Читайте также:
|
14.Эндогенная энергия – энергия земных недр, которая поступает в ГО главным образом в двух формах: теплового потока (теллурические токи) и путем механических перемещений.
Тепловой поток неравномерно распределен по земной поверхности, что связано с характером тектонических структур и возрастом земной коры. Наибольшие значения теплового потока наблюдаются на срединно-океанических хребтах, в сейсмоактивных и вулканических районах. Другими источниками эндогенной энергии являются: гравитационная дифференциация земного вещества по плотности, распад радиоактивных элементов, внутреннее трение масс вещества, сопровождающее гравитационную дифференциацию, приливное трение. Определенную часть эндогенной энергии составляет солнечная энергия, поступившая на земную поверхность ранее и сохранившаяся в «геохимических аккумуляторах» - горючих полезных ископаемых и горных породах абиогенного происхождения и рассолах, законсервированных в земной коре.
Экзогенная энергия – все виды энергии, поступающей к Земле из Космоса. В количественном отношении она на 97% состоит из электромагнитного излучения Солнца – солнечной радиации. Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн разной длины. Ультракоротковолновая радиация проникает до высоты 100-200 км и задерживается в ионосфере. Более длинные волны распространяются до высоты 70-80 км. Жесткая УФ радиация – 25-28 км. В тропосферу и непосредственно к земной поверхности поступают мягкая УФ радиация, видимое световое и инфракрасное излучение. Наряду с электромагнитными потоками в атмосферу проникает корпускулярный поток заряженных частиц – «солнечный» и «космический» ветер. Корпускулярный поток почти полностью поглощается магнитосферой и верхними слоями атмосферы. Его изменчивость, обусловленная пульсациями солнечной активности, вызывает возмущения геомагнитного поля, что отражается на биологических процессах. Соотношение:
| Поток энергии | Мощность, Дж/(м2×с) |
| Солнечная энергия (поглощенная атмосферой и земной поверхностью) | 2,3×102 |
| Энергия космических лучей | 2×10-6 - 3×10-6 |
| Антропогенное производство энергии | 3,2×10-2 |
| Распад радиоактивных изотопов | ~7×10-3 |
| Энергия приливного трения | 3,5×10-3 |
| Энергия окисления органического вещества | 0,4-0,6 |
| Геотермическое тепло | ~0,1 |
| Тектоническая энергия | ~10-3 |
15. Поступая в ГО, солнечная энергия существенно трансформируется. Часть электромагнитного излучения поглощается в атмосфере озоном, водяным паром, пылью; другая часть отражается верхней границей облаков и только 40 - 50 % достигает приповерхностного слоя воздуха и земной поверхности.
Большая часть энергии, достигшей земной поверхности, поглощается ею, остальная – отражается. Отношение отраженной радиации к падающей называют альбедо. Величина альбедо изменчива в пространстве и зависти от характера подстилающей поверхности. Минимальное значение альбедо имеет водная поверхность при высоком положении Солнца (≤ 1%), максимальное (97%) – у свежевыпавшего снега. Величина планетарного альбедо составляет 30 – 35%.
Поглощённая солнечная энергия нагревает земную поверхность, тем самым поверхность Земли сама становится источником только уже теплового излучения (или энергии) в тропосферу. Примерно 96% теплового излучения земной поверхности поглощается водяным паром, диоксидом углерода (СО2) и аэрозолями. Поэтому говорят, что земное излучение как бы «запирается» в приповерхностном слое воздуха по принципу работы парника. Это явление называют парниковым или тепличным эффектом (естественный процесс функционирования ГО). Благодаря этому эффекту существует жизнь и сама ГО. Средняя температура земной поверхности 14,2о (около 15о) С. Это на 38о выше расчетной температуры радиационного равновесия. Если бы отсутствовал парниковый эффект, то температура земной поверхности в среднем равнялась бы –23оС, т.е. Земля была бы ледяной планетой. Поглощая тепловое излучение земной поверхности, атмосфера не рассеивает его в Космос, а возвращает обратно к Земле. Такой процесс называют противоизлучением атмосферы.
Потоки прямой и рассеянной радиации Солнца и противоизлучение атмосферы формируют радиационный бюджет земной поверхности. Он выражается следующей формулой:
R = S + D – O – EЗ + EА
R – радиационный баланс;
S – прямая радиация;
D – рассеянная радиация;
O – отраженная радиация;
EЗ – излучение земной поверхности;
EА – противоизлучение атмосферы.
Среднегодовая сумма R колеблется от отрицательных значений в полярных и околополюсных районах до 4,8 109 Дж/м2. В среднем для Земли он положителен и составляет 3,16 109 Дж/м2 в год.
