Вопросы для проверки знаний. Упражнения

1. Что представляет собой солнечная радиация?

2. Какие длины волн солнечного излучения атмосфера пропускает? не пропускает?

3. Докажите, что электромагнитное излучение является единственным источником энергии всех физико-химических и биологических процессов.

4. Что называют радиационным теплообменом или эффективным излучением?

5. Что является мерой средней кинетической энергии частиц?

6. Что называется радиационным балансом?

§ 6. Тепловой баланс

Преобразования энергии солнечного излучения после её поглощения земной поверхностью и атмосферой составляют тепловой баланс Земли.

Главный источник энергии для атмосферы – земная поверхность, которая поглощает основную долю солнечной радиации. Поскольку поглощение солнечной энергии атмосферой меньше потери атмосферой энергии в форме длинноволнового (теплового) излучения в космическое пространство, радиационный расход теплоты восполняется от трех источников:

1. энергии солнечной коротковолновой радиации;

2. энергии, выделяющейся в результате конденсации водяного пара. Итоговая величина конденсации во всей атмосфере равна количеству выпадающих осадков, а также величине испарений с земной поверхности. Приход в атмосферу теплоты в результате конденсации пара численно равен затрате теплоты на испарение воды с поверхности Земли;

3. энергии, поставляемой турбулентным потоком нагретого воздуха нижних слоев атмосферы.

Сумма трех источников энергии, поставляемой в атмосферу, равна сумме потерь энергии длинноволнового излучения атмосферы в космическое пространство:

- величина поглощенной коротковолновой радиации составляет 80 Вт/ м²;

- энергия, выделяющаяся от конденсации водяного пара, равна 88 Вт/ м²;

- энергия турбулентного потока теплоты от земной поверхности 17 Вт/ м²

Сумма 185 Вт/ м2 равна потере энергии длинноволнового излучения в космическое пространство. Вопросы для проверки знаний. Упражнения

1. Что называется тепловым балансом Земли?

2. Назовите главные источники теплоты, поставляемой в атмосферу.

3. Каким образом атмосфера теряет энергию?

§ 7. Водный баланс

Видные специалисты мира написали пятитомный труд «Water, a comprehensive treatise». Plenum Press. 1970 – 1975. В труде, насчитывающем более 1000 страниц, описываются физико-химические свойства воды, водных растворов, поведение воды в дисперсных системах и кристаллогидратах. Несмотря на объемный труд, в нем остались вопросы о свойствах воды, ответы на которые неизвестны до сих пор [5, 8].

Водная пленка, обволакивающая нашу планету, имеет ничтожную массу по сравнению с массой Земли. При таком незначительном количестве вода покрывает 3/4 поверхности планеты, входит в состав земной коры, атмосферы и хранит жизнь на Земле. Можно сказать, что жизнь – это форма существования белковых тел, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных веществ в водной среде.

Вода в виде паров атмосферы, жидкая вода гидросферы и подземные воды связаны в единую систему, которая обеспечивает стабильность водного и теплового баланса на Земле.

КРУГОВОРОТ ВОДЫ

Вода на планете представляет собой систему, которая может быть устойчивой к внешним и внутренним возмущениям только при достаточном разнообразии состояний (табл. 4).

Она обладает этим разнообразием, заполняя различные сферы Земли.

Гидросфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своим «входом» и «выходом». «Вход» – поток солнечной энергии, энергии недр нашей планеты, энергии гравитационного притяжения Луны и Солнца, приводящий гидросферу в движение. Среди них основными двигателями круговорота, источниками его энергии служат Солнце и сила тяготения. «Выход» – вещества, образующиеся в гео- и биохимических реакциях с участием воды.

Мировой океан – основной потребитель солнечной энергии. В океане сохраняется подвижный баланс между приходом теплоты и его расходом.

Примерно 7% полученного от Солнца тепла океан затрачивает на нагревание атмосферы в результате теплообмена и 42% расходует на собственное излучение. Оставшаяся часть (около 51%) идет на поддержание круговорота воды (испарение).

В среднем за сутки с поверхности Мирового океана испаряется почти столько же воды, сколько её находится в руслах рек всего мира.

Количество водяного пара в атмосфере различных поясов не одинаковое. В атмосфере над Северным и Южным полюсами она составляет 0,2%, у экватора увеличивается до 2,6%.

На высоте 1,5 – 2 км количество водяного пара уменьшается наполовину и дальнейшее падение температуры приводит к конденсации паров воды. В облаках образуются мелкие капельки и кристаллики льда. На высотах до 18 км наблюдаются перистые облака, выше, на высоте 20 – 30 км – перламутровые и на высоте, приближающейся к 80 км – серебристые облака.

Т а б л и ц а 4

Масса воды в земных сферах [5]-

Составляющие гидросферы	Масса воды, кг *	Толщина слоя** на поверхности Земли, м	Доля от суммарной массы, %
Мировой океан	13, 71020	3000	92,3
Подземные воды	11020 (0.4 – 2) 1020	200	6,1
Снежно-ледовые образования	0,261020 (0,24 – 0,3) 1020	60	1,6
Озера	2,81017 (1,8 – 7,5) 1017	
Почвенная влага	11017 (0,6 – 1,0) 1017	
Болота	11017 (0,1 – 1) 1017	
Атмосферная влага	1,41015	
Реки	1,21015 (2) 1015	
Сумма	14, 9641020	3260	100

*) В скобках другие оценки массы воды**) Слой воды, равномерно распределённый по всей поверхности планеты

Конденсированная вода в облаках довольно быстро заканчивает свой путь, выпадая, в зависимости от времени года, в виде дождя или снега. Основная масса испарившейся воды выпадает на поверхность Мирового океана, занимающего, как уже отмечалось, 3/4 поверхности планеты, и не достигает континентов.

