Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра охраны труда и окружающей среды

   

 

 

ГЕОЭКОЛОГИЯ

 Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В073100–Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды 

 

 

Алматы 2011 

СОСТАВИТЕЛЬ: Н.Г. Приходько. Геоэкология. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В073100 - Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды. - Алматы: АУЭС, 2011. – 57 с. 

 

Конспект лекций содержит материал в соответствии с программой курса и позволит студентам изучить основное его содержание в кратком изложение.

Конспект лекций предназначен для студентов-бакалавров  всех форм обучения.  

 

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Касенов К.М. 

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 г. 

 

   

               © Приходько Н.Г., 2011 г.

 

  © НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

 

Содержание

 

Лекция 1. Введение в геоэкологию - науку о территориальных экосистемах     4  

Лекция 2. Положение Земли в Солнечной системе, ее строение, размеры, форма, особенности движений, магнитное и гравитационное поля Земли          6   

Лекция 3. Гидросфера — мировой влагооборот, местные влагообороты. Изменение уровня Океана и рельеф дна Океана                                                    10

Лекция 4. Климатоформирующая роль Океана. Лед в Океане                            13

Лекция 5. Атмосфера. Идеальная и реальная атмосфера. Электри­ческое поле Атмосферы    18

Лекция 6. Солнечная радиация - альбедо. Радиационный и тепло­вой

баланс. Оранжерейный (парниковый) эффект. Атмосферное давление. Типы воздушных масс. Циркуляция атмосферы                              22

Лекция 7. Ландшафтоведение                                                                                 26

Лекция 8. Классификация геосистем. Структура и функционирование геосистем. Геохимические провинции: природные и антропоген­ные               31

Лекции 9. Строение и состояние земной коры. Эндогенные и экзо­генные геологические процессы  36

Лекция 10.  Процессы формирования, со­став и свойства подземных вод. Прогноз изменения количества и качест­ва подземных и поверхностных вод  38                                                                                                  

Лекция 11. Климат и климатообразующие факторы. Формирование и динамика климата. Антропогенное влияние на климат Земли                            45   

Лекция 12. Метеорологические наблюдения и прогнозы. Основы

гидрометрии. Общие закономерности гидрологических процессов                   50

Список литературы                                                                                                   56

 

 Лекция 1. Введение в геоэкологию - науку о территориальных экосистемах

 

Геоэкология - сравнительно новая отрасль знаний, одно из передовых междисциплинар­ных научных направлений в области природопользования. Зародившись в недрах естествен­ных наук - географии и геологии, изучающих планетарные закономерности географической оболочки Земли, новое учение, получившее название «геоэкология», вобрало в себя в каче­стве фундаментальной основы - экологию, изучающую всю живую природу в целом, разные уровни организации жизни на Земле.

Изучение изменений природной среды под воздействием хозяйственной деятельности, оцен­ка состояния и тенденций развития природно-техногенных систем, разработка рекомендаций конструктивных решений экологических проблем любых уровней - входят в круг вопросов, которые рассматривает геоэкология.

Используя методы смежных наук - естественных, социальных и экономических, геоэко­логия изучает окружающую среду не только как среду жизнедеятельности живых организ­мов, в том числе человека, но и как среду социально-экономической, хозяйственно - преобразующей деятельностью человека. Таким образом, геоэкология - это мировоззрение, научная основа рационального природопользования.

  Впервые важную роль географических исследований в решении экологических проблем отметал академик В.Б. Сочава. По мнению многих известных ученых, в частности, И.П. Ге­расимова, А. Г. Исаченко, Н. Ф. Реймерса и др., именно география более других наук подго­товлена к разработке экологической концепции, что дает возможность рассматривать ее как; прародительницу» геоэкологии. Рассматривая человека в окружающей его среде (при­родной, социальной, культурной, экономической, техногенной) и формируемых в процессе жизнедеятельности человека геосистемах, география тесно соприкасается с экологией, осо­бенно социальной экологией, экономикой, биологией, геологией и пр.

Для конструктивных географических исследований и принятия решений экологический подход является в настоящее время определяющим, общенаучным и общепризнанным. В прикладном плане предметом изучения географии можно рассматривать эко-диагностику территорий, изучение современного и ожидаемого состояния окружающей среды, экоси­стем и ландшафтов, а также разработку методов выявления и принятия оперативных реше­ний для предотвращения или ликвидации последствий негативных экологических процессов и явлений. Причем причиной последних могут быть как антропогенные, так и естественные (природные) факторы. Таким образом, география развивается на двух направлений - геоэко­логии и географии природных рисков. Исследовательским полем географии в новое время может стать анализ экологических проблем и экологических ситуаций (причин их возник­новения, оценки, картографирования территориального распределения) в регионах разного масштаба — от местных (локальных) до глобальных.

Почти все современные науки внесли свой посильный вклад в геоэкологию: математи­ка физиология, агрономия, география, геология и другие. Но самой первой наукой, которая совместно с биологией изучала окружающую среду, была география, имевшая в своем арсенале методы исследований и предмет изучения - компоненты природы с человеком в центре.

Научно-технический прогресс конца XX века дал стимул к формированию новых научных направлений географии и геологии. Так, в географии сформировались направления эко­логического цикла в виде экологии суши, экологии моря, экологии ландшафтов и т. д. Еще ранее процесс экологизации охватил науку о почвах. Многообразие экологических на­правлений в географии со временем сконцентрировалось в крупное современное на­правление - географическую экологию (геоэкологию ландшафтов), изучающую экосферу по­верхности Земли и хозяйственную деятельность людей на ней. Наряду с географическими пауками в последние десятилетия XX века очень активно стали объединяться науки геоло­гического цикла в исследовании экологической проблематики в рамках единого научного на­правления.

Заслугой современной геоэкологии является интеграция экологических направлений в ис­следовании окружающей природной среды и развитого общества. Речь идет о традиционной геоэкологии и сравнительно молодой геологической экологии. В связи с тем, что геоэкология предметом своих исследований видит географическую оболочку, состоящую из природных компонентов и экосистем: атмосфера, гидросфера, литосферы и биосфера, то и возможности ее будут значительно большие в отличие от возможностей экологических подразделений от­раслевого направления. Геоэкология в своих исследованиях также использует методы и нара­ботки географической экологии или экологии ландшафтов и ее подразделений: экологическая геохимия, экологическая геофизика, инженерная геоэкология, экогеоморфология и др. За эко­логической геологией утвердился приоритет в изучении экологии геологической среды и эко­логических функций литосферы. Таким образом, геоэкология совместно с экологической геологией позволяет дать комплексную экологическую оценку окружающей среды по компо­нентам природы в связи с антропогенной нагрузкой и техногенным воздействием современно­го развитого общества.

Геоэкология в своем арсенале имеет ландшафтную геоэкологию, экологическую географию, экологическую геологию, космическую экологию и др.

 Основные понятия геоэкологии и техногенеза и их взаимоотношение. Появлению терми­на «геоэкология» общество обязано немецкому географу К. Тролю, а в 1970 г. термин быстро вошел в практику ландшафтоведения благодаря публикации В.Б. Сочавы. Почти все географы, работавшие в это время над проблемами природопользования, ландшафтоведения и охраны природы, взяли термин на вооружение как чисто географический. Следует вспомнить, что эко­логия как составная часть биологической науки приобрела права гражданственности в сере­дине XХ века, изучая проблему жизнедеятельности различных уровней живых организмов от низших родов до крупнейших экосистем. Организмы и экосистемы испытывают на себе воз­действие изменяющихся природных условий и техногенных нагрузок. Хозяйственная дея­тельность общества с середины XIX века приобретает промышленную направленность, уве­личивается добыча угля, нефти, развивается фабричное дело, растет количество металлургических заводов. На окружающую среду и живые организмы экосистем увеличивается техногенное воздействие. Иными словами общество вступило в противоречие с естественным существованием живых организмов, растительности и целых экосистем.

Литература: 1 осн. (с. 102-108, 112-113), 1 доп. (с. 51-61).

 

Земля как планета 

Лекция 2. Положение Земли в Солнечной системе, ее строение, размеры, форма, особенности движений, магнитное и гравитационное поля Земли   

 

Земля - третья планета Солнечной системы, она вращается вокруг Солнца по орбите на среднем расстоянии 149,5.106 км со средним периодом 365,2564 звездных суток; скорость движения по орбите 29,76 км/сек. Масса Земли - 5,975x1027 г, она составляет 1/333432 мас­сы Солнца; средняя плотность слагающего Землю вещества — 5,52 г/смЗ. Радиус Земли по экватору - 6378,245 км, полярный радиус - 6356,863 км, средний радиус - 6371,110 км.

Под действием притяжения Солнца Земля, как и другие тела Солнечной системы, обра­щается вокруг него по эллиптической (мало отличающейся от круговой) орбите. Солнце рас­положено в одном из фокусов эллиптической орбиты Земли, вследствие чего расстояние ме­жду Землёй и Солнцем в течение года меняется от 147,117 млн.км (в перигелии) до 152,083 млн. км (в афелии). Большая полуось орбиты Земли, равная 149,6 млн.км, принимается за единицу при измерении расстояний в пределах Солнечной системы. Скорость движения Земли по орбите, равная в среднем 29,765 км/сек, колеблется от 30,27 км/сек (в перигелии) до 29,27 км/сек (в афелии). Вместе с Солнцем Земля участвует также в движении вокруг цен­тра Галактики, период галактического обращения составляет около 200 млн. лет, средняя скорость движения 250 км/сек. Относительно ближайших звёзд Солнце вместе с Землей движется со скоростью 19,5 км/сек в направлении созвездия Геркулеса.

Период обращения Земли вокруг Солнца, называемый годом, имеет несколько различную величину в зависимости от того, по отношению к каким телам или точкам небесной сферы рассматривается движение Земли и связанное с ним кажущееся движение Солнца по небу. Период обращения, соответствующий промежутку времени между двумя прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия, называется тропическим годом. Тропический год положен в основу календаря, он равен 365,242 средних солнечных суток. Плоскость земной орбиты (плоскость эклиптики) наклонена в современную эпоху под углом 1,6о.

Естественный спутник Земли - Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите на среднем расстоянии 384 400 км. Масса Луны составляет 1:81,5 долю массы Земли (73,5х1021 кг). Оба тела - Земля и Луна - обращаются вокруг центра масс системы. Отноше­ние массы Луны к массе Земли - наибольшее среди всех планет и их спутников в Солнечной системе, поэтому систему Земля - Луна часто рассматривают как двойную планету.

Земля имеет сложную форму, определяемую совместным действием гравитации, центро­бежных сил, вызванных осевым вращением Земли, а также совокупностью внутренних и внешних рельефообразующих сил. Приближённо в качестве формы (фигуры) Земли прини­мают уровненную поверхность гравитационного потенциала (т. е. поверхность, во всех точ­ках перпендикулярную к направлению отвеса), совпадающую с поверхностью воды в океа­нах (при отсутствии волн, приливов, течений и возмущений, вызванных изменением атмо­сферного давления). Эту поверхность называют геоидом. Объём, ограниченный этой по­верхностью, считается объёмом Земли. Средним радиусом Земли называют радиус шара того лее объёма, что и объём геоида. Для решения многих научных и практических задач геоде­зии, картографии и других в качестве формы Земли принимают земной эллипсоид. Знание параметров земного эллипсоида, его положения в теле Земли. А также гравитационного поля Земли имеет большое значение в астродинамике, изучающей законы движения искусствен­ных космических тел. Эти параметры изучаются путём наземных астрономо-геодезических и гравиметрических измерений и методами спутниковой геодезии.

 

Таблица 1 - Геометрические и физические характеристики Земли

Параметр

Величина

Экваториальный радиус

6378,160 км

Полярный радиус

6356,777 км

Сжатие земного эллипсоида

1:298,25

Средний радиус

6371,032 км

Длина окружности экватора

40075,696 км

Поверхность

510,2х10б км2

Объём

1,083 7х1012 км3

Масса

59767х1021 кг

Средняя плотность

5518 кг/м3

Ускорение силы тяжести (на уровне моря)

а) на экваторе

9,78049 м/сек2

                                б) на полюсе

9,83235 м/сек2

 в) стандартное

9,80665 м/сек2

 

Вращение Земли вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи на её поверхности. Период вращения Земли определяет единицу времени - сутки. Ось вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости эклиптики на 23° 26,5' (в середине 20 в.); в современную эпоху этот угол уменьшается на 0,47" за год. При движении Земли по орбите вокруг Солнца её ось вращения сохраняет почти постоянное направление в пространстве. Это приводит к смене времён года. Гравитационное влияние Луны, Солнца, планет вызывает длительные периоди­ческие изменения эксцентриситета орбиты и наклона оси Земли, что является одной из при­чин многовековых изменений климата.

Период вращения Земли систематически увеличивается под воздействием лунных и в меньшей степени солнечных приливов. Притяжение Луны создаёт приливные деформации как атмосферы и водной оболочки, так и «твёрдой» Земли. Они направлены к притягиваю­щему телу и, следовательно, перемещаются по 3. при её вращении. Приливы в земной коре имеют амплитуду до 43 см, в открытом океане - не более 1м, в атмосфере они вызывают из­менение давления в несколько сот н/м2 (несколько мм рт. ст.). Приливное трение, сопровож­дающее движение приливов, приводит к потере системой Земля - Луна энергии и передаче момента количества движения от Земли к Луне. В результате вращение Земля замедляется, а Луна удаляется от Земли. Изучение месячных и годичных колец роста у ископаемых корал­лов позволило оценить число суток в году в прошлые геологические эпохи (до 600 млн. лет назад). Результаты исследований говорят о том, что период вращения 3. вокруг оси увеличи­вается в среднем на несколько м/сек за столетие (500 млн. лет назад длительность суток со­ставляла 20,8 ч). Фактическое замедление скорости вращения Земли несколько меньше того, которое соответствует передаче момента Луне. Это указывает на вековое уменьшение мо­мента инерции Земли, по-видимому, связанное с ростом плотного ядра Земли либо с пере­мещением масс при тектонических процессах. Скорость вращения Земли несколько меняется в течение года также вследствие сезонных перемещений воздушных масс и влаги. Наблюде­ния траекторий искусственных спутников Земли позволили с высокой точностью устано­вить, что сплюснутость Земли несколько больше той, которая соответствует современной скорости её вращения и распределению внутренних масс. По-видимому, это объясняется вы­сокой вязкостью земных недр, приводящей к тому, что при замедлении вращения Земли её фигура не сразу принимает форму, соответствующую увеличенному периоду вращения. По­скольку Земля имеет сплюснутую форму (избыток массы у экватора), а орбита Луны не ле­жит в плоскости земного экватора, притяжение Луны вызывает прецессию - медленный по­ворот земной оси в пространстве (полный оборот происходит за 26 тыс. лет). На это движе­ние накладываются периодические колебания направления оси - нутация (основной период 18,6 года). Положение оси вращения по отношению к телу Земли испытывает как периоди­ческие изменения (полюсы при этом отклоняются от среднего положения на 10—15 м), так и вековые (среднее положение северного полюса смещается в сторону Северной Америки со скоростью ~11 см в год.).

Жизнь на Земле, возникновение биосферы стали возможны благодаря Солнцу. На многие процессы действуют такие физические условия, как вращение Земли вокруг своей оси, об­ращение Земли вокруг Солнца, циклы солнечной активности. Солнце не только дает свет и тепло, но непрерывно испускает корпускулярное и электромагнитное излучения (видимый свет, ультрафиолетовое, инфракрасное, рентгеновское, гамма-излучение, радиоизлучение). Каждое излучение отличается длиной и частотой, которые определяют энергию, способность проникновения через вещество. Если электромагнитное излучение стабильно, то корпуску­лярное (корпускула - частица) очень изменчиво. От корпускулярного излучения сильно за­висят процессы в биосфере. Энергия этих частиц возрастает с увеличением площади пятен на Солнце. Солнечные пятна являются феноменом, влияющим на биосферу Земли. Земля защищена от корпускулярной радиации своим электромагнитным полем, которое довольно стабильно и защищает от разложения на атомы и молекулы атмосферы, на ионы и электроны, т.е. от ее уничтожения.

Для наглядного представления внутреннего строения любого сложного объекта, как пра­вило, прибегают к составлению его общей модели. Модель - некоторая наглядная картина строения изучаемого объекта, при ее построении по возможности учитываются все извест­ные данные о рассматриваемом предмете. В геологической науке под моделью Земли пони­мают разрез нашей планеты, охватывающий промежуток между поверхностью и центром Земли, где обособляются отличающиеся друг от друга по тем или иным характеристикам оболочки внутреннего строения Земли, имеющие ярко выраженные взаимные границы. На­шу планету можно сравнивать с обыкновенным яйцом, поскольку характер взаимоотно­шений и численные параметры внутреннего строения Земли напоминают строение яйца, причем его желток соответствует ядру Земли, белок - мантии Земли, а скорлупа — литосфе­ре планеты.

Ядро Земли и её твердые внутренние оболочки, в свою очередь, расчленяются на несколь­ко обособленные сферы, так или иначе отличающиеся друг от друга по физическим характе­ристикам слагающего их вещества. Так, ядро Земли состоит из двух частей — твердого внутреннего и жидкого внешнего ядра; мантия Земли расчленяется на три сферы - на ниж­нюю мантию, переходную зону и верхнюю мантию; в низах верхней мантии обособляется частично расплавленный слой астеносферы; литосфера же также состоит из двух частей - так называемой, твердой литосферной мантии (внизу) и земной коры (сверху); земная кора, в свою очередь, условно делится на три слоя - на базальтовый, гранитный и осадочный слои.  

