Билет № 29. Атмосфера и гидросфера Земли. Климат.

Атмосфера

Атмосферой, или воздушной оболочкой Земли, называют газовую среду, окружающую «твёрдую» Землю и вращающуюся вместе с ней. Масса атмосферы составляет ~5,15*1018 кг. Среднее давление атмосферы на поверхность Земли на уровне моря. Равно 101 325 н/м2 (это соответствует 1 атмосфере или 760 мм рт. ст.). Плотность и давление атмосферы быстро убывают с высотой: у поверхности З. средняя плотность воздуха  = 1,22 кг/м3, на высоте 10 км, а на высоте 100 км =8,8. Атмосфера имеет слоистое строение, слои различаются своими физическими и химическими свойствами (температурой, химическим составом, ионизацией молекул и др.).

Принятое деление атмосферы на слои основано главным образом на изменении в ней температуры с высотой, поскольку оно отражает баланс основных энергетических процессов в атмосфере.

14. Современное представлени е о строении Земли

Нижняя часть атмосферы, содержащая около 80% всей её массы, называется тропосферой. Она распространяется до высоты 16—18 км в экваториальном поясе и до 8—10 км в полярных широтах. Температура тропосферы понижается с высотой в среднем на 0,6. К на каждые 100 м. Над тропосферой до высоты 55 км расположена стратосфера, в которой заключено почти 20% массы атмосферы. От тропосферы она отделена переходным слоем — тропопаузой, с температурой 190—220 К. До высоты ~25 км температура стратосферы несколько падает, но дальше начинает расти, достигая максимума (~270К) на высоте 50—55 км. Этот рост связан главным образом с увеличением в верхних слоях стратосферы концентрации озона, интенсивно поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Над стратосферой расположены мезосфера (до 80 км), термосфера (от 80 км до 800—1000 км) и экзосфера (выше 800—1000 км). Общая масса всех этих слоев не превышает 0,5% массы атмосферы. В мезосфере, отделённой от стратосферы стратопаузой, озон исчезает, температура вновь падает до 180—200К. вблизи её верхней границы (мезопаузы). В термосфере происходит быстрый рост температуры, связанный главным образом с поглощением в ней солнечного коротковолнового излучения. Рост температуры наблюдается до высоты 200—300 км. Выше, примерно до 800—1000 км, температура остаётся постоянной (~1000К), т.к. здесь разреженная атмосфера слабо поглощает солнечное излучение.

Верхний слой атмосферы — экзосфера — крайне разрежен (у его нижней границы число протонов в 1 м3составляет ~ 1011) и столкновения частиц в нём происходят редко. Скорости отдельных частиц экзосферымогут превышать критическую скорость ускользания (вторую космическую скорость). Эти частицы, если имне помешают столкновения, могут, преодолев притяжение Земли, покинуть атмосферу и уйти вмежпланетное пространство. Так происходит рассеяние (диссипация) атмосферы. Поэтому экзосферуназывают также сферой рассеяния. Ускользают из атмосферы в межпланетное пространство главнымобразом атомы водорода и гелия.

Приведённые характеристики слоев атмосферы следует рассматривать как усреднённые. В зависимости отгеографической широты, времени года, суток и др. они могут заметно меняться.

Химический состав земной атмосферы неоднороден. Сухой атмосферный воздух у поверхности Землисодержит по объёму 78,08% азота,20,95% кислорода (~ 10-6% озона), 0,93% аргона и около 0,03%углекислого газа. Не более 0,1% составляют вместе водород, неон, гелий, метан, криптон и др. газы. В слоеатмосферы до высот 90—100 км, в котором происходит интенсивное перемешивание атмосферы,относительный состав её основных компонентов не меняется, этот слой называется гомосферой. Ватмосфере содержится (1,3—1,5)*1016 кг воды. Главная масса атмосферной воды (в виде пара, взвешенныхкапель и кристалликов льда) сосредоточена в тропосфере, причём с высотой её содержание резко убывает.Во влажном воздухе содержание водяного пара у земной поверхности колеблется от 3—4% в тропиках до2*10-5% в Антарктиде. Очень изменчивы аэрозольные компоненты воздуха, включающие пыль почвенного,органического и космического происхождения, частички сажи, пепла и минеральных солей.

