Энергетика сильных возмущений в биосфере

Мощность падающего на Землю солнечного излучения	2∙1017 Вт
Мощность теплового потока через земную поверхность	4∙1013 Вт
Энергия землетрясений с магнитудой 8,5	3,6∙1017 Дж
Энергия вулканических извержений	до 1018 Дж
Энергия смерчей, ураганов, торнадо, циклонов	до 1017 Дж
Энергия, потребляемая человечеством за сутки	1018 Дж
Энергия ядерного взрыва	до 2,4∙1017 Дж

 

Энергия и совершаемая ею работа измеряются единицей «Джоуль», а развиваемая мощность – единицей «Ватт»: 1 Вт = 1 Дж/с. Внесистемной единицей измерения энергии является «калория»: 1 кал = 4,17 Дж. На практике часто вместо «Джоулей» используется единица измерения энергии и работы «киловатт-час»: 1 кВт∙ч =3600 кДж = 860 ккал.

Человечество производит в год около 1,4∙10¹⁴кВт∙ч (1,2∙10¹⁷ ккал, 5∙10¹⁷ кДж, 12 млрд т н.э.) энергии. В среднем на человека приходится 2∙10⁶кВт∙ч (17 млн ккал) энергии в год. Каждому человеку для физиологического функционирования организма требуется в год всего около 1 млн ккал энергии, получаемой через пищу.

Информация – это мера порядка в системе: расположение элементарных частиц в атомном ядре, атомов в молекуле, молекул в веществе. Информация нематериальна, так как не зависит от своего материального носителя, на котором она записывается. При копировании информация сохраняется, но способна засоряться и утрачиваться. Сохранение и передача генетической информации во всех живых организмах осуществляется двумя видами нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

Литосфера и тектоника плит

Согласно теории дрейфаконтинентов или теории тектоники литосферных плит на планете существовал единый суперконтинентПангея, который примерно 150 млн. лет назад раскололся на части, и эти части-материки начали дрейфовать по поверхности Земли, пока не достигли сегодняшнего положения (рис. 3.3). Первым основанием для такой идеи послужило наблюдающееся повторение их береговых линий. Если сблизить некоторые континенты, то они плотно войдут один в другой. Серьезным аргументом в пользу континентального дрейфа является расположение палеомагнитных линий. Горные породы сохраняют ориентировку намагниченности, полученную ими в период перехода из расплава в твердое состояние. Если материки сдвинуть так, чтобы они образовали единый континент, то все направления палеомагнитных линий сходятся в точке магнитного полюса.

Рис. 3.3. Схема расколаПангеи

В середине ХХ века появилась концепция спрединга океанического дна. Океанологи обнаружили, что на данном историческом этапе дно океанов расходится в разные стороны. При этом в одних местах участки земной коры (плиты) раздвигаются, а в других местах – сжимаются. Причиной происходящего являются мощные конвекционные потоки горячей мантии. Движущаяся вдоль подошвы плиты мантия за счёт вязкостных эффектов оказывает на плиту сдвигающее усилие.Мантия в своем непрерывном движении увлекает за собой огромные участки земной коры вместе с континентами.

Насыщенный газами слой подвижной мантии поднимается от ядра до земной коры. По мере подъёма магмы давление в её объёме уменьшается, и расплав вспенивается за счёт выделения пузырьков растворённых газов. Далее расплавленное вещество мантии разделяется на два расходящихся потока, которые создают в земной коре растягивающие напряжения и разрывают земную кору (рис. 3.4). В таком случае говорят, что океаническое дно подвергается спредингу, то есть ложе океана распространяется в стороны от хребта.

Рис. 3.4. Линии глобального спрединга

Поднимающийся из глубин горячий поток магмы, раздвигая земную кору, образует срединно-океанический хребет – гигантское горное сооружение. Срединно-океанические хребты – рифтовые зоны обнаружены посередине Атлантического, Тихого и Индийского океанов (рис. 3.4). Из рифтовой зоны за счёт спрединга поступают всё новые и новые порции мантийного вещества, которые по обе стороны хребта формируют молодую океаническую кору. Общая протяженность рифтовых зон в океанах достигает 80 тыс. км.

