Лекция 7. ДИНАМИКА ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Важнейшее свойство материальных объектов — движение. В основе движения лежит способность объектов окружающего нас мира взаимодействовать между собой. Движения совершаются постоянно и включают изменения и взаимодействия всех форм. Каждый физико-географический процесс есть совокупность многих физических, химических и биологических процессов.

В географической оболочке можно выделить несколько основных типов движения. Развитием называют процесс, приводящий к качественным, необратимым и направленным изменениям в системе. Функционирование — это процесс, при котором в условиях постоянного энергомассообмена со средой (или с другими системами) система сохраняет свои характерные свойства за счет относительной устойчивости структуры и определяющих ее состояние параметров. Чем сложнее геосистема, тем более сложным и гибким является «механизм» обеспечения функционирования. При направленных внешних воздействиях (например, при изменении прихода солнечной радиации в течение года) система может совершать переходы из одного состояния в другое. Такие переходы обычно обратимы и не проявляются в изменениях структуры или системы в целом. Совокупность переходов системы из одного состояния в другое называют динамикой. Примерами динамических процессов являются колебания всех географических параметров в широком пространственно-временном диапазоне.

В географическую оболочку энергия поступает из Космоса, недр Земли и выделяется при гравитационном взаимодействии планеты с ближайшими космическими телами — Луной и Солнцем. В зависимости от этого энергетические источники подразделяют на эндогенные и экзогенные.

Эндогенная энергия— это энергия земных недр, которая поступает в географическую оболочку в двух формах: теплового потока (теллурические токи) и путем механических перемещений вещества. Величина теплового потока в среднем в 10^-5 раз меньше потока электромагнитной солнечной энергии (0,06 Дж/м²×с).

Тепловой поток неравномерно распределен на земной поверхности, что связано с характером тектонических структур и возрастом земной коры. Наибольшие значения теплового потока наблюдаются в зонах срединно-океанических хребтов (особенно в пределах рифтовых зон, поскольку там вещество мантии поднимается непосредственно к поверхности литосферы), в сейсмоактивных и вулканических районах. В тектонически спокойных регионах, в частности на древних платформах, его значения существенно ниже средних. Источниками эндогенной энергии являются: гравитационная дифференциация земного вещества по плотности, распад радиоактивных элементов, внутреннее трение масс вещества, неизбежно сопровождающее гравитационную дифференциацию, приливное трение, обусловленное взаимодействием Земли с Луной и Солнцем.

Полагают, что в прошлом радиоактивная и приливная составляющие эндогенной энергии были большими, так как на ранних стадиях развития Земли было больше радиоактивных элементов и Луна располагалась ближе.

Экзогенная энергия.Энергия, поступающая на Землю из Космоса, называется экзогенной. В количественном отношении она на 97% состоит из электромагнитного излучения Солнца — солнечной радиации. Вследствие малой изменчивости интенсивности солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, ее поток, рассчитываемый на 1 см² в минуту, называют солнечной постоянной, которая равна 1,98 кал/(см²×мин), или 8,3 Дж/(см²×мин).

Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн разной длины (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Спектр электромагнитного излучения

Наряду с электромагнитными потоками в атмосферу проникает корпускулярный поток заряженных частиц — «солнечный» и «космический» ветер. Их суммарная энергия в несколько тысяч раз меньше электромагнитной энергии и уступает (в количественном выражении) даже эндогенной энергии.

Суммарное воздействие эндогенной и экзогенной энергий изменяет вещество земной коры, создает форму и рельеф Земли. Самые грандиозные преобразования на поверхности планеты вызывает эндогенная энергия. Однако вклад экзогенной энергии в изменение облика планеты не менее значителен. Во-первых, солнечная энергия сохраняется в геохимических аккумуляторах земной коры. Во-вторых, неравномерность распределения лучистой энергии на земной поверхности приводит в движение атмосферу, а через нее и гидросферу.

Соотношение различных потоков энергии, поступающей в географическую оболочку, приведено в табл. 7.1, из которой видно, что солнечная энергия по мощности намного превосходит все остальные виды энергии. Однако значение каждого вида энергии не может оцениваться только количественно, так как каждый вид выполняет определенные функции. Эффективность энергетического потока во многом зависит от того, поступает энергия в концентрированном или рассеянном виде, к нижней или верхней границе геосфер и др.

Таблица 7. Потоки энергии, поступающие в географическую оболочку

Поток энергии	Мощность, Дж/(м2×с)
Солнечная энергия (поглощенная атмосферой и земной поверхностью)	2,3×102
Энергия космических лучей	2×10-6 - 3×10-6
Антропогенное производство энергии	3,2×10-2
Распад радиоактивных изотопов	~7×10-3
Энергия приливного трения	3,5×10-3
Энергия окисления органического вещества	0,4-0,6
Геотермическое тепло	~0,1
Тектоническая энергия	~10-3

Влияние внутренней энергии Земли на функционирование географической оболочки.Внутренняя энергия обнаруживает себя в разнообразных, но взаимосвязанных движениях земной коры. Их необходимо рассматривать как частное проявление общего процесса развития планеты и, следовательно, нет оснований считать, что внутренние массы Земли инертны или находятся в состоянии равновесия. Выделяют вертикальные (колебательные) и горизонтальные (тангенциальные) движения, которые сопровождаются целой серией вторичных движений со специфическими явлениями типа надвигов, шарьяжей и др.

Колебательные движения земной коры проявляются в волнообразных поднятиях или опусканиях огромных участков литосферы. Среди колебательных движений выделяют медленные (вековые) мало контрастные и относительно быстрые (активные) контрастные.

В первом случае залегание пластов горных пород практически не нарушается, но изменяется их абсолютная, а иногда и относительная высота. Такие колебательные движения, называют эпейрогеническими.

Во втором случае происходят значительные нарушения залегания горных пород и создание специфических возвышенных и пониженных структур. Такие движения называют орогеническими, или дислокационными.

Тангенциальные движения земной коры вызывают изменение залегания пластов горных пород. Наиболее часто горизонтальные движения вызывают образование складок (складчатые деформации) — волнообразных изгибов пластов. Выпуклая часть складки называется антиклиналью, вогнутая — синклиналью.

В связи с развитием гипотезы литосферных плит горизонтальным движениям придается большое значение. Установлено, что при формировании океанических структур земной коры тангенциальные движения являются ведущими. Их современные скорости измеряются первыми сантиметрами в год, что значительно превышает скорость орогенических движений и на два-три порядка выше, чем при эпейрогенических смещениях.

Помимо складчатых, существуют разрывные деформации, связанные с перемещениями земных масс, предварительно разбитыми на отдельные блоки.

Складчатые и разрывные деформации сопровождаются магматизмом и землетрясениями. В истории Земли, особенно на начальных этапах, магматическая деятельность проявлялась очень активно и по мнению многих исследователей сыграла решающую роль в возникновении и развитии земных сфер: каменной, жидкой и газообразной.

В истории Земли выделяют несколько эпох тектонической активизации, приведших к созданию складчатых поясов и горных систем как своеобразных выражений частичной разрядки внутриземной энергии: байкальская (конец протерозоя—начало палеозоя), каледонская (ранний палеозой), герцинская (поздний палеозой), киммерийская (середина мезозоя), альпийская (кайнозой).

Движения альпийской тектонической эпохи не закончились и называются новейшими. Несмотря на то, что эпохи тектонической активизации повторяются, они различаются по мощности, районам проявления и длительности.

Распространение солнечной радиации.Энергией для большинства земных процессов является лучистое излучение Солнца, поступление которого изменяется в течение года и зависит от географической широты. В географической оболочке потоки солнечной радиации существенно трансформируются: отражаются, поглощаются, рассеиваются. Отношение отраженной радиации к суммарной {прямой и рассеянной) называется альбедо и выражается формулой

где а — альбедо, выраженное в % или долях единицы; Q_отр — отраженная солнечная радиация; Q+q — суммарная солнечная радиация; Q — прямая; q — рассеянная.

