Общая_климатологияКн1

среднего за год числа дней с переходом температуры воздуха через 0°С показан на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Распределения среднего за год числа дней с переходом температуры воздуха через 0°С

Литература

1.Алисов Б.П., Дроздов О.А., Рубинштейн Е.С. Курс климатологии. Ч.I и II. – Л.:

Гидрометеоиздат, 1952. – 487 с.

2.Головина Е.Г., Русанов В.И. Некоторые вопросы биометеорологии: учебное

пособие. — СПб.: Российский Гидрометеорологический институт, 1993. — 90 с.

3. Дроздов О.А., Васильев В.А., Кобышева Н.В., Раевский А.Н., Смекалова Л.К.,

Школьный Е.П. Климатология. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 568 с.

4.Кобышева Н.В., Новлянская Г.Я. Климатическая обработка метеорологической информации. – Л.: Гидрометеоиздат, 1978 – 296 с.

5.Лобанов В.А., Смирнов И.А., Шадурский А.Е. Практикум по климатологии.

Часть 1. (учебное пособие). – СПб., 2011. – 144 с.

6.Свод правил по проектированию и строительству. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. СП 33-101-2003. – М.: Госстрой России, 2004. – 73 с.

7.СНиП 23-01-99 Строительная климатология. – М: Госстрой России, 2000. – 74 с.

8.Шталь В.А., Белов Н.Ф., Циценко Г.В. Прикладная климатология. – Л.: Изд.

ЛПИ, 1981. 166 с.

340

объеме составляет 5,2·1018кг. Всепроникаемость атмосферы обусловлена тем, что газы, составляющие атмосферу, постоянно и непрерывно обмениваются с другими компонентами климатической системы. Вместе с тем атмосфера – самая подвижная и изменчивая составляющая климатической системы. Скорость ветра у земли обычно несколько метров в секунду, в свободной атмосфере может достигать нескольких десятков метров в секунду.

Гидросфера (от греческих слов: Yδωρ – вода и σφαῖρα – шар) – совокупность всех водных запасов Земли. Гидросфера включает в себя: Мировой океан (96%), подземные воды (2%), лед и снег (2%), поверхностные воды (0,02%). Гидросфера, основную часть которой составляет Мировой океан, имеет объем 1,37·109 км3 и массу 1,43·1021 кг. Таким образом, масса гидросферы в 275 раз больше массы атмосферы, а её объем меньше объема атмосферы почти в 279 раз. Вода имеет примерно в 4 раза большую удельную теплоемкость, чем воздух, а теплопроводность воды превышает теплопроводность воздуха примерно в 20 раз. Следовательно, воды Мирового океана являются хорошим аккумулятором солнечной энергии, значительная часть которой передается затем в атмосферу в виде потоков скрытого и явного тепла. Гидросфера – менее подвижная среда по сравнению с атмосферой, средняя скорость океанических течений равна 3,5 см/с (0,035 м/с). Таким образом, скорость перемещения вещества в гидросфере на два порядка меньше, чем в атмосфере. Несмотря на это, гидросферу по сравнению с другими компонентами климатической системы (литосфера, криосфера) следует считать также очень подвижной средой, характеризующейся, как и атмосфера, сложными циркуляционными особенностями.

Вместе с тем скорость и время полной замены водных масс в разных частях гидросферы разная. Так, почвенная влага полностью заменяется на новую в среднем за 0,9 года, вода в реках и озерах – за 3,3 года, а полный обмен вод океана осуществляется за

2600 лет.

Кроме поверхностных океанических течений, в океане образуются вихри, подобные атмосферным барическим образованиям (циклоны – антициклоны), вихреобразные кольцевые структуры, имеющие диаметр до 100 км и включающие массу воды, отлича-

342

ющуюся по свойствам от окружающей воды. Обнаружены также подповерхностные течения и движения вод на больших глубинах. Атмосфера и океан соприкасаются и взаимодействуют на 2/3 поверхности планеты, передавая друг другу тепло, массу и движение. С поверхности океана в атмосферу испаряется основная часть воды, дающая начало влагообороту. Атмосферные ветры формируют поверхностные течения в океане, которые переносят огромное количество тепла, гигантским аккумулятором которого является океан.

Численные значения основных характеристик атмосферы и гидросферы и их отношения приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Соотношение основных параметров атмосферы и гидросферы

Криосфера (от греческих слов: kryos – холод и sphaira – шар) – одна из географических оболочек Земли, характеризующаяся наличием или возможностью существования льда. Криосфера простирается от нижних слоёв ионосферы до верхних слоев земной коры и включает в себя следующие части:

-системы ледяных облаков,

-снежный покров,

-ледяной покров водоёмов,

-наледи,

-ледники гор,

-ледниковые покровы,

-сезонномёрзлые почвы,

-горные породы с подземными льдами.

Криосфера характеризуется отрицательной или нулевой температурой, при которых вода, содержащаяся в парообразном, свободном или химически и физически связанном с другими компонентами виде, может существовать в твёрдой фазе (лёд, снег, иней и другие).

343

Температура 0°C определяет равновесие между химически чистыми льдом и водой. В естественных условиях различные примеси и растворённые вещества, а также поверхностные силы и давление понижают точку замерзания воды, в результате чего в границы криолитозоны попадает и жидкая фаза воды во временно или устойчиво охлаждённом ниже 0°C состоянии.

Криолитозона включает также безводные толщи горных пород и относительно сухие воздушные массы с отрицательной температурой, в которых естественными или искусственными путями могут создаваться условия для конденсации воды, а тем самым и сформирования её твёрдой фазы.

Наиболее значительная часть массы льда на Земле приходится на покровные и горные ледники. Самый большой ледниковый щит на Земле – Антарктический. Объем льда Антарктического щита по различным оценкам составляет от 23 до 30,4 млн км³, а его полное таяние может привести к повышению уровня океана приблизительно на 55 м.

Роль малых покровных и горных ледников в формировании климата Земли не велика, однако они являются чувствительными индикаторами его изменений. А вот ледниковые щиты таких размеров, как, например, Гренландский и в особенности – Антарктический, фактически создают свой собственный климат. Это обусловливается высоким коэффициентом отражения и большой излучательной способностью льдов, а также практически полным отсутствием парникового эффекта над полярными шапками. Особенно велика в процессах климатообразования роль Антарктического щита, охлаждающего не только прибрежные водные массы, но и все Южное полушарие.

Подземные льды – вторая по массе составляющая криосферы. Они включают «многолетнемерзлые» грунты, больше известные под названием «вечной мерзлоты», и так называемые «сезонномерзлые», оттаивающие на часть года. Последние распространены

вверхнем слое Земли незначительной толщины на свободной от ледников поверхности площадью до 60 млн км. Многолетняя мерзлота охватывает площадь в 32 млн км². Лед в ней встречается

втрех формах: в виде льда-цемента, в виде жильного льда, запол-

344

няющего пустоты в горных породах, и в виде ископаемого льда. Наиболее распространены цементирующие льды.

Необходимое условие существования многолетнемерзлых пород – отрицательные средние годовые температуры земной поверхности. Там, где отрицательны даже летние температуры слой мерзлых пород и подземных льдов выходит на поверхность. Имеются районы, где вечная мерзлота является реликтовой, то есть существует, несмотря на положительные средние годовые температуры, как результат суровых климатических условий в прошлом. В северном полушарии слои многолетнемерзлых пород занимают намного больше пространства, чем в южном. Особенно велики области мерзлоты в Евразии.

Морские льды и снежный покров составляют всего около 0,25% массы криосферы, однако для климатообразования они имеют огромное значение, так как формирование климата и его колебания в значительной мере зависят от площади распространения этих составляющих криосферы. Морской лед не только увеличивает отражательную способность поверхности океана, но и резко уменьшает теплообмен океана с атмосферой. В Северном полушарии период наименьшего развития морского льда приходится на конец лета – сентябрь; в этот период его распространение ограничено центральным бассейном Северного Ледовитого океана. Здесь на площади около 8,4 млн км² из года в год сохраняется многолетний паковый ледяной покров.

Литосфера (от греческих слов: λίθος – камень и σφαίρα – шар, сфера) – твёрдая оболочка Земли до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород. Состоит из земной коры и верхней части мантии. В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы. Блоки литосферы – это литосферные плиты, которые двигаются по относительно пластичной астеносфере. Изучению и описанию этих движений посвящён раздел геологии о тектонике плит.

Земная кора под океанами и континентами значительно различается. Земная кора под континентами состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового общей мощностью до 80 км. Земная кора под океанами претерпела множество этапов

345

частичного плавления в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими редкими элементами, в основном состоит из дунитов и гарцбургитов, её толщина составляет 5–10 км, содержит всего два слоя (осадочный и базальтовый), а гранитный слой полностью отсутствует.

Поверхность континентальной коры подвержена воздействию атмосферы и гидросферы, что выражается в процессах выветривания. Физическое выветривание является механическим процессом, в результате которого порода размельчается до частиц меньшего размера без существенных изменений в химическом составе. Химическое же выветривание приводит к образованию новых веществ и происходит под воздействием влаги, особенно подкисленной, и некоторых газов (например, кислорода), разрушающих минералы. Простейший процесс выветривания – это растворение минералов в воде, которая вызывает разрыв ионных связей.

Биосфера (от греческих слов: βιος – жизнь и σφαῖρα – сфера, шар) – оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности. Биосфера – это «пленка жизни» или глобальная экосистема Земли.

Целостное учение о биосфере создал российский биогеохимик и философ В.И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Биосфера включает в себя верхние слои литосферы, в которых живут организмы, гидросферу и нижние слои атмосферы.

Границы биосферы следующие (рис. 7.1):

-верхняя граница находится в атмосфере на высотах 15–20 км и связана с озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов;

-нижняя граница на суше находится в литосфере на глубине 3,5– 7,5 км и определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами;

-нижняя граница в океане находится на глубине 10–11 км и определяется дном Мирового океана, включая донные отложения.

По структуре биосфера включает в себя следующие формы.

346

Живое вещество представляет всю совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, которая физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6 1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы в 3 1018 т, которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно, и их распространение зависит от географической широты.

Биогенное вещество – это вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.

Косное вещество – это продукты, образующиеся без участия живых организмов.

Биокосное вещество – это вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

Кроме того, к формам биосферы относится вещество, находящееся в радиоактивном распаде; рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений и вещество космического происхождения.

Биосфера присутствует в каждой из сфер климатической системы, где имеет собственное название (рис. 7.1). Весь слой воздействия жизни на неживую природу называется мегабиосферой, а вместе с артебиосферой – пространством человеческой экспансии

воколоземном пространстве – панбиосферой.

Ватмосфере биосфера имеет название аэросфера. Субстратом для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов) служат

347

водные капли – атмосферная влага, источником энергии – солнечная энергия и аэрозоли. Примерно от верхушек деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера с тропобионтами, и это пространство – более тонкий слой, чем тропосфера. Выше простирается слой крайне разреженной микробиоты – альтобиосфера с альтобионтами. Еще выше находится пространство, куда организмы проникают случайно и не часто и не размножаются – это парабиосфера и еще выше расположена апобиосфера.

Находящаяся в литосфере биосфера имеет название геобиосферы и ее населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой жизни, для которых служит земная твердь. Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши – террабиосферы (с террабионтами), разделяемой на:

-фитосферу от поверхности земли до верхушек деревьев;

-педосферу в почвах и подпочвах, и иногда сюда включают всю кору выветривания;

-литобиосферу, представляющую собой жизнь в глубинах с литобионтами, живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах.

На больших высотах в горах, где уже невозможна жизнь высших растений, расположена высотная часть террабиосферы – эоловая зона с эолобионтами. Литобиосфера распадается на слой, где возможна жизнь аэробов – гипотеррабиосферу, и слой, где возможно лишь обитание анаэробов – теллуробиосферу. Жизнь в неактивной форме может проникать глубже – в гипобиосферу. Поэтому можно считать, что метабиосфера включает в себя все биогенные и биокосные породы, а глубже расположена абиосфера.

Вгидросфере биосфера называется гидробиосфера. Весь глобальный слой воды (без подземных вод), населённый гидробионтами распадается на слой континентальных вод – аквабиосферу с аквабионтами и область морей и океанов – маринобиосферу с маринобионтами. Выделяют 3 слоя: относительно ярко освещённую фотосферу, всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1% солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты – афотосферу.

348

Рис. 7.1. Вертикальный разрез биосферы и ее границы

В криосфере биосфера отсутствует или находится в замороженном состоянии.

Такая климатическая система, состоящая из пяти сфер, существовала не всегда. Так, миллионы лет назад климат на Земле был теплее, и постоянной криосферы не наблюдалось. В современных условиях три из рассмотренных сфер (атмосфера, гидросфера и криосфера) характеризуют воду, находящуюся в трех агрегатных состояниях на Земле: парообразное, жидкое и твердое, литосфера характеризует нижнюю границу климатической системы, а биосфера пронизывает все сферы за исключением криосферы.

Составляющие климатической системы обмениваются между собой энергией и веществами, наиболее важными из которых являются: лед, снег, вода и водяной пар, влияющие на радиационный и тепловой режимы. Кроме этого, на климат большое влияние ока-

349