Планета Земля
© Владимир Каланов,
сайт «Знания-сила».
29. Газообмен двух сред.
Напомним основные сведения о газовом составе атмосферы. У земной поверхности атмосферный воздух состоит из следующих газов (в % по объёму): азот (78,084), кислород (20,946), аргон (0,934), углекислый газ (0,033), другие газы: водород, гелий, метан, неон, криптон (0,004 все вместе).
По газовому составу атмосфера делится на два слоя. Нижний слой высотой около 100 км имеет по всей высоте практически одинаковое соотношение основных образующих его газов. Этот слой называется гомосферой. Постоянство газового состава в гомосфере объясняется активным перемешиванием воздуха как по вертикали, так и по горизонтали. Исключение составляют углекислый газ CO2 и озон O3, содержание которых меняется в зависимости от сезона и географического места. О том, что в индустриальную эпоху содержание углекислого газа в атмосфере постоянно возрастает, мы уже упоминали. В химическом отношении углекислый газ пассивен, время жизни молекулы СО2 – около 4,5 года, поэтому он может длительно находиться в атмосфере и накапливаться.
В воздухе всегда содержится водяной пар, как в газообразном, так и в жидком (вода) или твёрдом (лёд) состоянии, в зависимости от температуры. Основным источником поступления пара в атмосферу является океан. Пар поступает в атмосферу также от растительного покрова Земли.
На высоте 100 км остаётся меньше одной миллионной (10 -6 ) доли общей массы атмосферы. Но даже на высоте 1000 км имеется воздух, о чём свидетельствуют наблюдаемые на таких высотах полярные сияния. Плотность воздуха там, естественно, ничтожна.
Выше гомосферы, вплоть до внешней границы атмосферы, простирается гетеосфера. Термин «внешняя граница» здесь использован условно, ибо у атмосферы никакой внешней границы не существует: на высотах в несколько тысяч километров она постепенно переходит в космическое пространство. В гетеосфере с высотой под воздействием солнечного и космического излучения происходит изменение газового состава вследствие разложения сложных молекул на атомы. Этот процесс, называемый фотодиссоциацией, приводит к возникновению в воздухе ионов и электронов, которые вместе с нейтральными молекулами образуют ионизированную плазму. Слои, содержащие такую плазму, составляют ионосферу. Ионосфера простирается от верхней части гомосферы до высоты 400 – 500 км. Выше преобладают лёгкие газы – водород и гелий, которые, начиная с высоты 800 км, улетают в космическое пространство.
Диссоциация молекул кислорода O2 в верхних слоях атмосферы приводит к появлению атомарного кислорода (O). Его молекула, соединяясь с двухатомной молекулой, образует трёхатомный кислород O3, называемый озоном. Образование озона происходит в слое 15 – 70 км, а максимальное содержание озона наблюдается на высоте около 20 – 25 км. Эти слои называются озоносферой.
В тропосфере на уровне тропопаузы (10 – 12 км) содержание озона превышает приземные значения приблизительно в 5 раз. На высоте 23 км содержание озона больше приземного примерно в 100 раз. Учёные подсчитали, что если бы удалось выделить весь озон из атмосферы и привести к давлению 760 мм рт.ст. и температуре 0 °С, то озон образовал бы слой атмосферы толщиной от 1,2 до 7,6 мм, то есть в среднем около 3 мм .
Наличие в атмосфере озона имеет большое значение – он защищает живые организмы от вредного, а порой и губительного воздействия избыточного потока ультрафиолетового излучения Солнца.
Постоянный контакт атмосферы с огромной акваторией океана предопределяет непрерывный крупномасштабный газообмен этих двух сред. У поверхности моря воздух постоянно смешивается с водой: воздух поглощает влагу, которая уносится морскими ветрами, а атмосферные газы проникают в воду и растворяются в ней. Морские ветры, доставляя всё новые потоки воздуха к поверхности воды, облегчают проникновение атмосферного воздуха в воду океана.