Альбедо зависит от многих причин: высоты Солнца, облачности, характера подстилающей поверхности, времени года. Из табл. 7.2—7.3, видно, что альбедо суши в среднем больше, чем альбедо водной поверхности. Планетарное альбедо Земли оценивают в 0,3—0,35.

Кроме прямой (непосредственно от солнечного диска) и рассеянной (от всего небосвода) радиации на земную поверхность поступают потоки и противоизлучения атмосферы (за счет ее нагревания от земной поверхности). Разность между поступлением и потерей радиации земной поверхностью составляет ее радиационный баланс (бюджет) и выражается уравнением

где R — радиационный баланс; S — прямая солнечная радиация; D — рассеянная радиация; Q_отр — отраженная радиация; Е₃ — излучение земной поверхности; Е_А — противоизлучение атмосферы.

Земля теряет почти столько радиационной энергии, сколько получает, поэтому считают, что она находится в состоянии лучистого равновесия. Только сравнительно малая часть энергии накапливается в органическом веществе и геохимических аккумуляторах.

Влияние атмосферы на распространение солнечной радиации.Распределение солнечной энергии на Луне очень простое: около 7% отражается и лунный свет является ничем иным, как отраженным солнечным светом, 93% отражается в виде невидимой длинноволновой инфракрасной радиации. Распределение солнечной радиации на Земле сложнее, чем на Луне, поскольку она окружена атмосферой, которая избирательно пропускает электромагнитное излучение.

Таблица 7.2. Средние величины альбедо для основных видов естественных поверхностей (по Н.И.Егорову)

Вид поверхности	Альбедо
Устойчивый снежный покров в высоких широтах, выше 60° с. ш.	0,80
То же, в умеренных широтах, ниже 60° с. ш.	0,70
Лес при устойчивом снежном покрове	0,45
Неустойчивый снежный покров весной	0,38
То же, осенью	0,50
Лес при неустойчивом снежном покрове весной	0,25
То же, осенью	0,30
Степь и лес в период между сходом снежного покрова и переходом средней суточной температуры воздуха через 10 °С	0,13
То же, тундра	0,18
Тундра, степь, лиственный лес в период от весеннего перехода температуры воздуха через 10°С до появления снежного покрова	0,18
То же, хвойный лес	0,14
Леса, сбрасывающие листву в сухое время года, саванны,полупустыни в сухое время года	0,24
То же, во влажное время года	0,18
Пустыни	0,28

Если бы атмосферный воздух состоял только из постоянных газов (азота, кислорода и аргона), то он был бы прозрачен для инфракрасной радиации и, отраженная от земной поверхности, она могла бы без изменения вернуться в космическое пространство. Однако воздух содержит небольшое количество диоксида углерода, метана и водяных паров, которые в атмосфере сильно (до 50 %) адсорбируют длинноволновую радиацию. Чем короче длина волны, тем интенсивнее рассеяние, поэтому больше рассеиваются лучи синей части спектра, придавая небу голубой цвет в ясную погоду.

Таблица 7.3. Среднемесячные величины альбедо поверхности океана для различных широт (по Н.И.Егорову, 1966)

Сев. широта, град	Месяцы
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
	-	0,23	0,16	0,11	0,09	0,09	0,09	0,10	0,13	0,15	-	-
	0,20	0,16	0,11	0,08	0,08	0,07	0,08	0,09	0,10	0,14	0,19	0,21
	0,16	0,12	0,09	0,07	0,07	0,06	0,07	0,07	0,08	0,11	0,14	0,16
	0,11	0,09	0,08	0,07	0,06	0,06	0,06	0,06	0,07	0,08	0,11	0,12
	0,09	0,08	0,07	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,07	0,08	0,09
	0,07	0,07	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,07	0,07
	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,07
	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06