Текст книги "Экология"

Неравномерный нагрев поверхности Земли из-за времени года, облачности, способности водных объектов аккумулировать теплоту и прочие причины ведут к возникновению в тропосфере разнообразных потоков горизонтальной циркуляции воздушных масс (ветры, ураганы, циклоны, муссоны, пассаты и др.).

Главная причина переноса воздушных масс – подъем теплого легкого воздуха (конвекция) и замещение его снизу холодным. Сильнее всего за день прогреваются тропические области, где солнечные лучи падают на Землю почти отвесно. Воздух вблизи экватора устремляется вверх, приподнимая верхнюю границу тропосферы в тропиках до высоты около 17 км, что вдвое выше, чем у полюсов. Далее на больших высотах воздух растекается от экватора на север и юг (рис. 7.9).

Вертикальные конвекционные потоки переходят в горизонтальные. Теплый воздух в верхней части тропосферы частично охлаждается, отдавая теплоту в космическое пространство. В средних широтах он опускается, компенсируя убыль от конвекционного подъема, и устремляется обратно к экватору. Такова схема работы «тепловой машины» Земли.

Расчеты на основании приведенной схемы показывают, что время, за которое воздушная масса атмосферы перемещается на расстояние земного радиуса, составляет около недели. Неделя – характерное время изменения погоды. Она является границей между краткосрочной переменой погоды и долгосрочной, связанной с изменениями условий нагревания Земли. По тем же расчетам средняя скорость воздуха у поверхности Земли составляет около 10 м/с или 36 км/ч.

На высотах около 10 км, где плотность воздуха в 10 раз меньше, чем у поверхности, ветры дуют со скоростью около 100 м/с или даже нескольких сотен километров в час (от экватора воздушные потоки оттекают со скоростью около 200 м/с). Однако направлены они не на север и не на юг от экватора. Из-за в р а щ е н и я З е м л и верхние ветры и в Северном, и в Южном полушариях отклоняются и становятся западными, а нижние ветры, направляющиеся к экватору, приобретают восточное направление. Такой восточный ветер, преобладающий на океанских просторах тропических широт, называют пассатом. Следовательно, схема на рис. 7.9 справедлива, но только как проекция направлений ветров на плоскость, проходящую через центр Земли и перпендикулярную плоскости экватора.

Конвективный подъем масс воздуха приводит к их попаданию в верхние разреженные слои атмосферы, а расширение сопровождается охлаждением. При температурах ниже точки росы происходит конденсация паров воды, образуются облака. Над тропиками на высоте 17 км воздух охлаждается до-75 °C (самое холодное место тропосферы) и становится очень сухим, так как почти вся его влага остается в облаках на высотах 1–5 км. Путь от экватора до средних широт, где воздух опускается к поверхности Земли, преодолевается очень быстро – приблизительно за сутки, поэтому поток теряет мало энергии. В результате опустившийся воздух увеличивает свою плотность, нагревается за счет этого и снова имеет температуру около +30 °C, почти такую же, как была у экватора, но при меньшей внутренней энергии из-за значительно меньшей влажности.

Рис. 7.9. Экваториальная конвекция – причина ветров

Опускание очень сухого и теплого воздуха происходит на широтах 25–30° в обоих полушариях. Именно там находятся крупнейшие пустыни Земли: Сахара в Африке, Аравийская и Тар в Азии, а также южные пустыни Калахари в Африке и несколько пустынь в Австралии. На Американском континенте пустынь меньше (из-за горной цепи Анды—Кордильеры), но расположены они на тех же широтах.

Воздух опускается сверху и растекается по поверхности с малой скоростью. Соответствующие широты – это область штилей. Они были названы моряками «конскими широтами», ибо во времена парусного флота суда, случалось, месяцами не могли выбраться из них. Жара и жажда были причиной гибели прежде всего перевозимых морем лошадей.

Почти такое же объяснение пассатов было дано в 1735 г. английским ученым Дж. Хэдли с той лишь разницей, что он рассматривал атмосферную циркуляцию от экватора до полюсов. В честь него тропический круговорот воздуха называют ячейкой Хедли.

