Гидросфера и атмосфера Земли

Водная оболочка Земли

Гидросфера — водная оболочка Земли, включающая в себя всю химически не связанную воду. Вода присутствует на Земле в трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Из почти 1,5 млрд км3 общего объема вод гидросферы около 94% приходится на Мировой океан, 4% — на подземные воды (большую их часть представляют глубинные рассолы), 1,6% -на ледники и постоянные снега, около 0,25% - на поверхностные воды суши (реки, озера, болота), большая часть которых расположена в озерах [1, 7, 14, 16, 19]. Вода присутствует в атмосфере и живых организмах.
Единство гидросферы обусловлено круговоротом воды - процессом ее непрерывного перемещения под воздействием солнечной энергии и силы тяжести, охватывающим гидросферу, атмосферу, литосферу и живые организмы (рис. 8.2). Круговорот воды слагается из испарения с поверхности океана, переноса влаги в атмосфере, выпадения осадков на океан и сушу, их просачивания и поверхностного и подземного стока с суши в океан. В процессе мирового круговорота воды происходит постепенное ее обновление во всех частях гидросферы. Причем подземные воды обновляются за сотни, тысячи и миллионы лет; полярные ледники - за 8-15 тыс. лет; воды Мирового океана — за 2,5-3 тыс. лет; замкнутые, бессточные озера - за 200-300 лет; проточные - за несколько лет; реки - за 11—20 суток; водяной пар атмосферы — за 8 суток; вода в организмах - за несколько часов [1, 7, 14, 16, 19]. Известно, что, чем медленнее водообмен, тем выше минерализация (соленость) воды в элементе гидросферы. Именно поэтому воды подземной гидросферы наиболее высокоминерализованы, а речные воды служат началом почти всех источников пресных вод.
Важным элементом гидросферы является Мировой океан, средняя глубина которого 3700 м, наибольшая - И 022 м (Марианский желоб). В морской воде растворены в разных количествах почти все известные на Земле вещества. Основная часть растворенных в морской воде солей - хлориды (88,7%) и сульфаты (10,8%), карбонаты (0,3%).

В каждом килограмме воды содержится в среднем около 35 г солей. Соленость воды в океане зависит от соотношения количества атмосферных осадков и испарения. Соленость ее понижают речные воды и воды тающих льдов. В открытом океане распределение солености в поверхностных слоях воды (до 1500 м) имеет зональный характер: в экваториальном поясе, где выпадает много осадков, она пониженная, в тропических широтах — повышенная, в умеренных и полярных широтах соленость снова снижается. Мировой океан поглощает и выделяет огромное количество газов (кислород, азот, углекислый газ, сероводород, аммиак и др.).
Температура поверхности воды Мирового океана также характеризуется зональностью, которая нарушается течениями, влиянием суши, постоянными ветрами. Наибольшие средние годовые температуры (27-28 °С) наблюдаются в экваториальных широтах. С увеличением широты температура вод Мирового океана понижается до 0 °С и даже ниже в приполярных областях (температура замерзания воды со средней соленостью на 1,8 °С ниже нуля). Средняя температура поверхностного слоя воды составляет +17,5 °С, а средняя температура воды всего Мирового океана +4 °С. Толщина многолетних льдов достигает мощности 3-5 м. Материковые льды в океане образуют плавающие горы - айсберги. Льды покрывают около 15% всей акватории Мирового океана.
Вода Мирового океана не находится в состоянии покоя, а совершает колебательные (волнения) и поступательные движения (течения). Волны на поверхности океана образуются главным образом благодаря ветру; высота их обычно не более 4-6 м, максимально до 30 м; длина волн от 100-250 м до 500 м. Волнение, вызванное ветром, с глубиной затухает: на глубине 200 м даже сильное волнение незаметно. При приближении к берегу от трения о дно скорость движения подошвы волны уменьшается, и гребень волны опрокидывается - возникает прибой. У крутых берегов, где энергия волн не гасится о дно, сила их удара достигает 30-38 т на 1 м2. Волнения всей толщи океанских вод вызывают землетрясения, извержения вулканов, приливообразующие силы. Так, подводные землетрясения и извержения вулканов становятся причиной цунами, распространяющихся со скоростью более 700 км/ч. В открытом океане длина цунами оценивается в 200-300 км при высоте около 1 м, что обычно незаметно для судов. У берегов высота волны цунами увеличивается до 30 м, что вызывает катастрофические разрушения.