Растворимость газов в воде зависит от трёх факторов: температуры воды, парциального давления газов, входящих в состав атмосферного воздуха, и их химического состава. В холодной воде газы растворяются лучше, чем в тёплой. С повышением температуры воды с поверхности моря выделяются растворённые газы в холодных областях, а в тропиках частично возвращает их в атмосферу. Конвективное перемешивание воды обеспечивает проникновение растворённых в воде газов по всей толще воды, вплоть до океанского дна.
Существуют расчёты, согласно которым в Мировом океане растворено газов столько, что их объём в три раза превышает объём океанских вод. С океаном связано много разных гипотез, научных и не очень. Если упомянутые расчёты верны, то нетрудно подсчитать, что уровень океана, лишённого растворённых в нём газов, понизился бы настолько, что все подводные хребты почти наполовину вышли бы из воды, а морское судоходство стало бы практически невозможным. Но лучше не фантазировать на эту тему, потому что морская вода, не содержащая растворённых газов, в природе не существует, не говоря уже о том, что растворы являются химическими соединениями, а не механической смесью.
Три газа, составляющих основную часть атмосферы, – азот, кислород и углекислый газ, в больших количествах присутствуют и в морской воде. Главным источником насыщения морских вод газами является атмосферный воздух. Часть этих газов образуется в самом море в результате жизнедеятельности животных, растений и бактерий, живущих в воде. Углекислый газ поступает в воду при извержении подводных вулканов (вместе с другими веществами) или образуется в процессе гниения органических веществ. Азот выделяется в процессе гниения тел морских животных при участии морских бактерий. Кислород в большом количестве выделяется в процессе фотосинтеза, при помощи которого водоросли и другие водные растения создают органические вещества для своего питания. Она часть этого кислорода уходит в атмосферу, другая растворяется в морской воде.
Учёные предполагают, что весь кислород атмосферы образовался за счёт фотосинтеза, и его количество поддерживается зелёными растениями. Рост городов и промышленных предприятий приводит к сокращению площади суши, занятой зелёными растениями. Катастрофическое уменьшение лесных массивов вследствие бессистемной и хищнической их вырубки, а также по причине постоянных лесных пожаров снижает содержание кислорода в земной атмосфере. В такой обстановке возрастает роль океана в регенерации воздушной оболочки Земли. Природа позаботилась о том, что кислорода в Мировом океане вполне хватает для всех морских организмов, а «излишки» кислорода постоянно улетучиваются в атмосферу. Когда мы любуемся морем, то обычно не думаем о том, что оно наполнено газом и что именно растворенным в воде кислородом дышат рыбы, крабы и другие существа, живущие в морской воде.
Мировой океан не только обогащает атмосферу кислородом, но и способствует удалению из неё углекислого газа. В современную эпоху в морской воде углекислого газа содержится в 60 раз больше, чем в атмосфере. В океане углекислый газ претерпевает сложные химические превращения. Значительная его часть используется многочисленными морскими организмами для строительства их известковых скелетов и раковин и таким образом превращается в составную часть малорастворимой соли – углекислого кальция CaCO3 . При отмирании организмов их скелеты и раковины накапливаются на морском дне , образуя слой известковых осадочных пород.
Относительное количество углекислого газа в воздухе ничтожно мало – чуть больше 0,03 % по объёму. Но значение углекислого газа в жизни нашей планеты огромно, потому что углекислый газ атмосферы задерживает тепловое излучение Земли. При уменьшении содержания углекислоты в атмосфере климат становится холоднее, а при увеличении наступает потепление. По некоторым оценкам, в последние 4–5 десятилетий содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось на 10–12 %. Если такая тенденция сохранится, то парниковый эффект вызовет повышение температуры в глобальном масштабе, а затем и таяние антарктических ледников, что равносильно гибели земной цивилизации. Когда такая угроза может стать реальностью? Гадать не стоит. Ясно одно: океан является могучим регулятором газообмена на Земле, но и его возможности не безграничны. Многое зависит от людей и, в первую очередь, от ума и воли обличённых властью и доверием народов мировых лидеров.
