Мониторинг и прогнозирование геофизических процессов

Наша планета Земля по составу, состоянию слагающего вещества, физическим свойствам и протекающим в ней процессам неоднородна. Вообще, неоднородность - это главное свойство и движущая сила всей Вселенной, в том числе и нашей планеты.

В направлении к центру Земли можно выделить следующие оболочки, или, иначе говоря, геосферы: атмосферу, гидросферу, биосферу, земную кору, мантию и ядро. Иногда внутри твердой Земли выделяют литосферу, объединяющую земную кору и верхнюю мантию, астеносферу, или частично расплавленный слой в верхней мантии, и подастеносферную мантию. Ниже мы покажем, что последняя классификация верхних геосфер твердой Земли более обоснована при рассмотрении геодинамических процессов.

Три внешние оболочки (атмосфера, гидросфера и биосфера) имеют весьма непостоянные или даже неопределенные границы, но по сравнению с другими геосферами они наиболее доступны непосредственному наблюдению. Геосферы твердой Земли, за исключением самого верхнего слоя земной коры, изучаются в основном косвенными, геофизическими методами, поэтому многие вопросы пока остаются нерешенными. Достаточно сравнить радиус Земли - 6370 км и глубину самой глубокой пробуренной скважины - менее 15 км, чтобы представить себе, как мало мы имеем непосредственной информации о составе вещества планеты.

Рассмотрим основные физические характеристики отдельных геосфер.

Атмосфера - сплошная газовая оболочка, мощность которой составляет несколько десятков тысяч км. Ее плотность быстро уменьшается с высотой. Основная масса атмосферы - около 50% - сосредоточена в нижнем (5-км) слое, 90% находится в 16-км слое, а масса воздуха, находящегося выше 30 км, не превышает одного процента всей массы атмосферы.

Атмосфера представляет собой механическую смесь газов с небольшой примесью твердых частиц (пыли) и паров воды. В состав атмосферы входят: азот (N2) - 78,08%, кислород (О2) - 20,95%, аргон (Ar) - 0,93% и углекислый газ (СО2) - 0,03%. К остальным, сравнительно незначительным по содержанию, газовым компонентам относятся неон (Ne), гелий (Не), криптон (Kr), водород (Н2) и некоторые другие. Указанный процентный состав воздуха сохраняется до высоты 100-120 км; выше происходит их разделение по плотности и на высоте 200-250 км преобладает азот; до 500-700 км - атомарный кислород, затем гелий и водород (у внешней границы атмосферы - атомарный водород). Суммарная масса газов атмосферы оценивается в 5,3×1015 т. Объем воды в атмосфере составляет около 13000 км3. Однако атмосфера составляет всего 10-6 часть массы всей Земли.

На процессы, происходящие во внешних геосферах твердой Земли (в био- , гидро- и лито- сферах) основную роль играют такие компоненты атмосферы как кислород, углекислый газ и водяные пары. Их содержание в зависимости от времени и места может меняться в широких пределах.

Кислород обеспечивает протекающие в природе процессы окисления различных веществ, а также дыхание организмов. В атмосфере, особенно на высоте 20-30 км, имеется озон (О3). В процентном отношении озон составляет лишь 10-4 % от массы газов всей атмосферы, но он играет важнейшую роль в обеспечении жизни на планете, предохраняя от вредного воздействия ультрафиолетового и других жестких излучений Солнца.

Водяные пары, достигая состояния насыщения, конденсируются, образуя облака. При определенной величине капель воды или кристаллов льда, когда их вес превышает силы поверхностного натяжения, происходит выпадение осадков.

Углекислый газ и водяные пары являются регулятором температуры воздуха вблизи поверхности, т.к. конденсируют получаемое Землей тепло. СО2 поступает в атмосферу в результате дыхания и разложения организмов, а также при вулканизме и гидротермальной деятельности, а расходуется растениями для питания и образования хлорофилла.

Физические свойства атмосферы: температура, давление, плотность, электро-, теплопроводность и др. меняются как по латерали, так и по высоте.