Под действием сил притяжения Луны и Солнца возникают приливы и отливы. Особенно заметны приливы, вызываемые Луной. Вследствие вращения Земли приливные волны перемещаются навстречу ее движению - с востока на запад. Там, где проходит гребень приливной волны, возникает прилив, сменяющийся отливом. В зависимости от условий приливы могут быть полусуточные (два прилива и два отлива за лунные сутки), суточные (один прилив и один отлив за сутки) и смешанные (суточные и полусуточные приливы сменяют друг друга). Солнечные приливы в 2,17 раза меньше лунных. Лунные и солнечные приливы могут слагаться и вычитаться. Величина и характер морских приливов зависят от взаимного положения Земли, Луны и Солнца, от географической широты, глубины моря, формы береговой линии. В открытом океане высота прилива не более 1 м, в узких заливах - до 18м. Приливная волна проникает в некоторые реки (Амазонка, Темза) и, быстро перемещаясь вверх по течению, образует водяной вал высотой до 5 м.
Течения в океане вызываются ветром, перепадом высоты уровня воды и плотности. Главная причина поверхностных течений - ветер. В более холодных водах отмечаются теплые течения, в менее холодных — холодные. Теплые течения направляются из более низких широт в сторону более высоких, холодные — наоборот. На направление течения влияет вращение Земли, объясняющее отклонение их вправо в Северном полушарии и влево - в Южном. Системы поверхностных течений в океанах зависят от направления господствующих ветров, от положения и конфигурации океанов. В тропических широтах устойчивые воздушные течения над океанами (пассаты) вызывают северное и южное пассатные течения, нагоняющие воду к восточным берегам материков. Между ними возникает межпассатное противотечение. Вдоль восточных берегов на север и на юг в умеренные широты уходят теплые течения. В умеренных широтах западные ветры вызывают течения, пересекающие океаны с запада на восток. Причины течений на глубине - разная плотность воды, которая может быть вызвана давлением массы воды сверху (например, в местах нагона или сгона ее ветром), изменениями температуры и солености. Изменения плотности воды — причина ее вертикальных перемещений: опускание холодной (или более соленой) и подъем теплой (или менее соленой).
С перемещением воды связаны снабжение глубин кислородом и другими газами из атмосферы и вынос питательных для организмов веществ с глубин в поверхностные слои. Места интенсивного перемешивания воды наиболее богаты жизнью. В Мировом океане обитает около 160 тыс. видов животных и более 10 тыс. видов водорослей. Выделяют три группы морских организмов: 1) планктон - пассивно перемещающиеся одноклеточные водоросли и животные, рачки, медузы и др.; 2) нектон- активно передвигающиеся животные (рыбы, китообразные, черепахи, головоногие моллюски и др.); 3) бентос — организмы, живущие на дне (бурые и красные водоросли, моллюски, ракообразные и др.). Распределение жизни в поверхностном слое воды имеет зональный характер.
Значительную роль в существовании жизни на Земле играют воды суши, к которым относят подземные воды, реки, озера, болота, ледники.
Подземные воды находятся в толще горных пород верхней части земной коры. Основная их масса образуется вследствие просачивания с поверхности дождевых, талых и речных вод. Глубина залегания, направление и интенсивность движения подземных вод зависят от водопроницаемости горных пород. По условиям залегания подземные воды подразделяют на почвенные; грунтовые, залегающие на первом от поверхности постоянном водоупорном слое; межпластовые, находящиеся между двумя водоупорными пластами. Грунтовые воды питают реки и озера.
