Гидросфера и атмосфера

Бурятский государственный  университет

 

 

 

 

 

 

 

 

Гидросфера и атмосфера

 

 

Проверил: Жатнуев Н.С.

Выполнил: Молонов Лубсан

 

 

 

2013 
Введение

В данной работе рассматривается тема «Гидросфера и атмосфера Земли».

Жидкая оболочка Земли, которая  покрывает 70,8% ее поверхности, называется гидросферой. Главными резервуарами воды являются океаны. Они содержат 97% мировых  запасов воды. Существующие в океанах  течения переносят тепло от экваториальных областей к полярным и тем самым  в определенной степени регулируют климат Земли. Так, течение Гольфстрим, начинающееся от берегов Мексики  и несущее теплые воды до берегов  Шпицбергена, приводит к тому, что  средняя температура северо-западной Европы значительно выше температуры  северо-восточной Канады.

По современным представлениям, наличие больших водоемов на Земле  сыграло решающую роль в возникновении  жизни на нашей планете. Часть  воды на Земле, общим объемом около 24 млн. км3, находится в твердом  состоянии, в виде льда и снега. Льды покрывают примерно 3% земной поверхности. Если бы эту воду превратить в жидкое состояние, то уровень мирового океана поднялся бы на 62 метра. Ежегодно снегом покрывается около 14% земной поверхности. Снег и лед отражают от 45 до 95% энергии  солнечных лучей, что, в конечном итоге, приводит к существенному  охлаждению больших участков поверхности  Земли. Подсчитано, что если бы снегом укрылась вся Земля, то средняя температура  на ее поверхности понизилась от существующей сейчас +15 °С до -88 °С.

Средняя температура поверхности  Земли на 40 °С выше той температуры, которую должна иметь Земля, освещенная солнечными лучами. Это опять-таки связано с водой, точнее, с водяным паром. Дело в том, что солнечные лучи, отражаясь от поверхности Земли, поглощаются водяным паром и снова отражаются на Землю. Это называется парниковым эффектом.

Воздушная оболочка Земли, атмосфера, уже изучена достаточно подробно. Плотность атмосферы у поверхности  Земли составляет 1,22 × 10-3 г/см3. Если говорить о химическом составе атмосферы, то главный компонент здесь является азот; его процентное содержание по весу равно 75,53%. Кислорода в атмосфере  Земли 23,14%, из других газов наиболее представительным является аргон - 1,28%, углекислого газа в атмосфере  всего 0,045%. Этот состав атмосферы сохраняется  до высоты 100-150 км. На больших высотах  азот и кислород находятся в атомарном  состоянии. С высоты 800 км преобладает  гелий, а с 1600 км - водород, который  образует водородную геокорону, простирающуюся на расстояние до нескольких радиусов Земли.

Атмосфера предохраняет все живущее  на Земле от губительного воздействия  ультрафиолетового излучения Солнца и космических лучей - частиц высокой  энергий, движущихся к ней со всех сторон с почти световыми скоростями.

 

 

 

 

 

Рассмотрим подробнее гидросферу и атмосферу Земли.

1. Гидросфера

Гидросфера (от гидро… и сфера) - прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой (литосферой) и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. В более широком смысле в состав гидросферы включают также подземные воды, лед и снег Арктики и Антарктики, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах. Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах, второе место по объему водных масс занимают подземные воды, третье - лед и снег арктических и антарктических областей. Поверхностные воды суши, атмосферные и биологически связанные воды составляют доли процента от общего объема воды гидросферы (рис. 1). Химический состав гидросферы приближается к среднему составу морской воды.

Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.

 

2. Атмосфера

Атмосфера Земли (от греч. atmos - пар и sphaira - шар) - газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15-1015 т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.

Происхождение и роль атмосферы

Современная земная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение  и образовалась из газов, выделенных твердой оболочкой Земли (литосферой) после сформирования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения; химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосферные газы, в свою очередь, оказывали большое влияние на эволюцию литосферы. Например, громадное количество углекислоты, поступившей в атмосферу из литосферы, было затем аккумулировано в карбонатных породах. Атмосферный кислород и поступающая из атмосферы вода явились важнейшими факторами, которые воздействовали на горные породы. На протяжении всей истории Земли атмосфера играла большую роль в процессе выветривания. В этом процессе участвовали атмосферные осадки, которые образовывали реки, изменявшие земную поверхность. Не меньшее значение имела деятельность ветра, переносившего мелкие фракции горных пород на большие расстояния. Существенно влияли на разрушение горных пород колебания температуры и другие атмосферные факторы. Наряду с этим атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть которых сгорает при вхождении в плотные слои атмосферы.

Деятельность живых организмов, оказавшая сильное влияние на развитие атмосферы сама в очень  большой степени зависит от атмосферных  условий. Атмосфера задерживает  большую часть ультрафиолетового  излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный  кислород используется в процессе дыхания  животными и растениями, атмосферная  углекислота - в процессе питания  растений. Климатические факторы, в  особенности термический режим  и режим увлажнения, влияют на состояние  здоровья и на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических  условий сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека оказывает  все возрастающее влияние на состав атмосферы и на климатический  режим.

