Основы экологии

На дне р.Потомак у г.Вашингтона слой слежавшихся несмываемых отбросов и фекалий местами достигает толщины 3 м.

В Словакии загрязнены отходами сверх допустимых норм 1200 км рек, то есть 1/5 общей длины речной сети.

Волга на всём протяжении загрязнена нефтепродуктами. В неё ежегодно сбрасывалось 400 тыс. т кислот, 200 тыс. т масел, 6 тыс. т фенолов, 7 тыс. т циана. Сточные воды городов Поволжья составляли 1/10 часть среднего стока Волги, а вследствие антропогенного уменьшения способности реки к самоочищению из-за зарегулированности водохранилищами и разрастания сине-зелёных водорослей возникла необходимость в разбавлении сточных вод в пропорции 1:20.

3.4.5 Загрязнение подземных вод суши

Основными источниками антропогенного загрязнения подземных вод могут быть:

места хранения и транспортировки промышленной продукции и отходов производства;

места аккумуляции коммунальных и бытовых отходов;

сельскохозяйственные или другие угодья, на которых применяются удобрения, пестициды и другие химические вещества;

загрязнённые участки поверхностных водных объектов, питающих подземные воды;

загрязнённые участки водоносного горизонта, естественно или искусственно связанного со смежными водоносными горизонтами;

участки инфильтрации загрязнённых атмосферных осадков;

промышленные площадки предприятий, поля фильтрации, буровые скважины и горные выработки;

последствия ядерных взрывов.

Важно защищать подземные воды от проникновения в них надземных загрязнителей. В какой-то степени проникновению поверхностных загрязнителей вглубь, к водоносным горизонтам, препятствуют залегающие над ними слои пород, которыми поглощается часть загрязнителей благодаря сорбционной способности горных пород. Однако в ряде случаев человек намеренно закачивает загрязнители и неочищенные воды в глубь земной коры: при захоронении неподлежащих очистке промышленных ядовитых отходов и отстоев бытовых сточных вод, при закачке вод в процессе нефтедобычи в целях поддержания внутрипластового давления и в некоторых других случаях, забывая о процессах миграции вещества в земной коре и о том, насколько трудно очистить загрязнённые подземные воды.

Различают микробное и химическое загрязнение подземных вод.

Микробному загрязнению чаще подвергаются грунтовые воды (воды первого от поверхности водоносного горизонта, расположенного на первом водоупоре). В подземных водах некоторые патогенные бактерии и вирусы довольно длительно сохраняют свою жизнедеятельность (100 суток и более). Очаги загрязнения образуются близ полей ассенизации и фильтрации, скотных дворов, выгребных ям, через которые идёт прямая фильтрация загрязнённых вод. И если грунты в зоне аэрации теряют свои очищающие свойства, начинается загрязнение грунтовых вод. Особенно опасны очаги загрязнения в местах хорошо проницаемых трещиноватых или крупнообломочных пород.

Загрязнение подземных вод химическими веществами может идти через загрязнённые поверхностные воды, которые питают подземные.

На промышленных предприятиях для очистки сточных вод используются пруды-отстойники, шламовые пруды, пруды-накопители, пруды-испарители, хвостохранилища, золоотвалы и пр. Они также могут быть источником загрязнения подземных вод. При использовании земледельческих полей орошения и полей фильтрации для очистки сточных вод также не исключено загрязнение подземных вод вредными химическими веществами.

Как загрязнение, так и истощение подземных вод, как одного из важнейших флюидов земных недр, недопустимы ещё и потому, что нарушают естественные миграции растворённых в воде твёрдых и газообразных веществ, функции которых в эволюционном развитии планеты современной науке ещё мало известны. Современной гидрогеологии известны десятки природных процессов, в которых принимают деятельное участие подземные воды. Это -- молекулярная диффузия, фильтрация, гидролиз, выщелачивание, растворение и кристаллизация, ионный обмен, окислительно-восстановительные и биогеохимические реакции, радиоактивный распад, гидратация и дегидратация минералов, подземное испарение и вымораживание и др. Но современная наука ещё не может ответить на вопрос, как повлияет на общее развитие планеты нарушение человеком ряда из перечисленных природных процессов.

3.4.6 Загрязнение Мирового океана

Мировой океан, располагающий неисчерпаемыми запасами влаги, рождающий живительные ветры и морские течения, этот безотказный приёмник всякого рода отходов, по-видимому, уязвим в гораздо большей степени, чем это можно предположить. Сброс в океан слишком большого количества вредных веществ -- пестицидов, удобрений, возрастающее загрязнение морской среды нефтью, засорение речных эстуариев -- всё это даёт основание считать, что может наступить такой момент, когда океан перестанет служить человеку. Океан -- это всеобщая сточная яма нашей планеты, гигантский септический бак, из которого вода, совершив большой круговорот, возвращается к человеку, животным и растениям в чистом виде.

Загрязнение океана нефтью и нефтепродуктами связано с увеличением потребления нефтепродуктов во всём мире. В результате продолжается развитие нефтедобычи с морских шельфов, растёт танкерный флот. Добыча и транспортировка нефти нередко сопровождаются авариями на буровых, подводных трубопроводах или танкерах. Каждая авария приводит к образованию громадных нефтяных пятен на поверхности океана, которые растекаются на сотни и тысячи квадратных километров. В результате подобных аварий в океан попадает около 3-15 млн.т нефти и нефтепродуктов в год.

Другая причина нефтяного загрязнения океана -- промывание танкеров после выгрузки нефтепродуктов и слива в океан балластных вод из танкера перед его очередной загрузкой нефтепродуктами (дело в том, что после слива из танкера нефтепродуктов часть их остаётся на стенках и днище танкера, поэтому танкер обычно промывается в открытом море; чтобы пустой танкер не терял управляемости, его заливают на 1/3 балластной водой, которая обычно выкачивается перед очередной загрузкой судна вместе с остатками нефтепродуктов в океан); эти процедуры поставляют ежегодно в океан около 2 млн.т нефти и нефтепродуктов.

Всё же значительная часть нефтяных загрязнений попадает в океан с суши: сбрасывается предприятиями береговой зоны, поступает с речными и ливневыми стоками, выпадает с атмосферными осадками. Таким образом, за счёт выноса реками в моря промышленных и бытовых отходов, содержащих нефть и нефтепродукты, в океан поступает ещё около 6 млн.т нефтепродуктов.