Рифтовые зоны являются трещинами в земной коре и постоянно заполняются поступающей снизу горячей магмой, образующей базальтовый слой океанической коры. В результате этого процесса образуется новая земная кора. Скорость спрединга зависит от местоположения рифтовой зоны и варьирует от 1 до 17 см/год. Атлантический океан ежегодно становится шире примерно на 5 см, Тихий океан – на 12 см. Таким образом, площадь новой земной коры ежегодно увеличивается на 3,0 кв. км. Самые древние осадочные породы, сохранившиеся в океанических прогибах, имеют юрский возраст (около 150 млн. лет), что значительно меньше возраста многих пород, залегающих на суше.

Из-за высокой пористости изливающаяся в рифтовой зоне магма имеет низкую плотность. По этой причине отметка океанского дна в районе рифтов по условию изостазии на 3 км выше остального ложа океана. Далее газы на протяжении миллионов лет выходят диффузией в воду, пузырьки исчезают, горная порода уплотняется, уровень дна на протяжении примерно 2 тыс. км от рифта понижается.

Вдоль осевой части хребтов проходит глубокая впадина – рифт. Впадина-рифт делит хребет на два гребня. Глубина рифта до 2 км, ширина – до 30 км. На дне рифта наблюдаются открытые молодые трещины. Во впадине-рифте океанских хребтов отмечается повышенный тепловой поток, достигающий «ураганных» значений – 1500 мВт/м². В области континентальных хребтов типа Байкальского плотность теплового потока меньше – 165 мВт/м². Среднепланетарное значение удельного теплового потока, поступающего из недр, равно 59 мВт/м². Таким образом, Землю можно рассматривать как огромную тепловую машину.

Территории, где сталкиваются расходящиеся от рифтовых зон плиты земной коры, называются зонами субдукции (или надвига). Плотность океанической литосферы больше, чем плотность континентальной. При столкновении двух плит одна из них – более тяжёлая уходит под другую, в результате возникают понижения – океанические желоба (рис. 3.5). Здесь потоки магмы начинают своё погружение и затягивают вглубь Земли океанические плиты.

Рис. 3.5. «Подныривание» океанической плиты (субдукция)

Желоба находятся не в середине океана, а вблизи суши. Вдоль материковой стороны океанических желобов располагаются островные и континентальные дуги, где происходят сильные землетрясения и вулканические извержения. Чем глубже одна плита подныривает под другую плиту, тем она более разогревается. Глубина погружения плит в мантию может достигать 500 км и более. На глубине более 100 км горные породы начинают плавиться, что приводит к образованию вулканических комплексов. Океанические желоба – это границы уничтожения тектонических плит.

Существует ещё один тип границ литосферных плит, где они смещаются горизонтально друг относительно друга. Они получили названия трансформных разломов, так как передают движение от одной зоны к другой.Когда сталкиваются континентальные плиты, происходит их коллизия, они сжимаются и образуют складки и горные системы вроде Кавказа и Гималаев. В местах земной коры, где поля сжимающих напряжений превышают критические значения, происходят землетрясения.

Рис. 3.6. Типы границ литосферных плит: а – дивергентные границы; раскрытие рифтов, вызывающих процесс спрединга; б – конвергентные границы; субдукция (погружение) океанической коры под континентальную; в – трансформные границы;
г – коллизионные границы

Тектоника литосферных плит имеет глобальный характер. Вся литосфера разделена на семь крупных и несколько малых тектонически обособленных плит. Основанием для их выделения и проведения границ между ними послужило размещение очагов землетрясений. Основное выделение сейсмической энергии происходит на границах между плитами. В центральных частях плиты лишены сейсмичности.

