Текст книги "Океан и атмосфера"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 11 страниц)

Практические требования общества породили ряд важных прикладных отраслей метеорологии – таких, как авиационная метеорология, агрометеорология, биометеорология (влияние атмосферных процессов на человека и другие живые организмы), ядерная метеорология (изучение естественной и искусственной радиоактивности, распространение в атмосфере радиоактивных примесей, влияние ядерных взрывов). Радиометеорология, активно развивающаяся в последнее время, изучает распространение радиоволн в атмосфере. Можно было бы назвать еще несколько прикладных аспектов метеорологии: лесную (связанную с лесными пожарами), транспортную, строительную и др.

Что же представляет собой атмосфера – предмет изучения столь многих паук, использующих различные методы и подходы? Прежде всего, о высоте атмосферы. Ее четкой верхней границы не существует, она плавно переходит в межпланетное пространство. Плотность составляющих атмосферу газов приближается к плотности его газов. Условно принято, что граница проходит на высоте 1000–1200 км, где еще иногда наблюдаются полярные сияния. Невозможно пока точно установить глубину (или высоту) проникновения атмосферы в космос. Наблюдения спутников над изменением плотности воздуха показывают, что плотность атмосферы приближается к плотности межпланетной среды с высот 2–3 тыс. км. Косвенные данные позволяют полагать, что внешняя часть атмосферы проникает в сильно разреженную, с температурой около 100 тыс. °С солнечную атмосферу и взаимодействуют с ней. Следы атмосферы обнаружены автоматическими межпланетными станциями на высоте более 20 тыс. км. Ученые полагают, что земная атмосфера переходит в солнечную на высоте 60—100 тыс. км. Существует явление, называемое ускользанием атмосферы. Оно состоит в том, что молекулы и атомы газов, находящиеся в постоянном движении, поднимаясь высоко вверх, реже сталкиваются друг с другом (их становится все меньше в единице объема) и могут уйти в межпланетное пространство.

Масса земной атмосферы равна приблизительно 5,27 * 10¹⁸ кг. Основная ее часть сосредоточена в относительно тонком приземном слое.

Все метеорологические элементы меняются в пространстве и наиболее сильно – по вертикали. Например, температура воздуха изменяется по вертикали в несколько сотен раз больше, чем по горизонтали. Атмосферу можно разделить на ряд слоев, или сфер. В 1962 г. Всемирная метеорологическая организация, проанализировав все имеющиеся к этому времени данные, пришли к выводу, что по характеру распределения температуры выделяется пять сфер: тропосфера (до 11 км), стратосфера (от 11 до 50–55 км), мезосфера (от 50–55 до 80–85 км), термосфера (от 80–85 до 800 км), экзосфера (выше 800 км).

Название самого нижнего слоя атмосферы, начинающегося у земной поверхности, происходит от греческого слова «тропос», что означает «вращаться, перемешиваться». Высота тропосферы непостоянна и зависит от географической широты места, времени года, циркуляции. Граница атмосферы на одной и той же широте выше летом и ниже зимой. В умеренных широтах мощность атмосферы 9—12 км, близко к полюсам она меньше, порядка 8—10 км, к экватору больше – 16–18 км. Воздух в тропосфере движется не только в горизонтальном и вертикальном направлении, но и постоянно перемешивается, Именно в тропосфере образуются облака, так как здесь сосредоточена основная масса водяного пара, выпадают осадки и происходят другие метеорологические явления. С высотой в тропосфере убывает температура – на каждые 100 м более чем на полградуса. На верхней границе тропосферы средняя годовая температура в уморенных широтах – 50–60°, над экватором – около 70°, над Северным полюсом зимой – 65°, летом 47°.

Тропосферу и стратосферу разделяет слой толщиной от нескольких метров до 1–2 км, который принято называть тропопаузой. В этой области образуются очень мощные узкие воздушные потоки со скоростями 150–300 км/ч, так называемые струйные течения. Лежащая выше стратосфера характеризуется вначале (до высоты 35 км) очень медленным ростом температуры, а затем значительно более быстрым, и на верхней границе достигает среднегодового значения около 0°. Здесь в зависимости от сезона и высоты колебания очень значительны. В стратосфере водяного пара уже почти нет, облака не образуются. И лишь очень редко на высоте 20–25 км возникают перламутровые облака. Долго считалось, что в отличие от тропосферы в стратосфере воздух не перемешивается, что это – весьма спокойная среда. Но радиометрические приборы и метеорологические ракеты принесли новые сведения – оказывается и здесь, в стратосфере, существует интенсивная циркуляция воздуха и вертикальные его перемещения.