У верхней границы тропосферы и в стратосфере наблюдается повышенное содержание озона. Слоймаксимальной концентрации озона расположен на высотах ~21—25 км. Начиная с высоты ~ 40 кмувеличивается содержание атомарного кислорода. Диссоциация молекулярного азота начинается навысоте около 200 км. Наряду с диссоциацией молекул под действием коротковолнового и корпускулярногоизлучений Солнца на высотах от 50 до 400 км происходит ионизация атмосферных газов. От степениионизации зависит электропроводность атмосферы. На высоте 250—300 км, где расположен максимумионизации, электропроводность атмосферы в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Для верхнихслоев атмосферы характерен также процесс диффузионного разделения газов под действием силы тяжести(гравитационное разделение): газы распределяются с высотой в соответствии с их молекулярной массой.Верхние слои атмосферы в результате оказываются обогащенными более лёгкими газами. Совокупностьпроцессов диссоциации, ионизации и гравитационного разделения определяет химическуюнеоднородность верхних слоев атмосферы. Примерно до 200 км основным компонентом воздуха являетсяазот N2. Выше начинает превалировать атомарный кислород. На высоте более 600 км преобладающимкомпонентом становится гелий, а в слое от 2 тыс. км и выше — водород, который образует вокруг Земли такназываемую водородную корону.

Через атмосферу к поверхности Земли поступает электромагнитное излучение Солнца — главный источникэнергии физических, химических и биологических процессов. В географической оболочке Земли атмосферапрозрачна для электромагнитного излучения в диапазоне длин волн l от 0,3 мкм (3000 Е) до 5,2 мкм (вкотором заключено около 88% всей энергии солнечного излучения) и радиодиапазоне — от 1 мм до 30 м.Излучение инфракрасного диапазона (l>5,2мкм) поглощается в основном парами воды и углекислым газомтропосферы и стратосферы. Непрозрачность атмосферы в радиодиапазоне обусловлена отражениемрадиоволн от её ионизованных слоев (ионосферы). Излучение ультрафиолетового диапазона (l от 3000 до1800 Е) поглощается озоном на высотах 15—60 км, а волны длиной 1800—1000 Е и короче — азотом,молекулярным и атомарным кислородом (на высоте от нескольких десятков до нескольких сот км надповерхностью З.).

Жёсткое коротковолновое излучение (рентгеновское и гамма-излучение) поглощается всей толщейатмосферы, до поверхности Земли оно не доходит. Таким образом, биосфера оказывается защищенной отгубительного воздействия коротковолнового излучения Солнца. В виде прямой и рассеянной радиацииповерхности Земли достигает лишь 48% энергии солнечного излучения, падающего на внешнюю границуатмосферы. В то же время атмосфера почти непрозрачна для теплового излучения Земли (за счётприсутствия в атмосфере углекислого газа и паров воды. Если бы Земля была лишена атмосферы, тосредняя температура её поверхности была бы —23°С, в действительности средняя годовая температураповерхности Земли составляет 14,8°С. Атмосфера задерживает также часть космических лучей и служитбронёй против разрушительного действия метеоритов. Насколько велико защитное значение земнойатмосферы, показывает испещрённая метеоритными кратерами поверхность Луны, лишённая атмосфернойзащиты. Между атмосферой и подстилающей поверхностью происходит непрерывный обмен энергией(теплооборот) и веществом (влаг оборот, обмен кислородом и др. газами). Теплооборот включает переностеплоты излучением (лучистый теплообмен), передачу теплоты за счёт теплопроводности, конвекции ифазовых переходов воды (испарения, конденсации, кристаллизации).

