ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.09.2020
Просмотров: 6101
Скачиваний: 505
Малое нагревание Сильное нагревание
Рис. 79. Распределение тепла у возвы
шенности
режима погоды, типичного
для данной местности в це
лом. Но они обусловливают
возникновение местных осо
бенностей климата, проявля
ющихся на незначительном
пространстве.
Состояние поверхности,
определяющее микрокли
матические условия, сказы
вается в первую очередь в
приземном слое толщиной в,
несколько десятков метров.
Теплообмен между воздухом
и почвой здесь особенно ак
тивен. Днем приземные слои
воздуха нагреваются силь
нее, чем вышележащие, а
ночью сильнее охлаждаются.
Поэтому суточные колебания
температуры очень велики.
Температура с высотой в этом
слое днем понижается, ночью часто наблюдается инверсия. Дви
жение воздуха у поверхности замедленно. Это способствует на
коплению в нем водяных паров. Особенности нижнего слоя атмо
сферы хорошо выражены в ясную, безветренную погоду, в пасмур
ную погоду и при ветре они сглаживаются.
При обычных условиях погоды перемешивание воздуха проис
ходит уже на высоте 1,5—2 м над поверхностью. Поэтому при
наблюдении над температурой и влажностью в приземном слое
воздуха приборы устанавливаются в пределах этого слоя.
На формирование микроклимата оказывают влияние неровно
сти рельефа с колебаниями высот от нескольких сантиметров до
нескольких десятков метров (микро- и мезорельеф). Об этом
влиянии можно судить по приведенным ниже схематическим
рисункам 79 и 80. На рисунке 79 показано распределение тепла
вокруг холма при симметричном относительно юга поступлении
тепла на его склоны (злияние экспозиции склонов). На рисунке
80 видно воздействие холма на движение воздуха и на распреде
ление осадков при ветре западного направления. Воздух обтекает
препятствия, поэтому на наветренной стороне и по бокам холма
скорость ветра увеличивается. На подветренной стороне ветер
стихает, но здесь могут возникать завихрения воздуха. На навет
ренном склоне ветер замедляет падение капель, и они уносятся
на подветренную сторону холма, где и выпадают. Таким образом,
если наветренные склоны гор получают больше осадков, чем под
ветренные, то для микроформ рельефа картина обратная.
202
Много
Мало
Распределение ветра у Преобладающее направление ветра
препятствия сказывается и
на распределении снежного
покрова. Снежный покров
сносится с наветренных
склонов и откладывается в
местах ослабления ветра.
Местные особенности
климата возникают под влия
нием растительного покрова.
Растительность очень услож
няет условия теплообмена и
обмена влагой в приземном
слое. Травяной покров за
держивает солнечную радиа
цию. Так, например, покров
из тимофеевки высотой око
ло 50 см пропускает к по
верхности не более 20% ра
диации, а на ржаном поле до
поверхности доходит менее
10%. Но вместе с тем расти
тельность задерживает и теп
ловое излучение поверхно
сти. Поэтому температура поверхности под травяным покровом
понижена, а амплитуды ее колебаний сглажены.
Испарение с общей площади листьев растений, покрывающих
участок поверхности, может превосходить испарение со свободной
водной поверхности, равной этому участку по площади. Большое
испарение и слабый обмен объясняют повышенную влажность
воздуха среди растений.
Влияние леса на микроклимат сходно с влиянием травяного
покрова, но превосходит его масштабами. Густой лес пропускает
к поверхности всего 2—7% падающей на него радиации. Продол
жительность солнечного сияния в лесу снижена до 5—7 часов
в день. При этом меняется спектральный состав радиации. Лес
холоднее поля летом и немного теплее зимой. Зимой лиственный
лес оказывает меньшее влияние на суточные амплитуды колеба
ний температуры, чем хвойный, влияние которого на тепловой
режим весь год примерно одинаково. Влажность воздуха в лесу
выше, чем в открытом поле '. Ветровой поток, встречая на пути
лес, обтекает его сверху, причем скорость ветра над лесом усили
вается (следствие сближения линий токов). В кронах деревьев
ветер стихает, и в лесу под кронами он очень слабый. В тихую,
Рис. 80. Распределение скорости ветра
у возвышенности
1
Лес испаряет меньше, чем сплошной травяной покров той же пло
щади. Повышенная влажность воздуха в лесу — следствие замедленного
обмена,
203
ясную погоду можно наблюдать местный ветер, дующий днем
внизу от леса к полю, наверху — со стороны поля к кронам де
ревьев; ночью циркуляция противоположная.
Особый климат
(мезоклимат)
возникает в городах. Причины
этого: обилие дыма и пыли над городами, особенности подстила
ющей поверхности (асфальт, железные крыши), резкие неровно
сти ее (строения), добавочное тепло, выделяемое при сжигании
топлива и в процессе жизнедеятельности большого количества
людей.
