Биосферные риски - Владимир Живетин

Угол между направлением на Солнце и нормалью к поверхности Земли в данной точке сильно меняется и в течение дня, и день ото дня в течение года. Солнечная энергия, поступающая за сутки, является важнейшей характеристикой климата данной широты. Изменение ее со временем года диктует климатический ход смены сезонов.

Астрономическая теория колебаний климата была создана выдающимся югославским ученым М. Миланковичем в 20-е годы XX века. Эта теория дала возможность вычислить времена ледниковых периодов прошлого и предсказывать наступление следующих ближайших оледенений Земли. Дело в том, что эксцентриситет земной орбиты меняется под действием малых возмущений других планет. Он может достигать значений еmax = 0,0658. Поскольку в перигелии и афелии расстояние до Солнца равно аО(1 – е) и аО(1 + е) соответственно, а освещенность Земли солнечными лучами обратно пропорциональна квадрату расстояния, то в течение года поступающая на Землю солнечная мощность меняется.

Характерный период изменения эксцентриситета составляет около 100 тыс. лет. Кроме того, с периодом 26 тыс. лет прецессирует (меняет свой наклон подобно «волчку», теряющему движение) земная ось, и угол наклона оси Земли к плоскости эклиптики (плоскости земной орбиты) тоже колеблется с периодом в 41 тыс. лет. Поэтому условия освещенности нашей планеты Солнцем существенно изменяются на протяжении как раз таких периодов времени, которые по порядку величины близки временам смены ледниковых эпох.

Влажность атмосферного воздуха связана с величиной насыщения его парами воды. Наиболее богат влагой слой атмосферы до высоты 1,5–2,0 км, где концентрируется примерно 50 % всей влаги. Чем выше температура воздуха, тем больше в нем влаги. Однако для конкретной температуры воздуха существует определенный предел насыщения его парами воды, а разность между максимальным и данным насыщением называется дефицитом влаги или недостатком насыщения. Чем выше дефицит влаги, тем суше и теплее, и наоборот. На анализе динамики дефицита влаги основаны многие способы прогнозирования различных явлений в мире живых организмов.

Напомним, что пары воды не пропускают инфракрасное тепловое излучение поверхности Земли. Поэтому тепловую энергию в космос излучают верхние слои тропосферы, где паров воды уже меньше, – почти вся она сконденсировалась и вымерзла ниже, в облаках. На верхней границе облаков температура примерно равна радиационной температуре Земли (257ºК), и даже насыщенный водяной пар с плотностью, равной 1,27 г/м3, при этой температуре уже прозрачен для теплового излучения. Поэтому верхняя граница облаков определяется общим содержанием влаги в воздухе и проходит примерно там, где инфракрасная прозрачность насыщенного водяного пара атмосферы становится настолько малой, что пропускает тепловое излучение. К низу облака температура растет, и возрастает концентрация насыщенных паров. Поэтому на некоторой высоте температура становится достаточной для испарения всей капельной воды облака, его водность обращается в ноль. Нижняя граница облаков определяется «точкой росы», когда концентрация влаги равна концентрации насыщенного пара.

Мощная конвекция рождает тучу – грозовое кучевое облако, его обычная высота в средних широтах равна 7–10 км, а вблизи экватора она достигает 12–15 км. В тучах имеются восходящие и нисходящие потоки воздуха. Последние возникают за счет падающих льдинок и капель дождя. Осадки – это одно из звеньев в круговороте воды на Земле, причем в их выпадении прослеживается сильная неравномерность. Выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны. Максимальное количество осадков выпадает в зоне тропических лесов (до 2000 мм/год), а в некоторых пустынях тропического пояса всего лишь 0,18 мм/год. Зоны с количеством осадков менее 250 мм/год считаются засушливыми (критическими для жизни).

Ветер. Как правило, мощная облачность располагается над теми местами, где давление у поверхности Земли низкое. Туда стремятся, закручиваясь кариолисовыми силами, поверхностные ветры, которые, в свою очередь, обусловлены разной степенью прогрева земной поверхности. В центре такого циклона воздух поднимается вверх и, охлаждаясь, образует облака. В верхних слоях атмосферы над областью пониженного давления, напротив, давление атмосферного воздуха выше среднего, характерного для данной высоты. В верхней тропосфере воздух, гонимый избыточным давлением, расходится от центра циклона.