Реки - постоянные водные потоки на поверхности суши. Главная река с притоками образует речную систему. Площадь, с которой река собирает поверхностные и подземные воды, называется речным бассейном. Бассейны соседних рек отделяются водоразделами. Скорость течения реки находится в прямой зависимости от уклона русла - отношения разности высоты участка к его длине. У равнинных рек скорость течения редко превышает 1 м/с, а у горных рек — обычно более 5 м/с. Важнейшей характеристикой рек является их питание — снеговое, дождевое, ледниковое и подземное. Большинство рек имеет смешанное питание. Дождевое питание характерно для рек экваториальных, тропических и муссонных областей. Водами тающего снега питаются реки умеренного климата с холодными, снежными зимами. Ледниковое питание получают реки, начинающиеся в высоких, покрытых ледниками горах. Подземные воды питают многие реки, благодаря чему они не пересыхают летом и не иссякают подо льдом. От питания в значительной мере зависит режим рек - изменение расхода воды по сезонам года, колебание ее уровня и изменение температуры. Самая многоводная в мире река — Амазонка (220 000 м3/с в год). В нашей стране самая многоводная река - Енисей (19 800 м3/с в год).
Озера — водоемы замедленного водообмена. Они занимают около 1,8% поверхности суши. Самое большое из них - Каспийское море, самое глубокое — Байкал. Озера могут быть сточными (из них вытекают реки) и бессточными (лишенными стока); последние часто бывают солеными. В озерах с очень высокой минерализацией соли могут выпадать в осадок (самосадочные озера Эльтон и Баскунчак). В распространении озер по земной поверхности наблюдается зональность. Особенно много озер в тундре и лесной зоне. В зонах с недостаточным увлажнением возникают в основном временные водоемы.
Болота - избыточно увлажненные участки суши с влаголюбивой растительностью и слоем торфа не менее 0,3 м (с меньшим слоем - заболоченные земли). Болота образуются вследствие зарастания озер или заболачивания суши и подразделяются на низинные, питающиеся в основном грунтовыми водами и имеющие вогнутую или плоскую поверхность, переходные и верховые, основное питание которых - атмосферные осадки, поверхность их выпуклая. Общая площадь, занимаемая болотами, составляет около 2% площади суши.
Ледники - движущиеся массы льда, возникшие на суше в результате накопления и постепенного преобразования твердых атмосферных осадков. Они образуются там, где в течение года твердых осадков выпадает больше, чем успевает растаять и испариться. Граница, выше которой возможно накопление снега, называется снеговой линией. В полярных областях она расположена низко (в Антарктиде - на уровне моря), на экваторе - на высоте около 5 км, а в тропических широтах - выше 6 км. Оледенение бывает двух типов: покровное (Антарктида, Гренландия) и горное (Аляска, Гималаи, Гиндукуш, Памир, Тянь-Шань). Ледник имеет области питания (где происходит накопление льда) и стока (где его масса уменьшается за счет таяния, испарения, механического откалывания). Накопившись, лед начинает двигаться под действием силы тяжести. Ледник может наступать и отступать. Сейчас ледники занимают около 11 % всей площади суши, в эпоху максимального оледенения они покрывали около 30% ее площади. В ледниках сосредоточено почти 70% запасов пресной воды на Земле.

Воздушная оболочка Земли

Атмосфера — это воздушная оболочка Земли, которая состоит из смеси газов (воздуха), водяного пара и примесей (аэрозолей). Воздух у земной поверхности содержит (по объему) более 78% азота N2, около 21% кислорода 02 и менее 1% остальных газов, в том числе 0,93% аргона Ar и 0,03% диоксида углерода CÜ2 [11, 19, 32]. Состав его почти везде одинаков и благодаря перемешиванию сохраняется до высоты 90-100 км, а выше преобладают более легкие газы. Вследствие фотохимических реакций на высоте 20-30 км образуется слой повышенного содержания озона О3-озоновый экран, который задерживает губительную для живых организмов ультрафиолетовую радиацию. Количество водяного пара с удалением от поверхности быстро падает. На высоте 2 км его в 2 раза меньше, чем у поверхности, а выше 70-80 км он практически отсутствует. В атмосфере присутствуют твердые и жидкие примеси (пыль, сажа, пепел, кристаллики льда и морской соли, капельки воды, микроорганизмы, пыльца растений и пр.).
В соответствии с изменением температуры с высотой выделяют: тропосферу (до 15-17 км в тропиках и до 8-9 км над полюсами), стратосферу (до 50-55 км), мезосферу (до 80—82 км) итермосферу, постепенно переходящую в межпланетное пространство. В тропосфере и мезосфере температура с высотой понижается, а в стратосфере и термосфере, наоборот, повышается (рис. 8.3). По степени ионизации в атмосфере выделяют нейтросферу (до высоты 80-100 км) и сильно ионизированный слой -ионосферу (выше 80-100 км).