Температура воздуха в городе выше, чем вне его, что замет
но до высоты нескольких сотен метров. Влажность воздуха обыч
но понижена вследствие повышения температуры и уменьшения
испарения влаги с поверхности. Скорость ветра, как правило,
меньше, чем за городом, причем на распределение скоростей и на
направление ветра сильно влияет планировка городов. Различия
в температуре между городом и его окрестностями могут при
вести к возникновению ветра, дующего в сторону города. На ули
цах возникает циркуляция воздуха, обусловленная неодинаковым
нагреванием теневой и солнечной сторон. Условия возникновения
тумана и облаков над городом более благоприятны (восходящие
токи, обилие ядер конденсации), чем в окрестностях, и осадки
выпадают чаще.
<^\. Влияние деятельности людей на климат. Заметные измене
ния в состоянии атмосферы могут быть вызваны деятельностью
человеческого общества. До недавнего времени его влияние было
сравнительно небольшим и отражалось лишь на нижнем слое
тропосферы, т. е. ограничивалось микроклиматом, реже — мезо-
климатом (например, орошение засушливых районов, вырубка
леса, строительство).
В настоящее время климатопреобразующее значение в плане
тарном масштабе приобретает производство энергии. Установ
лено, что количество используемой энергии в среднем за год для
всей суши равно 0,02 ккал/м
2
. В промышленных районах, в горо
дах опо значительно больше — до сотен ккал/см
2
в год. Освобож
дается давным-давно «законсервированная» энергия Солнца (ка
менный уголь, нефть, торф и пр.), используются новые виды
энергии, например энергия атома. И вся используемая энергия
в итоге превращается в поступающее в атмосферу дополнительно к
солнечному тепло.
При современных масштабах производства количество исполь
зуемой энергии должно удваиваться через каждые 17 лет. Это
значит, что через 200 лет общее количество вырабатываемой еже
годно энергии может достичь величины радиационного баланса
суши, а если темпы использования энергии возрастут (что вполне
вероятно), это произойдет менее чем через 100 лет
1
. Возможно,
Радиационный баланс для сушки в среднем примерно 50 ккал/см
2
в год.
204
такого не случится, но производство дополнительного тепла около
1 ккал/см
2
в год для суши почти обязательно будет иметь место.
Этого количества тепла, составляющего лишь долю процента по
ступающей от Солнца радиации, достаточно для того, чтобы, на
пример, сократились «шапки» полярных льдов. Хорошо ли это?
Климат Арктики значительно потеплеет, меньше потеплеет кли
мат умеренных широт, произойдет перераспределение осадков.
Талые воды ледников вызовут подъем уровня Океана. Изменения
окажутся значительными, все их трудно даже предвидеть. Без
условно, они не все желательны и благоприятны для человече
ства. Требуются серьезные исследования возможных планетарных
изменений климата, связанных с деятельностью людей, с целью
их оценки и своевременного предотвращения нежелательных ре
зультатов. Не в меньшей степени важны исследования вопросов
преобразования климата с целью его улучшения. Обе проблемы
очень тесно связаны.
Атмосфера — компонент географической оболочки. Климат —
результат взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхно
стью, включая твердую земную поверхность, воды Океана и суши,
растительный покров, животный мир, т. е. все компоненты геогра
фической оболочки. Без глубокого знания климата нельзя понять
процессы, совершающиеся в географической оболочке.
Г И Д Р О С Ф Е Р А
Гидросфера — водная оболочка Земли, включающая всю хи
мически не связанную воду независимо от ее состояния: жидкую,
твердую, газообразную.
Земля — самая водная планета Солнечной системы: больше
70% ее поверхности сплошь покрыто водами Мирового океана.
Откуда появилась на Земле вода?
Есть разные гипотезы происхождения гидросферы, но наибо
лее убедительна та, которая связывает ее с происхождением са
мой Земли. Вероятнее всего, литосфера, атмосфера и гидросфера
образовались в едином процессе, в результате выплавления и де
газации вещества мантии. Химически связанная вода была уже
в веществе холодного газово-пылевого протопланетного облака '.
Под влиянием глубинного тепла Земли она выделялась и переме
щалась к поверхности Земли. Первичный Океан, возможно, по
крывал почти всю Землю, но не был глубоким. Океанская
вода, вероятно, была теплой, высокоминерализовапной
2
. Океан
углублялся, а площадь его сокращалась. С поверхности Океана
испарялась влага, выпадали обильные дожди. Пресная вода на
суше — результат «прохождения», океанской воды через атмо
сферу. Выделение воды из магмы продолжается и теперь. При
извержениях вулканов выделяется в среднем за год 1,3 • 10
8
т
воды. Термальные источники и фумаролы ежегодно выно
сят 10
8
т.
