Гидросфера, ее границы, циркуляция вод при разных климатических условиях и их влияние на свойства биосферы

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Биология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ГЕОГРАФИИ И ЭКОЛОГИИ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ

Реферат по учению о биосфере:

Гидросфера, ее границы, циркуляция вод при разных климатических условиях и их влияние на свойства биосферы

Казань 2010

Содержание

1. Введение

2. Гидросфера

2.1 Понятие о гидросфере, ее границы, физические свойства

2.2 Химические особенности воды

2.3 Круговорот воды

3. Атмосфера

3.1 Атмосфера, её структура

3.2 Циркуляция атмосферы

Список литературы

Введение

Планета Земля состоит из тонкой твердой оболочки (кора толщиной 10−100 км), окруженной мощной водной гидросферой и плотной атмосферой. Всего на планете четыре главных слоя -- это атмосфера, гидросфера, литосфера и биосфера. Атмосфера -- это воздушная оболочка земли, воздух, которым мы дышим. Гидросфера -- это моря, реки, океаны, озера, пруды, ледники и другие водные объекты.

Самые верхние оболочки Земли — гидросфера и атмосфера — заметно отличаются от других оболочек, образующих твёрдое тело планеты. По массе это совсем незначительная часть земного шара, не более 0,025% всей его массы. Но значение этих оболочек в жизни планеты огромно. Гидросфера и атмосфера возникли на ранней стадии формирования планеты.

Цель данной работы — сформулировать общее представление о строении, функциях атмо- и гидросферы.

2. Гидросфера

2.1 Понятие о гидросфере, ее границы, физические свойства

В настоящее время гидросферой принято называть водную оболочку Земли, включающую всю несвязанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную. Нижняя граница гидросферы принимается на уровне поверхности мантии (поверхности Мохоровичича), а верхняя проходит в верхних слоях атмосферы. Гидросфера включает в себя Мировой океан, воды суши -- реки, озера, болота, ледники -- атмосферную влагу, а также подземные воды, залегающие всюду на материках, на дне озерных и морских впадин и под толщей вечных льдов.

Таким образом, являясь частью географической оболочки, гидросфера охватывает весь комплекс земных оболочек. Гидросфера непрерывна, как непрерывны лито- и атмосфера, и едина. Ее единство заключается в общности происхождения всех природных вод из мантии Земли, в единстве их эволюции, взаимосвязи всех видов вод и способности перехода одного вида вод в другой, в единстве их функций в природе (обмен веществами и энергией).

Общий объем гидросферы по последним данным составляет около 1390 млн кубических километров. Предполагается, что это количество воды в течение геологического времени и практически остается неизменным, несмотря на продолжающее поступление воды из мантии и из Космоса (ледяные ядра комет; метеорное вещество, пыль) и потери ее за счет разложения воды фотосинтезом и диссипации легких газов в Космосе.

В современную эпоху основные запасы воды сосредоточены в Мировом океане (96,5%). Пресных вод в гидросфере всего 2,58% от общих запасов воды. Больше всего пресных вод содержится в ледниках и снежном покрове Антарктиды, Арктики и горных стран (1,78% объема гидросферы или 69,3% от запасов пресных вод на Земле). Громадные запасы воды аккумулированы в литосфере. Доля пресных подземных вод от общего запаса пресных вод на Земле составляет 29,4%. На долю рек приходится 0,006%, пресных озер --0,25%, на воду, содержащуюся в атмосфере,-- 0,03% общего количества пресных вод.

2.2 Химические особенности воды

Вода -- одно из самых удивительных соединений на Земле -- давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств.

Только вода в нормальных земных условиях может находиться в трех агрегатных состояниях -- твердом, жидком и газообразном. Это обеспечивает вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку Земли и производит в ней разнообразную работу.

Переход воды из одного состояния в другое сопровождается затратами (испарение, таяние) или выделением (конденсация, замерзание) соответствующего количества тепла. На таяние 1 г льда необходимо затратить 677 кал, на испарение 1 г воды -- на 80 кал меньше. Высокая скрытая теплота плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда.

Если сравнить температуру кипения и замерзания гидридов, образованных элементами шестой группы таблицы Менделеева (селена H2Se, теллура Н2Те), и воды (Н2О), то по аналогии с ними температура кипения воды должна быть порядка -- 60° С, а температура замерзания -- ниже 100° С. Но и здесь проявляются аномальные свойства воды -- при нормальном давлении в 1 атм вода кипит при +100° С, а замерзает при 0° С.

