Мировой океан и климат
Мировой океан и климат
К.х.н. О.В. Мосин
ИСТОРИЯ КЛИМАТА
Возраст Земли — 4,6 ± 0,005 миллиардов. лет. Его определяют очень четким радиоизотопным способом по возрасту падающих на поверхность Земли метеоров. Метеоры стали бомбить поверхность Земли сразу после ее образования.
Длительное время числилось, что Земля в свое время была полностью расплавленной. Но на данный момент ученые убеждены, что этого никогда не было, так как никаких следов этого не найдено. Следами должны могли быть быть массивные древние отложения карбонатных осадков, которые должны были выпадать из атмосферы. Не считая того, из раскаленной атмосферы расплавленной Земли должны были испариться великодушные газы.
Но этого не вышло. Видимо, на то, чтоб расплавить Землю, не хватило тепла. Оно поступало за счет ударов метеоров, также за счет радиоактивного распада и движения вещества снутри планетки в вертикальном направлении. При всем этом более тяжелое вещество опускалось вниз, к центру планеты, а более легкое — всплывало ввысь. При таком движении выделялась энергия, перевоплащающаяся в тепло.
Энергии всех этих источников хватило только для разогревания внутренней части Земли, также для того, чтоб расплавить ее поверхностный слой. Из этого слоя — из верхней мантии Земли, вырывалась вулканическая лава. Она сформировывала земную кору.
Рис. Строение Земли – ядро и мантия
Сначало образовавшаяся мантия была однородной. Но потом она равномерно стала делиться на легкоплавкую и тугоплавкую части. 1-ая часть состояла в главном из базальтов, в каких были растворены газы и вода. Эта более легкая часть мантии подымалась ввысь к поверхности Земли. Потом она через жерла вулканов и трещинкы разломов изливалась на поверхность. При всем этом выбрасывались газы и вода в виде пара. Из этих газов и воды потом образовалась атмосфера Земли и Мировой океан.
Через вулканы и на данный момент активно выбрасывается вещество. Оценено, что в год таким методом выбрасывается 3—1015 гр вещества. Это вещество и сделало земную кору.
Основную часть газовых выбросов при извержении вулканов составляют водяные пары, углекислый газ, сернистый газ, метан (СН4), аммиак (NH3), азот и другие газы. Из их и образовалась первичная атмосфера. Она кардинально отличалась от современной. Во-1-х, она была очень узкой. Во-2-х, у поверхности Земли ее температура была равна приблизительно 5 °С. В критериях таковой низкой температуры водяной пар преобразовывался в водянистую воду — так равномерно образовался Мировой океан и вся гидросфера. В то же время появились снег и лед — криосфера.
Ученые установили, что первичная атмосфера Земли состояла наполовину из метана; 35% приходилось на углекислый газ и 11% на азот. Не считая того, она содержала пары воды и другие газы. Кислорода в то время в атмосфере вообщем не было. В атмосферу совместно с вулканическими газами попадали кислые дымы. Это соединения водорода с хлором, фтором и бромом. Они растворялись в каплях воды, которая была в облаках, и выпадали в виде дождика слабеньких кислот на поверхность Земли. Таковой же путь прошли соединения серы и аммиак. Появились кислотные ручьи и реки, текущие по базальтам. При всем этом из пород базальтов извлекались щелочные и щелочноземельные металлы. Это калий, натрий, кальций, магний и другие. Извлекалось и железо.
За счёт всех этих процессов масса атмосферы стремительно увеличивалась. Из атмосферы активно вымывались отлично растворимые и активные газы. И в ней стало возрастать содержание газов, которые владеют парниковым эффектом. Потому температура у поверхности Земли стала расти. Это содействовало увеличению пасмурного покрова и содержания пара в атмосфере. Под действием солнечного излучения из молекул воды на верхней границе атмосферы стал выделяться кислород. Стало вероятным окисление активных газов атмосферы. Аммиак, метан и другие газы растворились в водах Мирового океана. В итоге растворения в воде углекислого газа создавались бикарбонатные и карбонатые ионы. Они связывались с кальцием и, выпадая в осадок, образовывали слои карбонатов. Так значимая часть газообразного вещества, совершив кругооборот, вновь ворачивалась к земной коре в виде отложений. К примеру, в земную кору возвратилось 80% углекислоты, которая из земных недр поступила в атмосферу. Потому можно сказать, что земная кора формировалась и за счет взаимодействия океана и атмосферы.
Если б первичная атмосфера содержала кислород, то жизнь в таких критериях не могла бы появиться. Дело в том, что в таких критериях первичные органические вещества могли быть кислородом окислены здесь же и окиси перевоплотился бы в неорганические.
Первичный океан состоял из воды с резко выраженной кислой реакцией. Эта вода представляла собой смесь разбавленных кислот с доминированием угольной кислоты и огромным содержанием кремниевой кислоты. По мере связывания металлов и образования солей кислотность воды в океане снижалась. Таким макаром, ни на суше, ни в морях и океанах в то время пресной воды не было.
Что касается суши, то в начальный период она занимала огромную часть поверхности Земли, чем на данный момент. Она представляла собой обнаженный грунт, который сформировался вулканическими отложениями — базальтами, туфами, вулканическими бомбами. В то время на суше и на море дышали огнем цепи вулканов. Многие участки поверхности Земли были усыпаны метеоритными кратерами. Поверхность суши была покрыта океаническими хребтами, которые обрывались рифтовыми долинами — провалами с крутыми стенами. На деньке этих провалов фактически не было земной коры. Из этих мест вытекала раскаленная лава, лупили фонтаны жарких минерализованных гейзеров, дымились выбросы газов. Такие огромные трещинкы когда-то облегали весь земной шар. Они делили земную кору на несколько циклопических плит. Эти плиты передвигались, наползали друг на друга и расползались. В тех случаях, когда одна плита подвигалась под другую, формировались горные поднятия. При всем этом нижняя плита погружалась в недра и частично опять переплавлялась. В этих местах создавалась более мощная и поболее легкая континентальная земная кора.
