Текст
                    от
Вода и воздух


«Мир книги» «Современная педагогика» большая энциклопедия ДЖ книги
Большая энциклопедия ПРИРОДЫ • ч
Большая энциклопедия природы Вода и воздух «Современная педагогика» Ж нниги Москва • 2003
УДК 087.5 ББК 26я2 В62 Использование текста и иллюстраций, в том числе и фрагментов, без разрешения правообладателя запрещается и преследуется по закону. «Большая энциклопедия природы» — это яркие, красочные книги, посвященные удивительному миру животных, растений, камней, минералов, гор и водоемов, — словом, всему тому, что окружает человека на Земле, но зачастую незнакомо городским жителям. В62 Вода и воздух. М.: ООО «Мир книги», 2003, — 192 с. ISBN 5-8405-0197-2 Энциклопедия рассказывает об удивительных свойствах воды и воздуха, которым все живое на Земле обязано своим существованием. Вы узнаете, как под воздействием воды изменялась и продолжает изменяться форма поверхности нашей планеты, какие процессы регулирует круговорот воды в природе, какие важнейшие функции выполняет воздушная оболочка Земли — атмосфера. Но это лишь неполный перечень тем, содержащихся в книге. УДК 087.5 ББК 26я2 ISBN 5-8405-0197-2 © Коллектив авторов, 2001 © ООО «Мир книги», 2002 © «Современная педагогика», 2001 © ООО «Мир книги», серийное оформление, 2002
Вода и воздух на планете Много чудес создала волшебница-при- рода. И, пожалуй, самое удивительное из них — вода. Ежедневно сотни мил- лионов людей встречаются с этим про- стейшим по химическому составу ве- ществом, совсем не задумываясь о его поразительных свойствах. Вода — и это знает каждый — необходима для существования животных и растений, для нашей собственной жизни. Из- вестно, что органическая жизнь на на- шей планете зародилась в воде и раз- вивается благодаря ей, точнее — бла- годаря содержащимся в водных растворах питательным элементам. Но многие ли представляют себе, что и образование этих особых элементов, и перенос их к поверхности Земли, и на- копление в нужных количествах про- исходят с участием (и в большинстве случаев очень активным) водных ре- сурсов? Эта особенность воды объяс- няется тем, что у большинства попа- дающих в раствор веществ разруша- ются внутримолекулярные связи, вещества как бы распадаются на от- дельные ионы, так что раздробленным молекулам со свободными химически- ми связями становится легче вступать в разнообразные реакции. Именно этим объясняется высокая химическая активность воды. Вода не только способствовала зарож- дению органической жизни на Земле. Она активно воздействовала на формы поверхности нашей планеты: быстро текущие потоки промывали рытвины и целые ущелья как в мягких, так и в твердых породах; в обширных отно- сительно спокойных водоемах отлага- лись песчинки и глинистые частицы. За многие миллионы лет подобные слои осадков могли достигнуть 1000-метро- вой толщины. Процессы изменения земной поверхности с участием воды происходят и сейчас: морской прибой, например, разрушает побережья; бур- ные горные реки обрушивают крутые берега; атмосферные осадки, воздей- ствуя сотни и тысячи лет, постепенно разрушают самые стойкие скальные породы; на отмелых участках рек и озер под влиянием течений появля- ются песчаные косы и намывные ост- рова. Человек вынужден всегда при- нимать в расчет эту деятельность природных вод. Вода способна растворять великое множество веществ самого различного состава. А поэтому природные воды никогда не сводятся к простейшей хи- мической формуле; в них всегда при- сутствуют те или иные примеси и со- единения, в том числе практически все необходимые для питания живых ор- ганизмов вещества. Любое животное состоит в значительной степени из во- ды: она составляет не менее девяти десятых общей массы их тела. Эту жизненную необходимость бес- ценной влаги люди унаследовали от своих «неразумных» хвостатых пра- щуров. Впоследствии древний чело- век, живший по большей части в жар- кой климатической зоне, сделал воду предметом религиозного поклонения. Сколько источников, речек, озер стали считаться в народе святыми! Вспом- ним хотя бы «славное море священный Байкал» или индийскую Гангу (Ганг),
6 Вода и воздух на планете до сих пор почитаемую священной ре- кой. Немало божеств — от древнееги- петской богини Тефнут и таинствен- ного бога Эа, наделенного рыбьим хвостом, — люди посвящали воде. Для эллинских философов-материалистов вода была одной из четырех-пяти сти- хий, которые составляли всю живую и неживую природу. Современная наука также признает великую роль воды на Земле. Одна из концентрических оболочек нашей пла- неты так и называется гидросферой, или водной оболочкой. Опять-таки ус- ловно эту оболочку подразделяют на Мировой океан (океаносферу) и воды суши. Океан представляет собой ги- гантский резервуар влаги, заполняю- щий систему крупных понижений земной поверхности. Необходимо под- черкнуть, что воды Мирового океана образуют единое целое, т. е. все его части взаимосвязаны между собой. В Мировом океане происходит вырав- нивание физических и химических характеристик в планетарном масш- табе. Различия этих характеристик в отдельных морях по окраинам вели- кого земного водоема относительно невелики и носят второстепенный ха- рактер. Иная картина получается, если мы займемся водами суши. Эта составная часть гидросферы разделена на мно- жество отдельных бассейнов, либо связанных с океаном, либо нет (бес- сточных). В каждом отдельно взятом бассейне качество воды может суще- ственно отличаться от других, даже непосредственно соседствующих бас- сейнов. Особенно разнообразны отли- чия в бассейнах, не имеющих связи с океаном, именно поэтому раститель- ный и животный мир рек и озер более разнообразен, чем органический мир океана. К водам суши относятся и подземные воды, почти столь же разнообразные, как и поверхностные. Однако, если большинство поверхностных вод суши пресные, т. е. содержат ничтожно мало растворимых минеральных солей, то в подземном мире наблюдается обратная картина: большинство подземных вод является минерализованными, причем иногда настолько сильно, что могут при определенных условиях образовывать рудные месторождения. Скопления ценных минералов подобного типа так и называется гидротермальными, т. е. созданными деятельностью текучих вод с высокой температурой. Существенно то обстоятельство, что между океаносферой и водами суши имеется постоянная взаимосвязь: ре- ки, впадающие в моря, сбрасывают в океан континентальные воды, неболь- шая часть которых может непосред- ственно вернуться на сушу через под- земные трещины в прибрежной зоне, однако основная масса речного стока возвращается на континент иным пу- тем: после испарения с поверхности океана влага попадает в атмосферу, где собирается в облака; ветер гонит эти облака в сторону суши, где они, проливаясь дождями, снова попадают в ручьи и реки. Таким путем совер- шается вечный круговорот воды в природной сфере. Итак, вода в при- роде встречается в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газо- образном. Наиболее привычно нам ее жидкое состояние. Но на поверхности Земли вода находится и в твердом со- стоянии — в виде льдов и многолет- них снегов. Ледники и вечные снега занимают около десятой части общей поверхности суши. Материковый лед- никовый покров не остается неизмен- ным во времени. Площадь, занятая ледниками, может то увеличиваться,
Большая энциклопедия природы 7 то уменьшаться. Эти изменения опре- деляются колебаниями климата: в бо- лее холодные периоды, когда матери- ковые льды «расползаются» по по- верхности планеты, наступают, как говорят ученые, ледниковые эпохи. В противоположном случае на Земле происходит потепление. Именно в та- кую эпоху потепления и живем сейчас мы с вами. Общее оледенение поверхности плане- ты влияет на уровень Мирового оке- ана. Таяние многолетних льдов при- водит к повышению его уровня и к наступлению моря на низменные уча- стки суши, а следовательно, непосред- ственно воздействует на живые орга- низмы, которые здесь обитают, а так- же и на человеческое общество. Существенной частью общего круго- ворота воды в природе является ис- парение. Выше уже было сказано об испарении с поверхности океана, но подобный процесс (хотя и в меньшем объеме) происходит и над континен- тами. Под действием солнечного теп- ла частицы воды переходят в газооб- разное состояние и поднимаются в атмосферу, самую внешнюю, воздуш- ную оболочку Земли. Водяной пар со- ставляет количественно незначитель- ную часть атмосферы (около 4%), но эта атмосферная влага (большая ее часть пребывает даже в виде ле- дяных кристалликов) имеет очень большое значение. Именно из нее образуются облака, проливающиеся благотворными дождями, так необхо- димыми для всего живого на нашей планете. Но основная часть атмосферы состоит из химически чистых газов. Некото- рые из них нейтральны для живых су- ществ (азот, инертные газы), другие влияют на организмы — либо положи- тельно (кислород), либо отрицательно (окиси углерода). Надо отметить, что само существование кислорода обус- ловлено процессом фотосинтеза, про- исходящим в зеленых растениях. Та- ким образом, газ, необходимый для дыхания животных, в значительной степени сам является продуктом жиз- недеятельности организмов низшего трофического уровня. Количество кис- лорода на Земле в течение миллиар- дов лет ее истории не оставалось не- изменным. Оно постоянно увеличива- лось, значительно — в последние 300—400 млн. лет, когда существенно возросла глобальная масса зеленых растений, что повлияло на интенсифи- кацию процессов фотосинтеза, в ре- зультате которых зеленые растения разлагают (под воздействием солнеч- ного света) углекислый газ, высвобож- дая кислород. Земная атмосфера несет еще одну важную функцию: она защищает по- верхность планеты от жесткого кос- мического излучения. Без такого щи- та органическая жизнь была бы во- обще невозможна. Именно поэтому ученые с такой тревогой относятся к процессам локального разрушения атмосферы (это прежде всего озоно- вые дыры, возникающие, как полага- ют, из-за промышленной деятельнос- ти людей). За последние десятилетия гидросфе- ра и атмосфера стали важными ин- дикаторами отношения человека к географической среде. Загрязненные промышленными отходами воздух и вода становятся нередко губительны- ми для жизни. И природа как бы по- дает человеку сигнал опасности. И мы должны отреагировать на него, чтобы наши дети и внуки смогли наслаж- даться чистой едой, вдыхать свежий воздух, любоваться закатами и рас- светами.
