 |
|
Лекция 4. Воздушные массы атмосферы как компонент ландшафта
Аннотация.Рассмотрены: происхождение, строение, химический состав атмосферы, её влияние на другие компоненты ландшафта. Даны представления о радиационном, тепловом и водном балансах атмосферы.
Ключевые слова.Тропосфера, углекислый газ, кислород, климат, погода, озон
1.Происхождение и роль атмосферы.
2. Строение атмосферы
3. Химический состав атмосферы
4. Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы .
5. Климат и погода
Атмосфера Земли (от греч. atmos — пар и sphaira — шар), газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15-1015 тонн. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.
4.1. Происхождение и связь атмосферы с другими компонентами ландшафта.Современная земная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твёрдой оболочкой Земли (литосферой) после сформирования планеты. В течение геологической истории Земли, атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения; химических реакций между компонентами атмосферы, почвами и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды (например, метеорного вещества).
Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосферные газы, в свою очередь, оказывали большое влияние на эволюцию литосферы. Например, громадное количество углекислоты, поступившей в атмосферу из литосферы, было затем аккумулировано в карбонатных породах. Атмосферный кислород и поступающая из атмосферы вода явились важнейшими факторами, которые воздействовали на горные породы. На протяжении всей истории Земли атмосфера играла большую роль в процессе выветривания. В этом процессе участвовали атмосферные осадки, которые образовывали реки, изменявшие земную поверхность. Не меньшее значение имела деятельность ветра, переносившего мелкие фракции горных пород на большие расстояния. Существенно влияли на разрушение горных пород колебания температуры и другие атмосферные факторы.
Наряду с этим атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть которых сгорает при вхождении в плотные слои атмосферы.
Деятельность живых организмов, оказавшая сильное влияние на развитие атмосферы сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота – в процессе питания растений. Климатические факторы, в особенности термический режим и режим увлажнения, влияют на состояние здоровья и на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических условий сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека оказывает всё возрастающее влияние на состав атмосферы и на климатический режим.
4.2. Строение атмосферы.Многочисленные наблюдения показывают, что атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение.
Основные черты слоистой структуры атмосферы определяются в первую очередь особенностями вертикального распределения температуры.
В атмосфере выделяют пять слоев:
1. Тропосфера – слой атмосферы до высоты 8 км над полюсами и до 17 км над экватором. В тропосфере сосредоточен практически весь водяной пар и формируются атмосферные процессы, определяющие погоду (циклоны, антициклоны, облака, осадки и др.). Основное тепло Солнца поглощается поверхностью Земли. Поэтому с высотой, по мере удаления от поверхности температура за счет перемешивания понижается. В тропосфере выделяется приземный слой толщиной 30-50 м, температура которого находится под непосредственным воздействием земной поверхности. В этом слое происходят существенные суточные изменения температуры и проявляются основные особенности микроклимата.
2. Стратосфера – следующий слой до высоты 40 км, который характеризуется почти полной неизменностью температуры с высотой. Малая теплоемкость разреженного воздуха препятствует переносу тепла перемешиванием, а выравнивание температуры происходит за счет лучевого теплообмена. В верхней части стратосферы наблюдается максимальная концентрация озона, молекула которого состоит из трех атомов кислорода. Озон образуется под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации и обладает способностью поглощать ее, защищая от резких изменений и регулируя климатические условия и биологические процессы на поверхности Земли.
3. Мезосфера – слой между 40 и 80 км, характеризуемый ростом температуры в нижней ее части до 20-30оС выше 0о, в верхней – падением до -100оС.
4. Термосфера, или ионосфера – слой от 80 до 1000 км характеризуется высокой разреженностью газа, который под действием солнечной радиации распадается до ионов и свободных электронов.
5. Экзосфера, или сфера рассеяния,5. Экзосфера, или сфера рассеяния, расположенная выше 1000 км, представляет собой зону утечки газов в космическое пространство.
Атмосфера пропускает 3/4 солнечного излучения и задерживает длинноволновое излучение земной поверхности, тем самым, увеличивая общее количество тепла, используемого на развитие природных процессов на поверхности Земли. Космические и атмосферные агенты – свет, тепло, осадки, ветер – проводят огромную работу в процессах выветривания и почвообразования и создают условия для существования жизни на Земле.
Вся деятельность человека проходит в тропосфере. Самые высокие горы остаются в пределах тропосферы, даже воздушный транспорт лишь частично выходит за пределы тропосферы – в стратосферу. Особый интерес для изучения атмосферы в качестве компонента ландшафта представляет нижняя часть тропосферы высотой 30-50 метров. Между почвенным и атмосферным воздухом происходит постоянный газообмен. Корневые системы высших растений и аэробные микроорганизмы энергично поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Избыток CO2 из почвы выделяется в атмосферу, а атмосферный воздух, обогащенный кислородом, проникает в почву. Газообмен почвы с атмосферой может быть затруднен либо плотным сложением почвы, либо ее избыточной увлажненностью. В этом случае в почвенном воздухе резко уменьшается содержание кислорода, и начинают развиваться анаэробные микробиологические процессы, приводящие к образованию метана, сероводорода, аммиака и некоторых других газов. Являясь поставщиком углекислоты и других газов в атмосферу, почвенный воздух может рассматриваться как один из факторов, регулирующих состав атмосферного воздуха.