Строение атмосферы

Многочисленные наблюдения показывают, что атмосфера имеет четко  выраженное слоистое строение (рис. 2). Основные черты слоистой структуры  атмосферы определяются в первую очередь особенностями вертикального  распределения температуры. В самой  нижней части атмосферы - тропосфере, где наблюдается интенсивное  турбулентное перемешивание, температура  убывает с увеличением высоты, причем уменьшение температуры по вертикали  составляет в среднем 6° на 1 км. Высота тропосферы изменяется от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км у экватора. В  связи с тем, что плотность  воздуха быстро убывает с высотой, в тропосфере сосредоточено около 80% всей массы атмосферы. Над тропосферой  расположен переходный слой - тропопауза с температурой 190-220 K, выше которой  начинается стратосфера. В нижней части  стратосферы уменьшение температуры  с высотой прекращается, и температура  остается приблизительно постоянной до высоты 25 км - т. н. изотермическая область (нижняя стратосфера); выше температура  начинает возрастать - область инверсии (верхняя стратосфера). Температура  достигает максимума ~ 270 K на уровне стратопаузы, расположенной на высоте около 55 км. Слой атмосферы, находящийся  на высотах от 55 до 80 км, где вновь  происходит понижение температуры  с высотой, получил название мезосферы. Над ней находится переходный слой - мезопауза, выше которой располагается  термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших  значений (св. 1000 K). Еще выше (на высотах ~ 1000 км и более) находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счет диссипации и где происходит постепенный  переход от атмосферы к межпланетному  пространству. Обычно все слои атмосферы, находящиеся выше тропосферы, называются верхними, хотя иногда к нижним слоям  атмосферы относят также стратосферу  или ее нижняя часть.

Все структурные параметры атмосферы (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной  изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.).

Слоистая структура атмосферы  имеет и много других разнообразных  проявлений. Неоднороден по высоте химический состав атмосферы. Если на высотах до 90 км, где существует интенсивное  перемешивание атмосферы, относительный  состав постоянных компонент атмосферы  остается практически неизменным (вся  эта толща атмосферы получила название гомосферы), то выше 90 км - в  гетеросфере - под влиянием диссоциации  молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излучением Солнца происходит сильное  изменение химического состава  атмосферы с высотой. Типичные черты  этой части атмосферы - слои озона  и собственное свечение атмосферы. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля - взвешенных в атмосфере твердых частиц земного и космического происхождения. Наиболее часто встречаются аэрозольные слои под тропопаузой и на высоте около 20 км. Слоистым является вертикальное распределение электронов и ионов в атмосфере, что выражается в существовании D-, Е- и F-cлоев ионосферы.

Состав атмосферы

В отличие от атмосферы Юпитера, Сатурна, состоящих главным образом  из водорода и гелия, и атмосферы  Марса и Венеры, основного компонента которых - углекислый газ, земная атмосфера  состоит преимущественно из азота  и кислорода. Атмосфера Земли  содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные в переменные компоненты. Относительная объемная концентрация постоянных газов, а также сведения о средних концентрациях ряда переменных компонентов (углекислый газ, метан, закись азота и некоторые другие), относящихся только к нижним слоям атмосферы.

Наиболее важная переменная составная  часть атмосферы - водяной пар. Пространственно-временная  изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах - у земной поверхности от 3% в тропиках до 2 10-5% в Антарктиде. Основная масса  водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах - около 1,6-1,7 см «слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь  слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно содержания водяного пара в стратосфере противоречивы. Предполагалось, например, что в  диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается  с высотой. Однако последующие измерения  указывают на большую сухость  стратосферы. По-видимому, удельная влажность  в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием  процессов испарения, конденсации  и горизонтального переноса. В  результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают осадки атмосферные в виде дождя, града  и снега. Процессы фазовых переходов  воды протекают преимущественно  в тропосфере. Именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и  мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда  как тропосферные облака обычно закрывают  около 50% всей земной поверхности.

 

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает озон. Он в основном сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение ультрафиолетовой солнечной радиации, являющееся главным фактором нагревания воздуха в стратосфере. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсу и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

 

 

Существенная переменная компонента атмосферы - углекислый газ, изменчивость содержания которого связана с жизнедеятельностью растений (процессами фотосинтеза), индустриальными  загрязнениями и растворимостью в морской воде (газообменом между  океаном и атмосферой). Обычно изменения  содержания углекислого газа невелики, но иногда могут достигать заметных значений. Последние десятилетия  наблюдается рост содержания углекислого  газа, обусловленный индустриальным загрязнением, что может иметь  влияние на климат вследствие создаваемого углекислым газом парникового эффекта. Предполагается, что в среднем  концентрация углекислого газа остается неизменной во всей толще гомосферы. Выше 100 км начинается его диссоциация  под влиянием ультрафиолетовой солнечной  радиации с длинами волн короче 1690 А.

Одна из наиболее оптически активных компонент - атмосферная аэрозоль - взвешенные в воздухе частицы  размером от нескольких нм до нескольких десятков мкм, образующиеся при конденсации  водяного пара и попадающие в атмосферу  с земной поверхности в результате индустриальных загрязнений, вулканических  извержений, а также из космоса. Аэрозоль наблюдается как в тропосфере, так и в верхних слоях атмосферы. Концентрация аэрозоля быстро убывает с высотой, но на этот ход налагаются многочисленные вторичные максимумы, связанные с существованием аэрозольных слоев.

 

Заключение

Каждый из нас из курса природоведения и географии знает, что мы живем  на дне воздушного океана - атмосферы.

 

Самые верхние оболочки Земли - гидросфера и атмосфера - заметно отличаются от других оболочек, образующих твердое  тело планеты. По массе это совсем незначительная часть земного шара, не более 0,025% всей его массы. Но значение этих оболочек в жизни планеты  огромно. Гидросфера и атмосфера  возникли на ранней стадии формирования планеты. Гидросфера и атмосфера - это  основные оболочки биосферы.

 

Биосфера занимает особое место  среди сообщества оболочек Земли. Она  захватывает верхний слой литосферы, почти всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Под биосферой понималась совокупность заселяющей поверхность  планеты живой материи вместе со средой обитания. Значимость этой системы  выходит за пределы чисто земного  мира, она представляет собой звено  космического масштаба.