История и эволюция гидросферы Изучение происхождения и эволюции гидросферы исключительно важно для теории и практики, так как жизнь появилась вместе с гидросферой и тесно связана с ней. 1 Гипотеза «горячего» происхожде- ния Земли и гидросферы господствова- ла до середины XX в. Она основыва- лась на теории астронома П. Лап- Но постепенно накапливались факты, которые противоречили гипотезе «го- рячего» формирования Земли и гид- росферы. ласа (1749—1827), считавшего, что все планеты Солнечной сис- темы возникли из солнечного вещества, вырванного силой притяжения пролетавшей неда- леко от Солнца звезды. Из сгу- стков солнечного вещества сформировались планеты, кото- ''гу Ученые установили, что горячая плотная атмосфера при наличии твер- дой земной коры — образование очень устойчивое, о чем свидетельствует планета Венера, температура атмо- сферы которой составляет примерно 400° С. К тому же в самых древних из рые затем долго остыва- ли. Земля охлаждалась до тех пор, пока на ее поверхности не образо- валась кора, а лишь по- том из остывшей атмос- феры полились дожди. Вода скапливалась в по- нижениях, образуя раз- нообразные водоемы. Таким образом, возраст гидросферы значитель- Первоначально жизнь су- ществовала только в океане. Ее следы находят во многих уголках нашей планеты обнаруженных на Земле горных пород, возраст которых около 3,8 млрд, лет, были найдены отпе- чатки одноклеточных ор- ганизмов, которые могли существовать только при наличии жидкой воды. Все это подтверждало теорию «холодного» об- разования планет из пы- левого облака, вращав- но уступал возрасту Земли, а образова- ние гидросферы представлялось срав- нительно коротким явлением в жизни планеты. шегося вокруг Солнца. В этом облаке возникали сгустки, ставшие зароды- шами будущих планет. Мелкие сгуст- ки захватывались более крупными,
Большая энциклопедия природы 9 которые росли и вбирали в себя ос- новную массу пылевого облака, обра- зуя планеты. По расчетам одного из создателей этой теории В.С. Саф- ронова, процесс формирования планет начался 4,65 млрд, лет назад. Современного размера , планеты, в том числе Земля, достигли через 100 млн. лет. Тогда на молодой Земле гос- подствовали суровые и холод- ные пустыни, над которыми простиралось черное небо. На поверх- ность падали небесные тела, но грохо- та взрывов они не вызывали, так как атмосфера еще не существовала или была очень тонкой. От ударов небес- ных тел в толще планеты накаплива- лось тепло, а поверхность без защитной атмосферной обо- лочки охлаждалась. При ударе небесных тел о Землю образо- вывался толстый слой рего- лита — смеси обломков и пыли. Из него-то и состояла поверхность нашей планеты. Среди небесных тел были и кометы — ледяные космические обра- зования. Удары небесных тел о Землю «разогревали» ее изнутри. В резуль- ранцузский философ, математик, физик, филолог Рене Декарт (1596—1650) пи- сал, что Земля состоит из огненного ядра, которое окружено слоем обломков из камня, глины, песка и грязи с пустотами между ними, заполненными пресной и соленой водой. Этот слой в некоторых местах обрушился, и там образовались оке- аны и озера. идросфера (в пер. с греч. «гидро» — «вода» и «сфера» — «шар») — это сово- купность всех водных объектов на Земле: океанов, морей, озер, рек, болот, под- земных вод, льдов, ледников и снежного покрова. Другой подобной планеты с гид- росферой, состоящей преимущественно из жидкой воды, пока не обнаружено. № «*?**!*»*
10 История и эволюция гидросферы тате более, тяжелые вещества устре- мились к ее центру, а легкие и летучие поднялись к поверхности. Этот про- цесс и дал основное тепло для разог- рева недр планеты. Дополнительное тепло возникло благодаря радиоак- тивному распаду. Оно плавило поро- ды в глубине планеты. В результате через жерла вулканов и гигантские трещины, образовавшиеся на Земле, на поверхность стала изливаться рас- плавленная горная порода — магма, а вместе с ней — газы, горячая вода, водя- ные пары, которые быстро конденсиро- вались. Этот процесс назван дегазацией. Она началась 4 млрд. лет назад, о чем сви- детельствуют самые древние горные породы, найденные на Земле. Атмос- фера и гидросфера обязаны своим об- разованием дегазации, которая про- должается и сейчас на нашей плане- те. С момента излияния магмы и дегазации отсчитывается геологиче- ская история Земли. Этот период счи- тается началом формирования гидро- сферы. Недавнее открытие в пылевых косми- ческих облаках воды в молекулярном виде, а также частичек льда означает их присутствие в первоначальном ве- ществе Земли, масса которой пополня- лась за счет падения комет. Не исклю- чено, что при ударах небесных тел ле- дяные частички расплавлялись и вода вытеснялась на поверхность планеты еще в догеологический период. При этом она заполняла поры реголита, по- крывавшего поверхность Земли. Таким образом, формирование гидросферы могло начаться еще в догеологический период жизни нашей планеты. (f* Эволюция гидросферы — это прежде всего история изменения в ней массы воды, которая тесно связана с эволюцией самой Земли. Сначала скорость дегазации нарас- тала, и поэтому быстро увеличи- валась масса воды в океане. С мо- мента формирования гидросферы скорость поступления воды из недр Земли увеличивалась от 0 до 1,3 км3 в год. Затем скорость притока воды стала медленно и плавно падать и сейчас составляет 0,25 км3 в год. На ранних этапах формирования гид- росферы единого водного про- странства не существовало. Водой были залиты только отдельные пониженные участки суши. Позднее, по мере притока воды, образова- лась единая водная поверхность планеты. В процессе эволюции гид- росфера Земли непрерывно изме- нялась, о чем свидетельствуют со- отношение площади суши и океана, глубина океанов и уровень моря и т. д. Естествоиспытатели Ж. Кювье (1769— 1832) и Ч. Лайель (1797—1875) при- шли к выводу, что гидросфера об- разовалась после остывания по- верхности планеты и раскаленной атмосферы, в которой вода находи- лась в виде пара. Вода обрушилась на планету и затопила понижения, образовавшиеся в результате дви- жений земной коры. А. Гомбольдт (1769—1859) развил эту идею, вы- сказав предположение о том, что вулканы выбрасывали пар, а зем- ная кора — это система кратеров, в которых располагаются океаны, моря, озера и другие водоемы. По- добные идеи ранее высказывал М.В. Ломоносов (1711—1765).
Круговорот воды на Земле Круговорот воды на Земле, или глобальный гидрологический цикл, — это не- прерывный процесс циркуляции воды на планете, обмен водой между всеми составляющими гидросферы. В нем участвуют поверхность земного шара, недра, толща воды и атмосферы. Главный энергетический двига- тель круговорота воды — Солнце. Солнечные лучи нагревают воду, и она интенсивно испа- ряется. Молекулы [ воды оказываются в I атмосфере, причем no- fl ловина их сосредоточена в М нижнем полуторакило- |М метровом слое воздуха. С высотой температура В- . воздуха постепенно пада- «dj;: ет, поэтому пары во- ды на определенной ** высоте насыщаются и конденсируются в капельки воды или кристаллы снега, ’ формируя облака. Облака проливаются дождем или выпадают в виде снега. Этот процесс идет непрерывно. Испа- рившаяся вода находится в атмосфе- ре всего 8—9 дней, затем снова воз- вращается в океан, озера, болота, ре- ки или недра Земли. Круговорот воды на Земле возник при образовании гидросферы. Океан стал основным поглотителем солнечного тепла и поставщиком водяного пара. Часть пара воздушными течениями пе- реносится на сушу и после конденсации выпадает в виде дождей и снегопадов. Потоки дождевой и талой воды стекают к руслам рек, а затем по рекам к океану. На этом цикл водообмена между сушей и океаном заканчивается, но сам про- цесс бесконечен. Глобальный кругово- рот воды разделяется на океанический и конти- j нентальный. f Океанический кру- v * говорот воды — это не- прерывный процесс испа- рения, перенос влаги воз- душными течениями над океаном и выпадение ее в виде осадков на поверх- ность океана. За время существования планеты круговорот меняется в зависимости от площади океана и объема гидросферы. Сейчас ежегодно в океаническом круговороте участвует 458 тыс. км3 воды. Это почти шесть таких водоемов, как Каспийское море. Но испаряется с поверхности океана каждый год 505 тыс. км3. Раз- ница в 47 тыс. км3 уходит на конти- ненты, выпадая в виде дождя и снега на суше. Но благодаря этой небольшой части океанического круговорота воды Наука о воде — древнейшая из наук. Она возникла вместе с искусствен- ным орошением. Американский гид- ролог Р. Нейс считает, что гидрология существует 5 тыс. лет. Г-*- -•
12 Круговорот воды на Земле Площадь листьев, иголочек и травинок намного больше площади Мирового океана на суше возник континентальный кру- говорот, положивший начало жизни на Земле, а затем и появлению человека. мов, образование облаков, выпадение осадков, а также поверхностный и под- земный сток воды. Не вся вода, прине- сенная с океана на сушу, выпадает в виде осадков — от 20 до 75% ее про- ходит над материками транзитом и снова уносится в океаны. Чем крупнее материк и выше на нем горы, тем больше он перехватывает океанической влаги. Поэтому макси- мальный перехват наблюдается в Ев- Континентальный круговорот во- ды — это непрерывный процесс испа- рения с поверхности суши и ее водое- Облачные системы — источники пресной воды. Они тоже участвуют в круговороте воды
Большая энциклопедия природы разии, а минимальный — в Австралии. В континентальном круговороте ежегод- но участвует 119 тыс. км3 воды. Из этой массы 47 тыс. км3 составляет влага, приносимая с океана, которая в процессе многократного выпадения в виде осадков и испарения на суше в сумме образует 119 тыс. км3 осадков. В процессе кру- говорота на суше ежегодно испаряется 72 тыс. км3 воды. Осадки на суше выпадают неравно- мерно. Наибольшее количество осад- ков в виде дождей отмечается в тро- пиках, в среднем за год это составляет слой воды толщиной 1 м. На плато Шиллонг в Индии за год выпадает 12 м осадков, а на горе Маези (Гавайские острова) — 14 м. В 1861 г. на Черра- пунджи (Индия) — 23 м осадков (се- миэтажный дом!). В самом засушливом месте на Земле, в Арике (Чили), в сред- нем на год приходится всего 0,8 мм осадков. Континентальный круговорот воды, как и океанический, за время своего существования варьировался в зави- симости от изменения площади по- верхности океана и объема гидросфе- ры. Но в его геологическом прошлом (не столь отдаленном) произошли пе- ремены, которые резко усилили этот круговорот. ( у Из 4 млрд, лет геологической ис- тории Земли суша была безжизненной 3,4 млрд, лет, так как жизнь сущест- вовала только в океане. На сушу жизнь вышла около 600 млн. лет назад. Суша того далекого времени — это оголенное пространство с чередовани- ем непроницаемых для воды поверх- ностей, скорее похожих на асфальти- рованные площади городов или высох- шие глинистые участки, и территорий, проницаемых для влаги, типа песча- ных пляжей, каменных осыпей или растрескавшихся твердых пород. После дождя или таяния снега вода по водонепроницаемым поверхностям быстро стекала в реки или уходила в поры и трещины. Испарение на без- жизненной суше было невелико. Жи- вые существа, вышедшие из океана, не могли существовать в таких уело- м • • X Р астения — участники круговорота воды на суше
