Запасы свободной воды в гидросфере

Атмосфера. По результатам исследований Международного геофизического года (1957-58), верхнюю границу атмосферы принято проводить по высоте 700-800 км. Мы говорим «принято» потому, что граница эта условна и в данном случае связана с началом так называемой экзосферы – области рассеяния (диссипации), области, которая от других нижележащих слоев атмосферы отличается относительной бесструктурностью.

Масса атмосферы оценивается в 5,26 · 10¹⁸ кг и распределена по высоте в соответствии с экспоненциальным законом. Переход к безвоздушному пространству космоса постепенный, и потому с учетом экзосферы верхнюю границу атмосферы проводят уже по высоте 2000-3000 км.

Атмосфера неоднородна. По вещественному составу, температуре и характеру воздушных течений в ней выделяется несколько слоев, границы между которыми носят название пауз: тропопауза, стратопауза, мезопауза, термопауза. По своей сути они градиентны, т.е. фиксируются по резкой смене температур и ветровых скоростей, а также по составу и состоянию газа (рис. 5.11).

Паузы выполняют запрещающие и разрешающие функции. Они имеют внутреннюю, собственную, структуру, которая и гарантирует автономию, по существу, само существование тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы. Иными словами, благодаря паузам атмосфера гетерогенна. Однако периодически в паузах возможно возникновение разрывов, через которые между структурными слоями атмосферы происходит обмен веществом и энергией, т.е. реализуются разрешающие функции границ.

Тропосфера. Около 90 % массы атмосферы сосредоточено в тропосфере. Наряду с газами тропосфера содержит пыль различного происхождения, в том числе и техногенную, ионы и соли, а в последние десятилетия в ней наблюдается и большое количество промышленных газов, особенно над индустриальными районами, а также бактерии и радиоактивные вещества. Здесь же находится и основное количество атмосферной влаги. По современной международной классификации, в тропосфере различают четыре высотных семейства облаков: верхнего яруса (5000-13 000 м), среднего яруса (2000-7000 м), нижнего яруса (от поверхности Земли до 2000 м), облака вертикального развития (от 500 м до переменной высоты вершины облака). Приведенные высоты являются средними для умеренных широт и существенно меняются в меридиональном направлении, а также зависят от времени года, типа погоды, особенностей подстилающей поверхности.

Главными чертами циркуляции в тропосфере являются преобладание западных ветров, а также вертикальный перенос и турбулентный характер движения.

Стратосфера. В стратосфере до высот около 40 км температура воздуха ниже нуля и почти постоянна по высоте, затем она быстро возрастает, достигая положительных значений в среднем 15 °С. До появления спутниковой метеорологии о стратосфере мы знали очень мало, и считалось, что вертикальные течения воздуха и обычные виды облаков в ней отсутствуют. В настоящее время в стратосфере установлена активная вертикальная циркуляция, приводящая к перемешиванию воздуха до высот порядка 30 км, что обеспечивает приблизительно постоянный состав смеси газов. Лишь выше начинается расслоение. Следует отметить, что отдельные вертикальные струи зафиксированы ракетным зондированием до высот 140 км, что, в частности, является одним из оснований для утверждений о периодическом появлении разрывов в страто- и мезо-паузах. Преобладающее направление ветров в стратосфере восточное, в отличие от западного в тропосфере.

Исключительно важной особенностью стратосферы является наличие в ней так называемого озонового слоя (см. рис. 5.11), а также локализованной зоны повышенной влажности на высоте около 30 км, с которой связано существование перламутровых облаков. В начале 1980-х годов в Антарктиде на английской станции Хэлли-Бей было обнаружено резкое снижение содержания озона в приполюсной области. Позже этот феномен получил название озонной дыры, появление которой вызвало сильное беспокойство не только специалистов, но и широкой общественности, поскольку слой озона, хотя и ничтожный по своей концентрации, выполняет для Земли исключительно важные функции, поглощая опасное для жизни жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца и участвуя определенным образом в формировании теплового режима атмосферы, а значит и всей планеты. Причины этого явления пока полностью не выяснены. Обсуждаются в основном две гипотезы: по первой, появление озонной дыры связывается с изменением интенсивности привноса озона в южную полярную область; по второй – главная роль отводится химическим процессам, возникающим в связи с загрязнением атмосферы и, в частности, с появлением в ней больших количеств фреонов. На наш взгляд, не исключено и более тривиальное объяснение: озонная дыра является таким же периодическим разрывом граничных слоев, какие обнаруживаются в тропопаузе и в виде мощных вертикальных струй, фиксируются в страто- и мезопаузах, проявляются на границе океан–атмосфера в виде термобарических сейш, тропических ураганов и т.д. (см. тему 1).

Мезосфера. Ее газовый состав, в котором преобладают азот и кислород, весьма устойчив, температура от нижней границы к верхней существенно понижается, достигая –(75? 90) °С. У верхней границы характерно образование так называемых серебристых облаков, представляющих собой скопления мельчайших ледяных кристалликов.

Термосфера. Это наиболее разреженный слой, для которого характерной чертой является относительно повышенная ионизация входящих в ее состав газов, а также существенное повышение температуры (см. рис. 5.11). Общая повышенная ионизация термосферы способствует возникновению здесь полярных сияний. В сравнении с нижележащими областями в термосферной циркуляции значительную роль играют ветры меридионального направления.

В завершение общей характеристики атмосферы укажем, что среднее содержание водяного пара в ней составляет 2,6 % (по объему), для средних широт оно равно 1,3% летом и 0,4% – зимой. Кроме того, нормальная (чистая) атмосфера содержит некоторые летучие примеси: пыль, сернистый ангидрид, окись углерода, окись азота, а также ряд других соединений и бактерии.

Биосфера. Подобно гидросфере – это проникающая оболочка Земли, в которой сосредоточена белковая форма жизни. Конечно, белки не исчерпывают понятия живого вещества, основными компонентами которого являются кислород, водород, углерод и азот, а к наиболее распространенным соединениям, кроме белков, относятся еще углеводороды и жиры. Но только белки представляют собой тот исключительный материал, который служит основой жизни на Земле. Появление жизни на нашей планете до сих пор остается загадкой, которую можно рассматривать с двух позиций: либо земная форма жизни занесена к нам из космоса, либо она возникла на самой Земле в результате анабиогенеза (из веществ неорганической природы).

Нижняя граница биосферы проходит на глубинах, где давление не должно превышать 600 атм (1-2 км), а температура +100 °С. В атмосфере белковые формы жизни зафиксированы на высотах до 1000 км. Общую массу биосферы принято считать равной приблизительно 10¹⁴ кг. Число установленных биологических видов достигает 2 млн единиц. Основная жизнь сосредоточена в океане, на поверхности Земли и в почвенном слое. Объем биосферы оценивается в 10 млн км³. Масса растений превышает массу животных почти в пять раз.

Биосфера имеет для Земли огромное энергетическое значение и представляет собой уникальный механизм, с помощью которого лучистая энергия преобразуется в другие формы. Наверное, поэтому она оказывает огромное влияние на развитие других оболочек Земли. В частности, установлено, что большая часть углекислого газа атмосферы имеет биогенное происхождение. Живое вещество в значительной мере определяет процессы выветривания земной коры, окислительные и восстановительные реакции.

Таблица 5.7