Циркуляция водяного пара вместе с потоками воздуха в умеренных широтах северного полушария осуществляется с запада на восток.

По обе стороны экватора, в зоне пассатов, пары воды перемещаются в воздушной массе с востока на запад. Между ними находится зона, где преобладают восходящие потоки воздуха. В рамках общей циркуляции атмосферы возникает сезонная смена воздушных потоков – муссонная циркуляция: летом с океана на сушу, а зимой с материка на океан.

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу включает сложную систему фильтров, в том числе биосферный фильтр (рис. 14).

Испарение

Испарение

Транспирация

Осадки

Конденсация паров в облаках

Инфильтрация

Рис. 14. Круговорот воды в природе

Атмосферная влага, вынесенная на материк с поверхности океана, включается в круговорот воды на суше, испаряющейся с поверхности рек, озер, болот, увлажненной почвы, из листьев растений.

Если на поверхность Мирового океана в год выпадает осадков, способных покрыть его слоем толщиной 1,25 м, то осадков, выпадающих на поверхность суши, всего лишь 0,85 м. Осадки на суше выпадают неравномерно: в тропиках в год до 1 м, в полярных широтах всего 0,05 м.

Ежегодно континенты получают с поверхности океана воду в виде осадков: Западная Европа – 10 000 км³; Южная Америка – 20 000 км³ с Атлантики и 10 000 км³ с поверхности Тихого океана. Над европейской частью России выпадает 8 000 – 9 000 км³ осадков.

Испарение влаги с поверхность суши и водоемов дополняется транспирацией, потерей паров воды растениями через клетки и устьица листа. Растения в свою очередь откачивают воду из грунта через корневую систему.

Часть воды, поступающая в растения, участвует в фотосинтезе, а часть испаряется, поддерживая в растениях необходимый температурный режим. Насколько эффективно наземные растения испаряют пропущенную через себя воду можно судить по таким данным: береза в умеренных широтах испаряет примерно 20 л воды в сутки, а эвкалипт в субтропиках – до 150 л. Выпавшая в виде осадков на почву вода возвращается в грунт за счет процесса инфильтрации.

Обычно допускается, что обмен между основными составляющими гидросферы сбалансирован (табл. 5).

Масса воды, содержащаяся в биосфере, оценивается небольшой величиной (110¹⁵ кг), составляющей половину того, что содержится в руслах всех рек мира. По отношению к массе воды в гидросфере – это очень малая величина. Но скорость транспирации настолько велика, что, несмотря на ничтожно малый объем воды, заключенной в биосфере, она оказывается самым мощным и самым сложным фильтром гидросферы. Как писал В.И. Вернадский, «организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему».

Водный баланс атмосферы в целом соответствует равенству количества осадков, выпавших на поверхность, и количества влаги, испарившейся с поверхности Земли. Каждая из этих величин равна примерно 113 см/год.

Перенос водяного пара в атмосферу с океанов на континенты численно равен значению стока рек, впадающих в океан.

Геологические данные свидетельствуют об изменчивости круговорота воды. За последние 100 лет уровень Мирового океана поднимается со скоростью более 1 мм в год. Каждый миллиметр подъема уровня океана соответствует примерно 350 км³ воды, что почти в полтора раза больше среднего годового стока реки Волги.

Т а б л и ц а 5

Глобальный круговорот воды [5]

Процесс	Мировой океан, кг	Суша, кг
Испарение	51017	0,71017
Осадки	4,51017	1,21017
Сток	0,51017	0,51017

Несбалансированность отмечается и на отдельных участках планеты. Так, уровень Каспийского моря долгое время падал, а в последние годы стал возрастать, несмотря на продолжающееся интенсивное использование вод основных рек – Волги и Оки.

Причины повышения уровня Мирового океана пока недостаточно ясны. Это может быть связано и с увеличением стока рек в океан за счет таяния ледников, и с расширением вод Мирового океана за счет повышения температуры атмосферы у поверхности планеты. За последние 100 лет температура атмосферы повысилась примерно на 0,5 ⁰ С.

Не исключается влияние человека на изменение уровня Мирового океана. Человек ежегодно использует 150 км³ подземных вод в промышленных и бытовых целях.

Круговорот воды зависит от климатических условий, и в то же время сам является активным фактором формирования климата. Пары воды в атмосфере создают парниковый эффект, превосходящий по величине парниковый эффект, создаваемый углекислым газом.

ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Вода Мирового океана находится в равновесии с водяными парами атмосферы. Вода – переменная компонента атмосферы, по сравнению с азотом, кислородом, углекислым газом. Присутствие данной определенной порции паров воды в воздухе всех климатических зон ограничивается в среднем 10 сутками. За этот период она успевает конденсироваться, а её недостаток в атмосфере компенсируется новой порцией паров, поступившей с поверхности Мирового океана.

Насыщенность атмосферы водяными парами определяется с помощью гигрометра.

Абсолютной влажностью воздуха называют содержание паров воды (моль) в единице объема (м³) или парциальное давление паров воды (кПа) при данной температуре.

Абсолютная влажность выражена количеством молей газа, содержащихся в одном кубическом метре.

Реальная влажность воздуха обычно меньше максимальной влажности. Отношение реальной абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре называют относительной влажностью воздуха.

Именно эту характеристику влажности воздуха упоминают в сводках погоды, передаваемых радио и телевидением. При увеличении относительной влажности воздуха до 100% пары воды конденсируются.