Катастрофы в природе: климат и погода. Факты, причины, гипотезы и последствия

Катастрофы в природе: климат и погода

Факты, причины, гипотезы и последствия

Батыр Каррыев

© Батыр Каррыев, 2019

ISBN 978-5-0050-1349-1

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

«К концу последнего оледенения все ветви этого рода вымерли, за исключением только одного вида – Homo sapiens, т.е. современного человека. Однако последний распространился по всей суше планеты, затем в исторический период освоил поверхность гидросферы и произвёл на Земле такие изменения, что ныне всю ландшафтную оболочку Земли справедливо называют антропогенной». Лев Гумилёв «Этногенез и биосфера Земли», 1989 год.

История климата – это история колонизации планеты жизнью, результатом которой стали её современная атмосфера, гидросфера и земная кора. Всё живое приспосабливается к условиям существования и человек разумный не стал исключением. Во все времена климат выступал основным регулятором численности входящих в земную биосферу организмов. Понимание определяющих его состояние факторов является принципиально важным не только для будущего современной цивилизации, но и условий жизни миллиардов людей на ближайшую перспективу.

Месторазвитием человечества является поверхность планеты Земля, но не все места на ней пригодны для его существования. Во-первых, ледяные поля Антарктиды или острова на Северном полюсе исключают возможность обычной жизни. Во-вторых, покрывающий более 70% земной поверхности Мировой океан не пригоден для сухопутных существ. В-третьих, почти лишённые пресной воды песчаные и каменистые пустыни не обладают достаточными ресурсами для проживания значительных групп людей.

Эти области служат примером существовавших некогда на Земле климатических условий, когда они относились не к отдельным её участкам как сегодня, а охватывали всю её целиком. Поэтому легко представить состояние жизни в те времена, когда климат был не столь благоприятен для человека как сегодня.

К концу ХХ века развитие наук о Земле привело к пониманию того, что атмосферу, биосферу, гидросферу и литосферу нельзя изучать в отрыве друг от друга и происходящих в Солнечной системе процессов. Особенно явно это проявилось благодаря изучению других планет и мониторингу поверхности Земли с её орбиты.

Оказалось, что понятия «Климат», «Погода» и «Воздух» можно применить не только к Земле, но и к планетам земной группы, имеющим твёрдую поверхность и атмосферу – Венере и Марсу. Они также могут быть применены к обладающим разряженной атмосферой Плутону и Титану – луне Сатурна, которая занимает второе место по размерам среди спутников планет в Солнечной системе. Изучение формирующих их климат механизмов имеет важное значение для понимания изменчивости земного климата.

Современное время хорошо тем, что сведения о происходящих в природе явлениях стали предельно доступны. Цифровые технологии привнесли в изучение планеты детальность, масштабность и оперативность. Стало возможным заглянуть в её самые отдалённые уголки, наблюдать тектонические процессы на морском дне, изучать состояние атмосферы, полярных льдов и ледников на неприступных горных вершинах.

Вкупе с наземными наблюдениями и измерениями они открыли возможность обнаруживать признаки развития опасных атмосферных, геологических, геофизических и гидрологических процессов. Это особенно актуально на современном этапе, когда рост мирового населения и сосредоточение его большей части в городах, расширение и усложнение критической техногенной инфраструктуры увеличивают риски значительных потерь от превратностей погоды. по сравнению с прошедшими веками их не стало больше, но ощущаться они стали намного острее и не потому что о них в режиме почти реального времени сообщают масс-медиа, а из-за освоения человеком ранее неблагоприятных для жизни территорий и растущей плотности населения на них.

Появляется всё больше данных что повлиявшие на биосферу планету климатические сдвиги частично связаны с импактными событиями в её истории. Такими как столкновения с астероидами, гравитационные перемещения вещества и мегаизвержения вулканов. Они надолго приводили климат в турбулентное состояние и определяли ход эволюции жизни на Земле.

В некотором смысле человечество уподобилось им поскольку многотысячелетнее антропогенное преобразование природной среды оказывает соизмеримое воздействие на биосферу. Примеры этого можно найти во всех частях света – в Азии, Америке, Африке, Европе и Австралии, где первопоселенцы с помощью огня преобразили местную экосистему до неузнаваемости. Хотя обычный подозреваемый в подобных случаях это изменение климата, но сначала овладение огнём, а затем электричеством сделало человека частично ответственным за современное состояние биосферы.