Тропосфера содержит 4/5 всей массы атмосферного воздуха. Здесь образуются облака и выпадают осадки. Атмосфера получает наибольшее количество теплоты от отраженной земной поверхностью солнечной радиации. Поэтому в тропосфере температура воздуха с высотой обычно понижается. Но если земная поверхность отдает воздуху больше теплоты, чем за то же время получает, она охлаждается, от нее охлаждается и воздух над ней, и в этом случае температура воздуха с высотой повышается. Это можно наблюдать летом в ночное время, зимой - над снежной поверхностью.
Средняя температура воздуха в нижнем двухметровом слое для всей Земли составляет +14 °С. Температура воздуха изменяется в течение суток и в течение года. В суточном ее ходе наблюдаются один максимум (после полудня) и один минимум (после восхода Солнца). От экватора к полюсам суточные амплитуды колебания температуры убывают; над сушей они всегда больше, чем над океаном. Амплитуды годовых колебаний температуры воздуха возрастают с увеличением широты; на экваторе они меньше суточных (1—2 °С над океаном и до 5 °С над сушей), в умеренных широтах от 10—15 °С над океаном до 60 °С и более над сушей; в полярных широтах годовые колебания температуры достигают 30-40 °С.
На Земле выделяют тепловые пояса, границы которых зависят от высоты Солнца, продолжительности дня, характера земной поверхности, переноса теплоты воздушными и океаническими течениями. Границы жаркого пояса экваториальных широт, где средняя годовая температура не опускается ниже +20 °С, совпадают с границами распространения пальм на суше и кораллов в океане. К жаркому поясу с севера и юга примыкают умеренные пояса, где средняя температура самых теплых месяцев - июля в Северном полушарии и января в Южном - составляет +10 °С. Это граница распространения лесов. В двух холодных поясах средняя температура самого теплого месяца колеблется между +10 °С и О °С. Это граница распространения тундры. За ней располагаются лежащие у полюсов пояса мороза, где средняя температура самого теплого месяца ниже 0 °С.
Давление атмосферы на подстилающую поверхность составляет в среднем 1,033 кг на 1 см2 (больше 10 т на 1 м2). Давление измеряется в миллиметрах ртутного столба, миллибарах и гектопаскалях (0,75 мм рт. ст. = 1 мб = 1 гПа). Максимальное атмосферное давление 816 мм рт. ст. зарегистрировано зимой в Туруханске, а минимальное - 641 мм рт. ст. — в урагане «Нэнси» над Тихим океаном. С высотой давление понижается: на высоте 5 км оно в 2 раза ниже нормального, на высоте 20 км - в 18 раз. Изменение давления объясняется перемещением воздуха вследствие его нагревания и охлаждения. Нагреваясь от поверхности, воздух расширяется и устремляется вверх. Достигнув высоты, на которой его плотность оказывается больше плотности окружающего воздуха, он растекается в стороны. Поэтому давление на теплую поверхность понижается, а на соседние участки - увеличивается.
В экваториальных широтах давление всегда пониженное, так как нагревающийся от поверхности воздух поднимается и уходит в сторону тропических широт, создавая там область повышенного давления. Над холодной поверхностью в Арктике и Антарктиде давление повышенное. Его создает воздух, приходящий из умеренных широт на место уплотнившегося холодного воздуха. Отток воздуха в полярные широты - причина понижения давления в умеренных широтах. В результате формируются пояса пониженного (экваториальный и умеренные) и повышенного (тропические и полярные) давления.
Воздух перемещается в горизонтальном направлении (ветер). Средняя многолетняя скорость ветра у земной поверхности 4— 9 м/с. Максимальная наблюдается у побережья Антарктиды -22 м/с с порывами до 100 м/с. С высотой скорость ветра возрастает, достигая сотен метров в секунду. Направление ветра определяется той стороной горизонта, с которой он дует, и зависит от распределения давления и отклоняющего действия вращения Земли. Воздух стремится перемещаться от большего давления к меньшему по кратчайшему пути, отклоняясь влево в Южном полушарии и вправо - в Северном (рис. 8.4). Схема поясов господствующих ветров осложняется влиянием материков и океанов, формированием сезонных минимумов и максимумов давления над сушей. На границе материков и океанов ветры зимой дуют с материка на океан, летом - с океана на материк (муссонные ветры). В зависимости от характера рельефа, растительности, водоемов возникают местные ветры (бризы, фен, бора и т.д.).
