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

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

История климата – это история колонизации планеты жизнью, результатом которой стали её современная атмосфера, гидросфера и земная кора. 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.

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 Каррыев
    Доктор физико-математических наук
    E-mail: mweb2016@mail.ru
    https://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.