Одним из влияющих на состояние климата планеты факторов стало булимическое истребление природных ресурсов. Благодаря электричеству, электронным коммуникациям и пищевой индустрии города превратились в обеспечивающие рост мирового населения инкубаторы с искусственной средой обитания. Это огромное достижение мировой цивилизации, которую можно одновременно называть городской, цифровой и электрической. Она начинается там, где есть электричество, и заканчивается там, где его нет.

Отображённые на картах и схемах всевозможные данные о состоянии природной среды позволили осознать, что она сопротивляется любому вмешательству со стороны человека. Весь вопрос только в скорости ответной реакции на него и наступлении момента, с которого ресурсы планеты окажутся недостаточными для поддержания городской цивилизации.

Эта книга продолжает серию «Катастрофы в природе» (2014—2017) включающую рассказы о землетрясениях, вулканической деятельности, гравитационных перемещениях вещества, водной стихии и астероидных угрозах. Автором не преследовалась цель дать исчерпывающее объяснение процессов формирования климата и погоды на земном шаре, а попытаться оттенить роль человека в преобразовании окружающей среды, которые тем или иным образом влияют на них. Книга будет интересна всем тем, кто интересуется науками о Земле.

Батыр КаррыевДоктор физико-математических наукE-mail: [e-mail]://sites.google.com/site/2017sibis/

За миллиарды лет до нашей эры

«Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенции науки». Стивен Хокинг «Краткая история времени», 1987 год.

Окружающий мир наполнен грандиозными движениями вещества вокруг, на поверхности и внутри Земли. Привычные смены дня и ночи, перемещение Солнца и Луны на небосводе ежедневно напоминают об этом. Более того сезонные и суточные изменения температуры земной поверхности подчиняются заданным в момент образования Вселенной законами небесной механики.

Звёздные циклы несопоставимы с периодом жизни на Земле и тем более со временем существования Homo sapiens – человека разумного. Бесчисленные вызовы природы сопровождали становление человечества, многие поколения сменили друг друга, пока уровень научных знаний не достиг общего понимания места Земли на полотне Мироздания. С этого момента получило естественнонаучное объяснение причин возникновения на ней жизни и той роли, которую в этом сыграл климат.

Своим состоянием он обязан Солнцу – звезде, в которой сосредоточенно 99,866% суммарной массы всей Солнечной системы. Каждую секунду термоядерный процесс превращает четыре миллиона тонн солнечного вещества в чистую энергию, которая в форме электромагнитных волн примерно за восемь минут достигает Землю и становится источником жизни на ней.

Солнечная система образована звездой и вращающимся вокруг неё восьмью планетами с более 63-мя спутниками (на 2018 год), несколькими десятками комет, огромным количеством астероидов и множеством метеороидов. Все космические тела движутся по своим траекториям вокруг Солнца. Четыре ближайшие к нему планеты определены как планеты земной группы. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс в основном состоящие из силикатов и металлов. Более удалённые от звезды образования называются газовыми планетами-гигантами. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В Солнечной системе обнаружены четыре карликовые планеты: Плутон, Эрида, Макемаке, Хаумеа, а в целом их вероятно больше.

Несмотря на очевидное подчинение жизни на планете Солнцу время от времени оно напоминает о себе в виде магнитных бурь и северных сияний, разгадка причин которых найдена менее двухсот лет назад. В 1859 году произошло «Событие Кэррингтона» сильнейшая за всю историю наблюдений геомагнитная буря на Земле. Её вызвал супершторм (Solar Superstorm) – вспышка на Солнце с мощным корональным выбросом, достигшим Земли через 17 часов 40 минут, а не как обычно через двое-трое суток. Журнал «Scientific American» 16 октября 1859 сообщал: «Теперь полностью установлена связь между вспышками света на северном полюсе и электромагнитными силами».

Энергия длящейся нескольких минут вспышки достигает миллиардов мегатонн тринитротолуола (ТНТ). Благодаря своей атмосфере и магнитосфере Земля избегает их катастрофических последствий, но вбрасываемые Солнцем плазменные облака вызывают геомагнитные бури, а жёсткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение влияет на состояние верхней атмосферы. Считается, что подобные событию Кэррингтона бури возникают на Земле раз в пятьсот лет. Мощные, но более слабые, геомагнитные бури происходили в 1921, 1960 и 1989 годах. Возможны и более мощные, чем в 1859 году геомагнитные бури.

Перемещение в космическом пространстве планет и их спутников вокруг Солнца, как и расстояние до него в основном определяют температурный режим их поверхности. Чем дальше от светила, тем меньше они получают лучистой энергии, которая в зависимости от особенностей вращения вокруг собственной оси и звезды неравномерно распределяется по их поверхности.