Позже, в 1856 г. У. Феррел модифицировал схему Дж. Хэд-ли, дав объяснение средним направлениям потоков воздуха в полосе широт от 30–40 до 60–70°. Это, в частности, объяснило природу возникновения ураганных западных ветров у поверхности океана в Южном полушарии, известных как «ревущие сороковые». В честь У. Феррела названа ячейка атмосферной циркуляции в средних широтах с обратным направлением потоков (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Глобальная схема ветров в атмосфере Земли с ячейками циркуляции: а – у поверхности; б – в верхней части тропосферы

Наконец, ближе к полюсам циркуляция воздуха происходит снова в прямом направлении. Подробнее объяснение причин возникновения указанных ячеек и общей схемы циркуляции воздуха в атмосфере приведено в специальной литературе.

Рассмотренная схема описывает только очень усредненную картину земных ветров. Фактическая картина сильно отличается от нее. Одни отклонения связаны с рельефом суши и разным альбедо[56]56
  Альбедо (от лат. albus – светлый) – коэффициент отражения, с помощью которого измеряется отражательная способность какой-нибудь поверхности. В данном случае это отношение количества солнечной энергии, отраженной Землей обратно в космическое пространство, к поступающей энергии.


[Закрыть] суши, моря и их отдельных участков, другие – с погодой. Кроме того, пока невозможно отделить явления климата от погодных явлений. Переменчивость и неспокойствие – неотъемлемое свойство земной атмосферы. Несмотря на многие исследования, выполненные после Дж. Хэдли, исчерпывающего объяснения общей циркуляции атмосферы не найдено до сих пор.

Воздействие облачности на биосферу многообразно. Она влияет на альбедо Земли, переносит воду с поверхности морей и океанов на сушу в виде дождя, снега, града, а также ночью закрывает Землю, как одеялом, уменьшая ее охлаждение.

Облако, по выражению В. Даля, – это «туман на высоте». Туман является разновидностью аэрозоля – дисперсной системы, состоящей из капель жидкости или твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде (обычно в воздухе). К аэрозолям относятся также дым, пыль. В атмосфере туман представляет собой скопление свободно витающих в воздухе водяных капель или ледяных кристаллов, резко снижающих прозрачность среды.

Облака бывают трех основных видов: слоистые, кучевые, перистые.

Слоистые облака (от лат. stratus – настил, слой). Они образуются при охлаждении малоподвижных воздушных масс, что происходит либо ночью, когда с верхней границы облака тепловое излучение уходит в космос, либо при движении теплой влажной массы воздуха над холодной поверхностью Земли или холодной воздушной массой.

Кучевые облака (от лат. kumulus – груда, скопление). Они являются результатом конвекции (подъема) богатого влагой воздуха. Адиабатическое[57]57
  Адиабатический (от греч. adiabatos – непереходимый) процесс – изменение состояния физического тела без притока или отдачи теплоты.


[Закрыть] охлаждение приводит к тому, что на определенной высоте влажность воздуха достигает насыщенного состояния и начинается конденсация влаги. Это и есть нижняя граница кучевого облака, которая остается практически неподвижной, хотя воздух постоянно проходит через нее. Над верхней границей облака (состоящей обычно не из капель, а из кристалликов льда) воздух, охлажденный и лишившийся влаги, растекается в стороны и опускается вниз вокруг кучевого облака. С самолета можно видеть, что большое кучевое облако имеет правильно расположенные конвекционные ячейки, ровными рядами или отдельными холмами возвышающимися в шахматном порядке.

При мощной конвекции рождается туча – грозовое кучевое облако. Его обычная высота 7—10, а у экватора 12–15 км. В туче существуют восходящие и нисходящие потоки воздуха. Вниз он увлекается падающими каплями дождя или льдинками. Слоистые и кучевые облака вместе составляют гамму смешанных видов облаков.

Перистые облака (от лат. kurros – локон, завиток). Они состоят из мелких кристаллов льда и образуются на больших высотах в быстрых турбулентных струях ветра.

Облака присущи и другим планетам с мощными атмосферами. Ими полностью скрыты поверхности Венеры и Титана, а поверхностью Юпитера и Сатурна считают верхние края облаков, ибо другой поверхности (ни жидкой, ни твердой) там нет. Химический состав облаков соответствует химическому составу атмосфер других планет: так, считают, что некоторые облака Венеры – это капельки кислоты.

Облака на Земле – существенная характеристика погоды. Преимущественно мощная облачность располагается над теми местами, где давление у поверхности низкое. Туда стремятся, закручиваясь из-за вращения Земли, поверхностные ветры (рис. 7.11). В центре такого циклона (от греч. zyklone – вращающийся, кольцо змеи) воздух поднимается вверх и, охлаждаясь, образует облака. В верхних слоях атмосферы циклона, над областью пониженного давления, наблюдается прямо противоположное явление – давление атмосферного воздуха выше среднего, характерного для данной высоты. В верхней тропосфере воздух из-за избыточного давления расходится от центра циклона.

Рис. 7.11. Схема циклона (а) и антициклона (б): 1 – давление у поверхности; 2 – направления поверхностных ветров; 3 – вертикальный разрез; 4 – направления высотных ветров; 5 – давление в верхней тропосфере; p – давление; z – высота над уровнем моря

Антициклон – область повышенного атмосферного давления у поверхности. В антициклоне сухой воздух опускается из верхней тропосферы, поэтому над местами, где он образовался, безоблачное, ясное небо.

Циклоны и антициклоны имеют диаметры около 200– 3000 км и в среднем существуют около недели. При этом есть на Земле и постоянный циклон, и летом, и зимой стоящий около Исландии. Он существует благодаря встрече теплых вод Гольфстрима с холодным полярным воздухом.

Погода нашей страны зимой во многом определяется Сибирским антициклоном, главную роль в формировании которого играют Гималаи, не пропускающие на север влажный воздух Индийского океана.

Число циклонов и антициклонов по всей Земле в каждый момент времени примерно одинаково. Облачность закрывает около половины поверхности планеты.

В связи с наклоном оси вращения Земли на 66,5° к плоскости эклиптики количество солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы, является функцией географической широты местности и времени года (рис. 7.12).

При прохождении через земную атмосферу интенсивность солнечного излучения заметно уменьшается. Ослабление зависит от свойств облачного покрова, содержания пыли в атмосфере, а также от суточных и сезонных изменений различных физических величин.

В среднем за год 25–30 % приходящего солнечного излучения отражается облаками обратно в космическое пространство. Еще 25 % излучения поглощается, а затем переизлучается облаками, пылью, газами, т. е. в виде нисходящей, диффузно рассеянной радиации. Примерно столько же поступает на поверхность Земли в виде прямой солнечной радиации.

Соотношение между прямым и рассеянным светом закономерно меняется в зависимости от географической широты. В полярных районах преобладает рассеянная радиация, составляющая до 70 % суммарного лучистого потока, а в экваториальных областях она не превышает 30 %. Это связано с лучшим прохождением лучей прямой радиации через атмосферу вертикально вниз, а не под малым углом к горизонту.

Рис. 7.12. Сезонные изменения интенсивности облучения поверхности Земли солнечной радиацией на разных широтах Северного полушария (по Дж. Андерсону): 1 – экватор; 2 – умеренная зона (40° с. ш.); 3 – полярная зона (80° с. ш.)

Часть излучения, достигающего поверхности, возвращается в атмосферу. Ее количество зависит от альбедо (отражающей способности) поверхности: снег отражает около 80–95 %, травянистая поверхность – 20 %, а темные почвы – только 8—10 % потока приходящего излучения. Среднее альбедо Земли – 35–45 %.

Большая часть поглощаемой водоемами и почвой солнечной энергии затрачивается на испарение воды. При конденсации паров выделяющаяся теплота идет на дополнительный нагрев атмосферы, основной нагрев которой происходит непосредственно при поглощении 20–25 % излучения, поступающего от Солнца.

Атмосфера достаточно прозрачна для коротковолнового излучения Солнца и плохо пропускает длинноволновое (инфракрасное) излучение, переизлученное (не путать с отраженным!) нагретой земной поверхностью, что вызывает относительно усиленный нагрев приземных слоев воздуха, называемый парниковым эффектом. Атмосфера играет роль своеобразного «одеяла», удерживающего тепло аналогично стеклянной крыше парника. Пропускание атмосферой инфракрасного излучения зависит от содержания в ней «парниковых» газов, к которым в первую очередь относятся пары воды[58]58
  Пары воды, благодаря своему обилию, – наиболее значимый природный парниковый газ. Однако при конденсации в облака роль паров воды становится диаметрально противоположной, ибо облака, отражая солнечное излучение, препятствуют нагреву поверхности Земли.


[Закрыть] (Н₂О), диоксид углерода (СО₂), метан (СН₄), хлорфторуглероды (фреоны[59]59
  Фреон (от фр. – freon), русский синоним – хладон.


[Закрыть]), гемиоксид азота (N₂О), а также тропосферный озон (О₃).

Гидросфера (от греч. hydor – вода, spahaire – шар) – жидкая оболочка планеты. Человек, являясь сухопутным обитателем, воспринимает Землю прежде всего как сушу, однако при рассмотрении из космоса наша планета представляется планетой воды (рис. 7.13), ибо более 3/4 ее занимают водные поверхности океанов, морей, континентальных водоемов и ледников, причем 3/4 – это нижний предел величины, так как площадь, покрываемая гидросферой, существенно меняется и достигает в декабре – феврале 443 млн км² (табл. 7.4) или около 87 % поверхности Земли, равной 510 млн км². «Как же не соответствует нашей планете имя Земля! Насколько правильнее было бы говорить – Океан» (Артур Кларк).

Зимой люди на значительной территории суши ходят «по колено» в твердой воде и, как все живое, не могут не учитывать наличие этой сезонной разновидности гидросферы в своей жизнедеятельности.

Рис. 7.13. Соотношение площади суши и водной поверхности на Земле: а – океаническое полушарие; б – материково-океаническое полушарие

Таблица 7.4

Площадь, занимаемая гидросферой на поверхности Земли

Понятие «гидросфера» включает все свободные воды Земли, которые не связаны химически и физически с минералами земной коры, т. е. могут двигаться под действием гравитационной силы либо теплоты. Гидросфера (табл. 7.5) состоит из всех океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежного покрова, включает атмосферную и почвенную влагу, а также биологическую воду (например, в организме человека содержится около 70 % воды).

Таблица 7.5

Масса воды в гидросфере и ее составляющих

* Обычно, оценивая гидросферу, считают, что 1 т природной воды занимает объем 1 м³. Это неточно из-за колебаний солености и температуры морской воды, однако возникающая ошибка незначительна, а расчеты намного упрощаются. В скобках указаны иные оценки массы.

Количество воды в океане, основной составляющей гидросферы, не строго постоянно. Уровень океана за время его существования неоднократно падал на 120–150 м ниже современного, и тогда шельф становился сушей, а континентальный склон местами обнажался. «Ушедшая» вода накапливалась на суше ледяными горами, подобными тем, что сейчас существуют в Антарктиде и Гренландии. В периоды оледенения доля поверхности Земли, занятая Мировым океаном, сокращалась примерно на 5 %. Тем не менее океан всегда преобладал над сушей.

Вода обладает рядом уникальных особенностей, отличающих ее от большинства других жидкостей, что накладывает отпечаток на строение и жизнедеятельность организмов:

• высокая универсальная растворяющая способность; поверхностное натяжение; скрытая теплота плавления льда (336 Дж/г); теплопроводность; диэлектрическая проницаемость;

• полярность молекулы;

• полная прозрачность в видимом участке спектра;

• наивысшая среди жидкостей и твердых тел удельная теплоемкость;

• аномально высокая для жидкости удельная теплота испарения (2263,8 Дж/г при 100 °C);

• способность испаряться и сублимироваться при любой температуре;

• малая сжимаемость;

• источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и донор ионов водорода в фотосинтетических реакциях;

• наличие максимальной плотности при +4 °C.[60]60
  Это свойство воды объясняет, почему в средних широтах зимой температура подземелий и на дне глубоких озер достаточно стабильна и равна примерно +4 °C.


[Закрыть] Морская вода, содержащая 3,5 % солей, не имеет температурного максимума плотности, что является одним из ее важных отличий от пресной воды. Чем морская вода холоднее, тем тяжелее, вплоть до температуры-2 °C, когда в ней появляются кристаллы льда.

Следует подчеркнуть, что пресная вода, в отличие от большинства веществ, при плавлении сжимается, а при замерзании, наоборот, расширяется. Этим объясняется тот факт, что вода активно участвует в формировании облика поверхности Земли, разрушая материнские породы гор на мелкие частицы – первичный материал почвы. За миллионы лет вода уничтожает самые высокие горы, снося продукты их разрушения в пониженные места рельефа и вынося ручьями и реками в моря. Все реки планеты ежегодно выносят в моря и океаны около 20 млрд т твердых частиц, полученных при разрушении суши, и около 3 млрд т растворенных веществ. За год суша теряет 10–12 км³ горной породы и почвы. В целом на Земле поверхность суши понижается за счет разрушения со скоростью около 90 мм за тысячелетие.

Кроме того, вода – единственное вещество на Земле, которое одновременно и в больших количествах встречается во всех трех агрегатных состояниях. Ряд особенностей воды подробнее рассмотрен ранее.

Если условно воду всей гидросферы равномерно распределить по поверхности планеты, то она покроет ее слоем толщиной около 3000 м. Если земной шар уподобить яйцу, то земная кора будет соответствовать скорлупе, а гидросфера – тончайшей, менее микрона толщиной, пленке на ее поверхности.

Тончайшая в масштабах нашей планеты пленка воды на ее поверхности оказывает стабилизирующее воздействие на условия среды, прилегающей к поверхности, в которой развивалась и существует биосфера. Средняя глобальная температура у поверхности планеты на протяжении всей ее истории, т. е. около 4,6 млрд лет, изменялась в очень незначительных пределах. Гидросфера за этот период никогда не кипела, не испарялась полностью и не замерзала. Все это говорит о достаточно узком диапазоне колебаний температуры, верхний предел которого заведомо был значительно ниже 100 °C, а нижний несколько выше 0 °C.

Учитывая, что при температуре более 50–60 °C (температура пастеризации) основная часть организмов не может существовать и что при средней температуре ниже +5 °C начался бы необратимый процесс полного оледенения планеты, можно сделать вывод о еще более узком возможном диапазоне температур на поверхности Земли. В стабилизации условий на поверхности Земли особенно велика роль Мирового океана, что обусловлено его массой и занимаемой площадью.

Несмотря на внушительный объем вод, на нашей планете лишь 2,5 % приходится на долю пресной воды (с минерализацией[61]61
  Минерализация – количество солей в граммах на 1 литр воды, г/л.


[Закрыть] менее 1 г/л), причем в пресных озерах и реках ее содержится всего 0,007 % от общих запасов.

Гидросфера и ее составляющие части, круговорот воды, а также динамические явления прошли длинный путь эволюции. Они неоднократно менялись по массе, соотношению жидкой и твердой частей, вовлекаемых в кругооборот и движение, по скоростям и расстояниям переноса этих масс, по заключенным в них энергии, растворенным газам, твердым веществам, взвесям, по органическим веществам. Эти изменения записаны в геологической летописи – слоях пород, сформировавшихся и формирующихся сейчас в водоемах, – которая пока еще не полностью расшифрована.

Вода столь широко распространена не только на Земле. Ее достаточно много в окружающем нас космическом пространстве. Так, полюса Марса покрыты ледяными шапками; спутники Юпитера, Сатурна и некоторых других планет – полностью льдом; ядра комет состоят изо льда (что экспериментально подтверждено при исследовании кометы Галлея); атмосфера Венеры имеет значительное количество паров воды и т. д. Однако на поверхностях иных планет вода существует только в твердом или парообразном состоянии, а на Земле она преимущественно жидкая.

По данным о скорости радиоактивного распада атомов различных элементов Земля образовалась из холодного газопылевого облака 4,6 млрд лет назад. Возраст самых древних пород, найденных в наши дни, достигает 3,8 млрд лет, причем они сохранили отпечатки стенок клеток самых древних одноклеточных организмов. Математические расчеты общего разнообразия генетического кода позволили немецким биохимикам установить его возраст, составивший 3,8 ± 0,6 млрд лет, следовательно, упомянутые породы отлагались в водоемах, где к тому времени уже должна была существовать жизнь, причем такая, которая успела активно включиться в биогеохимические процессы. Поэтому гидросфера с жидкой водой должна была появиться еще раньше, не позднее 4 млрд лет назад.

В настоящее время нет достоверных данных о составе первичной атмосферы и растворенных веществах в первичной гидросфере на начальном этапе их образования. Считают, что с определенного момента атмосфера и гидросфера стали быстро пополняться газами, выделявшимися при вулканических извержениях и излияниях лав, а также при дегазации в рифтовых долинах. Возникшая атмосфера была почти полностью лишена кислорода и потому имела восстановительный характер. Выбрасываемый вулканами и выделявшийся при дегазации диоксид углерода вместе с водяным паром обеспечили парниковые условия, что отразилось на ходе эволюции Земли.

Пополнение гидросферы нашей планеты водой вследствие непрерывной дегазации вещества мантии шло постоянно, но с разной интенсивностью. В период «белого пятна времени»[62]62
  Период эволюции Земли 4,6–4 млрд лет на уровне современного знания заполнен только физически непротиворечивыми гипотезами и предположениями и потому назван «белым пятном времени».


[Закрыть] шел медленный рост за счет ювенильных[63]63
  Ювенильные (первичные) – воды дегазирующейся магмы, впервые вступающие в круговорот воды на Земле. Экспериментально установлено, что лавы, формирующие базальты, содержат до 7 % (мас.) воды, основная часть которой выделяется при остывании.


[Закрыть] вод, а затем в течение примерно 1 млрд лет гидросфера росла достаточно быстро (рис. 7.14). В последние 2,5–2 млрд лет она стабилизировалась.

Рис. 7.14. Изменение массы М воды в гидросфере и земной коре (по О. Г. Сорохтину): 1 – дегазированной из мантии; 2 – в гидросфере; 3 – связанной в океанической коре; 4 – связанной в континентальной коре

В это время срединно-океанические хребты и часть воды была затрачена на серпентинизацию[64]64
  Серпентинизация – многостадийный процесс изменения (гидратации – химической реакции с участием воды) природных магнезиальных силикатов (оливин и другие) с переходом в серпентин – минерал из класса силикатов, по кристаллической структуре относящийся к слоистым силикатам. Процесс протекает под воздействием термальных водных растворов.


[Закрыть] нижнего слоя океанической коры, в результате чего вода, пополнявшая гидросферу (вместе с углекислым газом), оказалась химически связанной оливином.[65]65
  Оливин – магниево-железистый силикат (Mg,Fe)₂ SiO₄], являющийся главным минералом ультраосновных пород мантии Земли. Он используется для изготовления огнеупорных кирпичей, в ювелирном деле и других областях.


[Закрыть]

После преобразований океанической коры вновь начался рост массы океана, но примерно 1 млрд лет назад она приблизилась к современной, и темпы роста ее сильно замедлились. Процесс изменения массы гидросферы за счет дегазации тесно связан с эволюцией недр Земли и определяется скоростью роста плотного ядра планеты за счет сепарации в нем соединений железа.

Далеко не вся поступающая из недр Земли вода остается в составе гидросферы. Одна часть воды затрачивается на серпентинизацию вновь образующихся порций океанической коры, а другая вместе с осадочными толщами, накопившимися на ложе океана, погружается снова в недра Земли в зонах субдукции.

В процессе переплавки океанической коры после ее погружения в недра Земли вода играет важную роль, так как водонасыщенные силикатные слои плавятся при температурах около 700 °C, тогда как сухие – выше 1000 °C.

На протяжении всей истории нашей планеты шло перемещение морских вод из исчезавших океанов во вновь возникавшие. В современных океанах движущаяся подобно конвейеру океаническая кора в целом моложе самих океанов. Максимальный возраст ложа океанов 150 млн лет, а обычно оно значительно моложе. В наши дни общий баланс прихода и расхода воды на Земле за счет геологического круговорота остается положительным и масса гидросферы непрерывно возрастает.