Лекция 7. ДИНАМИКА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ
Лекция 7. ДИНАМИКА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ
В географической оболочке можно выделить несколько основных типов движения. Развитием называют процесс, приводящий к качественным, необратимым и… В географическую оболочку энергия поступает из Космоса, недр Земли и… Эндогенная энергия— это энергия земных недр, которая поступает в географическую оболочку в двух формах: теплового…Схема радиационного баланса.
Распространение солнечной энергии в Мировом океанеимеет некоторые особенности, поскольку поглощается толщей воды избирательно. Лучистая энергия красной части спектра поглощается почти целиком в верхнем слое до 1 м. На глубине 100 м остается около 1% энергии, смещенной в сторону сине-зеленой части спектра (вследствие этого предметы на морском дне имеют соответствующую окраску).
Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию и нагреваясь, сама становится источником излучения тепла в атмосферу и через нее в мировое пространство. Чем выше температура поверхности, тем выше излучение.
Атмосфера в отличие от земной поверхности больше излучает, чем поглощает. Дефицит энергии компенсируется приходом тепла от земной поверхности вместе с водяным паром, а также за счет турбулентности (в процессе подъема нагретого у земной поверхности воздуха).
Уравнение теплового баланса.Количество тепла описывается уравнением теплового баланса, которое у каждого географического района свое. Его важнейшим компонентом является радиационный баланс земной поверхности. Солнечная радиация расходуется на нагревание почвы и воздуха (и воды), испарение, таяние снега и льда, фотосинтез, почвообразовательные процессы и выветривание горных пород. Поскольку для природы всегда характерно равновесие, равенство наблюдается между приходом энергии и ее расходом, что выражается уравнением теплового баланса земной поверхности:
где R — радиационный баланс; LE — тепло, затрачиваемое на испарение воды и таяние снега или льда (L — скрытое тепло испарения или парообразования; Е — скорость испарения или конденсации); А — горизонтальный перенос тепла воздушными и океаническими течениями или турбулентным потоком; Р — теплообмен земной поверхности с воздухом; В — теплообмен земной поверхности с почвой и горными породами; F — расход энергии на фотосинтез; С — расход энергии на почвообразование и выветривание; Q+q — суммарная радиация; а — альбедо; I — эффективное излучение атмосферы.
Уравнение теплового баланса можно вывести для любого географического района и отрезка времени, учитывая специфичность климатических условий и вклад компонентов (для суши, океана, районов с льдообразованием, незамерзающих и др.).
Перенос и распределение тепла.Перенос тепла от поверхности в атмосферу происходит тремя путями: тепловое излучение, нагревание или охлаждение воздуха при контакте с сушей, испарение воды.
Структура теплового баланса зависит от географической широты и типа ландшафта, который, в свою очередь, сам зависит от нее. Она существенно изменяется не только при движении от экватора к полюсам, но и при переходе с суши на море. Суша и океан различаются как по величине поглощенной радиации, так и по характеру распределения тепла.
Изменение радиационного и теплового баланса.Годовая сумма радиационного баланса почти всюду на Земле положительна, за исключением ледниковых районов Гренландии и Антарктиды. Его среднегодовые значения уменьшаются в направлении от экватора к полюсам, следуя закономерности распределения солнечной радиации по земному шару. От экватора в направлении к полюсам потоками воздуха или океаническими течениями переносится тепло, а к экватору переносятся холодные воздушные или водные массы.
Распределение температуры.На горизонтальное распределение температуры влияют географическое положение, рельеф, свойства и вещественный состав подстилающей поверхности, системы океанических течений и характер атмосферной циркуляции в приземном и приводном слоях.
Таблица 7.4. Суммарная радиация, поступающая на земную поверхность (Н.И.Егоров)
| Широта, град | Месяцы | |||||||||||
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| N 90 | ||||||||||||
| S 10 | ||||||||||||
Средняя температура земной поверхности составляет около 15°С.
Вертикальное распределение температуры зависит от термических свойств вещества, слагающего геосферы, и высотного (глубинного) уровня стратификации. Вверх от земной поверхности, в тропосфере, температура воздуха (за исключением присущих этому слою инверсий) понижается в среднем на 0,6°С на каждые 100 м высоты. В литосфере температура повышается с глубиной в среднем на 1—3°С на каждые 100 м (хотя и здесь возможны отклонения от нормального градиента). Для океаносферы, средняя температура которой составляет 4°С, характерна двухслойная стратификация вод: верхний однородный слой, ограниченный снизу термоклином (слоем скачка температуры), в которым происходят сильные перепады температур, и основная масса вод Мирового океана, расположенная глубже, с характерной температурой от 1 до 2,5°С.
Нарушение плотностной стратификации, особенно в таких подвижных геосферах, как атмосфера и гидросфера, обусловливает движение воздуха и воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Усиление или ослабление этого процесса приводят к перераспределению тепла (выравниванию, понижению или повышению температуры), появлению или размыванию слоистости воздушных и водных масс.
Рис. 7.2. Схема возникновения элементарной конвективной ячейки (по К. И. Геренчуку и др.).
Основа атмосферной циркуляции — неравномерное распределение теплоты в атмосфере. Давление в любой точке атмосферы равно весу вышележащего столба воздуха. При равномерном нагревании земной поверхности и атмосферы давление с высотой изменяется одинаково во всех точках, находящихся на одной высоте, что можно изобразить с помощью изобар, которые в таком случае будут горизонтальными (рис. 7.6, а). Поступление дополнительного тепла в точку В приведет к локальному расширению воздуха и наклону изобар вверх (рис. 7.6, б). Это не вызовет изменения давления у земной поверхности, однако в атмосфере возникнет разность давления по горизонтали, причем горизонтальный барический градиент будет направлен в сторону точки А. Перенос воздуха в этом направлении на высоте приведет к увеличению массы воздуха над точкой А и, следовательно, к повышению давления в точке А. В результате градиент давления возникнет и у земной поверхности, но его направление будет противоположным к точке В (рис. 7.6, в). Соответственно этому будет происходить перенос приземного воздуха. Над теплым участком местности у земной поверхности возникает минимум давления, а над холодным — максимум. На некоторой высоте положение минимума и максимума обратное. Поскольку в области минимума воздух движется вверх (восходящий поток), а в области максимума поток воздуха нисходящий, то образуется замкнутая вертикальная конвективная ячейка циркуляции. Возникающее движение изменяет свое направление под влиянием силы Кориолиса. В районах преобладания высокого давления формируются нисходящие движения воздуха — антициклоны, а в районах преимущественно пониженного давления умеренных широт — циклоны.
Атмосфера — наиболее подвижная часть географической оболочки. В механическую энергию атмосферных движений переходит 1—2% удерживаемой земной поверхностью солнечной энергии. Этот переход осуществляется в процессе функционирования географических тепловых машин, учение о которых принадлежит В.В. Шулейкину.
Циркуляция атмосферы в первом приближении складывается из горизонтальных (зональных и меридиональных) и вертикальных движений. Зональные переносы (вдоль параллелей) преобладают. Они на порядок интенсивнее меридиональных и на два порядка — вертикальных движений. Хотя меридиональные движения слабее зональных, их значение велико, так как они осуществляют межширотный обмен воздуха и сглаживают межширотные контрасты. Поэтому реальная температура воздуха на экваторе оказывается на 13,6°С ниже солярной (рассчитанной по радиационному равновесию) температуры. Средняя температура в районе Северного полюса составляет -19,0°С, что выше солярной на 25,0°С. На Южном полюсе средняя температура равна -36,5°С, что выше солярной на 7,5°С. Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Воздух атмосферы и воды океанов также находятся в непрерывном движении. Для поддержания движений в географической оболочке необходима движущая сила, которая возбуждает географические процессы. Эта энергия приходит от Солнца. Лучистая энергия перехватывается атмосферой и поверхностью Земли. Значительная ее часть поглощается, другая рассеивается и отражается в межпланетное пространство. Неравенство в поступлении тепла обусловливает движения в атмосфере и океане — возникает перенос тепла от экватора к полюсам. Эти движения изменяются вследствие вращения Земли. Важную роль в перераспределении тепла играет взаимодействие между атмосферой и гидросферой. Определенный вклад в этот процесс вносят локальные факторы, которые существенно осложняют сложившиеся взаимодействия компонентов, вследствие чего в природе существует множество отклонений.
Межструктурные круговороты вещества и энергии.Важнейшей особенностью географической оболочки являются круговороты вещества и энергии. Роль их в природе колоссальна, так как они обеспечивают многократность одних и тех же процессов и явлений, а также направленный характер их развития.
Круговорот веществ — многократное участие вещества в процессах, протекающих в геосферах планеты. Круговорот энергии — использование энергии в геосистемах для обеспечения круговоротов вещества.
Какие могут быть круговороты и как их можно классифицировать? Природные круговороты целесообразно рассматривать применительно к ее отдельным сферам и веществу каждой из них. Взаимодействие структурных частей географической оболочки, рассеивание их вещества протекают не хаотически, а представляют собой отдельные звенья общего межструктурного круговорота вещества и энергии, связывающего атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу в единое целое — географическую оболочку Земли.