В тропосфере постоянно образуются вихри из-за различного атмосферного давления и отклоняющего действия вращения Земли. В замкнутой области пониженного давления воздух устремляется к центру, отклоняясь вправо в Северном полушарии и влево - в Южном. В центре он поднимается и растекается в стороны, тоже отклоняясь. Образуется восходящий вихрь - циклон, а у поверхности формируется область пониженного давления с циклической системой ветров (от периферии к центру). В замкнутой области повышенного давления формируется нисходящий вихрь - антициклон, а у поверхности - область повышенного давления с антициклической системой ветров (от центра к периферии). Циклоны и антициклоны особенно часто возникают в умеренных широтах. Диаметр их достигает 3—4 тыс. км при высоте до 18-20 км. Циклоны, возникающие в тропических широтах (тайфуны, ураганы), отличаются большей скоростью ветра. Разрушительной силой обладают сравнительно небольшие вихри (смерчи и торнадо).
Вода в атмосфере содержится в виде пара, капелек и кристалликов. Процентное отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к тому количеству, которое может содержаться при данной температуре, именуется относительной влажностью. Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может содержать. Водяной пар поступает в атмосферу в результате испарения с поверхности. При понижении температуры в атмосфере может начаться конденсация, которая проявляется в виде росы, инея, тумана, облаков. Различают облака перистые (облака верхнего яруса — выше 6000 м; они полупрозрачные, ледяные; осадки из них не выпадают); слоистые (среднего яруса - от 2000 до 6000 м и нижнего - менее 2000 м), которые в основном и дают осадки, обычно длительные, обложные; кучевые (могут образовываться в нижнем ярусе и достигать очень большой высоты; с ними связаны ливни, град, грозы). Наибольшая облачность наблюдается в областях пониженного давления; наименьшая - в областях повышенного давления. Над океаном она больше, чем над сушей, так как здесь в воздухе больше влаги. Абсолютный максимум облачности - над Северной Атлантикой, абсолютный минимум - над Антарктидой и тропическими пустынями. Облака задерживают солнечную радиацию, идущую к земной поверхности, отражают и рассеивают ее, а также задерживают тепловое излучение земной поверхности.
Выпадающие осадки могут быть жидкими (дождь) и твердыми (снег, крупа, град). Осадки измеряются слоем воды (в миллиметрах), который образуется, если выпавшая вода не стекает и не испаряется. В среднем за год на Землю выпадает 1130 мм осадков, из них почти половина - в экваториальных широтах. В направлении от экваториальных широт к тропическим количество осадков убывает. В умеренных широтах их количество снова увеличивается, в полярных - убывает. Над океаном осадков выпадает больше, чем над сушей, над холодными течениями осадков меньше, чем над теплыми. На характер распределения осадков на суше влияют удаленность от океана и рельеф земной поверхности. Больше всего осадков на наветренных склонах гор, с высотой их количество убывает, причем выше снеговой линии твердые осадки не успевают таять и накапливаются в виде снежников и ледников. Благодаря малой теплопроводности снег предохраняет почву от промерзания, растения — от гибели; в нем накапливаются запасы воды, расходуемые летом. Талые воды пополняют запасы грунтовых вод, озер и рек. Абсолютный максимум осадков зарегистрирован в Черапунджи (Индия) - 26 461 мм/год, абсолютный минимум - в пустынях Атакама и Ливийская, где осадки выпадают не каждый год. Но только по количеству выпадающих осадков нельзя судить об обеспеченности территории влагой - увлажнении. Необходимо учитывать возможное испарение (испаряемость), которое зависит от количества солнечной радиации: чем радиации больше, тем больше может испариться влаги. По степени увлажнения выделяются влажные (гумидные) и сухие (аридные) области.