Необычно изменяется и плотность воды. Как правило, максимальная плотность физических тел наблюдается при температуре затвердевания. Максимальная плотность дистиллированной I воды наблюдается в аномальных условиях -- при температуре I 4−3,98° С (или округленно +4° С), т. е. при температуре выше точки затвердевания (замерзания). При отклонении температуры воды от 4° С в обе стороны плотность воды убывает. Аномальное изменение плотности воды влечет за собой такое же аномальное изменение объема воды при нагревании: с возрастанием температуры от 0 до 4° С объем нагреваемой воды уменьшается и только при дальнейшем возрастании начинает увеличиваться.

Громадное значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз большей, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м3 воды на 1° С на столько же нагревается 3000 м3 воздуха. Поэтому, аккумулируя тепло, Океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий. В

Вода -- универсальный растворитель, поэтому в природе не бывает химически чистой воды. Эта способность воды обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания.

Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное натяжение и поверхностное давление. В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений.

Вода обладает высокой термической устойчивостью. Водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород только при температуре выше 1000° С.

Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества. Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны.

Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. Так, при росте давления температура кипения воды повышается, а температура замерзания, наоборот, понижается. С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

Аномальные свойства воды вместе взятые, свидетельствующие о чрезвычайно высокой ее устойчивости к воздействию внешних факторов, вызваны наличием дополнительных сил между молекулами, получивших название водородных связей. Суть водородной связи сводится к тому, что ион водорода, связанный с каким-то ионом другого элемента, способен электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находится два протона, а в вершине -- ядро атома кислорода. Из имеющихся в молекуле 10 электронов (5 пар) одна пара (внутренние электроны) расположена вблизи ядра кислорода, а из остальных 4 пар электронов (внешних) по одной паре обобществлено между каждым из протонов и ядром кислорода, тогда как 2 пары остаются неопределенными и направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра. Таким образом, в молекуле воды имеется 4 полюса зарядов, расположенных в вершинах тетраэдра: 2 отрицательных, созданных избытком электронной плотности в местах расположения неподеленных пар электронов на 2 положительных, созданных ее недостатком в местах расположения протонов. Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется высокая теплоемкость воды.

Водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются при переходе воды в пар.

Сложность структуры воды обусловлена не только свойствами ее молекулы, но и тем, что вследствие существования изотопов кислорода и водорода в воде имеются молекулы с различным; молекулярным весом (от 18 до 22). Наиболее распространенной является «обычная» молекула с молекулярным весом 18. Содержание молекул с большим молекулярным весом невелико. Так, «тяжелая вода» (молекулярный вес 20) составляет менее 0,02% всех запасов воды. В атмосфере она не обнаружена, в тонне речной воды ее не более 150 г, морской--160--170 г. Однако ее присутствие придает «обычной» воде большую плотность, влияет на другие ее свойства. 5

Удивительные свойства воды позволили возникнуть и развиться жизни на Земле. Благодаря им вода может играть незаменимую роль во всех процессах, совершающихся в географической оболочке.

2.3 Круговорот воды

Одним из важнейших процессов в географической оболочке является круговорот воды (влагооборот), который, взаимодействуя с атмосферой, литосферой и биосферой, связывает в единое целое все части гидросферы. Движущими силами его являются приток к поверхности Земли солнечной радиации и сила тяжести. Под воздействием тепловых процессов происходит испарение, конденсация водяных паров, таяние, замерзание и другие фазовые переходы воды. Под влиянием силы тяжести происходит выпадение атмосферных осадков, движение поверхностных и подземных вод и т. д.

Началом круговорота воды является испарение с поверхности океанов, морей, континентов, островов. Ежегодно с поверхности земного шара испаряется 577 тыс. км3 воды. Большая часть (505 тыс. км3) приходится на Мировой океан и только 72 тыс. км3 — на сушу. Водяные пары, поступившие в атмосферу, перемещаются вместе с воздушными массами, конденсируются и выпадают в виде атмосферных осадков. Объем их, согласно общему закону сохранения материи, равен объему испарившейся воды. Такой круговорот воды в целом для земного шара (большой круговорот) представляет собой замкнутую систему, в которой испарение с поверхности земного шара тождественно равно атмосферным осадкам, выпадающим на него. М. И. Львович в круговороте воды выделяет три основных звена: океаническое, атмосферное и материковое, в последнее oн включает звенья меньших размеров: литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное. Ни одно из перечисленных звеньев, кроме большого круговорота, не представляет собой замкнутой системы.