В том случае если космическое тело обладает атмосферой говорят о его климате и погоде. Они определяются многими факторами, но главные из них возникли в процессе формирования Солнечной системы. Это удаление от звезды и мощность её излучения, особенности вращения вокруг неё и своей оси, газового состава и плотности атмосферы.

Атмосфера – это газовая оболочка космического тела, удерживаемая около него гравитацией. Поскольку между атмосферой и космическим пространством нет резкой границы атмосферой считается сфера, в которой газовая среда как единое целое вращается вместе с небесным телом. В Солнечной системе атмосферой кроме Меркурия обладают все планеты земной группы, все газовые гиганты и часть их спутников. Газовый состав атмосферы у них различен так же, как и её основные физические характеристики – давление, температура и плотность.

До появления атмосферы солнечная энергия и оставшееся после образования планеты из протопланетного диска тепло определяли температуру земной поверхности и в обычном понимании у Земли не было климата. Он появился гораздо позже поскольку из-за активного вулканизма и частых столкновений с другими космическими телами вся её поверхность находилась в расплавленном состоянии.

В эту эпоху столкновения с астероидами были довольно часты, и они образовывали на протоземле глубокие кратеры диаметром в тысячи километров. Когда 4,52 млрд. лет назад она начала остывать с ней столкнулась планета Тея размером почти с Марс (подробнее Б. Каррыев «Катастрофы в природе: Удар из космоса», 2017).

Поскольку удар пришёлся не по центру протоземли, а почти по касательной большая часть вещества Теи и часть земной мантии были выброшены в космос (подробнее «Theory of the Giant Collision», 1984). Со временем это вещество собралось на земной орбите радиусом в шестьдесят тысяч километров в спутник – Луну, которая по спирали начала удаляться от Земли к своему нынешнему положению в 384 тыс. км от неё.

Столкновение с Теей привело к тому, что масса Земли возросла и её гравитационное поле стало способно удерживать вокруг неё атмосферу. Планета получила резкий прирост скорости вращения и начала совершать один оборот за пять часов против нынешних 24-х. Угол наклона её оси к плоскости эклиптики (орбите вращения вокруг Солнца) резко изменился и составил около 23-х градусов. Тем самым заданы условия, благодаря которым на Земле сформировалась биосфера и возникла кислородная атмосфера.

Период обращения Луны вокруг Земли в 27,32 суток совпадает с периодом вращения спутника вокруг своей оси поэтому он всегда повёрнут к Земле одной и той же стороной. Это произошло в результате гравитационного влияния Земли на Луну, вызывающего приливное трение в лунной оболочке из-за которого её обращение вокруг Земли и вращение вокруг собственной оси синхронизировались. В свою очередь наличие массивного спутника на низкой орбите стабилизирует ось вращения Земли, что оказало решающее влияние на появление на ней жизни, в том числе и разумной. Со временем Луна постепенно отдаляется от Земли, а её вращение замедляется.

Как своеобразный эксцентрик Луна стабилизировала движение Земли на орбите. Без неё за прошедшие миллиарды лет наклон планеты изменился бы на 85 градусов, а ось её вращения оказалась бы на уровне собственной орбиты. В современное время экватор находится под углом в 23,5 градуса к орбите, по которой планета движется вокруг Солнца.

Удаление Луны от Земли по спиральной орбите с момента её образования и схема иллюстрирующая разницу количества получаемой энергии земной поверхностью от экватора к полюсам и увеличение слоя атмосферы который приходится преодолевать солнечным лучам.

Подобно тому, как гравитация Луны вызывает морские приливы на Земле, так же земное притяжение вызывает приливное трение на Луне и тем самым замедляет её вращение. Такой же эффект оказывает и сам спутник притормаживая Землю из-за чего каждые сто лет продолжительность земных суток увеличивается на несколько миллисекунд. Если во времена динозавров Земля совершала один оборот вокруг своей оси за 23 часа, то в настоящее время на час больше.

Особенности перемещения системы Земля-Луна вокруг Солнца формируют температурный режим их поверхности. Он является результирующей двух основных процессов – получением солнечного тепла и отдачей его в космос. На Луне освещённая солнечными лучами поверхность быстро нагревается но и попадая в тень стремительно охлаждаться. Из-за этого температура на спутнике может доходить до плюс 123 градусов Цельсия и снижаться до минус 153 градусов.