© Владимир Каланов,
сайт «Знания-сила».
Источник
Мировой океан и погодные условия
Мировой океан — это не только огромнейший резервуар воды, но и величайшее хранилище запасов регулярно поступающего в атмосферу тепла, которое диктует погоду на планете. Также океанская вода активно поглощает углекислый газ из воздуха. В ней обитает колоссальное множество микроскопических водорослей, которые выделяют в процессе фотосинтеза кислород в атмосферу Земли.
Таким образом, Мировой океан — это легкие нашей планеты, которые помогают поддерживать постоянный состав воздуха. А еще на поверхности океана в полярных районах лежат морские льды площадью от 14 до 28 млн. км2 и зависит от состояния океана и времени года. В итоге климат и погодные условия напрямую связаны с Мировым океаном.
Поэтому анализ взаимодействия атмосферы и океана является одной из главнейших задач метеорологии и смежных с ней наук. Существует большое количество научных вопросов, нуждающихся в решении и имеющих большое значение для всего человечества. Значительное место среди них занимают вопросы метеорологии. Часть будет рассмотрена в этой статье.
Зачем метеорологам контроль состояния океанов при долгосрочном прогнозе погоды?
Так как атмосферные тепловые запасы небольшие, то незначительна и ее тепловая память, иными словами, влияние нынешнего состояния на будущее. Эта величина равна 10-20 дням. Поэтому сложно давать долгосрочный прогноз погоды, опираясь на анализ атмосферных показателей на данное время.
Океан же имеет значительные запасы, что обеспечивает большой объем тепловой памяти и умение влиять на температуру и влажность атмосферы, отдавая ей свое тепло. Поэтому использование информации о изменении теплозапасов вод Мирового океана для составления долгосрочного прогноза погоды является перспективной и активно изучается метеорологами.
Какая разница в теплозапасах Мирового океана и атмосферы Земли?
Теплозапасы океана больше запасов земной атмосферы примерно в 1600 раз. Это происходит потому, что воды океана имеют большую массу и плотность по сравнению с атмосферным воздухом, а вода обладает большей теплоемкостью. Небольшие теплозапасы атмосферы объясняют и ее меньшую способность сохранять свое постоянство состава. Инерция в атмосферном воздухе в десятки раз меньше, чем в водах океана. Таким образом, и атмосфера меньше влияет на воды в океанах, чем океан на атмосферное состояние.
Какое количество тепла атмосфера получает от океана на разных широтах?
Средняя величина годового радиационного потока тепла с поверхности Мирового океана в атмосферу составляет от 1150 Дж/(сут • см2) на экваторе до 418 Дж/(сут • см2) на широте, равной 60°. Общее количество тепла в низких широтах, которое попадает из океана в атмосферу, примерно одинаково, а на широте 60° оно может быть от 850 Дж зимой до 0-200 Дж летом.
Как влияет океан на температуру атмосферы?
Мировой океан — постоянно действующий нагреватель атмосферы Земли. Его воды поглощают практически все тепло от падающих на Землю солнечных лучей. Накопив тепло в летнее время, в холодные месяцы океан отдает его атмосфере.
Насколько солнечные лучи прогревают воды Мирового океана?
Лучи солнца ощутимо прогревают только верхние несколько метров океана. Так как удельный вес теплой воды меньше холодной, то она не опускается вниз. Например, верхний слой воды в теплых морях может достигать температуры 25-28°С, а на глубине одного километра температура окажется не выше 5°С.
Какая температура воды бывает в Мировом океане?
Максимальные показатели температуры отмечаются возле экватора — примерно 28°С, а в низких широтах и замкнутых морях она может достигать и 32°С. Самая низкая температура воды наблюдается в полярных областях, у края морских льдов, где она может быть от 1.5 до -1.9°С. Температура воды в океане значительно колеблется в основном в поверхностном слое, до стометровой глубины.