Атмосфера Земли представляет собой взаимосвязанную систему движущихся объемов воздуха. Большие объемы воздуха в тропосфере, обладающие примерно одинаковыми свойствами, называются воздушной массой. Для нее характерно общее направление перемещения. Свои свойства (температуру, влажность, запыленность) воздушная масса приобретает, соприкасаясь с подстилающей поверхностью, над которой задерживается. Выделяются главные (зональные) типы воздушных масс, формирующиеся в широтных поясах с разным атмосферным давлением: экваториальная - теплая и влажная; две тропические - теплые и над материками сухие; две воздушные массы умеренных широт - менее теплые и более влажные, чем тропические, но более теплые и влажные, чем арктическая и антарктическая; арктическая и антарктическая - холодные и сухие. Кроме поясов постоянного пребывания воздушных масс возникают пояса, в которых зимой господствует одна воздушная масса, летом - другая. Например, умеренный воздух формируется из тропического и арктического (антарктического).
Все воздушные массы связаны между собой общей циркуляцией в тропосфере. Внутри главных (зональных) типов воздушных масс существуют континентальный (материковый) и океанический (морской) подтипы. Главными факторами циркуляции выступают лучистая энергия Солнца, вращение Земли вокруг оси и характер земной поверхности.
Для анализа процессов и явлений разного пространственно-временного масштаба, происходящих в атмосфере, существенны такие понятия, как погода и климат. Погода — состояние атмосферы в данной местности в данный момент или за какой-то промежуток времени (сутки, неделю, месяц). Погода характеризуется элементами (температура воздуха, влажность, давление) и явлениями (ветер, облака, атмосферные осадки). Иногда явления погоды носят необычайный или катастрофический характер: ураганы, грозы, ливни, засухи. Главные причины изменения погоды - изменение количества солнечного тепла, перемещение воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов.
Климат — это многолетний режим погоды, характерный для какой-либо местности. Он проявляется в закономерной смене всех наблюдаемых в этой местности погод. Как и погода, климат зависит от количества солнечной радиации, от перемещения воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов и от свойств подстилающей поверхности. Основные показатели климата: температура воздуха (средняя годовая, января и июля), преобладающее направление ветров, годовое количество и режим осадков.
В соответствии с тепловыми поясами и поясами господства зональных типов воздушных масс выделяют климатические пояса. Основных климатических поясов семь: экваториальный, два тропических, два умеренных, два полярных (арктический и антарктический). Между основными расположены переходные климатические пояса: два субэкваториальных, два субтропических и два субполярных. Они различаются сменой воздушных масс: зимой господствует воздушная масса основного пояса, соседнего со стороны полюса, летом — соседнего со стороны экватора. Выделяют материковые и морские климаты: они различаются годовыми амплитудами колебания температуры и количеством осадков. На границе материков и океанов, там, где ветры по сезонам изменяют направление почти на противоположное (зимой - с суши, летом - с океана), господствует муссонный климат, характеризуемый теплым, дождливым летом и холодной, сухой зимой (на востоке Евразии, на границе с Тихим океаном). На материках на климат влияет рельеф. В горах чем выше, тем холоднее, даже на экваторе вершины гор покрыты снегом. В поднимающемся по склонам воздухе количество осадков сначала увеличивается, а затем начинает убывать, т.е. для гор характерна высотная поясность климата. Однако на любой высоте климат зависит от широты местности, поскольку продолжительность дня (солнечная радиация) остается такой же, как в климатическом поясе у подножия.
Климат изменяется с течением времени [2, 17, 29, 32], и на то существует много причин. Так, изменение угла наклона земной оси к орбите вызывает изменение положения границ тепловых, а значит, и климатических поясов. Изменение площадей, расположения материков и океанов влечет за собой значительные изменения климатов на всей Земле. На климат влияют сильные извержения вулканов, выбрасывающие в атмосферу огромное количество газов, пыли, пепла и водяного пара. В последние десятилетия растет антропогенное воздействие на климат, связанное с деятельностью людей: увеличение содержания СО2, запыленность, выбросы теплоты и т.д. влияют на состояние атмосферы; сведение лесов, создание водохранилищ, орошение и осушение территорий, сокращение площадей, покрытых льдом, как на суше, так и в океане, изменяя земную поверхность, также вызывают изменения климата.