Большая часть воды, испарившейся с поверхности Мирового океана, конденсируется в атмосфере в виде осадков и вновь поступает на его поверхность, завершая тем самым малый (океанический) круговорот: океанатмосфераокеан. Меньшая часть испарившейся с поверхности Мирового океана влаги перемещается воздушными потоками на сушу и частично выпадает на нее в виде осадков. Часть атмосферных осадков испаряется с суши, попадает в общий воздушный поток, движущийся в глубь материка, и вновь выпадает в виде осадков, тем самым завершая малый внутриматериковый круговорот: сушаатмосферасуша. Такие малые внутриматериковые круговороты могут повторяться несколько раз.

Большой круговорот воды на Земле можно представить следующим образом. Вода, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится воздушными потоками на сушу, выпадает на нее в виде осадков и частично стекает обратно в Мировой океан, частично аккумулируется в области внутреннего стока, обычно в крупных бессточных озерах. Испаряясь с поверхности этих озер, влага в общем потоке водяных паров вновь попадает в Мировой океан.

В действительности механизм влагообмена океанатмосфераcушаокеан значительно сложнее, так как в формировании общего количества осадков над материками заметное участие принимают внутренние осадки, сформировавшиеся как в периферийных, так и внутренних областях суши. Представленная же схема большого круговорота воды на земном шаре этого фактора не учитывает.

Круговорот воды в природе:

А1 — осадки, выпадающие над сушей; А2 — осадки, выпадающие над океаном; Б1 — испарение с суши; Б2 — транспирация растительностью; Б3 — испарение с озер и рек; Б4 — испарение с океана; В1 — инфильтрация воды в почву; В2 — потребление воды растительностью; В3 — подземный сток воды в реки и озера; В4 — подземный сток воды в океан; Г — поверхностный сток в озера и реки.

В течение года в Мировом влагообороте принимает участие всего 0,037% общей массы гидросферы. Так как скорость переноса отдельных видов воды неодинакова, то и время их расходования и возобновления различно. Наиболее быстро возобновляются биологические воды, входящие в состав растений и живых организмов. Смена атмосферной влаги и запасов воды в руслах рек осуществляется за несколько дней. Запасы воды в озерах возобновляются в течение 17 лет, в крупных озерах этот процесс может длиться несколько сот лет. Так, в озере Байкал полное возобновление водных запасов происходит в течение 380 лет. Наиболее длительный период восстановления имеют запасы воды в подземных льдах зоны многолетней мерзлоты -- 10 000 лет. Полное возобновление океанических вод происходит через 2500 лет. Однако за счет внутреннего водообмена (морских течений) воды Мирового океана в среднем совершают полный оборот в течение 63 лет.

Круговорот воды играет громадную роль в географической оболочке. В процессе круговорота воды осуществляется перераспределение тепла. Тепло, затрачиваемое на испарение в одном месте, высвобождается при конденсации влаги в другом. Круговорот воды -- важнейшее звено в энергетическом обмене между гидросферой и атмосферой. Скрытая энергия, поступившая в атмосферу с водяными парами с поверхности земного шара, частично преобразуется в механическую энергию, обеспечивающую перемещение воздушных масс. Наряду с энергетическим обменом, взаимодействие гидросферы и атмосферы в процессе влагооборота сопровождается и обменом веществами (газовый и солевой обмен).

Некоторые элементы круговорота воды поддаются управлению человеком. Искусственное воздействие на процессы влагообмена в подземном слое воздуха применяют довольно широко: накопление воды в водохранилищах; уменьшение (увеличение) испарения; искусственное вызывание дождя; меры, способствующие задержанию воды (создание лесонасаждений, воздействие на почву) и т. д. Цель таких преобразований круговорота воды -- сделать водные ресурсы доступными для хозяйственного использования, направить воду туда, где она более необходима. Однако следует иметь в виду, что вторжение в природу должно быть минимальным, так как гидросфера едина и всякое изменение ее в одном месте обязательно приводит к изменениям в других.