Такая первичная климатическая система (атмосфера — океан — суша — криосфера) просуществовала приблизительно один млрд лет. Она значительно поменялась после того, как на Земле зародилась жизнь. В Гренландии были найдены эталоны кварцитов, возраст которых составлял 3,8 миллиардов. лет. Это древние из пород, обнаруженные на Земле. Исследования проявили, что в тончайших средах кварцитов, из которых сложены древние породы, имеются шарообразные и удлиненные пустоты. В этих пустотах были обнаружены куски стен, которые имели очевидные признаки принадлежности к одноклеточным организмам. Означает, жизнь на Земле начала развиваться за длительное время до этого. К тому моменту (3,8 миллиардов. годов назад) она успела уже пройти стадию доклеточного развития, также стадию перехода от органического вещества к живому существу.
Каким был климат на Земле в самый давнешний — архейский период? Анализ отложений этого периода свидетельствует об богатстве воды в это время. Атмосфера Земли была агрессивно-восстановительной. Вода морей характеризовалась высочайшей кислотностью. Это был самый теплый период па Земле. Атмосферный газ содержал огромное количество углекислого газа, также других примесей, которые делали парниковый эффект. Создавалась мощная облачность, так как при высочайшей температуре воды океана активно испарялись. Облака закрывали свет, и на поверхности Земли под облаками царствовал полумрак. К этому добавим, что практически безпрерывно гремели грозы и шли обильные кислые дождики и ливни. В определенной мере это та перспектива, которая ждет нас, если выбросами в атмосферу население земли раскачает ее термический баланс и начнется реальный процесс потепления на Земле. Если к этому добавится проникновение гибельного ультрафиолета к поверхности Земли (так как озонный слой будет разрушен), то трагизм происходящего достигнет собственного апогея: не только лишь произойдет необратимое изменение климата, да и закончит существовать биосфера как такая. Но вернемся к описанию конфигурации климата в прошедшем. Фактически, мы и делаем экскурс в историю климата с целью отыскать ответ на вопрос— что нас ожидает в итоге конфигурации состава атмосферы, а означает, и энергетического соотношения, что безизбежно должно привести к изменению средней поверхностной температуры Земли.
Атмосфера Земли стала изменяться в архейскую эру с момента возникновения микроскопичных сине-зелёных водных растений, которые производили фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды. При всем этом выделялся свободный кислород. Все это было вероятным под действием солнечного света. Уф-излучение Солнца в наше время задерживается атмосферой. При таком составе атмосферы оно проходило беспрепятственно к земной поверхности. Поэтому 1-ые организмы смогли сохранить свою жизнь исключительно в воде на таковой глубине, куда ультрафиолет не проникал. Как понятно, конкретно озон, задерживает уф-излучение Солнца и сохраняет нам и всему живому жизнь. Разрушив озонный слой, мы рискуем загнать жизнь глубоко в воды Мирового океана.
Рис. Жизнестойкие зеленоватые водные растения, выделенные из старых промерзлых осадочных толщ: А — Chlorella vulgaris, Б — Chlorella saccharophila, В — Chodatia tetrallantoidea, Г — Chlorococcum sp.
Озон появляется из кислорода. А кислорода в начальной атмосфере не было. Потому не было и озонного слоя. Кислород в атмосферу стали поставлять мельчайшие организмы, похожие на современные синезеленые водные растения. С началом их появления атмосфера начала кардинально изменяться. Это вышло приблизительно 3 миллиардов годов назад.
Сначала образующийся кислород расходовался на окисление атмосферных и растворенных в океане активных газов — метана, сероводорода, аммиака, также серы. Молекулярный азот образовался в процессе окисления аммиака, растворенного в океане. Образованный молекулярный азот явился источником азота в современной атмосфере. Количество кислорода в атмосфере равномерно увеличивалось. Окислительные процессы привели к возникновению сульфатных осадков — гипсов.
Приблизительно полтора млрд годов назад в атмосфере создалось кислорода около 1% от сегодняшнего его содержания. Потому стало вероятным появление организмов, которые при дыхании перешли к окислению. Это аэробные организмы (аэро — воздух). При таком методе дыхания высвобождается существенно больше энергии, чем при анаэробном брожении. В это время в атмосфере начинает формироваться озонный слой. Он задерживает часть ультрафиолетового излучения, и жизнь в океане и водоемах подымается поближе к поверхности. Аква слой шириной в один метр накрепко защищал живы организмы от уф-излучения.
Содержание кислорода в атмосфере равномерно увеличивалось (приблизительно 600 млн. годов назад оно составляло десятую часть от нынешнего). Потому озонный слой увеличивался. Это усиливало защиту жизни от ультрафиолета. Приблизительно с сих пор начался реальный взрыв жизни. Скоро на сушу вышли 1-ые самые примитивные растения, что содействовало более резвому повышению количества кислорода. Через какое-то время оно достигнуло современного уровня. Есть мировоззрение, что его было еще более. Но оно стало равномерно уменьшаться. Не исключено, что этот процесс уменьшения кислорода в атмосфере длится и в наше время. Изменение количества кислорода в атмосфере обязательно вызовет изменение количества углекислого газа.
Океан также изменялся. Изменялся его состав. Находящийся в воде аммиак окислялся. Поменялись также формы передвижения железа. Сера была окислена в окись серы. Из хлористо-сульфитной вода океана стала хлоридно-карбонатно-сульфатной. Огромное количество кислорода оказалось растворенным в воде океана. Там его стало в 1000 раз больше, чем в атмосфере. Появились новые растворенные соли. Масса воды океана продолжала расти. Это привело к затоплению срединно-океанических хребтов. Эти хребты в Мировом океане были открыты только во 2-ой половине нашего столетия.