14 Круговорот воды на Земле виях, поэтому природа «океанизиро- вала» сушу. Микроорганизмы создали на суше почву, которая обладает спо- собностью задерживать воду В этом «почвенном океане» на суше содер- жится 11,5 тыс. км3 воды, что соответ- ствует очень мелкому океану, покры- вающему сушу слоем воды в 10 см. Чтобы почва все время пополнялась влагой, необходимо большое испаре- ние воды на суше. А для этого требу- ется увеличение площади испаряю- щей поверхности. Такую работу вы- полняют растения, листья которых через устьица интенсивно испаряют влагу, поступающую по корням из почвы. Этот вид испарения называется транспирацией. Листовая поверхность растений огромна. Площадь всех листьев в 3—4 раза больше площади всей суши, т. е. по величине она не Леса и болота — основные источники и организаторы круговорота воды на суше ервые представления о кругово- роте воды появились в Китае, затем в Индии, где стали использовать дождемеры — приборы для опреде- ления количества осадков, т. е. там, где установили связь между осад- ками и стоком воды в реках. В Древ- ней Греции, Древнем Египте, на Ближнем Востоке эта связь не осоз- навалась, поскольку дожди, питав- шие, например, Нил, выпадали где-то в его верховьях, а использова- лась вода в засушливых низовьях — в Древнем Египте. На Ближнем Вос- токе дожди и талые воды Тигра и Евфрата также формировались да- леко в горах. В Греции распростра- нен карст, и поэтому Аристотель (384—322 гг. до н. э.) считал, что реки образуются в подземных пустотах. В Европе о круговороте воды узнали только 500 лет назад, и первые сооб- ражения по этому поводу высказал Ле- онардо да Винчи (1452—1519). меньше площади Мирового океана. Та- ким путем биота (совокупность всех организмов) на суше обеспечила более интенсивный круговорот воды. Конт- ролирует континентальный кругово- рот растительность на суше. Геологический круговорот во- ды — непрерывный обмен водой между океаном, сушей и недрами Земли — происходит на суше и в оке- ане в основном в тех зонах, где нахо- дятся границы литосферных плит. Вдоль одних границ плит существуют гигантские трещины, называемые рифтовыми, или зонами спрединга. В этих зонах плиты отодвигаются друг от друга. Так, весь Атлантиче- ский океан пересекает почти посере- дине гигантская рифтовая трещина. Аналогичные трещины есть и на суше. Например, в Восточной Африке на нее указывают озера Ньяса и Танганьика, а в Азии — озеро Байкал. Вдоль дру- гих границ происходит столкновение
Большая энциклопедия природы плит, и одна из них «ныряет» под дру- гую. Эти районы называют зонами поддвига, или субдукции, и находятся они там, где существуют глубоковод- ные океанические желоба. Последние тянутся от Камчатки до Индонезии в Тихом океане. На суше о движении плит свидетель- ствуют высокие горы. Так, полуостров Индостан пододвигается под Гималаи. Вместе с ныряющими литосферными плитами в глубины уходит и вся вода, находящаяся в порах и трещинах гор- ных пород, а также в толще наносов на дне океана. В то же время вдоль риф- товых трещин, пересекающих все оке- аны, бьют источники очень горячих глубинных вод. В холодной придонной воде океана они быстро охлаждаются, а содержащиеся в них вещества выпадают в виде осадка, форми- руя конусы высотой в десятки метров. При наблюдении за этими источниками из глу- боководных аппаратов конусы воспринима- ются как маленькие вулканы с черным или белым «дымом» над ними, поэтому их называют белыми или черными «курильщиками». Вода, выбрасываемая из «курильщиков», возмещает ту, которая уходит в недра Земли. (Глобальный круговорот воды не замкнут, так как через рифтовые тре- щины идет дополнительный приток воды из недр планеты, увеличиваю- щей объем гидросферы ежегодно на 0,25 км3. А часть паров воды, попадая в верхние слои атмосферы под дейст- вием солнечного излучения, разлага- ется на водород и кислород и уходит в космос. За счет круговорота идет непрерыв- ный водообмен в реках, озерах, мо- рях, т. е. непрерывное обновление во- ды. Так, в Мировом океане вода пол- ностью сменяется за счет испарения за 2400 лет, а речной сток требует 31 тыс. лет. В полярных ледниках, ко- торые питаются атмосферной влагой, а сами, подобно рекам, стекают в океан, выбрасывая в него айсберги, смена льда происходит примерно за 10 тыс. лет. В подземных же водах это происходит в среднем за 5 тыс. лет, а в реках — всего за 12 дней. Таким образом, круговорот обеспечивает до- ставку воды буквально во все уголки земного шара. В результате вода про- низывает все, поддерживая на Земле жизнь.
16 Круговорот воды на Земле Каждый живой организм можно рассматривать как часть гидросферы, которая бы не соприкасалась с жи- ды. Благодаря воде в организ- мах происходят реакции, необходимые для поддер- жания жизни, и форми- i руется само тело организ- Л ма. Поэтому любой орга- i низм должен пропускать через себя воду, осу- ществлять свой собствен- ный круговорот воды. Как писал русский исследова- тель В.Г. Богоров (1904— 1971), «никакой воды, выми существами, в океане нет». участвующей в круговороте во- Можно добавить — и на суше тоже нет. Практически вся масса воды на суше проходит через растительность и почвенные организмы, а это означает, что биота суши I весь объем гидросферы планеты пропускает через себя примерно за 20 тыс. лет. В океане, где вода — это среда обитания, ис- точник пищи и кисло- рода, морские организ- мы пропускают через -Ж . Яр- Вода нужна всем. Животные тоже участвуют в круговороте воды
Большая энциклопедия природы 17 себя весь объем Мирового океана всего за полгода. Вода — идеальный растворитель, по- этому любая природная вода содержит растворенные газы и вещества, в том числе необходимые для жизни. Потоки воды в реках, волны и тече- ния в озерах и морях разрушают гор- ные породы и переносят частицы и обломки на большие расстояния. Ос- новная часть их в конце концов ока- зывается на дне морей и озер. Таким образом, вода формирует круговорот вещества в природе. Растения за счет воды, углекислого газа и солнечной энергии создают органическое веще- ство для поддержания жизни осталь- ных организмов на планете, которые питаются этим органическим вещест- вом. Для того чтобы создать массу органического вещества, требуется ежегодно около 1 тыс. км3 воды. Сле- довательно, можно утверждать, что гидросфера — это продукт живых ор- ганизмов, среда, которую они создали сами для себя. Основоположником учения о круговороте воды считают француза П. Перро (1611—1680), который более известен как строитель водопровода для Лувра — королевского дворца в Париже. Гораздо позже Э. Дарвин (1731—1802), дед Ч. Дар- вина, объяснил механизм круговорота воды и доказал, что атмосферные осадки обеспечивают ток воды в реках и часть влаги поступает на сушу с моря. Англий- ский астроном Э. Галлей (1655—1742) первым рассчитал величину испарения с поверхности океана. истематические работы по орошению с помощью подземных вод начались гораздо позже, чем орошение с использованием поверхностных вод. Такое уст- ройство для подачи подземных вод, как ханат, использовалось еще в VII в. до н. э. Это были подземные каналы-галереи, тянувшиеся на многие километры. В предгорьях в них собирались подземные воды и воды из источников. На пред- горной равнине вода из этих галерей стекала в каналы, и здесь ее уже можно было использовать для водоснабжения деревень или орошения полей. Это был самый эффективный способ применения подземных вод до появления совре- менных искусственных скважин и электрических насосов. Ханаты строились в Армении, Персии, Афганистане, Северной Африке и Китае, и многие из них действуют по сей день. Столица Ирана Тегеран еще в первой половине XX в. снабжалась водой по каналам.
Сколько воды на Земле? Вода — ресурс, вода — энергоноситель, вода — транспортная система, вода — основа жизни, Поэтому подсчет запасов воды ведется давно. Разработаны способы определения площади и глубины водных объектов, созданы приборы для измерения скорости течения, других физических и химических харак- теристик. Все это позволяет оценить запасы воды на нашей планете. ' Считается, что 70,8% поверхности земного шара покрыто водой. Поэтому нашу Землю можно назвать планетой воды или планетой океана. Действи- тельно, океан занимает 360 млн. км2 Айсберги содержат большое количество пресной воды. при общем размере поверхности пла- неты 510 млн. км2. Но на самом деле гидросфера значительно больше. Так, ледники покрывают 16,3 млн. км2, или 11% суши. Озера и водотоки на суше занимают значительно меньшую тер- риторию — 2,3 млн. км2, или 1,7% суши, болота и сильно увлажненные земли — 3 млн. км2, или 2% суши. Поэтому на Земле постоянно покрыты водой не 360, а 380 млн. км2 поверхности, или 75%. Итак, правильнее считать, что 3/4 зем- ного шара постоянно покрыто водой. Однако не надо забывать и про зимний снежный покров. Самую большую пло- щадь на суше занимает зимой снеж- ный покров Северного полушария — 59 млн. км2. В этот период года пло- щадь, занятая гидросферой, составля- ет 439 млн. км2, или 86% всей поверх- ности земного шара. Снег засыпает тропинки, дороги, тротуары, и люди вынуждены мириться с капризами и прихотями природы. Чтобы достаточно точно опреде- лить площади, покрытые водой на Земле, необходимо было построить точные карты всей планеты, в особен- ности океана. Еще в XVIII и начале Принц Монако Альберт I в 1903 г. приступил к составлению генераль- ной карты глубин океана. Данных было мало, и на ее составление уш- ло 7 месяцев. В период Второй ми- ровой войны для измерения глубин стали использовать эхолоты и гид- ролокаторы. В 1982 г. было опуб- ликовано пятое издание генераль- ной карты глубин Мирового океана. Для ее составления были учтены миллионы промеров глубин, резуль- таты которых пришлось обрабаты- вать 7 лет.
