Междисциплинарная кафедра ТПУ. Доцент, кандидат географических наук А.Е. Тябаев.

Междисциплинарная кафедра ТПУ.
Доцент, кандидат географических наук
А.Е. Тябаев.
* Всякий природный процесс должен обеспечиваться энергией.
* В Географическую оболочку энергия поступает из Космоса, недр Земли и
выделяется при гравитационном взаимодействии планеты с ближайшими
космическими телами – Луной и Солнцем.
* В зависимости от этого энергетические источники подразделяют на
внутренние (эндогенные) и внешние (экзогенные). Сумма внутренней и
внешней энергии изменяет вещество земной коры, создает форму и рельеф
Земли.
* Самые грандиозные преобразования на поверхности планеты вызывает
эндогенная энергия, однако и вклад экзогенной энергии в преобразовании
облика планеты не менее значителен.
Во-первых, солнечная энергия запасается в геохимических аккумуляторах
земной коры;
Во-вторых, энергия солнечно-лунных приливов воздействует на Гидросферу
и другие оболочки.
В-третьих, неравномерность распределения лучистой энергии по земной
поверхности приводит в движение Атмосферу, а посредством её – и
Гидросферу.
* Из всех видов энергии поступающей в
Географическую оболочку солнечная энергия
по мощности гораздо превосходит все
остальные виды энергии.
* Однако значение каждого вида энергии не
может оцениваться только количественно, так
как каждый вид выполняет определенные
функции.
* Эффективность энергетического потока во
многом зависит от того, поступает ли энергия в
концентрированном или рассеянном виде, к
нижней или верхней границе геосфер и т. д.
* Несмотря на весомые различия экзогенной и
эндогенной энергии, их роль в Географической
оболочке сопоставимо велика.
Эндогенная энергия
* Эндогенная энергия (энергия земных недр) поступает в
Географическую оболочку главным образом в двух формах:
* теплового потока
* и путём механических перемещений вещества вследствие
гравитационной дифференциации.
* Величина теплового потока в среднем в 10-5 раз меньше потока
электромагнитной солнечной энергии (0,06 Дж/м2-с).
* Тепловое поле земной поверхности служит энергетической основой
многих процессов в Географической оболочке.
* Гравитационными силами непрерывно деформируется земная
поверхность, в результате чего создается рельеф и меняется
напряженность его гравитационного поля.
* По образовавшимся уклонам поверхности происходит
гравитационное перемещение денудационного материала – с более
высоких гипсометрических уровней на более низкие.
* Тепловой поток неравномерно распределён на земной поверхности, что
связано с характером тектонических структур и возрастом земной коры.
* Наибольшие значения теплового потока наблюдаются в зонах срединно-
океанических хребтов, особенно в пределах рифтовых зон, потому что там
вещество мантии поднимается непосредственно к поверхности Литосферы.
* Также высок он в сейсмоактивных и вулканических районах. Наоборот, в
тектонически спокойных регионах его значения существенно ниже средних.
Рифтовая зона
* Эндогенная энергия имеет ещё несколько источников, которые по величине
сопоставимы между собой:
гравитационное сжатие и уплотнение вещества Земли;
распад радиоактивных веществ;
внутреннее трение масс вещества;
приливное трение (взаимодействие Земли с Луной и Солнцем.
* Тепло на земную поверхность поступает также через гейзеры, термальные
источники и даже вулканические извержения, но это тепло суммарно намного
меньше того тепла, которое даёт постоянный тепловой поток из недр, поэтому
это тепло в общих расчётах обычно не учитывается.
* Определенную часть эндогенной энергии составляет солнечная энергия,
поступившая на земную поверхность ранее и сохранившаяся в «геохимических
аккумуляторах» – горючие полезные ископаемые.
* Считается, что в геологическом прошлом количество
радиоактивной и приливной энергии было существенно большим,
так как на ранних стадиях развития Земли было больше
радиоактивных элементов и Луна располагалась ближе.
* Внутренняя энергия обнаруживает себя в разнообразных, но
взаимосвязанных движениях земной коры.
* Следовательно внутренние массы Земли активны и не находятся в
состоянии равновесия.
* Движения земной коры осуществляются в двух основных формах:
вертикальных колебательных и горизонтальных движениях.
* Их сущность - волнообразные поднятия или опускания
огромных участков Литосферы.
* При этом возможны два основных типа проявлений
движений: медленные вековые малозаметные и
относительно быстрые активные, хорошо ощутимые.
* В первом случае залегание пластов горных пород
практически не меняется; меняется лишь их абсолютная
высота над уровнем моря, а иногда и относительная высота
друг относительно друга.
* Медленные вертикальные движения можно проследить по
положению береговой линии, когда граница между сушей и
морем смещается по причине расширения площади моря за
счёт сокращения площади суши, и наоборот.
* Если море отступает, то процесс
называется регрессией, если
море наступает – трансгрессией
моря.
* Такие вертикальные движения
земной коры происходят в
течение длительного
геологического времени.
* Активные вертикальные
движения земной коры сильно
изменяют залегания горных
пород и рельеф земной
поверхности, создают особые
возвышенные (горные хребты и
т.п.) и пониженных (межгорные
впадины и т.п.) структуры. Такие
движения называют
тектонической дислокацией.
Трансгрессия
Каспийского моря
* Значительное увеличение площади суши
или моря изменяет характер климата,
который становится более морским или
более континентальным, что с течением
времени приводит к изменению
органического мира, растительного и
почвенного покрова.
* Увеличение площади суши облегчает
миграции наземной фауны и флоры;
увеличение площади морей облегчает
перемещение и обмен морской фауны и
флоры.
* Другим следствием является размывание
берегов, пляжей вследствие абразии,
когда море последовательно
трансгрессируя, срезает часть
побережья.
Абразия берегов
* Горизонтальные движения земной коры
являются следствием горизонтальных
подвижек земной коры и вызывают
изменение залегания пластов горных
пород.
* Наиболее частый результат
Антиклиналь
горизонтального движения масс – это
образование складок, т. е.
волнообразного изгиба пластов.
* Часть изгиба, обращенная выпуклостью
вверх, имеет название антиклиналь,
другая же часть, обращенная
выпуклостью вниз, – синклиналь.
Синклиналь и антиклиналь всегда
проявляются вместе – это две стороны
одного волнового процесса.
Синклиналь
* В истории Земли скорости перемещений земной
коры изменяются неравномерно, и периоды их
усиления называют эпохами тектонической
активизации.
* В процессах тектонической активизации
высвобождается огромное количество
внутренней энергии планеты, которое идёт с
одной стороны на перемещение горных пород, с
другой на провоцирование экзогенных процессов
и явлений.
* Эпохи тектонической активизации – это и время
усиления экзогенных процессов, ускорения
физико-химических, механических процессов и
биологических реакций на изменение
окружающего пространства.
* Главные эпохи тектонической активизации
следующие:
* байкальская (граница протерозоя и палеозоя);
* каледонская (ранний палеозой);
* герцинская, (поздний палеозой);
* киммерийская (средний мезозой);
* альпийская (кайнозой).
* Альпийские тектонические движения не
прекратились и сейчас, поэтому они называются
современными.
* Несмотря на то, что эпохи тектонической
активизации, складкообразования и
горообразования в истории Земли повторяются,
они далеко не одинаковы по своей мощности,
местоположению и длительности.
Экзогенная энергия
* Все виды энергии, поступающей к Земле из
Космоса, называют экзогенными.
* В количественном отношении она на 97% состоит
из электромагнитного излучения Солнца –
солнечной радиации.
* Поток солнечной радиации, поступающей на
верхнюю границу атмосферы, рассчитываемый на
1 см2 в минуту, называют солнечной постоянной,
которая равна 8,3 Дж/см2 минуту или 1000
ккал/см2 в год.
* Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн
разной длины.
* Ультракоротковолновая радиация (длина волн менее 0,1027 мкм)
проникает до высоты 100 – 200 км, где она задерживается в ионосфере.
* Более длинные волны (0,1027 – 0,2424 мкм) распространяются до высоты
70 – 80 км.
* Жёсткая ультрафиолетовая радиация (0,2424—0,2900 мкм) практически
полностью поглощается в слое максимальной концентрации озона на
высоте 25 – 28 км.
* В нижние слои атмосферы – тропосферу и непосредственно к
земной поверхности – поступают мягкая ультрафиолетовая
радиация (0,29 – 0,40 мкм), а также видимое световое (0,40 – 0,74
мкм) и инфракрасное (ИК) излучение (0,74 – 2,4 мкм).
* Одновременно в географическую оболочку поступает
радиоволновое излучение (от Солнца и из Космоса),
энергетическое значение которого невелико.
* Вместе с электромагнитными потоками в атмосферу проникает
корпускулярный поток заряженных частиц – «солнечный» и
«космический» ветер.
* Их суммарная энергия в несколько тысяч раз меньше электромагнитной
энергии и уступает (в количественном выражении) даже эндогенной
энергии.
* Корпускулярный поток почти полностью поглощается магнитосферой и
верхними слоями атмосферы.
* Его изменчивость, связанная с пульсациями солнечной активности,
вызывает возмущения геомагнитного поля, что отражается на
биологических процессах.
Магнитосфера
Земли
* Основной энергией большинства земных процессов является
лучистая энергия Солнца, поступление которой изменяется в
течение года и зависит от географической широты.
* В Географической оболочке потоки солнечной радиации
существенно трансформируются: отражаются, поглощаются,
рассеиваются.
* Часть радиации, которая достигла земную поверхность,
поглощается ею, остальная – отражается.
* Отношение отраженной радиации к суммарной, пришедшей
на поверхность Земли в виде прямой и рассеянной,
называется альбедо и выражается формулой:
α = (Qотр /Q+q)*100%
* Где:
α – величина альбедо, выражаемая в процентах или
долях единицы; Qотр – отраженная солнечная радиация;
(Q+q) – суммарная солнечная радиация (Q – прямая, q –
рассеянная).
* Альбедо зависит от многих причин:
высоты Солнца,
облачности,
характера подстилающей поверхности,
времени года.
* С увеличением облачности зависимость альбедо от высоты Солнца
снижается.
* Альбедо суши в среднем больше, чем водной поверхности.
* Отношение радиации, отраженной Землей в
целом (облаками и земной поверхностью) к
радиации, поступившей на внешнюю границу
атмосферы, называют планетарным альбедо
Земли. Его величину оценивают в 30 – 35%.
* Поглощенная радиация нагревает земную
поверхность и нижние слои атмосферы.
* В результате последние сами становятся
источниками излучения.
* Большая часть излучаемой Землей радиации
возвращается к подстилающей поверхности за
счёт наличия в тропосфере облаков, парниковых
газов, аэрозолей.
* В целом на земную поверхность поступают потоки
прямой (непосредственно от солнечного диска) и
рассеянной (от всего небосвода) лучистой
энергии и противоизлучения атмосферы (за счёт
её нагревания преимущественно тепловым
потоком от земной поверхности).
* Разность между поступлением и потерей
радиации земной поверхностью составляет её
радиационный баланс R:
R = S + D – О - Е3 + ЕА,
* где: S – прямая солнечная радиация, D –
рассеянная радиация, О – отраженная радиация,
Е3 – излучение земной поверхности, ЕА –
противоизлучение атмосферы.
* Если бы атмосферный воздух состоял только из постоянных газов (азота,
кислорода и аргона), то он был бы прозрачен для ИК радиации и отражённая
от земной поверхности длинноволновая радиация могла бы без изменения
вернуться в космическое пространство.
* Однако воздух содержит небольшое количество диоксида углерода, метана
(СН4) и водяных паров, которые в атмосфере сильно (до 50%) подслащают
длинноволновую (ИК) радиацию.
* Чем короче длина волны, тем интенсивное рассеяние; поэтому больше
рассеиваются лучи синей части спектра, придавая небу голубой цвет в ясную
погоду.
Схема среднегодового радиационного и теплового
баланса (%), по К.Я. Кондратьеву (1992)
* Распространение солнечной энергии в море. В Мировом океане
распространение солнечной радиации имеет некоторые
особенности, поскольку электромагнитные волны поглощаются
толщей воды избирательно.
* Лучистая энергия красной части спектра поглощается почти целиком
в самом верхнем слое моря толщиной до 1 м; на глубине 100 м
остается около 1% энергии, сдвинутой в сторону сине-зеленой части
спектра (вследствие этого предметы на морском дне имеют такую
окраску).
* Эта величина часто считается минимально возможной для
осуществления нормального фотосинтеза.
* Глубина проникновения солнечного света во многом зависит от
прозрачности воды и состояния поверхности моря.
* Распространение света в морской воде определяет такую важную её
характеристику, как подводная освещённость.
* Распределение тепла описывается уравнением теплового баланса,
которое у каждого географического района своё.
* Важнейшим его компонентом является радиационный баланс земной
поверхности.
* Солнечная радиация расходуется на нагревание почвы, воздуха и воды,
испарение, таяние снега и льда, фотосинтез, почвообразовательные
процессы и выветривание горных пород.
* Поскольку для природы всегда характерно равновесие, то наблюдается
равенство между приходом энергии и расходом её на все процессы, что
выражается уравнением теплового баланса земной поверхности:
* R = LЕ + А ± Р ± В + F + С,
* где: R – радиационный баланс; LЕ – теплота, затрачиваемая на испарение
воды и таяние снега или льда; А – горизонтальный перенос тепла
воздушными и океаническими течениями; Р – вертикальный теплообмен
земной поверхности с воздухом; В – вертикальный теплообмен земной
поверхности с почвой и горными породами; F — расход энергии на
фотосинтез; С – расход энергии на почвообразование и выветривание.
* Уравнение теплового баланса можно вывести для любого географического
района и отрезка времени.
* Перенос тепла от поверхности в
атмосферу происходит тремя путями.
* Часть энергии переносится тепловым
излучением;
* вторая часть переноса осуществляется
нагреванием или охлаждением
воздуха, который входит в контакт с
сушей.
* Однако наибольшая часть переноса
осуществляется за счет испарения
воды.
* Водяные пары, поднимаясь в
атмосферу, конденсируются в
различные виды облаков и
выпадающие осадки (снег, дождь), и,
таким образом, атмосфера получает
тепло за счёт испарения.
Испарение воды
* Поглощенная атмосферой инфракрасная радиация и теплота
конденсации водяных паров задерживают потерю тепла земной
поверхностью.
* Таким образом, на Земле вода играет важную роль как
аккумулятор тепла, потому что она поглощает инфракрасную
радиацию, а также вследствие механизма испарения и
конденсации.
* Над засушливыми районами эти влияния уменьшаются, и
поэтому именно здесь мы наблюдаем самые большие суточные
и годовые амплитуды температуры.
* Наименьшие изменения температуры свойственны влажным
океаническим районам.
* Кроме того, так как океан является большим резервуаром по
сравнению с сушей, он хранит и больше тепла, что ослабляет
годовые колебания температуры вследствие высокой удельной
теплоемкости воды.
* Структура теплового баланса зависит от географической широты и
типа подстилающей поверхности, которая, в свою очередь, сама
зависит от неё.
* Подстилающая поверхность существенно изменяется не только при
движении от экватора к полюсам, но и при переходе с суши на
море.
* Суша и океан различаются как по величине поглощенной радиации,
так и по характеру распределения теплоты из-за разной
способности её распространения на глубину.
* В океане летом теплота распространяется на глубину в несколько
сотен метров; на суше теплота распространяется всего на
несколько метров, а всего за тёплый сезон здесь накапливается в
10 – 25 раз меньше тепла, чем в океане.
* Благодаря большому запасу теплоты, накопленному в умеренных и
отчасти более высоких широтах летом, а в жарком поясе на
протяжении всего года, океан зимой охлаждается меньше, чем
суша, а летом его температура в целом ниже.
* До 80% энергии, поглощаемой океаном,
расходуется на испарение воды.
* Остальные 20% энергии расходуются на
турбулентный теплообмен с атмосферой.
* Вертикальный теплообмен океана с атмосферой
стимулирует и горизонтальный перенос теплоты,
благодаря чему она частично оказывается на
суше.
* В теплообмене океана и атмосферы участвует
верхний 50-метровый слой воды.
* Годовая сумма радиационного баланса почти всюду на Земле
положительна, за исключением ледниковых районов Гренландии и
Антарктиды.
* Его среднегодовые значения уменьшаются в направлении от экватора к
полюсам, следуя закономерности распределения солнечной радиации по
земному шару.
Распределение
солнечной
радиации
* Значения радиационного баланса над океаном больше, чем над сушей.
* Это связано с меньшим альбедо водной поверхности, повышенным
влагосодержанием в экваториальных и тропических широтах.
* Сезонные изменения радиационного баланса происходят во всех
широтах, но с разной степенью выраженности.
* В низких широтах сезонность региона определяется не термическими
условиями, а режимом осадков.
* В умеренных и высоких широтах изменения радиационного баланса
меняются от положительных значений летом до отрицательных зимой. В
этих регионах термический режим превалирует над режимом осадков.
* Отрицательный баланс холодного периода года в умеренных и полярных
широтах частично компенсируется за счёт переноса тепла воздушными и
морскими течениями из низких широт.
* В летний период в Арктику тепла поступает даже больше, чем на
экватор, однако вследствие высокого альбедо арктических морей льды
здесь не тают.
* Для сохранения энергетического баланса Земли должен быть
перенос тепла в направлении полюса. Немного менее 1/3 этого
тепла переносится океаническими течениями, остальное –
атмосферой.
* Различия в нагревании Земли обусловливают её действия как
географической тепловой машины, в которой происходит передача
тепла от нагревателя к холодильнику.
* В природе этот процесс реализуется в двух формах:
во-первых, термодинамические пространственные неоднородности
формируют планетарные системы ветров и морских течений;
во-вторых, данные планетарные системы сами участвуют в
перераспределении тепла (и влаги) по земному шару.
* Таким образом, от экватора в направлении к полюсам потоками
воздуха или океаническими течениями переносится тепло, а к
экватору переносятся холодные воздушные и водные массы.
* Перенос тепла по направлению к полюсам достигает максимума
около широты 40° и становится равным нулю у полюсов.
* Географическим следствием распределения тепла по земному шару
является распределение температуры.
* На горизонтальное распределение температуры влияют географическое
положение, рельеф, свойства и вещественный состав подстилающей
поверхности, системы океанических течений и характер атмосферной
циркуляции в приземном и приводном слоях.
* Всё это придает специфические черты азональности климатической
зональности элементов в целом. Средняя температура земной поверхности
составляет порядка 15°С.
* Самые высокие температуры наблюдаются на так называемом
термическом экваторе – линии, соединяющей точки с наиболее высокой
среднегодовой температурой выше 28°С, который примерно соответствует
параллели 5°с.ш. на океанах и 10°с.ш. на суше.
* Смещение термического экватора в Северное полушарие объясняется
охлаждающим воздействием ледяного панциря Антарктиды, с высоким – (до
60%) значением альбедо и отрицательным радиационным балансом.
* Помимо этого, поскольку Южное полушарие – океаническое, его
прогреваемость в силу специфичных свойств воды ниже, чем у суши.
Среднегодовые температуры Мира
* Вертикальные различия в распределении
температуры зависят от термических свойств
вещества, слагающего геосферы, и высотного
(глубинного) уровня стратификации.
* Вверх от земной поверхности, в тропосфере,
температура воздуха (кроме инверсий)
понижается в среднем на 0,6°С на каждые 100 м
высоты.
* В земной коре температура повышается с
глубиной в среднем на 1 – 3°С на каждые 100 м
(хотя и здесь возможны отклонения от
нормального градиента).
* Для океаносферы, средняя температура которой
составляет 4°С, характерна двухслойная
стратификация вод:
верхний однородный слой, ограниченный снизу слоем
скачка температуры, в которым происходят сильные
перепады температур;
и основная масса вод Мирового океана,
расположенная глубже, с характерной температурой
от 1 до 2,5°С.