Современные концепции естествознания

ЛЕКЦИЯ ДВАДЦАТАЯ

АТМОСФЕРА.
КЛИМАТ

Земной шар окутан невидимой оболочкой - атмосферой. Первой известной книгой об атмосферных явлениях была "Метеорология" Аристотеля.

Масса атмосферы около 5 × 10¹⁸ кг, причем половина воздуха сосредоточена на высотах ниже 6 км. По оценкам, возраст воздушной оболочки несколько миллиардов лет.

Условная верхняя граница атмосферы располагается там, где плотность оказывается равной плотности газов межпланетного пространства, - около 1000-1200 км (где еще наблюдаются полярные сияния). Вместе с тем следы земной атмосферы обнаружены межпланетными станциями на расстояниях более 20 000 км от Земли. При этом стоит помнить, что легкие газы покидают атмосферу - так за Землей по ее орбите тянется гелиево-водородный шлейф. Исследования с помощью спутников показывают, что на высотах более 500 км в атмосфере преобладает гелий, еще дальше от поверхности Земли атмосфера практически полностью состоит из водорода.

В 1962 году Всемирная метеорологическая организация пришла выводу, что в качестве параметра, определяющего структуру атмосферы, может быть принята температура воздуха (для верхних, сильно разреженных слоев атмосферы - температура как мера энергии частиц). На этом основании атмосфера в достаточной мере условно разделена на 5 сфер: тропосферу - до 11 000-20 000 м; стратосферу - до 50 000-55 000 м, мезосферу - до 80 000-35 000 м; термосферу - до 800 000 м; экзосферу - выше 800 000 м.

174

Название нижнего слоя, тропосферы, происходит от греческого слова "тропос" - вращение, перемешивание. Высота тропосферы зависит от географической широты, времени года и других причин. В умеренных широтах толщина тропосферы 9-12 км, около полюсов - 8-10 км, около экватора - 16-18 км. Воздух в тропосфере постоянно перемешивается, именно здесь сосредоточены основные массы водяного пара. Именно процессы в тропосфере ответственны за климат и погоду. С высотой температура воздуха в тропосфере убывает - примерно на 1 К на каждые 200 м высоты. На верхней границе тропосферы средняя годовая температура - 50-70°С.

Тропосферу и стратосферу разделяет относительно узкий слой, характеризующийся мощными узкими потоками воздуха (до 300 км/ч) и имеющий толщину 1-2 км - тропопауза.

В лежащей выше стратосфере температура воздуха медленно растет и на верхней границе достигает 0°С. При этом о температуре уже можно говорить только как о мере энергии частиц: концентрация молекул в стратосфере, по крайней мере, в 100 раз меньше, чем у поверхности Земли (и уменьшается с ростом высоты). Водяного пара в стратосфере нет. Однако в стратосфере, как и в тропосфере, происходит интенсивное перемешивание воздушных масс. Здесь же, на высотах от 20 до 30 км, лежит насыщенный озоном О₃ слой.

Следующий слой - мезосфера. При увеличении высоты температура падает до -70-80°С. Выше 80 км, в термосфере, температура газа повышается и достигает постоянного значения до 1500°С в экзосфере. Энергия ионизированных частиц верхних слоев атмосферы зависит от солнечной активности, времени года.

С точки зрения физических процессов, атмосфера условно разделяется на хемисферу (ниже 80 км), в которой существенную роль играют химические процессы, и ионосферу (выше 80 км), ионизированный газ которой определяет особенности электрических процессов (отражение радиоволн, полярные сияния и др.).

Атмосфера Земли содержит (в весовых процентах) 78% азота, 21% кислорода, чуть менее 1% аргона, 0,03%

175

углекислого газа. Водород - самый распространенный элемент Вселенной - в атмосфере Земли почти отсутствует.

Атмосферы других планет существенно отличаются от атмосферы Земли. Так, по данным исследований с использованием космических аппаратов, атмосфера Венеры на 97% состоит из углекислого газа.

Углекислый газ, являясь причиной возникновения парникового эффекта, играет огромную роль в регулировании тепловых потоков между поверхностью Земли и космосом (лекция 21).

Озоновый слой. Проблема "озоновой дыры", уменьшения концентрации озона О₃ в атмосфере, является одной из наиболее обсуждаемых сегодня. Озон - химически активный газ, сильный окислитель. Но в то же время он нестойкий, легко разлагается на молекулу и атом кислорода. Образуется при электрическом разряде в воздухе, при действии ультрафиолетового излучения на атомы кислорода. Свежесть воздуха после грозы связана с повышением концентрации озона (обычно в воздухе в приземных слоях - не более одной стотысячной доли процента озона). Озон применяют для дезинфекции воды, воздуха, отбеливания тканей и т.п. Характерный неприятный запах, сопровождающий работу копировальных аппаратов и медицинских стерилизующих ламп вызван повышением концентрации озона из-за ионизации окружающего воздуха.

В верхних слоях атмосферы (высоты от 10 до 50 км) находится слой, в котором концентрация озона существенно выше, чем в приземных слоях. Озон верхних слоев атмосферы поглощает основную долю коротковолнового ультрафиолетового (с длиной волны около 250 нм) излучения Солнца. Увеличение интенсивности этой части излучения Солнца ведет к росту заболеваний кожи (немеланомный рак), глаз, иммунной системы. Снижается продуктивность животноводства, урожайность сельскохозяйственных культур. При уменьшении содержания озона на 10% интенсивность ультрафиолетового излучения с длиной волны 290 нм возрастает в 50 раз.

Общее количество озона в атмосфере мало, при нормальном давлении и температуре 0°С он распределила бы по земной поверхности слоем 2-3 мм.

176

Как показали измерения, содержание озона в атмосфере зависит от времени года и от широты местности. Самое низкое содержание озона - в экваториальном слое, от 28° северной широты до 28° южной широты (почти половина поверхности земного шара). В поясе умеренных широт (35-70°) северной широты количество озона самое большое. Сезонные колебания совпадают с сезонными колебаниями солнечной энергии. В арктическом поясе озона сравнительно мало.

Содержание озона в атмосфере тесно связано с солнечной активностью. В поясе умеренных широт в годы максимальной активности Солнца содержание озона повышается. В тропических областях в годы активного Солнца количество озона уменьшается по сравнению со спокойными годами.

Весной 1985 года при тщательных измерениях концентрации озона с использованием спутников было обнаружено, что над Антарктидой существует зона, в которой концентрация озона ниже, чем в других точках над поверхностью планеты. Причем количество озона имеет тенденцию к уменьшению. Появился термин "озоновая дыра". В начальный период наблюдений (1985-1987 гг.) площадь озоновой дыры возрастала. В дальнейшем характер ее изменения стал менее определенным, ясности в динамике поведения "озоновой дыры" нет и по сей день.

Поиск причин возникновения озоновой дыры привел к точке зрения, что это явление связано с деятельностью человека - полетами самолетов, запусками ракет. И особенно - с использованием негорючих, взрывобезопасных, химически инертных газов типа хладона (фреона). Именно эти газы являлись общеупотребительными в холодильной технике, пожаротушении промышленных объектов, косметике. Мировое производство хладонов на конец 80-х гг. составляло около 800 тысяч тонн в год. Сегодня производство этих газов фактически уничтожено.

В 1985 г. была принята Венская конвенция по защите озонового слоя, в 1987 г. - Монреальский протокол, согласно которому страны, его подписавшие, обязываются резко сократить выпуск фреонов и других разрушающих озон веществ.

177

Но никто не доказал, что именно эти газы являются причиной возникновения озоновых дыр. Механизм образования озоновых дыр неизвестен. Однако точно известно, что "фреоновая" версия выгодна мировым производителям химических продуктов, в частности - корпорации Дюпона. Этот пример показывает, как результаты лабораторных исследований дают аргументы для завоевания экономических рынков и вытеснения конкурентов.

Понятие климата (от греч. klima - наклон) ввел древнегреческий астроном Гиппарх из Никеи (190-120 годах до нашей эры), разделивший Землю на пять широтных зон - полярные, умеренные и тропическую, отличавшиеся наклоном солнечных лучей, то есть высотой Солнца над горизонтом. А. Гумбольдт (1769-1859) добавил к этому "наклону" влияние подстилающей поверхности океана и суши на атмосферу.

Под климатом понимают усредненные за сто лет характеристики (температуру, давление, освещенность, количество осадков и т.п.). Оказалось, что такое усреднение весьма точно характеризует условия, существующие как в отдельных зонах, так и на планете в целом. Именно поэтому климат является глобальной характеристикой. На протяжении жизни отдельного человека климат остается практически неизменным, погода рассматривается как нечто колеблющееся около некоторых средних значений. Заметить изменчивость климата удается только при научных исследованиях.

Основными климатообразующими процессами являются теплообмен, влагообмен и циркуляция атмосферы. Все эти процессы имеют один источник энергии - Солнце.

Теплообмен складывается из процессов поглощения солнечной энергии поверхностью суши и океаном; испарения воды (в том числе - растениями); теплоотдачи от поверхности океана и суши в атмосферу; таяния и кристаллизации воды.

Интенсивность теплового потока от океана примерно в 3 раза меньше, чем от суши, и достигает максимума в тропических поясах. Толщина океанического слоя, в котором проявляются сезонные колебания, составляет 240 м, а у суши - 10 м. Океан играет в климатической

178

Рис. 20.1
Океанический пояс
Холодные потоки, циркулирующие вокруг Антарктики, перемещают в Тихий и Индийские океаны охлажденную воду. Там она нагревается и поднимается к поверхности. Вслед за этим нагретые воды двигаются к Югу. Совершается кругооборот энергии.

системе роль инерционного звена, именно он отвечает за изменения климата и долгосрочные аномалии погоды.

Влагообмен проявляется в испарении воды с поверхности суши, переносе водных масс течениями в морях и океанах, конденсации и выпадении осадков.

Годовое количество осадков на океанах в 1,5 раза больше, чем в среднем на суше. Разница отсутствует в тропическом поясе.

Циркуляция атмосферы складывается из горизонтальных и вертикальных воздушных течений. Постоянное существование разности температур между экватором и полярными районами является причиной устойчивых потоков воздуха в атмосфере. Воздушные потоки перераспределяют влагу над поверхностью Земли. В процессе планетарного влагообмена в тропосферу над сушей поступает тепло с океанов, достаточное для испарения годового стока воды с суши в океан.

Климат классифицируют по различным признакам.

По объему территорий, охватываемых анализом указанных выше взаимосвязей. Макроклимат - от планеты до крупных географических районов; мезоклимат - для крупного объекта географического ландшафта (лес, город и т.п.); микроклимат - для небольшой территории или отдельных небольших объектов (склон, улица, нора и т.д.).

По географическим зонам - климат тундры, тайги, пустыни, саванны, тропического леса и т.п.

По связи атмосферы с поверхностью Земли - климат приземного слоя, климат высоких слоев атмосферы.

179

По нахождению воздушных масс над сушей или океаном - океанический, морской, континентальный.

По степени насыщенности водяными парами - аридный (сухой), семиаридный, гумидный (влажный).

Основными географическими факторами, обуславливающими пространственные различия климата, являются: географическая широта местности; подстилающая поверхность (пустыня, лес, тундра, степь и т.п.); близость к океану; высота над уровнем моря.

Географическая широта оказывает ведущее влияние на взаимосвязь процессов тепло- и влагообмена, циркуляцию воздушных масс. Интенсивность и режим солнечного излучения, отклоняющая сила вращения Земли (силы Кориолиса), перенос влаги, выпадение осадков непосредственно связаны с широтой местности. Поэтому и возникло понятие зонального климата.

Температура воздуха вблизи поверхности Земли повышается при движении от полюса к экватору (рис. 20.2). Среднегодовая температура на Южном полюсе (-35°С) ниже, чем на Северном (-19°С). Самая высокая среднегодовая температура отнюдь не на экваторе, а несколько смещена в сторону Северного полюса. В Северном полушарии температура увеличивается примерно на 0,5°С при приближении к экватору. В южном полушарии она меняется быстрее, увеличиваясь на 0,7°С. Это связано с разными условиями теплового режима полушарий.

Действительно, в Северном полушарии на сушу приходится 39% поверхности, а в Южном - 19%. Различны и характеристики полярных областей. Северная полярная область занята океаном, и за счет связи с Мировым океаном

Рис. 20.2
Связь среднегодовой температуры с широтой местности
Видно, что максимальная среднегодовая температура наблюдается примерно на 20° Северной широты. Южное полушарие холоднее Северного.

180

получает заметное количество тепла. Южная полярная область занята материком, и приток энергии к ней возможен только за счет атмосферных процессов и излучения Солнца. Стационарные области высокого давления (антициклоны) изолируют внутренние области Антарктиды от переносов тепла. Отражающая способность поверхности антарктических льдов (альбедо) составляет 90% (т.е. только 10% падающего излучения поглощается поверхностью). В то же время альбедо в Арктике равно 70%. То есть 30% падающей энергии поглощается льдами и водой.

Климат определяется и осадками, зависящими от влажности (количество водяного пара в единице объема воздуха). Из-за разной температуры воздуха на разных широтах различна и влажность воздуха. На экваторе она велика и обеспечивает выпадение осадков до 2000 мм в год. В приполярных районах оно в 10 раз меньше.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каковы принципы разделения атмосферы на отдельные зоны (сферы)?
2. Прокомментируйте высказывание: "Температура газа в экзосфере достигает 1500 К".
3. Что такое "озоновая дыра"? Можете ли Вы привести примеры использования данных естественных наук для манипулирования населением?
4. Почему климат - глобальная характеристика?
5. В чем разница между климатом и погодой?
6. Что такое микроклимат?
7. Какие основные климатообразующие процессы на Земле?
8. Почему мы утверждаем, что Мировой океан определяет глобальный климат планеты?
9. Какие причины обуславливают пространственную дифференциацию климата?
10. С чем связана широтная зависимость среднегодовой температуры?
11. Почему средняя годовая температура в Северном полушарии выше, чем в Южном?

181