Атмосфера
Атмосферу называют голубой кровлей Земли. И хотя масса атмосферы ничтожна — всего одна миллионная массы планеты — значение ее для жизни огромно.
Возникла атмосфера на самой ранней стадии геологической истории Земли в результате выделения газов из мантии (в среднем около 1 млн. т в год).
Первоначальная газовая оболочка состояла из углекислого газа, водяного пара, аммиака, водорода; затем, после появления 3 млрд. лет назад растений, она была переработана фотосинтезом в современную атмосферу, содержащую кислород. Вот ее состав у поверхности Земли (по объему): азота—78,08%, кислорода—20,95, аргона — 0,93, углекислого газа — 0,03, неона — 0,0018% и еще в меньших долях некоторые другие газы.
Атмосфера разделяется на несколько слоев; тропосферу, стратосферу, мезо-сферу, ионосферу (термосферу) и экзо-сферу; каждый из них имеет специфические геофизические и геохимические свойства. Границы между этими слоями нерезкие, и в зависимости от широты лежат на разных высотах. Самый нижний «этаж» атмосферы — тропосфера — сосредоточивает около 4/5 всей ее массы. Она простирается, как уже было сказано, в среднем до высоты 12 км и отделяется от следующего «этажа»—стратосферы— так называемой тропопаузой.
Тропосфера богата азотом и кислородом, насыщена парами воды и углекислотой. Здесь протекают важные погодные процессы, образуются облака, т. е. зарождаются осадки. Температура в тропосфере быстро падает с высотой — в среднем на 6° на каждый километр.
Однако это падение прекращается на втором «этаже», в стратосфере, которая занимает слой до высоты 45—55 км. Здесь количество азота и кислорода уменьшается, а водорода, гелия и других легких газов, напротив, увеличивается.
Между тропосферой и стратосферой располагается озонный слой. Он обладает способностью поглощать наиболее энергично действующие ультрафиолетовые коротковолновые лучи Солнца и тем самым защищает органический мир Земли от их гибельной дозы. Под воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца часть молекулярного кислорода распадается на атомы, которые «пристраиваются» к целым молекулам, образуя озон (его молекула состоит из трех атомов кислорода). На создание озонового слоя расходуется почти весь приток ультрафиолетовых лучей.
В следующем слое атмосферы — ме-зосфере продолжается падение температуры с высотой до —70—80°. Мезосфе-ра расположена на высотах 55—95 км и пока еще мало изучена.
Еще выше начинается ионосфера (или термосфера) — зона сильно разреженного и сильно нагретого воздуха. Молекулы газов здесь ионизированы космическим излучением, т. е. лишены верхних электронов, и поэтому обладают положительным зарядом. Как и всякий сильно ионизированный газ, воздух в ионосфере хорошо проводит электричество. У ионосферы есть замечательное свойство: она отражает радиоволны и делает возможной дальнюю радиосвязь на Земле.
На высоте около 1000 км ионосфера переходит в экзосферу — внешний слой земной атмосферы. Характерная особенность ее — преобладание газов уже в атомарном состоянии и очень малая их плотность. Здесь наиболее легкие газы покидают атмосферу и рассеиваются в Космосе.
Запуски искусственных спутников Земли, ракет и пилотируемых космических кораблей позволили получить новые данные о свойствах верхней атмосферы и прилегающего к Земле космического пространства. Эти данные представляют и научный и практический интерес, в частности для изучения климата и предсказаний погоды, а также для освоения Космоса.
Роль атмосферы, и прежде всего ее нижнего слоя, тропосферы, огромна для всех природных процессов, протекающих на поверхности Земли. От количества, характера и периодичности атмосферных осадков, от частоты и силы ветров и особенно от температуры воздуха зависят интенсивность разрушения горных пород, перенос образующегося материала и сама жизнь на нашей планете.
Температура и влажность воздуха, облачность и осадки, ветер — все это вместе характеризует и погоду, т. е. непрерывно меняющееся состояние атмосферы, и климат, т. е. режим погоды за много лет.
Климат различен в разных районах земного шара; когда в одних бушуют метели, в других с безоблачного неба светит палящее солнце, и растения страдают от засухи.
Такое разнообразие климатических условий обусловлено в первую очередь неодинаковым поступлением солнечной радиации на разных широтах. Чем отвеснее падают солнечные лучи, тем короче их путь через атмосферу и тем большее количество энергии доходит до земной поверхности. Поэтому низкие широты — экватор и тропики северного и южного полушария — в течение года получают больше тепла, чем умеренные и особенно высокие широты.
Летом радиационный баланс всюду положительный: на всех широтах поступление солнечной радиации больше ее расхода на нагрев земной поверхности, испарение и тепловое излучение. При этом экваториальные широты получают энергии, конечно, больше, чем умеренные и высокие. Но все же разница между температурой на полюсе и на экваторе в это время меньше, чем зимой, так как в это время года в высоких широтах приход солнечной энергии больше ее расхода.
В результате междуширотных различий в температуре воздуха образуются области с разным атмосферным давлением, что в свою очередь вызывает непрерывное движение воздушных масс, воздушные течения планетарного масштаба — общую циркуляцию атмосферы.
Если бы не было такого постоянного воздухообмена, то на экваторе стояла бы нестерпимая жара — в среднем около 39°, а на севере умеренного пояса трещали бы сильнейшие морозы. В действительности же средняя годовая температура в экваториальных широтах равна 26—27°, а на широте Ленинграда — лишь — 1°.
Как же идет этот междуширотный воздухообмен?
В приполярных районах, где атмосфера прогрета слабо, располагаются холодные области с повышенным давлением; в приэкваториальных, наоборот, атмосфера сильно прогрета, и там формируется пояс пониженного давления. Области относительно повышенного давления господствуют и в тропических широтах обоих полушарий, так как в их сухом жарком воздухе давление убывает с высотой значительно медленнее, чем во влажном жарком воздухе экваториальных районов. В умеренных широтах проходит пояс пониженного давления, так как проносящиеся здесь атмосферные вихри — циклоны и антициклоны —отклоняются соответственно в более высокие и низкие широты. Отклоняет их сила вращения Земли, названная по имени открывшего ее французского ученого силой Кориолиса. Это она заставляет в северном полушарии реки сильнее подмывать правые берега, а воздушные потоки отклоняться вправо. Потому и циклоны, в которых ветры дуют против часовой стрелки, «уходят» в более высокие широты, а антициклоны с направлением ветров по часовой стрелке — в южные, усиливая пояс высокого давления под тропиками.
В южном полушарии картина аналогичная, но отклонения имеют обратное направление.
Образование циклонов и антициклонов происходит при встречах холодных и теплых, влажных и сухих воздушных масс. Эти гигантские «атмосферные вихри» достигают диаметра в 1000—2000 км, высота их невелика — 2—4, редко 15—20 км.
В циклоническом вихре атмосферное давление понижено, с чем связано восходящее движение воздуха. Поднимаясь, воздух охлаждается, и водяной пар, содержащийся в нем, конденсируется, образуются облака, и выпадают осадки.
В антициклонических вихрях атмосферное давление, напротив, повышено и движение воздушных масс нисходящее. При опускании водяной пар нагревается, т. е. удаляется от состояния насыщения, облака рассеиваются, осадков нет, наоборот, возможны засухи.
Повторяемость циклонов и антициклонов в разных районах неодинакова. В результате преобладания в том или ином районе антициклонов или циклонов возникают устойчивые центры действия атмосферы. Они бывают постоянные или сезонные. К постоянным относятся области с пониженным давлением в умеренных широтах (Исландский и Алеутский минимумы), тропические максимумы (Азорский, Гавайский, Южно-Атлантический, Южно-Индийский, Южно-Тихоокеанский), экваториальная депрессия, полярные области повышенного давления (особенно мощная — Антарктическая).
Различия в поступлении и отдаче тепла, в переносе его циркуляционными потоками определяют существование на Земле климатических поясов.
Жаркий пояс лежит примерно между 30° с. ш. и 30° ю. ш.
Этот пояс получает более 60% всей солнечной радиации, приходящей к Земле.
Тепловой режим здесь весьма благоприятен для развития жизни: заморозков не бывает (радиационный баланс очень велик — 65—75 ккал/кв. см в год); при наличии влаги круглый год может развиваться самая теплолюбивая растительность. Жаркий пояс часто сравнивают с паровым котлом, который приводит в движение «атмосферный механизм» нашей планеты.
Между тропиками и экватором лежит область устойчивых воздушных течений — пассатов. Они возникают из-за разницы давления и направлены в северном полушарии на юго-запад, а в южном — на северо-запад (опять мы сталкиваемся с отклоняющим действием силы Кориолиса). Пассаты несут жаркий и сухой тропический воздух.
В приэкваториальной полосе весь год господствуют экваториальные массы воздуха, облачно и часто идут ливневые дожди.
Умеренно жаркие поясы лежат между 30 и 40° в северном и южном полушариях. Количество поступающего от Солнца тепла здесь несколько меньше, чем в жарком поясе (радиационный баланс равен 50—65 ккал/кв. см в год), а главное, оно изменяется по сезонам: происходит смена воздуха — тропический поступает летом, умеренный — зимой. Большая часть осадков выпадает в зимний период.
На восточных окраинах материков дуют муссоны: летом — с океана на сушу, зимой — в обратном направлении, поэтому именно летом чаще выпадают осадки. Хотя средняя температура самого холодного месяца выше 4°, возможны заморозки и даже небольшие морозы. Растения уже имеют короткий, но все же заметный период вегетационного покоя. При вторжениях полярных масс воздуха (что бывает несколько раз в десятилетие) морозы достигают 10°, и тогда вечнозеленая растительность может погибнуть.
Умеренные поясы простираются между 40 и 60° в северном и южном полушариях (в Европе почти до 70°). Здесь уже отчетливо выражена сезонность теплового режима с длительным холодным периодом, что приводит и к сезонности развития растительности (радиационный баланс — 25—50 ккал/кв. см в год). Для этих поясов характерны умеренные воздушные массы, но иногда вторгаются арктические (в южном полушарии — антарктические) и тропические массы. Преобладает, однако, западный перенос умеренного воздуха. Частые циклоны способствуют выпадению значительного количества осадков, особенно на западных приокеанических окраинах материков. Восточные периферии материков в этих поясах подвержены действию муссонов.
Между 60 и 70 е в северном и южном полушариях располагаются умеренно холодные поясы (радиационный баланс лишь 10—25 ккал/кв. см в год). Температура самого теплого месяца не поднимается выше 10° (но и не опускается ниже 5°). Это позволяет расти только кустарникам, мхам, лишайникам и некоторым травам. Летом господствует умеренный воздух и часты осадки; зимой, при антициклональном состоянии атмосферы, здесь сухо и холодно.
Окружающие полюсы Земли холодные поясы имеют крайне неблагоприятные для развития органической жизни тепловые условия. Вода — один из важнейших источников жизни — здесь большую часть года находится в виде снега и льда. В связи с повышенным давлением отсюда идет отток холодного воздуха в приполярные широты.
Огромное значение для формирования климата имеет распределение суши и воды. При поглощении одинакового количества тепла океан нагревается в 2—3 раза медленнее материков и охлаждается тоже медленнее. Это определяет противоположный годовой ход давления на воде и на суше.
В зависимости от того, где происходит формирование воздушных масс — над материками или над океанами, климат может быть континентальным или морским.
В районах с континентальным климатом сезонные и суточные колебания температур больше: зима и ночи холоднее, а лето и дни теплее, чем в районах с морским климатом.
Не менее важную роль в формировании климата играют океанические течения: теплые — повышают температуру воздуха и способствуют выпадению осадков; с холодными, наоборот, связано понижение температуры, а так как воздух, став более холодным, хуже отдает влагу, уменьшается и количество осадков.
