Междисциплинарная кафедра ТПУ. Доцент, кандидат географических наук А.Е. Тябаев.
* Всякий природный процесс должен обеспечиваться энергией. * В Географическую оболочку энергия поступает из Космоса, недр Земли и выделяется при гравитационном взаимодействии планеты с ближайшими космическими телами – Луной и Солнцем. * В зависимости от этого энергетические источники подразделяют на внутренние (эндогенные) и внешние (экзогенные). Сумма внутренней и внешней энергии изменяет вещество земной коры, создает форму и рельеф Земли. * Самые грандиозные преобразования на поверхности планеты вызывает эндогенная энергия, однако и вклад экзогенной энергии в преобразовании облика планеты не менее значителен. Во-первых, солнечная энергия запасается в геохимических аккумуляторах земной коры; Во-вторых, энергия солнечно-лунных приливов воздействует на Гидросферу и другие оболочки. В-третьих, неравномерность распределения лучистой энергии по земной поверхности приводит в движение Атмосферу, а посредством её – и Гидросферу.
* Из всех видов энергии поступающей в Географическую оболочку солнечная энергия по мощности гораздо превосходит все остальные виды энергии. * Однако значение каждого вида энергии не может оцениваться только количественно, так как каждый вид выполняет определенные функции. * Эффективность энергетического потока во многом зависит от того, поступает ли энергия в концентрированном или рассеянном виде, к нижней или верхней границе геосфер и т. д. * Несмотря на весомые различия экзогенной и эндогенной энергии, их роль в Географической оболочке сопоставимо велика.
* Эндогенная энергия (энергия земных недр) поступает в Географическую оболочку главным образом в двух формах: * теплового потока * и путём механических перемещений вещества вследствие гравитационной дифференциации. * Величина теплового потока в среднем в раз меньше потока электромагнитной солнечной энергии (0,06 Дж/м 2 -с). * Тепловое поле земной поверхности служит энергетической основой многих процессов в Географической оболочке. * Гравитационными силами непрерывно деформируется земная поверхность, в результате чего создается рельеф и меняется напряженность его гравитационного поля. * По образовавшимся уклонам поверхности происходит гравитационное перемещение денудационного материала – с более высоких гипсометрических уровней на более низкие.
* Тепловой поток неравномерно распределён на земной поверхности, что связано с характером тектонических структур и возрастом земной коры. * Наибольшие значения теплового потока наблюдаются в зонах срединно- океанических хребтов, особенно в пределах рифтовых зон, потому что там вещество мантии поднимается непосредственно к поверхности Литосферы. * Также высок он в сейсмоактивных и вулканических районах. Наоборот, в тектонически спокойных регионах его значения существенно ниже средних. Рифтовая зона
* Эндогенная энергия имеет ещё несколько источников, которые по величине сопоставимы между собой: гравитационное сжатие и уплотнение вещества Земли; распад радиоактивных веществ; внутреннее трение масс вещества; приливное трение (взаимодействие Земли с Луной и Солнцем. * Тепло на земную поверхность поступает также через гейзеры, термальные источники и даже вулканические извержения, но это тепло суммарно намного меньше того тепла, которое даёт постоянный тепловой поток из недр, поэтому это тепло в общих расчётах обычно не учитывается. * Определенную часть эндогенной энергии составляет солнечная энергия, поступившая на земную поверхность ранее и сохранившаяся в «геохимических аккумуляторах» – горючие полезные ископаемые.
* Считается, что в геологическом прошлом количество радиоактивной и приливной энергии было существенно большим, так как на ранних стадиях развития Земли было больше радиоактивных элементов и Луна располагалась ближе. * Внутренняя энергия обнаруживает себя в разнообразных, но взаимосвязанных движениях земной коры. * Следовательно внутренние массы Земли активны и не находятся в состоянии равновесия. * Движения земной коры осуществляются в двух основных формах: вертикальных колебательных и горизонтальных движениях.
* Их сущность - волнообразные поднятия или опускания огромных участков Литосферы. * При этом возможны два основных типа проявлений движений: медленные вековые малозаметные и относительно быстрые активные, хорошо ощутимые. * В первом случае залегание пластов горных пород практически не меняется; меняется лишь их абсолютная высота над уровнем моря, а иногда и относительная высота друг относительно друга. * Медленные вертикальные движения можно проследить по положению береговой линии, когда граница между сушей и морем смещается по причине расширения площади моря за счёт сокращения площади суши, и наоборот.
