Глава 2. Радиационный, тепловой и водный обмен атмосферы

Вещество в атмосфере находится в разреженном (газообразном) состоянии, поэтому атмосфера  подвижная физико-химическая система, обладающая некоторыми особенностями. В атмосфере газы очень быстро перемешиваются (для полного перемешивания нужно 2-3 месяца); она прозрачна для электромагнитного излучения; в верхних слоях существует разреженное состояние, поэтому нестабильные частицы (радикалы, ионизированные атомы и молекулы и т. п.), находящиеся там, имеют высокие времена жизни; взвешенные частицы быстро выводятся из нее.

Для нормального функционирования атмосферы чрезвычайно важным является поддержание ее в стационарном состоянии. Стационарность предполагает равенство входящих и исходящих потоков в любой системе. Это необходимое условие устойчивости как самой системы, так и ее отдельных компонентов.

Если входящий поток будет превышать исходящий, то система либо разрушится от переполнения, либо при превышении в ней некоторого содержания ресурса начнутся новые процессы, которые изменят ее функционирование. Если же исходящий поток превышает входящий, то через некоторое время система лишится данного ресурса. Радиационный, тепловой и водный балансы поддерживают атмосферу в стационарном состоянии и обеспечивают ее нормальное функционирование на нашей планете.

РАДИАЦИОННЫЙ И ТЕПЛОВОЙ ОБМЕН

Солнечная радиация есть излучение электромагнитной и корпускулярной природы. Поток солнечной энергии нагревает атмосферу, изменяет её устойчивость, вызывает испарение воды, служит движущей силой перемещения масс воздуха. Солнечная радиация определяет климат и условия жизни на Земле.

Энергия поступает на планету в основном в виде электромагнитного излучения. Оно представлено спектром длин волн в широком диапазоне (табл. 5).

Т а б л и ц а 5

Шкала электромагнитных волн

Длина волны , нм (1 нм = 10 м)	Название диапазона излучения	Источники
3 1014 3 0105 8 00 4 00 1 0 1 103 3106	радиоволны инфракрасное излучение видимый свет ультрафиолетовое излучение, мягкий рентген рентген, -излучение -излучение	электронные потоки излучение молекул и атомов при соударениях и электрических воздействиях излучение атомов при воздействиях ускоренных электронов атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц ядерные процессы, радиоактивный распад, космические процессы

Радиоизлучение (радиоволны) несет незначительное количество энергии. Оно не полностью проходит сквозь земную атмосферу, т. к. атмосфера прозрачна лишь для радиоволн длиной от нескольких миллиметров до нескольких метров. Видимая область спектра электромагнитного излучения является основным энергетическим потоком от Солнца к нашей планете. Рентгеновское и  -излучение обнаружено в верхней атмосфере и полностью поглощается нижней атмосферой, не достигая поверхности Земли. Корпускулярное излучение Солнца и Космоса, представляющее собой поток протонов, нейтронов, электронов и других элементарных частиц, является незначительным источником поступающей на планету энергии.

Итак, частицы электромагнитного поля – фотоны – обладают разной энергией в диапазоне длин волн от радио- до -излучения. Фотон может пройти сквозь вещество или вступить с ним во взаимодействие, передав ему свою энергию. Поглощенная энергия фотона увеличивает кинетическую энергию частицы (атома, молекулы) или вызывает её диссоциацию.

Известно, что инфракрасное излучение (ИК-излучение) способно увеличить энергию поступательного или вращательного движения молекул, увеличить амплитуду колебания взаимосвязанных атомов в молекуле, т. е. увеличивать кинетическую энергию частиц.

Мерой средней кинетической энергии частиц является температура. Длинноволновое излучение, в состав которого входит ИК-излучение, увеличивает кинетическую энергию частиц, т.е. повышает их температуру. Такое излучение называют «тепловым».

Видимый свет и УФ-излучение вызывают электронные переходы. Энергии УФ-излучения достаточно для разрыва химических связей и ионизации атомов и молекул. Такое излучение называют коротковолновым излучением.

Атмосфера по своему химическому составу такова, что её атомы и молекулы поглощают длинноволновое излучение Солнца. Видимый свет и УФ-излучение достигают поверхности Земли и нагревают ее.

Разогретая поверхность планеты испускает ИК-излучение, направленное от поверхности в атмосферу. Поглотителями этого излучения в атмосфере являются: водяной пар, углекислый газ, метан и частично аэрозоли. Они поглощают часть ИК-излучения Земли, значительно уменьшая потери энергии в космическое пространство. При этом повышается температура атмосферы.

Два потока ИК-излучения обеспечивают радиационный теплообмен или эффективное излучение между атмосферой и поверхностью планеты. С одной стороны, атмосфера, нагретая потоком ИК-излучения, идущего от Солнца и с поверхности планеты, «возвращает» часть ИК-излучения в направлении как космического пространства, так и поверхности планеты. С другой стороны, идет непрерывный поток ИК-излучения от поверхности планеты в атмосферу. Разность между собственным длинноволновым излучением поверхности Земли и потоком длинноволнового излучения атмосферы, направленным к поверхности Земли, соответствует радиационному теплообмену или эффективному излучению.

Поскольку значительное количество энергии поверхность Земли получает в форме коротковолновой солнечной радиации, а испускает в результате длинноволнового эффективного излучения, то конечный радиационный баланс Земли соответствует разности между энергией коротковолнового излучения, достигающего поверхности планеты, и эффективным излучением.

В глобальный энергетический цикл включаются процессы в глубине планеты, в земной коре, атмосфере и гидросфере. Движущиеся массы воды выполняют функцию регулятора поступающей извне солнечной энергии и факторов, осуществляющих перераспределение энергии на планете.

На рис. 8 представлена модель глобального движения солнечной энергии при участии атмосферы и гидросферы.

Основную энергию солнечного излучения получает планета в коротковолновом диапазоне лучистой энергии. Из космоса достигает планеты 7,49 млрд Дж/м² в год. Из них атмосферой и поверхностью планеты (Мировым океаном и сушей) поглощаются соответственно 2,55 и 4,94 млрд Дж/м² в год. В космическое пространство возвращается в длинноволновом диапазоне 7,49 млрд Дж/м² в год. Годовой энергетический баланс на планете сохраняется.

Атмосфера отдает в космос энергии больше (2,55 – 5,86 = – 3,31 млрд Дж/м² в год), чем получает от Солнца. В то же время поверхность планеты получает от Солнца энергии больше, чем отдает в космос: 4,94 – 1,63 = + 3,31 млрд Дж/м² в год. Таким образом, дефицит энергии в атмосфере компенсируется потоком энергии водяных паров с суши и Мирового океана (2,76 млрд Дж/м² в год) и потоком энергии турбулентного теплообмена слоев атмосферного воздуха (0,55 млрд Дж/м² в год).

Рис. 8. Модель глобального движения солнечной энергии на планете при участии

атмосферы и гидросферы

Насколько велика роль гидросферы как регулятора солнечной энергии видно по расходу энергии на испарение воды с поверхности планеты (~ 84%):

Функцию перераспределения энергии на земной поверхности гидросфера осуществляет с помощью океанских течений. В целом на планете сохраняется баланс:

R_{солн. радиац.} = Н_исп + Q_{нагр. атм} = (2,76 + 0,55) = 3,31 млрд Дж/м² в год

На различных широтах баланс нарушается. В приполярных широтах наблюдается недостаток солнечной радиации:

R_{солн. радиац.} < Н_исп + Q_{нагр. атм}

В районе экватора наоборот избыток солнечной радиации:

R_{солн. радиац.} > Н_исп + Q_{нагр. атм}

В указанных условиях в действие вступает механизм передачи энергии из экваториальной зоны к полюсам. Эту энергию переносят океанские течения. Физической причиной течений служит вертикальный перенос воды в океане, вызванный неравномерным его нагревом. В высоких широтах холодные и более плотные слои воды опускаются на дно и движутся в сторону менее плотных и более нагретых вод экватора. Поверхностные воды движутся от экватора к полюсам (в сторону более высоких широт). Происходит некоторое выравнивание энергетических различий в низких и высоких широтах.

Механизм термической конвекции воздуха формируют бризы, муссоны, пассаты.

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:

МЕХАНИЗМ ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕКЦИИ ВОЗДУХА

Механизм термической конвекции воздуха формируют бризы, муссоны, пассаты. Использование искусственных спутников земли позволяет проводить регулярные наблюдения движения атмосферного воздуха на высотах до 60 км. Данные скорости движения  , давления р и температуры Т атмосферы позволяют представить компьютерную трехмерную модель перемещения воздушных масс на планете.

Основным источником энергии, вызывающим движение атмосферы является электромагнитное излучение Солнца. Направление и скорость перемещения воздушных масс определяется перераспределением потока солнечной энергии между атмосферой, гидросферой и континентами.

Характер преобладающей системы ветров обусловлен термической конвекцией. Однако наряду с термической конвекцией на планете возникают макровихри – циклоны размером от 200 до 2000 км. Их появление вызывается потерей устойчивости воздушных потоков. В атмосфере возникают также локальные воздушные вихри, в результате перепада давлений, например, под воздействием циклонов и планетарные вихри, обусловленные суточной периодичностью солнечного нагревания атмосферы.

Бризы, а также горно-долинные ветры имеют горизонтальные размеры не больше сотни километров, а направление ветра обусловлено сменой дня и ночи. Бризы возникают на границе раздела суша – море. На этой границе днем воздух прогревается по-разному. Удельная теплоемкость воды существенно больше удельной теплоемкости горных пород, поэтому днем поверхность горных пород нагревается до более высокой температуры, чем поверхностный слой морской воды. Соответственно воздушные массы над сушей имеют более высокую температуру, чем над морем. Ночью горные породы остывают быстрее и имеют температуру меньше, чем поверхностный слой морской воды в силу все того же различия теплоемкостей горных пород и морской воды.

Фактически движущей силой перемещения воздуха является солнечная энергия. Днем над прогретой сушей воздух поднимается. При подъеме адиабатическое расширение воздуха сопровождается его охлаждением. На высоте он продолжает горизонтальное движение в направлении моря, опускается к морской поверхности и далее продолжает горизонтальное движение в направлении суши. Направление ветра с моря на сушу – дневной бриз. Ночной бриз имеет направление ветра с суши на море. Так формируется замкнутая конвективная ячейка циркуляции (механизм термической конвекции).

Циркуляция по механизму термической конвекции осуществляется в масштабе континентов и связана с изменениями температуры над континентами и океанами зимой и летом. Различия в энергетическом состоянии поверхности планеты в течение года сказывается на неравномерном распределении температуры воздуха (Т) и атмосферного давления (Р) в масштабе планеты.

Муссоны – устойчивые сезонные переносы воздуха у земной поверхности и в нижней части тропосферы. Летом муссоны дуют с Индийского и Тихого океанов на гигантский евразийский континент, нагревающийся до более высокой температуры, чем океанические воды, а зимой – в противоположном направлении. Как видим, различие между бризами и муссонами состоит в масштабе последних и смене времен года. Если для бризов изменение направления ветра происходит в результате смены дня и ночи, то для муссонов – в результате смены лета на зиму.

Пассаты - самые мощные конвективные процессы перемещения масс воздуха, обусловленные мезширотным перепадом температур в атмосфере Земли (рис. 9). Разогретый на экваторе воздух поднимается вместе с водяным паром. При подъеме в тропосферу водяной пар конденсируется, выделяя большие количества энергии в форме теплоты и усиливая термическую конвекцию. Нагревание поверхности планеты лучистой энергией ослабевает при удалении на 20 – 30⁰ к северным и южным широтам от экватора. На высоких широтах холодный воздух опускается вниз и двигается в приповерхностном слое к экватору. Эти замкнутые циклы носят название ячеек циркуляции Хэдли (рис. 10) [40].

Рис. 9. Распределение на земном шаре температуры воздуха в январе и июле

Приповерхностные воздушные течения в ячейках Хедли направлены к экватору в обоих полушариях и отклоняются на запад. Причиной такого отклонения являются силы Кориолиса. Действие сил Кориолиса сводится к тому, что во вращающейся системе отсчета движущаяся материальная точка будет отклоняться по направлению, перпендикулярному к ее относительной скорости. Этот эффект, возникающий вследствие суточного вращения Земли, сводится к тому, что атмосферный воздух, движущейся вблизи земной поверхности, будет отклоняться в северном полушарии вправо, а в южном – влево от направления движения воздуха.

Рис.10. Модель глобального перемещения атмосферных газов над поверхностью Земли. Система конвективных ячеек межширотной циркуляции воздуха и поверхностные ветры указаны черными тонкими стрелками, а направление силы трения атмосферы о поверхность планеты обозначено широкими стрелками [40]

Причиной отклонения являются различные скорости вращения атмосферы и Земли (у Земли она ниже), а также сцепление атмосферы с вращающейся поверхностью (рис. 10).

На средних широтах в каждом полушарии существуют ячейки циркуляции Ферелла. В этих ячейках воздух циркулирует в направлении, противоположном тому, которое наблюдается в ячейках Хэдли [рис 10].

Тепловой режим атмосферы планеты поддерживается за счет экологически чистой и практически неисчерпаемой солнечной энергии. Вопрос об экологичности и неисчерпаемости солнечной энергии имеет, разумеется, ограниченные рамки, т.к. Земля движется в гравитационном и электромагнитном полях чрезвычайно опасного термоядерного реактора, испускающего весь спектр электромагнитного излучения. Магнитосфера Земли, верхняя атмосфера, а также стратосферные газы способны защитить все живое на планете от жесткого излучения нашего светила.

ВОДНЫЙ ОБМЕН АТМОСФЕРЫ

Вода – самое удивительное и самое распространенное природное соединение – источник жизни и условие ее формирования на Земле. Она – неотъемлемое условие существования, здоровья и активной деятельности человека, поэтому вода занимает особое положение среди всех известных веществ на Земле. Чем глубже ученые постигают природу воды, тем больше убеждаются в уникальности ее свойств и оригинальности ее поведения, заложенных в ее структурных особенностях [40].

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 [15,29].

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.

Ежегодное поступление воды в Мировой океан в виде атмосферных осадков, речного стока компенсируется потоком испаряющейся воды с поверхности морских и океанических вод (рис. 11).

Обычно считается, что обмен между основными составляющими гидросферы сбалансирован

Рис. 11. Схема глобального круговорота воды. Цифры указывают количество воды, участвующее в круговороте, в тыс. км³ [18]

В результате испарения морских и поверхностных вод суши, а также выпадения осадков реализуется основной механизм перераспределения не только вещества, но и энергии на планете. Достаточно сказать, что в Мировом океане содержится в 21 раз больше энергии в форме теплоты, чем в атмосфере [18], поэтому интенсивное испарение и, соответственно, поступление в атмосферу нагретых водяных паров играет важную роль в ее обогреве. Постоянство солевого состава океана достигается сбалансированностью и стабильностью потоков химических элементов в Мировой океан и удаления элементов в форме донных илов.

Изменение количества воды на земном шаре происходит в результате:

1. непрерывной дегазации мантии в течение всей истории Земли. Из недр Земли поступает ежегодно 0,5 – 1 км³ воды;

2. поступления воды с метеоритами и космической пылью. На планету поступает ~ 0,5 км³/год воды и столько же рассеивается в космическое пространство;

3. использования воды растениями в процессе фотосинтеза (225 км³/год).

С учетом всех факторов можно заключить, что в течение последних миллионов лет количество воды на планете оставалось практически неизменным (табл. 6).

Т а б л и ц а 6