На суше в это время происходили поразительные перемены благодаря возникновению растительности. Это значительно изменило отражательные характеристики суши. Изменился и нрав испарения воды, так как поменялась шероховатость земной поверхности, покрытой растительностью. По другому стали протекать процессы выветривания и формирования осадочных пород.
Поверхность Земли, занятая ледниками, очень изменялась. Она то очень увеличивалась, то уменьшалась. Так в конце концов сформировалась климатическая система. Огромную роль в этом сыграл фактор жизни и фотосинтез. Об этом свидетельствуют такие факты. За 10 миллионов лет фотосинтез перерабатывает массу воды, которая равна всей гидросфере. Приблизительно за 4 тыщи лет обновляется весь кислород атмосферы, а всего за 6—7 лет поглощается вся углекислота атмосферы. Это означает, что за всегда развития биосферы вся вода Мирового океана прошла через ее организмы более 300 раз. Кислород за этот период времени возобновлялся более 1-го миллиона раз.
Потом наступила протерозойская эпоха. В это время начали появляться 1-ые ледники и 1-ые ледниковые отложения. Эта эра была учеными названа гуронской, так как в первый раз эти отложения были обнаружены в Канаде в районе озера Гурон. Потом они были обнаружены и в других регионах Земли (в Южной Америке, в западной Австралии).
Ледниковую гуронскую эру сменил период потепления, который продолжался около 1-го млрд лет. За ним последовала 2-ая эра обледенения — гнейсесская. Она сменилась сравнимо теплым периодом, который продолжался 100—150 млн. лет. Потом вышло новое похолодание и распространение ледников — стертская ледниковая эра. После этой ледниковой эры последовал период потепления, который сменился третьей эрой обледенения — вараганской. Все эти три эры обледенения укладываются в первую эру — докембрийскую.
Что все-таки касается следующей фанерозойской эры, то она началась с теплого кембрийского периода, за которым последовал ордовикский период. В конце этого периода вновь началось обледенение, о чем свидетельствуют необъятные отложения циклопических валунов — тиллитов. Следы ордовикского обледенения нашли в 1960-е гг. французские геологи-нефтяники в Западной Африке и в Сахаре. Интересно, что конкретно в Сахаре, наибольшей пустыне мира, были обнаружены подтверждения былого обледенения. Ордовикское обледенение завершилось в селуре. После него наступил долгий теплый период, который продолжался до каменноугольного периода. Сначала этого нового периода начинается новое похолодание. Оно достигнуло своего апогея приблизительно 280 млн. лет тому вспять. В то время появились большие ледниковые покровы и шельфовые ледники над мелкими морями. Плавучие льды покрывали моря, также места вокруг полюсов. Айсберги бороздили воды океанов. Нескончаемая мерзлота обширно распространилась на огромных местах в обоих полушариях. Об этом обледенении свидетельствуют отложения тиллитов. Они обнаружены на больших местах Южной Америки, Южной Африки, Индии, Австралии и Антарктиды. Обнаружены они и в Сибири. Мощность пластов тиллитов добивается сотен метров.
После чего обледенения в конце пермского периода началась теплая эра, которая длилась до середины кайнозойской эпохи, а потом вновь наступил период обледенения.
Длительность ледниковых эпох определяется достаточно точно при помощи радиоизотопных способов. Эти способы позволяют определять возраст пород, которые потом были покрыты слоем тиллитов. Эти измерения позволили установить, что самая древняя ледниковая эра — гуронская. Она началась 2,34 миллиардов. лет тому вспять и завершилась 1,95 миллиардов. годов назад. Последующая, гнейсесская эра обледенения имела место 950—900 млн. годов назад. Стертская эра обледенения продолжаласьот810до715 млн. годов назад. Последняя эра обледенения — варангская — продолжалась от 680 до 570 млн. годов назад.
Во 2-м зоне — фанерозойском — 1-ая эра обледенения длилась от 460 до 410 млн. годов назад. Ее именуют ордовикской. После теплого перерыва последовало новое гондванское оледенение, эра которого продолжалась от 340 до 240 млн. годов назад.
Любопытна регулярность эпох обледенения и их большая продолжительность. Ясно, что они не являются случайными эпизодами на Земле. Учеными была высказана идея, что эры оледенения повторяются на Земле с периодом в 150 млн. лет. Они считают, что часть эпох обледенения пока не найдена, потому эта периодичность и не подтверждается. Вопрос этот важен, так как нужно осознать причину чередующихся эпох обледенения. Любопытно, что эры обледенения не только лишь чередуются с теплыми эрами, но за последние 2,5 миллиардов. лет занимают приблизительно столько времени, сколько и теплые эры. Это в этом случае, если в это время включить длительность развития и окончания обледенения.
В эры обледенения ледниковый покров сначала наступал, затем отступал. Ледники то стягивались к полюсам, то обширно распространялись, по месту суши и прибрежных морей. В пределах одной ледниковой эры этот колебательный процесс стягивания — расширения ледникового покрова повторялся не один раз. Потому сама эра обледенения не однородна во времени.
Необходимо подчеркнуть, что со временем в границах одной эры обледенения центры обледенения равномерно сдвигались. Отнюдь не всегда такими центрами были полюса. По мере вымерзания воды в периоды разрастания ледниковых покровов уровень воды в океанах, естественно, уменьшался. Это падение уровня океанов достигало 10-ов метров. Когда льды таяли, воды в океанах прибавлялось. От уровня воды в Мировом океане зависят очертания и размеры суши — ее то заливает водой, то с нее вода стекает в океан. Размеры суши изменялись. Растения и животные полностью зависели от этого процесса. По мере пришествия эры обледенения теплолюбивые растения и животные сменялись холоднолюбивыми. Позже все ворачивалось на круги своя. И так периодически, а поточнее циклически все повторялось много раз.