Вертикальное распределение температуры в тропосфере зависит от особенностей поглощения солнечного и земного излучений в тропосфере и от конвективной передачи тепла. Основной поглотитель излучения в атмосфере – водяной пар, содержание которого с высотой быстро убывает, в связи с чем должна убывать и температура воздуха. Это способствует возникновению конвекции, которая переносит нагретый воздух от земной поверхности в атмосферу, чем меняет вертикальное распределение температуры. В результате в тропосфере устанавливается средний вертикальный градиент температуры равный 0,6° С на 100 м; в нижней части тропосферы градиент несколько меньше, а в верхней части больше. Температура воздуха на верхней границе тропосферы в среднем за год около -55°С в полярных широтах и около -80°С у экватора, летом температура в верхней части тропосферы всегда значительно ниже нуля. В отдельных случаях распределение температуры может существенно отличаться от среднего. В тех или иных слоях тропосферы, особенно в нижней её части, часто возникают инверсии температуры, то есть температура с высотой возрастает.
Почти вся масса водяного пара атмосферы сосредоточена в тропосфере, поэтому в ней возникают в основном все облака. В тропосфере содержится также и основная масса атмосферных аэрозолей (пыли, дыма и др.), поступающих с земной поверхности. В нижней части тропосферы (в пограничном слое, или слое трения) хорошо выражен суточный ход температуры и влажности воздуха, скорость ветра с высотой быстро возрастает, направление его приближается к направлению изобар. Над этим слоем скорость ветра чаще всего продолжает возрастать, а направление его меняется по-разному, в зависимости от распределения температуры в толще тропосфере. От пограничного слоя до тропопаузы скорость ветра возрастает примерно в 3 раза. Нижний слой тропосферы в несколько десятков метров непосредственно над земной поверхностью (приземный слой атмосферы) является средой обитания растений, животных и человека. Ветер здесь особенно ослаблен, а влажность повышена; над сушей вертикальные градиенты температуры в дневные часы очень велики, а ночью, наоборот, нередки приземные инверсии температуры.
Система воздушных течений в тропосфере и нижней стратосфере называется общей циркуляцией атмосферы. Для тропосферы характерно всё время меняющееся горизонтальное расчленение на воздушные массы, различные по свойствам в зависимости от влияния широты и той подстилающей поверхности, над которой они формируются. На границах между воздушными массами – атмосферных фронтах, развиваются циклоны и антициклоны, определяющие перемещение воздушных масс и фронтов, а с ними и непериодического изменения погоды у земной поверхности и в вышележащих слоях. Таким образом, в тропосфере, помимо общих квазизональных переносов воздуха (преимущественно с запада на восток), поддерживается междуширотный обмен воздуха, очень важный для условий погоды и климата.
Все структурные параметры атмосферы (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.). Слоистая структура атмосферы имеет и много других разнообразных проявлений.
4.3. Химический состав атмосферы.Химический состав атмосферы неоднороден по высоте. Если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание атмосферы, относительный состав постоянных компонент атмосферы остаётся практически неизменным (вся эта толща атмосферы получила название гомосферы), то выше 90 км – в гетеросфере под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излучением Солнца происходит сильное изменение химического состава атмосферы с высотой. Типичные черты этой части атмосферы – слои озона. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля – взвешенных в атмосфере твёрдых частиц земного и космического происхождения. Наиболее часто встречаются аэрозольные слои под тропопаузой и на высоте около 20 км.
Состав атмосферы в отличие от атмосферы Юпитера и Сатурна, состоящих главным образом из водорода и гелия, и атмосферы Марса и Венеры, основные компоненты которых – углекислый газ, земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода. Атмосфера Земли содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие, постоянные и переменные компоненты. Относительная объёмная концентрация постоянных газов, а также сведения о средних концентрациях ряда переменных компонентов (углекислый газ, метан, закись азота и некоторые другие), относящихся только к нижним слоям атмосферы, приведены в таблице 1.
Наиболее важная переменная составная часть атмосферы – водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах – у земной поверхности от 3% в тропиках до 2·10-5%в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах – около 1,6-1,7 см «слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно содержания водяного пара в стратосфере противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.
Атмосферное питание растений в некоторых климатических зонах может вносить существенный вклад в общий баланс питания растений. Так в экваториальных экосистемах (биогеоценозах) у растений образуются специальные «воздушные корни», благодаря которым происходит поглощение растениями элементов питания из атмосферного воздуха. В целом большинство растений способно поглощать химические элементы из атмосферы листьями.