Производители и большинство потребителей органики в Океане разнесены по разным «этажам». Необходимый для фотосинтеза солнечный свет проникает в воду очень неглубоко: метров на 200, не больше. Эта освещенная часть Океана называется фотической зоной. И только в этом 200метровом слое и обитает создающий новую органику фитопланктон. Во всей остальной многокилометровой толще воды его нет. Обитатели этих черных, лишенных света, глубин кормятся той органикой, что падает сверху, из фотического слоя. Опускаясь вниз все глубже и глубже, органическое вещество неоднократно перехватывается обитателями столба воды, пропускается через их тела, и количество его стремительно падает. Именно поэтому обычно океанское дно почти безжизненно, биомасса глубоководного бентоса обычно не превышает десятых долей грамма на квадратный метр. Даже термин такой есть: «глубоководная бентическая пустыня».

гидросфера вода циркуляция атмосфера

3. Атмосфера

3. 1 Атмосфера, её структура

Атмосфера это внешняя газовая оболочка Земли, которая начинается у ее поверхности и простирается в космическое пространство приблизительно на 3000 км. История возникновения и развития атмосферы довольно сложная и продолжительная, она насчитывает близко 3 млрд лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но на протяжении последних 50 млн лет, как считают ученые, они стабилизировались.

Масса современной атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть массы Земли. С высотой резко уменьшаются плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно, в том числе из-за влияния на атмосферу солнечной активности и магнитных бурь. Изменение температуры в границах атмосферы на разных высотах поясняется неодинаковым поглощением солнечной энергии газами. Наиболее интенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши.

Следует отметить, что атмосфера имеет очень большое экологическое значение. Она защищает все живые организмы Земли от губительного влияния космических излучений и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебание суточной температуры на Земле достигло бы ±200 °С. Атмосфера есть не только животворным «буфером» между космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии -- главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).

Развитие гидросферы также в значительной мере зависел от атмосферы из-за того, что водный баланс и режим поверхностных и подземных бассейнов и акваторий формировались под влиянием режима осадков и испарений. Процессы гидросферы и атмосферы тесно связанные между собою.

Одной из главнейших составных атмосферы есть водный пар, который имеет большую пространственно-временную изменяемость и сосредоточенный преимущественно в тропосфере. Важной изменчивой составной атмосферы есть также углекислый газ, изменчивость содержания которого связанна с жизнедеятельностью растений, его растворимостью в морской воде и деятельностью человека (промышленные и транспортные выбросы). В последнее время все более большую роль в атмосфере сыграют аэрозольные пылеватые частицы — продукты человеческой деятельности, которые можно обнаружить не только в тропосфере, но и на больших высотах (щоправда, в мизерных концентрациях). Физические процессы, которые происходят в тропосфере, оказывают большое влияние на климатические условия разных районов Земли. Атмосфера имеет слоистую структуру. От поверхности Земли вверх эти слои:

1. Тропосфера

2. Стратосфера

3. Мезосфера

4. Термосфера

5. Экзосфера

Границы между слоями не резкие и их высота зависит от широты и времени года. Слоистая структура — результат температурных изменений на разных высотах. Погода формируется в тропосфере. И верхняя граница тропософеры выше летом, чем зимой.

ТРОПОСФЕРА

Нижняя часть атмосферы, до высоты 10−15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0. 6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы.
Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом Земли меняется изо дня в день. Кроме того, даже в среднем она различна под разными широтами и в разные сезоны года. В среднем годовом тропосфера простирается над полюсами до высоты около 9 км, над умеренными широтами до 10−12 км и над экватором до 15−17 км. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около -23° на северном полюсе. На верхней границе тропосферы над экватором средняя температура около -70°, над северным полюсом зимой около -65°, а летом около -45°.

Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5−8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.

В тропосфере сосредоточен весь водяной пар и именно поэтому все облака образуются в пределах тропосферы. Температура уменьшается с высотой.
Солнечные лучи легко проходят через тропосферу, а тепло, которое излучает нагретая солнечными лучами Земля, накапливается в тропосфере: такие газы, как углекислый газ, метан, а также пары воды удерживают тепло. Такой механизм прогревания атмосферы от Земли, нагретой солнечной радиацией, называется парниковый эффект. Именно потому, что источником тепла для атмосферы является Земля, температура воздуха с высотой уменьшается.

Граница между турбулентной тропосферой и спокойной стратосферой называется тропопауза. Здесь образуются быстро движущиеся ветры, называемые «реактивные потоки».