Следующий за стратосферой слой – мезосфера – также отделен промежуточным – стратопаузой, который еще недостаточно полно изучен. В мезосфере температура с высотой падает до – 70–80°. Есть данные, что скорость ветра достигает здесь 150 м/с. Можно предполагать, что в мезосфере существуют интенсивные турбулентные движения. Выше находится промежуточный слой – мезопауза. В этой области наблюдаются серебристые облака. Ракетные наблюдения показывают, что на высоте 150 км температура равна примерно 220–240° К, на высоте 200 км 500°К, а на верхней границе термосферы превышает 1000°К (К – кинетическая температура газа (воздуха), определяемая движением его молекул и доступная для непосредственного измерения). В термосфере, расположенной над мезопаузой, температура с высотой возрастает.

Экзосфера – сфера рассеяния – представляет собой внешний слой, постепенно переходящий в межпланетное пространство. Температура здесь еще более повышается, предположительно она равна 2000 К, газы находятся в весьма разреженном состоянии, их частицы движутся с огромными скоростями, почти не сталкиваясь друг с другом.

Жизнь и деятельность человека развивается в самой нижней части атмосферы. Поэтому особенно важно знать, как взаимодействует атмосфера с земной поверхностью. С этой точки зрения атмосферу принято делить на нижний, пограничный слой, в пределах 1–1,5 км, и верхний, лежащий выше, называемый свободной атмосферой. В первом существуют суточные изменения метеорологических элементов, на движение воздуха влияет трение о земную поверхность. В этом слое может быть выделен еще один, самый нижний, высотой 50—100 м. Его называют приземным слоем, потоки тепла и водяного пара в нем мало изменяются с высотой.

В горизонтальном направлении атмосфера также неоднородна. Вся тропосфера делится на обширные объемы с относительно однородными условиями, узкими полосами, где метеорологические изменения весьма резки. Обширные объемы воздуха, перемещающиеся в одном из течений, называется воздушными массами. В зависимости от того, где формировалась та или иная воздушная масса, как долго находилась она над определенной подстилающей поверхностью, зависят ее свойства. Естественно, что одни свойства рождаются в воздухе, подстилаемом льдами Арктики, и совсем другие – в тропиках. Таким образом, возникла следующая классификация воздушных масс, основанная на географических особенностях их формирования.

1. Арктический воздух, образовавшийся над Полярным кругом, в Арктическом бассейне и над прилежащими частями материка (АВ).

2. Умеренный воздух, формирующийся в умеренных широтах (УВ).

3. Тропический воздух, образующийся в тропических и субтропических широтах (ТВ). Этот воздух формируется иногда в летнее время над континентами в южных районах умеренных широт.

4. Экваториальный воздух – воздух экваториальной зоны, иногда переходящий из одного полушария в другое (ЭВ).

Внутри одной и той же воздушной массы метеорологические элементы меняются мало, а при переходе из одной массы в другую – резко, скачком. Переходные зоны, где метеорологические элементы в горизонтальном направлении изменяются быстро, принято называть фронтом (иногда фронтальными зонами, или фронтальными поверхностями). Когда надвигается холодный воздух и клином подтекает под отступающий и вытесняемый вверх теплый воздух, фронт называется холодным. Когда надвигается теплый воздух и постепенно натекает на отступающий холодный, речь идет о теплом фронте.

Различают три главных фронта: арктический (между арктическим и умеренным воздухом), умеренных широт (между умеренным и тропическим), тропический (между тропическим и экваториальным воздухом).

Перемещения, изменения и взаимодействие воздушных масс и фронтов обусловливают изменение погоды, поэтому их изучение особенно важно при составлении прогнозов. Движение атмосферы различных масштабов и природы, физические явления и процессы, происходящие в атмосфере (излучение, нагревание и охлаждение, взаимные превращения пара, воды и льда), составляют сущность современной науки о воздушной оболочке Земли. Но воспроизвести все сложнейшие явления в заранее заданной обстановке невозможно. Поэтому в последние годы организуются крупномасштабные натурные эксперименты. В 1972–1974 гг. был проведен Международный тропический эксперимент по изучению динамики и энергетики тропической зоны планеты, использовались современные методы наблюдений атмосферы и океана.

