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

Изменение освещённости Земли солнечными лучами содержит годовую и суточную периодичности. Суточные изменения температуры происходят почти на всех широтах, кроме полярных шапок, где ночи могут длиться около шести месяцев. Перемещение Земли относительно Солнца приводит к сезонным изменениям температуры весной, летом, осенью и зимой которые наиболее контрастно выражены в субтропическом и умеренном климатических поясах.

Относительно экватора на одной и той же широте основные характеристики полярной ночи одинаковы в Северном и Южном полушариях, но различаются по времени её начала и окончания. В Антарктиде оно сдвинуто на шесть месяцев в календарный летний период. Из-за особенности орбиты Земли продолжительность полярной ночи на юге превосходит её продолжительность на севере. На северном полюсе полярная ночь длится с 25 сентября по 17 марта, а на широте 80 градусов – с 21 октября по 20 февраля.

На фоне векового климата погода на Земле непрерывно изменяется в основном за счёт процессов циркуляции воздуха в атмосфере и теплообмена между сушей и Мировым океаном. В конкретном месте метеоусловия определяются топографией местности, близостью или удалённостью её от крупных водоёмов и её отражательной способностью – альбедо. Погода может меняться в течение суток, часов и даже ежеминутно, тогда как климат устойчив на длительных интервалах времени.

Схема круговорота вещества на Земле. Под воздействием глубинных процессов – эндогенных и внешних – экзогенных в гравитационном поле планеты происходит кругооборот её вещества. Осадочные породы опускаются в земные недра, где преобразуются в магму, а затем вновь поднимаются тектоническими процессами на поверхность, где под воздействием ветровой и водной эрозии вновь разрушаются.

В геологическом понимании климат никогда не был постоянным и всегда изменялся вслед за трансформацией земной поверхности, изменением газового состава и плотности атмосферы. Образовывались моря и океаны, возникали и исчезали горы, формировались и распадались материки. Под воздействием конвекционных процессов в мантии, гравитационных и ротационных сил они мигрировали по земной поверхности и объединялись в суперконтиненты, которые в свою очередь распадались на более мелкие фрагменты

Научным термином «Погода» характеризуют совокупность атмосферных явлений и значений метеорологических элементов (давление, температура, влажность, сила и направление ветра, облачность и атмосферные осадки, туманы, метели, грозы и др.). В каждой широтной зоне погода проявляется как отклонение от некого климатического стандарта и соотносится с текущим состоянием приземной атмосферы – нижней части тропосферы в противоположность климату соотносимого с усреднённым физическим состоянием атмосферы и земной поверхности за вековые интервалы времени. Таким образом в понятии погоды заключается элемент изменчивости и неустойчивости, а в понятии климата элемент постоянства и стабильности если отсчёт времени ведётся по биологическим часам человека.

Геологическая эволюция Земли с Докембрия на который приходится около 88% геологической истории Земли – почти четыре миллиарда лет и до образования суперконтинента Панагея Ультима через 250 мил. лет от сегодня.

Более одного миллиарда лет назад вся земная поверхность состояла из одной гигантской суши – суперконтинента Родиния окружённого океаном Мировия. Просуществовав более около трёх миллиардов лет примерно 750 мил. лет назад, он распался на отдельные материки.

Спустя 150 миллионов лет они объединились в новый суперконтинент Паннотия просуществовавшего примерно 60 мил. лет. Предполагается, что масштаб материкового оледенения в его эпоху был наибольшим за всю геологическую историю планеты.

Как и предыдущий суперконтинент Паннотия распалась с образованием крупного континента Гондвана и более мелких – Балтика, Лаврентия и Сибирь. Но уже 335 миллионов лет назад эти материковые образования воссоединились в новый суперконтинент Панагея включавшего в себя на протяжении 160 мил. лет почти всю земную сушу.

Время и гравитация превращают горы в холмистую местность, а долины и равнины в пустыни. Тектоническими силами они вновь трансформируется в горную местность и, так будет до тех пор, пока не иссякнет внутренняя энергия планеты, и она не остынет. Этот процесс идёт с самого начала её образования и расчётное время существования тектонически активной Земли составляет около трёх миллиардов лет от сегодня, за которое её климат много раз поменяется.

Тектоника литосферных плит в общих чертах позволяет оценить состояние земной поверхности в прошлом и будущем. Предполагается, что существует так называемый суперконтинентальный цикл, в котором континентальные блоки с периодичностью около шестисот миллионов лет проходят фазу суперконтинента, а затем раздробленности. В периоды, когда в приполярных районах находилась материковая суша, на планете наступали оледенения, изменялась циркуляция воздушных масс и морских течений. В то время, когда на обоих полюсах Земли располагались океаны и мелководные эпиконтинентальные моря климат теплел.