* Если море отступает, то процесс называется регрессией, если море наступает – трансгрессией моря. * Такие вертикальные движения земной коры происходят в течение длительного геологического времени. * Активные вертикальные движения земной коры сильно изменяют залегания горных пород и рельеф земной поверхности, создают особые возвышенные (горные хребты и т.п.) и пониженных (межгорные впадины и т.п.) структуры. Такие движения называют тектонической дислокацией. Трансгрессия Каспийского моря
* Значительное увеличение площади суши или моря изменяет характер климата, который становится более морским или более континентальным, что с течением времени приводит к изменению органического мира, растительного и почвенного покрова. * Увеличение площади суши облегчает миграции наземной фауны и флоры; увеличение площади морей облегчает перемещение и обмен морской фауны и флоры. * Другим следствием является размывание берегов, пляжей вследствие абразии, когда море последовательно трансгрессируя, срезает часть побережья. Абразия берегов
* Горизонтальные движения земной коры являются следствием горизонтальных подвижек земной коры и вызывают изменение залегания пластов горных пород. * Наиболее частый результат горизонтального движения масс – это образование складок, т. е. волнообразного изгиба пластов. * Часть изгиба, обращенная выпуклостью вверх, имеет название антиклиналь, другая же часть, обращенная выпуклостью вниз, – синклиналь. Синклиналь и антиклиналь всегда проявляются вместе – это две стороны одного волнового процесса. Антиклиналь Синклиналь
* В истории Земли скорости перемещений земной коры изменяются неравномерно, и периоды их усиления называют эпохами тектонической активизации. * В процессах тектонической активизации высвобождается огромное количество внутренней энергии планеты, которое идёт с одной стороны на перемещение горных пород, с другой на провоцирование экзогенных процессов и явлений. * Эпохи тектонической активизации – это и время усиления экзогенных процессов, ускорения физико-химических, механических процессов и биологических реакций на изменение окружающего пространства.
* Главные эпохи тектонической активизации следующие: * байкальская (граница протерозоя и палеозоя); * каледонская (ранний палеозой); * герцинская, (поздний палеозой); * киммерийская (средний мезозой); * альпийская (кайнозой). * Альпийские тектонические движения не прекратились и сейчас, поэтому они называются современными. * Несмотря на то, что эпохи тектонической активизации, складкообразования и горообразования в истории Земли повторяются, они далеко не одинаковы по своей мощности, местоположению и длительности.
* Все виды энергии, поступающей к Земле из Космоса, называют экзогенными. * В количественном отношении она на 97% состоит из электромагнитного излучения Солнца – солнечной радиации. * Поток солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, рассчитываемый на 1 см 2 в минуту, называют солнечной постоянной, которая равна 8,3 Дж/см 2 минуту или 1000 ккал/см 2 в год.
* Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн разной длины. * Ультракоротковолновая радиация (длина волн менее 0,1027 мкм) проникает до высоты 100 – 200 км, где она задерживается в ионосфере. * Более длинные волны (0,1027 – 0,2424 мкм) распространяются до высоты 70 – 80 км. * Жёсткая ультрафиолетовая радиация (0,24240,2900 мкм) практически полностью поглощается в слое максимальной концентрации озона на высоте 25 – 28 км.
* В нижние слои атмосферы – тропосферу и непосредственно к земной поверхности – поступают мягкая ультрафиолетовая радиация (0,29 – 0,40 мкм), а также видимое световое (0,40 – 0,74 мкм) и инфракрасное (ИК) излучение (0,74 – 2,4 мкм). * Одновременно в географическую оболочку поступает радиоволновое излучение (от Солнца и из Космоса), энергетическое значение которого невелико.
* Вместе с электромагнитными потоками в атмосферу проникает корпускулярный поток заряженных частиц – «солнечный» и «космический» ветер. * Их суммарная энергия в несколько тысяч раз меньше электромагнитной энергии и уступает (в количественном выражении) даже эндогенной энергии. * Корпускулярный поток почти полностью поглощается магнитосферой и верхними слоями атмосферы. * Его изменчивость, связанная с пульсациями солнечной активности, вызывает возмущения геомагнитного поля, что отражается на биологических процессах. Магнитосфера Земли
* Основной энергией большинства земных процессов является лучистая энергия Солнца, поступление которой изменяется в течение года и зависит от географической широты. * В Географической оболочке потоки солнечной радиации существенно трансформируются: отражаются, поглощаются, рассеиваются. * Часть радиации, которая достигла земную поверхность, поглощается ею, остальная – отражается. * Отношение отраженной радиации к суммарной, пришедшей на поверхность Земли в виде прямой и рассеянной, называется альбедо и выражается формулой: α = (Q отр /Q+q)*100% * Где: α – величина альбедо, выражаемая в процентах или долях единицы; Q отр – отраженная солнечная радиация; (Q+q) – суммарная солнечная радиация (Q – прямая, q – рассеянная).
* Альбедо зависит от многих причин: высоты Солнца, облачности, характера подстилающей поверхности, времени года. * С увеличением облачности зависимость альбедо от высоты Солнца снижается. * Альбедо суши в среднем больше, чем водной поверхности.