Литература: 2 осн. (с. 102-147), 2 доп. (с. 6-17).

  

Гидросфера

 

Лекция 3. Гидросфера — мировой влагооборот, местные влагообороты. Изменение уровня Океана и рельеф дна Океана

 

Существуют разные подходы к определению понятия гидросферы. Одна группа ученых считает правомерным относить к гидросфере только те сферы планеты (или части сфер), где в жидком, твердом или газообразном состоянии содержится несвязанная вода. Другие счи­тают возможным относить к ней также сферы (или их части), где несвязанная вода отсутст­вует, но компоненты воды входят в состав других химических соединений.

При первом подходе в состав гидросферы включаются вся океаносфера, поверхностные части литосферы, ледники, реки и озера, почвенные воды, воды болот и воды атмосферы. В этом случае нижняя граница гидросферы проводится в литосфере и приурочена к основанию водоносных горизонтов или нижнему пределу проникновения в толщу литосферы свободных гравитационных вод.

При втором подходе в состав гидросферы дополнительно включаются области распро­странения химических соединений, включающих в себя компоненты воды. Это позволяет нижнюю границу гидросферы проводить намного ниже, опустив ее в недра Земли, включив в гидросферу всю земную кору полностью и приблизив границу к поверхности Мохоровичича.

 Если подходить к гидросфере как к одной из природных сфер окружающей среды, то представляется целесообразным под гидросферой понимать только области распространения несвязанной воды, где она содержится в газообразном, жидком или твердом состоянии. При этом имеется в ви­ду, что, гидросфера, взятая в пределах распространения свободных вод, не является замкну­той системой. Она разомкнута как на подстилающие слои литосферы (где вода находится в связанном состоянии и при определенных условиях может переходить в свободное состоя­ние и пополнять свободные воды гидросферы; возможны и обратные процессы связывания свободных вод гидросферы при переходе их в состав горных пород), так и на космическое пространство (за счет диссипации водорода в космос и поступления воды в гидросферу в со­ставе космической пыли и метеоритного вещества). Такая концепция не противоречит по­ложению о единстве всех вод Земли, поскольку опирается на постоянный процесс водообме­на.

Природные процессы в гидросфере. При рассмотрении процессов накопления, сохранения и динамики воды в земном про­странстве три понятия являются центральными и неразрывно связаны друг с другом: гидро­сфера, круговорот воды и водный баланс. Суть этих понятий: гидросфера - одна из геосфер Земли, объединяющим веществом которой является несвязанная вода; круговорот воды (вла­гооборот или водообмен) - это динамическая характеристика гидросферы, совокупность процессов, присущих гидросфере и связывающих ее воедино; водный баланс - количествен­ное выражение круговорота воды.

В ходе геологической истории Земли формировались следующие круговороты воды, или влагообороты.

Геокосмический круговорот возник с началом образования Земли как планеты. Он пред­ставляет собой водобмен между Землей и космосом. Поступление воды и составляющих ее элементов из межпланетного пространства на Землю происходит вместе с метеоритным ве­ществом и космической пылью, и обратно - из сферы притяжения Земли в космос путем дис­сипации водорода (в сильно разреженной верхней атмосфере под действием ультрафиолето­вых лучей, когда скорость движения атомов водорода превышает 1/4 второй космической скорости: 11,2:4 = 2,8 км/с).

Атмосферно-океанический круговорот существует, по-видимому, с архея, когда про­изошло разделение поверхности Земли на первичный мелководный океан и отдельные ост­рова суши. Этот круговорот в основном слагался из процессов испарения влаги с поверхно­сти океана, переноса ее с облаками и выпадения осадков снова преимущественно в океан. Такой тип круговорота продолжается и ныне и наблюдается, когда влагооборот осуществля­ется, не покидая акватории океанического пространства.

Атмосферно-континентально-океанический круговорот стал развиваться по мере ста­новления и развития материков. Такой круговорот слагается из процессов испарения влаги с поверхности океана и материков, облакообразования, переноса облаков, выпадения осадков в других местах суши или океана и стока (поверхностного и подземного) с суши в океан. Та­кой круговорот, в ранние геологические эпохи господствовавший на планете, ныне наблюда­ется в регионах, где развит ледниковый покров, а органический мир лишь начинает разви­ваться.

Атмосферно-литосферно-биосферно-океанический круговорот стал зарождаться с на­чалом формирования органического мира и особенно после выхода растительности из океана на сушу. С развитием биосферы стало возрастать ее участие в процессе круговорота воды, и в настоящее время этот тип круговорота воды на планете имеет доминирующее значение. Он представляет собой непрерывный процесс перемещения воды на Земле, происходящий под воздействием солнечной энергии и силы гравитации, и охватывает гидросферу, атмосферу, литосферу и живые организмы.

Скорость влагооборота в разных участках гидросферы различна. В атмосфере водяной пар заменяется 40 раз в год, или каждые 9 суток, здесь наблюдается наиболее высокая скорость обмена влаги. На испарение годового количества выпадающих из атмосферы осадков затрачивается 20 % поступающей на Землю энергии, но столько же выделяется при конден­сации соответствующего количества водяного пара. Поэтому круговорот влаги сопровожда­ется круговоротом тепловой энергии.

Общее количество воды в реках меняется каждые 16 дней; в болотах -5 лет; в озерах - 17 лет; в подземных водах - 1400 лет; в океанах и морях - каждые 2600...3000 лет, причем пол­ное перемешивание воды происходит за 63 года. Наиболее медленно протекает обмен воды в ледниках: в горных районах каждые 1600 лет, а в ледниковых щитах - каждые 15 000...20 000 лет.

Интенсивность влагооборота представляет собой частное от деления общего количества выпадающей за год воды на всю поверхность Земли на среднее содержание воды в атмосфе­ре в газообразном, жидком и твердом видах. Интенсивность общего влагооборота Земли в современную эпоху характеризуется числом 38. Если принять эту величину за единицу, то по широтам северного полушария интенсивность влагооборотов будет иметь следующие значе­ния:

 

Широта              0...10о  10...20о  20...30о    30...40о    40...50о   50...60о    60...90о

Интенсивность

влагооборота      1,03       0,54        0,46       0,60          0,92         1,10        0,89

 

Отсюда видно, что минимальные значения интенсивности влагооборотов на разных ши­ротах характерны для тропического и субтропического поясов (в связи с уменьшением годо­вого количества осадков в этих широтах) и максимальные - для умеренного пояса (благодаря увеличению годового количества осадков и влиянию западно-восточного переноса воздуш­ных масс) и экваториального пояса (большое количество осадков при значительном испаре­нии).

Водный баланс Земли представляет собой равенство, связывающее количество воды в виде осадков, поступающих на земную поверхность, и количество воды, испаряющееся с по­верхности суши и Мирового океана за определенный промежуток времени, чаще всего в среднем за многолетний период.

В процессе циркуляции атмосферы осуществляется перенос влаги, что является причи­ной образования атмосферных осадков и способствует глобальному перераспределению ат­мосферной влаги.

Основной процесс, происходящий над океаном, - испарение воды, за счет чего под­держивается на определенном уровне содержание водяного пара в атмосфере. При этом бо­лее 86 % влаги поступает в атмосферу вследствие испарения ее с поверхности Мирового океана и только 14  % - за счет испарения с суши. Важной особенностью океанического звена круговорота является перенос огромных ее масс морскими течениями, которые имеют существенное влияние на климат соответствующих акваторий и участков суши, вблизи кото­рых они протекают. Течения переносят воды на три порядка больше, чем все реки суши. Свя­занный с течениями водообмен в 50 раз интенсивнее водообмена, обусловленного атмосфер­ными осадками, выпадающими на поверхность океана.

Круговорот воды на материках протекает с участием вод рек, озер и болот, ледников, а также подземных вод. Реки возвращают в океан ту часть воды, которая переносится атмосфе­рой с океан на сушу. Подземные воды играют важную роль в формировании речного стока, так как благодаря им реки получают устойчивое питание, и это обеспечивает относительную стабильность их водного режима и бесперебойность действия материкового звена кругово­рота воды. Подземные воды вовлекают в круговорот также литосферу. С речным звеном тес­но связано и озерное, поскольку на Земле мало крупных озер, не связанных с реками. За счет испарения воды с поверхности озер атмосфера ежегодно получает около 500...600 км3 до­полнительной воды, что составляет около 3 % общего расхода воды на испарение с суши. Ледники-снежники покрывают около 16 млн. км2 земной поверхности также играют важную роль в водном балансе земного шара.

К биологическим процессам, имеющим значение в круговороте воды, относится транспирация. В среднем расход на транспирацию составляет почти половину суммарного испа­рения суши (около 30...35 тыс. км3 в год), что равно почти 7 % от испарения с земной поверх­ности, включая и Мировой океан.

Литература: 2 осн. (с. 249-251. 301), 3 осн. (с. 114-128).

 

Лекция 4. Климатоформирующая роль Океана. Лед в Океане

 

Мировой океан, располагающий неисчерпаемыми запасами влаги, рождающий живи­тельные ветры и морские течения, этот безотказный приемник всякого рода отходов, по- видимому, уязвим в гораздо большей степени, чем это можно предположить. Сброс в океан слишком большого количества вредных веществ - пестицидов, удобрений, возрастающее за­грязнение морской среды нефтью, засорение речных эстуариев - все это дает основание счи­тать, что может наступить такой момент, когда океан перестанет служить человеку. Океан - это всеобщая сточная яма нашей планеты, гигантский септический бак, из которого вода, со­вершив большой круговорот, возвращается к человеку, животным и растениям в чистом ви­де.

Мировой океан условно делится на четыре океана. Самый крупный и глубокий из них Тихий океан. По площади 178,62 млн. км2 он занимает половину всей водной поверхности Земли. Средняя его глубина (3980 м) больше средней глубины Мирового океана (3700 м). В его пределах находится и самая глубоководная впадина - Марианская (11022 м). В Тихом океане сосредоточено более половины объема воды Мирового океана (710,4 из 1341 млн. км3). Второй по размерам Атлантический океан. Его площадь 91,6 млн. км2, средняя глубина 3600 м, наибольшая 8742 м (в районе Пуэрто-Рико), объем 329,7 млн. км3. Далее по размерам идет Индийский океан, который занимает площадь 76,2 млн. км2, среднюю глубину 3710 м, наибольшую 7729 м (возле Зондских островов), объем воды 282,6 млн. км3. Самый малень­кий и самый холодный Северный Ледовитый океан, с площадью всего 14,8 млн. км2. Он за­нимает 4 % Мирового океана), обладает средней глубиной 1220 м (наибольшая 5527 м), объ­емом воды 18,1 млн. км3. Иногда выделяют т.н. Южный океан (условное название южных частей Атлантического, Индийского и Тихого океанов, прилегающих к Антарктическому ма­терику). В составе океанов выделяются моря. Для жизни Земли огромную роль играет посто­янно происходящий в ней круговорот воды (влагооборот). Это непрерывный замкнутый про­цесс перемещения воды в атмосфере, гидросфере и земной коре, состоящий из испарения, переноса водяного пара в атмосфере, конденсации пара, выпадения осадков и стока вод в Мировой океан. В этом едином процессе происходит непрерывный переход воды с земной поверхности в атмосферу и обратно.

Морские течения. Морские течения (океанические течения) - поступательные движе­ния масс воды в морях и океанах, обусловленные различными силами (действием сипы тре­ния между водой и воздухом, градиентами давления, возникающими в воде, приливообразующими силами Луны и Солнца). На направление морских течений большое влияние ока­зывает вращение Земли, отклоняющее течения в Северном полушарии вправо, в Южном - влево. Морские течения вызываются либо трением ветра о поверхность моря (ветровые те­чения), либо неравномерным распределением температуры и солености воды (плотностные течения), либо наклоном уровня (стоковые течения). По характеру изменчивости бывают по­стоянные, временные и периодические (приливного происхождения), по расположению - поверхностные, подповерхностные, промежуточные, глубинные и придонные. По физико- химическим свойствам - опресненные и соленые.

Теплые и холодные морские течения. У этих течений температура вод соответственно выше или ниже окружающей температуры. Теплые течения направлены из низких широт в высокие (например, Гольфстрим), холодные - из высоких в низкие (Лабрадорское). Течения с температурой окружающих вод называют нейтральными.

Гольфстрим (англ. Gulf Stream) — система теплых течений в северной части Атлантиче­ского океана, простирающаяся на 10 тыс. км от берегов полуострова Флорида до островов Шпицбергена и Новой Земли. Скорость от 6-10 км/ч во Флоридском проливе до 3-4 км/ч в районе Б. Ньюфаундлендской банки, температура поверхностных вод соответственно от 24-28 до 10-20 °С. Средний расход воды во Флоридском проливе 25 млн. м3/с (в 20 раз превы­шает суммарный расход воды всех рек земного шара). Гольфстрим переходит в Северо- Атлантическое течение (40° з.д.), которое под влиянием западных и юго-западных ветров следует к берегам Скандинавского полуострова, оказывая влияние на климат Европы.

В Мировом океане непрерывно происходит обмен воды между различными его частями. На этом снимке видно перемещение потоков воды из Черного моря в Мраморное (черная струя в Мраморном море) и из Мраморного моря в Эгейское (синяя струя в Эгейском море). Наблюдать такой феномен стало возможно благодаря различию в характеристиках вод Мра­морного и окружающих его морей. Мраморное море значительно мельче, поэтому воды его прогреты сильнее (это летний снимок). Вследствие испарения соленость воды больше. Это отражается на цвете воды.. Поэтому воды Мраморного моря более яркого синего цвета. Можно проследить, как и в каких направлениях вода перемещается после того как она попа­ла в соседний морской бассейн.

Эльниньо - теплое тихоокеанское экваториальное течение, возникающее раз в несколько лет. За последние 20 лет отмечены пять активных циклов Эльниньо: 1982-1983, 1986-1987, 1991-1993, 1994-1995 и 1997-1998, т.е. в среднем через каждые 3-4 года.

В годы, когда Эльниньо отсутствует, вдоль всего тихоокеанского побережья Южной Америки из-за прибрежного подъема холодных глубинных вод, вызванного поверхностным холодным Перуанским течением, температура поверхности океана колеблется в узких сезон­ных пределах - от 15 °С до 19 °С. В период Эльниньо температура поверхности океана в прибрежной зоне повышается на 6-10 °С. При Эльниньо в районе экватора это течение про­гревается сильнее, чем обычно. Поэтому пассатные ветры ослабевают либо совсем не дуют. Нагретая вода, растекаясь в стороны, идет обратно к американскому берегу. Возникает ано­мальная зона конвекции, и на Центральную и Южную Америку обрушиваются дожди и ура­ганы. Глобальное потепление уже в скором будущем может привести к катастрофическим последствиям. Вымирают целые виды животных и растений, которые не успевают приспосо­биться к изменению климата. Из-за таяния полярных льдов уровень океана может повысить­ся на целый метр, и островов станет меньше. За столетие потепление может достигнуть 8 оС.

Аномальные погодные условия на Земном шаре в годы Эльниньо. В тропиках происходит увеличение осадков над районами к востоку от центральной части Тихого океана и умень­шение на севере Австралии, в Индонезии и на Филиппинах. В декабре-феврале осадки боль­ше нормы наблюдаются на побережье Эквадора, на северо-западе Перу, над южной Бразили­ей, центральной Аргентиной и над экваториальной, восточной частью Африки, а в течение июня-августа - на западе США и над центральной частью Чили.

Появления Эльниньо ответственны также за крупномасштабные аномалии температуры воздуха во всем мире. В эти годы бывают выдающиеся повышения температуры. Более теп­лые, чем нормальные, условия в декабре-феврале были над юго-восточной Азией, над При­морьем, Японией, Японским морем, над юго-восточной Африкой и Бразилией, на юго-востоке Австралии. Температуры выше нормы также отмечаются в июне-августе на запад­ном побережье Южной Америки и над юго-восточной Бразилией. Более холодные зимы (декабрь-февраль) бывают на юго-западном побережье США.

10 ноября 1997 был определен уровень воды в Тихом океане. Эльниньо характеризуется более высоким уровнем воды  со стороны побережья Южной Аме­рики и в южной части Тихого океана. Более низкий уровень воды  наблю­дался с другой стороны океана.

Ланиньо. Ланиньо - в противоположность Эльниньо, проявляется как понижение по­верхностной температуры воды на востоке тропической зоны Тихого океана. Такие явления отмечались в 1984-1985, 1988-1989 и 1995-1996. В этот период непривычно холодная пого­да устанавливается на востоке Тихого океана. Ветры сдвигают зону теплой воды и «язык» холодных вод растягивается на 5000 км, в районе Эквадора - островов Самоа, именно в том месте, где при Эльниньо должен быть пояс теплых вод. В этот период в Индокитае, Индии и Австралии наблюдаются мощные муссонные дожди. Страны Карибского бассейна и США при этом страдают от засух и смерчей.

Аномальные погодные условия на Земном шире в годы Ланиньо. В течение периодов Ла­ниньо осадки усиливаются над западной экваториальной частью Тихого океана, Индонезией и Филиппинами и почти полностью отсутствуют в восточной части океана. Преимуществен­но осадки выпадают в декабре-феврале на севере Южной Америки и над Южной Африкой, и в июне-августе над юго-восточной Австралией. Более засушливые условия наблюдаются над побережьем Эквадора, на северо-западе Перу и над экваториальной частью восточной Афри­ки в течение декабря-февраля, а также над южной Бразилией и центральной Аргентиной в июне-августе. Во всем мире отмечаются крупномасштабные отклонения от нормы. Наблю­дается наибольшее количество областей с аномально прохладными условиями, например, холодные зимы в Японии и в Приморье, над Южной Аляской и западной, центральной Кана­дой, а также прохладные летние сезоны над юго-восточной Африкой, над Индией и юго-восточной Азией. Более теплые зимы наступают на юго-западе США.

Ланиньо, как и Эльниньо, чаще всего возникают с декабря по март. Различие в том, что Эльниньо возникает в среднем один раз в три-четыре года, а Ланиньо - раз в шесть-семь лет. Оба явления несут с собой повышенное количество ураганов, но во время Ланиньо их бывает в три-четыре раза больше, чем при Эльниньо. Согласно последним наблюдениям, достоверность наступления Эльниньо или Ланиньо, можно определить, если:

- в районе экватора, в восточной части Тихого океана, образуется пятно более теплой воды, чем обычно, в случае Эльниньо и более холодной - в случае Ланиньо;

- если атмосферное давление в порте Дарвин (Австралия) имеет тенденцию к пониже­нию, а на острове Таити — к повышению, то ожидается Эльниньо. В противном случае будет Ланиньо.

Эльниньо и Ланиньо - наиболее ярко выраженные проявления глобальной годичной из­менчивости климата. Они представляют собой крупномасштабные изменения температур океана, осадков, атмосферной циркуляции, вертикальных движений воздуха над тропиче­ской частью Тихого океана. Эльниньо - теплое тихоокеанское экваториальное течение, возникающее раз в не­сколько лет. Характеризуется более высоким уровнем воды (красная область), более низкий уровень воды (голубая область) (1997-1998). Ланиньо - в противоположность Эльниньо, проявляется как понижение поверхност­ной температуры воды на востоке тропической зоны Тихого океана. Такие явления отмеча­лись в 1984—1985, 1988-1989 и 1995-1996. В этот период непривычно холодная погода уста­навливается на востоке Тихого океана.

Ледники - движущиеся естественные скопления льда атмосферного происхождения на земной поверхности. Они образуются в районах, где твердые атмосферные осадки выпадают в большем количестве, чем их стаивает и испаряется. Движение ледника приводит к его раз­делению на области накопления (аккумуляции) и расхода (абляции) льда.

Основные типы ледников - покровные, шельфовые и горные. Общая площадь современ­ных ледников около 16,3 млн. км2 (10,9 % площадь суши), общий объем льдов около 30 млн. км3. Ледники образуются в результате многолетнего накопления, уплотнения и перекристал­лизации снега. Ледники могут существовать только там, где устойчиво наблюдаются низкие температуры воздуха, и выпадает достаточно много снега. Обычно это приполярные или вы­сокогорные районы. Ледники могут иметь форму потока, купола (щита) или плавучей плиты (в том случае, когда они сползают в водоем). Свободно плывущие отколовшиеся части лед­ников называются айсбергами.

Образование ледников. В области питания (аккумуляции) ледника снег превращается в фирн, а затем в лед, в результате чего происходит увеличение массы льда, переносимого в область абляции, где эта масса уменьшается в результате таяния, откалывания, испарения и сдувания снега ветром. Размеры ледников весьма разнообразны от менее 0,1 км2 до многих млн. км2. Например, ледниковый щит Антарктиды достигает почти 14 млн. км2, а его макси­мальная толщина превышает 4,7 км. Наиболее крупные айсберги, имеющие длину 170 км и объем до 5 тыс. км3 , встречаются близ Антарктиды. В связи с изменением климата меняется и общая масса ледников.

Движение ледников. Ледники движутся от области аккумуляции к области абляции. Скорость движения ледников обычно невелика, достигая в среднем от нескольких десятков до нескольких сотен метров в год. Однако бывают случаи очень быстрого движения ледни­ков. Один из самых «скорых» - гренландский ледник Якобсхавн, впадающий в залив Диско. Его скорость превышает 7 км в год. Очень подвижны пульсирующие ледники. В их жизни периоды относительного покоя, длящиеся от 10 до 50-100 лет, чередуются с периодами ко­ротких, быстрых подвижек, или пульсаций, во время которых скорость движения ледника может составить 100-120 м/сутки, а язык ледника может перемещаться на 10-15 км. Это не­редко чревато катастрофическими последствиями - ледяными обвалами, снежными лавина­ми, прорывами подпруженных озер, паводками и селями. Широкую известность приобрели подвижки памирского ледника Медвежий.

Роль  ледников. Ледники влияют на климат, создают специфические ледниковые формы рельефа и неповторимые по красоте и суровости разнообразные высокогорные ландшафты. Они служат «кладовыми» пресной воды, в которых сосредоточено почти 70 % мировых запа­сов резервной пресной воды. Таяние ледников формирует значительную часть речного стока в горных районах. Например, в Средней Азии, где ледники занимают всего 5 % площади, их доля в речном стоке составляет за год 20 %, а летом – 50 %. Если всю массу современных ледников распределить по поверхности всего земного шара, толщина ледяного панциря со­ставит около 50 м. Масса ледников примерно в 32 раза больше массы всех поверхностных вод суши. Площадь ледников в России ок. 60 тыс. км2. В основном это покровные ледники Новой Земли, Северной Земли, Земли Франца-Иосифа и других островов Северного Ледови­того океана.

Литература: 2 осн. (с. 312-318). 3 осн. (с. 166-168).

 

Атмосфера

 

Лекция 5. Атмосфера. Идеальная и реальная атмосфера. Электри­ческое поле Атмосферы

 

 Атмосфера - воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести, вещественно- энергетическим обменом и принимающая участие в ее суточном вращении и годовом движе­нии по орбите. Воздух сжимаем, поэтому с увеличением высоты плотность ее убывает, а атмосферное давление понижается. Недавно предполагалось, что земная атмосфера кончается на высоте 2000...3000 км, но из наблюдений с помощью спутников и других космических ап­паратов создалось впечатление, что вокруг атмосферы Земли существует еще земная корона, простирающаяся более чем до 20000 км. Плотность газа в земной короне мала, но в межпланетарном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере, в десять раз меньше. Общая масса атмосферы составляет 5х1015 т. При этом половина массы воздуха находится в нижних 5 км, 75 % - в нижних 10 км и 95 % - в нижних 20 км.

В атмосфере выделяется несколько основных слоев. Тропосфера простирается до высоты 8...10 км в полярных широтах и до 16...18 км в меж­тропических; содержит 4/5 атмосферного воздуха и почти весь водяной пар; характеризуется понижением температуры с высотой в средней на 0,65 °С на каждые 100 м. В результате при среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли на экваторе +26 °С, на северном полюсе -23 °С и на южном полюсе -76 °С, среднегодовая температура воздуха у верхней гра­ницы тропосферы над экватором снижается до -70 °С, а над северным полюсом достигает зимой - 65 °С, а летом  - 45 °С. Кроме того, в тропосфере происходит сильное развитие турбу­лентности и конвекции с образованием облаков. В тропосфере часто встречаются темпера­турные инверсии, формируются воздушные массы и фронты, а также протекают процессы, определяющие погоду и климат.

Тонкий переходной слой к стратосфере мощностью от сотен метров до 2...3 км называют тропопаузой.

Стратосфера простирается над тропопаузой до высоты 45…55 км. Газовый состав ее сходен с тропосферой, но в стратосфере содержится меньше водяного пара и больше озона. Озоновый слой приурочен к высотам 25...70 км при максимуме содержания озона на высотах 25...30 км. По другим источникам, максимальное содержание озона в стратосфере отмечает­ся на высотах 21...24 и 28...31 км (это - средние и приблизительные данные, так как широтные и сезонные перераспределения озона очень сложны). Содержащееся в озоновом слое ко­личество О3 невелико: в приземных условиях атмосферы (при давлении 760 мм рт. ст. и тем­пературе +20 °С) он образовал бы слой толщиной всего 3 мм. Формирование и функционирование озонового слоя атмосферы Земли поддерживается множеством природных процессов: атмосферных, ионосферных и геомагнитных возмуще­ний, солнечно-земных (электромагнитных излучений и взаимосвязи с ионосферой) и вулка­нических проявлений, геомагнитных микро- и макропульсаций, сейсмических проявлений (вещественных инжекций и влияния на электрорежим атмосферы). В целом озоносодержание в стратосфере представляет собой процесс непрерывной гене­рации и диссоциации озона. Фотогенерация озона протекает в ходе поглощения солнечного ультрафиолета. Распреде­ление его по широтам и долготам очень неравномерно. Основные области его естественной генерации - экваториальные, в которых спектральные условия оптимальны. В результате по­глощения ультрафиолетовой радиации Солнца с длинами волн 0,15...0,29 мкм происходит понижение температуры от -40 ... -80 °С у нижней границы до 0 °С у верхней.

Экологическое значение озонового слоя связано с его поглотительными функциями для климата Земли и ее биосферы. Исходя из идеи «живой Земли», которая косвенно и явно выносилась в научную среду целым рядом исследователей (Чижевский, 1924; Вернадский, 1965; Тейяр де Шарден, 1965; Шипунов, 1980; Дмитриев, 1988, 1989 и др.), озоносфера рассматривается как общепланетарный механизм контроля биоты в пространстве и времени, поскольку она является макси­мально чувствительным образованием биосферы в солнечно-земных связях и несет в себе тончайшие возможности передаточного звена в режиме «Земля - Космос», «Космос - Земля».

Озоновый слой следует назвать чувствительным органом биосферы, реагирующим на ес­тественные и техногенные условия существования динамического равновесия, сдвигаемого в сторону интенсивного наращивания или убывания O3. Биосферное значение озонового слоя складывается из двух основных функций: предохранительного влияния (на состав жизнен­ных форм на Земле) и сигнальной роли (в биосфере и в масштабе всей Солнечной системы).

Предохранительное влияние озонового слоя на живые организмы определяется его экра­нирующей защитой от солнечного ультрафиолета. Разрушение этого слоя и, следовательно, снижение его защитной роли губительно для организмов. Эта функция озонового слоя ши­роко известна.

Сигнальная роль озонового слоя в целом для Солнечной системы может быть изложена на уровне некоторой системы предположений и базируется на гипотезе о системном значе­нии биосферы, а именно: жизненный самоподдерживающийся процесс на Земле имеет функ­циональную нагрузку в Солнечной системе. Процессы поддержания и сохранения жизнен­ных форм на Земле идут на принципах прямой и обратной связи. Озоновый слой - это обще­биосферный показатель развития и стабилизации живых форм посредством последователь­ной фильтрации сигналов. Озоносфера интерпретируется как одно из передаточных звеньев в солнечно-земных взаимосвязях и может служить интегральным показателем состояния биосферы.

В стратосфере наблюдаются перламутровые облака, скорость ветра до 80...100 м/с и струйные течения.

Тонкий переходный слой к мезосфере называется стратопаузой. Мезосфера — средний слой атмосферы, располагается над стратопаузой до высоты 80...85 км. Характеризуется понижением средней температуры воздуха с высотой от 0°С у нижней границы до -90°С у верхней.

Термосфера - слой верхней атмосферы, расположенный над мезосферой до высоты 800...1000 км. Характеризуется чрезвычайной разреженностью воздуха, благодаря чему час­тицы под действием ультрафиолетового излучения Солнца разгоняются, не сталкиваясь до скоростей, соответствующих в приземном слое очень высоким температурам. В результате температура в термосфере быстро растет, достигая на высоте 200...300 км величин более 1500 °С, а в верхней термосфере - около 2000 °С. Термосферу, или, во всяком случае, ее нижнюю часть, называют еще ионосферой благо­даря высокому содержанию молекулярных и атомных ионов и свободных электронов. Ионизация происходит под воздействием ультрафиолетовой солнечной радиации и придает высо­кую электропроводность этой сильно разреженной сфере.

Экзосфера - внешний, наиболее разреженный слой атмосферы, расположенный над термосферой. В отношении верхней границы экзосферы нет единого мнения: одни ученые считают, что верхняя граница экзосферы совпадает с верхней границей атмосферы; другие называют верхнюю часть экзосферы земной короной. Экзосфера характеризуется постоянством температуры (около 2000 °С) на всем своем напряжении до высоты 20 000 км. Плотность воздуха здесь столь мала, а температура настолько высока, что длина среднего свободного пробега частиц очень велика, и частицы, движущиеся вертикально вверх, могут без столкновения с другими частицами вылетать из атмосферы. Так происходит диссипация (ускользание) наиболее легких частиц (атомов водо­рода и гелия) в мировое пространство.

Естественный газовый состав воздуха. Состав сухого воздуха (без водяного пара) у земной поверхности по объему следующий: азот 78,08 %, кислород 20,95 %, аргон 0,91 %, углекислый газ 0,03 %, другие газы (неон, гелий, метан, криптон, водород, оксид азота, озон, ксенон, аммиак, перекись водорода, йод, радон) составляют всего 0,01 %. Кроме названных компонентов фактически воздух содержит в приземном слое влагу в газообразном, жидком или твердом состоянии (почти от 0 до 4 %).

Природные процессы в атмосфере. Атмосфера поглощает и рассеивает солнечную радиацию, сама излучает длинноволновую инфракрасную, поглощает инфракрасную радиацию земной поверхности; обменивается теплом с земной поверхностью путем теплопроводности и фазовых переходов воды. В самой атмосфере тепло распространяется преимущественно с помощью турбулентного обмена, радиационных процессов и фазовых переходов воды.

В приземный слой воздуха (нижние 500... 1000 м) непрерывно поступает водяной пар путем испарения с водных поверхностей и влажной почвы, а также в результате транспирации растениями.

Между подстилающей поверхностью и атмосферой происходит непрерывный кругово­рот воды. Причем в атмосфере водяной пар конденсируется, возникают туманы и облака, из последних могут выпадать осадки.

Процессы циркуляции. От земной поверхности водяной пар распространяется вверх, а воздушными течениями переносится из одних регионов в другие. В атмосфере возникает общая циркуляция и ряд местных (локальных) циркуляций. Общая циркуляция атмосферы приводит к обмену воздуха между различными широтами и областями Земли. Она осуществ­ляется в форме циклонической деятельности, т.е. с помощью атмосферных возмущений - ци­клонов и антициклонов. Под влиянием радиационных условий и циклонической деятельно­сти происходит расчленение тропосферы на отдельные воздушные массы с резко разграни­чивающими их переходными зонами - фронтами. Образование последних, в свою очередь, поддерживает циклоническую деятельность.

Взаимодействие теплового режима с влагооборотом. Может возникать состояние на­сыщения воздуха влагой, особенно при понижении температуры воздуха. Тогда водяной пар переходит в жидкое или твердое состояние, и образуются облака. Облака могут снова испа­ряться - тогда они рассеиваются или из них могут выпадать осадки. Водяной пар сильно по­глощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. Сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхно­сти. Таким образом, влажный воздух способствует уменьшению ночного охлаждения земной поверхности и нижних слоев воздуха.

Атмосфера обладает электрическим полем. В верхних слоях атмосферы, начиная со стратосферы, происходят различные фотохимические реакции, приводящие к образованию озона, диссоциации молекул кислорода, азота и других газов и к ионизации атмосферы. Ио­низация в меньшей степени происходит и в тропосфере. Вследствие этого атмосфера облада­ет электропроводностью.

В воздухе образуются легкие аэроионы вследствие потери молекулами воздуха электро­на или присоединения свободного электрона, а затем к заряженной молекуле могут присое­диняться другие заряженные молекулы. Чистый воздух лесных массивов содержит 700... 1500 отрицательных аэроионов в 1 см3, близ водопадов, у морского берега во время прибоя их число возрастает до 50... 100 тыс. в 1 см3. Отрицательные аэроионы благотворно действуют на общее самочувствие человека, на кровяное давление, повышают внимательность, трудо­способность, улучшают функциональное состояние нервной системы.

В воздух попадают естественные аэрозольные примеси: это жидкие или твердые части­цы - пыль почвенного происхождения, дым от лесных пожаров и вулканических изверже­ний, частицы морской соли, разбрызгиваемые при волнении морской воды, бактерии, пыль­ца, споры, космическая пыль из межпланетного пространства или возникающая при сгора­нии метеоритов. Крупные аэрозольные частицы играют в атмосфере роль ядер конденсации. Аэрозольные примеси переносятся воздушными течениями на огромные расстояния: песча­ная пыль пустынь Африки и Юго-Западной Азии выпадала в Южной и Средней Европе; дым и пепел при взрыве вулкана Кракатау и других крупных извержениях распространялись в высоких слоях атмосферы на большие расстояния, окутывая весь земной шар. Упругие волны в атмосфере передают звук, а также возникают различные атмосферно-оптические явления при прохождении света сквозь атмосферу с отражением и преломлением его капельками и кристаллами, взвешенными в атмосфере.

Литература: 2 осн. (с. 194-198), 3 осн. (с. 17-20), 3 доп. (с. 36 47).

 

Лекция 6. Солнечная радиация - альбедо. Радиационный и тепло­вой баланс. Оранжерейный (парниковый) эффект. Атмосферное давление. Типы воздушных масс. Циркуляция атмосферы

 

Солнце - самая близкая к Земле звезда - излучает электромагнитные волны разной дли­ны. Одни из них представляют собой свет; другие — инфракрасные лучи, несущие тепло; третьи — целый ряд лучей, невидимых человеческим глазом: гамма-лучи, рентгеновские,  ультрафиолетовые и радиоволны. Земная атмосфера лучше всего пропускает видимый свет и радиоволны коротковолнового диапазона, а губительные для жизни ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи поглощаются атмосферой. Для нашей планеты Солнце - единственный источник тепла и света, от Луны и звёзд поступает ничтожно малое количество радиации. Лучистая энергия Солнца нагревает поверхность Земли, а от нее нагреваются нижние слои  атмосферы. Около 25 % энергии от общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную в результате столкновения с препятствиями (пылинки, капельки воды, кристаллы, частички солей). Количество солнечной радиация Солнца зависит от угла падения солнечных лучей, продолжительности  дня, облачности и прозрачности атмосферы. В тропических широтах годовая величина суммарной солнечной радиации составляет около 200 ккал/ см2, а в полярных облас­ти – 50 ккал/см2. Воздушная оболочка Земли поглощает 15-20 % радиации, приходящей от светила.

Термин «радиация» означает электромагнитное излучение, к которому относят видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, но не включают радиоактивное излучение. Каждый объект в зависимости от своей температуры испускает разные лучи: менее нагретые тела - главным образом инфракрасные, горячие тела - красные, более горячие белые (т.е.  эти цвета будут преобладать при восприятии нашим зрением). Еще более горячие объекты испускают голубые лучи. Чем сильнее нагрет объект, тем больше он излучает световой энергии. Хотя температура внутри Солнца составляет миллионы градусов, цвет солнечного света определяется температурой его поверхности (около 6000 °С).  

Угол инсоляции. Величина инсоляции (приходящей солнечной радиации) меняется во времени и от места к месту в соответствии с изменением угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность Земли: чем выше Солнце над головой, тем она больше. Изменения этого угла определяются в основном обращением Земли вокруг Солнца и ее вращением во­круг своей оси.

Обращение Земли вокруг Солнца не имело бы большого значения, если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты Земли. В этом случае в любой точке земного шара в одно и то же время суток Солнце поднималось бы на одинаковую высоту над горизонтом и проявлялись бы только небольшие сезонные колебания инсоляции, обусловленные измене­нием расстояния от Земли до Солнца. Но земная ось отклоняется от перпендикуляра к плос­кости орбиты, и из-за этого меняется угол падения солнечных лучей в зависимости от поло­жения Земли на орбите. Земная ось наклонена к плоскости орбиты под углом 66°33". В основном этим наклоном, а не изменением расстояния от Земли до Солнца, обу­словлены смены времен года. Таким образом, причиной двух отчетливо выраженных циклов атмосферных явлений - годового, продолжительностью 365 1/4 суток, и суточного, 24-часового,  -  является вращение Земли вокруг Солнца и наклон земной оси.

  Альбедо - доля солнечной радиации, отраженная объектом (обычно выражается в процентах или долях единицы). Отношение количества отражённой радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности. Это отношение выражается в процентах. Для яркого белого снега альбедо составляет 80-90 %, а для тёмной пашни - 5-10 %, альбедо облаков в зависимости от типа и вертикальной мощности колеблется от 17 до 81 %. Альбедо темного сухого песка - около 18 %, зеленого леса - от 3 до 10 %. Альбедо крупных акваторий зависит от высоты Солнца над горизонтом: чем оно выше, тем меньше альбедо. Альбедо Земли вместе с атмосферой изменяется в зависимости от облачности и площади снежного покрова. Из всей солнечной радиации, поступающей на нашу планету, около 34 % отражается в космическое пространство и теряется для системы Земля – атмосфера, а 47 % проходит сквозь атмосферу и поглощается земной поверхностью. Около 19 % солнечной радиации, поступающей на Землю, поглощается атмосферой. В верхних слоях атмосферы ультрафиолетовое излучение поглощается преимущественно кислородом и озоном, а в нижних слоях красная и инфракрасная радиация (длина волны более 630 нм) поглощается в основном водяным паром и в меньшей степени - углекислым газом. Несмотря на непрерывный приток солнечной энергии в атмосферу и на земную поверхность, средняя температура Земли и атмосферы довольно постоянна. При­чина этого заключается в том, что почти такое же количество энергии излучается Землей и ее атмосферой в космическое пространство, в основном в виде инфракрасной радиации.

К числу глобальных изменений климата следует отнести широкое развитие потепления начиная с середины XIX в. В Западной Европе к 1920 г. средняя десятилетняя температура зимы выросла на 2,5 °С. К середине XX в. среднегодовая температура по сравнению с концом XIX в. повысилась на Новой Земле почти на 2 °С, в Гренландии - более чем на 3 °С, а на Шпицбергене, на севере Азии и Северной Америки - более чем на 2 °С. В результате потеп­ления в Исландии освободились ото льда пахотные земли, которые возделывались 600 лет назад, но с тех пор были скрыты под ледниковым покровом. На Шпицбергене, в Гренландии, на Аляске обнаружено резкое отступание ледников. Резко уменьшилась ледовитость поляр­ных морей. Существует двоякое объяснение современного потепления:

- с одной стороны за счет антропогенного увеличения содержания углекислого газа в тропосфере («парниковый эффект»);

- с другой стороны за счет сочетания 11- и 80-летних циклов солнечной активности.

Представляется, что развитие антропогенного парникового эффекта является в современ­ном потеплении ведущим фактором, поскольку скорость роста концентрации СО2 в воздухе в палеогене и неогене была в десятки тысяч раз меньше. На фоне этого антропогенного по­тепления просматривается чередование относительно теплых (70-е гг. XIX в., 20 - 40-е гг. и с 70-х гг. XX в.) и относительно холодных (50 - 60-е гг. XX в.) периодов.

Влияние на климат оказывает также антропогенное освоение космоса. Уже после первых стартов космических аппаратов челночного типа («Шаттл») четко фиксировались:

- выпадение радиоактивных осадков (неясного происхождения) в виде кислотного тума­на и водяной пыли вблизи мест старта;

- возникновение плазменных пузырей в ионосфере за счет выхлопов двигателей управ­ления на орбитах;

- интенсивное образование соляной кислоты и резкое увеличение аэрозолей различного состава.

Сейчас есть основания утверждать, что идет расформирование ледовых щитов Арктики и Антарктики. Последний разгружается по механизму всплывания суперайсбергов. А разгруз­ка арктических льдов происходит в связи с общим утончением ледового покрова Ледовитого океана и более интенсивным таянием окраинных ледовых полей.

Полярные шапки каждой зимой не добирают 3...4 °С мороза, что приводит к изменению реологических (греч. rheos — течение, поток) свойств льда: появляется более высокая его те­кучесть, растрескивание и т.д. Таяние полярных льдов вызывает громадные притоки пресной воды в мировой океан. С этим связан процесс затормаживания Гольфстрима, который начал­ся довольно давно.

Идет и общее потепление, которое уже никем не опровергается. Оно все нарастает и при­водит к интенсивному испарению экваториальных вод. При этом в зоне экватора вода стано­вится более соленой и погружается в глубины. Пресные воды из полярных областей более легки. В результате в районе Гольфстрима ожидается процесс попятного движения холодных вод Арктики, которые будут охлаждать территории при экваториальных широтах. Таким обра­зом, в северном полушарии уже формируется процесс обратного течения Гольфстрима. На эту возможность указывают и мпогопараметрические математические модели.

Климатологи, гидрологи Европы пристально изучают конкретные признаки попятного течения Гольфстрима. Для них не удивительно, что и в Западной Европе, и в Восточной Ка­наде, и в США нарастают количество снега и сила морозов, каждую зиму здесь регистриру­ются все новые рекорды низких температур. На фоне глобальных изменений климата происходят также местные, или региональные, антропогенные изменения.

Воздушные массы. Воздушная масса - огромный объем воздуха, свойства которого (главным образом температура и влажность) сформировались под воздействием подстилающей поверхности в определенном регионе и постепенно меняются по мере его перемещения из очага формирования в горизонтальном направлении. Воздушные массы выделяются пре­жде всего по термическим характеристикам районов формирования, например, тропические и полярные. Перемещение из одних областей в другие воздушных масс, сохраняющих многие первоначальные характеристики, можно проследить по синоптическим картам. Например, холодный и сухой воздух из Канадской Арктики, перемещаясь над территорией США, мед­ленно прогревается, но остается сухим. Аналогичным образом теплые влажные тропические воздушные массы, формирующиеся над Мексиканским заливом, остаются влажными, но мо­гут нагреваться или охлаждаться в зависимости от свойств подстилающей поверхности. Ко­нечно, такая трансформация воздушных масс усиливается по мере изменения условий, встречающихся на их пути.   Переходные зоны между движущимися воздушными массами называются «фронтами».

Классификация фронтов. Атмосферные фронты — переходные зоны или поверхности раздела между различными по свойствам воздушными массами, как правило, характе­ризующиеся относительно повышенными значениями горизонтальных градиентов температуры воздуха и давления, а также особенностями в полях ветра и влажности воздуха. С атмосферными фронтами связаны наиболее сложные условия погоды, опасные и особо опасные явления.

Атмосферные фронты разделены на группы в зависимости от различных условий и при­знаков:

- по их перемещению относительно расположения разделяемых фронтами воздушных масс;

- по пространственной (вертикальной и горизонтальной) протяженности и циркуляционной значимости;

- по географическим признакам.

 Общей циркуляцией атмосферы называют круговорот воздуха на земном шаре, приводящий к переносу его из низких широт в высокие и обратно. Главной причиной воз­никновения воздушных течений в атмосфере служит неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара. Так, солнечная энергия является первопричиной всех движений в  воздушной оболочке Земли. Кроме притока солнечной энергии к важнейшим факторам, вызывающим возникновение ветра, относятся также: вращение Земли вокруг своей оси, неоднородность подстилающей поверхности и трение воздуха о почву. Простейшая схема глобальной циркуляции атмосферы была составлена более 200 лет назад. Ее основные положе­ния не потеряли своего значения до сих пор.

 Схема циркуляции атмосферы была бы относительно простой, если бы не вращение Земли. Теплый воздух поднимался бы над экватором и охлаждался по мере движения к полюсам. Вблизи полюсов остывший воздух опускался бы и непосредственно над земной поверхностью перемещался к экватору.

 Литература: 1 осн. (с. 126-135), 2 осн. (с. 354-369, 375-390, 397-404), 3 осн. (с. 149-152).

 

Ландшафтоведение

 

Лекция 7. Ландшафтоведение

 

Ландшафт - одно из фундаментальных понятий современной физической географии, в основе которого лежит идея о взаимосвязи и взаимообусловленности всех природных про­цессов и явлений земной поверхности. В настоящее время имеются два общепринятых и взаимодополняющих определения ландшафта:

- генетически однородный природно-территориальный комплекс, имеющий одинаковый геологический фундамент, один тип рельефа, одинаковый климат и состоящий из свойственного только данному ландшафту набора динамически сопряженных и закономерно соче­тающихся урочищ (Н.А. Солнцев);

- природная геосистема региональной размерности, состоящая из связанных генетически и функционально локальных геосистем, приуроченных к одному типу рельефа, одной мор­фологической структуре и отличающаяся специфичным местным климатом (В.А. Николаев).

Термин «ландшафт» имеет несколько трактовок.

Во-первых, ландшафт - вполне конкретная индивидуальная природная территориальная единица, как и индивидуальные его морфологические части (местности, урочища и фации). Определенный набор морфологических частей создает в каждом ландшафте свою структуру, по которой один ландшафт отличается от другого.

Во-вторых, ландшафт — общее понятие, которое можно отнести к природному террито­риальному комплексу любой сложности и размерности, т.е. к комплексу любого ранга.

В-третьих, ландшафт - типологическая единица: однородный или однотипный физико-географический комплекс, разобщенный в пространстве. Термин применим к категориям различного классификационного ранга (природный ландшафт, ландшафт песчаной пустыни а т.п.). Ландшафт является здесь общим понятием, касающимся характера территории.

 Целостность ландшафта обусловлена потоками вещества и энергии, которые объединяют и компоненты ландшафта, и его морфологические части (фации, урочища и др.) в единую систему.

 Структурно-функциональные связи ландшафта. В ландшафте различаются две системы внутренних связей - вертикальные (межкомпонентные) и горизонтальные (террито­риальные). Вертикальные связи опосредованы через горизонтальную структуру ландшафта, т. е. входящих в него элементарных геосистем.

Между элементарными геосистемами и самими ландшафтами существуют многообраз­ные связи, которые можно классифицировать по их физической природе, направленности, значимости, устойчивости и другим признакам. Первооснову этих связей составляет обмен энергией, веществом и информацией. Геосистемы пронизаны вещественно-энергетическими потоками разного происхождения и мощности. Следует различать потоки внешние (входящие и выходящие) и внутренние, односторонние и двусторонние, прямые и обратные.

  Основой формирования, функционирования и развития ландшафта является энергообмен между компонентами ландшафта и геосистемами, его образующими. Энергообмен есть осо­бое функциональное звено ландшафта. Влагооборот является важной составной частью ме­ханизма взаимодействия между компонентами и одним из главных функциональных звеньев ландшафта. Третьим звеном является вещественный обмен - биогенный и абиогенный - ми­неральный обмен, или геохимический круговорот, который вместе с энергообменом, влагооборотом и газообменом обеспечивает все вещественно-энергетические потоки в геосистеме. Таким образом, формирование, функционирование и развитие ландшафта обеспечивают энергообмен, влагооборот, биогенный и абиогенный обмен веществ.

Энергетика ландшафта. Как уже отмечалось, энергетика ландшафта является основой его образования, функцио­нирования и развития. В ходе энергообмена происходит поглощение, преобразование, накоп­ление и высвобождение энергии.

Первичные энергии поступают в ландшафт извне - из космоса (космическая изначальная энергия), от Солнца (лучистая, или электромагнитная и корпускулярная), энергия от взаимо­действия небесных тел с Землей (энергия приливов и отливов), энергия Земли (гравитацион­ная, радиоактивности некоторых химических элементов Земли).

Лучистая энергия Солнца, поток которой многократно превышает все остальные источ­ники, является важнейшей для ландшафтообразования. Солнечная энергия способна превра­щаться в иные виды энергии - тепловую, химическую, механическую, электрическую. За ее счет осуществляются внутренние обменные процессы в ландшафте - влагооборот, биологи­ческий метаболизм (оборот веществ), циркуляция воздушных масс и др. Все вертикальные и горизонтальные ландшафтные связи осуществляются прямо или косвенно за счет трансфор­мации солнечной энергии.

Важную роль в формировании ландшафта играют также механические энергетические потоки, которые образуются за счет энергии тектонических процессов и энергии солнечных лучей. В надводной части материков накоплено потенциальной механической энергии в три раза больше суммарной солнечной радиации, поступающей на сушу. Сюда же входят меха­ническая энергия ветра и всех текучих вод.

Влагооборот в ландшафте. Влагооборот в ландшафте протекает через сложную систему водных потоков и пронизывает ландшафт, подобно кровеносной системе. Посредством потоков влаги осуществляется основной минеральный обмен внутри ландшафта. Внешние вещественные связи ландшафта также осуществляются через водные потоки. Перемещение влаги сопровождается формиро­ванием растворов, коллоидов, взвесей; транспортировкой и аккумуляцией химических эле­ментов.

Ежегодный запас обращающейся в ландшафте влаги составляют жидкие и твердые атмо­сферные осадки. Часть осадков перехватывается поверхностью растительного покрова и, ис­паряясь с нее, возвращается в атмосферу. Влага, непосредственно выпадающая на поверх­ность почвы, частично уходит за пределы ландшафта с поверхностным стоком и затрачива­ется на физическое испарение, остальное количество фильтруется в почвогрунты и образует наиболее активную часть внутреннего влагооборота.

 Наиболее обильное поступление внешних осадков и соответственно более интенсивный вынос воды из ландшафта наблюдается в экваториальных широтах, а также в муссонных тропиках и субтропиках, затем в приокеанических областях пояса западного переноса. Наи­более слабые входящие и выходящие потоки влаги свойственны внутриконтинентальным областям и особенно поясу тропической пассатной циркуляции.

Биогеохимический цикл, или малый биологический круговорот, представляет продукци­онный процесс, т. е. образование органического вещества первичными продуцентами - зеле­ными растениями, которые извлекают углекислый газ из атмосферы, зольные элементы и азот - с водными растворами из почвы.

Около половины создаваемого при фотосинтезе органического вещества (брутто-продукция) окисляется до СО2 при дыхании и возвращается в атмосферу. Оставшаяся фитомасса называется первичной продукцией. Часть ее поступает в трофическую цепочку - по­требляется растительноядными животными (фитофагами); следующий трофический уровень представлен плотоядными животными (зоофагами).

Основная часть фитомассы после отмирания разрушается животными - сапрофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. В итоге мертвые органические остатки минерализуются микроорганизмами. Конечные продукты минерализации возвращаются в атмосферу (СО2 и другие летучие соединения) и в почву (зольные элементы и азот). Процессы созидания и разрушения биомассы не всегда сбалансированы - часть ее (в среднем менее 1%) может выпадать из круговорота и аккумулироваться в почве (в виде гумуса) и в осадочных породах.

При достаточном количестве влаги продуктивность фитомассы возрастает от высоких широт к низким в соответствии с ростом энергообеспеченности. В одинаковых термических условиях наибольшая продуктивность наблюдается при оптимальном (медиальном) соотно­шении тепла и влаги. Максимальная биологическая продуктивность присуща экваториальным ландшафтам, заметно меньше она во влажных субтропических лесах. Среди суббореальных ландшафтов наивысшей продуктивностью обладают луговые степи, им несколько уступают широколиственные леса. Самая низкая продуктивность фитомассы присуща ланд­шафтам с резким дефицитом тепла или влаги - полярным и пустынным.

