Наша жизнь - уникальное явление не только в пределах Галактики, но, возможно, и во Вселенной. Эта точка зрения находит все больше сторонников: установлено, что для возникновения и развития жизни на Земле требовалось одновременное и потому чрезвычайно редкое сочетание нескольких независимых событий в ее геологической и астрономической истории, а также в эволюции Солнца и живого вещества планеты. Так что мы с вами - великая случайность природы. Столь же уникально и наше воздушное окружение. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на таблицу:
Характеристики планет земной группы
Несмотря на сходство астрономических характеристик ближайших к Земле планет (планет земной группы) химический состав их атмосфер и физические условия на поверхности существенно различаются. В атмосфере Венеры и Марса преобладает углекислый газ (С02), помимо этого в ее состав входит небольшое количество азота (N2). На Земле, наоборот, углекислого газа мало и основным газом является азот. Кроме того, в атмосфере нашей планеты относительно много водяного пара (Н20), но главное - 21% ее объема составляет кислород (02), которого на других планетах земной группы практически нет. Нет его и в атмосферах планет-гигантов - Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, где господствуют водород и гелий.
Чтобы понять причины таких различий, необходимо вспомнить историю Солнечной системы. По современным представлениям, она сформировалась из однородного газово-пылевого облака. Под действием сил гравитации облако разбилось на отдельные сгустки, которые сжимаясь превратились в известные нам планеты и их спутники. Однако на этот процесс пошло не более 10% массы газово-пылевого облака, остальное вещество сформировало Солнце.
В процессе образования планет тяжелые химические элементы стремились к центру сжатия, а легкие оставались на периферии. Таким образом, к тому времени, когда возникли планеты, у каждой из них уже была первичная атмосфера, состоявшая из наиболее легких, летучих газов - водорода и гелия. Но удержать вокруг себя первичные атмосферы смогли лишь планеты-гиганты, обладавшие мощными гравитационными полями, а планеты земной группы утратили водородно-гелиевые оболочки около 5 миллиардов лет назад. Одновременно с этим твердые недра планет разогревались за счет их гравитационного сжатия и медленного распада радиоактивных элементов - урана и тория. Примерно через 1 миллиард лет от момента образования планет земной группы температура в их центрах достигла 1000 - 1500 °С, что, конечно, привело к расплавлению недр. Выделявшиеся газы и пары сформировали вторичные атмосферы планет.
Сейчас мы уже можем ответить на вопрос, какой была вторичная атмосфера Земли. Для этого нужно заглянуть в жерла современных вулканов, через которые, как и миллиарды лет назад, продолжается выделение газов - дегазация земных недр.
Продукты дегазации вулкана Килауэа (он находится на острове Гавайи и является одним из самых активных на земном шаре вулканов) состоят из 71% водяного пара, 13% углекислого газа, 5% азота, 9% двуокиси серы, а также некоторых других примесей. Судя по этим данным, которые считаются достаточно показательными не только для Земли, но и для других планет земной группы, вторичные атмосферы Венеры, Земли и Марса должны, были состоять в основном из углекислого газа и водяного пара. На Земле пары воды имели возможность конденсироваться во вторичной атмосфере и выпадать на поверхность в виде дождя, и в результате этого медленно, но необратимо формировался современный Мировой океан. На Венере вследствие ее близкого положения к Солнцу происходил быстрый разогрев атмосферы, при котором вода не могла существовать в жидком состоянии, и если на этой планете и был когда-то первичный океан, то он быстро испарился. На удаленном от Солнца Марсе низкая температура поверхности способствовала частичному оледенению планеты, и там также не мог образоваться океан. Климатологи доказали, что если бы Земля была ближе к Солнцу на расстояние, равное всего 5% современного, она не избежала бы участи Венеры и имела бы тяжелую углекислую атмосферу и очень высокую температуру поверхности. При удалении Земли от Солнца на расстояние, равное 1%, возникли бы условия, близкие к марсианским, за тем лишь исключением, что оледенение Земли было бы полным. Это ли не впечатляющее доказательство уникальности жизни на Земле?!