В целом же Земля как планета теряет почти столько же энергии, что и получает. Только малая часть энергии накапливается в органическом веществе и геохимических аккумуляторах. Поэтому говорят, что Земля находится в лучистом равновесии.
Радиационный бюджет земной поверхности расходуется на испарение воды и влаги, нагревание почвы и воздуха, таяние снега и льда, фотосинтез, почвообразование и выветривание горных пород. Наблюдается равенство между приходом энергии и ее расходом на указанные процессы, что отображается в виде уравнения теплового баланса земной поверхности:
R = LE + P ± B + F + C
R – радиационный бюджет,
LE – теплота, затрачиваемая на испарение воды, таяние снега и льда,
P – перенос теплоты в воздухе турбулентными потоками,
B – теплообмен земной поверхности с почвой и ГП,
F – расход энергии на фотосинтез,
C – расход энергии на почвообразование и выветривание.
Очень часто энергию, затрачиваемую на фотосинтез, почвообразование и выветривание, отбрасывают при расчете теплового баланса, т.к. ее величина составляет менее 1 %. В реальности эта доля энергии имеет большое значение, поскольку может аккумулироваться, а затем преобразовываться в другие виды энергии. Этот процесс, будучи маломощным, оказывает существенное воздействие на ГО. В ней скопилось порядка 11 1014 Дж/м2 энергии в рассеянном органическом веществе в осадочных породах, а также в виде каменного угля, нефти, горючих сланцев. Использование запасов этой энергии является основой традиционной энергетики.
Структура теплового баланса зависти от географической широты и типа ландшафта, т.е. она изменяется от экватора к полюсам и при переходе с океана на сушу и наоборот. Суша и океан различаются по величине поглощения радиации и по характеру распределения теплоты на глубину. В океане летом теплота распределяется в глубину на несколько сот метров (океанический термоклин). На суше теплота проникает на глубину всего лишь в несколько метров и за летний период накапливает тепла в 10 – 25 раз меньше, чем океан. Океан зимой охлаждается меньше, чем суша благодаря запасу теплоты, накопленной в умеренных и отчасти высоких широтах летом и в жарком поясе на протяжении всего года. Расчеты показывают, что разовое содержание теплоты в океане в 21 раз превышает ее поступление к земной поверхности в целом. Даже в 4-х метровом слое океанических вод теплоты в 4 раза больше, чем во всей атмосфере. Около 80 % энергии, поглощенной океана, тратится на испарение воды, остальные 20 % участвуют в турбулентном теплообмене с атмосферой.
Положительный баланс солнечной радиации в океане наблюдается в низких широтах (до 30о – 40о включительно в обоих полушариях). Отсюда избыток энергии переносится океаническими течениями и циркуляцией атмосферы в более высокие широты, повсеместно смягчая климат: в низких широтах – в сторону уменьшения жары, а в средних и высоких широтах – в сторону смягчения холодов.
Распределение температуры. Самая высокая температура наблюдается на термическом экваторе – линии, соединяющей точки с наиболее высокой среднегодовой температурой. Термический экватор – волнистая линия на широте 5о с.ш. в океане и 10о с.ш. на материках. Вверх от земной поверхности в пределах тропосферы температура понижается в среднем на 0,6оС на каждые 100 метров высоты. В земной коре температура повышается с глубиной на 3о на каждые 100 метров. В океане наблюдается двуслойная стратификация вод: теплый слой (несколько сотен метров за исключением высоких широт) и холодный, к которому относится основная масса воды (в глубину от 1000м). Глубинные воды Мирового океана имеют температуру от 1 до 2,5оС, а средняя температура составляет 4оС. Таким образом, усиление вертикального перемешивания вод океана приводит к снижению температуры его поверхности и общему охлаждению географической оболочки.
16. Атмосфера – наиболее подвижная часть ГО. В механическую энергию атмосферных движений переходит 1-2 % усваиваемой земной поверхностью солнечной энергии. Этот переход осуществляется в процессе функционирования географических тепловых машин (по В.В. Шулейкину). Самой большой географической тепловой машиной (ГТМ) является система «экватор-полюсы», которую называют ГТМ первого рода (связаны наиболее крупномасштабные движения в атмосфере). В этой тепловой машине разность температур постоянно поддерживается неравномерностью поступления солнечной радиации на сферичную Землю. Различия в нагревании материков и океанов приводят к возникновению тепловых машин второго рода. С ними связано зарождение внетропических муссонов. Эта ГТМ меняет свой знак в зависимости от сезона года: зимой роль нагревателя выполняет океан, летом – суша. Географическую машину третьего рода образуют циклонические и антициклонические кольца океанической циркуляции. ГТМ 4 рода – это система, в которой происходит вертикальный перенос теплоты в атмосфере от земной поверхности, а также от слоев локального нагревания в атмосфере. ГТМ пятого рода В.В. Шулейкин назвал систему тропического урагана. Тропический циклон представляет собой замкнутый «энергетический насос», посредством которого энергия Мирового океана передается в атмосферу и пространственно перемещается. Каждое такое образование перекачивает, как правило, несколько десятков кубических км воды в форме водяного пара и соответствующее количество энергии фазового перехода, которая выделяется, когда водяной пар конденсируется, и тратится на механическую работу и нагревание атмосферного воздуха (последнее в свою очередь порождает механическую работу). Тепловую машину 6 рода образуют синоптические вихри, развивающиеся в океане на границах течений и в центральных частях круговоротов и являющиеся физическим аналогом циклонов и антициклонов атмосферы. Крупномасштабные вертикальные кольца циркуляции наблюдаются в низких широтах. В экваториальной зоне воздух поднимается вверх. В верхней тропосфере он направляется в сторону тропиков в виде антипассата. На широте 30-35гр. происходит опускание воздуха, оттуда он направляется к экватору в виде пассата. Это вертикальное кольцо циркуляции было названо ячейкой Гадлея в честь английского ученого XVIII в., изучавшего пассатную циркуляцию. Совокупность движений атмосферного воздуха образует атмосферную циркуляцию. Основа возникновения – неравномерное распределение тепла в атмосфере (термический фактор). Общее представление о закономерностях движений воздуха можно получить при анализе среднего многолетнего распределения атмосферного давления (АД) и преобладающих ветров у земной поверхности в январе и июле. В распределении АД проявляется зональность с одной стороны, и влияние материков и океанов - с другой стороны. Зональность – наблюдается широтное чередование зон высокого давления и низкого давления. В области экватора давление ниже, чем в тропических и субтропических областях. Высокое давление в этих поясах сменяется низким в умеренных и субполярных широтах. К полюсам снова происходит небольшое увеличение давления. От субтропической области высокого давления в сторону экватора направлены пассаты, отклоняющиеся от градиента давления под действием силы Кориолиса, приобретающие восточную составляющую. В умеренных широтах господствует западный перенос, в полярных – восточный. Это осредненная картина, которая лишь в отдельные моменты совпадает с реальной действительностью. Изменчивость и непостоянство – характерные черты атмосферной циркуляции. В средних и высоких широтах перенос воздуха в больших масштабах осуществляется в виде вихревых потоков – циклонов и антициклонов. Циклон – движущаяся восходящая система потоков воздуха, образующих спираль, закручивающуюся в северном полушарии против часовой стрелки, в южном – по часовой. Поэтому в северном полушарии при перемещении циклонов с запада на восток (от 40о до 80о) в передней части происходит перенос воздуха с юга на север, в тыловой части – с юга на север. В южном полушарии аналогичный процесс, но противоположное направление потоков воздуха. Одновременно в циклонах существуют вертикальные движения – в центральной части воздух поднимается вверх.
В антициклонах воздух движется по спирали от центра, где наблюдается высокое давление. Одновременно происходит опускание воздуха в центре антициклона.
В циклонах и антициклонах формируются особые погоды. На территории, занятой циклоном, наблюдается низкое давление, как правило, выпадают атмосферные осадки, происходит резкая смена направления и скорости ветра.
Распространение циклонов и антициклонов соответствует минимумам и максимумам давления, а соответственно им распределяются атмосферные осадки. Увеличение осадков в циклонах связано с поднятием воздуха на атмосферных фронтах. В процессе поднятия воздух охлаждается. При определенной температуре происходит конденсация или сублимация водяного пара в воздухе. Образовавшиеся капли воды или кристаллы льда при достижении достаточных размеров падают на земную поверхность. В антициклонах воздух опускается, сжимается, нагревается и удаляется от точки насыщения.
В атмосфере наблюдается также местная циркуляция, связанная с формами рельефа, ледниками, взаимодействием суши и водоемов и др. Например: фён – теплый, иногда, горячий, сухой ветер, дующий с гор со значительной силой. Обычно он продолжается меньше суток, редко неделю. Наиболее типичный фён наблюдается в случае, когда воздушное течение общей циркуляции атмосферы переваливает через горный хребет. В горах фёновая погода наблюдается часто (Инсбрук в Альпах – 80 дней в году) – горы Средней Азии, Скалистые горы Америки и др. горные системы; бора – штормовой и очень холодный ветер, дующий через низкие горные перевалы преимущественно в холодную часть года. В Новороссийске он называется норд-остом, на Байкале – сармой, в долине Роны – мистралью. Аналогичные, но меньшей силы ветры свойственны многим горным системам умеренного пояса; также выделяют горно-долинные, склоновые, ледниковые ветра, бриз и др.
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 103 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |