6 лет назад
Нету коментариев

В географическую оболочку энергия поступает от Солнца (и в целом из Космоса) и из земных недр. Часть энергии выделяется при гравитационном взаимодействии Земли с ближайшими космическими телами и прежде всего с Луной и Солнцем. В самой оболочке происходит трансформация энергии первичного происхождения в другие формы: длинноволновое излучение, энергию химических связей, механическую энергию волн, ветра, речной воды, океанических течений и движущихся масс твердого вещества, в том числе блоков земной коры, и др.

Энергия земных недр и ее проявления. Часть энергии поступает в географическую оболочку из земных недр. Значительную роль в качестве источника внутренней энергии Земли играют гравитационная дифференциация и уплотнение вещества, в процессе которых за счет трения происходит выделение тепловой энергии. За всю историю Земли освободилось примерно 1,6-10 81 Дж (Монин А. С, 1977).

Другой источник внутренней энергии Земли — радиогенная энергия, возникающая при распаде некоторых химических элементов. По расчетам Е. А. Любимовой, в результате радиоактивного распада выделилось 0,9-1031 Дж. Если принять, что за всю историю Земли из ее недр рассеялось 0,74-1031 Дж энергии, то внутри планеты уже накопилось 2-1031 Дж тепла, которое вызвало разогрев и частичное плавление недр.

Советские исследователи В. М. Лебедев и Н. А. Белов считают, что значительная часть внутриземной энергии связана с приносом энергии с земной поверхности. Во многих минералах осадочных пород и почв алюминий окружен шестью атомами кислорода, а межатомное расстояние составляет 0,18—0,2 нм. В магматических минералах алюминий окружен, как правило, четырьмя атомами кислорода при межатомном расстоянии 0,16—0,175 нм. Это свидетельствует о том, что глинистые минералы в условиях земной поверхности обладают большим запасом внутренней энергии, чем полевые шпаты и другие алюмосиликаты магматического происхождения, поскольку для увеличения расстояния между атомами требуется преодолеть кулоновские силы притяжения. В данном случае происходит поглощение энергии минералами в биосфере при гипергенной минерализации. В дальнейшем при погружении на большие глубины происходит переплавление глинистых минералов, из которых образуются полевые шпаты. При этом энергия, поглощенная на земной поверхности, выделяется в виде тепловой энергии в недрах.

Глинистые минералы выступают в роли своеобразных «горючих ископаемых», отдающих заключенную в них энергию только при высоких температурах плавления пород. Аналогично ведет себя каменный уголь, который должен быть нагрет до определенной температуры, чтобы начался процесс горения. Элементы, переносящие энергию с земной поверхности в более глубокие горизонты земной коры, называют «геохимическими аккумуляторами». Пока существуют большие расхождения в оценках энергии этого происхождения.

Большая часть внутриземной энергии поступает в географическую оболочку в виде теплового потока. По современным оценкам, тепловой поток, идущий из недр Земли, составляет 0,06 Дж/(м2-с). Наиболее интенсивный тепловой поток наблюдается в подвижных областях Земли: Тихоокеанском и Средиземноморском активных горных поясах и зонах срединных океанических хребтов. В отдельных районах земного шара мощность теплового потока возрастает в сотни раз. Например, очень велик тепловой поток в районе Красного моря. Примерно такое же количество энергии поступает с лавой, пеплом, водами и газами при вулканических извержениях и значительно меньше (примерно на два порядка) — при тектонических процессах.

Энергия орбитального и осевого вращения Земли. Другим источником энергии, поступающей в географическую оболочку, является гравитационное взаимодействие Земли с космическими телами и прежде всего с Луной и Солнцем. В результате этого взаимодействия возникают приливы и отливы, которые особенно заметно проявляются в гидросфере, главным образом в океанах и морях.

Количество энергии приливного трения по оценке Ф. Я. Шипунова (1980) равно 3,5-10-3 Дж/(м2-с). Предполагают, что на протяжении геологической истории эта величина изменялась довольно сильно, особенно на первых стадиях развития планеты, когда скорость ее вращения была значительно больше, а Луна располагалась намного ближе к Земле. Расчеты показывают, что при расположении Луны на расстоянии 6R от Земли (в настоящее время расстояние между ними составляет 60R) приливообразующая сила была бы примерно на три порядка больше современной, что, естественно, оказывало бы очень большое влияние на формирование физико-географических процессов на земной поверхности.