* Отношение радиации, отраженной Землей в целом (облаками и земной поверхностью) к радиации, поступившей на внешнюю границу атмосферы, называют планетарным альбедо Земли. Его величину оценивают в 30 – 35%. * Поглощенная радиация нагревает земную поверхность и нижние слои атмосферы. * В результате последние сами становятся источниками излучения. * Большая часть излучаемой Землей радиации возвращается к подстилающей поверхности за счёт наличия в тропосфере облаков, парниковых газов, аэрозолей.
* В целом на земную поверхность поступают потоки прямой (непосредственно от солнечного диска) и рассеянной (от всего небосвода) лучистой энергии и противоизлучения атмосферы (за счёт её нагревания преимущественно тепловым потоком от земной поверхности). * Разность между поступлением и потерей радиации земной поверхностью составляет её радиационный баланс R: R = S + D – О - Е 3 + Е А, * где: S – прямая солнечная радиация, D – рассеянная радиация, О – отраженная радиация, Е 3 – излучение земной поверхности, Е А – противоизлучение атмосферы.
* Если бы атмосферный воздух состоял только из постоянных газов (азота, кислорода и аргона), то он был бы прозрачен для ИК радиации и отражённая от земной поверхности длинноволновая радиация могла бы без изменения вернуться в космическое пространство. * Однако воздух содержит небольшое количество диоксида углерода, метана (СН 4 ) и водяных паров, которые в атмосфере сильно (до 50%) подслащают длинноволновую (ИК) радиацию. * Чем короче длина волны, тем интенсивное рассеяние; поэтому больше рассеиваются лучи синей части спектра, придавая небу голубой цвет в ясную погоду.
Схема среднегодового радиационного и теплового баланса (%), по К.Я. Кондратьеву (1992)
* Распространение солнечной энергии в море. В Мировом океане распространение солнечной радиации имеет некоторые особенности, поскольку электромагнитные волны поглощаются толщей воды избирательно. * Лучистая энергия красной части спектра поглощается почти целиком в самом верхнем слое моря толщиной до 1 м; на глубине 100 м остается около 1% энергии, сдвинутой в сторону сине-зеленой части спектра (вследствие этого предметы на морском дне имеют такую окраску). * Эта величина часто считается минимально возможной для осуществления нормального фотосинтеза. * Глубина проникновения солнечного света во многом зависит от прозрачности воды и состояния поверхности моря. * Распространение света в морской воде определяет такую важную её характеристику, как подводная освещённость.
* Распределение тепла описывается уравнением теплового баланса, которое у каждого географического района своё. * Важнейшим его компонентом является радиационный баланс земной поверхности. * Солнечная радиация расходуется на нагревание почвы, воздуха и воды, испарение, таяние снега и льда, фотосинтез, почвообразовательные процессы и выветривание горных пород. * Поскольку для природы всегда характерно равновесие, то наблюдается равенство между приходом энергии и расходом её на все процессы, что выражается уравнением теплового баланса земной поверхности: * R = LЕ + А ± Р ± В + F + С, * где: R – радиационный баланс; LЕ – теплота, затрачиваемая на испарение воды и таяние снега или льда; А – горизонтальный перенос тепла воздушными и океаническими течениями; Р – вертикальный теплообмен земной поверхности с воздухом; В – вертикальный теплообмен земной поверхности с почвой и горными породами; F расход энергии на фотосинтез; С – расход энергии на почвообразование и выветривание. * Уравнение теплового баланса можно вывести для любого географического района и отрезка времени.
* Перенос тепла от поверхности в атмосферу происходит тремя путями. * Часть энергии переносится тепловым излучением; * вторая часть переноса осуществляется нагреванием или охлаждением воздуха, который входит в контакт с сушей. * Однако наибольшая часть переноса осуществляется за счет испарения воды. * Водяные пары, поднимаясь в атмосферу, конденсируются в различные виды облаков и выпадающие осадки (снег, дождь), и, таким образом, атмосфера получает тепло за счёт испарения. Испарение воды
* Поглощенная атмосферой инфракрасная радиация и теплота конденсации водяных паров задерживают потерю тепла земной поверхностью. * Таким образом, на Земле вода играет важную роль как аккумулятор тепла, потому что она поглощает инфракрасную радиацию, а также вследствие механизма испарения и конденсации. * Над засушливыми районами эти влияния уменьшаются, и поэтому именно здесь мы наблюдаем самые большие суточные и годовые амплитуды температуры. * Наименьшие изменения температуры свойственны влажным океаническим районам. * Кроме того, так как океан является большим резервуаром по сравнению с сушей, он хранит и больше тепла, что ослабляет годовые колебания температуры вследствие высокой удельной теплоемкости воды.
* Структура теплового баланса зависит от географической широты и типа подстилающей поверхности, которая, в свою очередь, сама зависит от неё. * Подстилающая поверхность существенно изменяется не только при движении от экватора к полюсам, но и при переходе с суши на море. * Суша и океан различаются как по величине поглощенной радиации, так и по характеру распределения теплоты из-за разной способности её распространения на глубину. * В океане летом теплота распространяется на глубину в несколько сотен метров; на суше теплота распространяется всего на несколько метров, а всего за тёплый сезон здесь накапливается в 10 – 25 раз меньше тепла, чем в океане. * Благодаря большому запасу теплоты, накопленному в умеренных и отчасти более высоких широтах летом, а в жарком поясе на протяжении всего года, океан зимой охлаждается меньше, чем суша, а летом его температура в целом ниже.
* До 80% энергии, поглощаемой океаном, расходуется на испарение воды. * Остальные 20% энергии расходуются на турбулентный теплообмен с атмосферой. * Вертикальный теплообмен океана с атмосферой стимулирует и горизонтальный перенос теплоты, благодаря чему она частично оказывается на суше. * В теплообмене океана и атмосферы участвует верхний 50-метровый слой воды.
* Годовая сумма радиационного баланса почти всюду на Земле положительна, за исключением ледниковых районов Гренландии и Антарктиды. * Его среднегодовые значения уменьшаются в направлении от экватора к полюсам, следуя закономерности распределения солнечной радиации по земному шару. Распределение солнечной радиации
* Значения радиационного баланса над океаном больше, чем над сушей. * Это связано с меньшим альбедо водной поверхности, повышенным влагосодержанием в экваториальных и тропических широтах. * Сезонные изменения радиационного баланса происходят во всех широтах, но с разной степенью выраженности. * В низких широтах сезонность региона определяется не термическими условиями, а режимом осадков. * В умеренных и высоких широтах изменения радиационного баланса меняются от положительных значений летом до отрицательных зимой. В этих регионах термический режим превалирует над режимом осадков. * Отрицательный баланс холодного периода года в умеренных и полярных широтах частично компенсируется за счёт переноса тепла воздушными и морскими течениями из низких широт. * В летний период в Арктику тепла поступает даже больше, чем на экватор, однако вследствие высокого альбедо арктических морей льды здесь не тают.
* Для сохранения энергетического баланса Земли должен быть перенос тепла в направлении полюса. Немного менее 1/3 этого тепла переносится океаническими течениями, остальное – атмосферой. * Различия в нагревании Земли обусловливают её действия как географической тепловой машины, в которой происходит передача тепла от нагревателя к холодильнику. * В природе этот процесс реализуется в двух формах: во-первых, термодинамические пространственные неоднородности формируют планетарные системы ветров и морских течений; во-вторых, данные планетарные системы сами участвуют в перераспределении тепла (и влаги) по земному шару. * Таким образом, от экватора в направлении к полюсам потоками воздуха или океаническими течениями переносится тепло, а к экватору переносятся холодные воздушные и водные массы. * Перенос тепла по направлению к полюсам достигает максимума около широты 40° и становится равным нулю у полюсов.
* Географическим следствием распределения тепла по земному шару является распределение температуры. * На горизонтальное распределение температуры влияют географическое положение, рельеф, свойства и вещественный состав подстилающей поверхности, системы океанических течений и характер атмосферной циркуляции в приземном и приводном слоях. * Всё это придает специфические черты азональности климатической зональности элементов в целом. Средняя температура земной поверхности составляет порядка 15°С. * Самые высокие температуры наблюдаются на так называемом термическом экваторе – линии, соединяющей точки с наиболее высокой среднегодовой температурой выше 28°С, который примерно соответствует параллели 5°с.ш. на океанах и 10°с.ш. на суше. * Смещение термического экватора в Северное полушарие объясняется охлаждающим воздействием ледяного панциря Антарктиды, с высоким – (до 60%) значением альбедо и отрицательным радиационным балансом. * Помимо этого, поскольку Южное полушарие – океаническое, его прогреваемость в силу специфичных свойств воды ниже, чем у суши.
Среднегодовые температуры Мира
* Вертикальные различия в распределении температуры зависят от термических свойств вещества, слагающего геосферы, и высотного (глубинного) уровня стратификации. * Вверх от земной поверхности, в тропосфере, температура воздуха (кроме инверсий) понижается в среднем на 0,6°С на каждые 100 м высоты. * В земной коре температура повышается с глубиной в среднем на 1 – 3°С на каждые 100 м (хотя и здесь возможны отклонения от нормального градиента).
* Для океаносферы, средняя температура которой составляет 4°С, характерна двухслойная стратификация вод: верхний однородный слой, ограниченный снизу слоем скачка температуры, в которым происходят сильные перепады температур; и основная масса вод Мирового океана, расположенная глубже, с характерной температурой от 1 до 2,5°С.