Большая энциклопедия природы 19 XIX в. подобных карт не существова- ло. Поэтому многие ученые считали, что океан занимает только половину поверхности земного шара. Лить в XX в. научились определять площади водных объектов. Но для оценки объ- емов воды необходимо иметь карту глу- бин, а для определения стока рек — уметь измерять скорости течения во- ды. Еще во времена первых полетов в космос наука о нем знала больше, чем о рельефе дна и глубинах океана. И лишь во второй половине XX в. уче- ные смогли ответить на многие вопро- сы, которые вставали перед нами при изучении Мирового Множество рек образуется за счет таяния снега в горах вся эта вода поступи- ла в гидросферу. Часть ее пошла на формирование земной коры. А оставшаяся вода образовала гид- росферу планеты объ- емом 1,5 млрд. км3. Основная масса воды находится в Мировом океане. Он содержит 1370 млн. км3 воды. океана. Но эта вода малопри- годна для хозяйства, так как каждый ее литр содержит в среднем 35 г солей. В ледниках сосре- доточено 28 млн. м3 воды (объем льда пересчитан в объем воды, так как лед легче жидкой воды). В подземных водах примерно 100 млн. км3, но это неточная циф- ра, так как учесть все подземные во- ды невозможно. Болъше всего воды в Мировом океане Если океан представляет собой еди- ную массу воды, то на суше гидро- сфера состоит из множества отдель- ных водных объектов как на поверх- ности, так и под землей. Их десятки миллионов. Поэтому наблюдения и измерения ведутся только за доста- точно крупными объектами, в резуль- тате точность данных об объемах вод- ных объектов суши ниже, чем для океана. За все время существования Земли, по оценкам российского уче- ного О.Г. Сорохтина, из ее недр было дегазировано 2,17 млрд, км3 воды. Но не водопроводы по археологическим данным появились очень давно. Хоро- шо известен водопровод Экбатана в Ассирии VIII—VII вв. до н. э., постро- енный по приказу легендарной цари- цы Семирамиды; водопровод в Иеру- салиме — VII—VI вв. до н. э. и Кар- фагене — IV—III вв. до н. э. В древних Афинах во времена Перикла (около 490—429 гг. до н. э.), когда численность населения достигала 200 тыс. человек, существовало 18 водопроводов.
Сколько воды на Земле? Огромное количество воды на Земле сосредоточено в реках Остальные водные объекты можно на- звать малыми по сравнению с океаном. Среди них самые крупные — это озе- ра. Общий объем воды в озерах оце- нивается по-разному, в зависимости от того, относят ли к озерам Каспий- ское и Аральское моря. Трудность оценки заключается также в огромном количестве озер на Земле, общий объем воды которых никогда не измерялся. В почве содержится около 10 тыс. км3 воды, в болотах — примерно столько же. В руслах рек в каждое данное мгновение воды содержится всего 2 тыс. км3, а в атмосфере — всего 1,4 тыс. км3. Из сум- мы всех этих величин и складывается масса воды в гидросфере Она равна 1500 млн. км3. Человеку для жизни и производствен- ных потребностей нужна пресная вода, но гидросфера — это в основном соленая вода. В соленой воде в 1 л содержится более 1 г растворенных веществ. Только ледники всегда содержат пресную воду. Даже реки бывают с соленой водой. Так, на севере Рос- сии есть река Солянка: она протекает по району с выходами пластов солей на поверх- ность. А в Центральной Азии в озеро Бал- хаш впадает речка с солоноватой водой. Сбор данных ведется регулярно по мере на- копления сведений о водных объектах. Они показывают, что доля пресной воды в об- щем объеме воды на Земле незначительна: она составляет всего 2%, или 32,1 млн. км3. Но основную долю в этом объеме — более 80% — составляют пресные воды ледников, которые малодоступны для использования не только потому, что вода в них находится в твердом виде, но и из-за удаленности от населенных территорий. Пресные воды ледников располагаются или в полярных районах, или высоко в горах. ервый водопровод в Риме был по- строен в 312 г. до н. э. В период прав- ления императора Траяна (98—117 гг.), когда Римская империя достигла мак- симальных границ, а в Риме жило около 1 млн. человек, там работала сложная система водопроводов, подававшая на каждого жителя до 1000 л воды в сутки. (Сегодня же на одного жителя Рима приходится всего около 500 л.) Большие достижения римлян в стро- ительстве, в том числе водопроводов, стали возможны благодаря изобрете- нию (или получению с Ближнего Вос- тока) рецепта приготовления цемента, а также свинцовых и керамических труб. Вода в город подавалась из ис- точников в горах по облицованным ак- ведукам (в пер. с лат. «аква» — «вода» и «дуко» — «веду») — длинным камен- ным мостам-каналам. ‘ 7 -_;.Л .............
Реки Для получения пресной воды человек использует реки (главный источник), озера и подземные воды. Вода в реке все время возобновляется за счет осадков ши талых вод, и общий сток рек более чем в 20 раз превышает запас воды в руслах в каждый данный момент. Можно сказать, что, несмотря на ог- ромные объемы воды на поверхности нашей планеты и в ее недрах, пресная вода составляет лишь незначительную часть, а легкодоступной для человека пресной воды ничтожно мало по сравнению с общим ее объемом. Реки — это водные потоки, основ- ной составляющей которых, как пра- вило, служит стекающая с поверхно- мира располагаются по берегам рек. Они, как артерии, пронизывают всю су- шу. Это гигантская транспортная сис- сти дождевая и та- лая вода, несущая свои потоки в разра- ботанных руслах. Ре- ки различаются по длине, количеству протекающей воды, скоростям течения, глубине и т. д. Они обеспечивают связь между сушей и оке- аном в глобальном круговороте воды, служат основным ис- точником пресной во- ды для человека. Большинство городов Истоки реки в горах тема, которая несет обломки горных по- род, частицы почвы, растворенные веще- ства, живые организ- мы. Все перечислен- ное в конце концов попадает в Мировой океан. Именно поэто- му Леонардо да Вин- чи назвал воду «воз- ницей природы». Свое начало ре- ки обычно берут от едва заметных род-
22 Реки ников, в болотах или озерах, ледниках в го- рах. Начинается река с небольшого ручейка, к которому затем при- соединяются другие ручейки. Постепенно этот поток становится полноводной, а неред- ко и могучей рекой. Из крупных озер обыч- гектарами, а у реки — квадратными километрами. Граница, разделяющая водосборы, называется водоразделом. В горах водораздел хорошо выражен и проходит по гребням гор, а на рав- нинах — по гребням возвышенностей, хотя нередко положение водораздела установить трудно. Сколько рек на Земле, никто не знает. Все зависит от но вытекают большие реки, как, например, Нева из Ладожского озера. Большинство рек пополняют свои запасы воды благодаря дождям и таянию снегов, а в го- рах — за счет таяния ледников. Дождевая и талая воды, стекая по склону, образуют не- большие струйки, кото- рые соединяются в ру- чейки, бегущие к рус- лам рек. Участок Создавая причудливые изги- бы — меандры, течет река поверхности, с которого вода собирается в струй- того, что считать рекой. Так, на территории России имеется более 130 тыс. рек длиной от 10 км и больше, но если считать и реки длиной менее 10 км, то их уже будет более 2 млн., а об- щая протяженность рек приближается к 7—8 млн. км. Крупных рек, впадающих в океан, длиной более 1000 км на Земле более полусотни, их общая длина состав- ляет 180 тыс. км, а воду они собирают с полови- ки, ручейки и реки, на- зывается водосбором, или водосбор- ным бассейном. У струйки водосбор сов- сем маленький и измеряется квадратными метрами, у ручейка — ны площади суши. За большими и средними реками в разных пунктах ведутся постоянные наблюдения, так как реки очень из- менчивы. Уровень и расход воды в них зависят от погоды: количества дождей снежного покрова. Для защи- ты от паводков и наводнений необходимо изучать поведе- ние рек. В мире для этого со- здана огромная сеть стан- ций, которые ведут непре- рывные наблюдения за Нил — длиннейшая река Северной Африки
Большая энциклопедия природы изменениями уровня воды, ее расхо- дами, качеством, температурой, ледо- выми явлениями. Таких станций сей- час 60 тыс. Кроме того, на водосборах установлено 150 тыс. измерителей ат- мосферных осадков и 10 тыс. станций для измерения испарения. Информа- ция со всех станций поступает в цент- ры обработки, где с помощью компью- теров получают данные, характери- зующие поведение реки, и публикуют их в специальных «Гидрологических ежегодниках», а уже на этой основе создают «гидрологический кадастр», т. е. полную сводку данных о реках за все время наблюдений. Существующая огромная сеть гидро- логических станций охватывает ме- нее 1% всех рек мира длиной от 10 км. На основе собираемой инфор- мации ученые-гидрологи разработа- ли надежные методы для определе- ния поведения неизученных рек. Это позволило определить сток всех рек мира, который составляет почти 42 тыс. км3 в год. Если к этому добавить еще ежегодный сток льда с леднико- вых покровов Антарктиды и Грен- ландии (3 тыс. км3) и подземный сток (2,2 тыс. км3) в океан, то всего с суши Река в тропическом лесу Амазонии в океан ежегодно поступает 46 тыс. км3 воды. Но 1 тыс. км3 стока рек не достигает Мирового океана, посколь- ку уходит в озера и теряется в пес- ках, в так называемых бессточных В десятку самых многоводных рек России входят (площадь водосбора в тыс. км): Обь (2990), Енисей (2580), Лена (2490), Амур (1856), Волга (1360), Колыма (643), Хатанга (364), Северная Двина (360), Печора (322), Пясина (182). Россия — страна рек, основная часть которых несет свои воды в Северный Ле- довитый океан; их общий водосбор занимает 2/3 площади страны и включает три крупнейшие реки — Обь, Енисей и Лену. Пятая часть территории России приходится на водосборы рек, впадающих в Тихий океан, среди них самая круп- ная — Амур. Чуть менее 1/10 территории занимают водосборы рек бессточной впадины Каспийского моря с самой крупной рекой Европы — Волгой. Оставшаяся территория страны, около 1/20 части, принадлежит бассейнам рек, впадающих в Атлантический океан, с самой крупной рекой — Невой. Общий годовой сток рек России — 4270 км3. Российские реки питаются в основном талыми водами снегов.