Как Мировой океан влияет на содержание углекислого газа в атмосфере?
Среднее содержание окиси углерода составляет триста частей на миллион, доходя в некоторых районах до шести частей. Мировой океан поглощает примерно 83 % процента углекислого газа, остальное — суша.
Что происходит с углекислым газом, который поглощают морские растения?
Газ проникает в воду и растворяется в ней, усваиваясь микроскопическими водорослями в процессе фотосинтеза. Растения, поедаемые морскими животными, позже превращаются в известковые отложения на дне — соли угольной кислоты.
Откуда берется морской лед?
Лед образуется из ледяных кристаллов, возникающих при падении температуры воды почти до -2° С. Между ними остаются незастывшие капли рассола, которые замерзают при более низкой температуре. Кристаллы всплывают на поверхность, образуя ледяную корку, которая постепенно утолщается. Большое значение в этих процессах принадлежит колебаниям солености воды с нарастанием глубины.
Если соленость постоянна вне зависимости от глубины, то лед не образуется. Если же поверхностный слой распреснен и с увеличением глубины нарастает соленость, то верхний слой воды замерзает, отдав запасы тепла атмосфере. Поэтому так распространено образование морских льдов в Северном Ледовитом океане, так как его верхний слой распреснен и поэтому быстро охлаждается.
От чего зависит толщина морских льдов?
Темп нарастания морских льдов определяется температурой его поверхности, количеством снега на нем и интенсивности теплового потока из нижележащего слоя воды.
В Арктике к концу лета ледяной покров имеет толщину около двух метров. В Центральной Арктике толщина многолетнего льда достигает толщины трех-четырех метров. Антарктические льды являются в основном сезонными и имеют толщину около полутора метров. В Антарктике многолетние льды практически не встречаются.
Каковы направления дрейфа и скорость движения морских льдов?
Она равна приблизительно одной пятидесятой скорости ветра на расстоянии двух метров над поверхностью воды. Направление движения льдов соотносится с теоретическим направлением ветра при условие, что трение отсутствует, то есть примерно под углом сорок пять градусов вправо от существующего направления ветра (под углом влево — в южном полушарии).
Какие погодные условия влияют на образование самых высоких волн?
Волнение на море создается скоростью ветра, длиной разгона волн и тем периодом времени, в течение которого продолжается ветер. Соответственно, самые большие волны возникают над теми районами поверхности Мирового океана, где градиенты давления атмосферы (колебания в горизонтальном направлении на единицу расстояния) наибольшие, то есть в глубоких продолжительных циклонах.
Значительную известность среди моряков имеют незамкнутые пространства Южного океана в районе между сороковой и шестидесятой параллелями (так называемые «Ревущие сороковые»). В этих местах высота волн может достигать пятнадцати и даже больше двадцати метров и волнение океана имеет очень постоянный характер. Оно не стесняется большими островами и континентами и поэтому почти никогда не останавливается, потому что в южном полушарии практически отсутствует суша.
Известна своими высокими волнами и северная область Тихого океана, хотя там волнения носят не такой постоянный характер, как в южных районах Атлантического, Тихого и Индийского океанов (эти места принято теперь обобщенно именовать Южным океаном). В книгах иногда встречаются упоминания о волнах в океане высотой больше тридцати метров, но, по-видимому, такие волны имели другую природу.
Все вышеперечисленное о волнении на море можно отнести и к явлениям, являющиеся по своему происхождению метеорологическими, и не относится к волнам вроде цунами, которые имеют совершенно другое происхождение (вызываются движениями земной коры). Такие огромные волны могут даже достигать высоты тридцати пяти метров.
Есть ли взаимосвязь между скоростью ветра и морскими течениями?
Такая взаимосвязь не всегда значительна, но она, несомненно, присутствует. В океане существуют мощные течения, направление которых почти точно совпадает с направлением главенствующих ветров (например, атлантическое течение Гольфстрим, которое имеет теплые воды, движущиеся по направлению с юго-запада и на северо-восток, следуя по «дороге циклонов» от побережья Северной Америки до берегов Северной Европы).
Но существуют и другие течения, направление движения которых не соответствует направлению главенствующих ветров (например, течения в проливах Дарданеллы, Босфор, в Керченском проливе, холодное Лабрадорское течение). И в высоких, и в низких широтах наблюдается закономерность соответствия течений на поверхности океанов направлению перемещения воздуха в нижних отделах тропосферы. В Тихом океане с востока на запад по обе стороны экватора направляются течения, которые связаны с пассатами и Северного, и Южного полушарий.
Арктические льды в Ледовитом океане перемещаются в направлении главенствующих ветров. При этом нельзя упускать из вида, что скорость движения воздуха и воды имеют существенное отличие. Количество движения в Мировом океане в двести тридцать раз меньше, чем в атмосфере. Помимо этого, заставляя двигаться воды океана, атмосфера подвергается обратному воздействию океана на характер состояния воздуха и режим ветра над его поверхностным слоем.
Совпадает ли направление движения ветров над Атлантикой направлению течения Гольфстрим?
В большинстве своем соответствует. Направление течения Гольфстрим примерно параллельно линиям равного давления среднего поля давления атмосферы над Атлантикой. Но в некоторых районах рельеф океанского дна оказывает влияние на направление течения.
Чему равна температура воды в Гольфстриме?
В поверхностном слое океана у побережья Флориды температура воды в течении Гольфстрим составляет примерно 26°С, в районе Саргассова моря она всего на несколько градусов превышает температуру воды на близлежащих к течению районах океана. По направлению на северо-восток и север температура воды в Гольфстриме понемногу снижается, но остается довольно высокой, если проводить сравнение с температурой Мирового океана вне границ этого течения.
Например, весной в центральном районе на широте северного полярного круга она составляет 20°С, а в нескольких сотнях километров на запад она лишь на несколько градусов будет выше нуля, а при продвижении еще дальше на запад располагается край полярных льдов Гренландского моря. При этом скорость течения равна приблизительно 7 км/ч. В створе мыса Хаттерас ширина стержня течения составляет около ста километров.
Почему Баренцево море имеет такой бурный характер?
Баренцево море имеет славу одного из самых штормовых в мире. По его акватории пролегает граница очень контрастных масс воздуха, которые проникают сюда из Центральной Арктики — очень холодных и довольно сухих и из Западной Атлантики — влажных и теплых. По этой причине над Баренцевым морем все атмосферные фронты очень активные, циклоническую деятельность — очень интенсивной, со значительными градиентами давления и глубокими циклонами, которые порождают сильнейшие ветры и волны высотой более 3.5 м.
Что называют следом тайфуна в океане?
Тропические циклоны, в числе которых особенно выделяются тайфуны западной области Тихого океана, оставляют после себя следы не только в поверхностном слое океана, но и в глубине, до расстояния примерно в полкилометра. При этом он наблюдается в продолжение нескольких недель. Человеческий глаз не может увидеть этот след, но его замечательно видно при инструментальном измерении состояния воды в океане, и, главным образом, при определении ее температуры.
Объясняется это тем, что во время следования тропического циклона наблюдается активное испарение воды – ураганы и тайфуны берут свою энергию с поверхности океана, которая сильно разогрета. На процесс испарения уходит довольно большое количество тепла, которое впоследствии забирается воздухом при конденсации стремящихся ввысь паров воды в виде теплоты конденсации. При этом вода в океане начинает охлаждаться.
Ветер и волны, которые поднимаются тропическим циклоном, увеличивают эффект охлаждения поверхностного слоя, смешивая поверхностные воды с более глубокими и холодными. По результатам исследований русских океанологов, которые наблюдали за тайфуном Элла в Тихом океане, когда тайфун проследовал над местом расположения автоматических буйковых станций, то есть на участке шириной немного превышающей сто километров (соотносящейся с размерами тайфуна) температура воды стала ниже на 2°С, а на участках по обе стороны от оставшейся полосы — стала выше приблизительно на 3°С.
Следует отметить, что подобные следы могут оставлять после себя не только тайфуны, но и различные тропические циклоны. Подробно исследовать данное явление первый раз получилось в тайфуне, путь которого пролегал по месту океанологических изучений русского научно-исследовательского корабля «Академик Курчатов».
Как погодные условия могут оказывать влияние на фауну?
Мощные северные ветры, небывало суровые зимы и нерегулярные изменения морских течений могут наносить вред морским жителям умеренных широт, в особенности мелководным. В океанах периодически наблюдается снижение температуры воды, которое связано с долгими и суровыми холодами и нередко становится причиной гибели множества рыб. Приблизительно каждые 6-8 лет гибнет большое количество рыбы на мелководье Мексиканского залива и у техасского побережья Америки. Изменения насыщенности кислородом воды и ее температуры ведут к гибели многих морских жителей и, в результате, рыбы.
Что называют апвеллингом?
Апвеллинг – это подъем вод с глубины в океанах и морях, который сильно охлаждает поверхность моря. Существуют два типа апвеллинга: в открытом океане и около берегов. В открытом океане это явление слабо зависит от капризов погоды и вызвано течениями в океане, связанными с преобладающими ветрами.
Условия для появления вертикального движения воды и ее поднятия наверх с глубины появляются в местах расхождения поверхностных течений или крупных вихрей-круговоротов. Прибрежный апвеллинг зависит от погодных условий — появляется при длительном и мощном ветре, дующем примерно параллельно берегу или под слабым углом к нему, то есть от суши к морю. При этом с поверхности сгоняются воды и на их место приходят холодные воды с глубины.
В каких областях Земли бывает прибрежный апвеллинг?
Апвеллинг довольно часто встречается у берегов Кавказа и Крыма, в Черном море, а также на Каспии и у юго-западного берега Камчатского полуострова. Подъем вод у берегов регулярно происходит у западных берегов Перу, США, Марокко, Австралии и Южной Африки. Его интенсивность увеличивается летом и зимой и становится меньше в переходные сезоны. В нескольких странах, имеющих муссонный климат, апвеллинг появляется летом, когда муссонные ветры сгоняют воду. Постоянный летний апвеллинг встречается в некоторых местах в Бенгальском заливе и на Атлантическом побережье Северной Америки.
До какой температуры при апвеллинге происходит охлаждение поверхностных вод?
Температура при апвеллинге может понизиться от нескольких градусов и до 10-15°С. На Каспии и Черном море встречаются случаи сильных скачков температуры морской воды после сгона береговыми ветрами вод с поверхности: от 20 до 10-11°С и от 24 до 8-10°С соответственно.
Что сопровождает подъем воды с глубины, кроме снижения температуры воды?
Вместе с водами из глубины наверх всплывают и соединения фосфора и азота, что ведет к быстрому распространению фитопланктона в областях апвеллинга. Фитопланктон служит пищей для рачков, которых, в свою очередь, поедают рыбы. По этой причине в этих местах обычно встречается больше рыбы, чем в других областях океана.
Какая погода бывает в областях прибрежного апвеллинга?
В местах регулярного подъема вод с глубины наблюдается низкая температура поверхностного слоя воды и прилежащего к ней слоя воздуха. До некоторого момента температура воздуха повышается, поэтому над областями апвеллинга наблюдаются постоянные температурные инверсии, которые создают преграду для распространения морского влажного воздуха в глубину суши и вверх.
Не происходит и заметного вертикального развития облаков, потому что все запасы влаги размещаются в основном в поверхностном тонком слое воздуха, где постоянно образуются туманы. В таких местах практически не бывает облачности, способной приносить осадки и большой по высоте, и преобладает засушливый климат. Такими местами являются, например, Тихоокеанское побережье Перу и Чили в Южной Америке.
Источник