Когда-то предполагали, что температура атмосферы падает и выше тропософеры, однако измерения в высоких слоях атмосферы показали, что это не так: сразу выше тропопаузы температура почти постоянна, а затем начинает увеличиваться Сильные горизонтальные ветры дуют в стратосфере не образуя турбулентности. Воздух стратосферы очень сухой и поэтому облака редки. Образуются так называемые перламутровые облака. Стратосфера очень важна для жизни на Земле, так именно в этом слое находится небольшое количество озона, которое поглощает сильное ультафиолетовое излучение, вредное для жизни. Поглощая ульрафиолетовое излучение озон нагревает стратосферу.

СТРАТОСФЕРА

Над тропосферой до высоты 50−55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1−2 км) носит название тропопаузы.

Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.
Нижняя стратосфера более или менее изотермична. Но, начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой, достигая на высоте около 50 км максимальных, притом положительных значений (от +10 до +30°). Вследствие возрастания температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала.

Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20−25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше

МЕЗОСФЕРА

Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75−90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.

На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха

На высоте около 50 км над Землей температура снова начинает падать, обозначая верхнюю границу стратосферы и начало следующего слоя — мезосферы. Мезосфера имеет самую холодную температуру в атмосфере: от -2 до — 138 градусов Цельсия. Здесь же находятся самые высокие облака: в ясную погоду их можно видеть при закате. Они называются noctilucent (светящиеся ночью).

ТЕРМОСФЕРА

Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть — экзосфера, переходящая в земную корону.

Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен. Мы уже указывали, что на высотах 300−750 км его средняя плотность порядка 10−8-10−10 г/м3. Но и при такой малой плотности каждый кубический сантиметр воздуха на высоте 300 км еще содержит около одного миллиарда (109) молекул или атомов, а на высоте 600 км — свыше 10 миллионов (107). Это на несколько порядков больше, чем содержание газов в межпланетном пространстве.

Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха — содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100−400 км — порядка 1015−106 на кубический сантиметр.

В ионосфере выделяется несколько слоев, или областей, с максимальной ионизацией, в особенности на высотах 100- 120 км (слой Е) и 200−400 км (слой F). Но и в промежутках между этими слоями степень ионизации атмосферы остается очень высокой. Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией носят название электронных облаков.

От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха, в общем, в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы (на высотах 70- 80 км). Средние и короткие волны отражаются вышележащими ионосферными слоями.

Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно распространяться на большие расстояния, огибая поверхность Земного шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн. Поэтому для надежной радиосвязи необходимо непрерывное изучение состояния ионосферы. Наблюдения над распространением радиоволн как раз являются средством для такого исследования.

В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по~ природе свечение ночного неба — постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля — ионосферные магнитные бури.

Ионизация в ионосфере обязана своим существованием действию ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и свободных электронов, о чем говорилось выше. Колебания магнитного поля в ионосфере и полярные сияния зависят от колебаний солнечной активности. С изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке корпускулярной радиации, идущей от Солнца в земную атмосферу. А именно корпускулярная радиация имеет основное значение для указанных ионосферных явлений.

Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.
Говоря о высоких температурах ионосферы, имеют в виду то, что частицы атмосферных газов движутся там с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в ионосфере так мала, что тело, находящееся в ионосфере, например летящий спутник, не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им солнечной радиации и от отдачи его собственного излучения в окружающее пространство. Термосфера находится выше мезосферы на высоте от 90 до 500 км над поверхностью Земли. Молекулы газа здесь сильно рассеянны, поглощают рентгеновское излучение (X rays) и коротковолновую часть ультрафиолетового излучения. Из-за этого температура может достигать 1000 градусов Цельсия.

Термосфера в основном соответствует ионосфере, где ионизированный газ отражает радиоволны обратно к Земле — это явление дает возможным устанавливать радиосвязь.

ЭКЗОСФЕРА

Выше 800−1000 км атмосфера переходит в экзосферу и постепенно в межпланетное пространство. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической скоростью будет 11,2 км/сек. Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, «ускользать», рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния.
Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы.
Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000−3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.

С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц — протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия — порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.

3.2 Циркуляция атмосферы

Циркуляция атмосферы — система крупномасштабных воздушных течений над земным шаром. В тропосфере сюда относятся пассаты, муссоны, воздушные течения, связанные с циклонами и антициклонами, в стратосфере — преимущественно зональные (западные и восточные) переносы воздуха с наложенными на них т. н. длинными волнами. Создавая перенос воздуха, а с ним тепла и влаги из одних широт и регионов в другие, циркуляция атмосферы является важнейшим климатообразующим процессом. Характер погоды и его изменения в любом месте Земли определяются не только местными условиями теплооборота и влагооборота между земной поверхностью и атмосферой, но и циркуляцией атмосферы.

Существование циркуляции атмосферы обусловлено неоднородным распределением атмосферного давления (наличием барического давления), вызванным прежде всего неодинаковым притоком солнечной радиации в различных широтах Земли и различными физическими свойствами земной поверхности, особенно в связи с её разделением на сушу и море. Неравномерное распределение тепла на земной поверхности и обмен теплом между ней и атмосферой приводят в результате к постоянному существованию циркуляции атмосферы, энергия которой расходуется на трение, но непрерывно пополняется за счёт солнечной радиации.

Вследствие Кариолиса силы движение воздуха при общей циркуляции атмосферы является квазигеострофическим, т. е. за исключением приэкваториальных широт и пограничного слоя оно достаточно близко к геострофическому ветру, направленному по изобарам, перпендикулярно барическому градиенту. А т.к. атмосферное давление распределяется над земным шаром в общем зонально (изобары близки к широтным кругам), то и перенос воздуха имеет в общем зональный характер. В нижних 1−1,5 км ветер находится ещё под влиянием сил трения и существенно отличается от геострофического по скорости и направлению. Кроме того, распределение атмосферного давления над земной поверхностью, а с ним и течения циркуляции атмосферы зональны лишь в общих чертах. В действительности циркуляция находится в непрерывном изменении как в связи с сезонными изменениями в распределении источников и стоков тепла на земной поверхности и в атмосфере, так и в связи с циклонической деятельностью (образованием и перемещением в атмосфере циклонов и антициклонов). Циклоническая деятельность придаёт циркуляции атмосферы сложный и быстро меняющийся макротурбулентный характер. С высотой зональность циркуляции возрастает, в верхней тропосфере и стратосфере вместо вихревых возмущений преобладают волновые возмущения зонального переноса. Именно связанные с циклонической деятельностью меридиональные составляющие ветра осуществляют обмен воздуха между низкими и высокими широтами Земли. В низких широтах Земля получает больше тепла от Солнца, чем теряет его путём собственного излучения, в высоких широтах — наоборот. Междуширотный обмен воздухом приводит к переносу тепла из низких широт в высокие и холода из высоких широт в низкие, чем сохраняется тепловое равновесие на всех широтах Земли.

Поскольку температура воздуха в тропосфере в среднем убывает от низких широт к высоким, атмосферное давление в среднем также убывает в каждом полушарии от низких широт к высоким. Поэтому начиная примерно с высоты 5 км, где влияние материков, океанов и циклонической деятельности на структуру полей давления и движения воздуха становится малым, устанавливается западный перенос воздуха почти над всем земным шаром (за исключением приэкваториальной зоны). Зимой в данном полушарии западный перенос захватывает не только верхнюю тропосферу, но и всю стратосферу и мезосферу. Однако летом стратосфера над полюсом сильно нагревается и становится значительно теплее, чем над экватором, поэтому меридиональный градиент давления, начиная примерно с 20 км меняет своё направление и зональный перенос воздуха соответственно меняется с западного на восточный.

У земной поверхности и в нижней тропосфере зональное распределение давления сложнее, поскольку оно в большей степени определяется циклонической деятельностью. В процессе последней циклоны, перемещаясь, в общем, к В., в то же время отклоняются в более высокие широты, а антициклоны — в более низкие. Поэтому в нижней тропосфере (и у земной поверхности) образуются две субтропические зоны повышенного давления по обе стороны от экватора, вдоль которого давление понижено (экваториальная депрессия); в субполярных широтах образуются две зоны пониженного давления (субполярные депрессии); в самых высоких широтах давление повышено. Этому распределению давления соответствуют западный перенос в средних широтах каждого из полушарий и восточный перенос в тропических и высоких широтах.

Указанные зоны давления и ветра в нижней тропосфере даже на многолетних средних картах представляются расчленёнными на отдельные области низкого и высокого давления со свойственными им циклоническими и антициклоническими циркуляциями, например исландская депрессия, азорский антициклон и другие. Распределение суши и моря вносит усложнение в распределение центров действия, создавая, кроме указанных перманентных центров, ещё и сезонные центры действия атмосферы (такие, как зимний азиатский антициклон, летняя азиатская депрессия). В Южном полушарии, преимущественно океаническом, зональность циркуляции атмосферы выражена лучше, чем в Северном.