В состав атмосферы входят различные группы веществ. Первая – главные постоянные газы: азот, кислород, аргон. Сюда может быть отнесен и водяной пар, хотя количество его непостоянно и заметно меняется от времени и места. Далее идут малые постоянные газы: углекислота, окись углерода, метан и др. Они химически устойчивы, но существуют в атмосфере в небольших количествах. Причисляют к данной группе озон атмосферы и нижней стратосферы – ненасыщенные и неустойчивые молекулы, малочисленные и химически очень активные, озон верхней атмосферы. В последнюю группу входят аэрозоли – твердые и жидкие частицы, плавающие в воздухе.

Азот воздуха составляет по объему 78,08 %. Он почти не участвует в поглощении энергии и превращениях вещества в атмосфере. Исключение представляют, пожалуй, лишь некоторые виды бактерий в почве, которые усваивают азот и выделяют в атмосферу очень небольшое количество его окиси. Преобладание азота в атмосфере объясняют его инертностью. Выделившийся в начальной стадии образования атмосферы он сохранился в ней в большем количестве, чем другие газы.

Вторая по объему (20,95 %) составная часть атмосферного воздуха – кислород. Он необходим для дыхания почти всех живых организмов, горения, участвует в реакциях со многими другими газами. Ракетные наблюдения показали, что на больших высотах (порядка 200 км) кислород должен преобладать над азотом. О кислороде в верхней атмосфере можно судить по спектрам в полярных сияниях. Здесь под действием проникающих в атмосферу протонов и электронов, испускаемых активными областями (например, вспышками на Солнце), светятся разреженные газы и больше всего атомарный кислород. Эти частицы, сталкиваясь, возбуждают атомы и молекулы, которые затем высвечиваются. Нижний край кислородных полярных сияний расположен на высоте около 100 км, а верхний – до 700 км. 8 марта 1970 г. в Москве наблюдалось большое полярное сияние, в котором видны были зеленое и красное свечения с фиолетовыми оттенками.

Аргон как тяжелый газ, по-видимому, в термосфере отсутствует. Аргон атмосферы пассивен.

Углекислый газ принимает большое участие в процессах поглощения и излучения тепла. Средняя его концентрация по объему в 1973 г. составляла 0,0324 %. Надо заметить, что она непрерывно возрастает из-за сжигания топлива, лесных пожаров и обжига цемента. Так, за время с 1890 г. эти источники давали в год около 1,4 * 10⁹ т, а в 1971 г. уже почти 2 * 10¹⁰ т CO₂. Годовое увеличение углекислоты в атмосфере составляет только половину этой величины, а следовательно, другая половина должна поглощаться океаном. Но последний процесс идет медленно, и еще медленнее происходит передача углекислоты в глубинные слои, в которых уже растворено углекислоты в 50 раз больше, чем в атмосфере.

Углекислота энергично потребляется растениями как на земной поверхности, так и в океане. По оценкам некоторых ученых, из-за накопления углекислоты должно произойти повышение средней температуры воздуха приблизительно на 3 °C. Большее потепление (до 11°) должно охватить полярные страны и меньшее (до 2°) – тропические, в первую очередь в южном полушарии, где площадь поглощающей поверхности океана больше. Это, однако, процесс длительный.

В атмосфере есть также в небольшом количестве окись углерода, концентрация которой особенно велика в промышленных районах. Над океаном она меньше.

Водород находится в нижней атмосфере, куда попадает при промышленном загрязнении воздуха и извержении вулканов. В земной атмосфере очень мало водорода и сравнительно мало гелия, хотя он и выделяется при радиоактивном распаде. Приход и уход гелия уравновешивается поступлением его из земной коры и ускользанием вверх. Полагают, что водород, участвовавший в образовании нашей планеты, уже почти весь потерян.

Присутствие в атмосфере озона имеет очень большое значение – он защищает живые организмы от вредного, а порой и губительного влияния избытка ультрафиолетовых лучей Солнца.