Примерно 90% твёрдой поверхности современной Земли образовано восемью крупными литосферными плитами, а остальная часть десятками меньшего размера и множеством мелких. Поскольку процесс трансформации земной поверхности идёт безостановочно с точностью до неизбежности через 200—300 мил. лет её современному устройству наследует новый суперконтинент Последняя Пангея (Пангея Ультима). Пустыни займут 90% его территории, а на северо-западе и юго-востоке суперконтинента возникнут грандиозные горные цепи.

С этим прогнозом пересекается теория об Амазии – будущем континенте, образованном из современных Евразии и Северной Америки. Он станет ядром Последней Пангеи, что полностью изменит глобальный климат и сформирует иные чем сегодня условия жизни на Земле.

Атмосфера. В начальной стадии своего существования земное вещество находилось в расплавленном состоянии. По мере остывания произошло его гравитационное расслоение. Самые тяжёлые компоненты послужили материалом для железоникелевого ядра планеты, а из более лёгких – гелия и водорода сформировалась первичная атмосфера. В неё также попадало вещество испарившихся при столкновении с Землёй многочисленных космических объектов.

В последующем мощная вулканическая деятельность, появление гидросферы и формирование биосферы привели к современному метастабильному в течение последних пятидесяти миллионов лет состоянию атмосферы. Она образована называемой воздухом смесью газов и примесей в котором азот занимает более 78% объёма, а кислород около 21%. На долю остальных газов и водяных паров приходится около одного процента от общего объёма атмосферы. Концентрация газов и примесей в ней почти постоянна, за исключением водяных паров и углекислого газа.

По мере удаления от земной поверхности меняются газовый состав и физико-химические свойства атмосферы. Существенные изменения начинаются с высот в 11—12 тысяч километров (на экваторе около 18 км) – условной верхней границы прилегающей к земной поверхности тропосферы. Следующий за ней слой до высот в 50 км получил название стратосферы. С высот от 50 до 80—90 км начинается мезосфера. Затем до высот в 800 км расположена термосфера, а выше 500—1000 км – экзосфера, непосредственно контактирующая с космосом.

Через атмосферу Земли происходит обмен материей и энергией с космическим пространством. На протяжении всей истории она пребывала в трёх основных газовых составах. Изначально атмосферу образовали захваченные из межпланетного пространства гелий и водород. Затем вулканическая деятельность добавила в неё аммиак, водяной пар и углекислый газ. Со временем из-за утечки лёгких газов в космическое пространство, физико-химических реакций под действием солнечной радиации и электрических процессов в атмосфере, выделений биосферы и других процессов сформировался её современный состав с меньшим содержанием водорода, но большим азота, кислорода с добавлением углекислого газа и водяных паров.

Тепловой режим атмосферы определяется характером её теплообмена с окружающим космическим пространством, земной поверхностью и перемещениями воздушных масс. В основном солнечная радиация поглощается верхними слоями атмосферы, а нижние получают тепло от земной поверхности. В дневные часы она нагревается, а в ночные, наоборот отдаёт воздуху своё тепло.

Поэтому наиболее контрастно суточные циклы проявляются в приземном слое тропосферы толщиной примерно около трёх километров. В нём тепловой и влагообмен во многом зависит от подстилающей поверхности которой может быть водная поверхность и суша, горы и равнины, леса и поля и др. Они по-разному поглощают солнечную радиацию и отдают тепло воздуху, испаряют влагу и тем самым формируют мезоклимат в том или ином месте.

На протяжении последних ста миллионов лет содержание углекислого газа в атмосфере неуклонно падало. На этом тренде в отдельные периоды его количество в воздухе было близким к современному, но в другие увеличивалось в 10—15 раз. Эпохи с высоким содержанием атмосферной углекислоты были более тёплыми. Причиной изменения и колебаний содержания углекислого газа в атмосфере становилась вулканическая и тектоническая деятельность, возникновение и развитие биосферы.

Влияние на атмосферный теплообмен водной поверхности и суши неодинаково поскольку отражающая способность первой намного ниже, чем у второй. В периоды нагревания суши воздух над ней теплее, чем над водными пространствами из-за того, что большую часть своего тепла вода передаёт нижележащим глубинным слоям, а меньшая уходит на нагревание воздуха и испарение воды. Затем, накопив в тёплое время года тепло океаны, моря и крупные водоёмы при похолодании отдают его воздуху.