Прорезанное рекой ущелье во Французских Альпах областях, существующих на всех континентах, примером чему служит бассейн Каспийского моря, включаю- щий Волгу. Вместе с водой реки несут в океан рас- творенные вещества, которых в литре со- держится в среднем около 90 мг. За год реки выносят 3570 млн. т растворенных веществ. Речная вода содержит также твердые частицы веществ — наносы. Они могут перемещаться во взвешенном в воде состоянии (взвешенные наносы) и амая большая река в мире — Амазонка в Южной Америке. Площадь ее водо- сбора — 7180 км2 (по другим данным — 6915 км2), расстояние от истока реки Укаяли — свыше 7000 км, каждую секунду она выбрасывает в Атлантический океан 220 тыс. м3 воды. В десятку самых многоводных рек мира входят (площадь водосбора в тыс. км2): Амазонка (7180), Конго (3691), Миссисипи (3268), Обь (2990), Енисей (2580), Лена (2490), Янцзы (1808), Ганг (1120), Ориноко (1086), Меконг (810). а территории России всего 10—12 тыс. лет назад у края огромного ледникового покрова существовали огромные пресноводные бассейны. Из этих водоемов реки текли на юг, поскольку путь на север преграждал ледник. Вода через Тургайскую долину попадала в Аральское море, а оттуда по реке Узбой, пересохшее русло которой хорошо видно на аэрофотоснимках, в Хвалынский бассейн, который на- ходился на месте нынешнего Каспия. Уровень воды в бассейне был на 50 м выше современного. Из него через Манычскую впадину вода поступала в Черное море. яМяЯядомЯмИИнмВЯимнипКЯЯНМ
Большая энциклопедия природы 25 перекатываться и «прыгать» вдоль дна (донные, или влекомые, наносы). Их об- щая масса составляет 17 млрд, т в год. Растворенные вещества и наносы — ре- зультат деятельности воды, которая раз- мывает почву и горные породы, из-за че- го уровень суши понижается. Этот про- цесс называют эрозией. За 1000 лет вода растворяет и смывает слой толщиной около 5 см. Следовательно, при средней высоте современной суши над уровнем моря 700 м потребовалось бы всего 14 млн. лет, чтобы ее смыть в океан. Но этого не происходит, потому что суша по- стоянно нарастает. Река переоткладывает наносы в руслах, устьях, озерах и морях в виде донных осадков разнообразной формы. Таким образом, реки оказывают- ся разрушителями и скульпторами, об- рабатывающими поверхность суши, рельеф которой формируется при обяза- тельном участии воды. С реками мира за вторую половину XX в. произошли грандиозные измене- ния, связанные с деятельностью чело- Пороги на реке нилищ с объемом воды 100 млн. м3 построено 2442, из которых более по- ловины находятся в России. На заселенных человеком территориях не оста- лось рек, не затро- нутых в той или иной степени хозяйствен- ной деятель- ностью чело- века. Подав- ляющее число рек сейчас за- грязнено. Это ведет к качественному истощению вод- ных ресурсов. В странах с засушливым климатом вода становится огромной ценностью, за обладание которой иногда ведутся военные действия, так как вода остается самым ценным и самым по- требляемым в мире ресурсом. ( Реки обеспечивают и поддержи- вают жизнь людей, именно поэтому человек заселяет их берега. Но они же века. На них постро- приносят беды и опасности. Мы уже ено огромное число больших и малых водохранилищ. Только круп- ных вод охра- знаем, что поведение реки зависит от источника питания — дождевых осад- ков, таяния снега или ледника. Чем больше выпадет осадков, чем интен- сивнее тает снежный покров или лед- Реки, дающие жизнь и несущие беду
26 Реки ник, тем больше воды прибывает, тем выше поднимается ее уровень, и она в результате выходит из берегов. Одна из главных задач наблюдательных станций, существующих на реках, — получение данных для предсказаний паводков — быстрых подъемов воды, связанных с сильными дождями и лив- на реке Лене весной 1998 г., а закон- чилось оно катастрофическим наводне- нием. В других случаях в реках, впадаю- щих в море, сильные штормовые ветры могут гнать воду в устье реки, уровень воды поднимается, и начинается навод- нение. Подобные наводнения характерны для Невы. Не менее опасны и засухи, ког- нями, и половодии — подъемов воды, вызванных снеготаянием. В тропиках и субтропиках, где нет снежного по- крова или он незначителен, преоб- ладают паводки, а в умеренной континентальной, с длительным накоплением снега, зоне, в том числе в России, — весенние по- ловодья. Паводки и половодья сопровождаются наводнениями, когда затапливаются широкие полосы земли вдоль русел рек и да реки мелеют, а некоторые да- же пересыхают. В этих находящиеся на них города, се- Жилища на сваях для защиты от наводнений ления, дороги, сельскохозяйст- венные поля. Раз в 20—30 лет про- исходят сильные разливы, а раз в 50— 100 лет — катастрофические наводне- ния. Такое наводнение произошло в Центральной и Восточной Европе летом 1997 г. в результате необычайно силь- ных и продолжительных дождей. /у Наводнения угрожают 3/4 земной поверхности, и катастрофические навод- нения в тех или иных уголках земного шара наблюдаются ежегодно. В России и Соединенных Штатах Америки сильные разливы примерно за 20 лет проходят по всей территории и при этом в той или иной мере затрагивают десятки тысяч жителей и множество городов и поселков. Иногда обычные, сезонные половодья и паводки могут превращаться в катастро- фические наводнения, если, например, во время ледохода, который начинается в начале паводка, на суженном участке ре- ки образуется затор льда — ледяная плотина. Такое происшествие случилось случаях гидроэлектростанции снижают выработку энергии, сокращается подача воды в города. Это неоднократно происходило в Нью-Йор- ке, Пекине, а в 1995—1996 гг. в подобной ситуации могла оказаться Москва. Но са- мая большая опасность угрожает странам с преимущественно орошаемым земледе- лием, например Китаю, где сильное и про- должительное снижение стока рек в пери- оды засух грозит голодом десяткам и сот- ням тысяч людей. Поэтому человек всегда должен держать руку на «пульсе» рек. По спутниковым снимкам установлено, что 2 млн. лет назад Северную Африку пересекала с востока на запад река дли- ной 4500 км, которую назвали Афри- канской Амазонкой. Она начиналась в горах у Красного моря и впадала в Ат- лантический океан. Подвижки земной коры изменили здесь лик планеты, и Нил перехватил часть воды этой реки.
Озера Озера — важное звено в континентальном круговороте воды. Их отличает замедленный водообмен, так как полная смена воды в озерах происходит мед- ленно. В жизни человека озера играют важную роль как источник водоснаб- жения, продовольствия, полезных ископаемых, а также как места отдыха. Озеро — это естественное посто- янное или временное скопление воды на суше в углублении ее поверхности. Озера различаются по размерам, про- исхождению, соленос- ти, возрасту и степени старения. Некоторые озера из-за больших размеров и со- леной воды даже назы- вают морями, например, Каспийское и Аральское в Центральной Азии, Мертвое море на Ближ- нем Востоке. В то же время в степной зоне Люди используют озера для рыболовства России в понижениях, называемых блюдцами, весной образуются вре- менные маленькие озер- ца, а на засушливом юго-западе Сое- диненных Штатов встречаются крошеч- ные водоемы, прозванные дырявыми котелками. По глубине озера также очень отличаются. Глубочайшие из них — Байкал — 1620 м, Танганьика — 1470 м и Каспийское море — 1025 м, а самые мелкие — степные блюдца, где глубина не превышает нескольких сантимет- ров. По такому блюдцу можно спокойно гулять. Озерные понижения и котловины возникают в результате движений земной коры, изверже- ний вулканов, обвалов и оседаний грунта, прота- ивания подземных озер, размывов рек. А потому озера появляются по- стоянно. Так, после па- водка извилистая река часто спрямляет свое течение, проби- вая новое русло. А участок старого русла в виде серповидной излучины превращается в озеро-старицу.
