Круговорот воды в природе

Океан также менялся. Изменялся его состав. Находящийся в воде аммиак окислялся. Изменились также формы миграции желе­за. Сера была окислена в окись серы. Из хлористо-сульфитной вода океана стала хлоридно-карбонатно-сульфатной. Большое количество кис­лорода оказалось растворенным в воде океана. Там его стало в 1000 раз больше, чем в атмосфере. Появились новые растворенные соли. Масса воды океана продолжала расти. Это привело к затоплению срединно-океанических хребтов. Эти хребты в Мировом океане были откры­ты только во второй половине нашего столетия.

На суше в это время происходили поразительные перемены бла­годаря появлению растительности. Это существенно изменило от­ражательные свойства суши. Изменил­ся и характер испарения влаги, поскольку изменилась шероховатость земной поверхности, покрытой растительностью. По другому ста­ли протекать процессы выветривания и формирования осадочных пород.

Поверхность Земли, занятая ледниками, сильно менялась. Она то сильно увеличивалась, то уменьшалась. Так в конце концов сформировалась климатическая система. Большую роль в этом сыграл фактор жизни и фотосинтез. Об этом свидетельствуют такие факты. За 10 миллионов лет фотосинтез перерабатывает массу воды, которая равна всей гидросфере. Примерно за 4 тысячи лет обновляется весь кислород атмосферы, а всего за 6—7 лет поглощается вся углекислота атмосферы. Это значит, что за все время развития биосферы вся вода Мирового океана прошла через ее организмы не менее 300 раз. Кислород за это время возоб­новлялся не менее одного миллиона раз.

Затем наступила протерозойская эра. В это время начали появляться первые ледники и первые ледниковые отложения. Эта эпоха была учеными названа гуронской, поскольку впервые эти отложения были обнаружены в Канаде в районе озера Гурон. Затем они были обнаружены и в дру­гих регионах Земли (в Южной Америке, в западной Австралии).

Ледниковую гуронскую эпоху сменил период потепления, ко­торый длился около одного миллиарда лет. За ним последовала вторая эпоха оледенения - гнейсесская. Она сменилась сравнительно теп­лым периодом, который длился 100—150 млн. лет. Затем произошло новое похолодание и распространение ледников - стертская ледни­ковая эпоха. После этой ледниковой эпохи последовал период по­тепления, который сменился третьей эпохой оледенения - вараганской. Все эти три эпохи оледенения укладываются в первую эпоху — докембрийскую.

Что же касается последующей фанерозойской эпохи, то она началась с тепло­го кембрийского периода, за которым последовал ордовикский период. В конце этого периода вновь началось оледенение, о чем свидетельствуют обширные отложения гигантских валунов - тиллитов. Сле­ды ордовикского оледенения обнаружили в 1960-е гг. французские геологи-нефтяники в Западной Африке и в Сахаре. Любопытно, что именно в Сахаре, самой большой пустыне мира, были обнару­жены доказательства былого оледенения. Ордовикское оледенение закончилось в селуре. После него наступил длительный теплый пе­риод, который длился до каменноугольного периода. В начале этого нового периода начинается новое похолодание. Оно достигло свое­го апогея примерно 280 млн. лет тому назад. В то время возникли огромные ледниковые покровы и шельфовые ледники над мелки­ми морями. Плавучие льды покрывали моря, а также пространства вокруг полюсов. Айсберги бороздили воды океанов. Вечная мерзло­та широко распространилась на больших пространствах в обоих по­лушариях. Об этом оледенении свидетельствуют отложения тилли­тов. Они обнаружены на огромных пространствах Южной Амери­ки, Южной Африки, Индии, Австралии и Антарктиды. Обнаруже­ны они и в Сибири. Мощность пластов тиллитов достигает сотен метров.

После этого оледенения в конце пермского периода началась теплая эпоха, которая продолжалась до середины кайнозойской эры, а затем вновь наступил период оледенения.

Продолжительность ледниковых эпох определяется достаточ­но точно с помощью радиоизотопных методов. Эти методы позво­ляют определять возраст пород, которые затем были покрыты сло­ем тиллитов. Эти измерения позволили установить, что самая древ­няя ледниковая эпоха — гуронская. Она началась 2,34 млрд. лет тому назад и закончилась 1,95 млрд. лет назад. Следующая, гнейсесская эпоха оледенения имела место 950—900 млн. лет назад. Стертская эпоха оледенения продолжаласьот810до715 млн. лет назад. После­дняя эпоха оледенения — варангская — длилась от 680 до 570 млн. лет назад.

Во втором зоне — фанерозойском — первая эпоха оледенения продолжалась от 460 до 410 млн. лет назад. Ее называют ордовикс­кой. После теплого перерыва последовало новое гондванское оле­денение, эпоха которого длилась от 340 до 240 млн. лет назад.

Любопытна регулярность эпох оледенения и их большая про­должительность. Ясно, что они не являются случайными эпизода­ми на Земле. Учеными была высказана мысль, что эпохи оледене­ния повторяются на Земле с периодом в 150 млн. лет. Они считают, что часть эпох оледенения пока что не обнаружена, поэтому эта периодичность и не подтверждается. Вопрос этот важен, поскольку надо понять причину чередующихся эпох оледенения. Интересно, что эпохи оледенения не только чередуются с теплыми эпохами, но за последние 2,5 млрд. лет занимают примерно столько времени, сколько и теплые эпохи. Это в том случае, если в это время включить продолжительность развития и завершения оледенения.

В эпохи оледенения ледниковый покров вначале наступал, за­тем отступал. Ледники то стягивались к полюсам, то широко рас­пространялись, по пространству суши и прибрежных морей. В преде­лах одной ледниковой эпохи этот колебательный процесс стягивания — расширения ледникового покрова повторялся неоднократно. Поэтому сама эпоха оледенения не однородна во времени. Следует отметить, что с течением времени в пределах одной эпохи оледенения центры оледенения постепенно смещались.От­нюдь не всегда такими центрами были полюса. По мере вымерзания воды в периоды разрастания ледниковых покровов уровень воды в океанах, естественно, уменьшался. Это падение уровня океанов достигало десятков метров. Когда льды таяли, воды в океанах при­бавлялось. От уровня воды в Мировом океане зависят очертания и размеры суши — ее то заливает водой, то с нее вода стекает в океан. Размеры суши менялись. Растения и животные пол­ностью зависели от этого процесса. По мере наступления эпохи оледенения теплолюбивые растения и животные сменялись холоднолюбивыми. Потом все возвращалось на круги своя. И так перио­дически, а точнее циклически все повторялось много раз.

Эпохи оледенения были очень динамичными в плане изменения температуры, уровня воды в океане, движения ледников. Это сказывалось на биосфере, на растительном и живот­ном мире. Теплые эпохи были значительно стабильнее. Изменение внешних условий происходило медленнее, средняя температура на поверхности Земли изменялась незначительно. Разница в значениях средней температуры на Земле в эпохи оледенения и в теплые эпохи составляла не так уж и много, всего 7—10°. Такая разница характерна для условий, когда ледники стягиваются около полюсов. Это в эпоху оледенения. Когда же ледники широко разра­стались, то эта разница средних температур на Земле в теплые эпо­хи и эпохи оледенения достигала 20°. Мы сейчас живем в эпоху оледенения, когда ледники стянуты к полюсам. Средняя темпера­тура на поверхности Земли сейчас составляет 15 °С. В предыдущий теплый меловой период средняя температура у поверхности Земли была на 7° выше, то есть она составляла 22 *С. Десятки тысяч лет тому назад ледники разрастались до своих максимальных размеров.Тогда средняя температура у поверхности Земли была ниже совре­менной примерно на 6—10°. Разница ее с такой температурой в теплый меловой период достигала 13—17°.

Таким образом, за последние 2,5 млрд. лет происходили следу­ющие изменения климата на Земле. После теплой архейской эры наступил длительный период чередования теплых и холодных эпох, которые имели различную продолжительность. Это значит, что на Земле в этот период сменяли друг друга два различных устойчивых типа климата. Каждый из них длился десятки миллионов лет. Во время одного климата — теплого — суша и моря были безледными. Во время второго климата — холодного — часть суши и морей была покрыта ледовым панцирем. Ясно, что оба эти климата принципи­ально отличались друг от друга. Ледники шли от полюсов, то есть в широтном направлении. Поэтому во время оледенелого климата зональные климатические изменения были более резкими, чем во время теплого климата.

Современная климатическая система выглядит следующим образом. Атмосфера Земли имеет массу, равную 5,3 • 1021 г. Она состоит из молекулярных азота и кислорода, аргона, углекислого газа, неона, гелия и метана. Основная масса атмосферы сосредоточена в ниж­них слоях. Половина массы находится в толще высотой 5 км, 2/3 — в тропосфере, а в двухкилометровой толще находится 9/10 всей массы.

Основное влияние на климатические условия различных рай­онов и всей Земли оказывают процессы в тропосфере. Это по­глощение солнечной радиации, формирование потока теплово­го излучения в инфракрасной (длинноволновой) области спект­ра, общая циркуляция атмосферы, водообмен, который свя­зан с образованием облаков и выпадением осадков.

Важны и хи­мические реакции. Движение воздушных масс и развитие цирку­ляции в глобальном масштабе связано с тем, что на разных ши­ротах (в тропическом поясе, полярных и умеренных широтах) земная атмосфера получает разное количество солнечной энер­гии. В тропиках идет отток теплого воздуха вверх от земной по­верхности и по направлению к полюсам. В полярных районах из-за охлаждения воздуха он устремляется вниз к поверхности Зем­ли и движется затем в сторону экватора. Из-за вращения Земли, которое приводит к тому, что в умерен­ных широтах воздух при движении от экватора поворачивает на запад. Так образуются циклоны и антициклоны. Они захватывают теплые массы воздуха на юге и холодные на севере и дальше продолжают движение, вращаясь против часовой стрелки (антициклоны) или по часовой стрелке (циклоны). Размер атмосферных вихрей составляет около 5000 км в поперечнике. Такими вихрями переносится тепло между полю­сами и экватором.

Всю совокупность крупномасштабных движений в атмосфере называют общей циркулярной атмосферы. Она весьма сложная.

Стратосфера также оказывает влияние на формирование кли­мата. В стратосфере находится слой аэрозолей — мельчайших твер­дых и жидких частиц, которые изменяют поток солнечного излуче­ния, частично поглощая и рассеивая его. В стратосфере находится и озонный слой.

4.2 Факторы, определяющие климат

Что такое климат— знают все. Кли­мат — это та же погода, усредненная за десятки лет. Когда говорят, что климат влажный, то это отнюдь не значит, что каждый день наблюдается влажная погода. Просто за десять — двадцать лет в дан­ной местности преобладали влажные погоды.

Климат, как и погода, поддаются измерению. Изме­ряют атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, направление и скорость ветра, облачность, видимость, осадки (количество и вид), туманы и метели, грозы и другие явления, про­должительность солнечного сияния, температуру почвы, высоту и состояние снежного покрова и многое другое. Это мы перечислили составляющие части климата. Специалисты их так и называют — метеорологическими элементами.

Климат Земли определяется элементами окружающей среды глобального или климатического масштаба. Это океан, атмосфера, суша, солнечное излучение, снежно-ледниковый покров. Но не толь­ко элементы окружающей среды влияют на климат. Климат, в свою очередь, тоже влияет на эти элементы. Если первую связь считать прямой, то вторая является обратной.

Из сказанного ясно, что мы имеем дело со сложной системой, которая состоит из многих элементов, свя­занных между собой. Поэтому специалисты в наше время говорят все чаще о "климатической системе" Земли. А раз "система", то она должна обязательно подчиняться всем законам, которые определя­ют развитие, состояние, режим жизни систем. Если систему вывести из состояния равновесия, то понадобится определенное (но не любое) время, за которое система или вернется в прежнее состояние, или в ней установится новое состояние. Что именно произойдет при возмущении климатической системы, зависит как от характера и интенсивности возмущения, так и от того состояния, в котором в момент воздействия находилась климатическая система. Климати­ческая система включает в себя атмосферу, гидросферу (океан и воды суши), сушу (континенты), криосферу (снег, лед и районы многолетней мерзлоты), а также биосферу. Ученые показали, что погода и климат на Земле тесно связаны с изменением солнечной активности, с выбросом из Солнца заряженных частиц различных энергий, с направлением межпланетного магнитного поля к Солнцу или от него.

Центральным элементом климатической системы является ат­мосфера. Через нее человек воспринимает изменение других эле­ментов. Атмосфера есть в любой точке Земли, она глобальна. Дру­гие элементы в той или иной мере локальны. Океан занимает 70,8% поверхности Земли. Суше остается 29,2%. Ледники занимают чуть больше 3% поверхности Земли. Если сюда добавить морские льды и снежный покров, то получится 11%. Биосфера распространена в глобальных масштабах.

Атмосферный газ является всепроникающим. Он находится в состоянии непрерывного обмена с другими элементами климати­ческой системы. Составляющие атмосферного газа растворяются в гидросфере. Из гидросферы они также поступают в воздух, прони­кают в поры и трещины литосферы. И в свою очередь атмосфера наполняется выбросами вулканических газов и их слабыми потока­ми из литосферы. В ледниковых покровах также сохраняются атмос­ферные газы. При таянии льдов в виде пузырьков они освобожда­ются и поступают обратно в атмосферу. Атмосфера обменивается газами с биосферой в процессе дыхания. Именно биосфера создала в атмосфере кислород. Атмосфера как элемент климатической системы является самой подвижной из всех других элементов.

Гидросфера Земли и прежде всего Мировой океан – важные компоненты образования климата.Тепло, масса и энергия движения передаются от атмосферы водам Мирового океана и на­оборот. Они соприкасаются друг с другом на 2/3 поверхности Зем­ли. Водооборот образуется за счет того, что с поверхности океана в атмосферу испаряется значительное количество воды. Поверхно­стные течения в океане формируются атмосферными ветрами, ко­торые переносят большое количество тепла.

Океан является гиган­тским аккумулятором тепла. Масса океанической воды в 258 раз больше массы атмосферного газа. Для того, чтобы повысить темпе­ратуру атмосферного газа на 1 С, океанической воде надо отдать то же количество тепловой энергии, в результате которого темпе­ратура воды уменьшится всего на одну тысячную долю градуса. Та­кие изменения температуры даже трудно измерить.

Мировой океан изучен слабо. Только недавно обнаружены очень важные особенности циркуляции воды в океане. Так, были обнаружены океанические вихри, подобные циклонам и антициклонам в атмосфере. Диаметр этих вихреобразных кольцевых структур достигает 100 километров. Свойства воды в пределах этих вихрей сильно отличаются от свойств воды окружающей их.

Обнаружены также поверхностные океанические движения воды. Установлено, что и на больших глубинах вода находится в движении. Гидросфера является очень подвижной средой, хотя по сравнению с атмосферным газом скорость движе­ния здесь в десять—сто раз меньше. Средняя скорость океанических движений составляет несколько сантиметров в секунду, тогда как скорость ветра достигает нескольких (а то и десятков) метров в секунду. В верхних слоях атмосферы эти скорости достигают сотен метров в секунду.