Если допустить, что поступление воды из мантии в литосферу
и на ее поверхность было равномерным и составляло в год на
1 см
2
поверхности планеты всего 0,00011 г, то и этого достаточно
для того, чтобы за время существования Земли образовалась гид
росфера.
1 % ; ' м ^ у м
Е
2 0 %
С В Я З а Н Н О Й В
°
Д Ы В К а м е ш ш х
метеоритах в среднем 0,5-
^O^T^fl^SoTl^^T
В Ы С № 0 Й
-мпературе, во
шявиться на поверхности онГне могла
М
' °
Х Л а Ж
«
а л а с ь
. ™ холодной
206
Предположения о поступлении воды из Космоса основываются
на падении ледяных ядер комет, выпадении метеорного вещества
0 пыли. Возможно, что количество поступившей таким образом
на Землю воды довольно велико, но образовать гидросферу эта
вода не могла. Новые молекулы воды, по всей вероятности, воз
никают в верхней атмосфере (на высоте около 100 км), там, где
атомы водорода, принесенные солнечным ветром, реагируют
с кислородом атмосферы. Предполагают, что так может образо
вываться до 1,5 км
3
воды в год. Этот процесс поступления воды
на Землю называют солнечным дождем. Молекулы воды обра
зуются при горении (окислении), разложении органического ве
щества, при сгорании углеводородного топлива. Но, несомненно,
из всех процессов, обеспечивающих приход воды в гидросферу,
главное — выделение ее из мантии.
Гидросфера не только получает воду, но и теряет ее. Безвоз
вратные потери — уход в Космос через высокие слои атмосферы.
Под действием ультрафиолетовой радиации Солнца молекулы
НгО распадаются на атом водорода и молекулу ОН или на атом
кислорода и Нг. Атомы водорода, самые быстрые и легкие, пре
одолевая земное притяжение, постепенно улетучиваются в меж
планетное пространство. В результате Земля имеет водородный
«хвост», направленный в теневую сторону, т. е. от Солнца.
Каков современный баланс гидросферы, что в нем преобла
дает — приход или расход? Можно предполагать, что в общем
количество воды в гидросфере постоянно, но точного ответа на
этот вопрос дать еще нельзя.
ВАЖНЕЙШИЕ
СВОЙСТВА ПРИРОДНОЙ ВОДЫ
,И ВОДНЫЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ
Вода — самое распространенное и самое необыкновенное ве
щество на Земле.
Только вода в нормальных земных условиях может нахо
диться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. При
этом она резко отличается от всех других веществ в подобных
состояниях. Переход воды из одного состояния в другое требует
затраты тепла (испарение, таяние) или, наоборот, сопровож
дается выделением соответствующего его количества (конденса
ция, замерзание). Для испарения 1 г воды необходимо затратить
597 кал, на таяние 1 г льда — 80 кал. Высокая скрытая теплота
плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда.
Интересно, что на температуру воды (льда) поглощение или вы
деление тепла при переходе ее из одного состояния в другое не
влияет.
201
Химически чистая вода НгО (окись водорода) в условиях
нормального давления кипит при +100° С, замерзает при 0° в
имеет наибольшую плотность при + 4 ° С. При охлаждении ниже
+ 4° С плотность воды уменьшается, объем увеличивается, при
чем в момент замерзания происходит резкое увеличение объема
на 10% от объема жидкой воды.
Эта аномалия воды играет в природе очень большую роль.
При замерзании водоемов лед остается на поверхности, предо
храняя воду от дальнейшего охлаждения. Если бы вода, охлаж
даясь, становилась всегда более плотной, водоемы замерзали бы
снизу (со дна). Они могли бы промерзать полностью и не всегда
успевали бы оттаять за лето, что отразилось бы на жизни в во
доемах и, конечно, повлияло на климат.
Вода в природе не бывает химически чистой, потому что она
сильнейший растворитель. Это всегда газово-солевой раствор раз
личной концентрации, т. е. различной солености. Соленость воды
измеряют в граммах на литр (г/л), в процентах (%) ив про
милле (%о). Различают воду пресную (до 1%о), солоноватую (до
24,7%о), соленую (>24,7%о).
Увеличение солености влечет понижение температуры замер
зания и температуры наибольшей плотности воды.
Соленость (%
0
)
Температура за
мерзания (°С)
Температура наи
большей плотно
сти (°С)
0
0
4
5
- 0 3
2,9
10
—05
1,9
15
—08
0,8
20
—1,1
0,3
24,7
—1,33
—1,33
Т а б л и ц а 20
| 30
—1,6
—2,5
35
—1,9
-3,5
40
—2,2
-4,5
Из таблицы видно, что температура наибольшей плотности
при увеличении солености падает быстрее, чем температура за
мерзания, и при солености 24,7% о они совпадают. При дальней
шем повышении солености температура наибольшей плотности
воды всегда ниже температуры замерзания. Это значит, что такая
вода, охлаждаясь, становится более плотной и опускается вниз,
а на поверхность поднимается вода менее холодная. Поэтому
сильносоленые глубокие озера могут не покрываться льдом даже
при очень низкой температуре, а мелкие промерзают до дна.
