Понятие атмосферы, ее происхождение и эволюция.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли.

Функции атмосферы:

Терморегулирующая – погода и климат на Земле зависит от распределения тепла, давления.

Жизнеобеспечивающая.

В тропосфере происходит глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс определяющий круговорот воды, теплообмен.

Практически все поверхности геологические процессы обусловлены взаимодействием атмосферы, литосферы и гидросферы.

Защитная – атмосфера защищает землю от космоса, солнечной радиации и метеоритной пыли.

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в четырёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера(около четырех с половиной миллиардов лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера(около трех с половиной миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее в процессе утечки легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство и химических реакций, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов образовалась третичная атмосфера, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Азот

Образование большого количества N2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным О2, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3,8 млрд лет назад. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Кислород

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончанию данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами.

Углекислый газ

Содержание в атмосфере СО2 зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего — от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

Из межпланетного пространства в земную атмосферу попадает космическая пыль. В слое атмосферы до высоты 100 км содержится более 28 млн. т космической пыли, медленно выпадающей на поверхность.

Есть точка зрения, что основную массу пыли упаковывают в особую форму организмы в морях.

Аэрозольные частицы играют большую роль в развитии ряда атмосферных процессов. Многие из них являются ядрами конденсаций, необходимыми для образования тумана и облаков. С заряженными аэрозолями связаны явления атмосферного электричества.

До высоты около 100 км состав атмосферы постоянен. Атмосфера состоит в основном из молекулярного азота и молекулярного кислорода, в нижнем слое количество примесей с высотой заметно уменьшается. Выше 100 км молекулы кислорода, а затем и азота (выше 220 км) расщепляются под воздействием ультрафиолетовой радиации. В слое от 100 до 500 км атомарный кислород преобладает. На высоте от 500 до 2000 км атмосфера состоит в основном из легкого инертного газа – гелия, свыше 2000 км – из атомарного водорода.

Строение атмосферы

Атмосферу делят на пять сфер, различающихся между собой прежде всего по температуре. Сферы разделены переходными слоями – паузами.

Тропосфера – нижний слой атмосферы, содержащий около ¾ всей ее массы. В тропосфере находится почти весь водяной пар атмосферы. Верхняя граница ее достигает наибольшей высоты – 17 км – на экваторе и снижается к полюсам до 8–10 км. В умеренных широтах средняя высота тропосферы – 10–12 км. Колебания верхней границы тропосферы зависят от температуры: зимой эта граница выше, летом ниже; а в течение суток колебания е могут достигать нескольких километров.

Температура в тропосфере от земной поверхности до тропопаузы понижается в среднем на 0,6º на каждые 100 м. В тропосфере происходит непрерывное перемешивание воздуха, образуются облака, выпадают осадки. В горизонтальном переносе воздуха преобладают движения с запада на восток.

Нижний слой атмосферы, примыкающий непосредственно к земной поверхности называется приземным слоем. Физические процессы в этом слое под влиянием земной поверхности отличаются своеобразием. Здесь особенно резко выражены изменения температуры в течение суток и в течение года.

Тропопауза – переходный слой от тропосферы к стратосфере. Высота тропопаузы и ее температура изменяются в зависимости от широты. От экватора к полюсам тропопауза снижается, причем это снижение происходит неравномерно: около 30–40º северной и южной широты наблюдается разрыв тропопаузы. В результате она как бы делится на две тропическую и полярную части, находящиеся на 35–40º одна над другой. Чем выше тропопауза, тем ниже ее температура. Исключение составляют полярные районы, где тропопауза низкая и холодная. Самая низкая температура, зарегистрированная в тропопаузе – 92º.

Стратосфера – отличается от тропосферы большой разреженностью воздуха, почти полным отсутствием водяного пара и сравнительно большим содержанием озона, достигающим максимума на высоте 22–26 км. Температура в стратосфере с высотой возрастает очень медленно. На нижней границе стратосферы над экватором температура очень весь год около –76º, в северной полярной области в январе –65º, в июле –42º. Различия в температуре вызывают перемещения воздуха. Скорость ветров в стратосфере достигает 340 км/ч.

В средней стратосфере возникают тонкие облака – перламутровые, состоящие из кристалликов льда и капель переохлажденной воды.

В стратопаузе температура равна приблизительно 0º

Мезосфера – характеризуется значительными изменениями температуры с высотой. До высоты 60 км температура повышается и достигает +20º, на верхней границе сферы температура понижается до –75º. На высоте 75–80 км падение t сменяется новым повышением. Летом на этой высоте образуются блестящие, тонкие облака – серебристые, состоящие, вероятно из переохлажденного водяного пара. Движение серебристых облаков свидетельствует о большой изменчивости направления и скорости движения воздуха (от 60 до нескольких сотен км/ч), особенно заметно проявляющейся в периоды, переходные от одного сезона к другому.

В термосфере – (ионосфере) температура с высотой повышается, достигая на верхней границе +1000º. Скорости движения частичек газов огромны, но при крайней разряженности пространства их столкновения очень редки.

Наряду с нейтральными частицами в термосфере содержаться свободные электроны и ионы. В одном кубическом сантиметре объема их сотни и тысячи, а в слоях максимальной плотности – миллионы. Термосфера – сфера разряженного ионизированного газа, состоящая из серии слоев. Ионизированные слои, отражающие, поглощающие и преломляющие радиоволны, оказывают огромное влияние на радиосвязь. Слои ионизации хорошо выражены днем. Ионизация делает термосферу электропроводной и в ней текут мощные электрические токи. В термосфере в зависимости от солнечной активности сильно изменяются плотность (в сто раз) и температура (на сотни градусов). С деятельностью Солнца связано возникновение в термосфере полярных сияний.

Экзосфера – зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство.

На высоте около 2000—3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Водород, ускользающий из экзосферы , образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся до высоты 20 000 км.

Эволюция амосферы:

Атмосфера представляет собой механическую смесь многих газов. Главными составляющими чистого сухого воздуха на уровне моря являются азот (78%), кислород (21%), аргон (1%) и углекислый газ (0,03%). На долю остальных газов - неона, гелия, криптона, водорода, озо­на и т. д.— приходится менее 0,01% . Такой состав атмо­сферы явился следствием биологической эволюции на Земле, так как первичная атмосфера Земли была совсем другой. Она состояла из небольшого количества азота, аммиака и инертных газов и была чрезвычайно тонкой. Не было в атмосфере ни водяного пара, ни углекислого газа, ни кислорода. С началом геологической эволюции происходит дегазация мантии: выделение при вулкани­ческих процессах водяного пара и других газов из верх­ней мантии.

Следующим важнейшим событием стало появление свободного кислорода биогенного происхождения. Даль­нейшая эволюция атмосферы заключалась прежде всего в нарастании количества свободного кислорода, приведшего в конце концов к формированию кислородной атмосфе­ры — этого биогеохимического чуда, не имеющего анало­гов на других планетах Солнечной системы. Критическим уровнем содержания свободного кисло­рода в атмосфере с биологической точки зрения является точка Пастера— около 1% от современного уровня, при которой организмы переходят от использования энергии анаэробного (бескислородного) брожения к более выгод­ному (в 30-50 раз) окислению при дыхании. Эта точка была достигнута в начале фанерозоя, около 550 млн. лет назад. А когда содержание кислорода составило 10% от современного уровня, в атмосфере появился достаточно плотный озоновый экран, защищающий живые организ­мы от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей Солнца. Все это привело к эволюционному взрыву в начале кембрия. По характеру изменения температуры с высотой разли­чают тропосферу, стратосфе­ру, мезосферу и термосферу .

 24. Пространство и время в географической оболочке.

Пространство и его характеристики. Самым общим свойством пространства географической оболочки (геопространства) является егосферичность. Это означает, что кратчайшим расстоянием является отрезок дуги большого круга, пространство замкнуто и в нем есть верх и низ. Последнее качество сопряжено с тем, что в поле силы тяжести Земли наблюдается выраженная анизотропность (неравнозначность вертикальных движений), а из-за суточного вращения Земли — неравнозначность западного и восточного направлений (отклонение движущихся тел в соответствии с силой Кориолиса).

Благодаря наличию полюсов и экватора пространство географической оболочки обладает зеркальной симметрией относительно плоскости экватора. Она проявляется не только в фигуре Земли, но и в строении географических поясов, системах циркуляции воздуха и воды и др. Закономерные отклонения от симметрии —асимметрия — имеют значение как показатели неравновесного состояния Земли и географической оболочки.

Наиболее общая пространственная характеристика геосистем — размеры. Диапазон размеров географических объектов чрезвычайно велик: диаметр магнитосферы близок к 100 тыс. км, окружность Земли — приблизительно 40 тыс. км, а размеры наименьших геосистем (фация), изучаемых географией, — несколько десятков метров. Элементы природы меньшей размерности (например, гальки, слагающие пляж, или болотные кочки) также могут исследоваться в географии, но только в качестве составных частей геосистем.

Таким образом, весь пространственный диапазон геосистем определяется величинами от 10 до 107м. Границы этого интервала достаточно далеки от известных естествознанию границ: Вселенной (1030м) —мегамира и элементарной частицы атома (10-20м) —микромира. Вот почему географический мир иногда называютмезомиром.

Время и его характеристики. Наиболее общей временной характеристикой географической оболочки и геосистем являетсядлительность их существования. В относительной геохронологической шкале она включает криптозой и эозой, а в физической — несколько миллиардов лет. Это время сопоставимо с возрастом Земли (4—5 млрд лет) и Вселенной (15— 20 млрд лет). Минимальный временной интервал, который сохраняет еще географический смысл, составляет десятки секунд. При меньших отрезках времени мы наблюдаем уже не географические процессы, а случайные флуктуации.

Фундаментальным географическим понятием является характерное (или собственное)время — последовательность событий от появления (рождения) географической системы до ее исчезновения (смерти). В данную последовательность входят стадии преобразования (эволюции) системы, которые удобно, по аналогии с живым организмом, называть юностью, зрелостью и старостью, в то время как процесс самопроизвольного движения системы по шкале собственного времени называетсясаморазвитием.

Пространственно-временные меры. Пространственные и временные масштабы геосистем обычно даются в метрических мерах, введенных в физике. Однако нередко удобнее использовать иные меры и шкалы. Так, расстояние между объектами иногда оценивают не в единицах длины, а в затратах времени (один день пути) или энергии (водным или воздушным потоком) на его преодоление. Характерно, что подобные меры существовали в разных культурах. Например, египетская «стадия» или «чакрым» в Средней Азии учитывали условия (усилия, которые надо совершить, чтобы преодолеть определенное расстояние) передвижения: «чакрым» в горах короче, чем на равнине. В метеорологии сила ветра часто дается по 12-балльной шкале Бофорта, а не в метрических единицах (например, в м/с).

В географии также используют позиционные меры расстояния, а в качестве единиц меры — отдельные позиции, которые закономерно разделяют пространственные объекты. Например, между водораздельной линией и руслом водотока непременно находятся склон водораздела (бровка, верхняя, средняя, нижняя части склона, подножье) и пойма. Часто более ценной и содержательной является информация о том, к какой части позиционного ряда относится интересующий нас объект, а не метрическое расстояние или географические координаты (например, сравнить климатические показатели пунктов, расположенных на одной широте, но в разных частях континента).

Время как форма проявления свойств геосистем также не сводится к определению длительности их существования по временной шкале. Из физических мер только год исутки имеют географический смысл, другие временные меры его лишены. Однако для понимания географических процессов в геосистемах важны такие временные отрезки, как время возвращения геосистемы в равновесное состояние (время релаксации), время становления геосистемы, период полного колебания ее основных параметров, период, на протяжении которого система проходит полный цикл изменений (циклический период), различный для всех компонентов и др. Содержательное значение имеет соотнесение состояния геосистемы с одной из стадий ее эволюции, т. е. с элементом ее собственной временной шкалы. Например, У. М.Дэвис еще в концеXIXв. выделил три стадии развития рельефа: молодости, зрелости, старости. В.В.Докучаев, В.Р.Вильямс и С.С.Соболев исследовали стадии почвообразования и саморазвития эрозионных форм, используя сходную шкалу.

Пространственно-временная интеграция геосистем. Б.Б.Полынов и В. А. Николаев установили, что в такой сложной геосистеме, как ландшафт, сочетаются молодые, зрелые и реликтовые (оставшиеся от прошлых ландшафтов) элементы. Это не случайно. Собственное время каждого элемента различно, поэтому стадии их саморазвития, как правило, не будут совпадать, даже если они имеют близкую природу или непосредственно соседствуют и взаимодействуют между собой.

Благодаря тому, что физико-географические объекты, из которых интегрируются системы в результате их взаимодействия или пространственного соседства, имеют разные пространственно-временные масштабы, взаимодействие объектов может осуществляться только вероятностно-статистическим путем. Ярким примером является формирование климата, который А. С. Монин определяет как статистический ансамбль состояний системы «атмосфера—океан—земная поверхность», создающийся в течение нескольких десятилетий. В.Н.Солнцев, подчеркивая статистический характер ландшафтных взаимодействий, определяет ландшафтную систему как статистический ансамбль состояний, которые проходят ее территориальные компоненты также за несколько десятилетий.

Несоответствие скоростей развития процессов типично не только для различных объектов географической оболочки, но и для каждого отдельного объекта в разные периоды времени. Процесс то замедляется (и тогда время «растягивается»), то ускоряется (и тогда время «спрессовывается»). Например, уплотнено время прохождения таких событий, как весеннее снеготаяние или начало вегетации в средней полосе или в пустыне Средней Азии, когда существенны не только дни, но и часы. В другие сезоны (зима, лето) изменения бывают так малы, что незаметны на протяжении недель и даже месяцев.