До 35—50% полученного сушей лучистого тепла тратится на нагрев прилегающего к ней слоя атмосферы. В этом процессе важную роль играет её топография, отражательная способность-альбедо, высота над уровнем моря, тип растительного покрова и сезонное состояние.

Внутри воздушных масс происходит вертикальное перемещение – конвекция, обусловленная нагреванием воздуха на контакте с более нагретой солнечной радиацией поверхностью океана или суши. Перемешивание воздуха приводит к быстрой передаче тепла из одних слоёв атмосферы в другие.

Земная поверхность обладает различной отражающей способностью солнечных лучей – величиной альбедо. Из-за этого различные её участки по-разному поглощают тепло. Из-за неравномерного нагревания возникают перепады давления в атмосфере приводящие в движение воздушные и водные массы. Большую роль в переносе тепла играют морские течения, так как вода поглощает и накапливает его значительно больше, чем воздух. Из-за этого более сильные отклонения от средних температур наблюдаются на морских побережьях.

В наиболее прогреваемых солнечной радиацией местах нагретый воздух имеет меньшую плотность и поднимается вверх, образуя области пониженного атмосферного давления. Чем ближе к экватору и дальше от полюсов расположена местность, тем лучше она прогревается. Поэтому в экваториальной части земного шара расположена область постоянно низкого атмосферного давления, а зоны высокого давления приурочены к полярным областям планеты.

Горизонтальные движения воздуха возникают в направлении от области высокого давления к низкому. Это привело к тому, что в нижних слоях атмосферы происходит преобладающее движение воздуха от полюсов к экватору. Из-за вращения Земли на него действует сила Кориолиса отклоняя воздушные массы к западу. В свою очередь в верхних слоях тропосферы образуется обратное движение воздушных масс от экватора к полюсам, которые сила Кориолиса отклоняет к востоку.

Ближе к тридцати градусам северной и южной широты движение становится направленным с запада на восток параллельно экватору. С этих широт воздух опускается вниз к земной поверхности формируя область высокого давления из которой по направлению к экватору и на запад дуют постоянные ветры – пассаты. Из-за силы Кориолиса при приближении к экватору они дуют почти параллельно ему.

Общая циркуляция земной атмосферы – это планетарная система воздушных течений, возникшая из-за неоднородного прогревания поверхности на разных широтах, над материками и Мировым океаном. Ими определён глобальный перенос тепла и влаги в тропосфере пассатами, муссонами и воздушными течениями, связанными с циклонами и антициклонами.

Воздушные течения верхних слоёв тропосферы от экватора к тропикам называются антипассатами. Они вместе с пассатами образуют непрерывный круговорот воздуха между экватором и тропиками. Между пассатами Северного и Южного полушарий сформировалась внутритропическая зона конвергенции. В течение года она смещается от экватора в более нагретое летнее полушарие. Из-за этого в некоторых местах, особенно в бассейне Индийского океана, где основное направление переноса воздуха зимой с запада на восток, летом изменяется на противоположное.

Из-за перепадов давления и вращения планеты вокруг своей оси её воздух вовлечён в непрерывный процесс атмосферной циркуляции. В основном между четырьмя основными широтными поясами атмосферного давления, образование которых является причиной как приземного, так и высотного распределения ветров на планете.

Циклоническая деятельность связывает зону тропической циркуляции с циркуляцией в умеренных широтах и между ними происходит обмен тёплым и холодным воздухом. Тем самым происходит перенос тепла из низких широт в высокие, а холода из высоких широт в низкие, что формирует термический режим Земли. Циркуляция атмосферы непрерывно изменяется, как из-за сезонных изменений в распределении тепла на земной поверхности и в атмосфере, так и из-за образования и перемещения в атмосфере циклонов и антициклонов.

Гидросфера – это водные ресурсы Земли, которые подразделяют на Мировой океан, континентальные поверхностные и подземные воды. Поскольку первичная земная кора возникла из остывающего мантийного расплава и состояла из базальтового слоя температура земной поверхности составляла более ста градусов по Цельсию и изначально вода находилась в парообразном состоянии. В процессе остывания Земли конденсация паров в атмосфере привела к появлению у неё первичной водной оболочки – океана Мировия.

Несмотря на то, что составляющие воду водород и кислород являются самыми распространёнными веществами в космосе вопрос появления её на Земле остаётся предметом научных дискуссий. Выдвинуты две основные гипотезы. По первой вода внеземного происхождения и занесена на планету кометами или содержащими воду астероидами. За миллиарды лет они могли занести на неё примерно половину всей составляющей Мировой океан воды – около 700 млрд. мегатонн. По второй, основная часть воды земного происхождения и изначально она имелась в составе протопланетного диска, из которого сформировалась Земля.