Когда соленая вода в Океане охлаждается, опа погружается и
несет с собой в глубину кислород.
Аномально высока
теплоемкость
воды'. Она в 2 раза больше,
1
У всех тел теплоемкость по мере роста температуры увеличивается.
У воды же с повышением температуры от 0 до 27° она надает, а затем на
чинает расти.
208
чем дерева, в 5 раз больше, чем песка, в 10 раз больше, чем же
леза, в 3000 раз больше, чем воздуха. Это значит, что, охлаждая
на
1° один кубический сантиметр воды, можно нагреть на столько
я<е 3000 см
3
воздуха. Отсюда ясно значение Океана как аккуму
лятора тепла, понятно смягчающее влияние на климат даже не
больших водоемов.
Теплопроводность
воды невелика, поэтому в нагревании во
доемов главная роль принадлежит перемешиванию. Лед, обладая
еще меньшей теплопроводностью, хорошо предохраняет воду от
охлаждения.
Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое большое
по
верхностное натяжение.
Именно поэтому вода может подни
маться по капиллярам, пронизывающим почву и многие породы,
движется вверх в растениях. Обнаружилось, что вода в капил
лярах имеет удивительные особенности, еще до конца не рас
крытые. Она не замерзает даже при —30°, но становится более
вязкой и тяжелой. Охлаждая ее до —70°, получили не лед,
а аморфное, стеклообразное вещество. Превращение этой воды
в нормальную потребовало нагревания до 650—700° С. Некоторые
ученые предлагают капиллярную воду считать четвертым ее со
с т о я н и е м .
Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и
температуры. Если «чистая» вода, находясь под давлением 1 атм.,
замерзает при 0°, то под давлением 600 атм. она замерзает при
—5° С, 2200 атм. — при —22° С. Но под давлением 3500 атм. она
замерзает всего при —17° С, под давлением 6380 атм. — при
+ 0,16°. При давлении 20 670 атм. образуется горячий лед, его
температура +76°. Такой лед может быть в недрах Земли.
При очень низких температурах (пе выше—170° С) и неболь
шом давлении образуется сверхплотный лед', не имеющий крис
таллической структуры. Он играет большую роль в кометах и
«холодных» планетах.
Особенности воды объясняются строением ее молекул и их
взаимным расположением. Молекула воды — равнобедренный
треугольник с отрицательно заряженным атомом кислорода
в вершине и двумя положительно заряженными атомами водо
рода в основании
2
. Несимметричное расположение «Н-» и «—»
зарядов в такой «согнутой» молекуле приводит к возникновению
полярности, большого дипольного момента. Отсюда способность
молекулы воды ориентироваться в электрическом поле, сильное
(в 80 раз по сравнению с воздухом) ослабление взаимного при
тяжения противоположно заряженных частиц вещества, находя
щегося в воде (сильная растворяющая способность воды).
1
Плотность такого льда 2,32 г/см
2
, т. е. близка к плотности гнейса
(2,4 г/см
2
).
2
Расстояние между атомами кислорода и атомами водорода (стороны
треугольника) равно стомиллионной доле сантиметра (1А°=10~
8
см).
209
В 1 см
3
жидкой воды при О" С содержится 3,35 • 10
22
молекул.
В силу электрического характера межмолекулярных связей каж
дый отрицательно заряженный атом кислорода притягивается
к положительному атому водорода (водородные связи) и моле
кулы воды группируются в ассоциации. Общепринятого представ
ления о структуре воды нет. Но известно, что она очень сложна.
Очевидно, молекулы воды в зависимости от температуры и дав-
Образование водорода
под воздействием косми
ческих лучей
Приход воды
с метеорным веществом
Кристалл ические
породы земной коры
210
Рис. 81. Схема мирового влагообо
ления имеют разную «упаковку» — ажурную (рыхлую) и
плотную. Расширение воды при замерзании объясняется быстрым
переходом от плотной «упаковки» к ажурной. Структура льда
я снега отличается большим количеством пустот, которые могут
быть больше самих молекул, и твердостью (жесткостью) кон
струкций молекул. При усилении теплового движения (повыше
нии температуры) в известных пределах происходит уплотнение
Потери водорода в кос
мическое пространство
^Вулканические
—'-N. выбросы
0 1 д
, , , Верхняя и нижняя
границы зоны интен
сивного водообмена
Рота (составлена Л. С. Абрамовым)
211