В зависимости от характера изменения температуры с высотой атмосфера делится на следующие слои (рис.1).

Тропосфера - от поверхности Земли на высоту от 8-9 км до 16-17 км.

Стратосфера - от 8-17 до 50-55 км.

Мезосфера - от 50-55 до 80 км.

Термосфера - от 80 до 600-800 км.

Экзосфера - выше 800 км.

В тропосфере заключена подавляющая часть газовых компонентов атмосферы, а также почти весь водяной пар и твердые частицы. Среднегодовая температура основания тропосферы составляет +15оС. С высотой температура в тропосфере линейно понижается с градиентом - 6-6,5 мК/м. На верхней границе тропосферы Твозд. снижается до -58-60 оС в полярных областях и -80-85 оС в экваториальной области. В тропосфере зарождаются облака, выпадают осадки, формируются циклоны и антициклоны, ураганы и смерчи. Углекислый газ и водяные пары здесь поглощают большую часть солнечной радиации, особенно инфракрасную, и вместе с тем удерживают почти все излучаемое Землей тепло. В тропосфере возникает планетарная конвекция воздушных масс из-за неравномерного нагрева Солнцем земной поверхности. Таким образом происходит теплообмен между низкими и высокими широтами.

Мониторинг и прогнозирование геофизических процессов

Рис.1. Изменение температуры с высотой в атмосфере

Неоднородности теплового режима тропосферы обусловливаются также разным атмосферным давлением в ее частях. Это связывается с рельефом, расположением континентов и акваторий, вращением Земли. Воздушные массы при охлаждении сжимаются, уплотняются и опускаются вниз, при этом давление увеличивается, а при нагревании - расширяются, облегчаются и поднимаются вверх, при этом давление уменьшается. Воздух перемещается из мест с повышенным давлением в места с пониженным давлением, в связи с чем возникают ветры.

В тропосфере происходит круговорот воздушных масс, вызванный постоянной разницей между температурами отдельных тепловых поясов земной поверхности. В экваториальной полосе на протяжении всего года бывает высокая температура, здесь находится пояс низкого давления. В этой полосе нет постоянных ветров; существующее затишье лишь иногда нарушается бурями и ураганами. Нагретый воздух на экваторе поднимается в верхние слои атмосферы и направляется к полюсам. Под влиянием вращения Земли вокруг оси масса воздуха, движущаяся на высоте до 2-3 км, постепенно отклоняется от северных азимутов к востоку. Достигнув 30-35 о с.ш. (30-35 о ю.ш.), т.е. районов субтропиков, основные массы воздуха окончательно поворачивают на восток и начинают вращаться вокруг Земли с запада на восток. Новые, непрерывно притекающие потоки воздуха обусловливают в субтропиках скопление масс воздуха и образуют пояса высокого давления. Воздушные массы, которые сконцентрировались вверху, опускаются и расходятся от поясов высокого давления по поверхности Земли. Эти массы формируют постоянные ветры от поясов высокого давления в сторону экватора, которые называют пассатами. Им противопоставляются антипассаты - массы воздуха, создающие ветры в верхних слоях тропосферы от экватора к субтропикам. Под влиянием вращения Земли пассаты отклоняются к западу и в северном полушарии дуют на юго-запад, а в южном полушарии - на северо-запад.

От субтропических поясов высокого давления часть воздушных масс не доходит до полюсов, т.к. сильно отклоняется. Поэтому в средних широтах (60-65 о) преобладают юго-западные ветры в северном полушарии и северо-западные - в южном полушарии. Ветры дуют также с полюсов, где расположены пояса высокого давления.