Первоокеан возник в результате разогрева водосодержащих минералов и горных пород в конце периода формирования Земли как планеты (подробнее Б. Каррыев «Катастрофы в природе: Стихия воды», 2017). Его вода заполнила впадины и низины на земной поверхности. Из 4,5 млрд. лет существования 3емли Мировой океан существует примерно 3,8—4,2 млрд., а современным океанам и морям не больше двухсот миллионов лет.

Мировой океан это непрерывная, но не сплошная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова. Континенты и большие архипелаги разделяют его на пять частей: Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый, Тихий и Южный Ледовитый (Антарктический) океаны. В Атлантическом океане насчитывается 16 морей, в Индийском и Северном Ледовитом по 11, а в Тихом океане их самое большое количество – 25. Всего насчитывается 63 моря, не считая Аральского, Галилейского (озеро Кинерет в Израиле), Каспийского и Мёртвого морей, которые из-за больших размеров по традиции именуются морями.

До 71% земной поверхности покрыты водной оболочкой. На неё приходится 96,6% всей воды, составляющей примерно 1338,5 мил. кубокилометров. Большая часть водных ресурсов на планете – это солёная вода морей и океанов, а меньшая это пресная вода озёр, рек и ледников, подземных вод и водяной пар в атмосфере.

Спутниковые измерения топографии Мирового океана позволили расширить представления о циркуляции его вод и влиянии на климат Земли. Многолетние наблюдения указывают на повышение уровня Мирового океана примерно на три миллиметра за год, происходящего с разным ускорением в разные периоды времени. Тем не менее оценки уровня Мирового океана из-за влияющих на его состояние многочисленных факторов не отличаются достаточной для практических действий точностью.

Начиная с XVIII века выдвигались различные предположения о том, какие факторы влияют на уровень воды в морях и океанах. В середине прошлого столетия была установлена несомненная связь уровня Мирового океана с количеством льда и снега в полярных областях земного шара. Чем больше замороженной воды скапливается там, тем ниже уровень Мирового океана. В периоды потепления земного климата площадь ледяного покрова сокращается и уровень воды в Мировом океане достигает максимума. Такое уже не раз происходило в геологической истории планеты, определяя характер эволюции жизни на ней.

Реконструкция изменения уровня Мирового океана относительно современного (пунктирная голубая линия) за последние 550 миллионов лет (красная кривая по Hallam, etc.,1983; голубая – по Haq, etc., 1987; Ross&Ross, 1987; Ross&Ross, 1988). Имеющиеся данные дают только общее представление о происходивших на Земле геодинамических процессах, состоянии её атмосферы и гидросферы и чем дальше в прошлое, тем менее они точны.

Современный химический состав океанических вод формировался во взаимодействии с горными породами на протяжении многих миллионов лет. На их состав влияла и влияет зародившаяся около 3,5 млрд. лет назад в Мировом океане жизнь.

Поскольку жидкая вода хороший растворитель в ней содержатся в той или иной пропорции различные вещества. Из-за этого большая часть земной воды солёная, т.е. такая в которой содержание солей превышает 0,1%. Её важнейшим свойством является высокая удельная теплоёмкость, позволяющая не только поглощать солнечное тепло, но и относительно долго его сохранять.

По сравнению с минералами у воды более высокая скрытая теплота испарения и плавления. Большинство из них при плавлении расширяется, становясь на единицу объёма легче, а при затвердении сжимается. Вода ведёт себя иначе и если заморозить кубометр воды, то объём полученного льда увеличится на 9%, что позволяет айсбергам плавать на поверхности жидкой воды.

В каждом литре морской воды в среднем содержится около 35 граммов различных веществ, и она замерзает при отрицательной температуре, но аккумулированная водой в летний период тепловая энергия не позволяет полностью промёрзнуть морям и океанам. С другой стороны, для испарения даже небольшого объёма воды необходимо значительное количество тепла – примерно в пять раз больше, чем для её закипания и это позволяет не пересыхать летом даже небольшим водоёмам и речкам.

Треть всего баланса внешнего теплооборота планеты расходуется на фазовые превращения льда. Затраты тепла на ежегодное таяние накопленного за год льда и снега составляют около 0,2% от всего потока солнечной радиации поглощаемой земной поверхностью. При этом затраты тепла Мировым океаном на таяние айсбергов и разрушение ледяных образований соразмерны выносимым в него теплом всеми реками на планете.