бывшие участки речного русла Озера-старицы, созданные реками, — это В 1911 г. грандиозный обвал, вызван- ный сильным землетрясением, перего- родил долину реки Мургаб на Памире, в результате чего образовалось Сарез- ское озеро глубиной до 500 м и объ- емом воды 16 км3. 3 Озер на суше великое множество, они исчисляются десятками мил- лионов и занимают 2,3 млн. км2, или 1,7% не покрытой ледниками суши. Распределяются они по странам неравномерно — в одних их очень ма- ло, а в других очень много. Так, Фин- ляндию называют страной тысячи озер, хотя на самом деле их там го- раздо больше. В России озер тоже очень много. Таким образом, на каж- дые 6,3 км2 территории России при- ходится одно озеро, а на каждого жителя — 2,5 м2 площади озер. * S,4* ; / •5 Изменение объема воды в озерах и, следовательно, ее уровня определя- ется притоком и оттоком. Поступление воды происходит за счет атмосферных осадков, выпадающих на поверхность, и оттекания их с водосбора озера, а также за счет подземных источников. Отток воды связан с испарением с по- верхности озера, фильтрацией через дно и стоком через вытекающую реку. Если поступление воды превышает от- ток, то объем озера увеличивается, а уровень его повышается. Когда же по- тери воды больше притока, то озеро мелеет. В районах, где много атмос- ферных осадков, воды в озера посту- пает больше, чем теряется при испа- рении и фильтрации. Поэтому они да- ют начало рекам, по которым сбрасывается избыток воды. Такие озера называют проточными. В засушливых районах (с сильным ис- парением) воды для образования реки недостаточно, поэтому озера там не имеют стока или он может быть вре- менным. Такие озера называют бес- сточными, а если они пересыхают в отсутствие притока воды — эфемер- ными. Подобные озера характерны для Северного Казахстана, где неко- Заливы и мыс на озере
Большая энциклопедия природы Добыча и вывоз соли на соляных озерах. В озерах осаждаются и накапливаются соли разного химического состава. Они служат сырьем для химической промышленности. Донные соли используются человеком в лечебных целях солей от 1 до 25 г/л и мине- ральные с содержанием солей более 25 г/л (как правило, бес- сточные озера). Минеральные озера распространены в основ- ном в засушливых регионах мира, но больше всего их в Азии. В некоторых минераль- ных озерах содержание солей может достигать 300—350 г/л. торые виды рыб (карась, линь) за- рываются в донный ил на глубину до 1,5 м при пересыхании водоема. В пе- ресохшем озере рыба в состоянии спячки может находиться 2—3 года, пока после многоснежной зимы или дождливой весны снова не возникнет озеро. В результате круговорота вода в озере все время обновляется. Время обновления зависит от объема и ин- тенсивности обмена воды. Небольшие проточные озера могут обновляться за несколько недель, а, например, период обновления вод Байкала — 380 лет. Если реки это в основном системы, пе- реносящие растворимые вещества и Это насыщенный раствор, в котором происходит кристаллизация солей и выпадение их в осадки. Их называют соляными. Здесь ведется добыча соли. В сухой сезон такое озеро может пе- ресохнуть и превратиться в солончак. В России, в Астраханской области, есть озеро Баскунчак площадью 104 км2, ко- торое питается солеными ключами подземных вод. В нем осаждается по- варенная соль, которую добывают из озера уже многие годы. Благодаря ветру, изменению плот- ности воды, температуры, а также воз- действию впадающих и вытекающих наносы, то озера служат накопителя- ми веществ, приносимых с водой, причем количество растворен- ного вещества сильно ме- няется в зависимости от проточности. Озера делятся на пресные (всегда проточные озе- ра), солоноватые (обыч- но на какое-то время они становятся проточ- ными) с содержанием рек вода в озерах все время на- других — только в верхних слоях. Тог- ходится в движении. В неко- торых озерах она пере-
30 Озера Водоплавающие птицы — обитатели озер развивающуюся при- родную систему. Оно как человек — у него своя юность, зрелость, ста- рость и гибель. Неболь- шие мелкие озера проходят эти стадии быстрее. Причина старения — на- копление в озе- рах наносов — твердых час- тиц, сносимых с поверхности водосборов и поступающих с атмосферными осад- ками, а также органических частиц да в нижнем, неперемешиваемом, слое остатков развивающихся и умираю- температура постоянная и оольшая щих в озерах живых организмов. На концентрация растворенных веществ, чем в верхнем слое. Иногда в такой зо- не застоя в связи с отсутствием кис- лорода и разложением органических веществ скапливается сероводород. Такое явление наблюдается на озере Гекгель в Азербайджане и Беловодь во Владимирской области в России. Озера имеют возраст, они рожда- ются и умирают. Так, например, Вели- кие европейские озера на северо-запа- де России — Чудско-Псковское, Ла- дожское и Онежское — появились примерно 10 тыс. лет назад, когда с этой территории ушел ледник и его талая вода заполнила выпаханные им котловины. А история озера Байкал на- считывает уже 20—25 млн. лет. И оно еще продолжает формироваться. Пос- ле землетрясения 1862 г. на его вос- точном берегу образовался большой залив площадью 200 км2, а землетря- сение 1959 г. увеличило его глубину в этом месте на 15 м. Каждое озеро в зависимости от окру- жающих условий представляет собой .Необыкновенные озера лежат под 2- 3-километровой толщей ледникового по- крова Антарктиды, их обнаружили в по- следние десятилетия с помощью специ- альной съемки. Одно из них находится в центре Антарктиды, в районе российской станции «Восток», и оно имеет площадь до 400 км2. В ближайшее время планируется пробурить скважину, чтобы узнать, су- ществует ли в таких озерах жизнь. 1 амое длинное озеро на Земле — озеро Танганьика, занимающее одну из котло- вин-грабенов в западной ветви Восточ- но-Африканского рифта. Длина его состав- ляет 650 км, т. е. примерно равна расстоя- нию от Москвы до Санкт-Петербурга. Ширина озера — от 40 до 80 км. Озеро яв- ляется одним из самых глубоких на нашей планете — 1470 м. Дно озера расположено на 700 м ниже уровня Индийского океана. крупнейшие озера России (тыс км2): Бай- кал (31,5), Ладожское (17,7), Онежское (9,7), Таймыр (4,56), Ханка (4,1), Чудско-Псков- ское (3,5), Чаны (2,3), Ильмень (1,12).
Большая энциклопедия природы 31 дно озера непрерывно падают милли- оны таких частиц. Они-то и формируют тонкие слои отложений. Сильное за- полнение озера наносами свидетель- ствует о его старении. Примером та- кого стареющего озера может слу- жить озеро Неро на юге Ярославской области в России, на берегу которого расположен город Ростов. Его пло- щадь 51,76 км2, глубина — менее 4 м, а толщина отложившихся наносов в котловине озера более 100 м. Сейчас Не- ро — это зарастающий у берегов водоем с гниющим илом на дне. Со временем оно превратится в болото — конечную стадию развития многих озер умерен- ной зоны. В засушливых районах на месте не- пересыхающих бессточных и мине- ральных озер при их постепенном заполнении наносами и солями обра- зуются солончаки или плоские глинис- тые поверхности, называемые в Цент- ральной Азии такырами. Бывают случаи, когда река, вытекаю- щая из озера, постепенно размывая и Горное озеро
32 Озера углубляя свое русло, начинает сбра- сывать все больше воды из озера, по- ка все озеро не уйдет. И на его месте образуется плоская равнина. В слу- чаях, когда озеро подпружено об- валами, при катастрофических па- водках на реке, втекающей в озеро, оно может переполниться. Вода про- рывает рыхлую плотину и скаты- вается вниз по долине, неся смерть и разрушение. Такой случай про- изошел в конце 60-х гг. недалеко от города Алма-Аты на озере Иссык, которое было любимым местом от- дыха горожан. В последние десяти- летия деятельность человека способ- ствует быстрому старению и уми- ранию озер. Искусственные озера создает чело- век, сооружая на реках водохранилища и вырывая пруды. Сколько в мире прудов и водохранилищ, никто не знает. В России, по данным Каталога водохра- нилищ СССР, существует 2220 прудов и водохранилищ объемом от 1 млн. м3 и выше. Их суммарная емкость — почти 800 км3, т. е. 1/6 среднего годового стока рек России. Из этого объема 87% при- ходится на 41 крупное водохранилище объемом более 1 км3. В США насчитывается 1,9 млн. прудов объемом менее 60 тыс. м3. Крупных во- дохранилищ объемом более 100 млн. м3 сейчас в мире около 5 тыс., а их суммар- ный объем — около 12 тыс. км3, что при- ближается к объему воды в руслах рек.
Ледники Ледники — это огромные массы льда, образованные и существующие за счет накопления и преобразования в лед выпадающего снега и движущиеся под дей- ствием силы тяжести. В горах ледники принимают форму потоков: ведь лед, похожий на вязкую жидкость, течет. Огромные ледниковые покровы Ан- тарктиды и Гренландии похожи на гигантские лепешки, толстые в цент- ральной части и тонкие по краям. ) Ледники активно участвуют в круговороте воды. Они сбрасывают по- лучаемую из атмосферы воду в реки или прямо в океан. Времена сущест- Поверхностъ ледника, покрытая обломками породы вования ледников на Земле называют ледниковыми периодами. Человек воз- ник и существует именно в такой лед- никовый период. Льды можно встре- тить везде, где есть вода: ледяные кристаллы в атмосфере, ледяной по- кров на реках, озерах и морях, снеж- ный покров на суше, подземные льды в недрах планеты. Они обычны для средних и высоких широт. Чем про- должительнее там периоды с отрица- тельной температурой воздуха, тем лучше сохраняются ледяные образо- вания. Там же, где холодный период длится почти круглый год и выпадают обильные снега, льды живут много лет. Это паковые льды в Северном Ледо- витом океане и вокруг Антарктиды, подземные льды в зонах вечной мерз- лоты, где недра Земли сохраняют от- рицательную температуру, снежные кристаллы в атмосфере, где сущест- вует постоянно отрицательная темпе- ратура, и, наконец, ледники высоко в горах и у полюсов Земли. При подъеме в горы на каждые 100 м температура воздуха понижается на 0,6—Г С. Поэтому если у подножия горы температура воздуха 4-18°, то уже на высоте 3000 м она равна 0° или даже отрицательная. И там лежат снег и лед. При движении от экватора к полюсам наблюдается то же самое: чем ближе к полюсу, тем холоднее. Самое большое количество айсбергов плавает вокруг Антарктиды. Их число превышает 100 тыс., а объем пресного льда, заключенный в них, составляет около 15 тыс. км3. Очень много айсбергов в Северной Атлантике, где они служат угрозой для судов. Айсберги плавают также у берегов Аляски. Поставщиками айсбергов служат горные ледники.
34 Ледники Ледники образуются на Земле при длительных похолоданиях, когда большие скопления снега (снежники) не успевают растаять за летний период. Постепенно снег уплотняется, крис- таллизуется и в результате превра- щается в лед. Вначале маленький лед- ничок в горах заполняет углубление, потом он становится таким большим, что лед начинает очень медленно по- лзти по склону, и у ледника вырастает что-то вроде языка. Он спускается 1 ед на ледниках содержит мало примесей. При таянии из него полу- чается самая чистая вода. Поэтому сейчас ее все чаще используют в ле- чебных целях. ление. И тогда ледник становится тоньше, меньше притекает льда к язы ку ледника, и он отступает. Если гра ница питания сдвигается вниз, то лед вниз по долине, где летом теплее. ник становится толще, и его язык на- И там постепенно тает. У никового языка весь ско- пившийся лед полностью тает и превращается в поток воды — исток лед- никовой реки. Верхнюю часть лед- ника называют областью питания, или аккумуля- ции, а нижнюю, где он тает быстрее, чем накап- ливается, — областью расхода, или абляции (отнятия). Между данны- ми областями лежит уз- кая полоса, где величина ежегодного накопления снега равняется величине конца лед- чинает наступать. Тоннель в леднике его стаивания. Такую полосу называ- ют границей питания или равновесия. Летом она хорошо видна. Ниже этой полосы лежит ледяной язык без снега, выше — под снегом. Понят- но, что если граница из года по- 1 год поднимается по верхности ледника выше и выше, то Склон со снегом, который превратится в лед означает потеп- это Таким образом, горные ледники не только чутко отзываются на измене- ния климата, но и служат их индикаторами. Поэто- му ученые-гляциологи, изучающие ледники, уже давно наблюдают за ко- лебаниями ледников в разных горных районах земного шара. Результа- ты проводимых наблюде- ний регулярно публику- ются. Горные ледники бывают самых разных разме- ров — от одного кило- метра и менее до 203 км. Таков самый крупный горный лед- ник Беринга на Аляске. Большие ледники похожи на реки и имеют свои притоки. Скорость движения ледников — несколько десятков сан- тиметров в год. Поэтому изменения, накопления и стаивания снега, кото- рые происходят в верхней части языка в зоне аккумуляции, не сразу доходят до его конца — обычно че- рез многие годы. Ледники в полярных широтах об- разуются так же, как и горные, т. е.