Гидросфера

Вода образует прерывистую оболочку Земли. Около 94% общего объёма гидросферы сосредоточено вокеанах и морях; 4% заключено в подземных водах; около 2% — в льдах и снегах (главным образом Арктики,Антарктики и Гренландии); 0,4% — в поверхностных водах суши (реки, озёра, болота). Незначительноеколичество воды содержится в атмосфере и организмах. Все формы водных масс переходят одна в другую впроцессе обращения. Ежегодное количество осадков, выпадающих на земную поверхность, равноколичеству воды, испарившейся в сумме с поверхности суши и океанов. В общем круговороте влагинаиболее подвижны воды атмосферы.

Вода гидросферы содержит почти все химические элементы. Средний химический состав её близок к составуокеанической воды, в которой преобладают кислород, водород, хлор и натрий. В водах сушипреобладающими являются карбонаты. Содержание минеральных веществ в водах суши (солёность)подвержено большим колебаниям в зависимости от местных условий и, прежде всего от климата. Обычноводы суши слабо минерализованы — пресные (солёность рек и пресных озёр от 50 до 1000 мг/кг). Средняясолёность океанической воды около 35 г/кг (35о/оо), солёность морской воды колеблется от 1—2°/оо(Финский залив Балтийского моря) до 41,5°/оо (Красное море). Наибольшая концентрация солей — всолёных озёрах (Мёртвое море до 260°/оо) и подземных водах (до 600°/оо).

Современный солевой состав вод гидросферы сформировался за счёт продуктов химического выветриванияизверженных пород и приноса на поверхность Земли продуктов дегазации мантии: в океанической водекатионы натрия, магния, кальция, калия, стронция присутствуют главным образом за счёт речного стока.Хлор, сера, фтор, бром, йод, бор и др. элементы, играющие в океанической воде роль анионов, являютсяпреимущественно продуктами подводных вулканических извержений. Содержащиеся в гидросфере углерод,азот, свободный кислород и др. элементы поступают из атмосферы и из живого вещества суши и океана.Благодаря большому содержанию в океане биогенных химических элементов океаническая вода служитвесьма благоприятной средой для развития растительных и животных организмов. Мировой океан образуетсамое большое скопление вод на земной поверхности. Морские течения связывают отдельные его части вединое целое, вследствие чего воды океанов и морей обладают общими физико-химическими свойствами.Поверхностный слой воды в океанах (до глубины 200—300 м) имеет непостоянную температуру,меняющуюся по сезонам года и в зависимости от температурного режима соответствующегоклиматического пояса. Средняя годовая температура этого слоя постепенно убывает от 25 °С у экватора до0 °С и ниже в полярных областях.

Характер вертикального изменения температур океанических вод сильно варьирует в зависимости от географической широты, что объясняется главным образом неодинаковым нагреванием и охлаждением поверхностных вод. С др. стороны, имеются существенные различия в изменении температуры воды по глубине на одних и тех же широтах в связи с течениями. Однако для огромных экваториальных и тропических пространств океана в изменении температур по вертикали имеется много общего. До глубины 300—500 м температура воды здесь быстро понижается, затем до 1200— 1500 м понижение температуры происходит медленнее, глубже 1500 м она почти не изменяется. В придонных слоях температура держится обычно между 2°С и 0 °С. В умеренных областях изменение температуры с глубиной менее значительно, что связано с меньшим прогревом поверхностных вод. В приполярных областях температура сначала понижается до глубин около 50—100 м, затем до глубин около 500 м несколько повышается (за счёт приноса более тёплых и солёных вод из умеренных широт), после чего медленно понижается до 0 °С и ниже в придонных слоях. С изменением температуры и солёности меняется и плотность воды. Наибольшая плотность характерна для высоких широт, где она достигает у поверхности 1,0275 г/см3.