В далекие геологические эпохи, когда в атмосфере Земли не было кислорода и озона, жизнь развивалась в океане, защищенном слоем воды. Водоросли понемногу выделяли кислород в атмосферу. В начале палеозойской эры его количество составляло сотую долю от современного, над земной поверхностью возник слой озона. Сотни миллионов лет на Земле преобладали лишь водоросли и грибы, затем начался бурный расцвет жизни на суше во всех ее формах. Защитная роль озона велика и в наши дни. Более 1 % солнечной энергии поглощается в верхней части озона, именно поэтому такой теплый воздух (выше 0°) наблюдается в слое 40–55 км. Озон химически активен, реагирует с другими малыми газами атмосферы.

Озон – сильно расслоенный в атмосфере газ. Высота, мощность и смешение его сильно зависят от динамических процессов атмосферы. Наблюдения над озоном дают возможность детально изучать циркуляцию атмосферы, движения фронтов.

Атмосферная пыль и загрязнения

Жидкие взвешенные частицы создают в атмосфере облака и туманы. К твердым, чрезвычайно разнообразным по происхождению и составу, относятся частицы дыма, мглы и пыли. Пыль может быть как естественной (от почвы, горных пород, пыльцы растений), так и возникающей в результате деятельности человека (дым, сажа, цемент и др.). Промышленность загрязняет воздух сернистым газом, окисью углерода, серной и соляной кислотой, неполностью сгоревшими углеродами выхлопных газов автомашин.

Твердые и жидкие частицы, составляющие взвешенную часть атмосферы, объединяют общим названием «аэрозоль». Замутняя воздух, аэрозоль может быть вреден для человека; он также ослабляет приходящую на Землю солнечную радиацию. Загрязнение воздуха происходит преимущественно в больших городах. Однако ветер (и другие метеорологические процессы) способен перенести и распространить загрязнения на значительные расстояния. Сильные ветры могут вызвать в степях пыльные бури, губительные для сельского хозяйства. Ветер рассеивает также частицы дыма и золы заводских труб.

К естественным аэрозолям относят космическую пыль – микрометеориты, захватываемые земным притяжением в атмосферу из межпланетного пространства. В атмосфере более мелкие из них теряют свою скорость, слабо нагреваются и оседают, а более крупные, нагреваясь, испаряются, но пары их затем вновь конденсируются. Часть микрометеоритов, состоящих из железа, собирается на дне океанов в течение миллионов лет в отложениях красной глины.

В середине августа, в дни больших метеорных потоков, излучение Солнца, достигающее поверхности Земли, уменьшается на 1–2 %. Суммарно приход метеоритного вещества на Землю считают равным 1,4 * 10⁷ т/год.

Другой естественный аэрозоль – мелкая вулканическая пыль. Во время знаменитого извержения вулкана Кракатау в Зондском проливе, происшедшего 23 августа 1883 г., в атмосферу было выброшено огромное количество пыли и пепла – до 75 * 10⁹ м³. Поднимаясь до высоты 50 км, эти частицы распространяются во всей атмосфере, а затем, в течение нескольких лет, оседают. Так, например, после извержения вулкана Катмай на Аляске в июне 1912 г. солнечная радиация уменьшилась на 25 %, а атмосфера очистилась лишь через два с половиной, года. В 1963 г. был выброшен пепел из вулкана Агунг. Он окончательно осел из атмосферы только в 1971 г.

Частицы дыма и пыли также являются естественными аэрозолями. Лесной пожар, возникший в Западной Канаде осенью 1950 г., вызвал в Англии и Норвегии редкое оптическое явление, названное «голубая лупа». Частицы ныли от почвы и горных пород поднимаются ветром. Эту группу завершают органические вещества – пыльца растений и бактерий.

Атмосферу засоряет и человек. Подсчитано, что в Великобритании в 1959 г. из 220 млн. т топлива в атмосферу попало 1,9 млн. т дыма. Распространяясь в атмосфере на далекие расстояния, частицы углерода, неполностью сгоревшие, а вместе с ними и более вредные частицы серной кислоты или ядовитой окиси цинка могут стать источником несчастных случаев. Так произошло в США в конце октября 1948 г. в г. Донора. Из-за застоя воздуха (господствовал мощный антициклон и прекратилось естественное проветривание долины, в которой расположен г. Донора и его химические заводы) началось массовое отравление – заболело несколько тысяч человек.