Антициклоном называется область повышенного атмосферного давления у поверхности Земли. В антициклоне сухой воздух опускается из верхней тропосферы, поэтому над теми местами, где находится антициклон, безоблачное, ясное небо. Циклоны и антициклоны имеют размеры до 3000 км в поперечнике и среднее время жизни около недели.

Есть на Земле один постоянный циклон, и летом, и зимой стоящий около Исландии. Он рождается встречей теплых вод Гольфстрима с холодным полярным воздухом. Над всей Исландией всегда облачное небо. В нашей стране зимой погоду во многом определяет Сибирский антициклон. Главную роль в его формировании играют Гималаи, не пропускающие на север влажный воздух Индийского океана.

Ветры, рожденные у экватора, расходятся по всей планете, хотя, как мы видим, довольно сложным образом. Оценка скорости ветров и времени переноса кинетической энергии атмосферы на расстояние земного радиуса дает значение соответственно V ≈ 10 м/с и t ≈ 1 неделя. Разумеется, это средние значения названных параметров, однако по ним можно судить о распределении примесей в атмосферном воздухе планеты. Более долгосрочные прогнозы погоды связаны с изменением условий нагревания Земли.

Газовый состав атмосферы включает преимущественно азот (78,09 % по объему) и кислород (20,94 % по объему) с примесью незначительного количества диоксида углерода, аргона и некоторых других газов. В верхних слоях атмосферы (25–40 км) содержится озон, а в нижних слоях присутствуют твердые и жидкие частицы (вода, оксиды разных веществ, пыль и дым). Озон выполняет экранирующую роль по отношению к ультрафиолетовой части солнечного спектра, губительного для всего живого. Примеси мельчайших частиц (пыльца растений, дымы, гигроскопические соли, твердые и жидкие оксиды и др.) влияют на прозрачность атмосферы, препятствуя прохождению солнечных лучей к поверхности Земли.

Наиболее острой является проблема загрязнения атмосферы серосодержащими веществами. Диоксид серы оказывает вредное воздействие на растения, угнетая жизнедеятельность клеток. Листья растений сначала покрываются бурыми пятнами, а затем засыхают. Диоксид серы и другие соединения раздражают слизистую оболочку глаз и дыхательные пути. Продолжительное действие даже малых концентраций SO2 ведет к возникновению хронического гастрита, гепатита, бронхита, ларингита и других заболеваний. С наличием в воздухе SO2 связано выпадение кислых атмосферных осадков. Отмечены случаи выпадения осадков, соответствующие повышению кислотности по сравнению с нормой в 4000 раз.

Мелкие частицы пыли проникают в дыхательные пути и раздражают слизистые оболочки. Пыль, содержащая ядовитые вещества (мышьяк, ртуть, свинец), приводит к отравлениям. Асбестовая пыль способна вызвать фиброз легких, она также усиливает вредное воздействие диоксида серы. Ряд металлов (мышьяк, хром и др.) отнесен к веществам, вызывающим раковые заболевания. Оксид углерода инактивирует гемоглобин, обуславливая кислородную недостаточность тканей, вызывая расстройства нервной и сердечно-сосудистой систем, способствуя развитию атеросклероза. Химические превращения в атмосфере инициируются главным образом продуктами фотолиза таких молекул, как О3, О2, Н2О, N2О, NО2. Присутствие свободных радикалов приводит к смогу. Основные продукты фотохимических реакций – альдегиды, кетоны, СО, СО2, органические нитраты и оксиданты.

Вода — неотъемлемая часть всего живого на Земле. Вода океанов, морей, поверхностные и подземные воды суши, содержащиеся в реках, озерах, ледниках, составляют в совокупности гидросферу. В литосфере вода содержится в порах и более крупных полостях горных пород, либо находится во взаимосвязи с породами минералов. В атмосфере вода встречается в различных состояниях – в виде облаков, дождя, снега. Подвижность воды во всех фазах определяет ее способность перемещаться из одной среды в другую под воздействием температурных изменений, силы тяжести, а также химических и биологических процессов. Совокупность всех перемещений воды составляет гидрогеологический цикл.

Из 510 млн. км2 общей площади земной поверхности на Мировой океан приходится 361 млн. км2 (71 %). Океан – главный приемник и аккумулятор солнечной энергии, поскольку вода обладает высокой теплоемкостью (4,18 кДж/кг·К). Турбулентные потоки и поверхностные течения перемешивают верхний слой океана на глубину, примерно равную 100 м.