© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

28. Погода и климат как результат взаимодействия океана и атмосферы (часть 2).

Испарение воды с поверхности океанов и морей

Мы упомянули выше, что на долю Земли приходится ничтожная, 1/2200000000 часть солнечного излучения. Но эта «ничтожная» часть означает, что Солнце каждую секунду излучает на Землю столько энергии, сколько её выделилось бы при сжигании трёх миллионов тонн бензина. Пример «приземлённый», но мы не уверены, что каждый наш читатель способен представить себе это колоссальное количество энергии. Большая часть этой энергии проходит через атмосферу и, поглощаясь и преобразуясь, попадает в океан. Примерно третья часть солнечной энергии, попадающей на нашу планету, расходуется на испарение воды с поверхности океанов и морей. Атмосфера в виде пара содержит около 13 тысяч кубических километров воды. Этот запас воды образуется за счет постоянного испарения с поверхности моря и расходуется на осадки, выпадающие на землю.

Океан отдаёт атмосфере около 355 тысяч км³ воды в год. Обратно, из воздуха в море, возвращается только 320 тысяч км³. Остальные 35 тысяч кубокилометров воды тоже возвратятся в океан, но только после того, как на суше они пройдут процесс сложных преобразований. Это означает, что только одна десятая того огромного количества воды, которое испаряется с поверхности Мирового океана, орошает поля, леса, всю растительность Земли, а девять десятых циркулируют в замкнутой системе океан-атмосфера.

Величина испарения зависит от количества поступающего солнечного тепла. Поэтому в тропической зоне в атмосферу уходит воды больше, чем возвращается в океан. Наоборот, в умеренных и высоких широтах осадки превышают испарение.

Парниковый эффект

Земная атмосфера слабо поглощает коротковолнову́ю солнечную радиацию, поэтому слабо нагревается солнечными лучами, а получает тепло в основном от собственного излучения земной поверхности, как суши, так и океана. Разница в теплоёмкости воды и воздуха огромна. Поэтому Мировой океан является основным источником тепла для атмосферы. Нагретая атмосфера излучает инфракрасную радиацию почти в том же диапазоне длин волн, что и земная поверхность. Атмосферная радиация, направленная вниз к поверхности Земли, называется встречным излучением. Таким образом, атмосфера защищает Землю от чрезмерного нагревания и охлаждения, выполняя роль своеобразного одеяла, удерживающего тепло. Подсчитано, что при отсутствии атмосферы температура земной поверхности была бы равна минус 23°C, при которой жизнь на Земле практически невозможна. Наличие атмосферы обеспечивает среднюю температуру земной поверхности около +15°C. Такой результат действия атмосферы называют парниковым эффектом. Атмосферные газы, которые задерживают инфракрасные лучи, исходящие от тёплой земной поверхности, условно называют парниковыми. Они создают своего рода экран на пути инфракрасных лучей. Среди парниковых газов определяющее влияние на парниковый эффект имеет водяной пар H₂O. Основной полосой поглощения водяного пара являются длины волн в диапазоне 5–7,5 мкм. За пределами этого диапазона, в интервалах спектра 3–5 мкм и 8–12 мкм, называемых окнами прозрачности, часть излучения Земли уходит в космическое пространство.

Рост содержания парниковых газов

Парниковый эффект водяного пара усиливается углекислым газом CO₂, который всегда содержится в атмосфере в результате естественного круговорота углерода в природе. В современный период содержание CO₂ в атмосфере постоянно возрастает в результате человеческой деятельности. Имеются в виду результаты сжига́ния природного топлива (угля, нефти, газа), отработанные газы автомобилей, тепловозов, самолётов, а также бесконечные лесные пожары по вине людей.

Увеличивают парниковый эффект и другие газы: метан, закись азота, тропосферный озон, а также дым тепловых электростанций, котельных фабрик и заводов, содержащий аэрозоль (сажу) с размером частиц 0,001–0,05 мкм. Такой аэрозоль сильно поглощает инфракрасное излучение Земли. Проблема парникового эффекта и глобального потепления на Земле давно перешла из теоретической области в чисто практическую.

В настоящее время около 40 научных станций, расположенных в различных районах земного шара, ведут наблюдения за изменением концентрации углекислого газа в атмосфере. Большим материалом по результатам таких наблюдений располагает обсерватория Мауна-Лоа на Гавайских островах, которая ведёт этот мониторинг с 1957 года.

Наблюдения показывают, что содержание парниковых газов в атмосфере ежегодно возрастает следующими темпами: метана – на 0,9 %, закиси азота – на 0,3 %, тропосферного озона – на 1–2 %, фреонов – на 4 %. Время жизни в атмосфере составляет: у метана – 10 лет, у закиси азота – 170 лет, у тропосферного озона – 3–4 недели. Эти газы не задерживают коротковолново́е солнечное излучение, но поглощают и излучают длинноволнову́ю радиацию, чем оказывают влияние на глобальный климат.

В атмосферу поступают также газы, не являющиеся её естественными компонентами. Главные из них – фторхлоруглеводороды (фреоны). Фреоны имеют большую поглощающую способность в диапазоне окон прозрачности 8–12 мкм и тем самым вносят свой вклад в усиление парникового эффекта атмосферы. Все попадающие в атмосферу фреоны имеют антропогенное происхождение. Их используют в холодильных установках, кондиционерах, аэрозольных баллонах, растворителях и при производстве пенопластов. Время жизни фреонов в атмосфере, по оценочным данным, составляет от 80 до 170 лет. Установлено, что эти газы разрушают озоновый слой – естественный щит Земли, закрывающий её от «жёсткой» солнечной радиации. При отсутствии озонового слоя жизнь на Земле была бы невозможна, или имела бы лишь самые примитивные формы.

Озоновые «дыры»

В настоящее время известны озоновые «дыры», в частности, над Антарктидой, что вызывает обеспокоенность мировой общественности и требует принятия мер по сокращению производств, связанных с использованием фреонов. К таким мерам можно отнести Конвенцию об охране озонового слоя, которая подписана рядом промышленно развитых стран, в том числе Россией. На основании этой конвенции принято решение о сокращении, а затем и прекращении выпуска фреонов. Предприятия некоторых стран начали производить заменители фреонов.

Метан попадает в атмосферу из болот и глубоких трещин в земной коре. Он образуется также при сжигании биомассы в сельском хозяйстве и при добыче природного газа. Концентрацию закиси азота увеличивают использование азотных удобрений и выбросы самолётов. Количество озона в тропосфере возрастает в результате химических реакций под действием солнечных лучей между углеводородами и окислами азота, образующимися после сжигания ископаемого топлива. Концентрация этих газов возрастает быстрее, чем концентрация углекислого газа. Увеличивается также концентрация аэрозоля индустриального происхождения (сажа) с размером частиц 0,001 – 0,05 мкм, который сильно поглощает излучение Земли, способствуя росту парникового эффекта атмосферы.

Все эти факторы могут привести к значительному повышению глобальной температуры и вызвать другие климатические изменения, последствия которых пока невозможно предсказать.