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

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 сравнениясостояния климата Земли в прошлом и будущем относительно современного. Для разделения крупных участков земной поверхности в зависимости от характеризующих их метеорологических параметров (давление, температура, влажностьи 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 K?ppen, 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.

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 поверхностина 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.