Схема зональных переносов при общей циркуляции атмосферы (на различной высоте над поверхностью):

Зональный перенос в тропосфере особенно хорошо выражен в тропиках. Здесь восточные течения у земной поверхности и в нижней тропосфере — пассаты — обладают большим постоянством, особенно над океанами. В верхней тропосфере они сменяются западным переносом, носящим в тропиках название антипассатов. Меридиональные составляющие в пассатах направлены чаще всего к экватору, а в антипассатах — к средним широтам. Поэтому систему пассат — антипассат можно приближённо рассматривать как замкнутую циркуляцию с подъёмом воздуха в экваториальной депрессии и опусканием в субтропической зоне повышенного давления (ячейка Гадлея). Эта циркуляционная ячейка все же связана циклонической деятельностью с циркуляцией во внетропических широтах, откуда она пополняется холодным воздухом и куда передаёт свой тёплый воздух.

В некоторых регионах Земли, в особенности в бассейне Индийского океана, восточный перенос летом заменяется западным в связи с отходом внутритропической зоны конвергенции от экватора в более нагретое летнее полушарие. Противоположные по направлению переносы воздуха зимой и летом в низких широтах называются тропическими муссонами.

Слабые волновые возмущения в пассатах и в зоне конвергенции мало меняют характер циркуляции. Но иногда (в среднем около 80 раз в год) в некоторых районах внутритропические зоны конвергенции развиваются сильнейшие вихри — циклоны тропические (тропические ураганы), резко, даже катастрофически, меняющие установившийся режим циркуляции и погоду на своём пути в тропиках, а иногда и за их пределами.

Во внетропических широтах развитие и прохождение циклонов (менее интенсивных, чем тропические) и антициклонов — явление повседневное; циклоническая деятельность в этих широтах является формой циркуляции атмосферы, по крайне мере в тропосфере, отчасти и в стратосфере.

Она обусловлена постоянным образованием главных атмосферных фронтов (тропосферных); с ними же связаны струйные течения в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Серийное возникновение циклонов и антициклонов на главных фронтах приводит к появлению в верхней тропосфере и над ней особенно крупномасштабных длинных волн, или волн Росби. Число таких волн чаще всего около четырёх над полушарием.

Связанные с циклонической деятельностью меридиональные составляющие циркуляции атмосферы во внетропических широтах быстро и часто меняются. Однако бывают такие ситуации, когда в течение нескольких суток или даже недель обширные и высокие циклоны и антициклоны мало меняют своё положение. В связи с этим возникают длительные меридиональные переносы воздуха в противоположных направлениях, иногда во всей толще тропосферы, над большими площадями и даже над всем полушарием. Поэтому во внетропических широтах можно различать 2 типа циркуляции над полушарием или большим его сектором: зональный, с преобладанием зонального, чаще всего западного переноса, и меридиональный, со смежными переносами воздуха в направлении к низким и высоким широтам. При меридиональном типе циркуляции междуширотный перенос тепла значительно больше, чем при зональном.

В некоторых регионах внетропических широт вследствие неодинакового нагревания суши и моря над сушей в тёплый сезон преобладает пониженное давление, а над смежными водами — повышенное, в холодный сезон — наоборот. В промежуточных областях, по окраинам материка и океана, соответственно создаётся режим внетропических муссонов — достаточно устойчивый сезонный перенос воздуха в одном направлении, который сменяется в другом сезоне таким же переносом в противоположном направлении. Такой режим ветра на В. Азии, включая Советский Дальний Восток.

В некоторых ограниченных областях при ослаблении течений общей циркуляции атмосферы возникают местные мезомасштабные циркуляции с суточной периодичностью, связанные с местными различиями в нагревании атмосферы, обусловленными орографией и соседством суши и воды. Таковы бризы на берегах водоёмов, горно-долинные ветры. В больших городах наблюдаются даже городские бризы, связанные с застройкой города и производством тепла в нём.

Список литературы

1. Тарасов В. И. «Гидросфера»: Учебное пособие. Уссурийский госпединститут, 2004 г.

2. http: //starbolls. narod. ru/index. files/25n. htm

3. http: //bse. sci-lib. com/article121104. html

4. http: //zemlj. ru/obolochki-zemli. html

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой