Средний годовой водный баланс Земли[18]

Часть Земли

Площадь млн. км3

Осадки, х

Испарение, z

Сток

тыс км3

мм

тыс км3

мм

Речной, ур

Ледниковый, ул

Весь поверхностный, у= ур + ул

Подземный, 

Суммарный (у + )

тыс км3

мм

тыс км3

мм

тыс км3

мм

тыс км3

мм

тыс км3

мм

Весь земной шар Мировой океан Суша в том числе: область внешнего стока область внутреннего стока

510 361 149 119 30

577 458 119 110 9

1130 1270 800 924 300

577 505 72 63 9

1130 1400 485 529 300

41,7 41,7 41,7

116 280 350

3,0 3,0 3,0

8 20 25

44,7 44,7 44,7

124 300 376

2,2 2,2 2,2

6 15 19

47,0 47,0 47,0

130 315 395

Примечание:

Весь земной шар: x = z

Мировой океан: x_ок + y +  = z_ок

Суша: х_с = у + z_с + 

в том числе:

область внешнего стока: х_с^* = у + z_с^* + 

область внутреннего стока: x_с^** = z_с^**

Происходило лишь периодическое перераспределение воды между составляющими гидросферы. В ледниковый период влага аккумулировалась в ледниках.

Вода на планете представляет собой систему, которая может быть устойчивой к внешним и внутренним возмущениям только при достаточном разнообразии состояний (табл. 7). Она обладает этим разнообразием, заполняя различные сферы Земли.

Т а б л и ц а 7

Масса воды в земных сферах [18]-

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

Гидросфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своим «входом» и «выходом». «Вход» – потоки солнечной энергии, энергии недр нашей планеты, энергии гравитационного притяжения Луны и Солнца, приводящие 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 ее 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.

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 и биосферный фильтр (рис.12).

Испарение

Испарение

Транспирация

Осадки

Конденсация паров в облаках

Инфильтрация

Рис. 12. 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.

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.

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.

При достаточно высокой подвижности атмосферы скорость перемешивания вещества атмосферы ограничена. Об этом свидетельствует неоднородность состава атмосферы на разных высотах.

Различие температур на полюсах и экваторе обусловлено различиями поступления солнечной энергии на разных широтах.

Положение континентов, морей и океанов влияет на скорость и направление перемешивания вещества в атмосфере. Неодинаковое нагревание атмосферы способствует развитию общей циркуляции, тесно связанной с распределением атмосферного давления. На уровне моря вблизи экватора давление имеет сравнительно низкие значения. Атмосферное давление повышается в субтропиках (пояса высокого давления) и понижается в средних и высоких широтах (пояса низкого давления).

С планетарным распределением давления связана сложная система воздушных течений. Существуют сравнительно устойчивые направления воздушных течений. К ним относятся пассаты, устойчивые в течение всего года воздушные течения, направленные от субтропических широт обоих полушарий к экватору с востока на запад (рис. 10). Устойчивые воздушные течения сезонного характера – муссоны – возникают между океаном и материком. Зимой они направлены с континента на океан, летом – с океана на континент. Муссоны зависят от неодинакового нагревания суши и моря – суша зимой заметно холоднее, а летом теплее, чем море, и от возникающей таким образом разности давлений меняется направление муссонов зимой и летом.

В средних широтах преобладают воздушные течения западного направления (с запада на восток). В них возникают крупные вихри – циклоны и антициклоны, обычно простирающиеся на сотни и тысячи километров. Подобные вихри возникают и в тропических широтах. Они меньшего масштаба, но часто достигают ураганной силы.

Законы функционирования атмосферы в целом хорошо известны. Однако на всей планете также действуют локальные зоны перемещения воздушных масс. Точечные источники газов – жерла вулканов, трубы заводов, мегаполисов и т. п. – существенно влияют на состав воздуха. Если источник газообразных веществ достаточно велик, например Москва, то его воздействие на состав атмосферы достигает верхней границы тропопаузы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

В этой главе кратко рассмотрены электрические и оптические явления в атмосфере, которые определяют погоду на планете, расцвечивают окружающий мир яркими красками, являются причиной обыкновенных гроз и молний и необыкновенных небесных явлений, таких как радуга, полярное сияние, глория, гало и т. п.

Наряду с геомагнитным полем Земли существует квазистатическое электрическое поле. Стационарное электрическое поле у поверхности Земли достигает напряженности Е = 130 В/м, вдоль которого течет электрический ток. Основным генератором атмосферного электричества являются грозы. Упрощенная модель электрических явлений может быть представлена следующим образом. Отрицательно заряженная земная поверхность и нижняя граница положительно заряженной ионосферы образуют обкладки гигантского сферического конденсатора (рис. 13).

V

I

80 км

Рис. 13. Глобальная электрическая цепь, характеризующая энергетическое состояние атмосферы Земли.

По мере увеличения высоты напряженность электрического поля уменьшается.

Конденсатор разряжается в областях хорошей погоды и заряжается в областях грозовой активности. Грозовые облака действуют как электрические генераторы, в которых происходит непрерывное разделение зарядов на каплях воды, кристаллах льда, снежинках, частичках пыли в результате движения, трения. В отдельных областях тучи накапливают нескомпенсированные положительные или отрицательные заряды.

Источниками атмосферной электризации являются также пылевые бури, извержения вулканов, снежные метели, перемещения капелек воды в облаках, туманах, пене прибоев и водопадов. Это постоянные источники электризации атмосферы. Так, в результате электризации частиц слоистых и слоисто-кучевых облаков плотность объемных зарядов достигает значений  = 10^10 Кл/м³. Распределение зарядов в облаках происходит таким образом, что верхняя часть облака обычно заряжается положительно, а нижняя – отрицательно.

Основными ионизаторами атмосферы являются космические лучи, действующие во всей толще атмосферы, а также излучение радиоактивных элементов, находящихся в земле и воздухе.

Значительный вклад в ионизацию атмосферы вносит УФ-излучение Солнца, ионизирующее действие которого проявляется на высотах более 50 – 60 км. Количество образующихся при ионизации легких и тяжелых ионов возрастает с увеличением интенсивности ионизации и уменьшается с увеличением концентрации частиц в атмосфере.

Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется её удельной электропроводностью, которая у поверхности Земли составляет (2  3) 10^ ом^м^. Под влиянием разности потенциалов между атмосферой и Землей к последней течет вертикальный ток проводимости со средней плотностью (2  3)^-12А/м². В пересчете на всю поверхность Земли сила тока составляет около 1800 А.

В атмосфере происходят искровые разряды, генерируемые облаками. Молнии являются разновидностью искрового разряда в массе заряженных и хорошо изолированных друг от друга частиц. Различают линейные молнии, ударяющие в землю, и внутриоблачные.

Токи линейных молний длиной в несколько километров при средних значениях пиковых величин  20 кА иногда достигают  500 кА.

Внутриоблачные молнии способны достигать в длину 50 и даже 150 км. Токи внутриоблачных молний примерно в 10 раз меньше линейных. Наряду с линейными и внутриоблачными молниями существуют шаровые молнии, возникающие в грозовых облаках и даже вне грозовых облаков. Исчерпывающей теории происхождения шаровых молний пока нет.

Шаровые молнии представляют собой светящиеся образования, обычно со средним диаметром 10 – 20 см, с удельной плотностью близкой к плотности воздуха. Продолжительность их жизни от нескольких до десятков секунд. Удельная энергия шаровых молний достигает 10⁶ – 10⁷ Дж/г.

Когда в атмосфере напряженность электрического поля достигает величины 500 – 1000 В/м, у поверхности Земли возникают огни Эльма. Они связаны с возникновением электрического разряда с острых, вытянутых предметов (травы, деревьев, линий электропередач, мачт, труб и т.д.) и сопровождаются характерным шумом и довольно ярким свечением. Огни Эльма особенно часто встречаются в горах и на море.

Молекулы химических соединений атмосферы взаимодействует с электромагнитным полем, рассеивая, поглощая, преломляя и отражая ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение – основной поток солнечной энергии.

Поток фотонов может либо пройти сквозь газ, либо вступить с ним во взаимодействие, передавая свою энергию. Эта энергия может переизлучиться или поглотиться. В первом случае молекулы химических веществ не получают, во втором – получают энергию.

Энергии поглощенного фотона может хватить на то, чтобы увеличить скорость одного из видов движения молекулы (поступательного, колебательного, вращательного, деформационного), разорвать химическую связь или оторвать электрон от атома или молекулы. Мерой средней кинетической энергии частиц газа является температура, поэтому поглощение ими фотонов сопровождается увеличением температуры газа.

Молекулы газа избирательно поглощают электромагнитное излучение определенных длин волн в соответствии с законом Буггера-Ламберта-Бэра:

Р = Р₀10^{Сl},

где Р – удельная мощность излучения, прошедшего слой среды длиной l (расстояние, пройденное излучением в веществе); Р₀ – исходная удельная мощность излучения; С – молярная концентрация вещества, поглощающего излучение;  – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны излучения и природы поглощающего вещества.

Атмосферный воздух, состоящий из смеси газов, практически прозрачен для потока солнечного излучения. Небольшое количество энергии УФ-излучения поглощается молекулами кислорода и озона в верхних слоях атмосферы, где их концентрация невелика. Парниковые газы (молекулы углекислого газа, метана, паров воды), концентрация которых также невелика, поглощают ИК-излучение.

Основной поток лучистой энергии Солнца достигает поверхности планеты. Если свет падает на непрозрачное тело, то можно считать, что излучение поглощается поверхностью тела, и энергия излучения передается телу в форме теплоты. Часть потока излучения отражается от поверхности и уходит в космическое пространство.

Отраженная планетой часть солнечного излучения называется альбедо. Отражающая способность поверхности, пропорциональная отраженной от поверхности энергии, вычисляется по уравнению:

Р_а = (1 – ) Р₀,

где Р_а – удельная мощность поглощенного излучения;  – альбедо; Р₀ – удельная мощность падающего излучения.

Альбедо может принимать значение от 0 (абсолютно черное тело) до 1. В реальности тел с альбедо 0 и 1 не бывает.

Если излучение падает на поверхность тела под углом, то удельная мощность поглощенного излучения уменьшается по сравнению с излучением, падающим перпендикулярно поверхности, пропорционально синусу угла падения:

Р_а = (1 – ) Р₀sin,

где  – угол падения излучения.

Для расчета суммарной мощности излучения, поглощенного телом, используют уравнение:

П_а = (1 – ) Р₀ S,

где П_а – суммарная мощность поглощенного излучения; S – площадь сечения, перпендикулярная потоку.

Если излучение поглощает Земля, то площадь сечения S равна площади круга (рис. 14):

S = R²

и П_а = (1 – ) Р₀ R²,

где R – радиус планеты.

S



Рис. 14. Модель потока солнечного излучения, падающего на Землю: наибольшая мощность излучения, поглощенного планетой, на экваторе, наименьшая – на полюсах [2]

В полярных областях Земли холоднее, чем на экваторе, т.к. мощность солнечного излучения, поглощенного поверхностью Земли, зависит от площади его сечения, перпендикулярного потоку излучения.

Планета Земля находится на большом расстоянии от Солнца, поэтому на поверхность планеты падает параллельный поток лучей. В области экватора Земля получает наибольшую мощность солнечного излучения. К полюсам мощность потока уменьшается пропорционально sin.

При поглощении энергии молекулы атмосферного газа переходят в возбужденное состояние. За короткий промежуток времени (10^ с) они возвращаются в невозбужденное состояние в результате переизлучения или соударений с близко расположенными молекулами. Переизлучение – это испускание поглощенного фотона.

Если система однородна и прозрачна, то поглощенный фотон переизлучается без изменения направления электромагнитного излучения.

В неоднородной среде, например в атмосфере, содержащей частицы пыли, капельки жидкости (туман), происходит рассеяние света в произвольном направлении.

Рассеяние происходит в прозрачной атмосфере из-за броуновского движения молекул, входящих в её состав. Однако флуктуации плотности, рассеивающие излучение, в этом случае слабее, чем рассеяние в запыленной атмосфере.

Рассеяние света обратно пропорционально четвертой степени длины волны излучения (закон Рэлея) при условии, что размеры неоднородностей в атмосфере существенно меньше длины волны излучения:

Р_d/Р₀ ~ 1/⁴

где Р_d – мощность рассеянного излучения; Р₀ – мощность падающего излучения;   длина волны электромагнитного излучения.

Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны излучения, то рассеяние обратно пропорционально квадрату длины волны электромагнитного излучения:

Р_d/Р₀ ~ 1/²

Из этих уравнений следует, что чем меньше длина волны, тем лучше рассеивается излучение. Так, УФ-излучение рассеивается гораздо эффективнее, чем ИК-излучение.

Небо, излучающее рассеянный свет, голубое (синий свет = 450480 нм). По этой же причине любая дымка кажется голубой. Солнце в момент восхода и на закате, когда солнечный луч проходит более толстый слой воздуха, красное  (красный свет = 620-760 нм). Солнечный свет, проходящий через дымку, также приобретает красноватый оттенок. Замутнённость атмосферы определяется по заре.

Зарей называется совокупность световых явлений в атмосфере, сопровождающих восход и заход Солнца.

Когда солнце склоняется к горизонту, и нет облаков, небо над горизонтом окрашивается в желтый или оранжево-красноватый цвет, иногда с коричневым оттенком. При прохождении солнечными лучами длинного косого пути в атмосфере голубые и фиолетовые лучи ослабляются, благодаря рассеянию света, а оставшиеся лучи приобретают желтоватую и красноватую окраску. Довольно яркими характеристиками оптических свойств атмосферы являются радуга, гало, венцы и глории.

Разноцветная дуга на небосводе – радуга – возникает в результате разложения солнечного света в каплях дождя. Наблюдается в тех случаях, когда солнечные лучи освещают завесу дождя, расположенную на противоположной Солнцу стороне неба.

Гало или светлые круги около Солнца и Луны образуются за счет отражения и преломления света, чаще всего ледяными кристаллами перисто-серых облаков.

Венцы – светлые туманные кольца на небесном своде вокруг Солнца или Луны, реже – вокруг ярких звезд или земных источников света. Появляются при прохождении перед светилом полупрозрачных облаков или тумана и объясняются рассеянием лучей светила на водяных каплях, образующих облако или туман. Отличаются от гало меньшим радиусом колец.

Глория – оптическое явление в атмосфере, представляющее собой цветные кольца вокруг тени наблюдателя, которая падает на облако или слой тумана. Глория часто наблюдается в горах или при полетах над облаками. Цвета в глории расположены так, что внутри находится голубоватое кольцо, а снаружи – красное.