Приливы и отливы постепенно замедляют скорость осевого вращения Земли и тем самым воздействуют на тепловой режим земной поверхности. Это воздействие проявляется через режим освещенности и атмосферную циркуляцию. Под действием замедления суточного вращения уменьшается сила Кориолиса, вследствие чего упрощаются системы циркуляции. Удлинение суток способствует повышению контрастности термических условий на дневной и ночной сторонах Земли. В результате возникает иная система атмосферной циркуляции, иной годовой и суточный ход температуры, атмосферных осадков и других метеорологических характеристик. Соответственно изменяется и система климатических и географических зон. Следовательно, восстановление природных условий прошлого необходимо вести с учетом изменения скорости осевого вращения Земли.

Поступление солнечной анергии в географическую оболочку. Все виды энергии, поступающей к Земле из Космоса, называют экзогенной. Примерно 97 % этой энергии составляет электромагнитное излучение Солнца. Вследствие малой изменчивости интенсивности солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, поток этой энергии на 1 см2 земной поверхности в 1 мин был назван солнечной постоянной. Она равна 1,98 кал/(см2-мин), или 1382 Дж/(м2-с), или 1382 Вт/м2. Эта величина принята в качестве международного стандарта. Значение солнечной постоянной продолжает уточняться. Поскольку Земля имеет форму шара, лишь одна четвертая часть этого потока поступает в среднем на 1 м2 на внешнюю границу атмосферы, или 345,5 Дж/(м2-с).

Электромагнитное излучение Солнца содержит большой спектр волн различной длины, которые производят неодинаковый физический эффект. Ультракоротковолновая радиация (менее 0,1027 мкм) проникает в атмосферу до высоты 100—200 км над поверхностью Земли. Она вызывает ионизацию молекул. Более длинные волны (0,1027—0,2424 мкм) доходят до высоты 70—80 км и вызывают диссоциирующий эффект — молекулярные реакции с образованием ионов-радикалов.

К далекому ультрафиолетовому излучению относят волны в диапазоне 0,2424—0,2900 мкм. Они практически полностью поглощаются в слое максимальной концентрации озона на высоте 15— 25 км. Эти лучи вызывают диссоциацию молекулярного кислорода и образование озона, нагревают стратосферу, температура которой поэтому выше, чем верхней тропосферы. Волны этой части спектра являются основной причиной образования ионосферы и озоносферы.

В нижние слои атмосферы и непосредственно к земной поверхности поступает близкое ультрафиолетовое (0,29—0,40 мкм), световое (видимый свет, 0,4—0,76 »мкм) и близкое инфракрасное (0,76—2,4 мкм) излучение. Эти волны поддерживают в географической оболочке основные фотохимические и термохимические реакции без разрушения структуры живого вещества. Они же составляют подавляющую часть тепловой радиации, поглощение которой вызывает нагревание вещества. Одновременно в географическую оболочку поступает радиоволновое излучение как от Солнца, так и из Космоса.

Наряду с электромагнитными потоками в атмосферу Земли входят корпускулярные потоки заряженных частиц. Они обладают небольшой энергией. Их суммарная мощность в несколько тысяч раз меньше электромагнитной энергии Солнца и уступает мощности эндогенной энергии. Они почти полностью поглощаются на различных уровнях в атмосфере.

Корпускулярные потоки, идущие от Солнца и из Космоса, обладают большой изменчивостью во времени. В значительной степени это связано с солнечной активностью (см. гл. I).

Несмотря на незначительную мощность, потоки корпускулярных частиц вызывают перестройку поля атмосферного давления и изменение погодных процессов. Кроме того, они вызывают возмущение геомагнитного поля, приводят к геомагнитным бурям, оказывают сильное влияние на биологические процессы. Явления, вызываемые корпускулярными потоками, значительно превосходят сами эти потоки по энергетической мощности. Это свидетельствует о сигнальном характере воздействий (см. гл. V). Ниже приведено соотношение различных потоков энергии, поступающих в географическую оболочку (по данным Ф. Я. Шипунова, 1980).

Sh_2

Сравнение различных потоков энергии показывает, что солнечная энергия в несколько тысяч раз превосходит все остальные виды энергии вместе взятые. Однако все виды энергии имеют большое значение, поскольку они ответственны за различные процессы. Например, количественно небольшие потоки эндогенного происхождения являются в неменьшей степени дифференцирующим природу фактором, чем солнечная энергия. В связи с этим можно говорить о неравноценности видов энергии, ибо физико-географическая работа зависит не только от мощности потока энергии, но и от формы ее поступления.

Радиационный баланс географической оболочки. Поступающая в географическую оболочку энергия испытывает многообразные превращения, переходы из одной геосферы в другую. Трансформация солнечной энергии начинается с ее преобразования в атмосфере. По данным К. Я. Кондратьева (Радиационные факторы современных изменений глобального климата. Л., 1980, с. 78—79), часть радиации (примерно 25 %) поглощается озоном (преимущественно на высоте 20—30 км), водяным паром, пылью, облаками. Часть радиации отражается от верхней границы облаков. Около 40 % солнечной радиации рассеивается в атмосфере. Несколько менее половины рассеявшейся радиации направляется к земной поверхности, остальное — в космическое пространство (рис. III. 1).

Схема среднего годового теплового баланса Земли

Схема среднего годового теплового баланса Земли

Таким образом, примерно 50 % солнечной радиации достигает земной поверхности. Часть этой радиации (3 %) отражается. Вместе с радиацией, отраженной от облаков и молекул воздуха, она составляет 28 %. Отношение радиации, отражаемой Землей в мировое пространство, к солнечной радиации, поступившей на границу атмосферы, называют планетарным альбедо Земли. Разница между поступившей радиацией и отраженной составляет поглощенную радиацию. Она переходит в теплоту, нагревает земную поверхность. Земная поверхность, нагреваясь, сама становится источником излучения (любое тело, имеющее температуру выше нуля по шкале Кельвина, излучает тепловую радиацию). Поскольку температура земной поверхности невелика (от —90 до +80°С), излучение поверхности сосредоточено в основном в интервале волн от 4 до 120 мкм (максимум приходится на 10—15 мкм), т. е. это невидимое инфракрасное излучение.

Почти 96 % излучения земной поверхности поглощается атмосферой. Сквозь атмосферу проходят лучи преимущественно в полосе 8,5—11,0 мкм. Поглощенное земное излучение переизлучается атмосферой частично в Космос, а большей частью в сторону земной поверхности, где оно преобразуется в непрерывный спектр, который снова направляется к атмосфере. Через атмосферу снова проходят лучи в спектре 8,5—11,0 мкм, а основная часть спектра задерживается, нагревая атмосферу (см. рис. III. I). Основными поглотителями земного излучения являются водяной пар и диоксид углерода. Так как атмосфера поглощает 96 % длинноволнового излучения земной поверхности, создается так называемый тепличный (парниковый, оранжерейный) эффект, приводящий к дополнительному нагреванию земной поверхности. Это дополнительное нагревание составляет 38°С. Оно связано с многократным переносом энергии в виде длинноволнового излучения между земной поверхностью и атмосферой, и обратно. Это обстоятельство объясняет тот факт, что излучение земной поверхности превышает величину солнечной радиации, поступающей к верхней границе атмосферы (см. рис. III. 1). Возрастание содержания в атмосфере водяного пара и диоксида углерода (основных поглотителей длинных волн) приводит к усилению тепличного эффекта. Содержание водяного пара и диоксида углерода необходимо учитывать при восстановлении физико-географических условий прошлого. Не менее важно представить их возможное изменение в будущем. В современный период наблюдается рост содержания СО2 в атмосфере, который, вероятно, сохранится и в дальнейшем. Поэтому следует ожидать повышения температуры земной поверхности, если, конечно, другие факторы не нейтрализуют влияние СО2.

В целом на земную поверхность поступают потоки прямой солнечной радиации, рассеянной радиации небосвода и противоизлучения атмосферы. Потери радиационной энергии осуществляются за счет отражения и излучения. Разность между поступлениями и потерями составляет радиационный бюджет земной поверхности (остаточную радиацию). Алгебраическая сумма потоков радиации, приходящих на земную поверхность и уходящих от нее, называется радиационным балансом земной поверхности. В литературе оба понятия (бюджет и баланс) часто обозначаются одним термином — радиационный баланс, что не совсем удобно.

Радиационный бюджет рассчитывается по разности между поглощенной радиацией (Вк) и эффективным излучением (Еэф):

R= Вк—Еэф

которые, в свою очередь, определяются следующим образом:

Вк=(S+D)—O и Еэф= Е3—Еа

где S — прямая радиация, D — рассеянная радиация (в сумме они составляют суммарную радиацию), О— отраженная радиация, Е3 — излучение земной поверхности, Еа — противоизлучение атмосферы (т. е. излучение атмосферы, направленное к земной поверхности). Полное уравнение радиационного баланса земной поверхности имеет следующий вид:

R=(S+D)—O—Е3+Еа

Для расчета величины радиационного бюджета земной поверхности воспользуемся данными рис. III. 1. Из схемы видно, что радиационный бюджет равен 29 % приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации (поскольку поглощенная радиация поверхности равна 47 %, а эффективное излучение — 18%). Вследствие шарообразной формы планеты в среднем к внешней границе атмосферы поступает лишь 1/4 часть приходящей солнечной радиации, или 345,5 Дж/(м2-с) (солнечная постоянная, как было сказано выше, принимается равной 1382 Дж/(м2-с). Следовательно, радиационный бюджет равен 29 % от 345,5 Дж/(м2-с), или 100,2 Дж/(м2-с). В сумме за год (средняя величина для всей земной поверхности) бюджет составляет 3,16-109 Дж/м2.

Территориально радиационный бюджет сильно колеблется: в полярных районах он отрицательный, в экваториальных возрастает до 4,8-109 Дж/(м2-год). Наблюдаются также годовые и суточные колебания величин радиационного бюджета.

Среднемноголетняя годовая сумма радиационного бюджета (см.: Физико-географический атлас мира, 1967, с. 23) характеризуется слабыми градиентами в тропических и экваториальных районах и быстрым убыванием в умеренных и субполярных широтах. Характерно увеличение бюджета на поверхности океана по сравнению с материками. Это объясняется главным образом более высоким альбедо поверхности материков.

Радиационный бюджет подстилающей поверхности является той частью радиационной энергии, которая расходуется на разнообразные процессы: испарение, таяние льдов, нагревание воды и воздуха, перемещение воздушных масс в атмосфере и водных масс в океане, выветривание горных пород, фотосинтез, эрозию и многие другие.

Радиационный бюджет атмосферы в отличие от земной поверхности отрицателен. Атмосфера излучает в Космос и в сторону земной поверхности больше энергии, чем поглощает. Средняя величина радиационного бюджета атмосферы 3,16-109 Дж/(м2-год), т. е. она равна по абсолютной величине радиационному бюджету земной поверхности.

Избыток радиационной энергии земной поверхности тратится на поддержание разнообразных физико-географических процессов, в результате которых радиация переходит большей частью в теплоту. В атмосфере недостаток радиационной энергии компенсируется приходом теплоты, которая выделяется при преобразовании радиационного бюджета земной поверхности. Компенсация осуществляется путем переноса энергии при фазовых переходах воды (испарение — конденсация, 83 % радиационного бюджета) и турбулентным путем (17 % радиационного бюджета, см. рис. III. 1).

В целом Земля как планета теряет примерно столько же радиационной энергии, сколько получает, поэтому говорят, что Земля находится в состоянии радиационного, или лучистого, равновесия. Следует отметить, что небольшая часть солнечной энергии, переходящей в процессе фотосинтеза в энергию химических связей, изымается из круговорота и захороняется в толще земной коры.