С увеличением теплообеспеченности основная часть органических остатков при доста­точном количестве влаги переходит в почвенный гумус. В луговых черноземных степях его запасы достигают 800... 1000 т/га, в почвах широколиственных лесов - около 300 т/га, таежных лесов - около 100 т/га, в тундровых почвах - 70 т/га. В тундре и тайге в составе мортмассы (мертвой части органического вещества ландшафта) преобладают неразложившиеся растительные остатки - главным образом подстилка, а также сухостой, валежник, мертвые корни и др. Запасы подстилки в этих зонах достигают 40...50 т/га; в широколиственных лесах они сокращаются до 10... 15 т/га, а в постоянно влажных вечнозеленых тропических лесах - до 2 т/га. В степях наземная мортмасса представлена растительной ветошью (4... 10 т/га).

Абиотическая миграция вещества. Абиотические потоки вещества в ландшафте в значительной мере подчинены воздейст­вию силы тяжести и в основном осуществляют внешние связи. В отличие от биологического метаболизма абиотическая миграция не имеет характера круговоротов, поскольку гравита­ционные потоки вещества однонаправлены, т. е. необратимы.

Ландшафтно-географическая сущность абиотической миграции вещества состоит в том, что с нею осуществляется территориальный перенос материала между ландшафтами и их морфологическими частями и безвозвратный вынос вещества в Мировой океан.

Вещество литосферы мигрирует в ландшафте в двух основных формах:

 - в виде геохимических пассивных твердых потоков денудации - обломочного материала, перемещаемого под действием силы тяжести, механических примесей в воде (влекомые и взвешенные наносы) и воздухе (пыль);

- в виде водорастворимых веществ, т. е. ионов, перемещающихся с водными потоками.

В распределении твердого стока четко проявляется широтная зональность. В тундре и тайге величина модуля твердого стока (Мт), т. е. количество твердого вещества в тоннах, выносимого рекой с единицы площади за единицу времени, не превышает 5...10 т/км2 в год, а средний слой ежегодного смыва - не более 0,002...0,004 мм, но внутризональные различия достаточно велики. В зоне широколиственных лесов Мт обычно равен 10...20 т/км2 в год, в лесостепи достигает 150, в степи - 50...100 т/км2. В пустынях твердый сток резко сокращает­ся из-за практического отсутствия жидкого стока. В экваториальных лесах Мт относительно невелик (в бассейне Конго -18...37, в бассейне Амазонки — 67...87 т/км2 в год).

Механический вынос твердого материала достигает своего максимума в горах, особенно сложенных рыхлыми горными породами. Только часть, учитываемая в ежегодном стоке извещенных наносов, может составлять 2000 т/км2 и более (в горах Средней Азии - до 2500 т/км2, на северном склоне Апеннин - до 3000...3700, в горных сухих субтропиках юго-восточного Кавказа - до 4000...5000 т/км2). Особую роль играют селевые потоки с единовре­менным выносом обломочного материала до миллионов кубометров.

 В глобальном балансе вещества некоторую роль играет поступление метеоритов и кос­мической пыли, приблизительно оцениваемое от 10 до 13,9 млн. т в год.

Развитие и возраст ландшафта. Каждый ландшафт переживает две главные стадии в своем развитии: стадию формирова­ния и стадию эволюционного развития.

На первой стадии прогрессивные элементы ландшафта быстро развиваются, приходят в относительное соответствие друг с другом и с общими зонально-азональными условиями, территория морфологически все более дифференцируется, ландшафт приобретает черты ус­тойчивой структуры - достигает зрелости.

С этого момента он переходит во вторую, более продолжительную стадию медленной эволюции, если не произойдет резкое изменение внешних условий, которое нарушит нор­мальное течение процесса саморазвития.

Таким образом, каждый ландшафт имеет возраст - от начала стадии формирования до конца стадии эволюционного развития. Современные естественные экваториальные и субэк­ваториальные ландшафты отличаются большим возрастом, чем ландшафты умеренных ши­рот. Это объясняется тем, что стабильность зональных условий возрастает с приближением к экватору.

  Литература: 2 осн. (с. 257-280), 3 осн. (с. 102-110).

 Лекция 8. Классификация геосистем. Структура и функционирование геосистем. Геохимические провинции: природные и антропоген­ные

 

Литосфера неоднородна по своему составу и строению, а рассмотренные выше естест­венные процессы размещаются неравномерно. Это создает очень пеструю картину в облике, строении и динамике современного рельефа.  

Типы земной коры. Существуют два основных типа земной коры - материковый и океанический - и три переходных, или промежуточных, типы - субматериковый, субокеани­ческий и материковой коры с редуцированным гранитным слоем.

Материковая кора домезозойского возраста характеризуется большой мощностью (в среднем 58 км, местами до 80 км). Океаническая кора — молодая, образовалась не раньше начала мезозоя и продолжает фор­мироваться и ныне в океанах, где в результате горизонтального перемещения материков они удаляются друг от друга. Субматериковая кора по строению близка материковой коре, хотя обычно уступает ей по мощности. Субокеаническая кора слагает глубинные части краевых морей, отделяющих островные дуги от материков. По составу и строению она близка океанической коре, но не составляет с ней единого целого. Материковая кора с редуцированным гранитным слоем - формируется в случаях ее погру­жения ниже уровня океана, при этом гранитный слой под воздействием высоких температур и давления приблизившейся мантии частично распадается и перекристаллизуется в базальты.  

Тектонические структуры литосферы. Тектонические структуры могут быть разной величины - от микроструктур, изучаемых с помощью микроскопа, до самых крупных структур, занимающих громадные площади и уходящих корнями в мантию. Рассмотрим наиболее крупные и широко распространенные тектонические структуры.

Древние платформы (кратоны) — обширные участки земной коры, обладающие сравнительно малой подвижностью, с равнинным или платообразным рельефом, могут иметь двухъярусное строение. По своему строению древние платформы подразделяют на следую­щие структуры: щиты (представляют собой выходы кристаллического основания древней платформы на дневную поверхность), плиты (участки платформ с двухъярусным строением: в глубине зале­гает древний кристаллический фундамент, а верхний ярус представляет собой платфор­менный чехол обычно со спокойным залеганием слоев), синеклиза (крупная часть плиты, в которой залегание пород чехла образует очень по­логую блюдцеобразную структуру, состоит из верхнего слоя осадочных пород - 15 км, гранитного слоя - 13 км и подстилающего слоя базальтов - 30 км), антеклиза (крупная часть плиты, в которой залегание пород чехла представляет очень пологое куполовидное строение, мощность слоев уменьшается к центру, возможна не­полнота стратиграфического разреза).

Молодые (эпипалеозойские и мезозойские) платформы (кратоны) имеют более молодой кристаллический фундамент, чем у древних платформ. По сравнению с древ­ними платформами характеризуются большей тектонической активностью. Участки моло­дых платформ подвержены не столько эпейрогеническим движениям, сколько разрывным нарушениям и дифференцированным поднятиям или опусканиям отдельных глыб. Примеры: Скифская, Туранская, Западно-Сибирская платформы. Выступы кристаллического фундамента платформы представляют собой одноярусные структуры со скоростью тектонических поднятий, несколько превышающей скорость дену­дации, в рельефе часто представлены горстами. Плиты молодой платформы представляют собой двухъярусные структуры, где кристал­лический фундамент перекрыт осадочным чехлом. Могут образовывать обширные плоские равнины (например, плита Западно-Сибирской платформы) или небольшие понижения в рельефе (грабены и другие структуры) между поднятиями выступов фундамента молодой платформы.

Геосинклинальные пояса (или остаточные геосинклинали) - обширные высокоподвижные, сейсмически и тектонически-активные, линейно вытянутые пояса земной коры. Располагаются либо между древними материковыми платформами, либо между мате­риковой платформой и ложем океана. Например, Андийский, Средиземноморский геосинк­линальные пояса и др. Характеризуются повышенной скоростью, большим размахом и кон­трастностью тектонических движений, интенсивной складчатостью, надвигами и шарьяжами, напряженными и разнообразными магматическими процессами, явлениями регионально­го метаморфизма и эндогенного оруденения. Геосинклинальные пояса могут включать в себя следующие структуры: антиклинории, синклинории, срединные массивы, краевые (передовые, предгорные) прогибы.

Рельеф земной поверхности. При характеристике рельефа обычно различают морфоструктуры и морфоскульптуры.

Морфоструктуры - это крупные формы земной поверхности: значительные неровно­сти рельефа материков и дна морских впадин, в образовании которых главная роль принад­лежит внутренним (эндогенным) процессам (в первую очередь тектоническим движениям), а в строении четко отражаются тектонические структуры.

Морфоструктуры суши включают в себя равнинно-платформенные и горные (орогенные) области.

Равнинно-платформенные области в зависимости от своего строения и происхождения подразделяются на кристаллические денудационные и пластовые аккумулятивные равнины. Такие равнины обычно приурочены к плитам древних или молодых (эпипалеозойских) платформ (например, Восточно-Европейская равнина, Западно-Сибирская низменность, Великие равнины Север­ной Америки, Амазония, котловина Конго и др.).

Горные (орогенные) области включают в себя возрожденные и молодые горы (например, Урал, Алтай, Тянь-Шань, Вогезы, Шварцвальд, Аппалачи, Восточно-Африканское плоскогорье, Абиссинское нагорье, Восточно-Австралийские горы и др.). Молодые (эпигеосинклинальные) горы по своему строению преимущественно складча­тые, разрывные дислокации в них имеют обычно второстепенный или локальный характер (например, Пиренеи, Карпаты, Кавказ, Гималаи, Анды, Атласские горы и др.).

Морфоструктуры дна морей и океанов включают в себя подводные окраины материков, зоны островных дуг, ложе океана и срединно-океанические хребты. Подводные окраины материков в зависимости от глубины представлены следующими структурами: материковая отмель (или шельф) - плоское пологое продолжение суши с глубинами от 0 до 200 м (вокруг Антарктиды до 500 м); материковый склон - продолжение шельфа с наклоном обычно 3…7° (до 30°) до глубин 1500...3000м; материковое подножие завершает внизу подводную окраину материков и представляет собой наклонную, слабо волнистую равнину на глубинах до 5 км.

Зоны островных дуг включают: горные сооружения островных дуг, сформировавшиеся на субматериковой коре (Япон­ские о-ва, Филиппины, о-ва Вест-Индии и др.); глубоководные желоба, окаймляющие островные дуги обычно со стороны океана (Ку­рильский, Японский, Филиппинский желоба и др.); аккумулятивные равнины дна котловин окраинных морей, сформировавшиеся на субо­кеанической коре и окаймляющие островные дуги со стороны материка (глубоководные час­ти Охотского, Японского, Восточно-Китайского морей и др.).

Ложе океана формируется на коре океанического типа и в геотектоническом отношении представляет собой океанические платформы (талассократоны). Располагается между под­водными окраинами материков или зонами островных дуг и срединно-океаническими хреб­тами на глубине 4...7 км. В ложе океанов выделяются следующие морфоструктуры: океанические котловины (абиссальные равнины) на глубине до 5...6 км, представляю­щие собой в геотектоническом отношении талассосинеклизы (в Атлантическом океане  Северо-Американская, Бразильская, Аргентинская; в Индийском - Мозамбикская, Сомалий­ская; в Тихом - Северо-Западная, Центральная и др.); горные сооружения (хребты) ложа океанов, являющиеся асейсмичными талассоантеклизами, которые по строению бывают глыбовыми, сводово-глыбовыми и вулканическими (Китовый, Восточно-Индийский хребты и др.).

Срединно-океанические хребты - мощные подводные горные сооружения на дне океа­нов, занимающие чаще всего срединное положение в океанах и приуроченные к областям раздвижения литосферных плит океана и наращиванию их за счет вещества, поднимающего­ся из недр. Ширина хребтов до  2000 м, относительная высота 1 ...3 км. Характеризуются ши­роким развитием разрывных нарушений земной коры - продольной рифтовой зоной и огром­ными поперечными разломами и сдвигами; им присущ активный вулканизм и высокая сейс­мичность (например, Срединно-Атлантический, Центрально-Индийский, Аравийско- Индийский хребты, Восточно-Тихоокеанское поднятие, хр. Гаккеля и др.).

 Антропогенное прогибание земной коры. Данный процесс связан с добычей твердых полезных ископаемых, откачкой флюидов (воды, нефти и газов), с созданием водо­хранилищ, строительством в городах высотных зданий. Он отмечается на фоне природных тектонических перемещений земной поверхности, но по частоте проявления, скоростям и не­гативным последствиям антропогенное прогибание превосходит естественные тектониче­ские движения.

Установлены прогибания и оседания земной коры в связи с подземными выработками в районах угледобычи Силезии, Рурского бассейна, в Японии, Англии, США, в Донецком, Подмосковном и других бассейнах. Опасное оседание и сдвижение горных пород над выра­ботками развивается, когда толщина кровли менее чем в 300 раз превышает толщину отраба­тываемого слоя. Прогибанию земной коры способствует также нагрузка колоссальных отва­лов, нагроможденных на поверхности шахтных полей (например, в Донбассе за год скапли­вается наверху около 10 млн. т отвалов).

Откачка подземных вод в Мехико вызвала оседание города более чем на 8,5 м; в примор­ских японских городах Токио, Осака, Ниигата оседание происходило со скоростью от не­скольких до 50 см в год и достигло местами 4 м, площадь оседания захватывает сотни квад­ратных километров. В Большом Лондоне оседание охватило площадь в 2000 км2 на глубину до 2 м из-за снижения человеком уровня напорных вод на 100 м. В разных городах Калифор­нии откачка подземных вод вызвала оседание поверхности на 3 и 4,5 м.  В районах нефте- и газодобычи порождается стрессовое снижение давления в нефтегазо­носных структурах осадочных толщ, нарушение гидро- и теплового режима больших площадей интенсивно осваиваемых месторождений. Наука еще не в состоянии предсказать бли­жайшие и особенно отдаленные последствия такого антропогенного воздействия на нефтега­зоносные структуры. Примером сильного опускания коры при откачке флюидов может служить город и гавань Лонг-Бич близ Лос-Анджелеса, где при скорости оседания 10...70 см/год опускание достигло 8,8 м, а горизонтальные смещения - 3,7 м. Серьезно пострадали промышленные предпри­ятия, военно-морская верфь, железнодорожные пути, трубопроводы, мосты и отдельные зда­ния, а также сотни скважин, которые откачивали нефть. Опускание коры за счет откачки флюидов происходит также в других штатах США (Аризона, Колорадо, Невада, Джорджия) а также в Венесуэле, Японии, Италии.

 Строительство крупных городов с нагрузкой высотных и промышленных зданий также порождает опускание земной поверхности. Оно отмечается во многих городах. В Москве, например, скорость опускания 1...2 мм/год, причем особо выделяются полосы проседания вдоль тоннелей и станций метро на глубину 50...80 см; прокладка более глубоких линий мет­ро уменьшила размеры проседания.

Особенности антропогенных процессов. Направленность - протекание антропогенных процессов происходит в результате раз­личных видов деятельности человека в диалоге «природа - человек». Побудительным психо­логическим стимулом человеческой деятельности в этом направлении является получение экономических или личных «выгод», если эти процессы формируются преднамеренно.  

Энергетической основой преднамеренно программируемых антропогенных процессов является преобразованная или выработанная человеком энергия с помощью созданной им техники. Использование для этой цели природных энергетических ресурсов (нефти, газа, уг­ля, сланцев и др.) неизбежно сопровождается истощением природных месторождений полез­ных ископаемых, а также целой серией незапрограммированных антропогенных процессов: загрязнением среды, накоплением отходов и т.д. В наше время масштаб антропогенных воздействий становится все более разрушитель­ным. Характерно, что изучение повреждающих воздействий, производимых человечеством в отношении Земли, проводится односторонне. Изучается только грубая составляющая воз­действия на твердые, жидкие и газовые земные оболочки. До настоящего времени остаются без внимания ученых тонкие виды воздействия на при­роду со стороны массовой поведенческой и психологической деятельности человечества. Систематическое отрицание активного функционирования психической энергии и ее инте­грального воздействия на сейсмические процессы и геомагнитные вариации привело к лож­ным направлениям в становлении программ глобальной экологии. Разрушительное воздейст­вие отрицательных психологических состояний на Землю до сих пор недостаточно изучает­ся.

Скорости протекания антропогенных процессов на 5-6 порядков превосходят скорости природных, а продолжительность их развития во столько же раз может уступать времени протекания природных процессов (например, месторождения полезных ископаемых могут формироваться десятки миллионов лет, а вырабатываются человеком за десятки лет). Чтобы Земля отреагировала на то, что у нее вырван «нерв» или иной жизненно важный для нее орган в виде рудного ископаемого, - в зависимости от обстановки требуется 80...150 лет. Поэтому многие антропогенные изменения в природе незаметны, и кажется, что ничего особенного не происходит.

Цикличность антропогенных процессов выражена относительно слабо. Обычно она свя­зана с работой транспорта или является отражением цикличности процессов в природной среде.

Вторжение в природные круговороты вещества и энергии во все возрастающих масшта­бах обусловлено научно-технической революцией и увеличивающейся мощностью техниче­ских средств воздействия на природную среду. Так, промышленность изымает из природных круговоротов колоссальные массы вещества в виде различных типов сырья, а человек пере­распределяет по планете миллионы видов разной промышленной продукции и миллиарды тонн отходов. Основным ресурсом планеты является запас закономерности, а не запас вещества и энер­гии. Ведь добытые вещества и энергии, в общем, остаются на Земле, но они изъяты из стро­гой закономерности геолого-геофизической среды в литосфере. Снижая эту закономерность планеты, человечество учиняет ей прямой разгром. Пора осознать, что Земля представляет собой живой организм.

Литература: 1 осн. (с. 3-4, 74-75, 140-142), 2 осн. (с. 147-158), 4 осн. (с. 121-127), 3 доп. (с. 50-52).

 

Геология и гидрология

 

Лекции 9. Строение и состояние земной коры. Эндогенные и экзо­генные геологические процессы

 

Осадконакопление (седиментация) - процесс образования всех видов отложений в природных условиях при переходе осаждаемого материала из подвижного, взвешенного или растворенного состояния (в водной или воздушной среде) в неподвижное - осадок. Про­текает осадконакопление на дне океанов, морей, рек и озер, а также на поверхности суши. В результате осадконакопления возникают осадочные горные породы, покрывающие около 75% поверхности материков.

Эндогенные процессы - это тектонические процессы, протекающие в земной коре и обусловленные внутренней энергией Земли. Они проявляются в виде различных тектони­ческих движений, процессов вулканизма, землетрясений, метаморфизма горных пород и др.

Эпейрогенические (колебательные) движения земной коры — медленные, очень продол­жительные движения земной коры, как восходящие, так и нисходящие. Они происходят по­всеместно и непрерывно и сменяют друг друга во времени и пространстве, протекают на протяжении всей геологической истории и определяют размещение и изменение очертаний суши и океанов. Колебательные движения земной коры выражаются в одновременном под­нятии или опускании обширных областей, охватывающих целый материк или океан или зна­чительные их части, и проявляются в обширных трансгрессиях (наступавши вод моря на су­шу в результате опускания земной коры под влиянием нисходящих тектонических движе­ний) и регрессиях (отступании вод моря при восходящих тектонических движениях суши, вызывающих поднятия земной коры, или опускании морского дна). Трансгрессии и регрес­сии сменяют друг друга через длительные промежутки времени — до 200...300 млн. лет.

Орогенические движения земной коры (горообразовательные движения) - относительно быстро протекающие тектонические движения, выраженные в складкообразовании и раз­рывных нарушениях. Проявления орогенических движений на 1-2 порядка более кратковре­менные, но вместе с тем более интенсивные, чем проявления эпейрогенических движений. Источник орогенических движений может находиться как в земной коре, так и в мантии — чаще в области астеносферы. Если эпейрогенические движения обычно приурочены к плат­форменным структурам, то орогенические - к молодым остаточным геосинклинальным об­ластям.

Экзогенные процессы протекают на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре и обусловлены внешними силами: энергией солнечного излучения, силами гравитации, движущихся воды и льда, жизнедеятельностью организмов. Важнейшие из них следующие.

Выветривание - процесс механического разрушения, разрушения под действием орга­низмов и химического изменения горных пород на земной поверхности или в приповерхно­стных слоях литосферы. Происходит под воздействием различных атмосферных агентов (се­зонных и суточных колебаний температуры воздуха, атмосферных осадков, воздействия на породы атмосферного кислорода и др.), грунтовых и поверхностных вод, жизнедеятельности растительных и животных организмов и продуктов их разложения. Различают в зависимости от воздействующих факторов физическое, химическое и биологическое выветривание.

Денудация - совокупность процессов сноса и переноса (водой, ветром, льдом, силой тя­жести) продуктов разрушения горных пород в пониженные участки земной поверхности, где происходит их накопление. На скорость и характер денудации влияют размах и скорость тектонических движений. Если скорость денудации превышает скорость тектонических под­нятий, наблюдается процесс снижения и выравнивания рельефа, при длительной денудации на месте горных стран могут образовываться пенеплены. Если скорость денудации уступает скорости тектонических поднятий, происходит нарастание абсолютных и относительных вы­сот рельефа при увеличении его расчленения.

Эоловые процессы - рельефообразующие процессы, обусловленные деятельностью ветра: развевание (дефляция), перевевание, выдувание из неперемещенных песков мелкозернистой фракции и навевание (аккумуляция) эолового материала (главным образом песков) за счет его перемещения на некоторое расстояние от исходного залегания, а также выработка дви­жущимся песком деструкционных форм рельефа (котлов выдувания, ниш, остатков вы­дувания). Распространены эти процессы в засушливых районах, особенно в пустынях, но встречаются и на берегах морей и рек.

Эрозия - разрушение горных пород (или почв) текучими водами, один из основных экзо­генных факторов формирования рельефа земной поверхности. Состоит из механического размыва горных пород (собственно эрозия), химического растворения горных пород (корро­зия) и шлифовки дна русла водотока твердыми обломками пород, переносимыми водой (кор­разия). Различают эрозию склоновую (нерусловую - деятельность дождевых и талых вод, выравнивающих и снижающих склон), линейную (овражную, речную), боковую (когда пре­обладает расширение долины текучими водами), глубинную (с преобладанием глубинного вреза долины), регрессивную (пятящуюся, приводящую к врезанию истока водотока в склон). Регрессивная эрозия может привести к перехвату реки соседним бассейном или к смещению водораздела.

Аккумуляция - процесс накопления рыхлого минерального материала и органических ос­татков на поверхности суши или на дне водоемов. Она происходит преимущественно в по­нижениях рельефа, способствуя его выравниванию, а также наблюдается в речных долинах.

Нивация - эрозия снежников, разрушительное воздействие снега на подстилающие гор­ные породы, приводящее к образованию специфических форм рельефа: цирков, каров, скло­новых ниш. Ярко выражена в полярных, субполярных и высокогорных областях - в местах, где скапливаются большие массы снега и существуют снежники.

К экзогенным процессам следует отнести также лавины, оползни и сели, которые наблю­даются только в горных областях. Развитие этих процессов имеет закономерный характер, однако, их проявление в пространстве-времени слабо предсказуемо, поэтому они называются также стихийными природными явлениями, стихийными бедствиями, опасными, или экстре­мальными, катастрофами и т.д.

Литература: 1 осн. (с. 117-119), 1 доп. (с. 118-120).

 

Лекция 10.  Процессы формирования, со­став и свойства подземных вод. Прогноз изменения количества и качест­ва подземных и поверхностных вод

 

 Подземные воды. К подземным водам относятся воды, находящиеся в горных породах верхней части лито­сферы в жидком, твердом и парообразном состоянии. Природные системы подземных вод связаны с процессами вертикального перемещения вод в толще грунтов: это гравитационные воды, для которых характерно просачивание по трещинам под действием силы тяжести сверху вниз, и капиллярные воды, которые поднимаются по капиллярам в грунтах снизу вверх.

Природные комплексы подземных вод распространены на территории 134 800 тыс. км2. Есть страны, где потребность в воде полностью (Саудовская Аравия) или частично (Тунис, Дания, Бельгия) обеспечивается за счет подземных вод. Очень велика роль подземных вод в водообеспечении жителей пустынь и районов развития многолетней мерзлоты. В ряде стран ближнего зарубежья значительная часть используемых водных ресурсов покрывается за счет подземных вод: в Азербайджане – 60 %, в Узбекистане – 50 %, Туркмении и Армении – 40 %.

Из различных систем подземных вод рассмотрим две - почвенную влагу и подземные льды - как имеющие наибольшее значение в формировании природных ландшафтов. Почвенная влага как природная система занимает площадь в 82 000 тыс. км2. Водный ре­жим почвы в основном определяется атмосферными осадками — годовым количеством осад­ков, распределением осадков в течение года, их формой (например, при ливневых дождях вода не успевает проникнуть в почву, стекает в виде поверхностного стока) и испаряемо­стью. Получаемая почвой влага расходуется на почвенный сток, испарение, отсасывание корнями растений и др.

Подземные льды являются аналогами подземных вод в зоне многолетнемерзлых пород. Они занимают площадь около 21000 тыс. км2, располагаясь преимущественно в субарктиче­ском и арктическом поясах, и только в Восточной Сибири проникают далеко на юг в уме­ренные широты.

Запасы пресных вод и их размещение. В распределение общих запасов пресных вод на Земле определяется следующим образом: основная доля запасов пресных вод (около 2/3) находится в твердом состоянии и приурочена преимущественно к ледникам. Подавляющая масса льдов при этом - ледниковые покровы.

Наибольший интерес представляет объем ежегодно возобновляемых ресурсов пресных вод. Он приблизительно может быть приравнен к суммарному годовому стоку рек в океан - 45 тыс. км3. Это и есть те водные ресурсы, которыми располагает человечество для удовле­творения своих многообразных потребностей в воде. Вследствие ежегодной возобновляемости и легкодоступности именно речные воды наиболее пригодны для использования челове­ком. Годовой сток всех рек мира только в полтора раза больше объема вод Байкала (23 тыс. км3) и Великих американских озер (22,7 тыс. км3).

Что же касается использования основного источника пресной воды - ледников, то наи­больший практический интерес представляют айсберги, рожденные ледниками Антарктиды. Они - перспективный поставщик пресной воды для западных пустынных районов Южной Америки, Африки и Австралии. Определены оптимальные пути буксировки ледяных гор, лучшее для этого время года и стоимость воды при такой операции. Мощнейший буксир может буксировать айсберги размером 230х920х250 м, причем стоимость полученной из них воды не превышает стоимости подземных или опресненных вод.

Размещение запасов пресных вод. Наиболее обеспечены пресными водами Южная Аме­рика и Австралия с Океанией. В Европе немало стран, в которых местные водные ресурсы избыточные. Так, в Норвегии на душу населения приходится в год более 90 тыс. м3 полного речного стока и почти 30 тыс. м3 подземного стока в реки. Еще выше водообеспеченность в Исландии: почта 300 тыс. м3 на душу населения полного речного стока и 100 тыс. м3 - подземного стока. В Азии из стран, богатых водными ресурсами, можно отметить Лаос, в котором на душу на­селения в год приходится 63 тыс. м3 полного речного стока и 14 тыс. м3- подземного. Наибо­лее трудное положение с ресурсами речного стока на огромных пространствах Центральной и Юго-Западной Азии, где проживает свыше 2,5 млрд. человек, а реки отличаются маловод­ностью и, что особенно важно, слабой естественной зарегулированностью.

В Африке высокая водообеспеченность населения в Конго: 120 тыс. м3/год полного реч­ного стока и 45 тыс. м3/год подземного. В Северной Америке богата водными ресурсами Ка­нада (115 тыс. и 30 тыс. м3/год соответственно), в Центральной Америке - Никарагуа (54 тыс. и 22 тыс. м3/год). В Южной Америке избыточная водообеспеченность у Бразилии (48 тыс. и 16 тыс. м3/год) и Венесуэлы (56 тыс. и 17 тыс. м3 /год). В Океании большими водными ресурсами обладает Новая Зеландия (128 тыс. и 64 тыс. м3/год) и особенно Южный остров (326 тыс. и 162 тыс. м3/год).

На территории СНГ общая водообеспеченность составляет 16,6 тыс. м3/год всех речных вод, в том числе 3,9 тыс. м3/год подземного речного стока. При этом в азиатской части сооб­щества водообеспеченность в 5...6 раз меньше, чем в европейской части. Низкая обеспечен­ность пресной водой особенно характерна для ближнего зарубежья в Средней Азии.

Если проследить динамику водообеспеченности за последнее время, то обращает на себя внимание ускорение снижения водообеспеченности. Так, с 1850 по 1950 г. водообеспечен­ность в среднем снижалась в 0,2 раза в течение каждого десятилетия, а в период с 1950 по 1980 г. — в 0,6 раза в каждое десятилетие.

Заканчивая обзор запасов пресных вод, следует отметить, что далеко не все пресные воды обладают качеством питьевой воды, не всякая вода пригодна для использования в сельскохо­зяйственном или промышленном производстве из-за все возрастающего загрязнения вод. По данным ВОЗ, около 2 млрд. человек на планете практически не имеют возможности пользо­ваться чистой питьевой водой.

В ряде регионов мира проблема чистой питьевой воды тесно смыкается с проблемой сточных вод, поскольку многие близлежащие к крупным городам и промышленным центрам источники потребления пресной воды (реки, озера, подземные воды) сильно загрязнены сточными водами. Во многих случаях дефицит чистой пресной воды приходится покрывать созданием длинных трубопроводов. Так, Вена получает воду с гор, находящихся в 150 км от города; Париж - из Луары; Штутгарт - из Боденского озера в 200 км от города. Два 500- километровых трубопровода снабжают водой Сан-Франциско. Это не только дорого, но и опасно, так как в длинных трубопроводах в воде могут протекать трудно предсказуемые ре­акции, которые могут сделать воду химически агрессивной.

В районах дефицита пресной воды она нередко становится предметом торговли и бизне­са. Так, во многие города Германии вода доставляется в 20-тонных автоцистернах из ледни­ков Австрии, расфасовывается и продается населению в двухлитровых бумажных пакетах. В Роттердаме продаются бутылки с обыкновенной речной водой, привезенной из Норвегии. В Новой Зеландии создана компания по экспорту в Западную Европу свежей новозеландской воды.

Антропогенные процессы в гидросфере. Сооружение водохранилищ и их влияние на окружающую среду. В антропогенном пере­распределении ресурсов пресных вод создаваемые водохранилища играют большую роль, даже если при сооружении плотины главной целью было создание ГЭС, а не мелиоративные мероприятия. Сооружение водохранилищ в аридных областях позволяет до некоторой степе­ни компенсировать недостаток запасов пресных вод, получить резерв воды для орошения значительных площадей земельных угодий, для промышленных и бытовых нужд, несколько увлажнить и смягчить климат прилегающего района. Однако, давая некоторый экономиче­ский эффект, водохранилища вызывают также ряд отрицательных, часто незапрограммированных и неучтенных последствий в воздействии на окружающую среду.

Воздействие водохранилищ на окружающую среду разнообразно. При изучении антропо­генного воздействия на литосферу уже отмечался рост случаев спровоцированных водохра­нилищами землетрясений.

Влияние водохранилищ на режим вод. При строительстве водохранилищ резко уменьша­ется проточность, турбулентность воды, сокращается водообмен, создаются условия для воз­никновения застойных зон. Затопленные плодородные почвы и растительность обогащают воду большим количеством питательных элементов. Это приводит к изменению гидрохими­ческого состава воды, к созданию благоприятных условий для развития болезнетворных бак­терий и водорослей в водоемах.

Влияние водохранилищ на осадконакопление. К настоящему времени общая площадь соз­данных человеком на Земле водохранилищ оценивается приблизительно в 500 тыс. км2, а полный объем их вод свыше 6000 км3. Что же касается естественных озер, то их площадь со­ставляет 2682 тыс. км2 при объеме вод около 250 000 км3. Показательно, что ежегодное осад­конакопление в акваториях водохранилищ составляет 13,38 млрд. т, а в естественных озерах - лишь 4,83 млрд. т. Сопоставляя приведенные цифры, получим, что хотя площадь искусст­венных водохранилищ меньше площади естественных озер в 6 раз, а объем вод меньше в 45 раз, ежегодное осадконакопление в водохранилищах более чем в 2,7 раза превышает естест­венное осадконакопление в озерах. Это обусловлено тем, что модуль седиментации (или скорость осадконакопления на единицу площади акватории) водохранилищ почти в 17 раз выше модуля седиментации в естественных озерах. Иначе говоря, скорость антропогенного осадконакопления в искусственных водохранилищах в связи с замедленной проточностью вод многократно превысила скорость подобного процесса, протекающего в естественных ус­ловиях, и вес ежегодно отлагающихся осадков в водохранилищах уже намного выше веса осадков, накапливающихся в озерах естественного происхождения.

Мелководья в водохранилищах. Для водохранилищ, сооружаемых на равнинных реках, характерно широкое развитие мелководий, например, акватория Киевского водохранилища на 50% приурочена к мелководью. Это увеличивает нерациональные потери затопленных сельскохозяйственных земель, тогда как рост запасов воды на мелководьях весьма незначи­телен.

При создании водохранилищ в горных ущельях удается значительно сократить площадь затопляемых земель и образующихся мелководий; однако у плотин на горных реках из-за резкого снижения скорости течения при большой массе транспортируемого обломочного ма­териала наблюдается быстрое заполнение водохранилища наносами и соответствующее уменьшение накапливаемых вод.

Воздействие водохранилищ на берега. У водохранилищ различают зоны постоянного, временного затопления и подтопления. В зоне временного затопления из-за переувлажнения грунтов развиваются процессы размыва и обрушения берегов, чему способствуют также аб­разионная деятельность волн и разрушение в этой полосе почвенно-растительного покрова. Зона подтопления формируется под влиянием подъема уровня грунтовых вод и может дости­гать многокилометровой ширины в зависимости от фильтрационных свойств грунтов, режи­ма и уровня фунтовых вод. В этой зоне может происходить заболачивание и ухудшение са­нитарных условий местности; в области лесных ландшафтов в зоне подтопления происходит деградация древостоя и снижение товарной ценности леса. Сооружение крупных водохранилищ в условиях умеренного климата с достаточным ув­лажнением способствует росту влажности климата в окружении акватории и особенно с под­ветренной стороны по отношению к господствующим ветрам, в результате чего избыток вла­ги приводит к деградации почвенно-растительного покрова. Подобные последствия забола­чивания наблюдались в районах Рыбинского водохранилища и Московского моря. Влияние водохранилищ на районы ниже плотины ярко прослеживается в субтропических и тропических широтах, где из-за прекращения или резкого сокращения затопления поймен­ных земель приостанавливается поступление плодородного ила на заиливавшиеся ранее зем­ли, а также происходит исчезновение мелких притоков - местообитание рыбы. Это приводит к резкому снижению продуктивности земель и вызывает неблагоприятные экономические доследствия. Так обстоит дело с районами ниже плотин Акосомбо на р. Вольта, Каинджи на р. Нигер, Асуанской на р. Нил и др.