Очень большую роль в становлении земной атмосферы сыграл Мировой океан. Если химический состав атмосфер Венеры и Марса остался таким же, как и 3 – 3,5 миллиарда лет назад, то на Земле сформировалась совершенно новая, уже третья по счету, кислородно-азотная атмосфера. Как же это произошло? Прежде всего, Мировой океан - прекрасный поглотитель углекислого газа. Мощные геологические пласты известняка и мела, которые находят на суше повсеместно, - это отложения карбонатов на дне древних морей, образовавшиеся вследствие растворения углекислого газа в морской воде и соединения его с кальцием. Если превратить весь углерод, который имеется в известняковых отложениях Земли, в углекислый газ, то его получится ровно столько, сколько в настоящее время содержится в атмосфере Венеры, и это является одним из доказательств идентичности вторичных атмосфер рассматриваемых планет. Океаны Земли «выкачали» почти весь СО2 из атмосферы.
Именно в океане зародилась жизнь. Около 2 миллиардов лет назад в верхних слоях океанской толщи появились простейшие одноклеточные - органеллы, предки нынешних синезеленых водорослей, которые стали снабжать атмосферу кислородом. Так было положено начало самому замечательному на Земле биохимическому процессу - фотосинтезу. Благодаря этому процессу сформировался весь наличный кислород атмосферы, причем особенно интенсивное поступление фотосинтетического кислорода началось около 600 миллионов лет назад, когда на голые палеозойские скалы выбрались из моря первые растения.
Борьбу между углекислым газом и кислородом в атмосфере можно представить во времени с помощью данных, полученных при изучении осадочных горных пород. Если вычислить отношение mх = Мхгеол/ Мхсовр (где Мхгеол - масса газа х по геологическим данным, а Мхсовр - масса того же газа в настоящее время) для О2 и СО2, то изменения их относительного количества в атмосфере Земли за время ее существования будут выглядеть следующим образом:
Сначала количество углекислого газа в атмосфере Земли уменьшалось очень быстро, затем этот процесс стал протекать все медленнее, так как масса поглощаемого океаном СО2 пропорциональна массе СО2, содержащегося в атмосфере.
Кислород в атмосфере Земли появился между 1 миллиардом и 600 миллионами лет назад, и в этот период фотосинтез «набрал темпы», близкие к современным.
Азот - основной газ той смеси, которую мы называем воздухом. По своим химическим свойствам он близок к инертным газам: плохо вступает в реакции и поэтому долго сохраняется в атмосфере. Если кислород и углекислый газ обновляются в атмосфере каждые 5 - 5 лет, то время одного цикла круговорота азота - примерно 2 миллиарда лет. Понятно, что дегазированный из недр Земли азот все время накапливался в атмосфере, поскольку скорость его поглощения океанами, почвой и живыми организмами была очень мала.
Из малых по содержанию газовых компонентов воздуха самый важный и интересный - озон. Этот газ обладает чрезвычайно высокой способностью поглощать ту часть солнечной радиации, которая называется ультрафиолетовой. Если собрать весь озон, содержащийся у поверхности земли, то он покроет планету слоем толщиной всего 0,3 - 0,5 см. Однако этого вполне достаточно, чтобы предохранить все живое на Земле от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения. Сохранение озонного слоя в атмосфере - одна из важнейших задач человечества, вот почему в последнее время заговорили о разрушительном воздействии на озон реактивных двигателей, ядерных взрывов, холодильных установок и ...баллончиков с аэрозолями. Последние, безобидные, на первый взгляд, спутники цивилизации выбрасывают в атмосферу фреоны - содержащие фтор и хлор вещества, используемые для мелкого распыления многих жидкостей. Хотя пагубное влияние фреонов на озоносферу доказано уже несколько лет назад, производство аэрозольных баллончиков в 1988 г. составляло 8,6 миллиарда штук. Производство и использование фреонов нужно строго контролировать, лучший же выход из создавшейся ситуации - применение их заменителей. Летом 1989 г. в газетах сообщалось, что Джон Лесли из Хобарта (остров Тасмания) предложил заменить фреоны в аэрозольных баллончиках на обыкновенный азот. По мнению специалистов, с помощью азота можно успешно распылять до 65% всех жидкостей, которые обычно содержатся в аэрозольных упаковках.