Суммарное антропогенное поступление нефти и нефтепродуктов в океан достигает 16 млн.т в год.

Если учесть, что естественное поступление нефти в океан по трещинам и разломам земной коры не превышает 0,5 млн.т в год, то скорость антропогенного притока нефти превысила природный (за счёт просачивания из морского дна) более чем в 30 раз.

Нефть и нефтепродукты в океане неотвратимо мигрируют. В районах антициклонов (например, Азорского максимума) нефтяные плёнки имеют тенденцию к поверхностному распространению -- они растекаются.

В районах циклонов (Исландского и Алеутского минимумов) наблюдается погружение нефти в более глубокие слои океана вплоть до океанического дна (рис.8).

Рис. 8 Концентрация нефтяных загрязнений на поверхности Мирового океана

Нефть и нефтепродукты оказывают вредное воздействие на многие живые организмы и пагубно влияют на все звенья биологической цепи. Нефтяная плёнка, не пропуская солнечные лучи, замедляет обновление кислорода в воде, что препятствует размножению планктона. Нефть токсична и отрицательно воздействует на все группы морских организмов: планктон, нектон, бентос. Это проявляется в прямом уничтожении морских организмов из-за обволакивания их нефтью или удушения, в отравлении организмов вследствие контактов с большими дозами или длительного воздействия меньших концентраций, в уничтожении развивающихся, ещё не окрепших морских организмов, во введении канцерогенных веществ в морские пищевые цепи, снижении жизнеспособности морских организмов, уничтожении продуктов питания морской флоры и ценных пород рыб. Часть компонентов нефти растворяется в воде, приводя к гибели рыб, морских птиц и ухудшая вкусовые качества мяса морских животных. Икра рыб даже при небольшой концентрации растворённых нефтепродуктов в значительной степени погибает, а выжившие зародыши получают уродливое развитие. Нефть отрицательно влияет на физиологические процессы, вызывает патологические изменения в тканях и органах, нарушает работу ферментативного аппарата, нервной системы. Нефть -- своего рода наркотик для морских обитателей. Замечено, что некоторые рыбы, «хлебнув» однажды нефти, уже не стремятся покинуть отравленную зону. Нефтепродукты в водной среде изменяют эволюционно обусловленный тип поведенческих адаптаций, нарушают воспроизводительный, оборонительный и пищевой комплексы у животных, нарушают соотношение видов в биотопе, способствуют опустошению экологических ниш.

Нефтяные углеводороды концентрируются в поверхностном микрослое воды (до 1 мм). По всей акватории Мирового океана в этом микрослое содержится 1,5-2 млн.т нефти. Нефтяные плёнки плавают на огромных пространствах. Наиболее загрязнены нефтью тропические и субтропические воды Северной Атлантики в районах интенсивного судоходства и морских нефтеперевозок. В Тихом океане плёнкой полностью покрыты Южно-Китайское и Жёлтое моря, в большой мере -- зона у Панамского канала, вдоль Северной Америки, течение Куросио, подходы к Японии с юга и юго-запада.

Нефтяная плёнка нарушает процесс тепло-, водо- и газообмена на границе океана и атмосферы. Она препятствует испарению влаги, нарушая круговорот воды, изменяет радиационные свойства на поверхности океана, затрудняет микроконверсию (микрообмен) поверхностного слоя. В Северной Атлантике загрязнение привело к понижению температуры замерзания. Загрязнение полярных районов снижает альбедо поверхности льда на 27-35%, начало таяния сдвигается на более ранние сроки. В конечном счёте наличие нефтяной плёнки на поверхности океана может повлиять не только на физико-химические и гидробиологические условия в океане, но также и на климат Земли, на баланс кислорода в атмосфере.

Океаническая вода обладает свойствами самоочищения. Так, бактерионейстон (микрофлора поверхностного слоя воды до 5 см) океана окисляет одну четвёртую часть поступающей нефти, однако процесс загрязнения преобладает над процессом естественной утилизации этого загрязнителя.

Химизация сельского хозяйства привела к росту загрязнения океанических вод пестицидами. Они обнаружены там, где никогда не применялись, -- в Арктике и Антарктике, например, в печени и жире тюленей и пингвинов. Оказывается, пестициды имеют разнообразные и сложные пути миграции. Половина пестицидов, находящихся в океане, проникла в него из воздуха, где они концентрируются на взвешенных в воздухе коллоидных частицах или соединяются с капельными частицами аэрозолей, и таким путём могут преодолевать большие расстояния. Часть их сносится с полей и садов атмосферными осадками в реки и затем попадает с речными водами в океан.

Попадающие в океан хлорорганические соединения, в том числе ДДТ и его метаболиты, большей частью аккумулируются в морских организмах, особенно двустворчатыми моллюсками, которые становятся очень токсичными. ДДТ скапливается в верхних слоях воды (особенно в пене) и тормозит фотосинтез морской флоры. На начало 80-х годов в Мировом океане накоплено около 450 тыс. т ДДТ.

Большое количество загрязнителей, в том числе пестицидов, вносится коммунально-бытовыми сточными водами. Они содержат бытовые нечистоты, пищевые отходы, главным образом фосфорные и азотные соединения, отбеливающие средства, в которых преобладают фосфаты, сульфиды и хлориды, бытовые инсектициды и нефтепродукты. Большое количество моющих средств сливается в океан, скапливается на поверхности, препятствуя процессам самоочищения, губит рыбную молодь и водоросли. Значительная часть загрязнителей поступает в море с поверхности урбанизированных территорий в результате ливней, таяния снега, полива улиц.

Глобальный характер носит загрязнение океана тяжёлыми металлами, прежде всего ртутью, свинцом, кадмием. Они попадают в океан главным образом через атмосферу и с речными стоками, поэтому встречаются повсеместно. Скорость поступления с антропогенными процессами в океан металлов за последнее время стала превышать скорость их поступления с природными процессами. Свинца с антропогенным поступлением ежегодно попадает в океан более 2 млн.т, то есть больше природного поступления более чем в 10 раз. Ежегодное антропогенное поступление в океан ртути достигает 9-10 тыс. т, то есть более чем втрое превышает природное. Отходы, содержащие ртуть, локализованы в отдельных районах у берегов, однако часть выносится далеко за пределы территориальных вод.

В зонах наибольшей концентрации ртути отмечается уменьшение количества мельчайших зелёных водорослей, синтезирующих органические вещества и выделяющих кислород. В одном из приморских японских городов, из-за наличия в сточных водах ртути, образовавшаяся при гнилостном разложении сбрасываемых отходов метиловая ртуть стала передаваться по пищевой цепи: бактерии -- планктон -- гидробионты -- человек. Это привело к массовым заболеваниям людей в этом районе болезнью минамата, сопровождающейся психическим расстройством и галлюцинациями, раздражительностью, нередко со смертельным исходом. Ртуть влияет также на иммунологическую реактивность, на течение инфекционных заболеваний, на генеративную функцию и потомство, обладает мутагенным действием. Ртуть и свинец очень токсичны, замедляют обмен веществ, вызывают нервные расстройства и гибель животных. Вредно действуют на морские организмы медь, хром, кадмий, мышьяк, сурьма, висмут, селен. Однако среди морских организмов не мало санитаров. Ртуть усваивается планктоном, кадмий -- мидиями и крабами, цинк -- устрицами, таким образом токсичные элементы попадают в пищевые цепи. Концентрация мышьяка в крабах и лангустах достигает такого уровня, что может явиться причиной смерти человека. В тканях некоторых видов промысловых рыб концентрация металлов может в 100-1000 раз превышать их содержание в окружающей морской среде.

Особую опасность представляет радиоактивное загрязнение океана, которое появилось вследствие продолжающихся испытаний ядерного оружия под землёй, сбросов в океан жидких отходов прибрежных атомных станций и захоронения в океане низкорадиоактивных отходов в контейнерах. Это загрязнение проявляется сильным воздействием на гидробионты и на человека через трофические цепи даже при крайне малых концентрациях. При этом серьёзным обстоятельством является длительность периодов полураспада радиоактивных изотопов и трудности определения в этом аспекте качества воды. Кроме того, радиоактивное заражение водоёмов отрицательно сказывается на способности их к самоочищению из-за угнетения сапрофитной микрофлоры.

Значительную опасность для окружающей среды представляет тепловое загрязнение устьев рек, эстуариев и прибрежных зон морей и океанов, что связано со спуском тёплой воды, использованной для охлаждения теплообменных аппаратов тепловых и атомных электростанций. Повышение температуры морской воды вблизи мест сброса указанных вод обычно ведёт к резкому увеличению активности бактерий. Острота экологической опасности возрастает, когда такой нагрев воды сочетается со сбросом сильно загрязнённых промышленных, сельскохозяйственных или бытовых сточных вод, особенно содержащих органические вещества. В этих случаях концентрация кислорода в морской воде, из-за увеличения его расхода на биохимическую самоочистку воды, может оказаться ниже допустимого уровня. Например, в эстуариях Шельды и Темзы, из-за повышения температуры вод на 2,5° на участке 70-80 км в длину от мест сброса тёплых вод ТЭС и АЭС, установлено заметное увеличение активности бактерий и значительное уменьшение концентрации кислорода, что привело к резкому сокращению планктона и гибели многих представителей ихтиофауны.

Растёт загрязнение океана твёрдым мусором. Ежегодно со всех судов в океан сбрасывается 800 тыс. металлических, 640 тыс. бумажных и пластмассовых и 430 тыс. стеклянных предметов.

3.4.7 Географические особенности загрязнения морей

Загрязнение Балтийского моря нарастает. В нём увеличивается содержание солей и фосфатов, соединений ртути, органических стоков -- за счёт отходов пищевой, целлюлозной и химической промышленности. Происходит эвтрофирование, обеднение кислородом и антропогенное отравление сероводородом глубинных частей моря, охватившее площадь 40 тыс. км2, то есть 10% акватории, причём верхняя граница заражения глубинных вод постепенно поднимается вверх.

Северное море загрязняется общими усилиями Германии, Великобритании, Норвегии, Нидерландов, Дании и других стран. Антропогенные процессы приводят к ежегодному поступлению в море 5 млн.т бытовых стоков, до 2,3 млн.т отходов от производства двуокиси титана, 1,5 млн.т пустой шахтной породы, 0,8 млн.т отходов от производства алюминия, 800 тыс. т азота, 750 тыс. т золы с тепловых электростанций и 60 тыс. т фосфора. Кроме того, поступает более 130 тыс. т нефти, причём эта цифра растёт в связи с расширением нефтедобычи на морском шельфе и участившимися случаями аварий на нефтепромыслах.

В Средиземное море в результате хозяйственной и бесхозяйственной деятельности человека ежегодно поступает 2,5 млн.т органических веществ, 0,8 млн.т азота, 0,5 млн.т нефти и нефтяных остатков, 0,3 млн.т фосфора, 60 тыс. т моющих средств, 27 тыс. т металлов (цинка, хрома, свинца и ртути), 12 тыс. т фенолов.

Интенсивному загрязнению в Средиземном море подвергаются прибрежные районы Италии. Три четверти берегов этой страны протяжённостью 7500 км загрязнены отходами нефтеперегонных заводов и других промышленных предприятий. Морские воды близ впадения р.Тибр, из-за поступления нечистот трёхмиллионного города Рим и других загрязнителей, в 200 раз больше допустимой нормы содержат болезнетворных бактерий.

В бассейне Аральского моря последние десятилетия наблюдается стремительный рост площадей орошаемого земледелия. Динамика этого процесса такова: в 1960 г. площадь орошаемых земель составляла 3,5 млн. га, в 1970 г. -- 4,0 млн. га, в 1980 г. -- 5,2 млн. га и в 1990 г. -- 6,6 млн. га. Таким образом, с 1960 по 1990 гг. (за 30 лет) площади орошаемых земель выросли на 3,1 млн. га, то есть на 88,5%.

Быстрый рост площадей орошаемого земледелия в бассейне Аральского моря, сопровождаемый огромным расходом воды, привёл к исчерпанию водных ресурсов рек Амударьи и Сырдарьи. Уменьшение стока рек вызвало понижение уровня воды в Аральском море за 25 лет (с 1961 по 1985 гг.) на 14 м, что повлекло за собой значительное сокращение площади дельт Амударьи и Сырдарьи. На поверхности моря выступила цепь островов. Всё это сильно изменило рисунок береговой линии.

Большие изменения произошли в связи с этим в прибрежных ландшафтах, подвергшихся интенсивному опустыниванию. Затухание этого процесса наблюдается по мере удаления от моря в сторону возвышенного плато Усть-Урт.

Из-за резкого понижения уровня воды в Аральском море сильно возросла её солёность, что привело к массовой гибели рыбы. Обсохшие участки бывшего дна моря превратились в источники соле-пылевых бурь.

В таблице 5 приводится водный баланс Аральского моря в связи с развитием орошаемого земледелия за полвека.



Таблица 5 Водный баланс Аральского моря

В среднем за годы	Затраты воды на орошение, км3/год	Сток рек в Аральское море, км3/год	Сальдо воды, км3/год	Площадь моря, тыс. км2
1940-1950	20	61	+41	66
1961-1965	52	36	-16	64
1966-1970	68	41	-27	61
1971-1975	76	20	-56	58
1976-1980	88	12	-76	53
1981-1985	95	4	-91	44
1986-1989	101	8	-93	41



ЛЕКЦИЯ 4. МАГНИТОСФЕРА И АТМОСФЕРА

Электромагнетизм Земли ответственен за возникновение и сохранение геофизических закономерностей, климатических и биосферных преобразований. «Пропитав» насквозь земной шар, электромагнитные поля выходят далеко за пределы земного радиуса, и там, за десятки тысяч километров от поверхности планеты, геомагнитное поле вступает во взаимодействие с солнечным ветром и межпланетным магнитным полем.

В связи с тем, что движение Земли по своей орбите вокруг Солнца происходит в магнитоактивном пространстве, за длительное время её эволюции был выработан особый механизм взаимодействия собственного магнитного поля Земли с внешней космической электромагнитной средой.

Не так давно появился новый термин геокосмос, или околоземное пространство. Геокосмос включает в себя все газоплазменные оболочки Земли: атмосферу, ионосферу и магнитосферу. С космическими потоками вещества и энергии в первую очередь встречаются две наружные сферы (магнитосфера и ионосфера), далеко отстоящие от поверхности нашей планеты.

4.1 Атмосфера

4.1.1 Состав и строение атмосферы

Более привычная, наиболее изученная и наиболее понятная из газоплазменных оболочек Земли -- атмосфера, или воздушная оболочка. Она является связующим звеном в приповерхностном пространстве Земли, расположенным между поверхностью суши и океанов внизу и ионосферой в верхней её части.

Атмосфера -- воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести, вещественно-энергетическим обменом и принимающая участие в её суточном вращении и годовом движении по орбите. Воздух сжимаем, поэтому с высотой плотность его убывает, а атмосферное давление понижается. Недавно предполагалось, что земная атмосфера кончается на высотах 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет, спутников и других космических аппаратов создалось представление, что вокруг атмосферы Земли существует ещё земная корона, простирающаяся более чем до 20000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала, но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.

Состав сухого воздуха (без водяного пара) у земной поверхности по объёму следующий: азот 78,08%, кислород 20,95%, аргон 0,93%, углекислый газ 0,03%, другие газы (неон, гелий, метан, криптон, водород, закись азота, озон, ксенон, аммиак, перекись водорода, йод, радон) составляют всего 0,01%.

Кроме названных компонентов, фактически воздух содержит в приземном слое влагу в газообразном, жидком или твёрдом состоянии (почти от 0% до 4%).

Общая масса атмосферы составляет 5*1015 т. При этом половина всей массы воздуха находится в нижних 5 км, 3/4 -- в нижних 10 км и 95% -- в нижних 20 км.

В атмосфере выделяется несколько основных слоёв.

Тропосфера простирается до высоты 8-10 км в полярных широтах и до 16-18 км в межтропических; содержит 4/5 атмосферного воздуха и почти весь водяной пар; характеризуется понижением температуры с высотой в среднем на 0,65° на каждые 100 м. В результате при среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли на экваторе +26°, на северном полюсе -23° и на южном полюсе -76°, среднегодовая температура воздуха у верхней границы тропосферы над экватором снижается до -70°, а температура над северным полюсом достигает зимой -65°, а летом -45°. Кроме того, в тропосфере происходит сильное развитие турбулентности и конвекции с образованием облаков. В тропосфере часто встречаются температурные инверсии, формируются воздушные массы и фронты, а также протекают процессы, определяющие погоду и климат.

Тонкий переходный слой к стратосфере, мощностью от сотен метров до 2-3 км, называется тропопаузой.

Стратосфера простирается над тропопаузой до высоты 45-55 км. Газовый состав её сходен с тропосферой, но в стратосфере содержится меньше водяного пара и больше озона. Озоновый слой приурочен к высотам 25-70 км при максимуме содержания озона на высотах 25-30 км. По другим источникам, максимальное содержание озона в стратосфере отмечается на высотах 21-24 и 28-31 км (данные эти осреднённые и приблизительные, так как широтные и сезонные перераспределения озона очень сложны). Содержащееся в озоновом слое количество О3 не велико: в приземных условиях атмосферы (при давлении 760 мм и температуре +20С) он образовал бы слой толщиной всего 3 мм.

Формирование и функционирование озонового слоя атмосферы Земли поддерживается множеством природных процессов: атмосферных возмущений, ионосферных и геомагнитных возмущений, солнечно-земных проявлений (электромагнитных излучений и взаимосвязи с ионосферой) и вулканических проявлений, геомагнитных микро- и макропульсаций, сейсмических проявлений (вещественных инжекций и влияния на электрорежим атмосферы).

В целом озоносодержание в стратосфере представляет собой процесс непрерывной генерации и диссоциации озона (рис.9).



Рис. 9 Естественная генерация и диссоциация озона

Фотогенерация озона протекает в ходе поглощения солнечного ультрафиолета. Распределение его по широтам и долготам очень неравномерно. Основные области его естественной генерации -- экваториальные, в которых спектральные условия генерации оптимальны. В результате поглощения ультрафиолетовой радиации Солнца с длинами волн 0,15-0,29 мкм происходит понижение температуры от -40 -- -80° у нижней границы до близ 0° у верхней.

Экологическое значение озонового слоя связано с его поглотительными функциями для климата Земли (см.выше) и для её биосферы.

Исходя из идеи «живой Земли», которая косвенно и явно выносилась в научную среду целым рядом исследователей [Чижевский, 1924; Вернадский, 1965; Тейяр де Шарден, 1965; Шипунов, 1980; Дмитриев, 1988, 1989 и др.], озоносфера рассматривается как общепланетарный механизм контроля биоты в пространстве и времени, поскольку она является максимально чувствительным образованием биосферы в солнечно-земных связях и несёт в себе тончайшие возможности передаточного звена в режиме Земля Космос, Космос Земля.

Озоновый слой следует назвать чувствительным органом биосферы, реагирующим на естественные и техногенные условия существования динамического равновесия, сдвигаемого в сторону интенсивного наращивания или убывания О3. Биосферное значение озонового слоя складывается из двух основных функций: предохранительных влияний (на состав жизненных форм на Земле) и сигнальной роли (в биосфере и в масштабе всей Солнечной системы).

Предохранительное влияние озонового слоя на живые организмы определяется его экранирующей защитой от солнечного ультрафиолета. Разрушение этого слоя и, следовательно, снижение его защитной роли губительно для организмов. Эта функция озонового слоя широко известна.

Сигнальная роль озонового слоя в целом для Солнечной системы может быть изложена на уровне некоторой системы предположений и базируется на гипотезе о системном значении биосферы, а именно: жизненный самоподдерживающийся процесс на Земле имеет функциональную нагрузку в Солнечной системе. Здесь идут процессы поддержания и сохранения жизненных форм на Земле на принципах прямой и обратной связи. Озоновый слой -- это общебиосферный показатель развития и стабилизации живых форм посредством последовательной фильтрации сигналов.

Озоносфера интерпретируется как одно из передаточных звеньев в солнечно-земных взаимосвязях и может служить интегральным показателем состояния биосферы [Дмитриев и др., 1991].

В стратосфере наблюдаются перламутровые облака, скорости ветра до 80-100 м/сек и струйные течения.

Тонкий переходный слой к мезосфере называется стратопаузой.

Мезосфера -- средний слой атмосферы, располагается над стратопаузой до высоты 80-85 км. Характеризуется понижением средней температуры воздуха с высотой от 0° у нижней границы до -90° у верхней.

Термосфера -- слой верхней атмосферы, расположенный над мезосферой до высоты 800-1000 км. Характеризуется чрезвычайной разрежённостью воздуха, благодаря чему частицы, под действием ультрафиолетового излучения Солнца, разгоняются, не сталкиваясь, до скоростей, соответствующих в приземном слое очень высоким температурам. В результате температура в термосфере быстро растёт, достигая на высоте 200-300 км величин порядка более 1500°, а в верхней термосфере -- около 2000°. Космические аппараты на этих высотах не испытывают соответственного разогрева, потому что из-за ничтожной плотности воздуха суммарное количество ударов частиц на единицу поверхности аппарата ничтожно мало. антропогенный загрязнение атмосфера океан

Термосферу, или во всяком случае её нижнюю часть, называют ещё ионосферой благодаря высокому содержанию молекулярных и атомных ионов и свободных электронов. Ионизация происходит под воздействием ультрафиолетовой солнечной радиации и придаёт высокую электропроводность этой сильно разрежённой сфере.

Экзосфера -- внешний, наиболее разрежённый слой атмосферы, расположенный над термосферой. В отношении верхней границы экзосферы нет единого мнения: одни учёные считают, что верхняя граница экзосферы совпадает с верхней границей атмосферы; другие называют верхнюю часть экзосферы земной короной.

Экзосфера характеризуется постоянством температуры (около 2000°) на всём своём протяжении до высоты 20000 км. Плотность воздуха здесь столь мала, а температура настолько высока, что длина среднего свободного пробега частиц очень велика, и частицы, движущиеся вертикально вверх, могут без столкновения с другими частицами вылетать из атмосферы. Так происходит диссипация (ускользание) наиболее лёгких частиц (атомов водорода и гелия) в мировое пространство.

4.1.2 Природные процессы в атмосфере

Атмосфера поглощает и рассеивает солнечную радиацию, сама излучает длинноволновую инфракрасную радиацию, поглощает инфракрасную радиацию земной поверхности и обменивается теплом с земной поверхностью путём теплопроводности и фазовых переходов воды. В самой атмосфере тепло распространяется преимущественно с помощью турбулентного обмена, радиационных процессов и фазовых переходов воды.

В приземный слой воздуха (нижние 500-1000 м) непрерывно поступает водяной пар путём испарения с водных поверхностей и влажной почвы, а также в результате транспирации растениями.

Между подстилающей поверхностью и атмосферой происходит непрерывный круговорот воды. Причём в атмосфере водяной пар конденсируется, возникают туманы и облака, из последних могут выпадать осадки.

Процессы циркуляции. От земной поверхности водяной пар распространяется вверх, а воздушными течениями переносится из одних регионов в другие. В атмосфере возникает общая циркуляция и ряд местных (локальных) циркуляций. Общая циркуляция атмосферы приводит к обмену воздуха между различными широтами и областями Земли. Она осуществляется в форме циклонической деятельности, то есть с помощью атмосферных возмущений -- циклонов и антициклонов. Под влиянием радиационных условий и циклонической деятельности происходит расчленение тропосферы на отдельные воздушные массы с резко разграничивающими их переходными зонами -- фронтами. Образование последних в свою очередь поддерживает циклоническую деятельность.

Взаимодействие теплового режима с влагооборотом. Может возникать состояние насыщения воздуха влагой, особенно при понижении температуры воздуха. Тогда водяной пар переходит в жидкое или твёрдое состояние и образуются облака. Облака могут снова испаряться -- тогда они рассеиваются или из них могут выпадать осадки. Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. Сам он излучает инфракрасную радиацию, бльшая часть которой идёт к земной поверхности. Таким образом влажный воздух способствует уменьшению ночного охлаждения земной поверхности и тем самым нижних слоёв воздуха.

Атмосфера обладает электрическим полем. В верхних слоях атмосферы, начиная со стратосферы, происходят различные фотохимические реакции, приводящие к образованию озона, диссоциации молекул кислорода, азота и других газов и к ионизации атмосферы. Ионизация в меньшей степени происходит и в тропосфере. Вследствие этого атмосфера обладает электропроводностью.

В воздухе образуются лёгкие аэроионы вследствие потери молекулами воздуха электрона или присоединения свободного электрона, а затем к заряжённой молекуле могут присоединяться другие заряжённые молекулы. Чистый воздух лесных массивов содержит 700-1500 отрицательных аэроионов в 1 см3, близ водопадов, у морского берега во время прибоя их число возрастает до 50-100 тыс. в 1 см3. Отрицательные аэроионы благотворно действуют на общее самочувствие человека, на кровяное давление, повышают внимательность, трудоспособность, улучшают функциональное состояние нервной системы.

В воздух попадают естественные аэрозольные примеси: это жидкие или твёрдые частицы -- пыль почвенного происхождения, дым от лесных пожаров и вулканических извержений, частицы морской соли, разбрызгиваемые при волнении морской воды, бактерии, пыльца, споры, космическая пыль из межпланетного пространства или возникающая при сгорании метеоритов. Крупные аэрозольные частицы играют в атмосфере роль ядер конденсации. Аэрозольные примеси переносятся воздушными течениями на огромные расстояния: песчаная пыль пустынь Африки и Юго-Западной Азии выпадала в Южной и Средней Европе; дым и пепел при взрыве вулкана Кракатау и других крупных извержениях распространялись в высоких слоях атмосферы на большие расстояния, окутывая весь земной шар.

Упругие волны в атмосфере передают звук, а также возникают различные атмосферно-оптические явления при прохождении света сквозь атмосферу и при отражении и преломлении его капельками и кристаллами, взвешенными в атмосфере.

4.1.3 Климатообразование

Климат каждого региона и планеты в целом складывается под воздействием целого ряда климатообразующих факторов и процессов.

Климатообразующие факторы

Географическая широта. Положение в географических поясах определяет высоту полуденного стояния Солнца над горизонтом и в связи с этим -- тепловой режим, а также господствующие типы воздушных масс.

Близость морей и океанов или удалённость от них определяет годовую и суточную амплитуды температур, годовое количество осадков и увлажнение.

Холодные или тёплые океанические течения влияют на режим температур и увлажнение: холодные течения понижают температуры, количество осадков и увлажнение, тёплые -- повышают эти показатели.

Рельеф местности влияет на климат как абсолютной высотой (явление высотной поясности), так и направлением простирания горных хребтов по отношению к солнечным лучам (экспозиция склонов в сторону экватора или к полюсам) и господствующим ветрам. Это сказывается на температурном режиме и количестве выпадающих осадков.

Характер подстилающей поверхности. Лесная растительность, по сравнению с открытыми пространствами, уменьшает колебания температур и скорость ветра, повышает увлажнение. Снежный покров, по сравнению с бесснежной поверхностью, смягчает зимние морозы и повышает влажность весной.

Климатообразующие процессы

Теплооборот -- процессы и показатели, определяющие тепловой режим региона. К ним относятся: суммарная солнечная радиация, радиационный баланс; температурный режим, который характеризуется среднегодовыми температурами и сезонным изменением температур, особенностями хода изотерм, в меньшей степени -- абсолютными максимумами и минимумами температур.

Циркуляция определяется размещением барических систем по сезонам и, как следствие, господствующих ветров. При этом различаются ветры общей циркуляции (пассаты, муссоны, переносы и т.п.) и местные ветры (бризы, фёны, горно-долинные и т.п.).

Влагооборот характеризует режим влаги региона, его определяют следующие показатели: годовое количество осадков и особенности их размещения, распределение осадков по сезонам и тип режима осадков, среднегодовая испаряемость и коэффициент увлажнения.

4.1.4 Природные системы атмосферы

Типы воздушных масс формируются в зависимости от принадлежности к основным климатическим поясам и от характера увлажнения. В соответствии с этим выделяются основные типы воздушных масс, которые называются по соответствующим названиям основных климатических поясов (арктические, антарктические, умеренные, тропические, экваториальные). В переходных, или промежуточных, климатических поясах (субарктическом, субантарктическом, субтропических, субэкваториальных) эти основные типы воздушных масс господствуют по сезонам, проникая из соседнего основного климатического пояса, где данный тип воздушной массы господствует круглый год (зимой проникая со стороны полюса, летом -- со стороны экватора).

Все основные типы воздушных масс (кроме экваториальных), помимо этого, подразделяются на два подтипа: морской и континентальный в зависимости от подстилающей поверхности в месте их формирования (таблица 6).



Таблица 6 Основные типы воздушных масс земного шара

Типы воздушных масс	Морской	Континентальный
Арктические (антарктические) воздушные массы	морской арктический (антарктический) воздух -- МАВ	континентальный арктический (антарктический) воздух -- КАВ
Умеренные (полярные) воздушные массы	морской умеренный воздух -- МУВ	континентальный умеренный воздух -- КУВ
Тропические воздушные массы	морской тропический воздух -- МТВ	континентальный тропический воздух -- КТВ
Экваториальные воздушные массы	ЭВМ

Типы климатов земного шара

В соответствии с классификацией климатов Б.П.Алисова, в различных климатических поясах на суше формируются следующие основные типы климата (рис.10).

Рис. 10 Климатические пояса Земли: 1 -- экваториальный; 2 -- субэкваториальные; 3 -- тропические; 4 -- субтропические; 5 -- умеренные; 6 -- субарктический; 7 -- субантарктический; 8 -- арктический; 9 -- антарктический



Экваториальный пояс расположен в экваториальных широтах, достигая местами 8° широты. Суммарная солнечная радиация 100-160 ккал/см2*год, радиационный баланс 60-70 ккал/см2*год.

Экваториальный жаркий влажный климат занимает западные и центральные части материков и области островов Индийского океана и Малайского архипелага в экваториальном поясе. Среднемесячные температуры +25 - +28° весь год, сезонные колебания 1-3°. Циркуляция муссонная: в январе ветры северных румбов, в июле -- южных. Годовое количество осадков обычно 1000-3000 мм (иногда больше), при равномерном их выпадении на протяжении года. Увлажнение избыточное. Постоянно высокие температуры и высокая влажность воздуха делают этот тип климата чрезвычайно тяжёлым для человека, особенно для европейца. Имеется возможность круглогодичного тропического земледелия с выращиванием двух урожаев в год.

Субэкваториальные пояса расположены в субэкваториальных широтах обоих полушарий, достигая местами 20° широты, а также в экваториальных широтах на восточных окраинах материков. Суммарная солнечная радиация 140-170 ккал/см2*год. Радиационный баланс 70-80 ккал/см2*год. В связи с сезонным перемещением межтропической барической депрессии из одного полушария в другое вслед за зенитальным положением Солнца, наблюдается сезонная смена воздушных масс, ветров и погод. Зимой каждого полушария господствуют КТВ, ветры пассатного направления к экватору, погоды антициклонические. Летом каждого полушария господствуют ЭВМ, ветры (экваториальный муссон) противопассатного направления от экватора, погоды циклонические.

Субэкваториальный климат с достаточным увлажнением примыкает непосредственно к экваториальному климату и занимает большую часть субэкваториальных поясов, кроме регионов, примыкающих к тропическим климатам. Средние температуры зимой +20 - +24°, летом -- +24 - +29°, сезонные колебания в пределах 4-5°. Годовое количество осадков обычно 500-2000 мм (максимум в Черрапунджи). Сухой зимний сезон связан с господством континентального тропического воздуха, влажный летний сезон обычно связан с экваториальным муссоном и прохождением циклонов по линии ВТК и продолжается более полугода. Исключение составляют восточные склоны полуостровов Индостан и Индокитай и северо-восток о-ва Шри Ланка, где максимум осадков зимний, вследствие насыщения влагой зимнего континентального муссона над Южно-Китайским морем и Бенгальским заливом. Увлажнение в среднем за год от близкого к достаточному до избыточного, но по сезонам распределяется очень неравномерно. Климат благоприятен для выращивания тропических сельскохозяйственных культур.

Субэкваториальный климат с недостаточным увлажнением примыкает к тропическим климатам: в Южной Америке -- Каатинга, в Африке -- Сахель и п-ов Сомали, в Азии -- запад Индо-Гангской низменности и северо-запад Индостана, в Австралии -- юг побережья зал.Карпентария и п-ова Арнемленд. Средние температуры зимой +15° - + 24°, летом температуры особенно высоки в северном полушарии (из-за обширной площади материков в этих широтах) +27 - +32°, несколько ниже в южном -- +25 - +30°; сезонные колебания 6-12°. Здесь бльшую часть года (до 10 месяцев) господствуют КТВ и антициклонические погоды. Годовое количество осадков 250-700 мм. Сухой зимний сезон обусловлен господством тропического воздуха; влажный летний сезон связан с экваториальным муссоном и продолжается менее полугода, местами лишь 2 месяца. Увлажнение повсеместно недостаточное. Климат даёт возможность выращивания тропических сельскохозяйственных культур после проведения мероприятий по повышению плодородия почв и при дополнительном орошении.

Тропические пояса расположены в тропических широтах, достигая местами 30-35° широты; а на западных окраинах Южной Америки и Африки в южном полушарии тропический пояс выклинивается, потому что здесь из-за холодных океанических течений межтропическая барическая депрессия круглый год располагается севернее экватора и южный субтропический климатический пояс достигает экватора. Круглогодично господствуют тропические воздушные массы и пассатная циркуляция. Суммарная солнечная радиация достигает на планете своего максимума: 180-220 ккал/см2*год. Радиационный баланс 60-70 ккал/см2*год.

Климат тропических береговых пустынь формируется на западных окраинах материков под влиянием холодных океанических течений. Средние температуры зимы +10 - +20°, лета -- +16 - +28°, сезонные колебания температур 6-8°. Тропический морской охлаждённый воздух весь год переносится пассатами, дующими вдоль берега. Годовое количество осадков мало из-за пассатной инверсии -- 50-250 мм и лишь местами до 400 мм. Осадки выпадают преимущественно в виде рос и туманов. Увлажнение резко недостаточное. Возможности ведения тропического земледелие есть только в оазисах при искусственном орошении и систематических работах по повышению плодородия почв.

Климат тропических континентальных пустынь характерен для внутренних регионов материков и отличается наиболее ярко выраженными чертами континентальности в пределах тропических поясов. Средние температуры зимы +10 - +24°, лета -- в северном полушарии +29 - +38°, в южном -- +24 - +32°; сезонные колебания температур в северном полушарии 16-19°, в южном -- 8-14°; суточные колебания нередко достигают 30°. Весь год господствует сухой КТВ, переносимый пассатными ветрами. Годовое количество осадков 50-250 мм. Осадки выпадают эпизодически, крайне неравномерно: в ряде районов может по несколько лет не быть дождей, а затем пройти ливень. Нередки случаи, когда дождевые капли не достигают земли, испаряясь в воздухе при приближении к раскалённой поверхности каменистой или песчаной пустыни. Увлажнение резко недостаточное. Из-за чрезвычайно высоких летних температур и сухости данный тип климата крайне неблагоприятен для сельского хозяйства: тропическое земледелие возможно только в оазисах на обильно и систематически орошаемых землях.

Климат тропический влажный приурочен к восточным окраинам материков. Формируется под влиянием тёплых океанических течений. Средние температуры зимы +12 - +24°, лета -- +20 - +29°, сезонные колебания температур 4-17°. Круглогодично господствует прогретый МТВ, приносимый с океана пассатными ветрами. Годовое количество осадков 500-3000 мм, причём восточные наветренные склоны получают осадков примерно вдвое больше, чем западные подветренные. Осадки выпадают весь год при летнем максимуме. Увлажнение достаточное, лишь местами на подветренных склонах несколько недостаточное. Климат благоприятен для тропического земледелия, однако сочетание высоких температур с большой влажностью воздуха делает его тяжело переносимым для человека.

Субтропические пояса располагаются за тропическими поясами в субтропических широтах, достигая 42-45° широты. Повсеместно наблюдается сезонная смена воздушных масс: зимой господствуют умеренные воздушные массы, летом -- тропические. Суммарная солнечная радиация в пределах 120-170 ккал/см2*год. Радиационный баланс обычно 50-60 ккал/см2*год, лишь местами снижается до 45 ккал (в Южной Америке) или повышается до 70 ккал (на Флориде).

Субтропический средиземноморский климат формируется на западных окраинах материков и прилегающих островах. Средние зимние температуры под влиянием вторжения МУВ однородны: +4 -+12°, заморозки бывают, но редкие и непродолжительные; летние температуры в северном полушарии +16 - +26° и в южном -- +16 - +20°, лишь в Австралии достигают +24°; сезонные колебания температур 12-14°. Происходит сезонная смена воздушных масс, ветров и погод. Зимой каждого полушария господствуют МУВ, ветры западного переноса и циклонические погоды; летом -- КТВ, ветры пассатного направления и антициклонические погоды. Годовое количество осадков 500-2000 мм. Размещаются осадки крайне неравномерно: западные наветренные склоны получают обычно вдвое больше осадков, чем восточные подветренные. Чередуются периоды: влажный зимний (благодаря МУВ и прохождению циклонов по полярному фронту) и сухой летний (из-за преобладания КТВ). Осадки выпадают чаще в виде дождей, зимой изредка -- в виде снега, притом устойчивого снежного покрова не образуется и через несколько дней выпавший снег стаивает. Увлажнение достаточное на западных и недостаточное на восточных склонах. Этот климат наиболее комфортный для обитания на планете. Он благоприятен для земледелия, особенно субтропического (на подветренных склонах иногда требуется орошение), а также весьма благоприятен для обитания человека. Это способствовало тому, что именно в областях этого типа климата зарождались древнейшие цивилизации и издавна сосредоточивалось большое количество населения. В настоящее время в областях средиземноморского климата расположено множество курортов.

Субтропический континентальный засушливый климат приурочен к внутренним регионам материков в субтропических поясах. Средние зимние температуры в северном полушарии нередко отрицательные -8 - +4°, в южном -- +4 - +10°; летние температуры в северном полушарии +20 - +32° и в южном -- +20 - +24°; сезонные колебания температур в северном полушарии около 28°, в южном -- 14-16°. Весь год господствуют континентальные воздушные массы: зимой -- умеренные, летом -- тропические. Годовое количество осадков в северном полушарии 50-500 мм, в южном -- 200-500 мм. Увлажнение недостаточное, особенно резко недостаточное в северном полушарии. В условиях этого климата земледелие возможно только при искусственном орошении, возможно также пастбищное скотоводство.

Субтропический равномерно влажный муссонный климат характерен для восточных окраин материков в субтропических поясах. Формируется под влиянием тёплых океанических течений. Средние температуры зимой в северном полушарии -8 - +12° и в южном -- +6 - +10°, летом в северном полушарии +20 - +28° и в южном -- +18 - +24°; сезонные колебания температур в северном полушарии 16-28° и в южном -- 12-14°. Наблюдается сезонная смена воздушных масс и ветров при круглогодичных циклонических погодах: зимой господствует КУВ, приносимый ветрами западных румбов, летом -- прогретый МТВ, приносимый ветрами восточных румбов. Годовое количество осадков 800-1500 мм, местами до 2000 мм. При этом осадки выпадают в течение всего года: зимой в связи с прохождением циклонов по полярному фронту, летом приносятся океаническими муссонами, образующимися из ветров пассатного направления. Зимой в северном полушарии преобладают осадки в виде снега, в южном -- зимние снегопады бывают очень редко. В северном полушарии может образовываться снежный покров в продолжение от нескольких недель до нескольких месяцев (особенно во внутренних районах), в южном же снегового покрова, как правило, не образуется. Увлажнение достаточное, на восточных склонах -- несколько избыточное. Этот тип климата благоприятен для обитания человека и для хозяйственной деятельности, однако в отдельных регионах зимние морозы ограничивают распространение субтропического земледелия.

Умеренные пояса располагаются за субтропическими поясами в обоих полушариях, достигая местами 58-67° с.ш. в северном полушарии и 60-70° ю.ш. -- в южном. Суммарная солнечная радиация обычно в пределах 60-120 ккал/см2*год и только над северной частью Средней Азии, вследствие господства там антициклонических погод, она достигает 140-160 ккал/см2*год. Годовой радиационный баланс в северном полушарии 25-50 ккал/см2 и 40-50 ккал/см2 -- в южном полушарии из-за преобладания на суше участков, примыкающих к субтропическому поясу. Круглогодично господствуют умеренные воздушные массы.

Умеренный морской климат формируется на западных окраинах материков и прилегающих островах под влиянием тёплых океанических течений и только в Южной Америке -- холодного Перуанского течения. Зима мягкая: средние температуры +4 - +8°, лето прохладное: средние температуры +8 - +16°, сезонные колебания температур 4-8°. Круглогодично господствуют МУВ и ветры западного переноса, воздух характеризуется высокой относительной и умеренной абсолютной влажностью, часты туманы. Осадков особенно много получают наветренные склоны западной экспозиции: 1000-3000 мм/год, на восточных подветренных склонах осадков выпадает 700-1000 мм. Количество пасмурных дней в году очень велико; осадки выпадают весь год при летнем максимуме, связанном с прохождением циклонов по полярному фронту. Увлажнение избыточное на западных склонах и достаточное -- на восточных. Мягкость и влажность климата благоприятны для огородничества и луговодства, а в связи с этим и молочного животноводства. Есть условия для круглогодичных морских промыслов.

Умеренный климат, переходный от морского к континентальному, формируется в районах, непосредственно примыкающих с востока к областям умеренного морского климата. Зима умеренно холодная: в северном полушарии 0 - -16°, бывают оттепели, в южном -- 0 - +6°; лето не жаркое: в северном полушарии +12 - +24°, в южном -- +9 - +20°; сезонные колебания температур в северном полушарии 12-40°, в южном -- 9-14°. Этот переходный климат образуется при ослаблении влияния западного переноса по мере продвижения воздуха на восток, в результате воздух зимой охлаждается и теряет влагу, летом сильнее прогревается. Осадков выпадает 300-1000 мм/год; максимум осадков связан с прохождением циклонов по полярному фронту: в более высоких широтах летом, в более низких -- весной и осенью. Из-за значительных различий в температурном режиме и количестве осадков увлажнение от избыточного до недостаточного. В целом для обитания человека данный тип климата довольно благоприятен: возможно земледелие с выращиванием культур непродолжительного периода вегетации и животноводство, особенно молочное.