На ближайших к Земле обладающих атмосферой планетах Венере и Марсе ситуация иная, но хорошо иллюстрирует уникальные условия образовавшиеся на ней. Венера находится ближе к звезде и соответственно получает больше лучистой энергии. Благодаря своей гравитации почти равной земной, она удерживает плотную атмосферу состоящую в основном из углекислого газа и небольшого количества азота. Из-за этого теплообмен планеты с космическим пространством затруднён и возник т.н. парниковый эффект из-за которого температура на её поверхности в среднем составляет плюс 467 градусов Цельсия.

Иная ситуация на Марсе масса которого составляет только 10,7% массы Земли и он не способен удерживать плотную атмосферу. А поскольку планета расположена на большем удалении от Солнца чем Земля то и получает намного меньше его лучистой энергии. В добавок недра Марса остыли и на нём прекратились активные тектонические процессы. Этими обстоятельствами определились климатические условия Марса. По земным меркам круглый год на нём царит смертельный холод – средняя температура на марсианской поверхности около 63 градусов Цельсия ниже нуля и климат планеты намного суровее, чем в Антарктиде.

Температурный режим на Земле также определяется процессами получения солнечного тепла и отдачей его в основном в форме инфракрасного излучения в космическое пространство. Своей средней температуре плюс 15 градусов Цельсия планета обязана удерживающей тепловую энергию атмосфере, которая помимо азота и кислорода включает в себя водяной пар и парниковые газы – метан и углекислый газ. Хотя её объём составляет всего 5% от объёма планеты, без неё равновесное термическое состояние на земной поверхности наступило бы при температуре около минус 18 градусов Цельсия и на Земле как на Луне и Марсе возникал бы огромный контраст температур.

Хорошо пропуская солнечное излучение водяной пар и парниковые газы эффективно поглощают инфракрасное излучение от земной поверхности. Поэтому их удельное количество в атмосфере влияет на её температурный режим, а с ним и на все остальные метеорологические характеристики атмосферы. Изменение концентрации водяных паров и парниковых газов в ней способно усиливать отдачу тепла в космос или наоборот его удерживать и разогревать планету. При этом основную роль в этом процессе играет водяной пар и гораздо меньшую другие газы – азот, метан и углекислый газ.

Количество получаемой Землёй энергии также зависит от расстояния, которое приходится преодолевать солнечным лучам в космосе, а оно никогда не бывает одинаковым. Из-за того, что планета вращается вокруг звезды по эллиптической орбите, а не по кругу она бывает ближе всего к светилу в начале января – в точке перигелия, когда расстояние между ними достигает около 147 млн. километров. В точке афелия в начале июля Земля наиболее удалена и находится в 152 млн. километрах от Солнца.

По космическим меркам разница между положением Земли относительно своего светила в афелии и перигелии небольшая – менее пяти миллионов километров, но по земным огромна. При длине экватора в сорок тысяч километров она в 125 раз превышает его протяжённость. Это приводит к тому, что в зависимости от удаления планеты от Солнца существенно меняется количество достигающей её поверхности лучистой энергии.

В свою очередь из-за ориентации положения земной поверхности к Солнцу процесс поглощения солнечной энергии и теплообмена с космическим пространством на Земле более сложен чем на космических телах без газовой оболочки. Он получил название Климат, что в переводе с древнегреческого слова «Klima» означает «наклон». Так его назвал более двух тысяч лет назад учёный Гиппарх Никейский, который тем самым хотел показать, что изменяющийся от экватора к полюсам угол падения солнечных лучей формирует температурный режим поверхности планеты.

В общем случае Климат это метастабильное физическое состояние земной атмосферы и дневной поверхности за длительный период времени. Как научный термин он употребляется применительно к разным пространственно-временным ситуациям. Для сравнения состояния климата Земли в прошлом и будущем относительно современного. Для разделения крупных участков земной поверхности в зависимости от характеризующих их метеорологических параметров (давление, температура, влажность и их сезонных изменений), состояния покрова дневной поверхности, типа растительности и др. Для характеристики связи физических характеристик атмосферы с географическим ландшафтом и типом подстилающей поверхности (аридный, горный, континентальный, морской – океанический, пустынный, тропический и др.) или характерными для них погодными явлениями.

Поскольку Земля по форме близка к эллипсоиду наклон солнечных лучей к поверхности определяется её положением относительно звезды, вращением вокруг своей оси и широтой местности. Из-за этого земная поверхность не перпендикулярна солнечным лучам, когда количество поглощаемой энергии могло бы быть максимальным. Наиболее близка к этой ситуации экваториальная область и менее – зоны полюсов. Поэтому одно и тоже количество солнечной энергии с удалением от экватора распределяется на большую площадь.

Из-за наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики положение обоих полушарий к ней всегда противоположно. Поэтому, когда северное полушарие обращено к Солнцу на нём наступает зимнее время, в то время как на южном – лето. Через шесть месяцев, когда северное полушарие поворачивается к Солнцу на нём наступает лето, а на южном – зима.

Для характеристики поступления и распределения по поверхности планеты солнечного излучения без учёта внутренних климатообразующих факторов используется понятие о солярном или радиационном климате. При его определении в зависимости от широты местности учитываются только астрономические факторы – расстояние и положение поверхности планеты относительно звезды, интенсивность её излучения, проницаемость для солнечных лучей космического пространства и время года.

Реальные климатические условия в той или иной части земного шара значительно отличаются от радиационного поскольку они зависят от особенностей переноса тепла в атмосфере и гидросфере. Их основной характеристикой является температура воздуха, которая зависит от того, как прогреваемая солнечными лучами земная поверхность передаёт получаемое тепло в атмосферу.

Её неравномерный прогрев приводит к перепадам атмосферного давления, перемещению воздушных масс и возникновению мощных струйных течений в Мировом океане. Из-за этого в каждый момент времени перемещаются огромные массы земного вещества из одних областей в другие. Этот процесс сглаживает разницу температур и тем самым формируют погоду на Земле.

Области высокого и низкого давления непрерывно перемещаются по земной поверхности, создавая движение воздуха в атмосфере. При встрече двух воздушных масс с различными характеристиками воздух не способен свободно перемещаться и между ними образуется пограничная зона – атмосферный фронт. В зонах действия атмосферных фронтов происходит резкое изменение температуры, формируется облачность, выпадают осадки и растёт скорость ветра.

Используются различные подходы к разделению по климатическим условиям поверхности земного шара. Немецкий учёный Владимир Кёппен (Wladimir Peter Köppen, 1846—1940) использовал в качестве индикаторов режим температуры, количество осадков и тип растительного покрова характеризующие климатические условия той или иной местности.

Русский учёный Борис Алисов определял климат как многолетний режим погоды определяемый мощностью солнечной радиации, переносом тепла воздушными массами, физическими свойствами подстилающей поверхности и т. д. Его классификация включает семь типов климатических поясов из которых четыре являются основными, а три переходными.

Для каждой климатической зоны характерен собственный набор метеорологических явлений, физического состояния приземной атмосферы и дневной поверхности. В них погодные условия, т.е. текущее состояние нижних слоёв атмосферы включая такие показатели, как средняя температура, объём осадков, количество солнечных дней и другие характеристики климата значительно отличаются. Они получили наименование климатических поясов, от самых холодных – антарктического и арктического до самого тёплого экваториального.

Несмотря на название очертания климатических поясов не только не совпадают с параллелями, но даже не всегда огибают земной шар. При этом существуют изолированные друг от друга области с одинаковым типом климата. Это произошло из-за сложившейся системы циркуляции вещества в атмосфере и гидросфере. Поэтому помимо географической широты климат той или иной местности зависит от общего распределения суши и вод, высоты над уровнем моря, характера подстилающей поверхности, растительного покрова и рельефа местности.

Климатические пояса Земли в определении Бориса Алисова (1941). Основные из них соответствуют распространению четырёх типов воздушных масс, а наибольший контраст температур у земной поверхности наблюдается между экватором и полюсами.

Хотя погодные условия везде на земном шаре зависят от времени суток и сезонов каждому климатическому поясу присущи свои характерные метеорологические явления. Так, снежные метели в Сибири зимой или пургу в Антарктиде в любое время года нельзя спутать со штормами в тропиках или ураганными ветрами с ливневыми дождями и грозами в Арканзасе. Сюда же можно отнести разницу температуры воздуха и типов подстилающей поверхности между ними.

В период полярной ночи в центральной части Антарктиды морозы достигают 70—80 градусов Цельсия ниже нуля, тогда как в тропическом поясе средние зимние температуры не опускаются ниже плюс 14 градусов. В центральной полосе России суровые снежные зимы сменяют оттепели и весенние паводки, а влажное лето благоприятно для производства сельскохозяйственной продукции и др. Тогда как в пустынях Саудовской Аравии почти круглый год царит удушливая жара, а в Малайзии и тропических джунглях Амазонки влажный и тёплый климат.