Итак, в результате длительной эволюции Земли вокруг нее образовалась уникальная кислородно-азотная оболочка, простирающаяся до высоты... Хотелось бы назвать здесь определенное число, чтобы читатель мог представить пространственные масштабы атмосферы, но это невозможно - атмосфера не имеет четко выраженной верхней границы. Воздух хорошо сжимается, и поэтому его плотность сильно зависит от давления. С высотой давление в атмосфере падает, плотность воздуха также постепенно уменьшается и наконец где-то на высоте 2000 - 2500 км от поверхности земли становится равной плотности межпланетного газа (1 молекула в 1 см3). Атмосфера незаметно переходит в космос. Но мы тем не менее условимся считать. что уровень верхней границы атмосферы, вернее, того ее слоя, который интересен нам с точки зрения прогнозов погоды, находится на высоте 80 - 100 км. Здесь движение воздуха, а следовательно, и формирование погоды подчиняются законам термодинамики и гидродинамики. Выше 80 - 100 км однородность химического состава атмосферы нарушается: солнечное излучение разбивает значительную часть молекул на электрически заряженные частицы - ионы и электроны, движение которых в весьма значительной степени зависит от магнитных полей. Здесь, в ионосфере, заканчивается область применения закономерностей синоптической метеорологии и начинают действовать законы аэрономии - науки о физике верхней разреженной атмосферы.
ПРЕВРАЩЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА
Солнце - практически единственный источник тепла и всех известных форм движения материи на Земле. Внутренние области нашего светила недоступны наблюдениям, однако современные теоретические модели Солнца представляют его в виде гигантского термоядерного котла. В центре этого котла давление достигает 10 млрд. атм., а температура - 14 млн. °С. При таких физических условиях солнечное вещество является плазмой, то есть состоит из протонов (ядер водорода), электронов и небольшого числа ядер гелия (четырех объединенных протонов). Основная химическая реакция, протекающая в недрах Солнца, - это переработка водорода в гелий путем ядерного синтеза, в процессе которого часть энергии атомных ядер освобождается и рассеивается в космическом пространстве в виде электромагнитного излучения.
Солнечный «реактор» отличается большой стабильностью: за 100 лет наблюдений не было замечено никаких серьезных изменений общего потока солнечного излучения. Судя по результатам теоретического моделирования Солнца, скорость протекания ядерных реакций в его недрах очень устойчива, любые ее изменения быстро компенсируются за счет соответствующих изменений температуры и давления.
Благодаря стабильности потока солнечного излучения была установлена фундаментальная метеорологическая величина - солнечная постоянная (то есть количество энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы при среднем расстоянии Земли от Солнца). По последним данным, она составляет 1,36 кВт/м2. Много это или мало? Судите сами: примерно такое же количество энергии исходит от 50 лампочек по 60 Вт при освещении площадки в 1 м2. Во всяком случае, энергии Солнца вполне достаточно и для поддержания жизни, и для непрерывной работы разнообразных природных механизмов Земли.
Излучение Солнца слагается из потоков энергии, которые несут с собой электромагнитные волны различной длины. Солнечный спектр начинается со сверхкоротких рентгеновских лучей с длиной волны около одной миллиардной доли метра и заканчивается радиоволнами длиной несколько десятков метров. Нас интересует более узкий диапазон спектра, в котором сосредоточена основная часть энергии излучения Солнца, простирающийся от 0,2 до 2,4 мкм (мкм - единица длины, равная 10-6 м). В данном диапазоне выделяется прежде всего видимая нами область солнечного спектра с длинами волн X от 0,4 до 0,7 мкм, заключенная между фиолетовыми и красными лучами.
1 - на верхней границе атмосферы,
2 - на уровне моря.
Слева от этого диапазона находится небольшой участок жесткой ультрафиолетовой радиации с длинами волн 0,18 - 0,4 мкм, а справа - довольно значительная область инфракрасного излучения с длинами волн 0,73 - 2,4 мкм. Оба вида излучения неразличимы глазом, но вполне ощутимы: ультрафиолетовые лучи биологически активны (им мы обязаны загару), инфракрасные лучи переносят тепло. Максимальная мощность солнечного излучения приходится на видимый, или оптический, диапазон спектра, на голубые и зеленые лучи, но в этом диапазоне заключено всего 40% суммарной энергии излучения. Больше всего энергии, 50%, содержит инфракрасный диапазон, на ультрафиолетовую радиацию приходится 10%.
От того, как распределяется солнечное тепло в атмосфере, полностью зависят и климат, и атмосферные движения, и погода. Проследим путь солнечного луча от верхней границы атмосферы до поверхности земли.
Самая жесткая часть излучения - рентген - теряется еще в ионосфере. До высоты 100 км свободно доходят все лучи солнечного спектра, начиная с тех, длина волны которых составляет 0,15 мкм. В слое 30 - 70 км полностью поглощается ультрафиолетовая радиация в диапазоне 0,15 - 5,29 мкм. Не будь этого, все живые организмы на Земле погибли бы в результате разрушения клеток жестким ультрафиолетовым излучением. Однако именно благодаря ультрафиолетовому излучению сильно нагревается верхняя атмосфера, создаются ее тепловые запасы и формируется своеобразная циркуляция воздуха.
Поглощаются ультрафиолетовые лучи не кислородом и даже не азотом, который имеется в атмосфере в изобилии, а озоном. Следы озона можно уловить уже на высоте 80 км, и по мере снижения высоты его становится все больше. Максимум содержания озона в атмосфере приходится на слой, находящийся между 20 и 25 км, а ниже этого слоя содержание озона вновь уменьшается. Однако наибольшее поглощение солнечной радиации озоном наблюдается не на высоте 20- 25 км, как следовало бы ожидать, а значительно выше - на уровне 55 км, где содержание озона примерно в 100 раз меньше. Этот факт свидетельствует о чрезвычайно активном поглощении озоном радиации в диапазоне 0,15 - 1,29 мкм. Она практически вся поглощается в слое 40 - 80 км, где озона относительно мало. На высоте 55 км озон может нагревать атмосферу на 10 - 12 °С в сутки. Именно на этой высоте отмечается первый на пути солнечных лучей к нашей планете максимум температуры в атмосфере: здесь так же тепло, как у поверхности земли в зимнюю оттепель .
Сильное снижение интенсивности видимой части солнечного излучения при прохождении через атмосферу связано не с поглощением его какими-либо газами, а с рассеянием. Встречаясь с молекулами воздуха или частицами атмосферной пыли - эрозолями, солнечный свет как бы разлетается в разные стороны, причем молекулы воздуха наиболее интенсивно рассеивают голубые лучи, а аэрозоль (довольно равномерно) - все лучи видимого спектра. Цвет неба обусловлен рассеянием радиации, поэтому в прозрачном воздухе небо насыщенно-голубое, а в запыленном - белесоватое.
В инфракрасном диапазоне солнечного излучения вновь начинает работать механизм поглощения солнечной радиации, но уже другими составляющими воздуха, главная из которых - водяной пар. Поглощение радиации водяным паром носит избирательный характер: инфракрасная радиация поглощается лишь в отдельных спектральных полосах.
Какая же часть радиации достигает в итоге поверхности земли? Если принять всю солнечную радиацию на верхней границе атмосферы за 100%, то оказывается, что 7% общего количества радиации рассеивают молекулы воздуха и аэрозоли, около 3% поглощает озон и примерно 10% - водяной пар. Следовательно, поверхности земли достигает 80% всего направленного к нашей планете солнечного излучения. При наличии облачности весьма значительная часть радиации (в среднем около 45%) отражается обратно в космос и поглощается облаками (10%), в рассматриваемом случае поверхности земли достигает лишь 25% солнечного излучения.
Земная поверхность также является важным аккумулятором тепла в системе Земля - атмосфера. Количество поглощаемой солнечной энергии во многом зависит от природных свойств поверхности. Например, свежевыпавший снег отражает до 90% падающей на него радиации, песок - 35%, а лес и трава - только 10 - 25%. Наиболее сильно поглощается солнечная радиация водой: штилевое море отражает всего 2% радиации.
Водные пространства Земли обладают замечательным свойством. Хотя солнечная радиация поглощается практически целиком в слое воды толщиной 10 - 15 м, солнечное тепло переносится и дальше, распространяясь вглубь на десятки метров вследствие ее вертикального перемешивания. Перемешивание воды осуществляется ветровыми волнами, конвекцией, вертикальной составляющей течений. Добавим, что теплоемкость воды, то есть ее способность поглощать тепло, в несколько раз больше теплоемкости любого другого природного материала. Благодаря этим свойствам природных вод самым мощным накопителем солнечного тепла является Мировой океан. Суша в этом отношении сильно проигрывает. Например, в почву тепло проникает до глубины 5 - 6 м, причем ее теплоемкость в пять раз меньше, чем теплоемкость морской воды.
Колоссальное количество солнечного тепла, запасаемое верхним слоем Земли, расходуется на поддержание высокой температуры ее поверхности. Здесь, в зоне контакта Земли и воздуха, отмечается второй максимум температуры атмосферы, которая в среднем за год по всему земному шару равна 15° С.
Итак, в атмосфере есть два уровня, на которых происходит наиболее интенсивное нагревание воздуха - 55 и 0 км. Теперь нетрудно объяснить, как формируется в атмосфере распределение температуры воздуха с высотой (см. рис. выше): если на указанных уровнях температура максимальна, то по мере удаления от - них она монотонно понижается (как вверх, так и вниз). Самая низкая температура обычно отмечается в слоях атмосферы 10 - 12 км (в тропиках - 17 - 18 км) и 80 - 90 км. В соответствии с характером температурного профиля в атмосфере выделяют слои (сферы) и тонкие переходные зоны между ними (паузы).
Выше 100 км обычными методами температуру измерить нельзя, так как слишком мала плотность воздуха, поэтому ее вычисляют по скорости движения молекул - определенная таким способом температура называется кинетической. Кинетическая температура воздуха с высотой непрерывно растет, поскольку плотность атмосферных газов становится все меньше, а скорость молекул за счет этого - все больше.
Для анализа процессов формирования погоды и климата очень важно, прежде всего, разобраться в том, как поверхность земли «обогревает» атмосферу. Обогрев атмосферы земной поверхностью осуществляется тремя различными способами, в зависимости от вида теплообмена. Первый вид теплообмена QP определяется разностью температур земной поверхности и воздуха: атмосфера нагревается от Земли, как от батареи парового отопления, и полученное ею тепло переносится выше мелкими вихревыми движениями воздуха - турбулентностью.
Второй вид теплообмена QE связан с испарением влаги с поверхности земли. Данный процесс требует очень больших затрат тепла. Попробуйте вскипятить и полностью испарить чайник воды на электроплите. Это удовольствие будет стоить не менее 15% обычной месячной платы за расход электричества в двухкомнатной квартире. Немало, правда? Так вот, все тепло земной поверхности, которое тратится ею на испарение, вместе с водяным паром уносится в атмосферу, где при конденсации пара в капли воды, образующие облака, непосредственно отдается воздуху. Это очень мощный вид теплообмена, и именно таким образом «обогревает» атмосферу океан. Подсчитано, что поток тепла QE в среднем за год по Мировому океану превышает поток тепла QP в четыре раза.
Наконец, поверхность земли, как и поверхность всякого другого тела, температура которого выше абсолютного нуля ( - 273,2 °С), излучает тепловую инфракрасную радиацию в диапазоне электромагнитных волн от 4 до 40 мкм. Механизм взаимодействия инфракрасной радиации с атмосферой довольно сложен. Часть энергии инфракрасной радиации QR в интервале 8 - 14 мкм (кстати, именно это излучение используется в целях определения температуры поверхности земли со спутников) свободно проходит в космос, другая же ее часть полностью поглощается водяным паром и углекислым газом. Атмосфера тоже испускает инфракрасные лучи, теряя при этом определенное количество тепла qR. Разность QR - qRназывается длинноволновым балансом атмосферы, в среднем за год эта величина в любом уголке земного шара отрицательна.
Очень важное для метеорологии уравнение теплового баланса атмосферы можно представить в виде
(QR-qR)+QE + QP = 0.
Однако фактические данные показывают, что в таком виде тепловой баланс атмосферы нигде не соблюдается, то есть приходные статьи приведенной формулы, QR, QE, QP, как правило, не уравновешивают расходную статью qR. В тропических и субтропических районах баланс нарушен в положительную сторону, и в этих районах атмосфера накапливает тепло. В умеренном поясе и за полярным кругом, напротив, происходит охлаждение атмосферы: радиационная отдача тепла qR здесь больше, чем сумма всех приходных статей уравнения теплового баланса.
Из всего сказанного следует, что в тропиках температура атмосферы должна непрерывно повышаться, а в приполярных районах - все время падать. На самом деле разность температур экватор - полюс из года в год остается примерно одинаковой. Значит, в уравнении теплового баланса не хватает еще одного члена, который бы выравнивал нарастающие контрасты содержания тепла в атмосфере тропиков и полярных районов. Таким членом может быть только адвекция тепла qa, то есть перенос его с воздушными течениями из тропических районов в полярные. Тогда уравнение теплового баланса будет выглядеть так:
(QR-qR)+QE + QP = qa
и соблюдаться для любого уголка земного шара. Правда, рассчитать адвективный поток тепла qa очень непросто: во-первых, он сильно изменяется во времени, а также в зависимости от широты, долготы и высоты; во-вторых, адвективный перенос тепла из низких широт в высокие осуществляется не только в атмосфере, но и в океане, причем, по самым последним оценкам, роль океана и атмосферы равноценна.
Но если пока не принимать во внимание эти частности, то в результате анализа уравнения теплового баланса можно сделать важный вывод: на Земле, освещаемой Солнцем, неизбежно должна возникать глобальная циркуляция атмосферы. Посмотрим теперь, как она формируется.