Атмосфера і гідросфера в характеристиці геосистем

Міністерство освіти і науки  України

Вінницький  державний технічний університет 

                                                                                                           Ін ЕЕЕМ

                                                                                                           Факультет ЕЕЕ

                                                                                                            Кафедра ХЕБ

 

 

 

Реферат

на тему:

“АТМОСФЕРА І ГІДРОСФЕРА В ХАРАКТЕРИСТИЦІ ГЕОСИСТЕМ”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вінниця 2003

 

 

 

1. Атмосфера

Атмосфера – газова оболонка Землі, яка постійно взаємодіє з іншими оболонками і Космосом. Маса атмосфери майже постійна і має приблизно вагу в 5,157·10¹⁵ т, в той час, як маса Землі складає 5,97·10²¹ т. Нижню межу атмосфери умовно проводять по поверхні Землі, верхню – вище 2000 км. До висоти 90-95 км атмосфера знаходиться в добре перемішаному стані практично з постійним газовим складом (гомосфера), тут виконуються закони променистості термодинамічної рівноваги. Вище ці закони порушуються. Тому поняття про температуру атмосфери на висотах більше за 100 км втрачає свій зміст. Для цих висот вже говорять про кінетичну температуру.

Атмосферу за температурними умовами  поділяють на тропосферу, атмосферу, мезосферу, термосферу та екзосферу (табл. 1).

 

Таблиця 1 Будова атмосфери Землі

Основний шар	Середня висота верхньої і нижньої межі, км	Перехідний шар
Тропосфера	0-11	Тропопауза
Стратосфера	11-60
		Стратопауза
Мезосфера	60 - 80
		Мезопауза
Термосфера	80-800
		Термопауза
Екзосфера	800 - 2000

 

 

Між основними шарами розміщені  перехідні шари – паузи (тропопауза, стратопауза,, мезопауза, термопауза). Атмосферу оточує земна (воднева) корона, яка сягає більше, ніж на 20 тис. км.

Крім цього, атмосферу ділять на нижню атмосферу (тропосфера і тропопауза), середню атмосферу (стратосфера, мезосфера, мезопауза) і верхню атмосферу.

Тропосфера простягається від  поверхні Землі до висот 7-8 км на полюсах, в помірних широтах до 10-12 км, над тропіками до 16,3 км, на екваторі до 16-18 км. В тропосфері температура повітря на кожні 100 м. Спадає з висотою на 0,65°С.

В тропосфері відбуваються основні  процеси перетворення променистої  енергії Сонця в кінетичну енергію атмосферних рухів, в скрите тепло водяної пари. Тут проходять основні переходи вологи, утворюються хмари і опади. В тропосфері виникають великомасштабні вихори – циклони і антициклони, проходять неперервний кругообіг води (випаровування – конденсація пари – утворення хмар і опадів, утворення поверхневого стоку рік і підземного стоку).

Нижній шар атмосфери товщиною 1,0 – 1,5 км (в тропічній зоні декілька більше) називають планетарним приземним шаром (ППШ), визначаючим фактором цього шару являється турбулентне тертя. В ППШ відбувається обмін теплом і вологою між підстиляючою поверхнею (поверхня суші і поверхня океану) і атмосферою. Найбільш активно ці процеси відбуваються в нижній частині ППШ, товщина якої складає 30-50 м. Цей шар називають приземним (приводним) шаром.

Перехідний шар – тропопауза – відділяє тропосферу від стратосфери. В стратосфері відбувається велика стійкість, яка допускає тільки дуже слабі вертикальні рухи і перемішування. Це має велике значення для розподілу в стратосфері малих газових домішок. Стратосфера взагалі дуже суха. На висоті 20 км над тропіками концентрація водяної пари складає всього 2 млн^-1 (по об’єму), а над полярними широтами – 5 млн^-1. Вище 35 км температура повітря помітно збільшується до висоти 50 км, де вона – порядка 270 °К (-3°С). Для стратосфери, яка досягає висот в середньому від 10-12 км до 60 км., характерна велика концентрація озону (О₃), який утворюється під впливом сонячної радіації через з’єднання молекул О₂ та атома О. Максимальна його концентрація (до 300 мкг/м²) досягає до висоти 20-26 км. Поглинаючи сонячну радіацію, озон впливає на температуру атмосфери (збільшує її).

Над стратопаузою до висоти 80 км розташована  мезосфера, в якій температура знижується з висотою і складає 160°К (113°С) в її верхній частині. Це сприяє конденсації водяної пари і утворенню на висоті близько 80 км мезосферних (сріблястих) хмар. В мезосфері вже може бути підвищення іонізації.