Так как результатом общего круговорота вещества и энергии является обособление и функционирование географической оболочки, то такой круговорот можно именовать общегеографическим (глобальным) круговоротом вещества и энергии. В его основу положены представления В.И. Вернадского, А.Е. Ферсмана и других ученых о большом геохимическом цикле, или большом географическом круговороте вещества (рис. 7.2).
Общегеографический круговорот протекает медленно даже по геологическим масштабам времени. Он не является совершенно замкнутым. В разные геологические эпохи с неодинаковой силой проявляются тектонические процессы, в непрерывной эволюции находится органическая жизнь и потому качественно отличны ландшафты каждого круговорота и др.
Рис. 7.2. Большой географический круговорот (Ф. Н. Мильков, 1990): 1 — приземные слои воздуха; 2 — область максимального скопления живого вещества (биостром); 3— кора выветривания; 4 — изверженные породы; 5— коренные породы другого состава
Общегеографический круговорот вещества и энергии представляет синтез частных круговоротов, главные из которых — литосферный (геологический) круговорот, круговорот воды, биологический круговорот. Это не простое сложение, а возникновение нового явления со своими особенностями.
Литосферные круговоротыпроявляются двояко. Во-первых, это действительно перемещение вещества самыми разнообразными механическими путями, что соответствует понятию «круговорот горных пород». Во-вторых, это изменение вещественного состава перемещаемых или пребывающих в состоянии покоя горных пород (перенос минеральных веществ в земной коре), и такие процессы чаще называют геохимическими круговоротами.
Круговорот горных пород. Возникшие продукты выветривания коренных пород и биогенные накопления в земной коре превращаются в комплексы осадочных пород. Под влиянием высоких температур и давления, а также воздействия глубинных растворов, осадочные породы подвергаются метаморфизации. На больших глубинах метаморфические породы находятся в состоянии термодинамического равновесия, нарушение которого в силу разных причин (изменение давления, поступление дополнительного тепла и др.) может повлечь образование магмы. Находящаяся под давлением магма, насыщенная газообразными продуктами недр, прорывается в верхние слои земной коры и, охлаждаясь, переходит в изверженные кристаллические породы или изливается на поверхность Земли. В зоне гипергенеза вновь происходит разрушение магматических, осадочных и метаморфических горных пород. Продукты выветривания переносятся водой, льдом или ветром и отлагаются (на суше или на дне водоемов) в виде рыхлых осадочных отложений, которые уплотняются в процессе диагенеза. На продуктах выветривания формируются ландшафты — начальное звено нового общегеографического цикла.
Геохимический круговорот. Следствием многих круговоротов в литосфере является изменение химического состава горных пород вследствие миграции — переноса минерального вещества и перераспределения химических элементов. Этот процесс осуществляется потоками воды (твердый и ионный сток рек, перенос океаническими течениями), воздуха (вынос солей с моря на сушу, перенос в атмосфере пыли и продуктов горения и др.), ледниками, оползнями, грязевыми потоками, во время обвалов, а также растениями и животными.
Механической миграцией называют перемещение вещества, происходящее без изменения его химического состава.
Химической миграцией называют изменение свойств перемещаемого вещества и его химического состава.
Глобальный круговорот воды.Рассеянная в атмосфере, погребенная в земной коре либо составляющая собственно гидросферу вода играет исключительную роль в функционировании всей географической оболочки как динамической системе, находящейся в непрерывном движении.
Круговорот воды — это непрерывный процесс циркуляции влаги, охватывающий атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу. Он происходит по условной схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение, перенос водяного пара в атмосфере, его конденсация, повторное выпадение атмосферных осадков. Движущей силой глобального круговорота воды служит солнечная энергия, вызывающая испарение с поверхности океанов и суши. Основной источник поступления влаги в атмосферу (85%) — поверхность Мирового океана, а с поверхности суши поступает около 14%. В процессе круговорота вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое. Выделяют круговороты воды в атмосфере, между атмосферой и поверхностью Земли, между земной поверхностью и недрами литосферы, внутри недр литосферы, в гидросфере.
В природном круговороте воды можно выделить три основных звена: материковое, океаническое и атмосферное.
Материковое звено круговорота воды. Попадая на поверхность суши в виде атмосферных осадков, вода либо просачивается в почву (инфильтрация), либо стекает по поверхности, формируя поверхностный и речной сток, и затем поступает в озера, моря и океаны.