Розділ «ГЛАВА 2. ПРИРОДНЕ СЕРЕДОВИЩЕ»

У глобальному циркуляційному колі повітря змінюється не лише його температура. Піднявшись над тропіками на висоту більше 10 кілометрів, повітря сильно охолоджується і втрачає майже всю вологу. Сухе повітря знижується, нагрівається біля земної поверхні і рухається далі як суховій. Саме на цих широтах (25-30 градусів) розміщуються пустелі: Сахара і Калахарі в Африці, Аравійська і Тар в Азії, пустеля в Австралії.

Важливим елементом тропосфери є хмари - накопичення дуже маленьких краплинок води, які вкривають майже половину поверхні планети. Хмари збираються поверхневими вітрами, які, в свою чергу, викликаються зниженням тиску на окремій території земної поверхні. Область пониженого тиску називається циклоном. Антициклоном називається область підвищеного атмосферного тиску біля поверхні Землі. В антициклоні сухе повітря опускається з верхніх шарів тропосфери. Тому тут ясне, безхмарне небо. Циклони і антициклони мають розміри до трьох тисяч кілометрів і середній термін життя біля тижня. Тому кажуть, що "пам'ять" атмосфери не перевищує тижня.

Внаслідок грози інколи виникає таке небезпечне природне явище, як вихор, або торнадо, коли на невеликій території утворюються два прошарки повітря різної температури, вологості і густини. Розвиваються вертикально-колові течії повітря з швидкістю 50-100 метрів за секунду. У вихор захоплюються сусідні маси повітря, і він починає рухатись над поверхнею землі. Енергія торнадо буває велетенською: в 1945 році у французькому місті Монвіль було повністю зруйновано фабрику, внаслідок чого загинули сотні робітників. У 1984 році торнадо з швидкістю майже 100 м/с пронісся по Іванівській області Росії і знищив тисячі гектарів лісу, зруйнував будівлі, згубив посіви. Над територією США в рік проноситься близько 700 торнадо, що спричиняє велику шкоду природі і людям.

Розглянуті фізичні процеси в атмосфері відбуваються одночасно з хімічними перетвореннями. На висоті 30-50 кілометрів під впливом ультрафіолетової частини сонячного випромінювання молекули води Н2О розпадаються на водень і кисень. Легкий водень у кількості одного кілограма за секунду піднімається вгору в термосферу, а кисень залишається (8 кг/с). Дія грозових розрядів і сонячного ультрафіолету призводить до розпаду деяких молекул кисню на атоми, які, вступаючи в реакції з молекулами кисню, утворюють озон О3. На висоті 30 кілометрів спостерігається найвища концентрація озону - одна молекула О3 приходиться на сто тисяч молекул О2. Якщо вилучити весь озон, то при нормальному тиску (тобто на рівні моря) він розміститься у прошарку товщиною близько трьох сантиметрів.

Нормальний природний стан озонового шару характеризується значеннями 300-320 о.Д. (одиниць Добсона).

Вода рухається під впливом різних причин. Вітер, тобто рух атмосферного повітря, викликає поверхневі нагонно-відгонні течії на всіх водних об'єктах. Ці течії, в свою чергу, стають тимчасовою причиною вертикальних переміщень мас води, так званого апвелінгу. На місце поверхневої прогрітої і насиченої газами (зокрема киснем) води з глибин піднімається холодна вода.

Річкова вода рухається під впливом земної гравітаційної сили. Швидкість течії залежить від стоку річки W (м/с) і площини перерізу потоку F (м2):

Маси морської води переміщуються у вигляді припливів і відпливів від дії сил притяжіння Місяця (більшою мірою) та Сонця (меншою мірою).

Всупереч силам земного тяжіння вода рухається знизу вгору в ґрунті і в рослинах завдяки капілярному ефектові змочування та силі вакууму випарювання.

Сонце є причиною гігантських океанських течій - теплих поверхневих Гольфстрім та Курасіво і холодних глибинних у протилежному напрямку протитечій. Відомий кліматолог Д. І. Воєйков назвав теплі течії трубами водяного опалення земної кулі". Гольфстрім кожної секунди переносить 83 мільйони кубічних метрів нагрітої на екваторі води в північному напрямку, прогріваючи води протягом тисяч кілометрів - його могутній вплив відчувається до Баренцового моря, де біля берегів заполярного Мурманська вода не замерзає суворою зимою.

Ще могутніша - 140*10 м/с - циркумполярна течія навколо Антарктиди ізолює "льодовий" материк і обумовлює більш суворий клімат, ніж в Арктиці.

Завдяки багатостановості, рухливості і теплоємності води гідросфера відіграє головну роль у створенні клімату Землі. Світовий океан є планетарним акумулятором - стабілізатором тепла, що неважко показати з допомогою залежності (6).

Враховуючи, що маса води Ма більша за масу атмосферного повітря М„ у 258 разів, визначимо, наскільки буде відрізнятись кількість акумульованого тепла водою і повітрям:

Отриманий результат яскраво підтверджує пріоритетне значення гідросфери в формуванні теплових процесів на планеті. Вночі і взимку вода підігріває поверхню Землі і атмосферу, а в спеку поглинає частку їхнього тепла. Вона переносить тепло з екватора до приполюсних регіонів, чим зменшує середню температуру в тропіках і підвищує в холодних краях. Цей процес нерівномірний. Існують райони особливо активної взаємодії між океаном та атмосферою - так звані енергоактивні Зони. Добре відома нью-фаундлендська енергоактивна зона у вигляді гідравлічного вихора діаметром біля 200 кілометрів на Гольфстрімі. Тут з кожного квадратного метра водної поверхні надходить в атмосферу 175 ват енергії за рік.

Передача теплоти супроводжується процесом випаровування води з утворенням в атмосфері дощових хмар. У цих хмарах накопичуються інші гази - сірчані і азотисті від виверження вулканів та інших літосферних процесів, окисли азоту, які утворюються при грозі від іонізації молекул азоту. Розчинені у волозі хмар гази утворюють кислоти, які надають дощам природну кислотність.

Сонячна енергія, перш ніж потрапити на земну поверхню, проходить "просіювання". Чотири відсотки сонячного випромінювання, а саме - ультрафіолетовий, згубний для живого, спектр (λ = 220...290 нанометрів (нм = 10-9), поглинається озоном, шар якого розміщується на висоті 20...60 кілометрів. Озон при цьому частково руйнується. Його постійне поновлення відбувається внаслідок природних процесів.

Інфрачервоний спектр (λ > 1000 нм) частково поглинається водяною парою у верхніх шарах тропосфери - це ще чотири відсотки сонячної енергії.

Поглинута сонячна енергія підвищує температуру атмосферного повітря згідно з залежністю (6) на величину ∆T.

92 відсотки сонячної енергії (290 < λ < 2000 нм) проходить у нижні шари тропосфери. Половина не поглинається, а розсіюється повітрям, надаючи небу блакитний колір. Друга половина потрапляє на земну поверхню і частково поглинається літосферою, гідросферою, рослинами. А так зване альбедо, яке дорівнює 28 відсоткам від випромінювання Сонця на Землю, відбивається і повертається в атмосферу.

Світлова енергія Сонця на земній поверхні переходить у теплову — інфрачервону, поверненню якої в Космос заважають (бо поглинають) водяна пара і вуглекислий газ. Цей механізм підвищення температури на земній поверхні та в нижній атмосфері отримав назву парникового ефекту (природного). Він характеризується значенням ∆T = 31-32°С. Без природного парникового ефекту середня температура повітря на планеті була б мінусовою (-16÷17°С).