Большая энциклопедия природы 35 Ученые «открыли» ледяные паводки только во второй половине XX в. И назвали ледники с такими паводка- ми пульсирующими. Первый ледяной паводок наблюдался в Азии на пуль- сирующем леднике Медвежий на Па- мире в 1973 г., на леднике Беринга (Аляска) он был зафиксирован в на- чале 90-х гг. Пульсирующие ледники выявлены во многих горах мира — от Аляски до Гималаев. Они нередки в горах России и Центральной Азии. В России подготовлен каталог таких ледников, так как это опасное сти- хийное явление. ***R*M*^^^"^RW^WWP4W»^*e*«*e**«»**«****W4W!RWieH!l!|i!R»***M’l*’*H****ei»*^ начинаются со снежников. Но, разрас- таясь, они заполняют все неровности земной поверхности, образуя купол, и при достижении определенной толщи- ны начинают растекаться, как подо- шедшее тесто. Такие ледники называ- ются покровными, Как и у горных ледников, у них есть область питания и область расхода. У горных ледников лед расходуется обычно на талые воды, у покровных — на айсберги, которые с пушечным гро- хотом рушатся в океан, поднимая брызги и вызывая волны. А тают айс- берги уже в океане, путешествуя вместе с течениями и ветрами. Именно всего «г U Плавающие языки ледника. Они ха- рактерны для горных ледников, язык которых достигает моря или 1 озера, а также для ледниковых по- кровов Гренландии и Антарктиды. Их концы всегда обрывисты, так как подтачиваемый водой лед откалывается в виде круп- < ных кусков — айсбергов с таким айсбергом, отколовшимся где-то в Гренландии, столкнулся ле- гендарный пароход «Титаник». На ост- ровах Северного Ледовитого океана и у берегов Антарктиды есть ледяные купола. Они покрывают острова Земли Франца-Иосифа, Новой Земли, Север- ной Земли, Шпицберген и Канадского арктического архипелага и ведут себя так же, как и антарктический и грен- ландский ледниковые покровы. Лед- ники занимают 16,1 млн. км2 суши, из этой площади на ледниковые покровы приходится 14,4 млн. км2 (85,3% — на Антарктиду, 12,1 — на Гренландию и 2,6% — на ледниковые купола), а на горные ледники —1,7 млн. км2. Таким образом, ледники на поверхности Зем- ли по площади и объему воды зани- мают второе место после Мирового океана, а по содержанию пресной воды с ними не могут сравниться ни реки, ни озера, ни подземные воды, вместе взятые. Между ледниками и осталь- ной гидросферой идет непрерывный водообмен, за счет которого лед все время обновляется. Ледники в среднем обновляются за 9 тыс. лет. Но для та- кого гиганта, как Антарктический лед- ник, необходимо 11—12 тыс. лет, а для небольших горных ледников несколько десятков лет.
36 Ледники Антарктический материк появился на карте последним — спустя 300 лет после открытия Америки и 200 — после Австралии. Честь первооткрывателей принадлежит русским морякам, кото- рые на парусных кораблях «Мирный» и «Восток» под командованием М.П. Лаза- рева и Ф. Ф. Беллинсгаузена в 1820 г. подошли к берегам Антарктиды. До это- го считалось, что вокруг Южного полюса расположен большой материк, но никто не предполагал, что он покрыт льдом. Это самый большой ледниковый покров на Земле, его площадь 13,98 млн. км2, т. е. в 1,5 раза больше площади Австра- лии, средняя толщина льда 2,2 км, а наибольшая — 4,7 км. Объем льда ра- вен 26 млн. км3. Ледник ежегодно полу- чает в виде снега 2000—2200 км3 льда, и примерно столько же теряется на айс- берги и на таяние. Антарктический айсберг Провалы на поверхности и тоннели в леднике создают талые воды. Они образуют в нише ледника сложную систему, состоящую из наклонных каналов и вертикальных колодцев Часть Антарктического ледника, шельфовые ледники, — это льды, сползающие с материка в море. В За- падной Антарктиде находятся два ги- гантских шельфовых ледника, частич- но накрывшие ледяной крышкой моря Росса и Уэдделла. Остальные шельфо- вые ледники гораздо меньше по раз- мерам. Общая площадь всех шельфо- вых ледников — 1,5 млн. км2. Особенность антарктического ледникового покрова — существова- ние на его ложе в центральной части обширной зоны таяния, где обнаруже- Американский писатель Марк Твен в своей книге «Пешком по Европе» писал: «Что такое ледник? Проще всего сказать, что это замерзшая река, залегающая в извилистой лощине между горами». В той же книге он описал ледяной паводок — неожиданное очень быстрое движение ледникового языка. Когда он вспучивается, его скорость дви- жения возрастает в десятки и сотни раз, и за несколько месяцев конец языка про- двигается вперед на 10—15 км. Язык ледника при этом растрескивается на вер- тикальные глыбы, которые с грохотом и обвалами продвигаются вперед за сутки на 100 и более метров. Такой быстро движущийся язык нередко перекрывает боковые долины. Образуется ледяная плотина, за которой накапливается вода. Однажды ле- дяная плотина разрушается, и вся масса накопленной воды несется вниз. До Марка Твена подобное же явление описал Майн Рид в книге «Охотники за растениями». £;.••• .. " 11 --------------------------------------------------------Т---------------------------“------
Большая энциклопедия природы 37 ны подледные озера. Одно из озер рас- положено в самом суровом месте — Полюсе недоступности, в районе бази- рования российской станции «Восток». В ближайшее время планируется про- бурить во льду скважину и взять про- бы воды и грунта этого удивительного озера, что позволит узнать, существу- ет ли там жизнь. Во льду Антарктиды образуются ле- дяные «реки» — потоки льда, которые движутся со значительно большей скоростью, чем окружающие их ледя- ные «берега». Если лед Антарктиче- ского ледника у его края движется со скоростью до 1 м в год, то ледяные по- токи имеют скорость от 100 до 2000 м в год и больше. Причины возникнове- ния этих потоков еще не ясны. Такие ледяные потоки доставляют лед из ма- териковой части Антарктиды к шель- фовым ледникам. Крупнейшим ледяным потоком в Ан- тарктиде является ледник Тейлора, дренирующий огромную территорию восточного антарктического леднико- вого покрова. Между дренажными бассейнами ледяных потоков сущест- вуют ледоразделы, аналогичные реч- ным водоразделам. От них лед дви- жется в разных направлениях. Древние оледенения были открыты потому, что ледники и ледниковые покровы в процессе движения разру- шают и перемалывают горные поро- ды. Они сглаживают скалы, которые получили название «бараньи лбы». На территории России следы древ- них оледенений обнаружены от Бал- тийского до Берингова моря. Это свидетельствует о том, что многие ре- гионы страны неоднократно покрыва- лись льдами. Гренландия была открыта викингами в 875 г., когда корабль Генбьерна Ульфсона сбился с курса и моряки уви- дели за прибрежными островами зем- лю, покрытую льдом. Но настоящее от- крытие Гренландии и ее колонизация викингами связаны с именем Эйрика Рыжего. Там он оказался после изгна- ния из Исландии около 980 г., а через три года им была снаряжена флотилия для переселенцев из Исландии. Огромная тяжесть льда вдавила этот материк в земную кору так, что ее значительная часть лежит ниже уровня моря, и сейчас подледное ложе больше похоже на архипелаг, Язык ледника с подледным каналом, по которому стекают талые воды
38 Ледники Язык горного ледника, от которого берет начало река Открытие Антарктиды российскими моряками в 1820 г. чем на материк. Но если лед растает, то на месте материка окажется архипелаг, состоящий из крупных и мелких островов. Антарктический ледник теряет лед в основном за счет откалывающихся айсбергов, иногда гигантов размером с небольшое госу- дарство вроде Монако или Сан-Ма- рино. Но точную массу откалываю- щихся ежегодно айсбергов опреде- лить трудно, поэтому в научной среде все еще идут споры о том, уменьшается Антарктический лед- ник или растет. 5Я
Оледенение Земли Исследования геологов и географов доказали, что наша планета всегда находилась в одном из двух состояний — оледенелом или безледном. Однако Земля никогда не оледеневала полностью. Если бы это произошло, то наша планета так бы и осталась «белой планетой». Следы ледниковых периодов существуют на всех континентах. Они позволили воссоздать картину прошлых оледенений. Здесь начина- ется горный ледник покрова, и живет периоде. В последние За время геологической исто- рии планеты, насчитывающей более 4 млрд, лет, Земля испытала несколь- ко периодов оледенения. Древнейшее Гуронское оледенение имеет возраст 4,1—2,5 млрд, лет, Гнейсесское — 900—950 млн. лет. Далее ледниковые периоды повторялись довольно регуляр- но: Стерт- ское — ед — твердая фаза воды — широко распространен в космосе и на других планетах. Есть даже небесные тела — кометы, состоящие изо льда. Сейчас ледяные частицы обнаружены и в пы- левых космических облаках. 810—710, Варангское — 680—570, Ор- довикское — 410—450 млн. лет назад. Предпоследний ледниковый период на Земле был 340—240 млн. лет назад и назывался Гондванским. Сейчас на Земле очередной ледниковый период, называемый Кайнозойским, кото- рый начался 30—40 млн. лет на- зад с появления антарктиче- ского ледникового Человек появился в ледниковом - -
Айсберг необычной формы Оледенение Земли люсах Земли, и тогда возникало оледенение. Почему же в ледниковые периоды на- блюдаются периодические изменения площади ледников? Одна из сущест- вующих гипотез связана с положени- ем нашей планеты по отношению к Солнцу на орбите, наклоном земной оси и ее колебанием. Все это приводит несколько миллионов лет оледенение Земли то разрастается, и тогда значи- тельные территории в Европе, Север- ной Америке и частично в Азии ока- зываются заняты покровными ледни- ками, то сокращается до тех размеров, которые существуют сегодня. Для по- следнего миллиона лет выявлено 9 та- ких циклов. Обычно период разраста- ния и существования ледниковых покровов в Северном полушарии при- мерно в 10 раз продолжительнее, чем период разрушения и отступания. Периоды отступания ледников назы- вают межледниковьем. Сейчас мы живем в период очередного межлед- никовья, которое называется голоцен. Ледники и ледниковые покровы, по- добно рекам, разрушают горные поро- ды и переносят обломки и частицы по- род на большие расстояния. После от- ступания или исчезновения ледника по отложениям этих частиц и облом- ков можно восстанавливать размеры и динамику исчезнувших ледников. 3 L Причины оледенения Земли до конца еще не ясны. Их объясняют или космическими, или чисто земными, факторами. Непрерывное изменение лика планеты могло произойти в ре- зультате раскола и слияния матери- ков. В таком случае в процессе дви- жения материки оказывались на по- к периодическим сокращениям коли- чества солнечного тепла на Земле. Возникновение оледенений и их ко- /Унтарктический ледниковый по- кров разрастался во время послед- него наступления ледников. Своего максимума он достиг 17—21 тыс. лет назад. В это время он полностью покрыл моря Росса и Уэдделла, а объем льда увеличился в 1,5 раза. Но есть и меньшие оценки размеров южнополярного оледенения. if.’ лебаний свидетельствует о неустой- чивости климата, попытках Земли стать то холодной планетой типа Марса (в таком случае средняя годо- вая температура у поверхности должна упасть ниже 5° С), то горячей — типа Венеры (тогда тем- пература у поверхно- Лед — стихия белых медведей
Большая энциклопедия природы 41 сти должна подняться до точки ки- пения воды). Процесс по «горячему» сценарию развивался на Земле 3 млрд, лет назад, когда у ее по- верхности температура поднялась до +90 — +100°, но океан не закипел из-за более высокой плотности атмос- феры, чем сейчас. Во времена ледниковых периодов и при изменении площади ледников происходит перестройка гидросфе- ры Земли. Вода перераспределяется между океаном, сушей и ледниками. Это сопровождается изменениями площади суши и океана, колебания- ми уровня океана на сотни метров. Последнее наступание ледников началось более 100 тыс. лет назад и завершилось совсем недавно — все- го 10 тыс. лет назад. На европейской части России ледниковый покров в период наибольшего развития зани- мал территорию южнее Москвы, а в Восточной и Центральной Европе приближался к 50° с. ш. В Северной Америке он продвинулся еще даль- ше на юг и перекрыл весь район Ве- ликих озер. Своего максимума по- следнее наступание ледников до- Поток горного ледника Поверэсностъ ледника, нарушенная трещинами стигло 12—15 тыс. лет назад. Площадь, которую занимал ледни- ковый покров Северного полушария, была огромной, но она точно не ус- тановлена: гляциологи продолжают исследование его границ. Если коле- бания современного оледенения бу- дут такими же, как это было в по- следний миллион лет, то в не столь уж отдаленном будущем человече- ству следует ожидать нового на- ступания ледников. Конечно, если этому не помешает потепление климата, вызванное деятельностью человека.