Кроме постоянно дующих ветров, существуют и периодически дующие ветры. К ним принадлежат циклоны и антициклоны, муссоны и др. Для циклонов и антициклонов характерно вращательное движение воздушных масс: у первых - против часовой стрелки с областью пониженного давления в центре; у вторых - по часовой стрелке с областью повышенного давления в центре. Циклоны перемещаются иногда с огромной скоростью (например, в тропических поясах до 200-250 км/ч) и причиняют огромный ущерб на поверхности суши или океанов. Циклоны и антициклоны образуются от соприкосновения встречных воздушных масс. Муссоны возникают по побережьям океанов от неравномерного нагревания суши и водных масс. Летом они дуют с океана, зимой - с суши.

Пограничный слой между тропо- и стратосферой называется тропопаузой. В этом сравнительно тонком слое толщиной 2-4 км наблюдаются изотермические условия.

В стратосфере температура воздуха постепенно повышается с высотой, градиент составляет 1-2 мК/м, т.е. у верхней границы слоя температура достигает 10оС. Причиной повышения температуры является слой озона, который, поглощая ультрафиолетовую радиацию, выделяет затем в вышележащие слои атмосферы тепловую энергию. Сам же озон, по-видимому, возникает под действием на кислород той же ультрафиолетовой солнечной радиации или же космических лучей.

В стратосфере происходит интенсивная циркуляция воздуха, сопровождающаяся вертикальными и горизонтальными его перемещениями. В переходном слое от стратосферы к мезосфере, который называется стратопаузой, температура с высотой начинает понижаться.

В мезосфере температура с высотой непрерывно падает. Здесь возможно движение воздушных масс, и здесь образуются так называемые серебристые облака, которые располагаются на довольно постоянной высоте - 80-85 км. Слой серебристых облаков является пограничным между мезо- и термосферой; этот пограничный слой называется мезопаузой.

Температура с высотой довольно быстро возрастает в термосфере. Если на высоте 90 км Т= -90 оС, то на высоте 400 км она достигает 1000-2000 оС; выше температура остается почти неизменной. Под действием ультрафиолетового солнечного излучения и космических лучей воздух сильно ионизируется и становится электропроводным. Этот слой иногда называют ионосферой. Однако следует заметить, что и в вышележащем слое - экзосфере, где температура составляет примерно 200 оС, газы также ионизированы, но их плотность очень низка, поэтому отдельные молекулы газа двигаются с огромными скоростями и преодолевают притяжение Земли.

Охрана атмосферы

Жизнь на Земле была бы невозможна без атмосферы. Она также является одним из основных экзогенных факторов непрерывного изменения и преобразования земной коры (процессы выветривания, эолового переноса вещества и др.). Вместе с тем, она играет важную роль и в хозяйственной деятельности человека. Антропогенное воздействие на атмосферу имеет много направлений. Прежде всего это использование в производстве некоторых составных частей атмосферы - азота для производства удобрений, кислорода для металлургии, медицинских целей, горения и т.д.

Обычная хозяйственная деятельность человечества много тысячелетий оказывает воздействие на климат, причем чаще всего отрицательное. Одним из главных отрицательных факторов глобального воздействия является загрязнение атмосферы углекислым газом. Помимо обычного, природного поступления СО2 в атмосферу, происходит систематическое пополнение атмосферы этим газом за счет сжигания огромного количества топлива. Оценки показывают, что содержание СО2 в атмосфере за последние 20-30 лет возросло на 10-15% и продолжает увеличиваться. Увеличение содержания СО2 приводит к повышению температуры воздуха у поверхности Земли. Расчеты показывают, что по этой причине уже к началу следующего тысячелетия среднегодовая температура может подняться на 0,5оС, что не так уж и мало. Даже такое, казалось бы, незначительное повышение среднегодовой температуры может привести к усилению таяния и некоторому сокращению ледникового покрова, а это, в свою очередь, вызовет цепную реакцию в изменении целого ряда других природных явлений на Земле.

Воздействие человека сказывается и на содержании кислорода в воздухе. Кислород восстанавливается в атмосфере благодаря естественным процессам, и в первую очередь, в результате фотосинтеза растений. Поэтому уменьшение площади лесов ослабляет один из основных источников пополнения атмосферы кислородом.