Довольно быстро оседают более крупные частицы – такие, как зола и пыль от цементных заводов, загрязняющие почву и жилище людей. В воздухе содержится различное количество аэрозолей – больше в городах, меньше – вдали от них. Так, в США в Балтиморе – в среднем 0,87 мг/м³, в Лос-Анжелесе – 0,26 мг/м³, а в сельской местности – 0,045 мг/м³. В 1952 г. в Лондоне содержание аэрозоля достигло 4,46 мг/м³. Это катастрофическое загрязнение стоило Лондону многих человеческих жизней.

От автомобилей в воздух попадает ядовитый свинец. Даже над океаном на больших высотах содержится свинец, его нашли над Южным полюсом и в твердых частицах, отложившихся в ледниках Гренландии. Опасен и так называемый смог – смесь дыма с туманом, которая образуется при низкой температуре. В отличие от тумана смог не рассеивается, а наоборот, усиливается на солнечном свету благодаря фотохимическим процессам. Дальность видимости при этом уменьшается, страдают растения, у людей появляются раздражения глаз.

С иссушенной поверхности Земли поднимаются пыль и песчинки и уносятся вверх. В воздухе они или находятся во взвешенном состоянии, или мчатся в потоке ветра вблизи поверхности, иногда ударяясь о ее неровности и как бы совершая «сальто». Возникает песчаная буря, в которую могут быть вовлечены и мелкие камешки. Такие бури бывают обычно днем и затухают вместе с ветром к ночи. Иногда они кратковременны – до часа, но известны случаи и очень продолжительных бурь – до 80 часов. Дальность видимости при пыльной буре резко уменьшается, что весьма опасно для авиации. Большой вред пыльные бури наносят сельскому хозяйству.

В апреле 1969 г. в Китае наблюдалась сильная пыльная буря. На фотографиях, сделанных со спутников, были отчетливо видны облака пыли. Они поднялись на высоту 3 км. Впоследствии облака пыли распространились на восток, над океаном на расстоянии 2500 км от берега – и пыль осела коричневым слоем на палубах судов. Исключительно сильная пыльная буря разразилась в Средней Азии. Над Ташкентом 10 сентября 1971 г. огромная стена серовато-бурой пыли высотой до 3–3,5 км двигалась со скоростью 80—100 км/ч при шквалистом ветре. Эта буря продолжалась около часа и охватила площадь 0,9 млн. км². Еще пять дней над Ташкентом сохранялся слой плотной мглы высотой до 2 км.

Влажность или сухость климата, условия жизни человека и растений определяются большим или меньшим количеством водяного пара – одной из важных составляющих частей атмосферы. Водяной пар повышает температуру нижних слоев атмосферы и создает более теплый климат. Сгущаясь, он дает жизнь облакам и осадкам. Конденсация и испарение сопровождаются большим выделением тепла.

Количество водяного пара зависит от физико-географических условий местности и некоторых других факторов. Оно различно в разное время года и суток. Процесс испарения состоит в том, что молекулы воды, преодолевая силы молекулярного сцепления, отрываются от водной или другой испаряющей поверхности. Они быстро распространяются в воздухе, а затем переносятся воздушными потоками на большие расстояния. В то же время молекулы водяного пара переходят из воздуха в воду, на почву, растительный или снежный покров. Когда число возвращающихся молекул начинает превышать число отрывающихся, происходит обратный процесс – конденсация водяного пара на поверхности.

Испарение в природе – это сложный процесс, интенсивность которого обусловлена многими причинами. Скорость испарения зависит от атмосферного давления, скорости ветра. Если ветер дует с суши на водоем, скорость испарения увеличивается, а когда он направлен с воды на сушу, скорость испарения с водоема уменьшается. Испарение с поверхности морей и океанов оказывает влияние на их соленость, так как упругость насыщения над раствором меньше, чем над пресной водой.

Распределение влажности в атмосфере крайне неравномерно. В тропической зоне, где велико испарение с поверхности теплых морей и материков, покрытых тропическими лесами, влажность очень высока (Шри-Ланка, Венесуэла, Индия). К областям пустынь она резко убывает, испытывая при этом большие сезонные колебания. Летом разница во влажности на полюсе и на экваторе сравнительно невелика – всего в 2–3 раза.

Влажность быстро убывает с высотой. Верхняя тропосфера суше приземного воздуха. Из атмосферы водяной пар снова выпадает на землю в виде дождя и снега. Влажность стратосферы в общем очень низка. В пустынях Средней Азии в нашей стране среднемесячная влажность не более 15–20 %. Большой влажностью отличается Черноморское побережье Кавказа.