e dată de faptul că deşi nu întreţine arderea şi nu poate fi asimilat direct din aer decât de un număr mic de plante şi microorganisme din sol, el moderează acţiunea oxigenului şi asigură desfăşurarea normală a proceselor vitale. În lipsa azotului, oxigenul

e nerespirabil. Oxizii de azot rezultaţi în urma descărcărilor electrice şi ajunşi în sol odată cu precipitaţiile, îmbogăţesc conţinutul de compuşi azotaţi din sol. Dintre celelalte gaze componente ale atmosferei care au proporţii reduse, mai importante sunt dioxidul de carbon şi ozonul. Dioxidul de carbon absoarbe radiaţiile cu lungime de undă mare (roşii şi infraroşii), emise de suprafaţa terestră şi de atmosferă, menţinând căldura în atmosfera inferioară şi diminuând răcirea radiativă nocturnă a Pământului. O scădere a cantităţii de dioxid de carbon din atmosferă ar determina o răcire a climei, o extindere a gheţarilor şi o diminuare a nivelului oceanului planetar. Dacă dioxidul de carbon ar lipsi total din atmosferă, temperatura medie la nivel global ar scădea la –23oC. Cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă este determinată de ciclul biologic, de arderile combustibililor fosili, de procesele de alterare şi sedimentare, de procesele de descompunere, de erupţiile vulcanice etc. Trecerea dioxidului de carbon din biosferă în atmosferă şi invers este rapidă. Aproximativ o zecime din cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă este transferată către biosferă în fiecare an. Din cauza creşterii cantităţii de dioxid de carbon în perioada industrializării, a apărut aşa-numitul efect de seră, ca urmare a proprietăţilor acestui gaz, menţionate anterior. Efectul de seră este un fenomen ce are drept consecinţă modificări climatice la scară mondială. În condiţii normale, dioxidul de carbon este consumat de plante şi în procesul de transformare a silicaţilor din scoarţa terestră în carbonaţi şi oxizi; de asemenea, apa mărilor şi oceanelor are un rol regulator al cantităţii de dioxid de carbon din atmosferă, dar acest rol este îndeplinit doar între anumite limite ale cantităţii de dioxid de carbon. În funcţie de factorii generatori, consumatori şi de reglaj, cantitatea de dioxid de carbon variază în spaţiu şi timp, fiind mai mică ziua decât noaptea, mai mare iarna decât vara şi mai mare deasupra oceanelor decât deasupra uscatului. În centrele industriale cantitatea de dioxid de carbon din aer ajunge până la 0,07%. Ozonul este singurul gaz din atmosferă care absoarbe radiaţiile solare ultraviolete, constituind astfel un ecran protector împotriva acţiunii nocive a acestor radiaţii asupra tuturor organismelor vii de pe Terra. Geneza ozonului presupune realizarea procesului de disociere a moleculei de oxigen în doi atomi de oxigen şi apoi combinarea acestor atomi liberi cu alte molecule de oxigen. Acest proces este reversibil. Ozonul este răspândit în atmosferă până la înălţimea de aproximativ 50 km, prezentând o concentraţie mai mare la înălţimea de 20-30 km şi de 50-55 km. În partea inferioară, atmosfera este mai bogată în ozon în zonele în care temperatura este mai scăzută, deoarece acest gaz este foarte instabil la temperaturi ridicate. De aceea ozonul se află în cantităţi mai ridicate la munte comparativ cu marea, sau în regiunile polare comparativ cu cele ecuatoriale. În condiţiile aerului rarefiat din atmosfera superioară, el ocupă un volum important, dar la temperatura de 0o C şi presiunea de 760 mm coloană de mercur, grosimea totală a stratului de ozon este doar de câţiva milimetri. Cantitatea de ozon care adus la 0o C şi 760 mm coloană de mercur este egală cu un strat cu o grosime de un milimetru reprezintă o unitate Dobson. Deci, grosimea stratului de ozon se măsoară în unităţi Dobson. În fiecare an o gaură se creează în stratul de ozon deasupra Antarcticii. În noiembrie ea se închide, dar devine de la an la an mai mare. Procesul de formare a găurii

se desfăşoară astfel: moleculele de cloroflorocarbonaţi ajung în stratosferă, unde întâlnesc ozon, clor şi dioxid de azot, care în condiţii normale se echilibrează reciproc. La poli, în condiţii meteorologice extreme (-100oC, vânturi puternice), dioxidul de azot fixat de cristalele de gheaţă formează acid azotic şi nu mai poate neutraliza clorul. Acesta, alături de clorul din cloroflorocarbonaţi, sub influenţa radiaţiilor solare, distruge moleculele de ozon. Astfel, cloroflorocarbonaţii agravează efectele naturale ale frigului. Gaura în stratul de ozon se micşorează când căldura provenită de la tropice creşte, scăldând ozonul întrun strat de aer proaspăt, ceea ce permite ozonului să se refacă. O moleculă de cloroflocarbonaţi poate rămâne şi acţiona în atmosferă mai mult timp. Celelalte gaze componente ale atmosferei nu prezintă importanţă meteorologică. In afară de gaze, în atmosferă se găsesc şi vapori de apă în proporţii variabile (0,01% în Siberia, 1,3% vara şi 0,4% iarna în zonele temperate şi 5% la ecuator). De asemenea, cantitatea de apă din atmosferă este mai mare deasupra oceanelor, mărilor, pădurilor şi mai redusă deasupra continentelor, în regiunile aride şi semiaride. Cantitatea de apă mai variază şi în timp, sezonier şi diurn. Vaporii de apă absorb selectiv radiaţia solară şi terestră cu lungimi de undă mari şi reglementează astfel procesele de încălzire şi răcire a aerului. Atmosfera conţine şi impurităţi, de natură gazoasă, solidă sau lichidă. Cele gazoase sunt reprezentate de compuşi chimici de origine naturală sau industrială cum sunt dioxidul de sulf, anhidrida sulfurică, monoxidul de carbon, hidrocarburi, oxizi de azot. Impurităţile lichide şi solide formează aerosoli atmosferici. Aceste impurităţi de dimensiuni foarte mici pot fi naturale sau artificiale (praf, particule minerale şi vegetale, nisipuri şi argile, microorganisme, microcristale minerale sau cenuşă, ciment, coloranţi, oxizi, praf metalurgic - pentru aerosolii solizi, sau acid sulfuric, acid clorhidric, mercur pentru aerosolii lichizi). Aerul este mai bogat în impurităţi în zonele industriale. Impurităţile modifică transparenţa şi vizibilitatea, iar unele dintre ele constituie nuclee de condensare (cele cu însuşiri higroscopice). Impurităţile au rol şi în procesul de încălzire şi răcire a aerului atmosferic. Se mai poate menţiona prezenţa în atmosferă a impurităţilor radioactive şi a particulelor încărcate (ioni). Această compoziţie a atmosferei se menţine până la 80-90 km. Peste această înălţime se intensifică disocierea moleculelor (la 130 km, proporţia oxigenului molecular se reduce la 25%). Azotul molecular se disociază doar de la 200 km altitudine. De la 500 km în sus aerul este foarte rarefiat, fiind alcătuit mai ales din atomii uşori ai hidrogenului şi heliului, iar de la câteva zeci de mii de kilometri în sus, compoziţia atmosferei este asemănătoare cu cea din spaţiul interplanetar. Legat de această variaţie pe verticală a compoziţiei chimice a atmosferei (Strahler, A., 1973) , s-a realizat o separare a unui strat inferior, denumit homosferă, gros de aproximativ 90 km, cu compoziţia chimică uniformă în ceea ce priveşte proporţiile gazelor componente şi heterosfera, formată la rândul ei din alte 4 straturi gazoase. Primul este format din azot molecular şi se întinde până la 200 km, al doilea este format mai ales din oxigen atomic şi ajunge la 1100 km. Al treilea strat e format din atomi de heliu şi ajunge la 3500 km iar al patrulea este stratul de hidrogen atomic a cărui limită superioară coincide cu a atmosferei. Aici densitatea atomilor de hidrogen este aproape aceeaşi cu a spaţiului interplanetar, dar atomii de hidrogen se învârtesc în jurul pământului (figura 8).

Structura fizică a atmosferei. Structura atmosferei se apreciază după modul cum variază în interiorul ei temperatura, presiunea, densitatea, umiditatea etc. Dacă aceşti parametri ar fi constanţi, atmosfera ar fi considerată un mediu omogen, însă ei variază. Astfel, temperatura scade de la sol până la 11 km înălţime, cu aproximativ 0,6 o C la suta de metri. După 11 km, temperatura rămâne aproape constantă până la 18-35 km. Apoi temperatura creşte până la 50 km, unde are valoarea aproximativ egală cu cea de la sol. Peste 50 km, temperatura scade iar, înregistrând un minim la 80 km. După 80 km temperatura creşte continuu. Pe baza acestei variaţii a temperaturii se consideră că atmosfera este alcătuită din cinci straturi distincte: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera şi exosfera (figura7).

Figura 7 - Structura verticală a atmosferei, cu cele 5 straturi componente (după Strahler, A., 1973)

Troposfera – înălţimea ei variază cu latitudinea şi anotimpul: în regiunile ecuatoriale are 19m km, în cele polare: 8 km. Valoarea medie în zona temperată este de 12 km. Înălţimea troposferei mai diferă cu anotimpul, fiind mai mare în timpul verii (datorită temperaturilor ridicate) şi mai redusă iarna; înălţimea mai este influenţată şi de presiune, ea fiind mai mare în zonele cu presiune ridicată şi mai mică în zonele cu presiune redusă. Temperatura scade (conform gradientului termic care este de 0,6 oC la 100 m) ajungând la valori de -80 oC deasupra ecuatorului, de -54oC deasupra zonelor temperate şi de -50o C deasupra polilor. Această variaţie a temperaturii se datorează grosimii variabile a atmosferei, care înregistrează un maxim deasupra ecuatorului. La latitudinea de 45o, înălţimea tropopauzei este de 12,5 km în ianuarie şi de 15 km în iulie. De asemenea se menţionează că troposfera este cu aproximativ 10 oC mai rece în emisfera sudică comparativ cu troposfera în emisfera nordică. Se înregistrează de asemenea, mai ales în zonele inferioare ale troposferei, cazuri de inversiuni termice sau de izotermie. În troposferă e concentrată cea mai mare parte din masa totală a atmosferei (peste 80%) şi în primii kilometri densitatea şi presiunea (figura 8) aerului scad foarte rapid. Densitatea medie a aerului în acest strat este ρ0=1,293 kg.m-3.

Troposfera conţine 90% din vaporii de apă ai întregii atmosfere (mai exact în primii 5 km); aici au loc treceri ale apei de la o fază de agregare la alta, se formează norii, ceaţa, precipitaţiile. Tot în troposfera inferioară se găsesc şi impurităţile minerale şi vegetale. Particulele de praf sunt foarte uşoare, fiind reţinute în aer şi de cei mai slabi curenţi de aer. Ele îşi au originea în deşerturile uscate, pe plaje, funduri de lacuri sau din erupţii vulcanice. Vânturile puternice care bat deasupra oceanelor ridică în aer picături mici de spumă. Acestea, prin evaporare, lasă ca reziduuri mici cristale de sare care sunt ridicate la mari înălţimi în aer. O altă sursă importantă de praf stratosferic e reprezentată de incendiile de pădure. Deoarece în troposferă e concentrată cea mai mare parte a masei atmosferice, a vaporilor de apă şi a nucleelor de condensare, precum şi deoarece odată cu încălzirea şi răcirea suprafeţei terestre aici au loc cele mai complexe mişcări ale aerului, se poate afirma că acest strat este sediul celor mai importante fenomene meteorologice (de unde şi denumirea stratului: tropos înseamnă agitat). Tropopauza este un strat de tranziţie între troposferă şi stratosferă, cu o grosime de 1000-2000 de metri. Temperatura ei este aceeaşi cu a troposferei superioare şi rămâne relativ constantă. Tropopauza este un strat ondulat, cu înălţimi ce se schimbă de la o zi la alta, ba chiar de la o oră la alta, şi de la o zonă la alta. În tropopauză se semnalează şi existenţa unor curenţi foarte puternici şi rapizi, cu viteze între 100 şi 300 km·h-1, care se numesc curenţi fulger sau jet-stream (figura 8). Aceşti curenţi au lungimi de mii de kilometri, lăţimi de 300-500 kilometri, dar grosimi de numai câţiva kilometri. Curenţii fulger pot pătrunde şi în partea superioară a troposferei şi în partea inferioară a stratosferei. Ei pot fi comparaţi cu nişte fluvii uriaşe care produc omogenizarea termică a atmosferei înalte (vezi şi subcap. 3.5.11).

Figura 8 - Curenţii jet (după Pidwirny, M., 2002)

Stratosfera. Se întinde până la 35-50 km. Temperatura este constantă (aproximativ -54oC, -56oC) doar în partea de jos a stratosferei, unde este o concentraţie mai omogenă de ozon. Către partea superioară a stratosferei, temperaturile urcă treptat, ajungând la 0oC. Troposfera influenţează stratosfera aşa cum suprafaţa pământului influenţează troposfera. Procesele din troposferă se extind şi în stratosferă. La 20 km, densitatea ρ=0,087 kg.m-3. Volumul său reprezintă 2% din total, iar masa o cincime din masa întregii atmosfere. Există puţini vapori, apa se găseşte doar sub formă de cristale de gheaţă care formează nori sidefii. Aceştia sunt vizibili pe înserat, la latitudini mari. Biosfera, reprezentată prin spori, polen, bacterii etc., ajunge până la 25 km, adică până la altitudinea unde organismele sunt protejate împotriva radiaţiilor ultraviolete. Stratopauza este caracterizată printr-o temperatură aproximativ constantă şi o densitate din ce în ce mai scăzută. Mezosfera se întinde de la 50 la 80 km. Mezosfera este un strat intermediar între zonele dense şi cele rarefiate. Densitatea este de o mie de ori mai mică decât la suprafaţa pământului. Temperatura scade de la 0oC la –70o –90 o C. Mezopauza se află la circa 80-85 km altitudine şi face trecerea la termosferă. Este considerată partea cea mai rece a atmosferei. Presiunea aerului în mezopauză este de 200 de ori mai scăzută decât la suprafaţa solului. De la ea în jos se află 99,5% din masa atmosferei întregi. La nivelul acestui strat se formează aşa-numiţii nori argintii, luminoşi noaptea, formaţi din pulberile cosmice foarte fine, în jurul cărora sublimează vaporii de apă foarte rari care mai ajung până la această înălţime. Pe particulele acestor nori difuzează radiaţiile albastre şi indigo. Termosfera se întinde de la 80 la 500 km. Temperatura ajunge la valori foarte ridicate, de 2000 o – 3000o C. La această înălţime aprecierea temperaturii se face prin metode spectrometrice. Lăţimea anumitor benzi spectrale ale aurorelor polare, ce se produc în termosferă poate da indicaţii asupra temperaturii la înălţimea respectivă. S-a determinat că în partea inferioară a termosferei temperatura are valori de 50-150oC, la 200-250 km este de 500-700oC, iar la 400-500 km temperatura ajunge la 2000 oC. Temperatura foarte ridicată din termosferă este determinată nu numai de absorbţia radiaţiilor solare cu undă scurtă, dar şi de interacţiunea electronilor liberi cu câmpul magnetic al Terrei. Între 70 şi 150 km, azotul molecular şi oxigenul atomic îşi pierd electronii sub influenţa radiaţiilor ultraviolete, a radiaţiilor X, a radiaţiei corpusculare solare sau a radiaţiilor cosmice, devenind ioni pozitivi. Electronii rămaşi liberi, împreună cu atomii neutri se transformă în ioni negativi. Ionizarea aerului se produce la valori mai ridicate ale intensităţii radiaţiilor, de exemplu în cazul erupţiilor solare. Se formează astfel mai multe straturi ionizate care alcătuiesc ionosfera (figura 8). S-au identificat patru straturi ionice, denumite convenţional D(70-90km), E(90130 km) precum şi F şi G (200-500km). Primul este cel mai slab ionizat, ultimul cel mai puternic. Între suprafaţa terestră şi ionosferă undele radio sunt reflectate repetat, ceea ce face posibile transmisiile radio la distanţe mari. La limita superioară a termosferei, un km3 de aer cântăreşte 9 g, iar la 220 km, presiunea aerului este de un miliard de ori mai scăzută decât la nivelul solului. În termosfera inferioară sunetul nu se mai propagă datorită rarefierii aerului; peste 170 km nu se mai aude deloc.

Exosfera ţine de la 500 km până la limita superioară a atmosferei. De la 500 la 1000 km temperatura scade, apoi creşte până la 2000-3000o C. În exosferă se produc aurore polare. Troposfera şi stratosfera formează atmosfera inferioară, iar celelalte straturi, atmosfera superioară. Înălţimea atmosferei e dificil de determinat, datorită rarefierii treptate a aerului cu înălţimea. Limita superioară a atmosferei nu este clar delimitată, ea trecând treptat în gazul interplanentar. Limita teoretică a atmosferei e considerată a fi zona unde forţa centripetă a Pământului şi forţa centrifugă ce acţionează asupra moleculelor gazoase, se echilibrează. Această limită s-ar afla la câteva zeci de mii de km de suprafaţa pământului. Observaţiile efectuate cu ajutorul sateliţilor artificiali şi al navelor cosmice au arătat că limita reală a atmosferei se află la o distanţă chiar mai mare decât limita teoretică, deoarece particulele gazoase sunt încărcate electric şi prin urmare menţinute la foarte mare distanţă de suprafaţa terestră de câmpul magnetic terestru şi nu de forţa gravitaţională. Magnetosfera Câmpul magnetic al Pământului este asemănător celui al unei bare magnetice, înclinată cu câteva grade faţă de axa geografică a Pământului. Câmpul magnetic terestru se extinde în exteriorul Pământului până dincolo de atmosferă, la aproximativ 64 000 - 640 000 km, formând magnetosfera; marginea exterioară a magnetosferei, unde intensitatea câmpului magnetic devine nulă se numeşte magnetopauză (Posea, G., Armaş, I., 1998). Magnetosfera funcţionează ca o capcană magnetică ce captează şi concentrează particulele venite de la soare sau din cosmos; magnetosfera redistribuie apoi aceste particule într-un alt mod, în general sub forma unor centuri de radiaţii. Magnetosfera intră în contact direct cu vântul solar, care este un flux de gaz ionizat, emis neîntrerupt de soare, format din protoni, electroni şi atomi. Acest flux loveşte magnetosfera cu mari viteze (250-1000 km·s-1), formând un front de şoc şi împingând-o pe aceasta spre Pământ, pe partea luminată de soare (până la 64 000 km). Ca urmare, pe partea luminată de soare, câmpul magnetic este intensificat. În partea opusă, magnetosfera se lungeşte sub forma unei cozi uriaşe, până la 640 000 km (figura 9).

Figura 9 - Magnetosfera şi magnetopauza deformate de presiunea vântului solar (după Posea, G., Armaş, I., 1998)

Cu ajutorul sateliţilor artificiali (Explorer 4 şi Pioneer 3) a fost identificată existenţa unor benzi în care sunt concentrate particule cum ar fi protonii şi electronii. Sunt cunoscute două astfel de centuri, una la 3 600 km şi alta la 13 000 -19 000 km (figura 10), numite centuri de radiaţii ale Pământului sau centurile lui Van Allen (fizicianul care le-a descris pentru prima oară).

