Часть II

ПРОЦЕССЫ ВНЕШНЕЙ ДИНАМИКИ

Глава 4 атмосфера и гидросфера

Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли, а гидро­сфера — это прерывистая водная оболочка, состоящая из океанов, мо­рей, озер, рек, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова, расположенных на поверхности Земли. В нижней части атмосферы и в гидросфере располагается биосфера. Атмосфера и гидросфера ответ­ственны за многие геологические экзогенные процессы.

Состав атмосферы. Воздух вблизи земной поверхности состоит (без водяного пара) из 78 % по объему (76 % по массе) азота и 21 % по объему (23 % по массе) кислорода. 1 % почти полностью представлен аргоном. Все другие составляющие сухого воздуха, а это гелий (Не), неон (Ne), метан (СН₄), водород (Н₂), оксид азота (N0₂), диоксид серы (S0₂), радон (Rn), аммиак (NH₃), озон (0₃), содержатся в ничтожных количествах. Воздух может содержать также частицы, попадающие в него при извержениях вулканов, лесных пожарах и за счет техноген­ной деятельности человека. Особенно опасны аэрозоли от окисления газов, содержащих серу, хлорфторуглероды. Хорошо известны кислот­ные дожди, возникающие за счет промышленной деятельности челове­ка. Наибольшая концентрация твердых частиц и аэрозолей наблюдает­ся в приземных слоях атмосферы и на высотах 14-25 км в так называемом слое Юнга. За последние 10 лет прозрачность атмосферы уменьшилась на 20 %.

Для человека чрезвычайно важно содержание кислорода в воздухе, нормальное среднее количество которого в приземной атмосфере со­ставляет 20,8 %. 150 лет назад эта величина была равной 26 %, а в доисторическую эпоху — около 36 %. Минимальный предел содержания

кислорода для человека равен 17 %. На космических станциях кисло­род поддерживается на уровне 33 %. В то же время в метро, в кварти­рах, в автобусах содержание кислорода составляет 20-20,4 %, тогда как в горах, в лесу, на море его концентрация возрастает до 21,6-21,8 %. Понятно поэтому, почему так легко дышится за городом, на природе. А в урбанизированном пространстве человек подвержен гипоксии, т. е. кислородному голоданию.

Атмосфера состоит из целого ряда сфер, выделяющихся на основа­нии изменения температуры (рис. 4.1). Тропосфера — это нижний слой атмосферы до 10 км высотой с постоянным падением температуры при­мерно на 0,6 °С на 100 м высоты. На верхней границе тропосферы вы­деляется слой постоянных температур — тропопауза (1-2 км). Где-то на верхней границе тропопаузы и выше, на уровне около 20 км, распо­лагается озоновый слой или, как его называют, «щит», состоящий из 0₃, который предохраняет все живое от губительного коротковолново­го (длина волны менее 100 км) ультрафиолетового солнечного излуче­ния.

Атмосферное давление, мбар О 200 400 600 800

\ /

Стратосфера

1

/

у Тропопауза

-80 -40 0 40 SO 120Температура, "С

Рис. 4.1. Строение атмосферы. На высоте 17-26 км располагается озоновый слой (0₃), задерживающий ультрафиолетовое излучение

\/

Выше, до высот 50-55 км, располагается стратосфера, в которой наблюдается рост температур до верхней ее границы — стратопаузы, где температура почти такая же, как у поверхности Земли, что связано с поглощением солнечного излучения озоном. Водяной пар содержится в стратосфере в ничтожных количествах, но на высоте около 25 км присутствуют переохлажденные капельки воды, образующие тонкие перламутровые облака.

Над стратопаузой до высоты 80 км находится мезосфера, в которой температура снова понижается до -100 °С, и затем слой с давлением воздуха в 100 раз меныцим, чем у поверхности Земли, — мезопауза. В этих трех слоях заключено 99,5 % всей массы атмосферы, а на высоте 80 км давление уже в 10 тыс. раз меньше приземного.

Выше мезопаузы располагается термосфера, в которой температура снова резко повышается до 1200-1500 °С на высоте 250 км, а верхняя граница термосферы находится на уровне 800-1000 км, выше которого выделяется экзосфера, или сфера ускользания газов. Космические иссле­дования показали, что еще до высот 20 тыс. км простирается так называ­емая земная корона, в которой на 1 см³ приходится около 1000 частиц газа.

На высоте около 100 км начинается разделение газов и более лег­кие стремятся вверх, а более тяжелые — вниз, например доля аргона будет уже не 1 %, а менее 0,001 %. Здесь же происходит разделение молекул на составляющие их атомы.

Климат Земли определяется атмосферной циркуляцией, теплооборо- том и влагооборотом, а также астрономическими факторами — наклоном оси вращения Земли к плоскости эклиптики, светимостью Солнца и т. д. Климат, присущий отдельно взятому региону, определяется рядом фак­торов: географической широтой, наличием морей и суши, рельефом, ра­стительностью, ледовым покровом и др. От климата зависит характер выветривания и другие экзогенные геологические процессы.

Регулярные наблюдения за атмосферной циркуляцией до высоты 60 км производятся с искусственных спутников Земли. Многие системы ветров обусловлены термической конвекцией, т. е. перепадом темпера­тур. Однако эти ветры имеют небольшие горизонтальные размеры. Наи­более мощные конвективные ячейки в атмосфере расположены в Северном и Южном полушариях от экватора до 20-30° широты и называются циркуляцией Хэдли, вызывающей знаменитые ветры-пассаты. Севернее и южнее 30° широты известны ячейки циркуляции Ферелл, в которых воздух движется в противоположном направлении по сравнению с ячей­ками Хэдли. То есть в поясе широт 20-30° происходит опускание сухого верхнего слоя воздуха к земной поверхности, где развиты пустыни.

Гигантские вихри в атмосфере — циклоны вызваны потерей устойчи­вости атмосферного потока. Переход потенциальной и тепловой энергии

Рис. 4.2.Солнечная радиация, поступающая на Землю. 1— 47 % поглощается горными породами, почвой и водой на земной поверхности; 2 — 19 % поглощается атмосферой и облаками; 3 — 23 % отражается облаками; 4 — 8 % рассеивается атмосферой; 5 — 3 % отражается грунтами

атмосферы в кинетическую и обусловливает разгон воздушной массы, которая под действием силы Кориолиса отклоняет движение воздуха вправо в Северном полушарии и влево — в Южном. Циклоны и анти­циклоны в средних и высоких широтах перемещаются с запада на вос­ток, что и определяет погоду.

Вся энергия атмосферных процессов зависит от солнечной радиа­ции, или излучения. Каждая единица земной поверхности получает от Солнца за 1 год тепла в 30 тыс. раз больше, чем поступает из земных недр. Солнечная радиация на 99 % представляет собой коротковолно­вую радиацию с длиной волн от 0,1 до 4 мкм и включает в себя види­мый свет, ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию. Нагреваемая земная поверхность излучает уже длинноволновую радиацию с длиной волн от 4 до 100 мкм. Атмосфера рассеивает солнечную радиацию, чему способствует облачный покров (рис. 4.2).

Гидросфера — это прерывистая оболочка Земли от распространения воды в атмосфере до нижней границы подземных вод. Водяной пар со­держится в атмосфере от 0,2 % в высоких широтах до 4 % в тропическом экваториальном поясе и постоянно поступает в атмосферу при испаре­нии воды с поверхности водоемов, почвы, а также от растительности (транспирация). Вода Мирового океана покрывает 71 % поверхности Земли (361 млн км²), если сюда присоединить все остальные водоемы, то — 383 млн км-, с учетом зимнего снежного покрова — 443 млн км², т. е. 83 % площади поверхности земного шара (рис. 4.3).

Биота 0,0001 %

Реки 0,0001 %

Атмо- .сферный '-водяной пар 0,001 %

Рис. 4.3. Распределение воды на Земле

Роль океанов заключается и в том, что их вода, будучи теплее, чем атмосфера, в среднем на 3 °С, непрерывно обогревает последнюю, имея запас тепла в 21 раз больше, чем в атмосфере. Между атмосферой и гидросферой все время осуществляется сбалансированный обмен теп­лом.

На Земле происходит постоянный и хорошо известный круговорот воды, включающий в себя океаническое и материковое звенья, которые связаны друг с другом, т. к. водяной пар переносится с океана на сушу и наоборот, а также поверхностным и подземным стоком с суши в океан. Водяной пар, переносимый с океана на сушу, составляет 47 км³, в то время как с поверхности Мирового океана ежегодно испаряется 505 тыс. км³ воды, а возвращается атмосферными осадками 458 тыс. км³. На поверхность суши ежегодно выпадает 119 тыс. км³ осадков. Поверхностный сток суши составляет 44,7 тыс. км³/год, а подземный — 2,2 тыс. км³/год, из них водный сток рек — 41,7 тыс. км³/год, а ледни­ковый сток — 3 тыс. км³/год. Естественно, что ледниковый сток Антар­ктиды больше всего. Атмосферные осадки в каждом конкретном райо­не суши складываются из влаги, испарившейся в этом районе, и влаги, привнесенной извне.