Мезопауза, яка знаходиться на висоті 85 км, відділяє мезосферу від термосфери, в якій температура починає різко зростати з висотою до 2000°К (1727°С) в періоди максимальної сонячної активності і до 1060°К (787°С) при малій активності (вночі відповідно до 1300-730°К). Висота термосфери досягає до 800 км.

В термосфері, на висоті більше 100 км, істотно міняється склад повітря: розпадаються всі молекули Н₂О і СО₂, і значна доля молекули О₂ дисоціює на атоми О. В цьому шарі збільшується іонізація частинок газів і утворюється шар іоносфери Е₁, а на більших висотах - шар Е₂. Рух частинок залежить тут від прилипливих сил, які утворюють своїм тяжінням Сонце та Місяць, особливо в низьких широтах.

Над термосферою, на висотах понад 800 км, знаходиться останній з поки що відкритих шарів – екзосфера, або шар розсіювання газів. Молекули легких газів, долаючи сили земного тяжіння і магнітного поля, відлітають з цього шару в космос за багато тисяч кілометрів від Землі.

За даними спостережень і теоретичними розрахунками температура в екзосфері з висотою зростає мабуть до 2000°С, гази тут настільки розріджені, що частинки їх, рухаючись з величезними швидкостями, пробігають сотні кілометрів без зіткнень, тобто практично майже не зустрічаються одна з одною.

Атмосфера є механічна суміш  різних газів. Сучасний склад атмосферного повітря Землі складався на протязі декількох сотень мільйонів років назад.

Формування сучасної атмосфери відбувалось у 4 етапи. В складі первинної атмосфери були присутні: пар води, Нітроген, Гідроген, метан, HCl, HF, H₂S. Під дією радіації відбувається радіоліз води з утворенням Оксигену, який витрачається на процеси окислення заліза.

Перший етап утворення атмосфери характеризується появою хемолітотрофних бактерій. Вони окислювали гази вулканічного походження і розпочали синтез органічних речовин.

Поява ціанобактерій – життя  у воді. Бактерії нормально розвивались  без Оксигену, але самі не синтезували О₂, який витрачався на окислення FeO і на нагромадження органічних речовин у воді.

Перехід до альгобактерій – новий  стрибок у накопиченні Оксигену і збільшенні біомаси.

Четвертий етап – перехід до життя  на поверхні земної кори. Ера фотосинтезу і остаточне формування атмосфери.

Усі гази і домішки, які входять  у склад атмосфери можна розбити  на п’ять груп:

1. Основні газові складові: азот (N₂), кисень (O₂), аргон (Аr). Знаходяться вони в атмосфері приблизно в постійному співвідношенні до висоти 100 км (табл. 3). Ці гази (крім кисню) порівняно інертні в радіаційному і хімічному відношенні.

2. Малі газові складові (МГС). В атмосфері МГС постійно присутні в невеликій кількості. Вони іноді дуже активні в різних реакціях і хімічних перетвореннях, дуже поглинають інфрачервону (ІЧ) радіацію. Тому МГС, особливо такі як О₂ і СО₂, відіграють велику роль у мінливості клімату. До МГС можна віднести також і дуже активну в радіаційному і хімічному відношеннях водяну пару.

3. Ненасичені і нестійкі молекули та атоми (у хімії іноді їх називають вільними радикалами), дуже активні, алі короткоживучі і малочисельні, які взаємодіють з іншими МГС. До них відносяться атомний кисень (О),гідроксил

(ОН-), пергідроксил (НО₂), оксид хлору (ClO) та деякі інші молекули і частинки.

4. Аерозоль – тверді і рідкі мілкі частинки, зважені в повітрі, дуже складного складу. Це краплини і кристали хмар, пилинки, які піднялись з поверхні Землі та викинуті вулканами, метеорний пил, частинки солей морської води, сажі, цементу й ін. Швидкість їх падіння (осідання) дуже мала, а відносна поверхня – велика.

5. Антропогенні домішки, які поступають в атмосферу в наслідок господарчої діяльності людини. Серед цих домішок велике значення має діоксид сірки (SO₂), продукт, який виділяється при спалюванні вміщуючого сірку кам’яного вугілля.

Велике значення для  хімічних процесів в атмосфері мають  хлорфторметани (ХФМ), такі як ССІ₂F (фреон), ССІ₂F₂ (фреон - 12) та ін. Атоми хлору в стратосфері реагують з озоном і руйнують озоновий шар. У цьому – одна із причин сучасних побоювань про значне зменшення кількості озону в атмосфері в майбутньому десятиріччі, та зміни кліматичних умов на Землі.

В атмосфері відбуваються різноманітні колообіги речовин  та енергії. Атмосфера виступає ніби посередником між геосистемами. З атмосфери різні складові геосистем беруть поживні речовини, кисень для дихання живих організмів. Тобто для геосистем атмосфера має величезне значення.

 

 

 

2. Клімат і погода

Клімат – статистичний ансамбль стану, який проходити система океан, суша, атмосфера, біосфера (ОСАБ) за період часу в декілька десятиліть. Оскільки ця система глобальна то і клімат – поняття глобальне.

Клімат визначається трьома кліматоутворюючими факторами, які поділяються:

На зовнішні:

• астрономічні – світимість Сонця, положення орбіти Землі в Сонячній системі та характеристики орбітального руху Землі (нахил її осі до площини орбіти і швидкість обертання навколо осі);
• геофізичні – розмір і маса Землі, її власні гравітаційні і магнітні поля та внутрішнє тепло, яке визначає геотермічні джерела тепла та вулканізм;

Внутрішні:

• склад атмосфери, її маса, маса і склад океану; особливості розподілу суші та океану; рельєф поверхні суші; структура діяльного шару суші та океану.

Кліматоутворюючими факторами  являються: сонячна радіація, загальна атмосферна циркуляція, характер підстилаючої поверхні, вологообіг в атмосфері та антропогенна діяльність на Землі. Клімат характеризують тими самими метеорологічними елементами, що й погода, тільки взятими за багаторічний період. Методами кліматологічних досліджень є статистичний, комплексний, синоптично-динамічний та інші. Статистичний метод ґрунтується на обчислені середніх багаторічних показників клімату. В основу комплексного методу покладено вивчення комплексу кліматичних елементів, які об’єднані в типи і класи погоди. Наочним зображенням цього методу є графік структури клімату в погодах. Синоптично-динамічний метод вивчає клімат залежно від циркуляційних (синоптичних) процесів.

Кліматичні дослідження  ґрунтуються на масових спостереженнях метео-станцій. Застосовуючи методи математичної статистики, обчислювальні та графічні способи обробки метеорологічної інформації дістають різноманітні кліматичні показники. Вони є в кліматичних довідниках, атласах тощо.

Для вивчення типу клімату  використовують комплексні графіки, на яких наносять різні елементи: середню температуру і вологість повітря, кількість атмосферних опадів, екстремальні температури тощо. Будують кліматичні карти для окремих метеорологічних елементів, таких як температура повітря, радіаційний баланс, атмосферний тиск, опади тощо.

Як уже було сказано, на кліматоутворення в будь-якому  регіоні Землі впливають дуже багато факторів. У зв’язку з цим процес кліматоутворення на земній кулі відбувається дуже різноманітно. Ось чому з’явилась необхідність кліматичного районування та класифікації кліматів. Класифікація кліматів – це виділення їх типів за певними ознаками, або умовами виникнення. Серед багатьох класифікацій кліматів найбільш відома класифікація кліматів по В.П. Кеппену, в основу якої покладено режими температури і зволоження.

Також існує  менш відома ландшафтна класифікація клімату Л.С. Берга (класифікацію кліматів проведено на основі найхарактерніших ознак ландшафтів). Найбільше за всіх у кліматології класифікація ґрунтується на умовах циркулярної атмосфери, типах повітряних мас і їх переміщенні.

Погодою називається фізичний стан атмосфери над даною територією в даний момент або за певний проміжок години, визначений сукупністю значень метеорологічних величин і атмосферних явищ. У даному місці й у даний момент погода характеризується сукупністю значень метеорологічних величин: температура, вологість повітря, атмосферний тиск, швидкість вітру, хмарність та ін.

Безперервні зміни погоди у першу чергу зв’язані з процесом загальної циркуляції атмосфери. Зміни погоди можуть бути періодичними та неперіодичними.

Періодичні зміни погоди – це добові і річні зміни, зумовлені  обертанням Землі навколо своєї осі й Сонця. Усі вони повторюються через певні проміжки часу. Тому метеорологічна величина має свій добовий і річний хід. Поряд з регулярними періодичними змінами погодних процесів часто відбуваються значні неперіодичні зміни. Ми знаємо, як інколи різко може змінюватися температура повітря, чи атмосферний тиск протягом доби (настає прохолодна погода або потепління). Причиною таких змін погоди є перенесення холодних повітряних мас у тепліші регіони і теплих повітряних мас у холодніші, проходження розділяючих їх атмосферних фронтів, переміщення й еволюція над даною територією циклонів і антициклонів.