Сточные воды и их образование. Сточными водами называются воды, загрязненные отходами с промышленного или сель­скохозяйственного производства и бытовыми отходами. Обычно сточные воды удаляются с территории населенных мест и промышленных предприятий системами канализации. К сточным водам относят также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков и таяния снега в пределах населенных пунктов и промышленных объектов, иногда называемые ливневыми стоками.

По оценке ООН, объем сточных вод, подвергающихся очистке и собирающихся в разные резервуары на земле, составляет около 700 км3 /год. Из них 1/3 настолько грязна, что вторич­ное использование невозможно. Для естественной самоочистки таких вод нужны чистые во­ды в объеме, в 12...15 раз превышающем объем загрязненных вод, т. е. на это понадобилось бы 12 % всех водных запасов мира.

Сточные воды можно подразделить на три основных вида по их происхождению: произ­водственные стоки, сельскохозяйственные и коммунально-бытовые.

Состав производственных стоков зависит от рода промышленных предприятий, типа оборудования, используемого сырья и реагентов, технологии производства, степени очистки вод и ряда других причин. Среди них немаловажную роль играют общественно - политические и социальные условия, психологическое отношение производственников к экологическим проблемам. Однако по отраслям промышленности можно проследить ряд ха­рактерных особенностей.

Например, производственные стоки нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей про­мышленности содержат обычно эмульгированные углеводороды, нафтеновые кислоты, мер­каптаны (органические сернистые соединения, аналоги спиртов).

В сточных водах химической промышленности обычны фенолы, спирты, смолы, натрий, кальций, хлориды, сульфаты.

Сточные воды ТЭС разнообразны. На электростанциях, работающих на твердом топливе, сбросовые воды из системы гидрозолоудаления после освобождения от золы и шлака имеют повышенную концентрацию фторидов, мышьяка, ванадия, часто содержат канцерогенные органические соединения, фенолы. На станциях, работающих на жидком топливе, сточные воды содержат нефтепродукты.

Наибольшую опасность для биосферы представляет поступление в реки со сточными во­дами ртути, так как она аккумулируется в гидробионтах и, в частности, в рыбе в больших на 3-4 порядка концентрациях, чем содержится в водной среде.

 Антропогенный характер имеют многие случаи эвтрофирования водоемов (повышения биологической продуктивности, зарастания), когда этот процесс не обусловлен следствиями естественного старения озера. Примером является широко известное эвтрофирование озера Эри, куда ежегодно сливалось 43,5 млрд. л промышленных сточных вод и 7 млрд. л бытовых. Последнее время принимаются меры по восстановлению нормальной жизни в озере.

Сельскохозяйственные сточные воды формируются в результате внесения минеральных и органических удобрений, а также средств борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.

Часть азота, вводимого с удобрениями в почвы (36...40 %), смывается и попадает в реки, что способствует бурному размножению бактерий и водорослей, создавая угрозу кислород­ного голодания. В организме человека, пьющего воду, загрязненную азотом, накапливаются нитраты, которые, превращаясь в нитриты, нарушают дыхательную функцию крови. Доля смыва с полей фосфорных удобрений менее значительна. Речная сеть принимает в себя также громадное количество употребляемых в сельском хозяйстве пестицидов и является их переносчиком на большие расстояния. В водных экоси­стемах пестициды накапливаются в жировых тканях рыб, подавляя скорость их роста, нару­шая миграции и активность. Происходит биоконцентрирование ДДТ (инсектицидов) из воды и водных осадков планктоном, затем в возрастающих концентрациях по пищевым цепям пе­реносится последовательно червям, рыбам и птицам.

Коммунально-бытовые сточные воды. К 1970 г. производство детергентов (синтетических поверхностно-активных веществ, широко используемых как моющие средства) достигло 3500 тыс. т. В развитых странах еще в 60-е гг. XX в. на долю детергентов уже приходилось 90 % общего количества всех моющих средств, а на долю мыла и мыльных порошков — 10 %. Детергенты - сильные токсиканты, биологически почти не разложимые. В развитых странах их концентрация в сточных водах достигает 5... 15 мг/л, так как они плохо поддаются очист­ке, и в водоемы попадает 50.. .60 % их первоначального количества. С ростом плотности насе­ления становится совершенно недопустимым сброс коммунально-бытовых сточных вод даже после неполной их очистки.

Загрязнение поверхностных вод суши. Все виды сточных вод, сбрасываемых в реки и озера, загрязняют природные воды, ухудшают их свойства, поглощают растворенный в них кислород, отлагают на дне водоемов токсичные осадки. Постоянный приток сточных вод, загрязняющих поверхностные воды как в химическом, так и в тепловом отношении, меняет экологическую обстановку водоема, нарушает процессы его самоочищения, ведет к гибели флоры и фауны, создает угрозу здоровью человека. В результате попадания 1 м3 неочищен­ных сточных вод непригодными для использования становятся 50...60 м3 речной воды. Волга на всем протяжении загрязнена нефтепродуктами. В нее ежегодно сбрасывалось 400 тыс. т кислот, 200 тыс. т масел, 6 тыс. т фенолов, 7 тыс. т циана. Сточные воды городов Поволжья составляли 10 % среднего стока Волги, а вследствие антропогенного уменьшения способности реки к самоочищению из-за зарегулированности водохранилищами и разраста­ния синезеленых водорослей возникла необходимость в разбавлении сточных вод в пропор­ции 1:20.

Загрязнение подземных вод суши. Важно защищать подземные воды от проникновения в них надземных загрязнителей. В какой-то степени проникновению поверхностных загрязнителей вглубь, к водоносным гори­зонтам, препятствуют залегающие над ними слои пород, которыми поглощается часть за­грязнителей благодаря их сорбционной способности. Однако в ряде случаев человек наме­ренно закачивает загрязнители и неочищенные воды в глубь земной коры: при захоронении не подлежащих очистке промышленных ядовитых отходов и отстоев бытовых сточных вод, при закачке вод в процессе нефтедобычи в целях поддержания внутрипластового давления и в некоторых других случаях, забывая о процессах миграции вещества в земной коре и о том, насколько трудно очистить загрязненные подземные воды.

Различают микробное и химическое загрязнение подземных вод. Микробному загрязнению чаще подвергаются грунтовые воды (воды первого от поверх­ности водоносного горизонта, расположенного на первом водоупоре). В подземных водах некоторые патогенные бактерии и вирусы довольно длительно сохраняют свою жизнедея­тельность (100 суток и более). Очаги загрязнения образуются близ полей ассенизации и фильтрации, скотных дворов, выгребных ям, через которые идет прямая фильтрация загряз­ненных вод. И если грунты в зоне аэрации теряют свои очищающие свойства, начинается загрязнение грунтовых вод. Особенно опасны очаги загрязнения в местах хорошо проницае­мых трещиноватых или крупнообломочных пород.

Загрязнение подземных вод химическими веществами может идти через загрязненные поверхностные воды, которые питают подземные.

 Литература: 1 осн. (с. 117-119, 172-173), 2 осн. (с. 169-172).

 

Климатология, метрология и гидрология суши

 

Лекция 11. Климат и климатообразующие факторы. Формирование и динамика климата. Антропогенное влияние на климат Земли

 

Климат каждого региона и планеты складывается в целом под воздействием целого ряда климатообразующих факторов и процессов.

Климатообразующие факторы. Географическая широта - положение в географических поясах определяет высоту по­луденного стояния Солнца над горизонтом и в связи с этим тепловой режим, а также господ­ствующие типы воздушных масс.

Близость морей и океанов или удаленность от них определяет годовую и суточную ам­плитуды температур, годовое количество осадков и увлажнение.

Холодные или теплые океанические течения влияют на режим температур и увлажне­ние: холодные течения понижают температуры, количество осадков и увлажнение, теплые - повышают эти показатели.

Рельеф местности влияет на климат как абсолютной высотой (явление высотной пояс­ности), так и направлением простирания горных хребтов по отношению к солнечным лучам (экспозиция склонов в сторону экватора или к полюсам) и господствующим ветрам. Это ска­тывается на температурном режиме и количестве выпадающих осадков.

Характер подстилающей поверхности - лесная растительность по сравнению с откры­тыми пространствами уменьшает колебания температур и скорость ветра, повышает увлажнение. Снежный покров но сравнению с белоснежной поверхностью смягчает зимние моро­зы и повышает влажность весной.

Климатообразующие процессы. Теплооборот — процессы и показатели, определяющие тепловой режим региона. К ним относятся: суммарная солнечная радиация, радиационный баланс; температурный режим, который характеризуется среднегодовыми температурами и сезонным изменением темпера­тур, особенностями хода изотерм, в меньшей степени - абсолютными максимумами и мини­мумами температур;

Циркуляция определяется разрешением барических систем по сезонам и, как следствие, господствующих ветров. При этом различают ветры общей циркуляции (пассаты, муссоны, переносы и т.д.) и местные ветры (бризы, фены, горно-долинные и т.д.);

Влагооборот характеризует режим влаги региона, его определяют следующие показа­тели: годовое количество осадков и особенности их размещения, распределение осадков по сезонам и тип режима осадков, среднегодовая испаряемость и коэффициент увлажнения.

Типы воздушных масс формируются в зависимости от принадлежности к основным климатическим поясам и от характера увлажнения. В соответствии с этим выделяются ос­новные типы воздушных масс, которые называются по соответствующим названиям клима­тических поясов (арктические, антарктические, умеренные, тропические, экваториальные). В переходных, или промежуточных, климатических поясах (субарктическом, субантарктиче­ском, субтропических, субэкваториальных) эти основные типы воздушных масс господству­ют по сезонам, проникая из соседнего основного климатического пояса, где данный тип воз­душной массы господствует круглый год (зимой проникая со стороны полюса, летом - со стороны экватора).

 Типы климатов земного шара. В различных климатических поясах на суше формируются следующие основные типы климата.

Экваториальный пояс расположен в экваториальных широтах, достигая местами 8° широты. Суммарная годовая солнечная радиация 100...160 ккал/см2, годовой радиацион­ный баланс 60...70 ккал/см2.

Экваториальный жаркий влажный климат занимает западные и центральные части материков и области островов Индийского океана и Малазийского архипелага в экватори­альном поясе. Среднемесячные температуры +25...+28 °С весь год, сезонные колебания 1...3 °С. Циркуляция муссонная: в январе ветры северных румбов, в июле - южных. Годовое количество осадков обычно 1000...3000 мм (иногда больше), при равномерном выпадении на протяжении года. Увлажнение избыточное. Постоянно высокие температуры и высокая влажность воздуха делают этот тип климата чрезвычайно тяжелым для человека, особенно для европейца. Имеется возможность круглогодичного тропического земледелия с выращи­ванием двух урожаев в год.

Субэкваториальные пояса расположены в субэкваториальных широтах обоих по­лушарий, достигая местами 20° широты, а также в экваториальных широтах на восточных окраинах материков. Суммарная годовая солнечная радиация 140...170 ккал/см2, годовой ра­диационный баланс 70...80 ккал/см2. В связи с сезонным перемещением межтропической ба­рической депрессии из одного полушария в другое вслед за зенитальным положением солнца наблюдается сезонная смена воздушных масс, ветров и погод.   

Тропические пояса расположены в тропических широтах, достигая местами 30...35о широты; а на западных окраинах Южной Америки и Африки в южном полушарии тропический пояс выклинивается, потому что здесь из-за холодных океанических течений межтропическая барическая депрессия круглый год располагается севернее экватора, и юж­ный субтропический климатический пояс достигает экватора. Круглогодично господствуют тропические воздушные массы и пассатная циркуляция. Суммарная годовая солнечная ра­диация достигает на планете своего максимума: 180...220 ккал/см2, радиационный баланс 60...70 ккал/см2.

Субантарктический пояс располагается за южным умеренным поясом и достигает 63...73о Ю.Ш. Суммарная годовая солнечная радиация 65...75 ккал/см2, радиацион­ный баланс +20...+30 ккал/см2. Сезонная смена воздушных масс: зимой господствует антарк­тический воздух, летом - умеренный.

Субантарктический морской климат занимает весь субантарктический пояс, суша только на Антарктическом полуострове и на отдельных островах. Зима продолжительная и умеренно суровая: средние температуры 8...12°С; лето короткое, очень прохладное и сырое: средние температуры +2...+4 °С; сезонные колебания температур 10...12°С. Ярко выражена сезонная смена воздушных масс и ветров: зимой с Антарктиды стекает КАВ с присущими ему ветрами восточного переноса, при этом по мере прохождения над океаном он немного нагревается и трансформируется в МАВ; летом господствуют МУВ и ветры западного пере­носа. Годовое количество осадков 500...700 мм при зимнем максимуме, связанном с прохож­дением циклонов по антарктическому фронту. Увлажнение избыточное. Условия для обита­ния человека суровые, есть возможность для развития сезонных морских промыслов.

Арктический пояс размещается в северных приполярных широтах. Суммарная годовая солнечная радиация 60...80 ккал/см2, радиационный баланс +5...+15 ккал/см2. Круг­логодично господствуют арктические воздушные массы.

Антарктический пояс располагается в южных приполярных широтах, пре­имущественно на материке Антарктида, и климат формируется при господствующем воздей­ствии ледяного щита Антарктиды и антарктического пояса относительно высокого давления. Суммарная годовая солнечная радиация 75...120 ккал/см2. Вследствие круглогодичного гос­подства континентального антарктического воздуха, сухого и прозрачного над ледяным щи­том, и многократного отражения солнечных лучей во время полярного дня летом от поверх­ности льда, снега и облаков, величина суммарной солнечной радиации во внутренних рай­онах Антарктиды достигает величины суммарной радиации в субтропическом поясе. Однако годовой радиационный баланс составляет - 5... 10 ккал/см2, причем весь год он отрицатель­ный, что обусловлено большой величиной альбедо поверхности ледяного щита (отражается до 90% солнечной радиации). Исключения составляют небольшие оазисы, освобождающиеся летом от снега. Круглогодично господствуют антарктические воздушные массы.

Антропогенное влияние на климат Земли.  Ежегод­ное антропогенное попадание загрязняющих газов в тропосферу неуклонно растет.

Загрязнение воздуха автотранспортом. В результате работы автомобильных двигателей (бензиновых и дизельных) в воздух с выхлопными газами поступает около 200 вредных при­месей: углекислый газ (особенно много дают бензиновые двигатели); угарный газ (возникает от горения при недостатке кислорода); оксиды азота; разные углеводороды (включая канцерогенный бенз(а)пирен); альдегиды; сернистый ангидрид и др.

Один автомобиль ежегодно поглощает 4 т кислорода и выбрасывает с выхлопными газа­ми 800 кг СО, около 40 кг оксидов азота и 200 кг углеводородов. А современный автопарк мира составляет более 500 млн. автомашин.

Широко используемый этилированный бензин содержит тетраэтилсвинец, который до­бавляется к бензину в качестве антидетонатора. При сгорании тетраэтилсвинца получаются соединения свинца, которые распространяются в атмосферном воздухе по всей планете и в результате за 100 лет в гренландских льдах содержание свинца увеличилось в 5 раз; соеди­нения свинца, растворяясь в воде, за 20 лет повысили его содержание в воде океана в 10 раз.

Загрязнение воздуха авиацией. В аэропорту при взлете и посадке самолетов наблюдаются пики поступления загрязнителей в воздух. Так, при взлете только одного самолета «Боинг» выделяется столько же вредных веществ, сколько выбрасывают 6850 одновременно разго­няющихся легковых автомашин «Фольксваген». Высотная авиация, выделяя в стратосфере большое количество оксидов азота, вызывает реакции, ведущие к резкому сокращению озона в атмосфере.

Загрязнение воздуха ракетоносителями. В связи с освоением околоземного космическо­го пространства происходит усиленное воздействие человека на термосферу. В околоземное пространство в результате запуска нескольких десятков тысяч космических ракет и кораблей выведены сотни тысяч тонн твердого и газообразного вещества. Например, запуск ракеты типа «Аполлон» образует в воздухе термоэрозионную колонну с интенсивностью горения маршевых двигателей 140 т/с. В результате сгорания в атмосфере металлических конструк­ций ракет и ракетоносителей, а также вследствие выгорания сопл ракет происходит загряз­нение высоких и более плотных слоев атмосферы такими тугоплавкими элементами, как ти­тан, тантал, ниобий, никель, а также железом, алюминием, бором и др. Все это приводит к металлизации верхних слоев атмосферы, которая уже в 3...4 раза превышает естественную. Только один старт «Шаттла» гасит не менее 10 млн. т озона.

Антропогенные процессы в атмосфере. Изменение состава воздуха связано с хозяйственной деятельностью человека, в результа­те которой все более нарушается природное соотношение кислорода и углекислого газа.

С одной стороны, природное содержание кислорода в приземном слое атмосферы посте­пенно сокращается из-за:

- сжигания топлива (ежегодно сжигается 9 млрд. т топлива (условного), на что потребля­ется 15,8 млрд. т кислорода);

- авиации, особенно реактивной (только один реактивный самолет на трассе «Европа - Америка» сжигает за полет 35 т кислорода, которого хватило бы для дыхания 12 тыс. чело­век в течение суток);

- автотранспорта (автопарк мира за год расходует более 5 млрд. т кислорода);

- вырубки лесов, т. е. сокращения лесопокрытых площадей (леса - поставщики кислоро­да, а, например, за последнее время площадь тропических лесов резко сокращается);

- производственных процессов (имеются в виду металлургические, химические и другие технологические процессы, потребляющие кислород);

- процессов окисления (металлов, органических остатков при разложении и др.).