Загрязнение атмосферы промышленными и транспортными выбросами (сажа, зола, сернистые соединения, СО, СО2, пыль и др.) делают в ряде случаев атмосферу мало или даже совсем непригодной для жизнедеятельности человека и для некоторых видов флоры и фауны. В промышленных городах, где выбросы в атмосферу особенно велики, нередко образуются смоги - это густой туман, состоящий из смеси вредных соединений: оксидов серы, азота, углерода и др.). “Рекордсменами” по смогу можно считать такие города, как Лос-Анджелес, Мехико-Сити, Сан-Пауло, и некоторые другие. Все это указывает на настоятельную необходимость сочетания хозяйственной деятельности человека с тщательной охраной атмосферы.

Особое внимание необходимо обратить на сохранение озонового слоя. Разрушающе действуют на озон водяные пары, ОН- , NO2, CH4, и некоторые другие вещества. Самую большую опасность для озонового слоя представляют наземные и воздушные испытания атомных и водородных бомб, на которые, правда, уже 15 лет наложен международный мораторий. Тем не менее, следует упомянуть о том, что при наземном испытании одной водородной бомбы средней мощности в атмосферу выбрасывается до 100 млн.т пыли; возникающее при этом помутнение атмосферы равносильно помутнению при крупном вулканическом извержении. (Примеры последних мы будем рассматривать ниже).

Специалисты по моделированию природных катастроф из ВЦ РАН (акад.Н.Н.Моисеев и др.) пришли к выводу, что в случае взрыва даже 25% существующего арсенала атомного оружия, вследствие выброса в атмосферу пыли и дыма (помимо других изменений природной среды) может возникнуть катастрофическая “ядерная зима” на всей планете. В качестве примера подобного явления, но в значительно меньших масштабах, приводятся последствия извержения вулкана Тамбор в Индонезии в 1815 г., послужившее причиной того, что в следующем году в США выпал невиданной толщины снежный покров, а в Европе лето оказалось самым холодным за всю историю.

Гидросфера - это, в первом приближении, прерывистая оболочка Земли, включающая воды океанов, морей, озер и рек, подземные воды, воды, собранные в виде вечных снегов и льда, а также химически связанные воды горных пород. Здесь мы рассмотрим характеристики основного земного резервуара вод - Мирового океана, объединяющего все океаны, окраинные и внутренние моря.

На Мировой океан приходится примерно 71% всей поверхности Земли (361 млн.км2 из 510 млн.км2). Если объем воды всей гидросферы составляет, примерно, 1458 млн км3, то на Мировой океан приходится 1370 млн км3, что равно 94% всего объема воды планеты. Масса гидросферы составляет примерно 0,025% от массы всей Земли.

На океанском дне в зависимости от глубины можно выделить несколько основных батиметрических зон, отличающихся тектонической природой, физико-географическими условиями, биологическими видами и другими особенностями (табл.1).

Наглядное представление о характере распределения высот суши и глубин океанского дна дает гипсометрическая кривая (рис.2). Она отражает соотношение площадей твердой оболочки Земли с различной высотой - на суше и с различной глубиной - в море. С помощью кривой вычислены средние значения уровня земной поверхности с учетом уровня земной поверхности (245 м), твердой оболочки (-2440 м), суши (840 м) и средней глубины моря (-3880 м). Если не принимать во внимание горные области и глубоководные впадины, занимающие относительно небольшую площадь, то на гипсометрической кривой можно отчетливо выделить два преобладающих уровня: уровень континентальной платформы высотой примерно 1000 м и уровень океанического ложа с отметками от -2000 до -6000 м. Соединяющая их переходная зона представляет собой относительно резкий уступ и называется континентальным склоном. Естественным продолжением континента является его внешняя, затопленная морем часть, - континентальный шельф. Таким образом, естественной границей, разделяющей океан и континенты, является не видимая береговая линия, а внешняя граница склона.

Основные зоны дна Мирового океана

Таблица 1

Элементы рельефа