Он служит главным водохранилищем планеты и основным приёмником солнечной энергии на поверхностиЗемли. Вследствие большой теплоёмкости воды (и малой теплоёмкости воздуха) он оказывает умеряющеевоздействие на колебания температуры воздуха окружающего пространства. В умеренных и полярныхширотах морские воды летом накапливают тепло, а зимой отдают его атмосфере. В экваториальных итропических пространствах вода нагревается с поверхности круглый год.

Таким образом, океан влияет на климат и погоду Земли. Велика роль океана в круговороте веществ наЗемле. (влаг оборот, взаимный обмен с атмосферой кислородом и углекислым газом, вынос на сушурастворённых в океанической воде солей и привнёс в океан реками материала с суши, биогеохимическиепревращения). Непрерывно движущиеся водные массы океана, взаимодействуя с горными породами дна иберегов, производят огромную разрушительную и созидательную (аккумулятивную) работу. Разнообразныйобломочный и растворённый материал, полученный в результате разрушительной работы океаническойводы и благодаря речному стоку, осаждается на дне океана, образуя осадки, превращающиеся затем восадочные горные породы. Отмершие растительные и животные организмы дают начало биогеннымосадкам. Немалую роль играют и воды суши. Пресные воды удовлетворяют потребности человека в воде,обеспечивают промышленность и поливное земледелие. Текучие поверхностные воды совершают большуюгеологическую работу, осуществляя размыв (эрозию), перенос и отложение продуктов разрушения горныхпород. Деятельность текучих вод приводит к расчленению и общему понижению рельефа суши. Суммарноеколичество выносимого реками в моря и океаны материала оценивается более чем в 17 млрд. т в год.

Климат – это многолетний режим погоды, характерный для данной местности.

Климат оказывает влияние на режим рек, образование различных типов почв, растительность и животный мир. Так, в областях, где земная поверхность получает много тепла и влаги, растут влажные вечнозеленые леса. Области, расположенные около тропиков, тепла получают почти столько же, сколько на экваторе, а влаги – значительно меньше, поэтому они покрыты скудной пустынной растительностью. Большая часть нашей страны занята хвойными лесами, которые приспособились к суровому климату: холодной и продолжительной зиме, короткому и умеренно теплому лету, среднему увлажнению.
Формирование климата зависит от многих факторов, прежде всего от географического положения. Широта места определяет угол падения солнечных лучей и соответственно количество тепла, поступающего от Солнца. Количество тепла зависит также от характера подстилающей поверхности и от распределения суши и воды. Вода, как известно, медленно нагревается, но и медленно остывает. Суша, напротив, быстро нагревается и также быстро остывает. В результате над водной поверхностью и над сушей формируются различные режимы погоды.

Таблица 3
Колебания температуры в городах, расположенных между 50 и 53°с. ш.

Из этой таблицы видно, что Бантри на западном побережье Ирландии, находящийся под непосредственным влиянием Атлантического океана, имеет среднюю температуру самого теплого месяца 15,2 °C, а холодного – 7,1 °C, т. е. ее годовая амплитуда равна 8,1 °C. С удалением от океана повышается средняя температура самого теплого месяца и понижается самого холодного, т. е. растет амплитуда годовых температур. В Нерчинске она достигает 53,2 °C.
Большое влияние на климат оказывает рельеф: горные хребты и котловины, равнины, речные долины, овраги создают особые условия климата. Горы чаще всего являются климаторазделами.

Влияют на климат и морские течения. Теплые течения переносят огромное количество тепла из низких широт в более высокие, холодные – холод из более высоких широт в низкие. В местах, омываемых теплыми течениями, годовая температура воздуха выше на 5-10 °C, чем на этих же широтах, омываемых холодными течениями.

Таким образом, климат каждой территории зависит от широты места, подстилающей поверхности, морских течений, рельефа и высоты места над уровнем моря.
Русский ученый Б. П. Алисов разработал классификацию климатов земного шара. В основу ее положены типы воздушных масс, их формирование и изменение при движении под воздействием подстилающей поверхности.

Климатические пояса. В зависимости от преобладающего климата выделяют следующие климатические пояса: экваториальный, два тропических, два умеренных, два полярных (арктический, антарктический) и переходные – два субэкваториальных, два субтропических и два субполярных (субарктический и субантарктический).
Экваториальный пояс охватывает бассейны рек Конго и Амазонки, побережье Гвинейского залива, Зондские острова. Высокое положение солнца в течение круглого года обусловливает сильный нагрев поверхности.
Среднегодовые температуры здесь от 25 до 28 °C. В дневные часы температура воздуха редко поднимается до 30 °C, но сохраняется высокая относительная влажность – 70–90 %. Нагретый воздух, насыщенный водяными парами, в условиях пониженного давления поднимается вверх. На небе появляются кучевые облака, которые к полудню закрывают все небо. Воздух продолжает подниматься, кучевые облака переходят в кучево-дождевые, из которых после полудня выпадают интенсивные ливневые дожди.
В этом поясе годовое количество осадков превышает 2000 мм. Есть места, где их количество увеличивается до 5000 мм. Осадки в течение года распределяются равномерно.
Высокие температуры в течение круглого года, большое количество осадков создают условия для развития богатой растительности – влажных экваториальных лесов.
Субэкваториальный пояс занимает огромные пространства – Бразильское нагорье в Южной Америке, Центральную Африку к северу и востоку от бассейна Конго, большую часть полуостровов Индостан и Индокитай, а также Северную Австралию.
Самой характерной особенностью климата этого пояса является смена воздушных масс по сезонам: летом вся эта область занята экваториальным воздухом, зимой – тропическим. В результате этого выделяют два сезона – влажный (летний) и сухой (зимний). В летний сезон погода мало чем отличается от экваториальной. Теплый и влажный воздух поднимается вверх, что создает условия для образования облаков и обильного выпадения осадков. Именно в этом поясе расположены места с наибольшим количеством осадков (северо-восток Индии и Гавайские острова). В зимний период условия резко изменяются, господствует сухой тропический воздух, устанавливается сухая погода. Травы выгорают, а деревья сбрасывают листву. Большую часть территорий субэкваториального пояса занимает зона саванн и редколесий.
Тропический пояс размещается по обе стороны от тропиков как на океанах, так и на материках. Здесь круглый год господствует тропический воздух. В условиях высокого давления и малой облачности он отличается высокими температурами.
Средняя температура самого теплого месяца превышает 30 °C, а в отдельные дни поднимается до 50–55 °C.
Осадков на большей части территории выпадает мало (менее 200 мм), здесь располагаются величайшие пустыни в мире – Сахара, Западно-Австралийская, пустыня Аравийского полуострова.
Но не везде в тропических поясах климат засушлив. На восточных побережьях материков, там, где с океанов дуют пассаты, выпадает много осадков (Большие Антильские острова, восточное побережье Бразилии, восточное побережье Африки). Климат этих областей мало чем отличается от экваториального, хотя годовые колебания температуры значительны, так как велика разница в высоте солнца по сезонам. Благодаря большому количеству осадков и высоким температурам здесь растут влажные тропические леса.
Субтропический пояс занимает большие пространства между 25-й и 40-й параллелями северной и южной широты. Для этого пояса характерна смена воздушных масс по сезонам года: летом вся область занята тропическим воздухом, зимой – воздухом умеренных широт. Здесь выделяют три климатических района: западный, центральный и восточный. Западный климатический район охватывает западные части материков: побережье Средиземного моря, Калифорнию, центральную часть Анд, юго-запад Австралии.
Летом сюда смещается тропический воздух, который создает область высокого давления. В результате устанавливается сухая и солнечная погода. Зима теплая, влажная. Такой климат иногда называют средиземноморским.
Совершенно другой климатический режим наблюдается в Восточной Азии и в юго-восточной части Северной Америки.
Летом сюда поступают влажные массы тропического воздуха с океана (летние муссоны), принося большую облачность и осадки.
А зимние муссоны приносят потоки сухого континентального воздуха умеренных широт. Температура самого холодного месяца выше 0 °C.
В центральном районе (Восточная Турция, Иран, Афганистан, Большой бассейн в Северной Америке) весь год преобладает сухой воздух: летом – тропический, зимой – континентальный воздух умеренных широт. Лето здесь знойное, засушливое; зима короткая, влажная, хотя общее количество осадков не превышает 400 мм. Зимой бывают морозы, выпадает снег, но устойчивого снежного покрова не образуется. Суточные амплитуды температур велики (до 30 °C), большая разница и между самым теплым и самым холодным месяцами.
Здесь, в центральных областях материков, расположены пустыни.

Умеренный пояс занимает области к северу и к югу от субтропиков примерно до полярных кругов. В Южном полушарии преобладает океанический климат, а в Северном выделяют три климатических района: западный, центральный и восточный.
На западе Европы и Канады, юге Анд преобладает влажный морской воздух умеренных широт, приносимый западными ветрами с океанов (500-1000 мм осадков в год). Осадки распределяются в течение года равномерно, засушливых периодов не наблюдается. Под влиянием океанов ход температур плавный, годовые амплитуды невелики.
Похолодания приносят арктические (антарктические) массы воздуха, при поступлении которых температура зимой понижается. В это время наблюдаются обильные снегопады. Лето длинное, прохладное, резких изменений температур воздуха не бывает.
На востоке (северо-восток Китая, Дальний Восток) климат муссонный. Зимой поступают холодные континентальные массы воздуха, формирующиеся над материком. Температура самого холодного месяца колеблется от -5 до -25 °C. Летом влажные муссоны приносят на материк большое количество осадков.
В центре (средняя полоса России, Украина, север Казахстана, юг Канады) формируется континентальный воздух умеренных широт. Нередко зимой сюда поступает арктический воздух с очень низкими температурами.
Зима длинная, морозная; снежный покров удерживается свыше трех месяцев. Лето дождливое, теплое. Количество осадков по мере продвижения в глубь континента уменьшается (с 700 до 200 мм). Самая характерная особенность климата этого района – резкие перепады температур в течение года, неравномерное распределение осадков, что иногда вызывает засухи.

Субарктический и субантарктический пояса. Эти переходные пояса расположены к северу от умеренного пояса (в Северном полушарии) и к югу от него (в Южном полушарии) – субарктический и субантарктический. Для них характерна смена воздушных масс по сезонам: летом – воздух умеренных широт, зимой – арктический (антарктический). Лето здесь короткое, прохладное, со средней температурой самого теплого месяца от 0 до 12 °C, с небольшим количеством осадков (в среднем 200 мм), с частыми возвратами холодов. Зима длинная, морозная, с метелями и глубокими снегами.
В Северном полушарии в этих широтах размещается зона тундры.
Арктический и антарктический пояса. В полярных поясах формируются холодные массы воздуха в условиях повышенного давления. Для этих поясов характерны длинные полярные ночи и полярные дни.
Их продолжительность на полюсах доходит до шести месяцев. Хотя солнце летом и не заходит за горизонт, но поднимается оно невысоко, его лучи скользят по поверхности и дают мало тепла. За короткое лето снега и льды не успевают растаять, поэтому в этих областях сохраняется ледяной покров. Он покрывает мощным слоем Гренландию и Антарктиду, а ледяные горы – айсберги – плавают в приполярных районах океанов. Холодный воздух, скапливающийся над полярными областями, переносится сильными ветрами в умеренный пояс. На окраине Антарктиды ветры достигают скорости 100 м/с. Арктика и Антарктида – «холодильники» Земли.

На территории даже небольшого района климатические условия не бывают однородными.
Под влиянием местных факторов: мелких форм рельефа, экспозиции склонов, почвенно-грунтовых особенностей, характера растительного покрова – создаются особые условия, получившие название микроклимата.
Изучение микроклимата имеет важное значение для развития многих отраслей сельского хозяйства, особенно полеводства, садоводства, овощеводства.