Figura 10 - Secţiune transversală prin centurile de radiaţii Van Allen (după Posea, G., Armaş, A., 1998)

Când au loc erupţii solare, vântul solar creşte mult în intensitate, el determinând tulburări puternice ale câmpului magnetic, numite furtuni magnetice şi producerea unor fenomene luminoase deasupra regiunilor polare, în atmosfera înaltă, şi anume a aurorelor polare. Furtunile magnetice perturbă radiocomunicaţiile. Magnetosfera, alături de stratul de ozon, dar în proporţie mai mică decât acesta (doar de 5-10%), constituie un scut împotriva radiaţiilor cosmice nocive pentru viaţa pe Terra, mai ales a ultravioletelor. Se crede că iniţial, la începutul dezvoltării vieţii, când nu

se formase încă stratul de ozon, rolul principal de protecţie l-a avut magnetosfera (Posea, G., Armaş, A., 1998). TEMĂ DE CONTROL 1. Ce presupune studierea biotopului? 2. Cum pot varia factorii abiotici şi care sunt efectele asupra speciilor din biocenoze a acestor variaţii? 3. Ce studiază meteorologia? 4. Definiţi vremea şi clima 5. Repere istorice în evoluţia meteorologiei 6. Ce este atmosfera? 7. Care sunt ipotezele legate de originea atmosferei? 8. Care este compoziţia chimică a atmosferei? 9. Care sunt principalele gaze şi care sunt caracteristicile şi importanţa lor? 10. Ce alte elemente componente în afară de gaze mai are atmosfera; care este originea, rolul şi importanţa lor? 11. Cum variază structura fizică a atmosferei în altitudine? 12. Care sunt straturile componente ale atmosferei? Menţionaţi dimensiunile şi caracteristicile fiecărui strat. 13. Care este înălţimea atmosferei? 14. Ce este magnetosfera, care este originea ei şi ce formă şi dimensiuni are? 15. Ce sunt centurile de radiaţii din jurul pământului? 16. Cum se formează aurorele polare? 17. Care a fost rolul magnetosferei în trecutul planetei? 3.5.3 Energia radiantă – factor ecologic fizic Soarele reprezintă sursa energetică primară a tuturor proceselor geofizice şi biologice de pe Pământ. Toate celelalte surse de energie (cărbunii, petrolul, lemnul, gazul, energia eoliană – cu excepţia energiei nucleare) îşi datorează existenţa energiei primite de la soare. Soarele emite o mare varietate de radiaţii, dar cea mai mare parte a emisiei sale este reprezentată de radiaţia termică. Orice corp care are temperatura mai mare de zero absolut este capabil să emită radiaţii. Radiaţia produsă prin încălzirea corpurilor se numeşte radiaţie t e r m i c ă. Cunoaşterea proceselor de radiaţie şi mai ales a celor privitoare la schimbul de energie între suprafaţa pământului şi atmosferă e foarte importantă în meteorologie. Mărimile utilizate în studiul radiaţiilor se numesc mărimi radiante. Cantitatea de energie radiată în unitatea de timp de unitatea de suprafaţă a unui corp se numeşte radianţă, sau putere de emisie. În meteorologie se întrebuinţează noţiunea de intensitate a radiaţiei care este egală cu cantitatea de energie, exprimată în calorii, primită în unitatea de timp de unitatea de suprafaţă. Diferite corpuri absorb diferit radiaţiile (cuarţul absoarbe radiaţiile infraroşii dar este transparent pentru radiaţiile vizibile şi ultraviolete, iar sticla e transparentă pentru radiaţiile vizibile, fiind opacă pentru ultraviolete şi infraroşii). Această proprietate se

numeşte selectivitate de absorbţie. Corpul care reflectă în totalitate radiaţiile se numeşte corp reflectător sau alb, iar cel care lasă să treacă radiaţiile – corp transparent. Corpurile din natură nu au însă aceste proprietăţi absolute, ele încadrându-se doar cu aproximaţie în una din aceste categorii. Pe lângă radiaţia termică, Soarele emite şi radiaţii c o r p u s c u l a r e, formate din ioni, protoni, electroni şi neutroni de mari energii, radiaţie reţinută în atmosfera superioară. În perioada erupţiilor solare puternice mai sunt emise radiaţii de foarte mari energii, numite radiaţii c o s m i c e. Radiaţiile corpusculare şi cosmice sunt în cantităţi foarte reduse, astfel încât toate referirile următoare se vor face la radiaţia termică, electromagnetică a soarelui. Spectrul solar extraterestru este alcătuit dintr-o diversitate de radiaţii cu lungimi de undă diferite (tabelul 2), de la radiaţiile cosmice cu lungimea de undă cea mai mică, raze gama, X, ultraviolete, vizibile, infraroşii, ultrascurte, la unde din domeniul televiziunii, radio şi electrice cu cea mai mare lungime de undă. Printre cele mai importante sunt radiaţiile ultraviolete (cu acţiune chimică pronunţată), radiaţiile vizibile (care sunt alcătuite din 7 culori care în amestec dau lumina albă) şi radiaţiile infraroşii (invizibile, cu puternic efect caloric). Diversele radiaţii ce intră în alcătuirea spectrului solar extraterestru Tabelul 2 Denumirea domeniului Radiaţiile cosmice Radiaţiile γ Razele Röentgen Radiaţiile ultraviolete Radiaţiile vizibile Radiaţiile infraroşii Undele radio şi radar

Lungimea de undă 0,0001 Å 0,001 – 1 Å 0,01 – 10 Å 100 – 4000 Å 4000 – 7000 Å 7000 Å – 0,1 mm >0,1 mm

Fiecare componentă a spectrului transportă cu sine o anumită cantitate de energie; în spectrul solar extraterestru maximul de energie revine radiaţiei cu lungimea de undă de 4500 Å, respectiv razelor albastre. Din întreaga cantitate de energie a radiaţiei solare, 50% se propagă prin domeniul vizibil, 45% prin infraroşu şi 5% prin violet. Astfel, deşi energia cuantei elementare a radiaţiilor ultraviolete este mai mare, cantitatea totală de energie transmisă prin aceste radiaţii este totuşi foarte mică, deoarece numărul de cuante emise în unitatea de timp este mai mic decât cel corespunzător domeniului vizibil sau infraroşu. Se consideră că intensitatea radiaţiilor solare la limita superioară a atmosferei rămâne neschimbată în toate punctele, de aceea valoarea sa în calorii se numeşte constanta solară, şi este cantitatea de energie primită de la soare timp de 1 minut, de o suprafaţă de 1 cm2 perpendiculară pe direcţia razelor. Această constantă, I = 1,94 cal.cm-2 ·min -1. Străbătând atmosfera, radiaţiei solare i se modifică atât compoziţia spectrală, cât şi intensitatea, prin absorbţie şi difuzie. Absorbţia este produsă în special de ozon, vaporii de apă şi dioxidul de carbon. Ozonul absoarbe radiaţiile ultraviolete şi vizibile şi contribuie la încălzirea straturilor de aer din atmosfera superioară. Dioxidul de carbon absoarbe puternic în infraroşu, iar

vaporii de apă în infraroşu şi vizibil. Extincţia cauzată de absorbţia în atmosferă este de 10-16% din valoarea radiaţiilor la limita superioară. Evident, această energie nu este suficientă pentru a explica încălzirea atmosferei. Difuzia. Aerul atmosferic este un mediu optic neomogen şi de aceea capabil să difuzeze radiaţia solară. Difuzia este produsă atât de moleculele de aer (difuzie moleculară) cât şi de particulele mai mari – picături de apă, cristale de gheaţă, praf (difuzie pe particule). Radiaţiile cu lungimea de undă mai scurtă din domeniul vizibil sunt difuzate de atmosferă mult mai intens decât radiaţiile cu lungime mare de undă (legea lui Raleigh). Astfel se explică culoarea albastră a cerului când aerul este curat: razele albastre şi violet sunt difuzate mai puternic decât cele roşii. La altitudini mai mari, pe măsura rarefierii aerului difuzia scade şi cerul este albastru mai închis. Când atmosfera are multe impurităţi, cu dimensiuni mai mari decât lungimea de undă a radiaţiilor solare, odată cu difuzia moleculară are loc şi difuzia pe aceste particule mari. În cazul particulelor mari, radiaţiile sunt difuzate în aceeaşi măsură, indiferent de lungimea de undă. Prin suprapunerea radiaţiilor difuzate, cerul va apare de culoare albicioasă. Tot aşa se explică şi aparenta culoare albă a norilor. Culoarea roşie-portocalie a cerului la apus şi răsărit se datorează unui fenomen mai complicat; culoarea se datorează atât absorbţiei cât şi difuziei. Dimineaţa şi seara, radiaţiile străbat un drum mai lung prin atmosferă. Timp în care majoritatea undelor scurte sunt absorbite, iar undele lungi ajung să fie difuzate de particule cu diametru mare din atmosfera joasă, imprimând astfel aerului culoarea caracteristică menţionată. Dacă nu ar exista atmosferă, în lipsa difuziei, cerul ar apărea negru, iar soarele un glob incandescent cu contur negru. În urma difuziei, radiaţia solară suferă o extincţie de 9%. În total, prin absorbţie şi difuzie se produce o diminuare totală a radiaţiei cu 25%. Radiaţia solară directă. Din cele expuse anterior rezultă că radiaţia solară este doar parţial absorbită la trecerea prin atmosferă, cea mai mare parte ajungând la suprafaţa solului şi fiind denumită radiaţie solară directă. În compoziţia sa spectrală intră toate radiaţiile cu lungimea de undă mai mare de 0,29µ. Unghiul de incidenţă sub care cad razele pe suprafaţa terestră are un rol important în modificarea intensităţii acesteia. Acelaşi fascicul încălzeşte mai puţin o suprafaţă atunci când razele cad oblic deoarece fascicul se risipeşte pe o suprafaţă care depăşeşte din ce în ce mai mult secţiunea sa (figura 11).

