Сферы, сферы, сферы…

Сферы, сферы, сферы…

Структура Земли в современную эпоху поддается прямым измерениям и наблюдениям только на поверхности, в космосе, в атмосфере, в океанах и на небольших, всего до немногих километров, глубинах в земной коре. Средний радиус Земли составляет 6370 км – не так уж много, меньше, чем от Петербурга до Хабаровска – и практически на всем этом расстоянии еще не удалось провести прямых измерений внутренней структуры планеты. Об этом судят только по косвенным данным с помощью сейсмического и электромагнитного зондирования путем расчета скоростей упругих волн от очагов землетрясений или от сильных подземных (ядерных) взрывов.

Полученные геофизические данные указывают, что современная Земля состоит из следующих, начиная с самых глубоких, разнородных слоев.

1) Ядро с внутренним твердым слоем на глубинах 5100– 70 км, внешним жидким слоем на глубинах 2900—5000 км и переходным слоем между ними на глубинах от 5000 до 5100 км;

2) Мантия со слоями: нижним (1000—2900 км), средним (400– 1000 км) и верхним (30-400 км).

3) Земная кора – литосфера, верхний слой твердой Земли от поверхности до глубин 30—33 км. Состоит из трех типов пород: изверженных (застывших потоков расплавленной магмы), осадочных (состоящих из пород, разрушенных действием воды и ветра, а также из растворенных веществ и остатков организмов) и метаморфических (состоящих из пород первых двух типов, подвергшихся действию высокой температуры и сильного давления в глубоких слоях литосферы).

Такие представления позволили геофизикам рассматривать Землю, всю ее мантию от ядра до земной коры, как вращающийся толстостенный шар с внутренней жидкой полостью, в которой плавает небольшое шарообразное твердое ядро, могущее вращаться иначе, чем мантия.

4) Гидросфера – Мировой океан, покрывающий планету на 71% ее поверхности. Наличием гидросферы Земля отличается от других планет Солнечной системы. Вода в 800 раз плотнее воздуха. Вода обладает исключительной теплоемкостью: изменение температуры единичного объема воды на 1° изменяет на ту же величину 3,3 тысячи объемов воздуха. Наибольшая плотность воды достигается при +4°, благодаря чему лед остается на ее поверхности. Отличительной особенностью вод Мирового океана является его соленость: на 1 литр воды приходится (грубо) 35 граммов солей, 90% из которых приходится на хлористые соединения. Вода обладает наибольшим поверхностным натяжением среди жидкостей, кроме ртути. На единицу поверхности океана приходится примерно на 20% больше тепла, чем на ту же поверхность суши. Таковы лишь главные особенности гидросферы Земли, оказывающие влияние на атмосферу, на формирование погоды и климата.

5) Атмосфера – внешняя газовая оболочка, ограниченная снизу твердой или жидкой подстилающей поверхностью, то есть сушей или океаном.

Мы занимаемся погодой Петербурга и совсем небольшого, в масштабах Земли, региона, так что крупномасштабные геофизические проблемы нам просто не объять, да и находятся они вне нашей темы. Но рассмотреть подробнее атмосферу Земли нам необходимо. Она – объект удивительный, уникальный (автор надеется, что читатель не взыщет строго за частое употребление этого слова, кстати, используемого ныне по поводу и без повода в самых разных случаях). Атмосфера содержит 5300 триллионов тонн воздуха – вес, который трудно себе представить. Но это всего лишь одна миллионная часть массы всей Земли. Между массами планеты и ее атмосферы существует замечательная (уникальная!) взаимосвязь. Будь Земля легче, ей было бы труднее удерживать свою воздушную оболочку. Луна, например, почти в сто раз легче Земли и вокруг Луны атмосферы нет… Будь Земля тяжелее, ее атмосфера была бы более плотной и тонкой, и погода на нашем шарике была бы совсем иной…

Атмосфера простирается в высоту на сотни и даже на 2000 км. Но как не удивиться тому, что половина массы атмосферы сосредоточена в нижнем 5-километровом слое, три четверти – находится ниже 10 км, 90% – ниже 15 км. Нижний слой атмосферы высотой 10—15 км называют тропосферой. Именно в этом слое формируется и проявляется погода. Температура воздуха в тропосфере падает с высотой от 12—15° у земной поверхности (в среднем) на 6-7° на каждый километр. Тропосфера неоднородна и слоиста по высоте.

У самой земной или водной поверхности располагается приземный слой тропосферы. (Любую поверхность, над которой находится воздух, метеорологи называют «подстилающей».) Высота приземного слоя оценивается от нескольких метров до немногих сотен метров. В этом слое вершится жизнь, здесь обитает самая обширная часть органического мира и живой природы, включая жизнь людей. Явления в этом слое оказывают влияние не только на погоду, но и на существование всего живого. Характер этих явлений и процессов настолько сложен и важен, настолько своеобразен и отличен от процессов в других слоях атмосферы, что учение о приземном слое выделено в отдельную часть метеорологии – микрометеорологию. Ее предметом является изучение переноса тепла, скорости движения, влаги, различных примесей от земной поверхности в более высокие слои атмосферы и обратно к земле.

Над приземным слоем до высот 1-2 км располагается пограничный слой тропосферы (используется разная терминология: планетарный пограничный слой, нижний слой, слой трения, слой возмущения, слой механического перемешивания). Здесь еще достаточно велико влияние подстилающей поверхности, которое выражается в различиях – градиентах – метеорологических элементов с высотой, хотя они и не столь значительны, как в приземном слое. Здесь развиваются нижние обложные и дождевые облака.

Над пограничным слоем находится средний слой тропосферы до высот 6-8 км, теперь именуемый чаще свободной атмосферой. Здесь местные особенности подстилающей поверхности проявляются уже несущественно. Здесь развиваются главные процессы текущей погоды – горизонтальное и вертикальное движение воздуха, формируется основная облачность. Здесь можно пренебречь некоторыми факторами, рассмотреть движение крупных объемов воздуха – воздушных масс – в «чистом» виде, без деталей, затемняющих основной процесс. Здесь с достаточным основанием принимаются определенные допущения, на которых основаны принципы повседневных краткосрочных (на 1-3 суток) прогнозов погоды. Такие прогнозы для свободной атмосферы составить проще, чем для пограничного и приземного слоев, поэтому их составление предшествует прогнозам для нижних слоев.

Над свободной атмосферой находится верхний слой тропосферы – выше 6-8 км и до нижней границы стратосферы. Здесь влияние подстилающей поверхности практически отсутствует. Здесь отмечается минимальная в тропосфере температура воздуха, причем всегда отрицательная. На эту высоту проникают вершины мощных кучевых и грозовых облаков, а остальная, самая верхняя облачность состоит из мельчайших ледяных частиц.

От 15—20 км и до 50—60 км простирается стратосфера, которая оставалась неизвестной до конца XIX в. А теперь она усиленно изучается, хотя бы потому, что это сфера действия ракет и высотной авиации. Температура в стратосфере почти постоянна, около -50°, или медленно повышается. Удивительно, что состав воздуха остается почти неизменным далеко за пределами тропосферы, до высот 100—500 км. Сухой воздух состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и очень малых долей инертных газов (аргона, гелия, неона, радона), а также переменных примесей – водяного пара, углекислого газа и трехатомного кислорода (озона). Постоянство газового состава атмосферы не влияет, на первый взгляд, на движение воздуха, но оно позволяет принять очень важную гипотезу «сплошной среды», благодаря которой метеорологи пренебрегают движениями отдельных молекул воздуха, а изучают динамику его больших объемов. Особенно важна гипотеза сплошной среды при изучении атмосферы математическими методами.

Из переменных примесей в воздухе очень важен водяной пар, хотя его содержание не превышает нескольких долей процента. Это единственная составная часть воздуха, которая при температурных условиях в атмосфере может переходить из газообразного состояния в жидкое и твердое с поглощением и выделением больших количеств тепла. Именно наличие водяного пара делает атмосферу живой, осязаемой, с облаками, дождями, туманами. 90% водяного пара сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое тропосферы. Водяной пар вместе с углекислым газом определяют «парниковый эффект», пропуская солнечное тепло к земной поверхности и задерживая ее излучение, благодаря чему нижние слои воздуха оказываются самыми теплыми. В стратосфере водяного пара нет, там нет облаков и осадков, там совершенно сухо, очень холодно и безжизненно. Можно сказать еще проще и короче: в стратосфере нет погоды в понимаемом нами смысле. Выше 100—120 км постоянный газовый состав воздуха нарушается: более тяжелые молекулы остаются на этом уровне, легкие поднимаются в космос.

Об озоне известно, что его слой защищает нас и вообще все живое на планете от губительного радиоактивного космического излучения. Полагают, что озонный экран сыграл главную роль в эволюции биосферы, так как его защитное действие обусловило заселение суши живыми организмами.

В последние 20—30 лет интерес к озонному слою существенно возрос в связи с обнаружением в нем «дыр», сквозь которые патогенное излучение достигает Земли, угрожая жизни. Виновником неблагоприятного явления считаются изменения термодинамики нижней стратосферы, как в результате естественных колебаний, так и под влиянием хозяйственной деятельности людей. Мы – люди, все более стремясь к удобствам и комфорту, выбрасывают в атмосферу ежегодно сотни тысяч тонн вредных веществ, которые вступают в химические реакции с озоном и разлагают его. Принято немало соглашений, резолюций, конвенций с целью регулирования производства вредных примесей. Однако в этих бумагах нет обязывающих решений, и проблема остается «замороженной». Все хотят жить хорошо сегодня, сейчас, а что будет потом… Авось пронесет, а после нас хоть потоп, хоть «озоновые дыры». Тем более что наука не единодушна по поводу этой проблемы, да и не бескорыстна, пожалуй… И все же число защитников природы растет. Вокруг экологических идей образуются политические партии и движения, признанные международным сообществом. Нобелевская премия мира 2007 г. присуждена бывшему вице-президенту США Альберту Гору за активные усилия в защиту окружающей среды.

Слой атмосферы от 60 км до 400 км называется ионосферой, так как на этих высотах образуются потоки электрически заряженных частиц. Они влияют на радиосвязь, особенно при повышенной активности Солнца. Ионосфера связана с магнитным полем Земли, вызывая полярные сияния. В некоторых исследованиях утверждается, что усиленные процессы в ионосфере каким-то образом повышают циклоническую деятельность в тропосфере. Каким? Этот вопрос исследуется…

Добавим, что, по некоторым представлениям лито-, гидро– и атмосфера являются частями биосферы, объединяющей все части планеты, где возможно существование живых организмов. «Жизнь всей Земли с ее атмо-, гидро– и литосферой, со всеми растениями, животными и со всем населяющим Землю человечеством следует рассматривать как жизнь одного общего организма».^[181]

Данный текст является ознакомительным фрагментом.