Изменение напряжённо-деформированного состояния недр и как следствие изменение флюидного режима за счёт движения плит земной коры подтверждается, например, комплексом наблюдений вблизи границы столкновения Евразийской и Аравийской тектонических плит. Как результат этого столкновения образовались молодые Кавказские горы. История геодинамического развития Кавказа связана с началом формирования в кайнозое рифта в районе Красного моря. На территории Аравийско-Кавказского региона землетрясения проявляются с большой частотой. Глубина их очагов не превышает 10–15 км и находится в низах палеозойского фундамента. Практически все сильные землетрясения приурочены к зонам разломов.

Географическое распределение эпицентров землетрясений на земном шаре не является случайным. Почти все землетрясения происходят в пределах Тихоокеанского (75%) и Альпийского (23%) поясов.Тихоокеанский пояс проходит по границе океан-суша. Его сейсмическая энергия приурочена к эпицентрам, идущим по контуру Тихого океана. Альпийский пояс проходит по Средиземноморью и далее по горным сооружениям Италии, Турции, Средней Азии, Памира, Западного Китая. Наиболее активны кора и верхняя мантия до глубин 100 км. Высокие широты северного и южного полушарий Земли малосейсмичны.

Гидросфера и свойства воды

 

Мировой океан, занимающий 71% поверхности Земного шара, насквозь пронизан жизнью и играет исключительную роль в биосфере.Масса воды в современной гидросфере достигает 1,51∙10¹⁸ т. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане – 1,42∙10¹⁸ т (это 97% всей воды) и в материковых льдах – 0,023∙10¹⁸ т (2% всей воды). На пресные воды суши приходится около 10¹⁵ т. В реках и озерах содержится всего 0,01% от общего количества воды на Земле.Остальная часть в основном расположена под землей (грунтовая вода). Особая часть гидросферы – это почвенно-грунтовые воды, химический состав которых может быть разным.

Вся вода планеты представляет собой пропитанное газами единое и неразрывное целое, охватывающее сушу и тропосферу. Вода является наиболее ценным ресурсом в мире. Она является главным компонентом всех живых организмов, составляя 70% массы тела взрослого человека и от 50 до 90% массы всех растений и животных.

Океаническая вода принадлежит к группе соленых вод, она непригодна для питья, орошения и промышленного использования.На Земле в целом имеется достаточное количество пресной воды, однако из-за неравномерности её распределения и использования некоторые регионы мира испытывают её недостаток.

Все природные воды представляют собой растворы различных концентраций. Вода, содержащая до 0,1%(1000 частей на миллион) растворенных твердых веществ, называется пресной. Концентрация твердых веществ в морской воде примерно 3,5% (35 ppm). В морской воде катионом с наибольшей концентрацией является натрий (Na⁺), а анионом с наибольшей концентрацией является хлорид (Cl^-). В пресной воде преобладающими катионами являются Ca²⁺ и Mg²⁺, а преобладающим анионом - бикарбонат (HCO₃^-).

Вода – редчайшее, уникальное вещество, загадки которого спрятаны в строении молекулы и межмолекулярной структуре. Элементарная структурная единица воды плоская. Межатомные связи в ней образуют равнобедренный треугольник с углом при вершине 104 градуса (рис. 3.7). В кубике воды со стороной размером 1см находится 3,3·10²² молекул.Молекула воды – диполь, полярность которой обусловлена конфигурацией электронного облака. Наибольшая плотность электронов создается вблизи атома кислорода, а вблизи атомов водорода наблюдается избыток положительного заряда. В результате между молекулами воды образуются прочные водородные связи с энергией до 33 кДж/моль.

Химические элементы, из которых состоит вода, достаточно простые и распространенные на Земле и в Космосе. Атом водорода состоит из протона и электрона. Этот элемент не имеет даже одной заполненной электронной оболочки.

Сегодня известны и изучены три изотопа атома водорода: протий (атомная масса 1), дейтерий (атомная масса 2), тритий (атомная масса 3). Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона. В воде на 5500 атомов протия приходится 1 атом дейтерия.

Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. Тритий – это радиоактивный элемент, излучающий бета-частицы и превращающийся в изотоп гелия с массовым числом 3. Его период полураспада12,3 лет. В воде на 10¹⁸ атомов протия приходится 1 атом трития.

Кислород – это не менее замечательный элемент: он не досчитывает двух электронов для заполнения своей второй электронной оболочки. Отсюда у кислорода ярко выраженный атакующий характер. Он является одним из наиболее активных элементов в природе.В настоящий момент выявлены три изотопа кислорода с атомными массами 16, 17 и 18. Самым распространенным является изотоп с атомной массой 16: на каждые 3150 атомов приходится 5 атомов изотопа и 1 атом изотопа .

Благодаря наличию нескольких изотопов водорода и кислорода и тому, что каждый изотоп водорода способен соединиться с любым изотопом кислорода в соотношении 2:1, существует 9 типов достаточно устойчивых молекул воды. Вода – это смесь нескольких разновидностей воды с общей формулой H₂O, представляющих собой соединения трех изотопов кислорода и трех изотопов водорода. Смесь этих вод и образует реальную гидросферу. Например, в обычной природной воде содержится 0,017% хорошо изученной тяжелой воды ( ₂О) или 0,15 мл на литр природной воды.

Тяжелая вода кипит при 101,4^оС, а замерзает при –3,8^оС. Тяжелая вода испаряется медленнее, чем обыкновенная, поэтому взамкнутых водоемах происходит обогащение тяжелой водой, которая угнетает растения, а в больших дозах вызывает их гибель. Если семена растений поливать тяжелой водой – они не прорастут, если тяжелой водой поить животных – они умрут от жажды.

Рис. 3.7. Структура молекулы воды

 

Молекула воды имеет угловое строение. Входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине – ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния (O–H) составляют 96 пм, расстояние между атомами водорода равно примерно 150 пм.

Молекулы воды оказываются чрезвычайно устойчивыми, поскольку атомы кислорода и водорода связаны друг с другом посредством электронных пар. Это так называемая ковалентная связь. Такую молекулу трудно разрушить, поэтому она способна существовать в условиях сильных воздействий, например в космосе и в мантии Земли. Однако при температуре выше 1000^оС водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород – происходит термическая диссоциация.

Вода – реакционноспособное вещество: оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты. Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся в газообразном состоянии, образуя при этом газогидраты. Примерами могут служить соединения (C₂H₆·6H₂O) и (C₃H₈·17H₂O), которые выпадают в виде кристаллов при низких положительных температурах. Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа (гостя) межмолекулярных полостей в структуре воды (хозяина).

Во льду все молекулы воды связаны между собой и образуют ажурную решетку, пронизанную пустотами. При таянии и последующем повышении температуры «льдистая» структура постепенно разрушается. Эта гипотеза хорошо объясняет аномалию льда – его меньшую плотность по сравнению с жидкой водой, а потому способность в ней плавать.

Плотность воды при переходе её из твердого состояния в жидкое возрастает, потому что при плавлении льда упаковка молекул воды становится более плотной. По мере нагревания обломков структуры льда в воде становится меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности. В интервале от нуля до 4^оС этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4^оС преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4^оС вода обладает максимальной плотностью.

Ассоциаты льдистой структуры после таяния разрушается не сразу, а сохраняется в виде фрагментов вплоть до температуры кипения. У воды, полученной после таяния льда, и у воды, полученной конденсацией пара, микрокластеры имеют разное строение.

Вода некоторое время «помнит» оказанное на неё физическое воздействие. Изменения в свойствах воды происходят при воздействии на неё магнитного и электрического полей, звуковых сигналов, радиации, температурных воздействий, турбулентности. Эта «записанная» водой информация оказывает влияние на живые организмы и на человека, в теле которого до 70% воды. Поэтому человеку и другим организмам не безразлично какую воду и с какой «памятью» они пьют.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется аномально высокая теплоемкостьводы: 4,18 Дж/ (г·К),которая примерно в 10 раз больше, чем у горных пород, слагающих земную кору. Чтобы перевести воду из жидкого состояния в парообразное или из твердого состояния в жидкое, надо затратить большое количество энергии, необходимое для разрушения её межмолекулярной структуры. Чтобы превратить лед в воду, надо затратить 332,4 Дж/г, а для превращения воды в пар требуется 2258,5 Дж/г.

Рис. 3.8. Фазовые переходы воды

Теплота плавления и испарения воды больше, чем у всех других известных веществ. Причина этого связана с водородными связями. При плавлении льда и испарении воды должны быть разорваны водородные связи, а для этого требуется затратить значительные количества тепловой энергии. Чтобы расплавить лед, необходимо разорвать около 15% водородных связей, после чего трехмерная кристаллическая структура разрушается на отдельные агрегаты и образуется талая вода. Чтобы испарить эту воду, необходимо разорвать сохранившиеся в жидкой воде 85% водородных связей.

Тот факт, что для испарения небольшого количества воды требуется большое количество теплоты, помогает эффективно охлаждать тело человека за счет потоотделения. Высокая величина теплоты испарения воды позитивно влияет на климат планеты, сглаживая колебания температур дневной и ночной, а также летней и зимней.

Растворенные в воде вещества изменяют её структуру и свойства. Морская вода замерзает при температуре минус 1,9^оС, но лед из морской воды образуется пресный. Плотность морской воды при нуле градусов равна в среднем 1,03 г/см³.

Если в воду попадают тонкодисперсные частицы, то молекулы воды, вступая в контакт с адсорбирующей поверхностью, связываются этой поверхностью, выделяя при этом внутреннюю кинетическую энергию – теплоту смачивания. При выпадении на поверхность воды 1 г тонкоразмолотых частиц некоторых минералов выделяется до 3350 Дж тепла. В океанах есть зоны, где выпадение частиц отмечается как постоянное явление. Наиболее интенсивно оно происходит в Атлантическом океане к западу от Африки. Там над океаном протягивается шлейф эоловых частиц из Сахары. Глобальная масса эоловых частиц, ежегодно поступающая в Океан, оценивается в 4 млрд. тонн. Это может дать тому региону 20·10¹⁶ Дж дополнительного тепла.

Атмосферный диоксид углерода, современная концентрация которого в атмосфере превышает 370 ppm или 0,037%, растворен во всех природных водах. Самая большая доля СО₂ в природной воде возникает в результате разложения органических материалов бактериями. Диоксид углерода образует в природной воде слабую угольную кислоту:

СО₂ + Н₂О ↔ НСО₃⁻ + Н⁺.

Анион НСО₃⁻ может действовать как кислота, отщепляя протон:

НСО₃⁻ ↔ СО₃²⁻ + Н⁺.

Распределение карбонатных ионов в воде зависит от водородного показателя рН следующим образом:при значениях рН менее 5,5 в воде преобладает СО₂;при рН в интервале от 6,5 до 10 в воде преобладает бикарбонатный ион НСО₃⁻;при высоких значениях рН более 10,5 в воде преобладает анион СО₃²⁻.

При кислотно-основном равновесии дождевой воды с воздухом атмосферы, содержащем 0,037% СО₂, значение водородного показателя рН чистой дождевой воды равно 5,64. Таким образом, в природе чистая дождевая вода слегка кислая. Дождевая вода с рН менее 5,6 характеризуется как кислотный дождь.

Сжимаемость воды незначительна, но в то же время примерно в 100 раз больше сжимаемости стали. В большинстве задач воду можно рассматривать как несжимаемую среду. Но сжимаемость воды сказывается на положении уровня водной поверхности Мирового океана. Если бы вода была абсолютно несжимаема, то отметка уровня воды в океанах поднялась бы примерно на 30 м.

Скорость распространения звука в воде 1400 м/с.При температуре 20^оС и атмосферном давлении в воде содержится 1,6% растворенного воздуха по объему. С увеличением температуры растворимость воздуха в воде уменьшается.

Поверхностное натяжение представляет собой отнесенную к единице площади дополнительную энергию, которой обладают молекулы поверхностного слоя. При 20^оС и контакте с воздухом поверхностное натяжение для воды равно 0,0726 Н/м. Это из всех жидкостей наибольшее значение, что существенно для физиологии клетки.

Теплоёмкость воды равна 4,184Дж/г·К – это самая высокая теплоемкость среди всех известных веществ. Например, удельная теплоемкость мрамора в 5 раз меньше (0,85 Дж/ г·К), а железа (0,45 Дж/ г·К) – в 9 раз меньше. Высокая теплоемкость воды позволяет телу человека легче поддерживать постоянную температуру, поглощая и выделяя значительное количество тепловой энергии во внешнюю среду. Высокая теплоемкость воды важна для стабилизации климата Земли. Океаны способны поглощать летом большое количество солнечного тепла без заметного глобального повышения температуры и отдавать это тепло зимой. Осенью скрытая теплота замерзания тормозит процесс установления зимы. Таким образом, вода является регулятором температуры на Земном шаре.

Атмосфера и озоновый слой

Азотно-кислородный состав земной атмосферы уникален для планет Солнечной системы. Сухой воздух содержит по массе 75, 51% азота, 23,15% (1,2∙10¹⁵ т) – кислорода, 1,28% – аргона, 0,036% – углекислого газа.

Атмосфера состоит из 4-х сфер (рис. 3.9). Самой нижней и самой плотной её частью является тропосфера, которая простирается до высоты 15 км. Для неё характерно снижение температуры по мере набора высоты: на 1^оС на каждые 100 м подъёма. Выше до высоты 30 км располагается стратосфера, в которой содержится озоновый слой, защищающий нас от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ-излучения) Солнца.

Рис. 3.9. Распределение температуры в атмосфере

Современные процессы образования газов на Земле подразделяются на: биогенные (О₂, СО₂, N₂, H₂S, СН₄ и др.); техногенные (СО₂, СО, NO, SO₂ и др.). Важной компонентой атмосферы является водяной пар. Среднее содержание пара и воды в атмосфере достигает 1,3∙10¹⁵ т, что в переводе на слой конденсированной воды составляет 25 мм. Водяной пар в атмосфере обновляется примерно 30 раз в году. Средняя приземная температура на планете примерно равна +15^оС. Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, которая является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли. В стратосфере под влиянием космического и ультрафиолетового излучения возникает озон (3,1∙10⁹ т), состоящий из трёхатомных молекул кислорода. Озоновый слой атмосферы поглощает губительное для организмов ультрафиолетовое излучение Солнца.

Озон образуется в двухстадийном процессе. На первой стадии под действием УФ-фотона высокой энергии (длина волны менее 175 нм) происходит фотолитическая диссоциация кислорода на два атома:

О₂ + hν→ 2О. (3.1)

Результатом этой стадии является полное поглощение излучения на длинах волн меньше 175 нм.

На второй стадии атом кислорода О взаимодействует с молекулой кислорода О₂ с участием посторонней частицы аэрозоля А, которая выступает в качестве катализатора:

О + О₂ + А → 2О₃ + А. (3.2)

Защитное действие озонового слоя проявляется в реакции его фотолитического распада под действием опасного солнечного УФ-излучения с длиной волны менее 310 нм:

О₃ + hν→ О + О₂. (3.3)

Образующиеся в результате этой реакции частицы кислорода вступают в реакцию (3.2), снова образуя озон. Таким образом, цикл замыкается. Совместный эффект реакций (3.1) и (3.3) создает УФ-фильтр в стратосфере, которая располагается в пределах высот 15–30 км от земной поверхности. Несмотря на малую концентрацию озона в стратосфере (около 5х10⁶ молекул/м³) он хорошо справляется с задачей фильтрации УФ-излучения.

Подводя итог, можно отметить, что поглощение солнечного УФ-излучения озоновым слоем происходит в результате самоподдерживающегося естественного цикла фотолитических и химических реакций, происходящих в стратосфере между тремя аллотропными модификациями кислорода О, О₂ и О₃.