 Парниковый (тепличный) эффект атмосферы - ее защитное дей­ствие в процессе лучистого теплообмена Земли с мировым пространством. Атмосфера доста­точно хорошо пропускает к земной поверхности солнечную радиацию, но длинноволновое излучение земной поверхности сильно поглощается атмосферой: водяной пар задерживает около 60% теплового излучения Земли и углекислый газ - до 18 %. Нагретая таким образом атмосфера посылает к земной поверхности встречное излучение, в значительной мере ком­пенсирующее радиационную потерю тепла земной поверхностью. В отсутствие атмосферы средняя температура земной поверхности была бы -23 °С, а в действительности она состав­ляет +15 °С.

Таким образом, углекислый газ поглощает радиацию в инфракрасной части спектра и поэтому способствует уменьшению длинноволновой радиации поверхностью Земли. При этом сокращается тепловое излучение и повышается температура приземного слоя воздуха. За последние 50 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло с 0,027 до 0,036 %. Это привело к повышению среднегодовой температуры на планете на 0,6 °С. Если этот про­цесс продолжится и температура приземного слоя атмосферы поднимется еще на 0,6...0,7 °С, произойдет интенсивное таяние ледников Антарктиды и Гренландии. Это приведет к повы­шению уровня воды в океанах и затоплению до 5 млн. км2 низменных, наиболее густозасе­ленных равнин.

 Последствиями антропогенного воздействия на атмосферу являются изменения кли­мата, которые имеют разные масштабы. Обычно различают глобальные и региональные из­менения. Следует отметить, что изменения климата чаще всего протекают под действием не одного, а целого ряда факторов, среди которых может быть какой-то основной.

Литература: 1 осн. (с. 121-127), 2 доп. (с. 132-136). 

 

Лекция 12. Метеорологические наблюдения и прогнозы. Основы гидрометрии. Общие закономерности гидрологических процессов

 

Метеорология - наука о земной атмосфере, её строении, свойствах и происходящих в ней явлениях и процессах. Задачи современной метеорологии не ограничиваются объяснени­ем физической сущности атмосферных процессов. Углубленное изучение физики атмосферы позволило выделить ряд самостоятельных наук (научных дисциплин), имеющих свои объек­ты изучения. К таким наукам относятся: прежде всего синоптическая метеорология, изу­чающая погоду и методы её предсказания; динамическая метеорология, изучающая теорети­ческие вопросы физики атмосферы с широким использованием современного математиче­ского аппарата; климатология, изучающая средний режим погоды отдельных районов в за­висимости от их географического положения и физико - географических особенностей. Про­цессы, происходящие в средних и высоких слоях атмосферы (от 1.5 км до нескольких десят­ков км) изучает аэрология. В последние годы, в связи с интенсивным развитием космонавти­ки, получила развитие аэрономия - наука, изучающая самые высокие слои атмосферы (более 100 км) с помощью метеорологических и геофизических ракет и искусственных спутников Земли.

В процессе практического использования метеорологических сведений выделялись и продолжают выделяться некоторые прикладные отрасли метеорологии. Важнейшие из них - сельскохозяйственная метеорология, авиационная метеорология, космическая метеороло­гия, морская метеорология, медицинская метеорология и др.

Среди перечисленных выше дисциплин синоптическая метеорология занимает особое место. Знание причин возникновения различных атмосферных явлений, умение предсказы­вать эти явления, особенно стихийные, имеет большое практическое значение.

В круг задач метеорологии входит: 1) изучение состава и строения атмосферы; 2) изуче­ние теплооборота и теплового режима в атмосфере и на земной поверхности, включая радиа­ционные процессы и различные механизмы нерадиационного обмена между атмосферой и подстилающей поверхностью и внутри атмосферы; 3) изучение влагооборота и фазовых пре­образований воды в атмосфере во взаимодействии ее с земной поверхностью; 4) изучение атмосферных движений — общей циркуляции атмосферы, частей ее механизма и местных циркуляции; 5) изучение электрического поля атмосферы; 6) изучение оптических и акусти­ческих явлений в атмосфере. Важную роль играет во всех задачах метеорологии теория и техника метеорологических наблюдений.

Для анализа этих наблюдений применяются статистический и синоптический методы; важной задачей является построение физико-математической теории атмосферных процес­сии, имеющей конечной целью прогноз атмосферных явлений. В последнее время поставлена задача активного воздействия на атмосферу.

Основными факторами, влияющими на формирование климата Земли, является солнеч­ная радиация, циркуляция атмосферы и характер подстилающей поверхности. Под их совместным влиянием и происходит формирование климатов в различных районах земного шара.

Количество поступающего солнечного тепла зависит от ряда факторов, однако опреде­ляющим является угол падения солнечных лучей. Поэтому в низкие широты поступает зна­чительно больше солнечной энергии, чем в средние и тем более высокие.

Климатология - раздел метеорологии, изучающий динамику изменения средних харак­теристик атмосферы за какой-либо период - сезон, несколько лет, несколько десятков лет или за более длительный срок. Другими разделами метеорологии являются динамическая метеорология (изучение физических механизмов атмосферных процессов), физическая ме­теорология (разработка радиолокационных и космических методов исследования атмосфер­ных явлений) и синоптическая метеорология (наука о закономерностях изменения погоды).

Из-за особенностей взаимного положения Солнца и Земли равные по площади экватори­альные и полярные регионы получают совершенно разное количество солнечной энергии. Экваториальные районы получают больше энергии, чем полярные, и их акватории и расти­тельность поглощают больше приходящей энергии. В полярных районах велико альбедо снежного и ледяного покровов. Хотя лучше прогреваемые экваториальные области темпера­тур излучают больше тепла, чем полярные, тепловой баланс складывается так, что полярные регионы теряют больше энергии, чем получают, а экваториальные - получают больше энер­гии, чем теряют. Поскольку не происходит ни потепления экваториальных районов, ни вы­холаживания полярных, очевидно, что для сохранения теплового баланса Земли избыток те­пла должен перемещаться из тропиков к полюсам. Это перемещение является главной дви­жущей силой циркуляции атмосферы. Воздух в тропиках прогревается, поднимаясь и расши­ряясь, и перетекает к полюсам на высоте около 19 км. Вблизи полюсов он охлаждается, стано­вится более плотным и опускается к земной поверхности, откуда растекается по направле­нию к экватору. 

Наша планета имеет шарообразную форму, поэтому солнечные лучи падают на земную поверхность под разными углами и нагревают её неравномерно. На экваторе, где солнечные лучи падают отвесно, поверхность Земли нагревается сильнее. Чем ближе к полюсам, тем меньше угол падения солнечных лучей и тем слабее нагревается поверхность. В полярных областях лучи как будто скользят по планете и почти не нагревают её. К тому же, проходя в атмосфере длинный путь, солнечные лучи сильно рассеиваются и приносят на Землю мень­ше тепла. Приземный слой воздуха нагревается от подстилающей поверхности, следователь­но, температура воздуха уменьшается от экватора к полюсам.

Известно, что земная ось наклонена к плоскости орбиты, по которой Земля вращается вокруг Солнца, поэтому Северное и Южное полушария нагреваются неравномерно в зависи­мости от времён года, что тоже влияет на температуру воздуха. В любой точке Земли темпе­ратура воздуха изменяется в течение суток и в течение года. Она зависит от того, как высоко стоит Солнце над горизонтом, и от продолжительности дня. В течение суток самая высокая температура наблюдается в 14-15 часов, а самая низкая — вскоре после  восхода Солнца.

Изменение температуры от экватора к полюсам зависит не только от географической широты мест, но и от планетарного переноса тепла из низких широт в высокие, от распределения на поверхности планеты материков и океанов, которые по-разному нагрева­ются Солнцем и по-разному отдают тепло, а также от положения горных хребтов и океани­ческих течений. Например, Северное полушарие теплее Южного, потому что в южной по­лярной области находится крупный материк Антарктида, покрытый ледяным панцирем.

На картах температуру воздуха над земной поверхностью показывают с помощью изо­терм — линий, соединяющих точки с одинаковой температурой. Изотермы близки к парал­лелям только там, где пересекают океаны, и сильно изгибаются над материками. На основе карт изотерм на планете выделяют тепловые пояса. Жаркий пояс расположен в экваториаль­ных широтах между среднегодовыми изотермами +20 °С. Умеренные пояса находятся к се­веру и югу от жаркого и ограничены изотермами + 10 °С. Два холодных пояса лежат между изотермами + 10 оС и 0 оС, а у Северного и Южного полюсов находятся пояса мороза. С высотой температура воздуха убывает в среднем на 6°С при подъёме на 1 км.

Осенью и весной нередко случаются заморозки — понижение температуры воздуха но­чью ниже 0 °С, в то время как среднесуточные температуры держатся выше нуля. Заморозки чаще всего происходят в ясные тихие ночи, когда на данную территорию поступают доста­точно холодные воздушные массы, например, из Арктики. При заморозках воздух значи­тельно охлаждается у земной поверхности, над холодным слоем воздуха оказывается тёп­лый, и происходит температурная инверсия — повышение температуры с высотой. Она час­то наблюдается в полярных областях, где в ночные часы земная поверхность сильно охлаж­дается.

Погода на Земле очень переменчива, иногда всего за сутки можно испытать на себе её непостоянный характер: в начале дня ежиться от утренней прохлады, днём мучиться от жа­ры, а вечером промокнуть под дождём. Погодой называют состояние атмосферы в опреде­лённом месте в данный момент или в течение некоторых промежутков времени. Она харак­теризуется несколькими показателями — количеством солнечной радиации, температурой воздуха и его влажностью, атмосферным давлением, силой и направлением ветра, облачно­стью, осадками. Погода зависит от того, на какой широте находится данное место, от време­ни года и времени суток, от перемещения воздушных масс, формирования циклонов, анти­циклонов и атмосферных фронтов.

Современные научные исследования позволяют предсказывать погоду. На основе пока­заний, полученных с всемирных метеорологических станций, морских судов, самолётов, ис­кусственных спутников Земли, создаются синоптические (от греч. synoptikos - способный всё обозреть) карты. Прогноз погоды необходим не только для того, чтобы знать, какую одежду надеть и взять ли с собой зонтик. Он нужен работникам сельского хозяйства, без него не мо­жет обойтись транспорт и некоторые другие отрасли промышленности.

Воздух постоянно передвигается, поэтому в районах, где встречаются воздушные массы, обладающие разными свойствами, формируются атмосферные фронты — переходные зоны на границе соприкосновения двух воздушных масс. Они сильно наклонены к земной поверх­ности и распространяются на тысячи километров при ширине в десятки километров. Вверх эти зоны обычно поднимаются на несколько километров, а иногда простираются до страто­сферы. Воздушные массы, разделённые поверхностью фронта, расположены так, что холод­ный воздух лежит под тёплым в виде клина. Если линия фронта перемещается по земной по­верхности в сторону более холодного воздуха, то фронт называют тёплым.

При прохождении холодного фронта линия фронта перемещается в сторону тёплого воздуха, который отходит или вытесняется вверх более холодным клином.

Циклоном (от греч. kyklon - вращающийся, кружащийся) называется атмосферный вихрь с низким давлением в центре. В циклоне ветры дуют от периферии к центру, в Северном по­лушарии против часовой стрелки, а в Южном - по часовой стрелке. В течение года в умерен­ных широтах формируются сотни циклонов. В высоту они могут распространяться от 2 до 20 км и достигать в диаметре 2-3 тысяч километров, охватывая территорию нескольких евро­пейских стран. Циклоны перемещаются чаще всего с запада на восток, в направлении общего переноса воздуха. Они движутся со скоростью 30—40 км/ч и за сутки преодолевают большие расстояния.

Перед приближением циклона на западе появляются перистые облака, давление падает. Постепенно усиливаются ветер и облачность. Для передней части циклона характерны обложные осадки, связанные с восходящими движениями воздуха, — тёплый воздух в центре циклона вытесняется вверх более холодным воздухом, окружающим его. Летом циклоны приносят похолодание, а зимой — оттепели.

В низких широтах образуются тропические циклоны. Они меньше по размеру, чем циклоны умеренных широт, но характеризуются более высокими скоростями ветра.

Между циклонами развиваются антициклоны (от греч. anti — против и kyklon — вращающийся) - атмосферные вихри с высоким давлением в центре. В антициклонах ветер направлен из центра к периферии и отклоняется в Северном полушарии по часовой стрелке, а в Южном против часовой стрелки. В антициклоне преобладают движения воздуха, поэтому устанавливается малооблачная и сухая погода. Летом в антициклоне безоблачно и жарко, а зимой - мороз. Антициклоны - устойчивые образования, над определённой территорией они могут сохраняться дольше циклонов, существующих от нескольких суток до 1—2 недель, а иногда и дольше. Большие массы воздуха в тропосфере, соизмеримые по размерам с матери­ком или океаном и обладающие более или менее одинаковыми свойствами (температурой, влажностью, прозрачностью, содержанием пыли и т.п.), называются воздушными массами. Они простираются вверх на несколько километров, достигая границ тропосферы.

Воздушные массы перемещаются из одних районов земного шара в другие, определяя климат и погоду на данной территории. Каждая воздушная масса обладает свойствами, ха­рактерными для района, над которым она сформировалась. Перемещаясь на другие террито­рии, она несёт с собой свой режим погоды, но проходя над территорией с иными свойства­ми, воздушные массы постепенно изменяются, трансформируются, приобретая новые каче­ства.

В зависимости от регионов образования различают четыре типа воздушных масс: аркти­ческие (в Южном полушарии - антарктические), умеренные, тропические и экваториальные. Все типы делятся на подтипы, обладающие своими характерными свойствами. Над матери­ками формируются континентальные воздушные массы, а над океанами — океанические. Смещаясь вместе с поясами атмосферного давления в течение года, воздушные массы зани­мают не только постоянные пояса своего пребывания, но по сезонам господствуют в сосед­них, переходных климатических поясах.

В процессе общей циркуляции атмосферы воздушные массы всех типов связаны между собой. Воздушные массы, которые перемещаются с более холодной земной поверхности на более тёплую и которые имеют более низкую температуру, чем окружающий воздух, назы­вают холодными воздушными массами. Они приносят похолодание, но сами прогреваются снизу от тёплой земной поверхности, при этом образуются мощные кучевые облака и выпа­дают ливневые дожди. Особенно сильные похолодания происходят в умеренных широтах при вторжении холодных масс из Арктики и Антарктиды. Холодные воздушные массы ино­гда достигают южных районов Европы и даже Северной Африки, но чаще всего задержива­ются горными хребтами Альп. В Азии арктический воздух свободно распространяется на обширные территории, до горных хребтов южной Сибири. В Северной Америке горные хребты расположены меридианально, поэтому холодные арктические воздушные массы про­никают до Мексиканского залива.

Схема циркуляции атмосферы была бы относительно простой, если бы не вращение Земли. Теплый воздух поднимался бы над экватором и охлаждался по мере движения к по­люсам. Вблизи полюсов остывший воздух опускался бы и непосредственно над земной по­верхностью перемещался к экватору.

Основные особенности циркуляции. Воздух, поднимающийся вблизи экватора и направляющийся к полюсам, отклоняется под воздействием силы Кориолиса. Рассмотрим этот процесс на примере Северного полушария (то же самое происходит и в Южном). При движении к полюсу воздух отклоняется к востоку, и оказывается, что он поступает с запада. Таким образом, формируются западные ветры. Часть этого воздуха охлаждается при расши­рении и излучении тепла, опускается и течет в обратном направлении, к экватору, отклоня­ясь вправо и образуя северо-восточный пассат. Часть воздуха, которая движется к полюсу, в умеренных широтах формирует западный перенос. Воздух, опускающийся в полярной об­ласти, движется к экватору и, отклоняясь к западу, в полярных областях формирует восточ­ный перенос. Это лишь принципиальная схема циркуляции атмосферы, постоянной состав­ляющей которой являются пассаты.

Ветровые пояса. Под воздействием вращения Земли в нижних слоях атмосферы формируются несколько основных ветровых поясов. В Северном полушарии вращение Земли отклоняет устремляющиеся на юг ветры к западу, а направляю­щиеся на север - к востоку.

Литература: 1 осн. (с. 132-147), 2 доп. (с. 152-176).

 

Список литературы 

Основная

1. Братков В.В., Овдиенко Н.И. Геоэкология. – М: ВШ, 2006.-300 с.

2. Комарова Н.Г. Геоэкология природопользования – М.: Академия, 2008. – 285 с.

3. Голубев Г.Н. Геоэкология. – Москва: Изд. ГЕОС, 1999.-338 с.

4. Ясаманов Н.А. Основы геоэкологии. – Москва: Академия, 2003.-352 с.

5. Шищиц И.Ю. Основы инженерной георадиоэкологии. – Москва: Изд. «Горная книга», 2005. – 711 с.

6. Куликова Е.Ю. Подземная геоэкология мегаполисов: Учеб. пособие. – Москва: Изд. «Горная книга», 2005.- 480 с.

7. Закон Республики Казахстан «Об охране окружающей среды» от 15 июля 1997 года».- Алматы: Жеті Жарғы, 1998.- 96 с.

8. И.Ф.Ливчак. Инженерная защита и управление развитием окружающей среды. – М.: Колос, 2001.-159 с.

 

Дополнительная

1. Горшков С.П. Концептуальные основы геоэкологии. Учеб. пособие. – М.: ГЕОС, 1999. – 245 с.

2. Кобылянский В.А. Философия экологии: общая теория экологии, геоэкология, биоэкология. – Москва: Изд.- торговый дом «ГРАНД»: Фаир-Пресс, 2003.- 188 с.

3. Миропепко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии. 2-е изд.-Москва: Изд. «Горная книга», 2002. – в 4-х книгах

4. Арманд Д.Л. Наука о ландшафте. – М.: Мысль, 1975. – 169 с.

 

Сводный план на 2011 г., поз. 339