Эры обледенения были очень оживленными в плане конфигурации температуры, уровня воды в океане, движения ледников. Это сказывалось на биосфере, на растительном и животном мире. Теплые эры были существенно стабильнее. Изменение наружных критерий происходило медлительнее, средняя температура на поверхности Земли изменялась некординально. Разница в значениях средней температуры на Земле в эры обледенения и в теплые эры составляла не так и много, всего 7—10°. Такая разница свойственна для критерий, когда ледники стягиваются около полюсов. Это в эру обледенения. Когда же ледники обширно разрастались, то эта разница средних температур на Земле в теплые эпохи и эры обледенения достигала 20°. Мы на данный момент живем в эру обледенения, когда ледники стянуты к полюсам. Средняя температура на поверхности Земли на данный момент составляет 15 °С. В предшествующий теплый меловой период средняя температура у поверхности Земли была на 7° выше, другими словами она составляла 22 *С. 10-ки тыщ лет тому вспять ледники разрастались до собственных наибольших размеров. Тогда средняя температура у поверхности Земли была ниже современной приблизительно на 6—10°. Разница ее с таковой температурой в теплый меловой период достигала 13—17°.
Таким макаром, за последние 2,5 миллиардов. лет происходили следующие конфигурации климата на Земле. После теплой архейской эпохи наступил долгий период чередования теплых и прохладных эпох, которые имели различную длительность. Это означает, что на Земле в этот период сменяли друг дружку два разных устойчивых типа климата. Любой из их продолжался 10-ки миллионов лет. Во время 1-го климата — теплого — суша и моря были безледными. Во время второго климата — прохладного — часть суши и морей была покрыта ледовым панцирем. Ясно, что оба эти климата принципиально отличались друг от друга. Ледники шли от полюсов, другими словами в широтном направлении. Потому во время обледенелого климата зональные климатические конфигурации были более резкими, чем во время теплого климата.
Современная климатическая система смотрится последующим образом. Атмосфера Земли имеет массу, равную 5,3 • 1021 г. Она состоит из молекулярных азота и кислорода, аргона, углекислого газа, неона, гелия и метана. Основная масса атмосферы сосредоточена в нижних слоях. Половина массы находится в толще высотой 5 км, 2/3 — в тропосфере, а в двухкилометровой толще находится 9/10 всей массы.
Основное воздействие на климатические условия разных районов и всей Земли оказывают процессы в тропосфере. Это поглощение солнечной радиации, формирование потока теплового излучения в инфракрасной (длинноволновой) области спектра, общая циркуляция атмосферы, водообмен, который связан с образованием туч и выпадением осадков.
Важны и химические реакции. Движение воздушных масс и развитие циркуляции в глобальном масштабе связано с тем, что на различных широтах (в тропическом поясе, полярных и умеренных широтах) земная атмосфера получает различное количество солнечной энергии. В тропиках идет отток теплого воздуха ввысь от земной поверхности и по направлению к полюсам. В полярных районах из-за остывания воздуха он устремляется вниз к поверхности Земли и движется потом в сторону экватора. Из-за вращения Земли, которое приводит к тому, что в умеренных широтах воздух при движении от экватора поворачивает на запад. Так образуются циклоны и антициклоны. Они захватывают теплые массы воздуха на юге и прохладные на севере и далее продолжают движение, вращаясь против часовой стрелки (антициклоны) либо по часовой стрелке (циклоны). Размер атмосферных вихрей составляет около 5000 км в поперечнике. Такими вихрями переносится тепло меж полюсами и экватором.
Всю совокупа крупномасштабных движений в атмосфере именуют общей циркулярной атмосферы. Она очень непростая.
Стратосфера также влияет на формирование климата. В стратосфере находится слой аэрозолей — мелких твердых и водянистых частиц, которые изменяют поток солнечного излучения, отчасти поглощая и рассеивая его. В стратосфере находится и озонный слой.
Причины, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КЛИМАТ
Что такое климат— знают все. Климат — это та же погода, усредненная за 10-ки лет. Когда молвят, что климат мокроватый, то это никак не означает, что каждый денек наблюдается мокроватая погода. Просто за 10 — 20 лет в данной местности преобладали мокроватые погоды.
Климат, как и погода, поддаются измерению. Измеряют атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, направление и скорость ветра, облачность, видимость, осадки (количество и вид), туманы и метели, грозы и другие явления, продолжительность солнечного сияния, температуру земли, высоту и состояние снежного покрова и почти все другое. Это мы перечислили составляющие части климата. Спецы их так и именуют — метеорологическими элементами.
Климат Земли определяется элементами среды глобального либо климатического масштаба. Это океан, атмосфера, суша, солнечное излучение, снежно-ледниковый покров. Но не только элементы среды оказывают влияние на климат. Климат, в свою очередь, тоже оказывает влияние на эти элементы. Если первую связь считать прямой, то 2-ая является оборотной.
Из произнесенного ясно, что мы имеем дело со сложной системой, которая состоит из многих частей, связанных меж собой. Потому спецы в наше время молвят все почаще о «климатической системе» Земли. А раз «система», то она должна непременно подчиняться всем законам, которые определяют развитие, состояние, режим жизни систем. Если систему вывести из состояния равновесия, то пригодится определенное (но не хоть какое) время, за которое система либо возвратится в прежнее состояние, либо в ней установится новое состояние. Что конкретно произойдет при возмущении климатической системы, зависит как от нрава и интенсивности возмущения, так и от того состояния, в каком в момент воздействия находилась климатическая система. Климатическая система содержит в себе атмосферу, гидросферу (океан и воды суши), сушу (материки), криосферу (снег, лед и районы долголетней мерзлоты), также биосферу. Ученые проявили, что погода и климат на Земле плотно сплетены с конфигурацией солнечной активности, с выбросом из Солнца заряженных частиц разных энергий, с направлением межпланетного магнитного поля к Солнцу либо от него.
Центральным элементом климатической системы является атмосфера. Через нее человек принимает изменение других элементов. Атмосфера есть в хоть какой точке Земли, она глобальна. Другие элементы в той либо другой мере локальны. Океан занимает 70,8% поверхности Земли. Суше остается 29,2%. Ледники занимают чуток больше 3% поверхности Земли. Если сюда добавить морские льды и снежный покров, то получится 11%. Биосфера всераспространена в глобальных масштабах.
Атмосферный газ является всепроникающим. Он находится в состоянии непрерывного обмена с другими элементами климатической системы. Составляющие атмосферного газа растворяются в гидросфере. Из гидросферы они также поступают в воздух, проникают в поры и трещинкы литосферы. И в свою очередь атмосфера заполняется выбросами вулканических газов и их слабенькими потоками из литосферы. В ледниковых покровах также сохраняются атмосферные газы. При таянии льдов в виде пузырьков они освобождаются и поступают назад в атмосферу. Атмосфера обменивается газами с биосферой в процессе дыхания. Конкретно биосфера сделала в атмосфере кислород. Атмосфера как элемент климатической системы является самой подвижной из всех других частей.
Гидросфера Земли и сначала Мировой океан – принципиальные составляющие образования климата. Тепло, масса и энергия движения передаются от атмосферы водам Мирового океана и наоборот. Они соприкасаются вместе на 2/3 поверхности Земли. Водооборот появляется за счет того, что с поверхности океана в атмосферу испаряется существенное количество воды. Поверхностные течения в океане формируются атмосферными ветрами, которые переносят огромное количество тепла.
Океан является гигантским аккумом тепла. Масса океанической воды в 258 раз больше массы атмосферного газа. Для того, чтоб повысить температуру атмосферного газа на 1 С, океанической воде нужно дать то же количество термический энергии, в итоге которого температура воды уменьшится всего на одну тысячную долю градуса. Такие конфигурации температуры даже тяжело измерить.
Мировой океан исследован слабо. Только не так давно обнаружены очень принципиальные особенности циркуляции воды в океане. Так, были обнаружены океанические вихри, подобные циклонам и антициклонам в атмосфере. Поперечник этих вихреобразных кольцевых структур добивается 100 км. Характеристики воды в границах этих вихрей очень отличаются от параметров воды окружающей их.
Обнаружены также поверхностные океанические движения воды. Установлено, что и на огромных глубинах вода находится в движении. Гидросфера является очень подвижной средой, хотя по сопоставлению с атмосферным газом скорость движения тут в 10—100 раз меньше. Средняя скорость океанических движений составляет несколько см за секунду, тогда как скорость ветра добивается нескольких (а то и 10-ов) метров за секунду. В верхних слоях атмосферы эти скорости добиваются сотен метров за секунду.
Снег и лед – криосфера также очень важны для формирования климата. Покрывая земную поверхность, они очень увеличивают отражательную способность Земли. В итоге до 90% приходящей от Солнца термический энергии этим зеркалом отражается назад в космос. Поглощение солнечной энергии участками Земли, которые покрыты снегом и льдами, существенно ниже, чем обнаженных.
Основная масса льда сосредоточена в Антарктиде. Там находится 90% всего льда, который имеется на планетке. Но в этом случае главную роль играет не масса льда, а площадь поверхности Земли, на который он рассредоточен. А самую большую площадь на Земле занимают морские льды и сезонный снежный покров. Морской лед Северного Ледовитого океана сохраняется летом на площади около 8 млн. квадратных км. Зимой эта площадь увеличивается более чем вдвое. Она вдвое превосходит площадь Австралии. Морской лед зимой вокруг Антарктиды покрывает еще огромную площадь (практически 20 квадратных км). Летом площадь, занятая там льдами, в 10 раз меньше.
Снег в среднем за год покрывает до 60 млн. квадратных километров поверхности Земли. Границы как снежного покрова, так и морского льда находятся в непрерывном движении. Безпрерывно передвигаются ледники.
Сушу можно считать пассивным элементом климатической системы. Она за недлинные промежутки времени изменяется не достаточно. Ее изменяют процессы почвообразования, выветривания, эрозии, опустынивания. За 10-ки и сотки миллионов лет происходит дрейф материков, что совсем меняет вид Земли. И не только лишь лик. Изменяются все составляющие климатической системы. Скорость дрейфа материков составляет несколько см в год.
Биосфера является очень активным компонентом климатической системы. Действует она на конфигурации климата по-разному. Так, в периоды вегетации растительного покрова, смены растительных сообществ, расширения и сокращения площади, занятой растительностью, роста либо уменьшения биомассы ее влияния на конфигурации климата появляются по-разному, они проявляются в различных масштабах времени.
Если климатическую систему сопоставить с живым организмом, то можно сказать, что роль крови в нем делает вода. Она находится в всех фазовых состояниях (пар, жидкость, снег, лед). Вода является переносчиком массы и энергии в климатической системе. Климатическая система, по воззрению профессионалов, является в большинстве случаев системой саморегулирующейся. Это означает, что многие наружные и внутренние конфигурации (возмущения) гасятся, затухают.
Самым подвижным компонентом климатической системы является атмосфера. В ней происходят слабенькие и сильные движения воздуха, также конвекция. В ней формируются циклоны и антициклоны, зарождаются торнадо и ураганы. В атмосфере дуют устойчивые и неуравновешенные ветры, появляются атмосферные волны и с большой скоростью, несутся струйные течения. Атмосфера является менее инерционным компонентом климатической системы. Она оказывает влияние на изменение погоды за секунды, недели, месяцы и годы.
Очень подвижны воды Мирового океана. Поверхностные морские течения плотно сплетены с движениями атмосферного газа. В Мировом океане имеются и другие системы течений — придонные, приливно-отливные. Происходят также погружения и подъемы глубинных вод. Эти движения вод именуют апвелингом. Одна десятая площади поверхности океана занята этими движениями. На поверхности раздела вод с разной плотностью появляются внутренние волны.
Почему изменяется климат?
Точно на этот вопрос ответить никто не может. Существует много гипотез, которые рассматривают разные возможные предпосылки такового конфигурации, Все догадки о причинах наступления эпох обледенения можно поделить на две группы. Одни из их пробуют разъяснить данный факт причинами, которые находятся вне Земли. Основной источник энергии, тепла, от которого зависит климат, находится вне Земли. Это Солнце. Эти догадки исходят из того, что поток солнечной энергии мог почему-либо значительно изменяться. Потому изменялось и количество тепла, которое получала от Солнца Земля.
Рис. Изменение мировой температуры за последние 140 лет.
Почему Солнце может поменять энергию? Во-1-х, нельзя исключить, что процессы снутри Солнца протекают с определенной периодичностью, при этом длительность этих периодов составляет сотки миллионов лет. Изменяется активность Солнца с периодами в 11, 22, 33, 90, 200, 600, 2000 лет. От уровня солнечной активности зависит количество энергии, которую отправляет Солнце в околосолнечное место в виде солнечных заряженных частиц. Почему не может быть таковой (но с более длительным периодом) периодичности в изменении энергии, которую отправляет Солнце в околосолнечное место в виде волнового излучения — видимого света, рентгеновского и уф-излучения? Исключить такую возможность нельзя.
Но причину уменьшения энергии, которая проходит к Земле от Солнца, можно находить и вне Солнца. Солнце испускает всегда идиентично. Но временами попадает в некоторую черную (пыльную) полосу, и в итоге часть энергии рассеивается и до Земли не доходит. Может быть и такое, но это наименее возможно и наименее обусловлено, чем предположение о периодических процессах снутри Солнца. Тем паче что такие процессы с наименьшими периодами налицо. Но они касаются изменчивости солнечной энергии, которая переносится солнечными заряженными частичками. Спецы считают, что за время существования Земли, другими словами за 4,6 миллиардов. лет, светимость Солнца однообразно увеличивалась, не проявляя колебательных конфигураций. За всегда это возрастание составило приблизительно 25—30% первоначальной величины. Настолько существенное (на одну третья часть) повышение энергии, которую Земля получает от Солнца, не должно было остаться без последствий — Земля должна была со временем греться все в большей и большей степени. Несложно высчитать, что если приходящая от Солнца к Земле энергия возрастет на 1%, то это должно вызвать увеличение средней температуры у поверхности Земли на 1 °С. Это означает, что если светимость Солнца возросла за всю историю Земли на 30%, то ее средняя температура должна была за этот период времени возрасти на 30 °С. Но этого не вышло.
Что все-таки касается галлактической пыли, в скопление которой попадает Земля и экранируется от солнечной энергии, то эта пыль могла бы показаться в итоге прохождения кометы на очень близком расстоянии от Земли. Из хвоста кометы должна посыпаться пыль.
Относительно комет, то достаточное количество их проходит на различных удалениях от Земли. Раз в год 5 комет проходит на расстоянии от Земли, которое равно удалению Солнца от Земли. Это расстояние принято за единицу длины и именуется астрономической единицей. Применяя законы теории вероятностей, можно получить, что у всего этого сонма пролетающих за миллионы лет комет один раз приблизительно в 100 миллионов лет комета пронесется мимо Земли так близко, что очень запылит ее округи, сначала ее атмосферу. Если эта пыль находится в погодном слое атмосферы — под облаками, то дождиками и вообщем осадками она довольно стремительно вымывается из атмосферы и осядет на поверхности Земли, после этого больше не будет оказывать влияние на поток энергии, приходящий к Земле от Солнца.
2-ая группа гипотез отыскивает причину обледенений не в изменении потока солнечной энергии, которая добивается Земли, а в разной степени поглощения этой энергии Землей. Мысль заключается в том, что почему-либо временами в околоземном пространстве (в атмосфере Земли) создаются такие условия, при которых солнечная энергия утилизируется существенно ужаснее и температура существенно снижается. Причину такового конфигурации усвояемости энергии можно находить исключительно в атмосфере, где происходит сортировка солнечной энергии: часть энергии атмосфера отсылает назад в космос, часть пропускает к поверхности Земли нетронутой, а часть потребляет сама, сначала для собственного подогрева, а точнее нагрева. Но эта способность атмосферы находится в зависимости от ее состава, а состав атмосферы Земли за всю ее историю изменялся очень радикально. Не все составляющие атмосферы играют схожую роль при перераспределения солнечной энергии. Важную роль тут играет углекислый газ СО2, хотя его абсолютное количество в атмосфере ничтожно не достаточно — всего 0,03% объема.
Углекислый газ в атмосфере работает как пленка на теплице по принципу: впускать, но не выпускать. В итоге пблизительно 30% приходящего солнечного излучения отражается от верхних слоев атмосферы и уходит назад в космос, но большая часть проходит через атмосферу и нагревает поверхность Земли. Подогретая поверхность испускает инфракрасное излучение. Некие газы, входящие в состав атмосферы в относительно маленьких количествах (0,1%) способны задерживать инфракрасное излучение. Их именуют парниковыми газами, а само явление – парниковым эффектом.
Парниковые газы присутствовали в атмосфере практически на всем протяжении истории Земли, их баланс поддерживался за счет естественного круговорота в природе. В отсутствие парниковых газов температура воздуха у поверхности Земли была бы приблизительно на 30-33°С ниже, чем на данный момент. До начала эры промышленного развития концентрация диоксида углерода в атмосфере была равна 280ppm (частиц на миллион), а сейчас она возросла на 30% и достигнула 368ppm.
Если естественный парниковый эффект поддерживал атмосферу Земли в состоянии термического баланса, подходящего для существования животных и растений, то антропогенное повышение концентрации парниковых газов в атмосфере нарушает естественный термический баланс планетки за счет усиления парникового эффекта, и как следствие, вызывает глобальное потепление.
Приходящие к поверхности Земли солнечные лучи проходят атмосферу беспрепятственно. Это свет. Естественно, часть его рассеивается из-за мутности атмосферы. Световая энергия отчасти поглощается и нагревает Землю. Часть солнечной энергии отражается земной поверхностью (сушей и водной поверхностью) назад в атмосферу и дальше в космос. Нагретая Земля, как и хоть какое нагретое тело, начинает источать. Но получив световую энергию, она испускает термическую. Это инфракрасное, либо уф-излучение. Это излучение, уходящее от Земли, и задерживает диоксид углерода СО2. Если б СО2, в атмосфере не оказалось, то средняя температура на поверхности очень значительно снизилась бы. При всем этом на Земле наступили бы условия эры обледенения.
Из произнесенного выше ясно, откуда настолько завышенный энтузиазм к СО2 в атмосфере. Ведь углекислый газ в атмосфере может не только лишь уменьшиться, что грозит.нам ледниками, да и увеличиться, что грозит нам затоплением, так как при сильном потеплении начнут таять ледовые шапки на полюсах. И то и это плохо. СО2 лучше не трогать. Но как обеспечить его стабильность? Откуда он берется? Основная масса углекислого газа находится в океане. Его там в 50 раз больше, чем в атмосфере. Поставляет углекислый газ в атмосферу и биосфера. Но самое огромное его количество укрыто в земной коре. Он вырывается оттуда временами совместно с вулканическими извержениями. Ясно, что в текущее время установилось некое, хотя и очень хрупкое, равновесие меж всеми источниками углекислого газа. Если такое равновесие нарушается, то количество СО2 в атмосфере должно поменяться со всеми вытекающими отсюда последствиями. При всем этом безизбежно на Земле произойдет изменение климата.
Рис. Изменение концентрации диоксида углерода в атмосфере Земли за последние 40 лет
Нельзя исключить, что в прошедшем количество углекислого газа в атмосфере изменялось так, что это вызывало сильное похолодание, обледенение. Можно представить для себя такую последовательность событий. Биосфера Земли развивалась таким макаром, что постепенно утилизировала всю углекислоту — переводила в такие формы, которые не восстанавливали количество углекислого газа в атмосфере. К примеру, углекислота трансформировалась в отложения карбонатов, угля и других пород органического происхождения, которые содержат углерод. Если это происходило, то наступала эра обледенения. Условия для биосферы становились неблагоприятными, и биомасса равномерно сокращалась. Сокращались и ее потребности в углекислом газе. Означает, он стал опять равномерно скапливаться в атмосфере, которая потому получила возможность утилизировать солнечную энергию. А далее все опять, через 100. млн. лет, повторялось. Правда, при таком развитии событий цикл не непременно должен быть неизменным. Наоборот, более естественно, что он должен изменяться. И действительно, спецы считают, что в продолжение фанерозоя (другими словами периода жизни) главным регулятором количества в атмосфере кислорода и углекислого газа была конкретно биосфера. Ведущая роль в этом принадлежит биомассе океанов.
Углерод повсевременно поступает в атмосферу в форме диоксида углерода, метана и других газов. В это время газ поглощается зеленоватыми растениями, океанами и др. Это и есть круговорот углерода. Баланс в цикле является определяющим моментом в климате земли.
Углерод – принципиальная часть нашего организма, нашей еды, одежки и большей части горючего. Углерод заходит в состав многих ежедневно применяемых нами вещей. Более 90% узнаваемых хим веществ содержат углерод. Не умопомрачительно, ведь углерод просто вступает в связь с элементами, также с другими молекулами углерода.
Атомы углерода живых и мертвых организмов, океанах, породах и почве находятся в неизменном обмене. C каждым выдохом мы переносим СО2 из легких в атмосферу, этот углерод мы получили из съеденных нами растений и животных. Атомы углерода в наших тела сейчас ранее «принадлежали» разным растениям и животным, может быть, даже динозаврам либо другим вымершим видам.
Рассредотачивание углерода в атмосфере, организмах, земле и океанах с течением времени изменялась. 550 миллионов годов назад концентрация СО2 в атмосфере была 7 000 промилле, это в 18 раз больше, чем на данный момент. Куда пропал весь углерод из атмосферы? По большей части он перевоплотился в осадочные породы (к примеру, песчаники). Ответ о том, как конкретно это вышло, и есть основная часть повествования о круговороте углерода.
Углеродный цикл соединяет воединыжды многие био, хим и физические процессы перемещения углерода.
Зеленоватые растения поглощают диоксид углерода в процессе фотосинтеза. Сжигание органического горючего и дерева – источник СО2. Океаны являются и источником, и коллектором СО2. Происходит это поэтому, что находящийся в воздухе СО2 растворяется в воде, таким макаром, исчезая из атмосферы. В то же время растворенный СО2 выделяется из воды в атмосферу. Баланс меж этими 2-мя процессами находится в зависимости от многих причин и с течением времени изменяется. На данный момент в океанах растворяется больше СО2, чем выделяется. Это означает, что на данный момент океан – коллектор СО2.
Рис. Углеродный цикл
По скорости образования углерод содержат, их отложений на материках можно высчитать, как изменялся во времени химический состав атмосферы в фанерозое. Оказалось, что за последние 600 млн. лет было несколько всплесков роста количества кислорода и углекислого газа в атмосфере Земли. Более того, периоды завышенного количества СО2 довольно отлично совпадают с периодами теплых эпох, а периоды уменьшения количества СО2, — с эрами обледенений. Интересно, что конфигурации количества СО2 не очень огромные, тогда как итог от такового конфигурации в переменах климата— налицо. В проведенных расчетах принято, что количество СО2, в атмосфере изменяется в результате конфигурации вулканической активности. Сама вулканическая активность была определена по количеству вулканических пород за тот же период времени.
Колебания вулканической активности согласуются с конфигурацией количества углекислого газа. Это подтверждает корректность догадки о том, что в формировании всплесков роста количества СО2 вулканическая активность играет определяющую роль. Теплые эры на Земле связаны с завышенной вулканической активностью, а обычным климатом на Земле является как раз прохладный климат в эры обледенения.
Вулканическая активность является результатом процессов термической (термический) конвекции в недрах Земли. Эти процессы, вправду, выявляют определенную периодичность, ритмичность. Теоретические исследования демонстрируют, что долгие эры относительного покоя продолжаются 100—150 млн. лет. В это время развивается обледенение. Эти эры покоя сменяются эрами активности, которые известны как тектоно-магматические эры. Они продолжаются относительно недолго— обычно миллионы лет. Хотя некоторые совпадения во времени меж периодами потепления и периодами вулканической активности имеются, все же считать это доказанным нельзя, так как нет полного соответствия меж похолоданием— потеплением, с одной стороны, и процессами тепловой конвекции — с другой. Здесь «работает» очередной механизм конфигурации термического режима Земли. Когда уровень Мирового океана наибольший, то значительная часть суши оказывается под водой (до 40% по сопоставлению с современной). Отражательная способность поверхности Земли уменьшается (вода ужаснее отражает свет, чем поверхность суши). Означает, энергии отражается меньше и она идет на нагрев вод океана, также суши. Температура при. этом увеличивается. Когда площадь суши возрастает, то происходит оборотное — больше солнечной энергии отражается и температура снижается.
Крупномасштабные конфигурации глубины Мирового океана, которые продолжаются сотки миллионов лет, обоснованы конфигурацией скоростей приращения литосферных плит в районах рифтовых долин срединно-океанических хребтов. Дело в том, что при резвом раздвижении плит вновь образующаяся океаническая кора не успевает остывать и потому сформировывает «маленький» океан. Так как количество воды постоянное, то часть ее должна выплеснуться на сушу и затопить ее. Когда же скорость приращения литосферных плит миниатюризируется, то образовавшаяся океаническая кора постепенно остывает и сжимается. Потому океан становится «глубоким». При всем этом воде хватает места в океане — она оставляет сушу.
Перемещение континентов по поверхности Земли в составе литосферных плит также оказывает большущее воздействие на конфигурации климата за длительные промежутки времени. Как понятно, континенты передвигаются, и современная их конфигурация и положение совершенно не похожи на то, что было, скажем, 150 млн. годов назад. Ясно, что с течением времени и сегоднящая картина поменяется.
Былое размещение континентов можно вернуть по геофизическим данным. Легче всего это сделать для фанерозойского зона. Интересно, что следы обледенения спецы находят почти на всем протяжении Африки — от северной до ее южной оконечности. Означает ли, что в былые времена ледники достигали даже экватора? Никак нет. Не ледники достигали экватора, а сама Африка в какие-то периоды устремлялась от экватора навстречу ледникам. Ученые установили, что всегда в периоды оледенений один из континентов должен находиться в районе полюса. Когда происходило замещение воды сушей (у полюса возникал материк), то увеличивалась отражательная способность поверхности Земли, а означает, температура снижалась (Происходило образование льдов). К тому же районы полюсов получают меньшее количество солнечной энергии. Потому у полюсов осадки выпадают в виде снега. Весь снег не тает, из года в год он скапливается и преобразуется в лед. Так формируется около полюсов ледниковый покров— собственного рода глобальный холодильник. Он и влияет на климат всей планетки.
Совершенно по-другому развиваются действия в этом случае, если на полюсе оказывается не континент, а океан. Тогда ледниковый покров появиться не может. Потому у полюсов температура в теплую эру не должна быть ниже нуля градусов, а на экваторе менее 30 °С. В текущее время у 1-го полюса — южного — находится Антарктида, а у северного полюса — океан. Над океаном, в Арктике, в 3,5 раза теплее, чем над континентом в Антарктике. Так выражается воздействие океана у полюса.
История движения материков такая, что то они совместно составляли один суперконтинент, то они расползались в различные стороны. Это просто не могло не вызывать конфигурации климата хотя бы уже поэтому, что изменялась отражательная способность земной поверхности. Означает, изменялось количество энергии, поглощаемой Землей, которая шла на нагрев. В одной из самых теплых эпох фаперозоя — в мезозое— единый суперконтинент— Папгея — располагался по обе стороны экватора. В итоге средняя температура поверхности Земли была выше, чем на данный момент.
Конвективное движение мантии может создавать либо одну конвективную ячейку, либо две таких ячейки. Но обе эти структуры конвекции являются неуравновешенными, и одна перебегает в другую. Ученые подразумевают, что за всегда существования Земли уже 5 раз была одноячеистая структура конвекции. При такой структуре конвекции все континенты соединяются воединыжды в один суперматерик, который потом при переходе к двухъячеистой структуре раскалывается на части. Эти отдельные континенты дрейфуют в сторону вновь появившихся нисходящих потоков в мантии. Самая большая тектоно-магматичсская активность Земли имеет место в эры установления одноячсистой конвекции. В моменты перехода от одноячеистой структуры к двухъячеистой эта активность мала. В периоды, когда установится двухъячеистая структура, активность занимает среднее положение.
В эры завышенной тектоно-магматической активности происходит горообразование и общее увеличение суши. Это ведет к тому, что степень усвоения солнечного излучения миниатюризируется. В итоге температура снижается. Так ученые пробуют объяснить пришествие эпох обледенения. Но это только еще одна гипотеза.
В текущее время не вызывает сомнения одно— формирование эпох обледенения и потепления связано с процессами перестройки активности земных недр. Эти процессы на поверхности Земли выражаются как движение литосферных плит с ускорением либо замедлением скоростей приращения, как развитие вулканизма и горообразования, как объединение и разъединение континентов, как изменение площади и глубины океанов и, наконец, как конфигурации состава атмосферы и эволюционное развитие биосферы.
К.х.н. О.В. Мосин
Литературные источники:
Вода и происхождение жизни — статья на нашем веб-сайте по адресу: /article/planetwa/voda_i_proichogdenie_gizni.htm