Фотолитические реакции (3.1) и (3.3) могут протекать только в светлое время суток, поэтому в стратосфере наблюдаются суточные вариации концентрации озона О₃. Дневная концентрация озона пропорциональна концентрации молекулярного кислорода.

Скорость фотолиза в реакциях (3.1) и (3.3) зависят от спектра падающего излучения, а поскольку он меняется с высотой, концентрация озона зависит от высоты озонового слоя над уровнем моря. Время достижения равновесной концентрации О₃ зависит от высоты. Это объясняется тем, что падающее УФ-излучение, проходя через стратосферу, ослабевает. По этой причине на высотах ниже 30 км достижение фотохимического равновесия практически невозможно. Кроме того концентрация озона на таких высотах определяется динамикой вертикальных и горизонтальных движений воздуха в стратосфере.

Количество озона зависит от географической широты, а также от времени года. Это объясняется различием в солнечной освещенности. Скорость фотолиза О₂ над экваториальной областью заметно выше, потому что там самая высокая инсоляция, не зависящая от времени года. На экваторе атомарного кислорода больше, поэтому и скорость реакции (2) выше.

Количество озона, образующегося на полюсах, гораздо меньше, а во время полярной ночи скорость его образования вообще равна нулю. Вследствие этого происходит естественная диффузия О₃ от экватора к полюсам, поэтому в течение полярной ночи озон на полюсах накапливается.

Наиболее важное для нас в атмосфере – это погода. Температура воздуха, дождь и ветер оказывают прямое воздействие на то, как мы организуем нашу жизнь, определяют наши потребности в одежде и отоплении. Погода является следствием движений воздушных масс, испарения воды и других процессов в атмосфере, которые определяются вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца.Ветер – это физическое перемещение воздуха, обладающего массой и инерцией. Существуют силы, вызывающие ветер и определяющие его направление и скорость.

Рис. 3.10. Общая модель циркуляции атмосферы:
три меридиональные ячейки

 

Преобладающие в той или иной географической точке ветра являются следствием крупномасштабной циркуляции воздуха. Интенсивный нагрев поверхности Земли вблизи экватора приводит к тому, что воздух начинает подниматься, а на его место приходит более холодный воздух из северных широт. Поднимающийся экваториальный воздух остывает, смещается в направлении полюсов и начинает снижаться. Оседающая масса воздуха расползается в обоих направлениях: к экватору и к полюсу. В результате образуются три меридиональные ячейки циркуляции атмосферы: тропическая, полярная и среднеширотная (рис. 3.10).

 

 

Выше 500 м над поверхностью силами трения слоев друг от друга можно пренебречь. На этой высоте скорость ветра практически не меняется со временем. Вращение Земли приводит к тому, что все ветра дуют в восточном или западном направлении. В северном полушарии между экватором и субтропическим поясом высокого давления преобладают восточные ветры. Южнее полярной ячейки преобладают западные ветра, приносящие в Европу влажный и теплый воздух. К северу от приполярного пояса низкого давления преобладают холодные полярные восточные ветра. Скорость ветров пропорциональна градиенту давления и зависит от широты местоположения. Чем выше широта, тем сильнее ветер. Важно помнить, что исходным источником энергии ветров является Солнце.

Ветровая энергетика имеет давнюю историю. Хождение под парусом было известно ещё с библейских времен, а ветряные мельницы в средние века широко применялись для помола злаковых. В современном воплощении «ветряные мельницы» представляют собой ветряные турбины, которые все чаще используются в качестве источника энергии. В 1931 году в Крыму была построена первая ветровая электростанция (ВЭС) мощностью 100 кВт, которая по тем временам была самой крупной в мире. Сегодня в мире работают ветроустановки мощностью свыше 4 МВт.

 

Действия природы не бывают насильственными.
Природа требует умеренности, поступает по правилам и соразмерно.
Если её понуждают, она истощается, теряя при этом свою продуктивность и творческую мощь.

Шарль Монтескье

 

ГЛАВА 4. Эволюция биосферы