I Подземные воды Подземные воды залегают в толще земной коры. Они могут там находиться в разных физических состояниях. В недрах Земли воды накапливаются и передвигаются по пустотам, порам или трещинам. Водонепроницаемые по- роды формируют подземные водоносные системы, пронизывающие всю зем- ную кору. «... снега... под О происхождении подземных вод задумывались еще античные мыслите- ли. Греческие философы Фалес (625— 547 гг. до н. э.) и Платон (428—348 гг. до н. э.) считали, что подземные воды образуются из охлаждающегося в пе- щерах воздуха и что «каковы породы, таковы и воды». Идеи, близкие к сов- ременным, высказал римский инженер Витрувий в I в. до н. э.: прикрытием теней деревьев и гор по- долгу сохраняются, а затем, по мере таяния, просачиваются по земляным пластам, доходят до самого низа по- дошвы гор, оттуда... бьют ключом ис- точника». Не так давно стало известно о труде персидского ученого Карали (ум. в 1016 г.) «Поиски скрытых под землей вод», где он изложил учение о подземных водах, которое вполне соот- ветствует современным научным представлениям. Воды горячих источников образуют натечные террасы травертина Воды, самопроизвольно изливающие- ся из скважин, впервые были добыты в XII в. в провинции Артуа, на севере асыщенные различными вещест- вами подземные воды используются как «жидкая руда». Из них добывают поваренную соль, йод, бром, литий, борную кислоту, глауберову соль и другие вещества. Франции. Латинское название провин- ции — Артезия, а потому такие воды стали называть артезианскими. В Сред- ние века в Европе все же преобладали античные идеи о морском происхожде- нии подземных вод. Поэтому француз П. Перро, доказавший путем измере- ний происхождение подземных вод из атмосферных осадков, боясь непонима- ния, свою книгу «Происхождение ис- точников» опубликовал в 1674 г. под
Большая энциклопедия природы 43 чужим именем. С этого момента начи- налось развитие науки о подземных во- дах. А имя этой науке дал Ж. Ламарк (1744—1829) — французский естество- испытатель, издавший в 1802 г. книгу «Гидрогеология, или Исследование влияния воды на поверхность земного шара». Подземные воды исследовали многие российские гидрогеологи. В 1886 г. в России появилась первая официаль- ная должность гидрогеолога, учреж- денная Таврическим губернским зем- ством, которую занял Н.А. Головкинский (1834—1897) — спе- циалист по подзем- ным водам Причерно- морья. Во второй по- ловине XX в. в России вышли фундамен- тальные труды по гид роге о логии: « Гид - рологическая энцик- лопедия» и 50-томный труд «Гидрогеология СССР», а также подготовлена гидрогеологическая кар- та мира. Гидрогеология превратилась из учения о подземных водах в науку о подземной гидросфере. Поле гейзеров Гейзеры — источники в вулканических районах, регулярно выбрасывающие горячую воду Подземные воды разнообразны по происхождению и составу растворенных в них солей, на них влияют давление толщ земли и глубинные изменения Муниципалитет французского города Дижона пригласил инженера А. Дарси изучить и представить свои соображе- ния о возможности использования подземных вод для водоснабжения. В 1856 г. А. Дарси представил объемис- тый трактат, но вместо конкретных рекомендаций в нем было множество формул и расчетов. Городские чинов- ники ничего не поняли в этих бумагах. А в них были впервые сформулиро- ваны основные законы движения под- земных вод, которые сейчас использу- ют все специалисты.
44 Подземные воды Объем подземных вод, расположен- ных на глубинах до 3 км, равен при- мерно 23 млн. км3, а уже в 5-километ- ровой толщи — 60 млн. км3. Есть оцен- ки, согласно которым воды в земной коре почти столько же, сколько в Ми- ровом океане. Приблизительно объем подземных вод равен 100 млн. км3. температуры. Они не только источник чистой пресной воды, но и важное по- лезное ископаемое, содержащее в рас- творенном виде много необходимых для хозяйственной деятельности веществ. Горячие подземные воды можно также использовать как источник энергии, а минеральные воды — как пищевой и ле- чебный продукты. Ученым еще только предстоит исследовать подземные воды, кото- рые залегают в глубинах земли. Са- мая глубокая скважина, пробуренная на Кольском полуострове в России в научных целях, пока достигла глу- бины немногим более 12 км. Это сви- детельствует, что вода есть и на больших глубинах. Подземная гидросфера включена в круговорот воды. Она обменивается во- дой поверхностными водоемами (река- ми, озерами, болотами, океаном) и ат- мосферой, из которой поступают осадки, а часть воды в виде пара возвращается из недр земли. По интенсивности этого водообмена выделяется три зоны под- земных вод. Самая верхняя — это зона активного водообмена. Она простирается на 300— 500 м от поверхности земли. Здесь под- земные воды тесно связаны с поверх- ностными, а время водообмена (обнов- ления воды) — годы и десятилетия. На глубинах от 500 м до 2 км располага- ется зона замедленного водо- обмена, который осу- ществляется за десятки и сотни тысяч лет. Зона пассивного водообмена, время которого ис- числяется миллио- нами лет, находит- ся на глубине бо- лее 2 км. Этажами распола- гаются и подзем- ные воды разной степени солености К источнику подземной воды приходят животные чтобы напиться (минерализации). В зоне активного водообмена преоб- ладают пресные во- ды с содержанием солей до 1 г/л. В зоне замедленного во- дообмена — солоноватые воды с содер- жанием солей от 1 до 35 г/л. В зоне пас- сивного, водообмена в основном залегают V* коварными подземными водами по- стоянно сталкиваются строители мет- рополитена. Так, в Санкт-Петербурге пришлось закрыть станцию «Площадь Мужества» из-за угрозы прорыва обвод- ненных песков. В Японии в результате прорыва подземных вод даже хотели прекратить строительство туннеля Сей- кан между островами Хонсю и Хоккайдо, До сих пор не завершено строительство Северо-Муйского туннеля на Байкало- Амурской магистрали, где приток под- земных вод постоянен. В Сибири и на севере Дальнего Востока нередко под- земные воды зимой вырываются на по- верхность и, замерзая, образуют наледи. В городах Бодайбо и Мирном они появ- ляются прямо на улицах, а на Байкало- Амурской магистрали — вдоль железной дороги. Из всех шахт и карьеров, где до- бывают минеральное сырье, приходится непрерывно откачивать подземные воды.
воды с содержанием растворенных со- лей более 35 г/л, по составу близкие к морской воде. Здесь же встречаются и перенасыщенные солями подземные во- ды, о происхождении которых ученые спорят до сих пор. Хорошо известно, что с глубиной тем- пература в земной коре повышается, по- этому возрастают и температура под- земных вод, и количество пара в порах и пустотах, не занятых водой. На глу- бине в несколько километров темпера- тура воды может достигнуть 100° С и выше, поэтому там возникает пароводя- ная смесь. На еще большей глубине па- роводяная смесь нагревается до темпе- ратуры 374° для пресной воды и 450° — для соленой при давлении около 218 ат- мосфер. При дальнейшем повышении температуры вода перестает быть во- дой, но и не становится паром, так как молекулы воды приобретают подвиж- ность газа, а плотность вещества, кото- рое можно назвать водяной плазмой, приближается к плотности воды. Такая «плазма» обладает способностью рас- творения в несколько раз большей, чем обычная вода. В районах вулканической 1 I
46 Подземные воды деятельности пароводяная смесь неред- ко регулярно выбрасывается на поверх- ность в виде высоких фонтанов, назы- ваемых гейзерами. Qy В зоне вечной мерзлоты, которая за- нимает обширные пространства в России и Канаде, в верхнем слое активного во- дообмена часть подземных вод залегает в виде льда — отдельных ледяных вкраплений, жил и пластов. Их запасы оцениваются в 0,3—0,5 млн. км3. