Климат, погода и ее прогнозирование

Из всех физических явлений больше и чаще всего привлекает человека погода – состояние атмосферы в данном месте в определенный момент или на короткий промежуток времени. Погода определяется процессами, происходящими в атмосфере при ее взаимодействии с земной поверхностью, Мировым океаном и солнечной активностью.

Совокупность и последовательная смена всех возможных в данной местности условий погоды за многолетний промежуток времени называется климатом. Различают климат материка, какой – то его части, зоны, района, города. Погода и климат воздействуют на органическую жизнь, существенно влияют на деятельность людей.

Наука о земной атмосфере и происходящих в ней процессах называется метеорологией. Она решает важные научные и практические задачи. Метеорологи, всесторонне изучая строение и свойства атмосферы, происходящие в ней физические явления и процессы, разрабатывают и совершенствуют методы прогноза (предсказания) погоды. Они ищут способы борьбы с неблагоприятными атмосферными явлениями, разрабатывают методы изменения погоды и климата в необходимом для человека направлении. Это уменьшает зависимость людей от погоды и климата.

Исследуя атмосферу, метеорологи исходят из общих законов физики. При этом особо учитываются географические условия, в которых протекают атмосферные процессы. Но в отличие от физики, для которой основным методом исследования служит эксперимент, то есть искусственное воспроизведение явлений в лабораториях, метеорологи раскрывают закономерности атмосферных процессов на основе данных наблюдений в естественных условиях. И хотя время и здесь все большее значение приобретает эксперимент, а также компьютерное моделирование, ведущая роль в науке об атмосфере по – прежнему принадлежит натурным наблюдениям.

Давно замечено, что климат любой части земного шара зависит прежде всего от географической широты. Эту зависимость имеют растительность и многие другие элементы природы, находящиеся с климатом во взаимосвязи. Еще в конце XVIII века ученик М.В. Ломоносова и один из первых русских академиков И.И. Лепехин (1740 - 1802) наметил общую схему размещения по земной поверхности растительности и животного мира в зависимости от тепловых процессов. А в начале XIX века знаменитый немецкий естествоиспытатель и путешественник А. Гумбольдт (1769 - 1859) установил зональность и высотную поясность растительности в связи с изменением количества проходящего на Землю тепла.

Основными причинами зональности природы Земли являются ее шарообразность, суточное вращение вокруг своей оси и годовое движение вокруг Солнца. Количество поступающей солнечной энергии убывает от экватора к полюсам в зависимости от угла падения солнечных лучей и длины их пути через атмосферу. В этом же направлении изменяется и количество атмосферного тепла. Именно поэтому в природе земной поверхности ярко проявляется так называемая географическая зональность.

В настоящее время на основании статистических данных о температуре и количестве поступающей на поверхность Земли солнечной энергии выделяют 13 радиационно-тепловых поясов.

К их числу относятся: арктический, субарктический; северные умеренный, субтропический, тропический, субэкваториальный, экваториальный; южные субэкваториальный, тропический, субтропический, умеренный; субантарктический, антарктический. Границы и расположение этих поясов зависят главным образом от географической широты. Все они хорошо просматриваются как на суше, так и в океане.

Рис. 53 Радиационно - тепловые пояса Земли

Поверхность Земли обладает различной способностью отражать падающие на нее солнечные лучи (альбедо). По этой причине различные части поверхности по – разному поглощают тепло и нагреваются. Больше всего солнечных лучей (от 80 до 97%) поглощает открытая водная поверхность океана, отражая в атмосферу всего от 20 до 3% падающей не нее радиации. Вода поглощает наибольшее количество поступающего от Солнца тепла и очень медленно отдает его в мировое пространство. Между тем водная поверхность занимает ¾ всей поверхности Земли. Поэтому Мировой океан и является накопителем и главным источником тепла на Земле. Однообразием физических свойств водной поверхности объясняется равномерность и малая величина колебаний температуры над океанами.

В отличие от водной, свойства поверхности суши разнообразны. Поэтому различные ее участки поглощают разное количество солнечной энергии. Травы и листья деревьев в среднем поглощают от 70 до 80%, а свежевыпавший чистый снег – от 2 до 10% поступающей энергии, все же остальное ее количество отражается в атмосферу и в мировое пространство.

Пока точно не доказано, но вполне возможно, что очень низкие температуры и малые запасы тепла в приполярных районах Арктики и Антарктиды, покрытых круглый год льдами и снегом, зависят не столько от меньшего количества поступающего тепла, сколько от сильного отражения лучей поверхностью Земли в этих районах. За это говорит и то, что в приполярных широтах в течение летних месяцев в результате круглосуточного освещения и большой прозрачности воздуха годовое количество приходящей солнечной энергии лишь немного уступает умеренным широтам, а наибольшие величины прямой радиации по наблюдениям антарктической станции «Мирный», даже превышают величины прямой радиации в Тбилиси и Ташкенте. Тем не менее приполярные районы оказывают сильное охлаждающее влияние на климат всего земного шара.

Неравномерное нагревание земной поверхности приводит в движение воздушные и водные массы, стремящиеся выровнять температуру. Взаимосвязанные воздушные и морские течения переносят с места на место огромное количество тепла. Так как вода поглощает и накапливает тепла больше, чем воздух, то особенно большую роль в переносе тепла играют теплые и холодные морские течения. Поэтому на морских побережьях наблюдаются более сильные отклонения от средних температур. Так, например, на нашем Мурманском побережье, омываемом продолжением Гольфстрима – теплым Атлантическим течением, приходящим из тропических широт, несмотря на его северное положение (около 70° с.ш.), имеются гавани, не замерзающие круглый год. В отличие от морских, воздушные течения более подвижны и вследствие малой теплоемкости воздуха переносят тепло на большие расстояния, но в меньшем количестве.

Общий облик природы любого участка поверхности суши (характер его почв, растительности, животного населения и пр.) зависит не только от количества поступающего тепла, но и от количества влаги: осадков, влажности воздуха, подтока поверхностных и грунтовых вод. Этим природа суши отличается от природы водоемов, где количество влаги постоянно: природа водоемов определяется температурой и прозрачностью воды, ее составом, соленостью и пр.

Основным источником атмосферных осадков на суше являются Мировой океан и его моря, в которых содержится 98% всех вод земного шара. Испаряясь с поверхности океана, водяные пары воздушными течениями переносятся на материки, где выпадают в виде дождя и снега. Замыкая постоянный круговорот, вода возвращается в океан в виде рек, ручьев и подземных вод. Единовременно в воздухе содержится воды в 11 раз больше, чем в реках (около 13 тыс. км³ ). Количество осадков, выпадающих в разных районах суши, зависит от направления воздушных течений, расстояния до источника увлажнения, рельефа земной поверхности и ряда других условий. Осадки выпадают преимущественно при движении воздуха из более нагретых районов в охлажденные, при подъеме теплого и влажного воздуха в более холодные слои атмосферы, в циклонах, на подветренных склонах гор, при ветрах с моря.

Вследствие этого картина распределения годового количества атмосферных осадков является более сложной, чем картина распределения солнечного тепла, а природные ландшафты суши разнообразнее широтных тепловых поясов. В частности неодинаковое увлажнение даже в пределах одних и тех же радиационно-тепловых поясов приводит к формированию различных географических зон.

Особенности природы отдельных участков земной поверхности определяются не только количеством тепла и влаги, но и соотношением между ними. В соответствии с запасами тепла в каждом поясе может испариться определенное количество влаги. Так, в тундровой зоне, где господствуют низкие температуры и испарение влаги невелико, даже небольшое количество выпадающих осадков испариться полностью не может, и вода, скапливаясь на поверхности, вызывает заболачивание местности. В жарких же поясах осадки, выпадающие даже в большом количестве, испаряются полностью, а во многих районах подвергаются деструкции даже запасы грунтовые воды.

Таким образом, природные условия на суше меняются с географической широтой лишь в общих чертах, и, в отличие от радиационно-тепловых поясов, большая часть географических зон сплошных полос, опоясывающих земной шар, не образует: они прерываются прежде всего водными пространствами и отчетливо прослеживаются только на равнинах.

Широтная географическая зональность выражена наиболее четко в тех частях материковых равнин, в которых количество выпадающих осадков с поступлением тепла с севера на юг постепенно изменяется. Так, например, в арктическом и субарктическом поясах количество осадков и тепла уменьшается от умеренного пояса к полюсу. Вследствие этого границы арктических пустынь, тундр, лесотундры и северной тайги вытянуты на всех материках с запада на восток. В умеренном же поясе, где господствуют западные воздушные течения, приносящие осадки и тепло с океана на материк, их количество убывает с запада на восток, и широтная географическая зональность нарушается.

В зависимости от удаленности равнин материка от океана, служащего источником влаги и тепла, на одних и тех же широтах встречаются и влажные широколиственные леса, и степи, и пустыни. В тех же местах, где воздушные течения направлены с материка на океан (например, пассаты в северо-западной части Африки и в Южной Америке), тропические пустыни подходят к океаническому берегу вплотную.

Большое влияние на зональность оказывают горные цепи, стоящие на пути воздушных течений. Содержащаяся в них влага в виде осадков выпадает на подветренных склонах гор, а другую сторону хребта обтекает осушенный воздух. Вследствие этого, например, в Азии Гималайские горы отделяют влажные тропические леса Индии от пустынь Тибета и Центральной Азии, а в Южной Америке Анды – пустыню Атакаму от тропических лесов Аргентины и Боливии. В Северной Америке Кордильеры преграждают путь воздушным течениям, несущим влагу с Тихого океана, и поэтому к востоку от гор простираются пустыни и степи. Последние постепенно сменяются широколиственными, а затем хвойными лесами. Таким образом, границы между этими зонами превращаются из широтных в меридиональные.

В горах с высотой температура обычно понижается, а количество осадков – увеличивается. Это определяет смену природных условий и наличие так называемых вертикальных природных поясов.

Зональность, обусловленная космическими факторами, - это одна из наиболее общих закономерностей современной природы нашей планеты. Но конкретные проявления зональности зависят от земных причин, определяющихся прежде всего соотношением тепла и влаги, в той или другой части земной поверхности. Изучение взаимодействия космических и земных явлений на общий облик Земли является одной из основных задач современного естествознания.

Основной причиной движения воздуха на земном шаре, то есть причиной возникновения ветров, является неравномерное распределение на поверхности земли лучистой энергии Солнца. Количество солнечной радиации, поступающее в экваториальную и тропическую зоны, больше, чем в умеренные и особенно в высокие широты. Поэтому воздух в низких широтах нагревается больше, чем в умеренной зоне и полярных областях. Между теплыми и холодными массами воздуха возникают разности температуры и атмосферного давления. Это порождает ветер. Например, так называемый бриз возникает из-за разности температур воздуха над морем и сушей. Воздух над сушей днем нагревается сильнее, чем над морем. В результате этого нагретый воздух поднимается, а на его место приходит воздух с моря. Ночью происходит обратное явление: суша охлаждается, а море остается теплым; воздух над морем поднимается, а на его место приходит воздух с суши.

Приблизительно так же возникают мощные ветры, дующие из областей высокого давления в области низкого давления. На направление и силу ветра существенное влияние оказывает вращение Земли. Это проявляется в возникновении так называемой силы Кориолиса. Явление, связанное с ее возникновением, приводит к тому, что ветер на высотах около 1 км, дует не в сторону области низкого давления, а отклоняется от этого направления на 90°. В приземном же слое атмосферы существенное влияние на ветер оказывает трение воздуха о поверхность Земли. Оно уменьшает скорость ветра и отклоняет его от изолиний, соединяющих области с одинаковым атмосферным давлением.

При сближении теплого и холодного потоков воздуха горизонтальные перепады температуры, влажности и давления увеличиваются, а скорость ветра возрастает. При отдалении различно нагретого воздуха перепады уменьшаются, и ветры ослабевают. Зоны, в которых холодные и теплые воздушные массы сближаются, называют переходными, или фронтальными. Такие неспокойные зоны возникают и разрушаются в воздушном океане над умеренными и полярными областями обоих полушарий ежедневно. Ширина фронтальных зон сравнительно невелика и составляет обычно одну-две тысячи километров.

На этих фронтах из-за разности температур и давлений возникают обширные вихри, называемые циклонами и антициклонами. Развиваясь, они охватывают всю тропосферу и нижние слои стратосферы и достигают десятков километров в высоту и двух-трех тысяч километров в диаметре. Например, они могут охватить всю европейскую часть России от Мурманска до Кавказа. И не удивительно, что в таких грандиозных вихрях теплые массы воздуха из экваториальной зоны и тропиков переносятся в умеренные и высокие широты, а холодные – в тропики и экваториальную зону. Вследствие этого температура в высоких широтах повышается, а в низких – понижается.

Обычно с циклонами связана облачная с осадками погода, с антициклонами – ясная и малооблачная. В циклоне преобладают восходящие движения воздуха, которые способствуют конденсации влаги, в антициклоне – нисходящие, при которых степень насыщения влагой уменьшается.

Во внетропических широтах подобные атмосферные вихри наблюдаются повсюду, но частота их возникновения в разных районах различна. Так, в Северном полушарии зимой циклоны чаще всего образуются на севере Атлантики и Тихого океана, а антициклоны – на материках Азии и Северной Америки. Летом циклоны, хотя и менее интенсивные, часто возникают и на материках, антициклоны же интенсивны над океанами. В Южном полушарии между зимой (июнь-август) и летом (декабрь-февраль) различие в возникновении циклонов и антициклонов небольшое. Циклоны чаще наблюдаются вокруг Антарктиды, а антициклоны – в северной части умеренной зоны и в субтропиках, причем их центры располагаются над океанами.

В низких широтах преобладают ветры, называемые пассатами и муссонами. Пассаты – это ветры, возникающие из-за различия атмосферного давления в экваториальной зоне. В Северном полушарии они имеют северо-восточное направление, в Южном – юго-восточное.

Муссоны – это сезонные ветры, возникающие из-за разности температур воздуха над материками и океанами. Зимой они дуют от холодных материков к теплым океанам, летом – со сравнительно холодных океанов на нагретые материки. Муссоны характерны для юга и юга-востока Азии, но появляются они и в умеренной зоне, в частности на Дальнем Востоке.

Климат на Земле примерно с середины прошлого столетия стал заметно меняться. Глобальное потепление охватило большую часть планеты, но особенно ярко проявилось в Северном полушарии. До сих пор оно происходило неравномерно: то ослаблялось, то усиливалось. Наибольшее потепление было отмечено в конце 1930-х – начале 1940-х годов. Потом наступил временный спад, но тенденция к потеплению сохраняется и поныне. Считается, что за столетие средняя температура в Северном полушарии повысилась примерно на 0,5°С. Глобальное потепление – это только тенденция, поскольку бывают холодные и даже очень холодные зимы.

Причины глобального потепления на планете, как сейчас установлено, связаны главным образом с увеличением содержания в атмосфере углекислого газа.

Основным климатообразующим фактором в наших умеренных широтах являются особенности циркуляции атмосферы. Исследования и наблюдения позволяют утверждать, что на европейской части России наибольшее похолодание в зимой бывает вызвано антициклонами, приходящими с северо-запада, севера и севера-востока. Они приносят морской или континентальный арктический воздух. Температура воздуха все то время, пока развивается антициклон, а это обычно 5-7 суток, бывает понижена в среднем на 4-5°С при северных вхождениях антициклона и на 2-3°С при северо-западных и северо-восточных вхождениях. В отдельных случаях происходит похолодание на 10-20°С по сравнению с нормой. Вторжение циклона зимой обычно вызывает потепление. Теплый воздух на европейскую территорию России выносится либо с юга, со стороны Черного моря, либо с юго-запада, со Средиземного моря, либо с запада – с Атлантического океана. Температура воздуха при этом, как правило, повышается на 2-4°С по сравнению с нормой для данной местности. В отдельных случаях она повышается на 10-12°С.

Общее число теплых зимних сезонов свидетельствует о том, что процесс глобального потепления, по крайней мере в зимнем сезоне на европейской территории России, продолжается. Тенденция к преобладанию числа теплых зимних сезонов над числом холодных сохраняется и для всей территории России.

Различают три вида погоды: безморозную, с переходом температуры воздуха через 0°С и морозную. Каждый из этих типов делится на классы: первый – на 8, второй – на 2, третий – на 6 классов. Всего же выделяют 16 классов погоды (табл.1).

Таблица 1

Типы и классы погоды

Одной из основных задач метеорологии является прогнозирование погоды. Оно складывается из трех этапов: наблюдение за погодой и сбор информации, обработка результатов наблюдений, составление прогноза.

Метеорологические наблюдения проводятся на поверхности Земли, в непосредственной близости к ней и на некоторой, иногда довольно значительной, высоте. В первых двух случаях они называются наземными, а в третьем – аэрологическими.

Наземные наблюдения осуществляются главным образом метеорологическими станциями, расположенными во многих пунктах земного шара. Высоко в горах, в таежных дебрях, среди полей и зыбучих песков, на берегах рек, озер, морей и водохранилищ метеорологи ведут наблюдения за многочисленными сложными и порой грозными явлениями природы. Эти наблюдения не прекращаются ни днем, ни ночью, ни в летний зной, ни в зимнюю стужу. Даже на дрейфующих льдах Арктики и среди вечных снегов Антарктиды несут непрерывную вахту разведчики погоды. В своей работе они пользуются не только термометрами, барометрами, анемометрами, различными самописцами, но радиолокаторами, самолетами, морскими кораблями. Во многих районах Земли в настоящее время расположены радиометеорологические станции, которые фиксируют значение метеорологических элементов без участия человека и в определенные часы передают их по радио в центр.

Наблюдения на метеорологических станциях России проводятся одновременно восемь раз в сутки – каждые три часа. Результаты наблюдений оперативно передаются в метеорологические центры. Для изучения высоких слоев атмосферы, то есть для проведения аэрологических наблюдений, применяются радиозонды, метеорологические ракеты и космические летательные аппараты. В частности, радиозонды поднимаются в атмосферу на небольших резиновых или полиэтиленовых воздушных шарах. Радиозонды снабжаются необходимыми метеорологическими приборами и радиопередатчиками. Принимая сигналы радиозонда, метеорологи определяют давление, температуру и влажность воздуха на различных высотах. Очень часто за полетом радиозонда ведется слежение с помощью радиолокатора. Это позволяет измерять направление и скорость ветра.

При помощи радиозондов изучают атмосферу до высот 35-40 км. Более высокие слои, до 80-100 км, исследуют с помощью ракет. В их головных частях помещаются метеорологические приборы. На заданной высоте головная часть ракеты отделяется от ее корпуса и спускается на парашюте. Показания приборов передаются на наземные приемные пункты по радиосвязи.

Самые верхние слои атмосферы и космическое пространство изучаются с помощью искусственных спутников Земли. Даже один спутник, выведенный на полярную орбиту, совершая один оборот вокруг земного шара за 1,5 часа, в сравнительно короткий срок может доставить информацию о метеорологической обстановке на всей поверхности земного шара. Для получения информации о метеорологических условиях на планете в целом используются системы, состоящие из нескольких спутников, работающих синхронно. Подобные системы дают метеорологам возможность получать величины интересующих их элементов практически одновременно во многих точках земного шара.

Радикальное увеличение объема метеорологической информации – существенное, но не главное в использовании спутников в метеорологии. Более важным является то, что это позволяет более глубоко понимать закономерности погодообразующих процессов, значительно улучшать на этой основе качество прогнозов погоды, решать проблемы активного воздействия на нее.

Вся информация с наземных и аэрологических станций, кораблей и самолетов, ракет и искусственных спутников Земли передается в Российский гидрометеорологический центр и его филиалы, а там обрабатывается с помощью компьютеров и используется в научных и прикладных целях. Из всей информации, поступающей в центр, для составления прогноза погоды анализируются характеристики давления, температуры, влажности, скорости ветра, облачности и их изменения за определенный промежуток времени для различных районов земного шара.

Климатической атмосферой уходящего XX столетия называют погодные изменения, связанные с тихоокеанским течением Эль Ниньо. Последнее возникает с периодичностью от двух до семи лет в районе Эквадора и Перу. Оно представляет собой теплое течение, вызывающее многомесячные проливные дожди и ураганы с градом в Южной Америке, столь же продолжительные засухи, приводящие к обширным лесным пожарам, - в Австралии и Индонезии. Считается, что прямого воздействия на климат и погоду в Европе это течение не оказывает.

Гидросфера Земли

Гидросфера – водная оболочка Земли – в отличие от литосферы и атмосферы, покрывает земной шар лишь на 70% его поверхности. К гидросфере относятся Мировой океан и воды суши: реки, озера, подземные воды, горные и покровные ледники. Все они связаны между собой в планетарном процессе круговорота воды, газов и минеральных солей.

Самое большое скопление воды на поверхности Земли – это Мировой океан. Он является основным водохранилищем нашей планеты. Испаряющаяся с его поверхности влага переносится ветрами на материки и, выпадая в виде осадков, орошает землю, питает реки, подземные воды и горные ледники.

Мировой океан делится материками и островами на отдельные океаны, моря, проливы и заливы.

По сравнению с площадью материков площадь Мирового океана огромна. Один только Тихий океан больше площади всей суши. В Северном полушарии водой занято 60% его поверхности, в Южном – 80%. Площадь окраинных и средиземных морей составляет около 10% площади всего Мирового океана. Общий объем воды в океанских бассейнах – 1370 млн. км³. Объем воды в морях составляет менее трех процентов объема воды в океане. Средняя глубина океана – 3795 м, открытых окраинных морей – 874 м, средиземных морей – 1289 м. Наибольшая глубина океана обнаружена в Марианской впадине и составляет 11 022 м.

Средняя концентрация солей в океане – 35 г на 1 кг воды, или 35 промилле. Установлено, что состав и относительное содержание различных солей в Мировом океане повсюду неизменны. Это является следствием наличия мощных морских и океанических течений. Непрерывный обмен веществ происходит не только между отдельными частями Мирового океана, но и между океаном, атмосферой и сушей. Подсчитано, что за год вместе с брызгами воды, подхватываемыми ветрами, выносится на сушу 300-400 млн. т солей. В свою очередь, с суши за счет речных стоков ежегодно смывается в океан в среднем 3,3 млн. т растворенных веществ. Половина этого количества осаждается на дне океана.

В Мировом океане зародилась жизнь. Растительность, возникшая в нем, обогатила атмосферу кислородом и сделала ее пригодной для жизни животных. Деятельность растительных организмов, произрастающих в океане и разлагающих воду на водород и кислород, и поныне остается главным источником свободного кислорода для атмосферы.

Уже более трех миллиардов лет происходит эволюция организмов. Они непрерывно поглощают необходимые для жизни растворенные в воде вещества и создают из них сложные органические соединения. В свою очередь, морские организмы, перемещаясь в воде (порой на большие расстояния) и выделяя продукты обмена веществ, оставляют повсюду следы своей жизнедеятельности, а, умирая, превращаются в органические остатки. Последние при соединении с растворенным в воде кислородом восстанавливают первоначальные минеральные соли.

Морские животные и растения обладают удивительной способностью: они накапливают в своих организмах взятые из воды медь, цинк, ванадий, железо и другие элементы. Это приводит к тому, что их концентрация в тканях организмов в сотни и тысячи раз выше, чем в морской воде. Некоторые соли и многие рассеянные и редкие химические элементы при отмирании организмов выпадают из круговорота, опускаются на дно и образуют там мощные слои донных осадков. При этом частично переходят в состав минеральных соединений. Таким образом, донные осадки представляют собой в основном илы, образованные известковыми и кремнистыми остатками организмов – их скелетами и раковинами.

Во всех природных водах в растворенном состоянии содержатся азот, кислород, углекислый и другие газы. Количество газов, способных растворяться в морской воде, зависит от ее солености, гидростатистического давления и температуры. Чем больше соленость и выше температура, тем меньше газов растворяется в морской воде, и наоборот.

Кислород, растворенный в океанической воде, берется из воздуха или является результатом фотосинтеза растений, произрастающих под водой. Он расходуется на дыхание живых организмов и окисление органических остатков. В результате выделяется углекислый газ, растворенный в воде. Растения и бактерии, живущие в воде, извлекают из углекислого газа на построение своих тканей около 100 млрд. т. углерода в год.

Таким образом, в холодных (полярных) областях планеты океан извлекает кислород и углекислый газ из воздуха, газы растворяются в воде, и течения переносят их в глубинные слои и тропики. Кислород в глубинных слоях обеспечивает условия жизни животных и растений. Углекислый газ в тропиках выделяется в атмосферу. Так как содержание углекислого газа в атмосфере в 60 раз меньше, чем в океане, то последний можно рассматривать как хранилище запасов углекислого газа.

Воды Мирового океана служат для химических элементов средой превращений, с одной стороны, и транспортным средством, с другой. В результате многих химических и биохимических преобразований вещества находятся в нем в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, свободном состоянии и соединениях. Это означает, что Мировой океан является «геохимическим» реактором. Этот реактор работает на энергии Солнца.

Мировой океан является также аккумулятором тепла. Около 95 % его вод имеют среднюю температуру 3,8⁰С. Эта температура в современных климатических условиях остается практически неизменной.

Но на поверхности океана и в глубине в разных его областях температура воды существенно различна. В экваториальной зоне вода нагрета до 25 – 26⁰С, а в приполярных областях ее температура бывает ниже нуля (в воде с соленостью 35‰ лед образуется при температуре 1,9⁰С). Сезонные колебания температуры воды в средних широтах составляют 5 – 10⁰С, в северо-западных частях Атлантического и Тихого океанов они достигают 15⁰С, а в полярных областях и тропиках – не превышают 2⁰С. Придонные воды океана имеют температуру около нуля. В верхних слоях воды наблюдаются многолетние циклы потепления или похолодания. Это оказывает существенное влияние на климат, погоду и особенно на жизнь организмов.

С глубиной температура воды в океане обычно снижается. В северных широтах верхний слой прогретой воды достигает к осени толщины 10-15 м, в средних широтах – 40 – 50 м. Под ним наблюдается сезонный скачок температуры. При сильном волнении и зимнем охлаждении слой температурного скачка разрушается, температура воды становится сравнительно одинаковой до глубины 50 м.

Как известно, вода обладает большой теплоемкостью: 1 м³ воды, охладившись на один градус, может настолько же нагреть более 3300 м³ воздуха. Это свойство воды позволяет Мировому океану служить аккумулятором и распределителем тепла на поверхности Земли. В умеренных и полярных широтах морские воды летом накапливают тепло, а зимой отдают его в атмосферу. В тропиках же вода нагревается с поверхности круглый год. Течения переносят теплые экваториальные воды в высокие широты, при этом холодные воды возвращаются в тропики в противотечениях. В частности, теплое течение Гольфстрим смягчает климат Англии и Скандинавии, течение Куросио делает более теплым климат Японии, а холодные Восточно-Гренландское и Лабрадорское противотечения охлаждают восточные берега Северной Америки, Курильское – Азии.

Вода в океане не стоит на месте, а все время перемещается. Эти перемещения осуществляются течениями. Основной причиной их образования являются ветры. В Атлантическом и Тихом океанах они дуют круглый год, создавая по обе стороны от экватора мощные потоки северного и южного пассатных течений, которые нагоняют воду к западным берегам обоих океанов. Часть этой воды возвращается к восточным берегам в виде экваториального противотечения. Другая часть, встретив на своем пути барьер из материков и островов, огибает его с северных и южных окраин, а затем, повернув на восток, образует круговую циркуляцию воды как в Северном, так и в Южном полушариях. Эта система течений особенно четко наблюдается в Тихом океане.

В Индийском океане круговые течения располагаются южнее экватора, а к северу от него господствуют течения сезонные. Их вызывают ветры, дующие летом с океана на сушу, а зимой в обратном направлении. Их называют муссонами. Различают течения теплые и холодные. При этом имеется в виду, что температура вод, переносимых этими течениями, соответственно теплее или холоднее температуры окружающей среды.

Еще недавно считалось, что глубинные и в особенности придонные океанические воды почти неподвижны. Теперь же установлено, что даже у самого дна вода перемещается, а подповерхностные течения по своей мощности мало отличаются от поверхностных. Так, в Тихом океане пассатным течением обнаружено встречное, у которого скорость достигает 130 км в сутки. В Атлантике наши океанологи открыли подповерхностное течение восточного противопассатного направления. В некоторых местах ширина этого течения достигает 15 000 км, скорость – 100 км в сутки. Подповерхностное течение обнаружено также в Индийском океане.

Интенсивное перемещение океанских вод происходит не только за счет мощных течений и противотечений, но и вследствие приливов и отливов. Приливы нагоняют воду на берега, а в устьях рек создают волны, направленные против течения. Отливы обнажают береговую полосу.

Рис.54 Схема возникновения приливов и отливов

Причины приливов и отливов одним из первых объяснил И. Ньютон. Главная из них связана с различием в притяжении частиц воды Луной (рис.54).

Частицы, находившиеся в данный момент ближе к Луне, притягиваются ею сильнее, а находящиеся дальше – слабее. Вследствие этого на стороне Земли, обращенной к Луне, и на противоположной ее стороне (вблизи точек А и В) вода поднимается, и наблюдаются приливы. Вблизи же точек С и D уровень воды снижается: здесь наступают отливы. При этом в двух противоположно расположенных областях земного шара образуются две приливные волны. Вследствие этого над каждым пунктом Мирового океана приливная волна проходит в сутки дважды. Следуя за Луной, она перемещается с запада на восток навстречу направлению вращения Земли. Скорость этой волны составляет 1800 км в час.

Аналогично луне свою приливную волну создает Солнце. При расположении Солнца и Луны на одной линии (то есть в полнолуние и новолуние) прилив оказывается самым высоким.

Поверхность океанов и морей постоянно покрыта волнами. Различают волны ветровые, цунами и барические. Первые из них возникают при ветре. Особенно большие волны вызывают штормы и ураганы, когда скорость ветра достигает 25 и 35 м/с соответственно.

Волны цунами образуются при извержениях подводных вулканов и при подземных землетрясениях. В отличие от ветровых волн они охватывают всю толщу воды. В открытом океане скорость распространения цунами достигает 800 км/ч, высота – примерно полметра. С выходом на прибрежное мелководье высота волн цунами быстро растет и иногда достигает 20-30 м.

Одновременно с волной цунами возникает «ударная волна». Она распространяется со скоростью звука (5400 км/ч), то есть в 6-7 раз быстрее, чем сама волна. Это позволяет с помощью гидрофонов заранее регистрировать ударную волну, устанавливать место ее возникновения, вычислять время, через которое придет волна, принимать оперативные меры, направленные на уменьшение потерь и разрушений.

Барические волны возникают при прохождении циклонов. В его центре атмосферное давление снижается иногда до 660 мм, вследствие чего на поверхности океана образуется выпуклость высотой до 1 м. Она и создает волну, которая также, может привести к тяжелым последствиям.

В гидросферу Земли входят также реки и озера. Реки содержат примерно 1200 км³ воды.

Реки часто начинаются там, где выходят на поверхность подземные воды: на склонах гор и холмов, в оврагах, болотистых низинах. Горные реки начинаются иногда от нижних краев ледников. Некоторые реки вытекают из озер. Например, Урал начинается родничками, бегущими с гор. Волга вытекает из болота, Нева и Ангара из озер.

Различают четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. Но первоисточником питания всегда служат атмосферные осадки: их выпадает на поверхность суши более 100 тыс. км³ ежегодно. Из них примерно треть стекает в океан. Территория, с которой река собирает атмосферные осадки, называется водосборным бассейном. Последний охватывает не только саму реку, но и ее притоки.

Количество воды, которое река выносит в море, океан или бессточное озеро за год, называется стоком. Количество воды, протекающее в реке через ее поперечное сечение в одну секунду, определяет расход реки. Сток зависит от количества выпавших за год атмосферных осадков и может меняться от года к году в широких пределах. Расход воды меняется в течение года. Больше всего он бывает во время паводков и половодий.

Паводок представляет собой сравнительно кратковременное и непериодическое поднятие уровня воды в реке, возникшее в результате обильных дождей или быстрого таяния снега и ледников. Половодье – это продолжительный подъем уровня воды в реке, вызываемый основным источником ее питания. Половодье, как правило, повторяется ежегодно, причем в определенный сезон. У рек с дождевым питанием половодье наступает в период дождей, со снеговым – весной, с ледниковым – летом. У рек, берущих начало на склонах высоких гор, бывает два половодья: первое – весной при таянии снега, второе – летом при таянии ледников. Период низкого уровня воды в реке по окончании половодья называют меженью. Паводки и половодья часто затопляют села и города, разрушая жилища, уничтожают посевы, смывают верхний (плодородный) слой почвы.

У каждой реки различают коренное русло и пойму. Коренное русло – это та часть поверхности Земли, по которой река течет при низком (меженном) уровне воды, а пойма – та часть, которая затопляется водой при разливе реки. Пойма, естественно, располагается по обеим сторонам коренного русла.

При обильных дождях или интенсивном таянии снега часть воды стекает по поверхности Земли до ближайших ручьев. При этом образуется так называемый поверхностный сток. С ним воды уносят частицы почвы, а также, собираясь в небольшие ручейки, заметно размывают почву и образуют в ней промоины. Этот процесс называют водной эрозией почвы. Если наклон местности, по которой течет река, большой, то ее русло вследствие эрозии постоянно углубляется. Нижним пределом такого углубления является уровень дна водоема, в который впадает река.

Некоторые реки имеют пороги. Так называются выходы скалистых пород, которые перегораживают русло реки. Вода при протекании через пороги кипит и бурлит, как в котле. Если русло в каком – то месте имеет резкое понижение, то образуется водопад. Водопады встречаются чаще всего в горных районах. На излучинах образуются мелководные участки, называемые перекатами.

В месте впадения реки в море или в озеро течение ослабевает, песок и ил оседает на дно. Иногда из них намываются целые острова, разделяющие основной поток воды на рукава. Так образуется дельта. Она постепенно растет и за счет наносов выдвигается в море или озеро.

Если река впадает в море, имеющие у берегов сильные приливные течения, то они смещают наносы и у реки образуется устье воронкообразной формы. Это так называемый эстуарий. Они возникают также на берегах, опускающихся под влиянием тектонических процессов.

Озера занимают 2 % поверхности суши. В России десятки тысяч больших и малых озер. Наиболее богаты ими Карелия, Новгородская и Тверской области, Сибирь. Большие озера смягчают климат окружающей территории. Зима вокруг них теплее, а лето – прохладнее. Так на берегах Байкала средняя температура воздуха в январе редко опускается ниже -9⁰С, тогда как в Верхоленске, расположенном всего в 75 км от озера, она доходит до – 25⁰С.

Некоторые озера представляют собой диковинки природы. Например, озера Пауэлл в Северной Америке и некоторые озера в Норвегии имеют совершенно пресные верхние слои, но под ними находятся лишь слегка опресненные морские воды. Когда – то эти озера были морскими заливами, но вследствие тектонических процессов были отрезаны от моря и подняты над уровнем моря вместе с сушей.

Некоторые озера в пустынях Центральной Азии регулярно меняют свое положение на поверхности суши. Это является следствием того, что впадающие в них реки меняют русла.

В Антарктиде недавно обнаружены три озера, из которых одно совсем не замерзает, а два других, хотя и покрыты льдом круглый год, но на глубине имеют достаточно высокую температуру воды от 8⁰С до 22⁰С.

В целом гидросфера Земли представляет собой уникальное образование. Ничего подобного пока не обнаружено ни на какой другой планете. Именно благодаря гидросфере на Земле присутствует живое вещество, и вполне возможно, что именно наличие гидросферы является основной причиной его возникновения.