Физико-химические свойства воды при поглощении и отдаче тепла, наряду с поверхностным натяжением и диффузией, запустили миллиарды лет назад механизм глобального кругооборота воды на Земле. Он получил название гидрологического цикла состоящего из испарения воды, переноса её паров воздушными течениями – адвекции, их конденсации в атмосфере с последующим выпадением осадков и их гравитационным переносом реками в пониженные участки рельефа.

Под воздействием солнечной радиации с земной поверхности атмосферные осадки частично испаряются, частично просачиваются под неё – процесс инфильтрации, где образуют подземные воды, которые затем вновь поднимаются к поверхности. Основной объём испарений приходится на Мировой океан и намного меньший на сушу. Благодаря тепловой инерции водной массы крупные водоёмы смягчают климат прилегающих районов, и уменьшают диапазон годовых и сезонных колебаний метеорологических элементов атмосферы.

Высокая теплоёмкость и теплопроводность вод Мирового океана значительно ослабляет колебания температуры из-за изменений мощности солнечной радиации в течение года. В связи с этим в средних и высоких широтах температура воздуха над его водами летом заметно ниже, чем над континентами, а зимой выше.

Накопив за лето тепло океаны и моря зимой согревают атмосферу, а океанические течения переносят полученное в тропических широтах тепло на север смягчая климат северных широт и тем самым распределяют тепло и холод на планете. На направление течений в Мировом океане оказывает влияние вызванная вращением Земли сила Кориолиса. В Северном полушарии она отклоняет течения вправо, а в Южном – влево.

С высотой и оказываясь в зонах пониженных температур водяной пар охлаждается и неспособен пребывать в газообразном состоянии. Его конденсат образует облака, из которых большая часть атмосферной влаги выпадает на земную поверхность в виде града, дождя или снега. Выпадший за период в три тысячи лет объём атмосферных осадков эквивалентен всей воде в Мировом океане.

Из-за разности температур и плотности воды в Мировом океане образовалось устойчивая система океанических течений – термохалинная циркуляция. Её часто называют океаническим конвейером (Ocean conveyor belt). Течения в поверхностном слое перемещают тёплые водные массы из экваториальной части Атлантического океана к северу. По пути охлаждаясь они увеличивают плотность и опускаются ко дну, формируя т.н. североатлантическую глубинную водную массу.

Затем остывшие воды на глубине перемещаются в противоположную сторону направления движения поверхностных тёплых течений. Таким образом, в Мировом океане происходит постоянное перемешивание тёплых и холодных вод, которое является одним из формирующих климат планеты факторов. В свою очередь сезонные изменения в распределении тепла и ветрового воздействия влияют на циркуляцию в океане, а она на высоту морской поверхности.

Тепловая энергия поступает в Мировой океан также из земных недр. Его дно находится в непрерывной тектонической трансформации. Когда литосферные плиты раздвигаются, между ними образуется рифтовая область – крупные линейные впадины в областях спрединга там, где происходит расширение океанической коры. Здесь через разломы на дно океана поступает базальтовый расплав и формируется новая океаническая кора. Тектонический конвейер пододвигает её под окраины континентов – в области субдукции, где она, охлаждаясь, погружается в мантию, рождая вулканы и вызывая мощные землетрясения.

Расположение источников гидротермального тепла в Мировом океана и схема формирования гидротерм на его дне.

Под срединными хребтами земная мантия подходит наиболее близко к поверхности, морская вода по трещинам глубоко проникает в океаническую кору и нагревается. Внутреннее давление перегретой воды приводит к выбросу высокоминерализованных струй из трещин над магматическими камерами. Вокруг геотермальных жерл формируются образования в виде башен высотой в десятки метров.

В 1949 году в Красном море были обнаружены выбросы аномально горячих рассолов. В 1960-х годах был предложен механизм, в котором им отводилась основная роль в образовании рудных гнёзд. Но только в 1977 году во время погружения батискафа «DSV-2 Alvin» удалось визуально наблюдать на морском дне выбросы перегретой воды возле Галапагосских островов. На глубине нескольких тысяч метров были обнаружены гидротермы с фонтанами перегретой до 350—400 градусов Цельсия воды. За тёмный цвет выделений их прозвали Чёрными курильщиками.

Подводная вулканическая деятельность оказывает мощное влияние на состояние природной среды планеты. Она реализуется в гидротермальных отложениях, формировании теплового баланса и течений океанов, через их газообмен с атмосферой. Жизнь в океанических водах от которой зависит объём поглощаемых океаном парниковых газов также поддерживается подводной магматической деятельностью.