Figura 11 - Împrăştierea radiaţiilor solare pe suprafaţa Pământului în funcţie de poziţia Soarelui

Dacă notăm cu I intensitatea radiaţiilor solare perpendiculare pe direcţia razelor solare şi cu I’ intensitatea radiaţiilor solare care cad pe unitatea de suprafaţă orizontală (insolaţia), între cele două intensităţi există următoarele relaţii (figura 12).

I’= I cos z I’=I sin h o

Figura 12 - Ilustrarea legii oblicităţii ce influenţează intensitatea radiaţiei solare (după Apostol,L., 2000)

Unde Z este unghiul de incidenţă al razelor solare iar ho unghiul de înălţime a Soarelui. În afară de această lege a oblicităţii (legea lui Lambert), acţiunea radiaţiei solare directe mai este influenţată şi de legea extincţiei (legea lui Bouguer): pentru un coeficient de transparenţă dat, intensitatea radiaţiei solare ajunse la sol scade în progresie geometrică atunci când masa atmosferică străbătută de razele solare creşte în progresie aritmetică. Coeficientul de extincţie este legat de transparenţa aerului (proprietatea aerului de a influenţa intensitatea radiaţiei solare prin conţinutul mai mare sau mai mic de gaze absorbante sau de impurităţi). Valoarea coeficienţilor monocromatici de extincţie şi transparenţă variază cu lungimea de undă. O dată cu creşterea lungimii de undă, coeficientul de extincţie scade iar coeficientul de transparenţă creşte. Astfel se explică de ce radiaţiile galbene şi roşii din spectrul vizibil şi cele infraroşii au o putere de pătrundere mai mare prin atmosfera impură (cu praf, ceaţă, nori etc); de aceea lumina farurilor, semafoarelor etc., este galbenă sau roşie. Se certifică astfel faptul că la trecerea prin atmosferă, compoziţia spectrală a radiaţiei solare se modifică. Acţiunea acelor două legi provoacă schimbări în desfăşurarea proceselor de difuzie şi absorbţie a radiaţiei în atmosferă şi în distribuţia acesteia pe suprafaţa terestră, având consecinţe atât asupra intensităţii cât şi a compoziţiei spectrale a radiaţiei solare, determinând mersul diurn şi anual al intensităţii acesteia. M e r s u l d i u r n se studiază cu ajutorul valorilor orare (absolute sau medii) şi este reprezentat de o oscilaţie simplă, ce porneşte de la răsăritul soarelui pentru a atinge un maxim la amiază şi a scade apoi până la apus (figura 13).

Figura 13 - Variaţia diurnă a intensităţii radiaţiei solare directe (a) şi insolaţiei (b) (după Marcu, M., 1983)

Conform legii extincţiei, maximul de la prânz este mai mare vara decât iarna, şi descreşte cu latitudinea, deoarece în timpul verii şi la latitudini mici masa atmosferică străbătută de raze este mai mică. Aceasta este în general situaţia în zilele senine (intensitatea radiaţiei directe poate scădea la amiază, când turbulenţa este maximă, dacă atmosfera are impurităţi); în zilele cu cer acoperit, mersul insolaţiei este cu totul neregulat. M e r s u l a n u a l se studiază cu ajutorul valorilor maxime de la amiază sau cu valorile medii lunare. Acest mers este influenţat de variaţia înălţimii soarelui şi de impurităţile din atmosferă. De aceea, maximul se înregistrează în ultimele luni ale primăverii sau în primele luni ale verii, deoarece în plină vară în atmosferă sunt mai multe impurităţi. Minimul se înregistrează în decembrie când soarele are cea mai mică înălţime deasupra orizontului. Radiaţia solară este influenţată şi de nebulozitate. Astfel, norii joşi, compacţi, anulează integral fluxul radiaţiei directe. Norii de la înălţimi mai mari (fiind mai puţin denşi) sunt parţial transparenţi pentru înălţimi mari ale soarelui, dar devin opaci când soarele se află la înălţimi mici. Norii influenţează şi durata de strălucire a soarelui care uneori poate ajunge doar la câteva zeci de minute într-o lună. Radiaţia solară mai este influenţată şi de altitudine. Intensitatea radiaţiei creşte odată cu altitudinea, deoarece odată cu aceasta scade masa atmosferică şi creşte transparenţa aerului. Odată cu creşterea altitudinii densitatea atmosferei scade, deci fenomenele de difuzie şi absorbţie sunt mai slabe ceea ce determină creşterea intensităţii radiaţiei solare. Astfel, pe munţi, la altitudini mai mari de 2000 m, valoarea maximă a intensităţii radiaţiei pe suprafaţa dispusă normal pe raze poate ajunge la 1,50-1,55 cal.cm2 .min-1. În climatologie importantă nu este doar intensitatea radiaţiei solare la un moment dat ci şi cantitatea totală de energie furnizată într-o perioadă de timp (zi, lună, an) şi care se măsoară cu aparate numite actinografe. Radiaţia difuză. În afară de radiaţia solară directă, suprafaţa pământului primeşte în cursul zilei încă o cantitate de energie radiantă datorită procesului de difuzie pe care îl suferă radiaţia solară în atmosferă. Radiaţia difuză este şi ea influenţată, ca şi cea directă, de înălţimea soarelui, de nebulozitate, de latitudine şi de altitudine. Astfel, pe timp senin, odată cu răsăritul soarelui, creşterea intensităţii radiaţiei solare directe favorizează o difuzie din ce în ce mai intensă, ceea ce determină creşterea intensităţii radiaţiei difuzate, care înregistrează un maxim la amiază. La înălţimi mici ale soarelui, în funcţie de transparenţa atmosferei, radiaţia difuză are valori comparabile cu cele ale radiaţiei directe, apoi pe măsura ridicării soarelui, creşterea radiaţiei difuze rămâne în urma creşterii radiaţiei directe. Radiaţia difuză poate reprezenta vara, la amiază, 25% din radiaţia directă. Într-o zi noroasă, radiaţia difuză este mai intensă decât într-una senină, deoarece norii conţin mai multe particule difuzante decât atmosfera. În astfel de cazuri, intensitatea radiaţiei difuze poate fi de 3-4 ori mai mare decât pe timp senin. Când soarele este acoperit de nori, radiaţia solară ajunge la suprafaţa pământului doar sub forma radiaţiei difuze. Doar norii foarte denşi şi groşi (de furtună), absorb puternic radiaţia solară şi reduc intensitatea radiaţiei difuze.

Radiaţia difuză scade cu altitudinea, deoarece se micşorează grosimea stratului care difuzează, iar transparenţa aerului creşte. Şi latitudinea determină variaţii ale radiaţiei difuze, care este mai mare la poli decât la ecuator, deoarece la poli nebulozitatea este mare şi se realizează o difuzie repetată de către nori a radiaţiei reflectate de stratul de zăpadă sau gheaţă. Şi la latitudinile noastre, în decembrie, radiaţia difuză are intensitate mai mare decât în iunie. Dacă se notează cu S radiaţia solară directă, cu D radiaţia solară difuză şi cu Z unghiul de incidenţă a razelor solare, radiaţia totală sau globală (Ig) va fi: Ig = S·cosZ+D Reflexia radiaţiei. Albedoul. O parte din radiaţia directă ajunsă la sol este reflectată. Raportul procentual dintre radiaţia reflectată şi cea incidentă se numeşte albedou. Suprafeţele albe reflectă aproape în întregime radiaţiile luminoase, de unde şi denumirea de albedou, de la “albus”. Reîntoarsă în atmosferă, radiaţia reflectată poate întâlni nori şi este din nou supusă procesului de reflexie. Diferitele suprafeţe naturale (soluri, păşuni, păduri, zăpadă) reflectă lumina diferit, în funcţie de proprietăţile lor fizice (mai ales de culoare), natură etc. (tabelul 3). Cea mai mare capacitate de reflexie (85%) o are zăpada proaspătă, pe vreme geroasă, la înălţimi mici ale soarelui. Zăpada învechită se tasează, devenind mai puţin reflectantă. Tot capacitate mare de reflecţie o are şi nisipul deschis la culoare. Albedoul pădurilor depinde de specie şi anotimp (datorită culorii frunzelor). Pădurile de foioase reflectă mai bine decât cele de răşinoase şi capacitatea lor de reflecţie este mai mare toamna. În ce priveşte solurile, lumina este mai bine reflectată de solurile deschise şi uscate. Suprafeţele continentale din zona temperată au albedoul de aproximativ 60% când sunt acoperite cu zăpadă şi de numai 20-25% vara. Albedoul diferitelor suprafeţe Tabelul 3 Natura suprafeţei Zăpadă proaspătă Zăpadă veche Deşerturi nisipoase Câmpii de loess Câmpii cu soluri cernoziomice

Albedoul 80-85% 30-35% 35% 30% 26%

Natura suprafeţei Câmpii acoperite cu iarbă uscată Câmpii acoperite cu iarbă verde Pajişti alpine Păduri de foioase Păduri de conifere

Albedoul 19% 26% 21% 20-30% 10-18%

Suprafeţele acvatice au albedoul dependent de starea de mobilitate a apei şi de unghiul de incidenţă al razelor solare. Acest unghi de incidenţă are o mare influenţă. Astfel, la 90o (în regiunile ecuatoriale) albedoul are valoarea de 2%, la 45o are valoarea de 5%, la 10o de 34% iar la 2o de 78%. Cu alte cuvinte, când înălţimea soarelui este mică, adică în zonele polare, suprafaţa acvatică reflectă trei sferturi din radiaţia directă (acest fenomen explică în bună parte - alături de curenţii calzi marini şi conductibilitatea termică scăzută a apei – prezenţa vegetaţiei de pădure pe litoralul unor zone polare). (Apostol, L., 2000) Albedoul atât de diferit al suprafeţelor naturale reliefează importanţa acestora ca factori climatogeni. De exemplu, în regiunile polare suprafaţa subiacentă este

determinantă pentru caracteristicile climei: albedoul mare al zăpezii asigură menţinerea calotei de gheaţă, deşi suma radiaţiei solare incidente e suficientă pentru a putea topi zăpada căzută anual. Şi norii au o capacitate de reflexie importantă, care variază în funcţie de natura lor; astfel, cele mai mari valori ale albedoului (60-70%) le au norii Altocumulus şi Stratocumulus. În anumite situaţii, norii pot reflecta şi radiaţia reflectată de suprafaţa terestră, cu alte cuvinte, retrimit spre suprafaţa terestră o parte a radiaţiei reflectate de aceasta. Privitor la mersul diurn şi anual al albedoului, acesta are cele mai mici valori la amiază, iar în decursul anului vara. Planeta Pământ are un albedou general (reprezentat de însumarea albedoului suprafeţei terestre, a albedoului atmosferei şi a albedoului norilor) calculat la aproximativ 30-40%. Determinarea radiaţiei reflectate permite calcularea valorii de absorbţie. Aceasta este egală cu radiaţia totală din care se scade radiaţia reflectată. Radiaţia terestră şi radiaţia atmosferică. În urma absorbţiei radiaţiei directe şi difuze, suprafaţa pământului se încălzeşte şi devine capabilă să emită energie radiantă corespunzător temperaturii sale. Încălzirea suprafeţei terestre se datorează transformării energiei radiante electromagnetice în energie calorică. Radiaţia emisă de suprafaţa pământului se numeşte radiaţie terestră. Ea se deosebeşte de radiaţia solară prin intensitatea sa mult mai redusă, din cauza temperaturii mult mai scăzute a suprafeţei radiante (suprafaţa terestră). Radiaţia terestră se mai deosebeşte de cea solară şi prin compoziţia ei spectrală, fiind alcătuită numai din radiaţii infraroşii invizibile, calorice. Există un raport invers proporţional între temperatura corpului radiant şi lungimea de undă a radiaţiei emise. De aceea, pământul radiază cu lungime mare de undă, radiaţii absorbite de apa din atmosferă şi de dioxidul de carbon. Aşa se explică şi efectul de seră: sticla, ca şi atmosfera, permite trecerea radiaţiei vizibile, cu lungime redusă de undă, apoi solul transformă această radiaţie în căldură şi o radiază pe lungimi de undă mari, radiaţii reţinute de apă şi dioxid de carbon. Fără acest efect de seră, temperatura pământului ar fi cu 38 oC mai scăzută, adică ar fi de –23 oC. Variaţiile destul de însemnate ale temperaturii suprafeţei pământului determină schimbări ale compoziţiei spectrale (lungimea de undă poate varia în funcţie de temperatură, între 3 şi 100µ) şi ale intensităţii radiaţiei terestre. Astfel, radiaţia terestră are un mers caracteristic diurn şi anual. În timpul zilei şi vara, creşterea intensităţii radiaţiei directe şi difuze provoacă creşterea temperaturii suprafeţei pământului ceea ce atrage după sine creşterea intensităţii radiaţiei terestre. Deci, suprafaţa terestră radiază mai intens ziua şi vara. Dioxidul de carbon şi mai ales vaporii de apă din atmosferă absorb radiaţiile calorice, de lungime mare de undă, din radiaţia provenită direct de la soare, din radiaţia reflectată de suprafaţa pământului sau din cea radiată de această suprafaţă. Prin urmare, aerul atmosferic se încălzeşte şi emite şi el radiaţii. Corespunzător temperaturii atmosferei, ca şi în cazul globului terestru, radiaţiile emise vor fi de lungime mare de undă. Curba spectrală a radiaţiei atmosferice prezintă o bandă de discontinuitate (între 8 şi 13 µ) care corespunde maximului de energie din spectrul radiaţiei terestre astfel încât, pentru o parte din energia emisă de suprafaţa pământului atmosfera este perfect transparentă şi aceasta se propagă în spaţiul cosmic. Atmosfera radiază în toate direcţiile,

atât spre spaţiul cosmic cât şi spre pământ. Radiaţia îndreptată spre pământ, opusă radiaţiei terestre se numeşte contraradiaţia atmosferei (şi are o valoare medie de 0,42 cal·cm-2·min-1). Radiaţia efectivă este diferenţa dintre radiaţia terestră şi radiaţia atmosferei. Mărimea radiaţiei efective depinde de temperatura suprafeţei terestre şi de temperatura şi umezeala aerului. De exemplu, în deşerturi, unde umiditatea aerului este redusă, radiaţia efectivă este mare (cauza frigului nocturn), de aproximativ două ori mai mare decât în zona ecuatorială şi de patru ori mai mare decât în zonele polare. Radiaţia efectivă este minimă noaptea, înainte de răsăritul soarelui, şi maximă ziua, imediat după amiază. În ce priveşte regimul anual, maxima se realizează la începutul verii şi minima în timpul iernii, către sfârşitul acesteia. Cu cât aerul este mai rece şi mai uscat, radiaţia atmosferei este mai mică şi cu cât solul este mai cald, radiaţia terestră este mai mare, deci radiaţia efectivă este mai mare. Astfel de situaţii apar în nopţile senine, când radiaţia terestră nu poate fi compensată de radiaţia atmosferei. Norii reduc mult valoarea radiaţiei efective dacă au plafonul jos şi sunt groşi (picăturile de apă absorb radiaţiile). În acest caz, funcţionează ca un ecran protector, astfel că radiaţia efectivă se poate anula (deoarece creşte mult contraradiaţia atmosferei) iar nopţile sunt calde, căci suprafaţa Terrei se răceşte foarte puţin. Iarna acest fenomen este cel mai vizibil, ajungându-se uneori ca radiaţia atmosferei să fie mai mare decât cea terestră, ceea ce determină încălzirea vremii (dacă înnorarea se produce în nopţile geroase). Şi ceaţa are cam acelaşi rol ca şi norii. Din acest motiv, în nopţile senine şi geroase de toamnă - iarnă se fac perdele de fum, pentru a proteja anumite culturi. Particulele de fum reprezintă nuclee de condensare; condensarea se face cu eliberare de căldură, şi astfel este favorizată apariţia ceţei. De asemenea, perdelele de fum joacă şi rolul unui ecran care reduce radiaţia efectivă la fel ca norii. Vegetaţia reduce în general radiaţia efectivă. Plantele ierboase, având o suprafaţă mai mare de radiaţie în raport cu volumul lor, se răcesc mai puternic decât solul pe care cresc, în timpul nopţii. Din acest motiv roua se formează mai ales pe aceste plante şi nu pe sol. Bilanţul radiativ. Cunoscându-se principalele procese radiative care au loc între soare, pământ şi atmosferă se poate stabili bilanţul radiativ pentru suprafaţa terestră, pentru atmosferă şi pentru sistemul pământ-atmosferă. Bilanţul radiativ al s u p r a f e ţ e i t e r e s t r e. Acesta este egal cu diferenţa între radiaţia primită şi cea cedată într-un interval de timp: Bt = (S+D+Ea) – (R+r+Et) unde: S - este radiaţia solară directă D - este radiaţia difuză Ea - este radiaţia atmosferei

R - este radiaţia reflectată de suprafaţa pământului din radiaţia globală r - partea reflectată din radiaţia atmosferică Et - este radiaţia terestră

Pe timp acoperit radiaţia solară directă devine nulă, iar bilanţul Bt = (D+Ea) – (R+r+Et)

Bilanţul radiativ oferă informaţii legate de cantitatea de energie de care dispune suprafaţa activă într-un interval de timp, fiind un factor climatogen hotărâtor. Factorii care influenţează bilanţul radiativ sunt înălţimea soarelui deasupra orizontului (pentru că de ea depind mărimea radiaţiei directe şi difuze), natura suprafeţei terestre, durata nopţii, opacitatea atmosferei, umezeala aerului şi nebulozitatea. În funcţie de aceşti factori, bilanţul radiativ poate fi pozitiv sau negativ. În general este pozitiv ziua şi negativ noaptea. În zilele noroase însă, bilanţul radiativ are un mers neregulat, iar valoarea zero se înregistrează dimineaţa şi seara la înălţimi mai mici ale soarelui. Când nori izolaţi acoperă numai discul solar, bilanţul radiativ poate deveni negativ la înălţimi mari ale soarelui, mai ales în munţi. Apariţia norilor provoacă micşorarea valorii absolute a bilanţului radiativ. Când este zăpadă, bilanţul radiativ variază mai puţin în cursul unei zile, şi de obicei pe timp senin este negativ datorită reflexiei şi emisiei ridicate ale zăpezii. Variaţia anuală a bilanţului radiativ este caracterizată prin valori pozitive vara şi negative iarna. Cu cât latitudinea este mai mare, cu atât perioada de bilanţ pozitiv este mai mică. Bilanţul radiativ al a t m o s f e r e i este egal cu diferenţa dintre radiaţia primită şi cea cedată de coloana verticală de aer cu secţiunea de 1 cm2 şi cu înălţimea de la suprafaţa terestră şi până la limita superioară a atmosferei. Ba = Un+q-Ea-U unde: Un-este absorbţia radiaţiei terestre q-este absorbţia radiaţiei difuze şi directe Ea-este radiaţia atmosferei spre suprafaţa terestră U-este radiaţia atmosferei spre spaţiul cosmic Bilanţul radiativ al s i s t e m u l u i p ă m â n t – a t m o s f e r ă rezultă din însumarea bilanţului radiativ al suprafeţei terestre cu bilanţul radiativ al atmosferei. B = Bt + Ba Pentru puncte izolate, bilanţul radiativ al sistemului pământ atmosferă poate fi pozitiv sau negativ, în funcţie de latitudine şi anotimp. Astfel, în regiunile ecuatoriale şi tropicale, bilanţul radiativ mediu anual este pozitiv, producându-se o acumulare de căldură. În cursul anului însă, regiunea cu bilanţ pozitiv se extinde mai mult sau mai puţin spre poli, în funcţie de anotimp. Vara, în emisfera nordică, bilanţul radiativ devine negativ la latitudinea 80 oN, iar în timpul iernii la 20 oN. Această repartiţie a bilanţului radiativ influenţează transportul de căldură de la ecuator la poli prin curenţii atmosferici sau oceanici. Bilanţul radiativ este deci un factor important în energetica atmosferei. Sistemul Pământ – atmosferă reţine sau pierde în spaţiul cosmic întreaga cantitate de energie radiantă provenită de la soare. De aici rezultă valoarea relativ constantă a temperaturii medii anuale a aerului şi solului terestru. Pământul ca planetă îşi menţine echilibrul termic. În caz contrar, în decursul evoluţiei geologice a pământului, s-ar fi înregistrat o creştere continuă a temperaturii sau dimpotrivă o scădere a ei, ceea ce ar fi făcut imposibilă existenţa vieţii. Există totuşi nişte variaţii ciclice. TEMĂ DE CONTROL

1. Care este sursa energetică primară a tuturor proceselor geofizice şi biologice de pe Pământ? 2. De câte tipuri sunt radiaţiile emise de soare? 3. Care sunt mărimile radiante şi cum se definesc ele? 4. Ce este constanta solară şi care este valoarea ei? 5. Cum se modifică radiaţia solară la trecerea prin atmosferă şi cum se realizează absorbţia şi difuzia? 6. Cum se explică culoarea albastră a cerului (sau roşia la răsărit şi apus) şi cea albă a norilor? 7. Ce este radiaţia solară directă şi care sunt legile care o influenţează? 8. Care sunt factorii care influenţează radiaţia directă şi în ce mod? 9. Ce este radiaţia difuză, cum variază ea şi din ce cauze? 10. Ce este radiaţia globală? 11. Ce este albedoul, cum variază el şi ce influenţă climatică poate exercita? 12. Ce sunt radiaţia terestră şi radiaţia atmosferei? 13. Ce este radiaţie efectivă, de ce factori depinde şi ce efecte poate avea asupra variaţiei temperaturii? 14. Ce este bilanţul radiativ şi care este importanţa lui climatică? 15. Ce determinări se fac legate de radiaţia solară? 16. Care sunt instrumentele folosite în acest scop? 3.5.4 Regimul termic al solului Încălzirea şi răcirea solului. S-a evidenţiat faptul că suprafaţa terestră primeşte radiaţia directă, radiaţia difuză şi radiaţia atmosferei. Absorbind o parte din energia primită, suprafaţa terestră se încălzeşte devenind astfel o sursă de radiaţie termică. Din căldura acumulată de această suprafaţă, o parte este transmisă straturilor mai profunde de sol precum şi atmosferei, iar altă parte este consumată în procesele fizice, chimice şi biologice care se produc la suprafaţa şi în interiorul solului. Suprafaţa pământului, datorită acestor proprietăţi, a fost denumită suprafaţă activă. Ea este diferită de stratul activ, care este acea parte a scoarţei globului terestru în care se produc variaţii diurne şi anuale ale temperaturii în funcţie de afluxul de radiaţii solare. Starea termică a stratului activ depinde de energia primită şi cedată la nivelul suprafeţei active, deci de bilanţul radiativ. Astfel, în timpul zilei şi vara când bilanţul radiativ este pozitiv, suprafaţa solului acumulează căldură, se încălzeşte şi transmite o parte însemnată din aceasta în adâncime, determinând creşterea temperaturii în stratul activ (figura 14). Prin alte fluxuri de sens contrar, suprafaţa terestră cedează căldură straturilor de aer apropiate, producând încălzirea acestora; o cantitate mai mică din energia acumulată este consumată în procesul de evaporare a apei, urmând să fie cedată atmosferei în momentul condensării vaporilor.

Figura 14 - Schimbul de căldură la suprafaţa solului în timpul zilei – bilanţ pozitiv (după Geiger, R., din Marcu, M., 1983)

În timpul nopţii şi iarna, când bilanţul radiativ este negativ, suprafaţa terestră pierzând căldură prin radiaţia efectivă, se răceşte. Când suprafaţa devine mai rece decât orizonturile de sol din adâncime, o parte a fluxurilor de căldură se îndreaptă spre suprafaţa terestră, tinzând să compenseze efectul răcirii radiative (figura 15).

Figura 75 - Schimbul de căldură la suprafaţa solului în timpul nopţii - bilanţ negativ (după Geiger, R., din Marcu, M. 1983)

Se observă că pe lângă schimbul de căldură între suprafaţa activă şi aerul atmosferic are loc un schimb de căldură şi între aceasta şi straturile inferioare ale solului. Cantitativ acest schimb se exprimă prin fluxul de căldură (B). Bilanţul este considerat pozitiv când fluxul de căldură este îndreptat de la suprafaţă în adâncime (ziua şi vara) şi negativ când temperatura solului creşte cu adâncimea (noaptea şi iarna). Valorile absolute

ale fluxului (atât cele pozitive cât şi cele negative) se ridică la câteva sute de calorii pe cm2 într-un minut. Valorile variază în funcţie de proprietăţile calorice ale solului şi de repartiţia căldurii în sol. În variaţia diurnă, fluxul de căldură înregistrează o valoare maximă între 8 şi 11 şi una minimă între 19 şi 22, deplasându-se spre ore mai târzii pe măsura apropierii de lunile de vară. Oscilaţiile din timpul zilei sunt mult mai mari decât cele din timpul nopţii. Proprietăţile calorice ale solului C ă l d u r a s p e c i f i c ă este cantitatea de căldură necesară pentru a ridica cu un grad temperatura unităţii de masă sau de volum a unui corp. Căldura specifică a constituenţilor minerali ai solului variază puţin de la un mineral la altul însă diferitele tipuri de sol au în componenţa lor şi apă şi aer în diferite proporţii. Căldura specifică volumetrică a întregii game de soluri variază între 0,4-0,6 cal·cm-3·grad -1; a apei este 1 cal·cm-3·grad-1 iar a aerului 0,0003 cal·cm-3·grad -1. Deci, prezenţa aerului va micşora căldura specifică a acestuia iar apa o va mări. Ca urmare solurile umede se încălzesc şi se răcesc la suprafaţă mai puţin decât cele uscate. Astfel, solurile argiloase se încălzesc mai puţin în timpul zilei, dar se şi răcesc puţin noaptea comparativ cu cele nisipoase. C o n d u c t i b i l i t a t e a c a l o r i c ă este capacitatea unui corp de a transmite căldura de la moleculă la moleculă, de la straturile mai încălzite spre cele mai reci. Conductibilitatea apei este mai mare decât a aerului. Astfel, creşterea porozităţii solului determină scăderea conductibilităţii calorice. De aceea solurile afânate au o conductibilitate scăzută comparativ cu cele compacte sau cu rocile. Datorită conductibilităţii scăzute, solurile afânate se încălzesc puternic ziua în stratul superficial, comparativ cu cele compacte, la care căldura din acest strat este transmisă straturilor din adâncime. Noaptea, solul umed se răceşte mai puţin decât cel uscat deoarece îşi poate compensa pierderile radiative de la suprafaţă prin fluxul de căldură transmis de straturile din adâncime. Variaţiile periodice ale temperaturii suprafeţei solului Variaţiile periodice diurne şi anuale ale temperaturii suprafeţei solului sunt determinate de modificările periodice ale intensităţii radiaţiei solare directe. Variaţia periodică diurnă a temperaturii suprafeţei solului (figura 16) se studiază cu ajutorul mediilor orare, iar în zilele senine cu valorile orare absolute. Se observă că valoarea minimă este dimineaţa, înainte de răsăritul soarelui, datorită răcirii nocturne prin radiaţie; maximul se înregistrează cam la o oră după trecerea soarelui de meridianul locului (ora 13).

Figura 16 - Variaţia periodică diurnă a temperaturii suprafeţei solului (după Marcu, M., 1983)

Variaţia periodică anuală a temperaturii suprafeţei solului (figura 17) se studiază cu ajutorul temperaturilor medii lunare. La latitudinile mijlocii variaţia anuală este simplă, cu un minim iarna (în general în ianuarie) şi un maxim vara (în general în iulie sau august). O caracteristică importantă a variaţiei temperaturii solului este amplitudinea acestei variaţii (A). A=tmax-tmin

unde:

t max este temperatura maximă t min este temperatura minimă în valori absolute sau medii

Figura 17 - Variaţia periodică anuală a temperaturii suprafeţei solului (după Marcu, M., 1983)

Amplitudinea diurnă şi anuală a suprafeţei solului este mai mare decât a aerului şi este influenţată de anotimp, nebulozitate, proprietăţile calorice şi starea suprafeţei solului, expoziţie etc. Amplitudinea este mai mare vara, când, datorită insolaţiei puternice, maximul diurn are valori mai mari decât cel din timpul iernii. De asemenea ea este mai mare în zilele senine comparativ cu cele noroase, precum şi în solurile uscate, nisipoase (la care conductibilitatea şi căldura specifică sunt mai mici) comparativ cu solurile umede şi compacte. Îngheţul solului. Adâncimea la care îngheaţă solul depinde de temperatura aerului, durata şi intensitatea temperaturilor sub 0oC, conductibilitatea solului, grosimea stratului de zăpadă. În zonele polare solul este permanent îngheţat pe grosimi variabile (permafrost). Vara se dezgheaţă numai pe anumite grosimi de la suprafaţă. Variaţiile temperaturii solului în adâncime Legile de bază ale propagării căldurii în sol Pentru caracterizarea stării termice a solului se foloseşte şi c o e f i c i e n t u l d e d i f u z i v i t a t e (sau de propagare a temperaturii). K λ= unde: C K - este coeficientul de conductibilitate termică C - este căldura specifică volumetrică [cal·cm-2s-1·cm-3·grad-1] C = ρ·c unde: ρ - este densitatea c - este căldura specifică gravimetrică [cal·g-1·grad-1]

K [cm2·s-1] . Acest coeficient arată cât de repede sau cât de încet se ρ ⋅c K propagă în sol variaţiile de temperatură. Conform relaţiei λ = , dintre două soluri cu C conductibilitate calorică egală, solul cu căldura specifică mai mică va prezenta variaţii mai mari de temperatură în adâncime (aceeaşi căldură transmisă produce o încălzire mai intensă în adâncime). Aerul, deşi are conductibilitatea calorică mai mică decât a apei sau a constituenţilor solizi ai solului, având căldura specifică mică, are un coeficient de difuzivitate mai mare decât al apei. Aceasta înseamnă că solurile umede au un coeficient de difuzivitate mai mic decât cele uscate. În solurile umede, atât variaţiile de temperatură cu adâncimea cât şi variaţiile amplitudinii diurne sunt mai mici decât în cele uscate. Variaţiile diurne şi cele anuale ale temperaturii solului suferă o atenuare progresivă a amplitudinilor respective în raport cu adâncimea, precum şi o întârziere continuă a momentului în care se produc diferite valori. Pornind de la mersul diurn şi anual cunoscut al temperaturii la suprafaţa solului, s-a ajuns pe cale matematică la o relaţie care dă temperatura solului la o anumită adâncime, la un moment dat. Această relaţie a permis formularea următoarelor legi ale propagării variaţiilor de temperatură în adâncime: Deci, λ =




amplitudinea oscilaţiilor termice scade în progresie geometrică atunci când adâncimea creşte în progresie aritmetică.




întârzierea momentului producerii maximului şi minimului de temperatură variază proporţional cu adâncimea.

Prin calcule, pe baza relaţiei menţionate s-a stabilit că dacă amplitudinea oscilaţiei zilnice se reduce la jumătate la 0,12 m adâncime, iar amplitudinea oscilaţiei anuale se reduce tot la jumătate din valoarea ei la o adâncime de 2,29 m. În acelaşi mod, adâncimea la care oscilaţiile anuale se anulează este de 19 ori mai mare decât adâncimea la care se anulează oscilaţiile zilnice. Deci variaţiile de temperatură se propagă la adâncimi cu atât mai mari cu cât perioada de variaţie este mai mare. Tot de aceea, un ger puternic dar de scurtă durată se resimte până la o adâncime mai mică decât un ger mai slab dar persistent. S-a calculat de asemenea care este întârzierea maximului şi minimului: 2,5 - 3,5 ore pentru fiecare 10 cm adâncime în cazul variaţiei zilnice a temperaturii şi 20-30 de zile pentru fiecare metru adâncime în cazul variaţiei anuale. Variaţia periodică a temperaturii solului în adâncime Variaţiile de temperatură de la suprafaţa solului se transmit şi în adâncime. Pe măsură ce adâncimea creşte, amplitudinea termică diurnă se micşorează, iar la 80-100 cm se anulează (figura 18). Adâncimea respectivă depinde de valoarea amplitudinii termice, de tipul de sol, de gradul de acoperire a solului cu zăpadă în timpul iernii etc.

Figura 18 - Variaţia diurnă a temperaturii solului la diferite adâncimi (după Marcu, M., 1983)

În timpul iernii oscilaţiile termice sunt mult atenuate şi nu se propagă decât la 2025 cm. Dacă iarna grosimea stratului de zăpadă este mai mare de 50 cm, temperatura solului rămâne neschimbată. Momentul producerii maximului şi minimului se decalează spre dreapta, adică întârzie (figura 19). Se observă că temperatura maximă (30,5 oC) care se înregistrează la ora 14 oo se propagă la adâncimea de 40 cm abia după 12 ore, adică la ora 2oo. Minima din cursul nopţii se semnalează la adâncimea de 25 cm abia în jurul orei 10 ziua.

Figura 19 - Decalajul în timp al producerii temperaturilor maxime şi minime în adâncime (după Geiger, din Marcu, M.,1983)

Stratul de sol în care se resimt oscilaţiile termice în 24 de ore se numeşte strat activ, iar stratul inferior acestuia este stratul cu temperatura zilnică constantă. Vara, în timpul zilei (figura 20), solul are la suprafaţă datorită încălzirii de la prânz o temperatură ridicată, apoi aceasta scade în adâncime până la 60-80 cm, de unde rămâne constantă. Noaptea, datorită răcirii prin radiaţie, straturile de la suprafaţă au temperaturi mai scăzute decât cele din adâncime (temperatura creşte odată cu creşterea adâncimii, până la 30-40 cm). Se observă că amplitudinea variaţiilor diurne scade cu adâncimea, de la câteva zeci de grade în stratul superficial la 1 o-2oC la adâncimea de 40-50cm.

Figura 20 - Variaţia temperaturii solului în adâncime, vara (după Marcu, M., 1983)

Iarna, temperatura solului creşte cu adâncimea atât ziua cât şi noaptea (figura 21). Uneori, în zilele senine, ziua la prânz se poate produce o uşoară încălzire a stratului superficial, variaţia în adâncime rămânând însă aceeaşi. Amplitudinile sunt mici şi devin imperceptibile la 20 cm.

Figura 21 - Variaţia temperaturii solului în adâncime, iarna(după Marcu, M., 1983)

Variaţia periodică anuală a temperaturii solului în adâncime se studiază prin intermediul mediilor lunare. Curba de variaţie a temperaturilor medii lunare este tot o oscilaţie simplă (figura 22). Se observă că amplitudinea oscilaţiilor anuale se micşorează cu adâncimea, reducându-se total la o adâncime de 6-30 m; această adâncime variază în funcţie de latitudinea geografică şi de caracteristicile generale ale climei.

Figura 22 - Variaţia periodică anuală a temperaturii solului în adâncime (după Marcu, M., 1983)

Maximul şi minimul se înregistrează cu o întârziere de 40 de zile la o adâncime de 2,5 m, iar maximul verii, la 7,5 m adâncime se înregistrează abia iarna. De la stratul cu temperatură anuală constantă în jos, temperatura solului creşte o cu 1 C la fiecare 35m (treapta geotermică), datorită căldurii interne a pământului. TEMĂ DE CONTROL 1. 2. 3. 4.

Ce se întâmplă cu radiaţia termică ajunsă la suprafaţa solului? Ce sunt suprafaţa activă şi stratul activ? Schemele bilanţului radiativ pozitiv şi negativ Care sunt proprietăţile calorice ale solului şi influenţa lor asupra regimului termic al solului? 5. Cum variază temperatura solului diurn şi anual (inclusiv reprezentare grafică)? 6. Îngheţul solului 7. Care sunt legile de bază ale propagării căldurii în sol? 8. Cum variază temperatura diurnă a solului la diferite adâncimi? 9. Cum se propagă în adâncime maximul şi minimul de temperatură de la suprafaţa solului? 10. Ce este stratul cu temperatură zilnică constantă? 11. Cum variază temperatura solului în adâncime vara şi iarna (reprezentare grafică)? 3.5.5 Regimul termic al aerului 3.5.5.1 Procesele de încălzire şi răcire a aerului Atmosfera absoarbe o mică cantitate din radiaţia solară care o străbate şi nu se încălzeşte de la soare decât în mică măsură; în schimb, suprafaţa terestră, puternic încălzită de la soare devine sursa de încălzire a atmosferei. Suprafaţa terestră, care

absoarbe radiaţia solară (electromagnetică), o transformă în energie calorică pe care o transferă în adâncime, spre interiorul scoarţei şi spre straturile inferioare ale atmosferei. Căldura de la suprafaţa terestră se transmite atmosferei prin conductibilitate termică moleculară, radiaţie, convecţie, advecţie, turbulenţă şi condensare. În acest proces se deosebesc de fapt două faze; prima, de transmitere a căldurii de la suprafaţa pământului la starturile de aer care vin în contact direct cu suprafaţa terestră şi a doua fază, de propagare a căldurii în masa atmosferei. C o n d u c t i b i l i t a t e a t e r m i c ă m o l e c u l a r ă. Deoarece gazele sunt rău conducătoare de căldură, prin acest mod de transfer al căldurii se încălzeşte doar un strat de câţiva milimetri din imediata vecinătate a suprafeţei terestre. R a d i a ţ i a t e r m i c ă emisă de suprafaţa terestră încălzeşte atmosfera într-o măsură mai mare; acest fenomen are loc atât ziua cât şi noaptea. C o n v e c ţ i a este modalitatea de transfer a căldurii specifică fluidelor, care permite deplasări ale maselor de fluid încălzite, formând curenţi de convecţie. Convecţia poate avea loc pe verticală sau pe orizontală. În meteorologie, convecţia calorică produsă prin mişcările orizontale ale aerului se numeşte advecţie. Convecţia apare când suprafaţa terestră determină o puternică încălzire a stratului inferior de aer; acest aer, devenind mai puţin dens se ridică pe verticală, locul lui fiind luat de aerul rece, mai greu, de sus şi din laterale. Acest proces se repetă, circulaţia astfel apărută antrenând straturi tot mai groase de aer, realizându-se amestecul acestuia pe grosimi mari, până în partea superioară a troposferei. A d v e c ţ i a determină în mare măsură transmiterea căldurii de la o regiune la alta. Advecţia are loc pe o suprafaţă mai mare decât convecţia (care poate acoperi doar o suprafaţă de mărimea unui nor). Schimbările accidentale, destul de însemnate în evoluţia vremii de la o zi la alta la latitudinile mijlocii sunt o consecinţă a fenomenelor de advecţie. T u r b u l e n ţ a realizează un amestec al aerului printr-o mişcare de tipul vârtejurilor Turbulenţa este un rezultat al frecării maselor de aer de suprafaţa terestră şi de obiectele de pe această suprafaţă, precum şi a frecărilor interioare ale aerului. Diferitele suprafeţe naturale sunt încălzite diferit, ceea ce implică o încălzire diferită şi a aerului deasupra lor. Această încălzire diferită determină mişcări ascendente şi descendente cu caracter turbulent. Schimbul turbulent este mai intens deasupra uscatului, vara şi ziua. C o n d e n s a r e a. Fiecare gram de vapori de apă, la condensare cedează aerului 600 de calorii. Încălzirea aerului prin condensarea vaporilor de apă este de fapt reversul procesului de răcire care are loc în urma evaporării. De exemplu, când apa se evaporă, căldura din apă, în forma sa efectivă trece într-o formă ascunsă în vaporii de apă, formă ce se numeşte “căldură latentă de evaporare”. Aceasta duce la scăderea temperaturii suprafeţei de evaporare (ca în cazul răcirii pielii prin evaporarea transpiraţiei). 600 de calorii trec în formă latentă pentru fiecare gram de vapori. Prin condensare se eliberează aceeaşi cantitate de energie calorică latentă, ce devine efectivă (perceptibilă) şi care încălzeşte atmosfera. Principalii factori (dintre cei menţionaţi) cu rol în transferul de căldură sunt convecţia, advecţia şi turbulenţa. Aerul aflat în mişcare ascendentă trece rapid de la volum mic şi presiune mare, la volum mare şi presiune mică. Moleculele gazoase se deplasează, energia lor calorică

transformându-se în energie cinetică, astfel încât destinderea aerului determină răcirea lui. Moleculele de gaz sunt mai dispersate şi nu se mai ciocnesc atât de frecvent între ele. Invers, în timpul mişcării descendente, compresiunea aerului determină încălzirea lui. Moleculele de gaz se ciocnesc mult mai frecvent între ele, fiind constrânse într-un volum mai mic. Destinderea şi răcirea aerului mai poate avea loc în timpul mişcării ascendente pe versanţi, iar încălzirea prin compresiune la coborârea aerului pe versanţii opuşi vânturilor puternice. 3.5.5.2 Variaţiile periodice ale temperaturii aerului. Variaţiile diurne şi anuale ale temperaturii aerului sunt o consecinţă indirectă a fluxului de radiaţie solară la suprafaţa pământului. Observaţiile făcute la înălţimea standard de 2 m arată că mersul d i u r n al temperaturii prezintă o oscilaţie simplă (figura 23). Temperatura minimă se înregistrează înainte de răsăritul soarelui; apoi temperatura creşte, dar mai încet decât temperatura solului astfel încât maxima se înregistrează între orele 13 şi 15. În continuare, temperatura scade până la apusul soarelui iar noaptea scăderea este mai lentă.

Figura 23 - Variaţia diurnă a temperaturii aerului (după Marcu, M., 1983)

Amplitudinea variaţiei diurne a temperaturii depinde de latitudinea geografică, de anotimpuri, de altitudine, de configuraţia terenului, de natura suprafeţei terestre şi de nebulozitate. L a t i t u d i n e a. Amplitudinea este mai mare în regiunile intertropicale (12 oC) şi scade spre zonele temperate (8 o-9oC) şi spre poli (3o-4oC), datorită scăderii înălţimii soarelui deasupra orizontului la amiază odată cu creşterea latitudinii. A n o t i m p u r i l e. La latitudinile mijlocii şi superioare unde înălţimea soarelui deasupra orizontului variază mult în timpul anului, amplitudinea diurnă va fi mai mică iarna şi mai mare vara. A l t i t u d i n e a. În general amplitudinea diurnă scade cu altitudinea, deoarece influenţa suprafeţei terestre se resimte din ce în ce mai puţin (figura 24). Alte exemple la noi în ţară: la vârful Omu amplitudinea diurnă în iulie este de 3,2 oC, la Câmpina (436m) amplitudinea este de 11,1oC iar la Alexandria (45m) de 12,1oC.

Figura 24 - Influenţa altitudinii şi a configuraţiei reliefului asupra amplitudinii variaţiei diurne a temperaturii (după Marcu, M., 1983)

C o n f i g u r a ţ i a t e r e n u l u i. Amplitudinea diurnă este mai mare în formele de relief concave (în văi, depresiuni cu circulaţia aerului încetinită), aerul se încălzeşte puternic ziua şi se răceşte intens noaptea. În formele convexe (versanţi muntoşi) reducerea suprafeţei de contact cu solul şi schimbul mai activ dintre aerul de la sol şi cel din straturile înalte determină o amplitudine mai mică. N a t u r a s u p r a f e ţ e i t e r e s t r e. Amplitudinea diurnă a aerului de deasupra apei este mai mică decât deasupra uscatului. Solurile nisipoase măresc amplitudinea temperaturii aerului; la fel, solurile afânate sau de culoare închisă. Stratul de zăpadă amplifică amplitudinea datorită influenţei reflexiei şi radiaţiei nocturne. N e b u l o z i t a t e a determină micşorarea amplitudinii diurne. Variaţiile a n u a l e ale temperaturii aerului se studiază cu ajutorul mediilor lunare. La latitudinile noastre, această variaţie este o oscilaţie simplă cu un maxim în iulie şi un minim în ianuarie. Variaţia anuală este influenţată de aceeaşi factori ca şi variaţia diurnă. Spre deosebire de amplitudinea diurnă, cea anuală creşte cu latitudinea. Cea mai mică amplitudine a variaţiei anuale se observă în zona ecuatorială. Cele mai mari valori medii ale amplitudinii se înregistrează în zona polilor. Cele mai mari amplitudini absolute se înregistrează însă în zona cercului polar nordic, unde sunt întrunite anumite condiţii de continentalism şi de relief. Situaţia este asemănătoare în Antarctica, deşi nu la fel de accentuat. Ceilalţi factori influenţează amplitudinea anuală în acelaşi sens ca la amplitudinea diurnă. 3.5.5.3 Variaţia temperaturii aerului cu altitudinea. În troposferă., în general, temperatura aerului scade cu înălţimea. Mărimea cu care variază temperatura la fiecare sută de metri înălţime se numeşte gradient termic vertical (γ) şi este de 0,6 oC la suta de metri. Cercetările au arătat însă că, faţă de această valoare medie, gradientul termic vertical poate prezenta valori diferite în funcţie de anotimp, natura masei de aer şi alţi factori. Astfel, există straturi în care temperatura nu variază cu înălţimea (γ=0, straturi izoterme), altele în care temperatura creşte cu înălţimea (straturi de inversiune). De asemenea, variaţii de temperatură au loc datorită curenţilor de convecţie ascendenţi şi descendenţi. Variaţiile de temperatură ale aerului în mişcare verticală se realizează pe seama energiei interne a respectivei mase de aer, deci se poate stabili un gradient termic vertical

adiabatic (γa). Această mărime indică cu cât scade sau creşte temperatura unei mase se aer în cursul m i ş c ă r i i sale ascendente sau descendente, la o sută de metri. Într-o masă de aer uscat, gradientul adiabatic uscat γ a = 1oC la 100 m. Dreapta AB (figura 25) este reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii cu înălţimea în masa de aer uscat. Dacă aerul este saturat cu vapori de apă şi urcă, condensarea vaporilor la scăderea temperaturii va elibera căldură, şi temperatura va varia cu înălţimea după o curbă (AC). Rezultă un gradient adiabatic umed (γh) < 1oC la 100 m. Valoarea lui nu este constantă, depinde de cantitatea de vapori de apă din aer, de temperatură şi presiune. Dacă aerul este umed dar nesaturat cu vapori şi urcă, răcirea se face până la punctul de condensare PC după adiabata uscată şi apoi după cea umedă. La coborâre, aerul încălzindu-se prin compresiune nu au loc condensări, iar temperatura aerului variază după adiabata uscată. Repartiţia pe verticală a temperaturii determină mişcările aerului şi stabilitatea sau instabilitate atmosferei (atmosfera este considerată instabilă când mişcările verticale sunt frecvente).

Figura 85 - Variaţia altitudinală a temperaturii aerului în procesele adiabatice (după Marcu. M., 1983)

O porţiune dintr-o masă de aer uscat sau umed nesaturat care se deplasează într-o atmosferă calmă e denumită convenţional particulă de aer. Dacă aceasta, sub influenţa unor forţe exterioare primeşte un impuls, în interiorul ei acţionează forţe care pot determina: - continuarea deplasării; acest lucru se întâmplă dacă γ>γa (gradientul termic al aerului înconjurător este mai mare decât gradientul adiabatic uscat). În acest caz, particula de aer ascendentă, răcindu-se mai încet, va avea tot timpul o temperatură mai mare şi o densitate mai mică decât aerul înconjurător, astfel încât îşi va continua deplasarea. La fel şi în cazul mişcării descendente. Într-o astfel de stratificare termică (stratificare instabilă), aerul se află în echilibru instabil, condiţia necesară apariţiei lui fiind deci gradientul supraadiabatic (>1).

-

particula revine la poziţia iniţială după încetarea acţiunii exterioare când γγh se realizează o stratificare umed instabilă, când γ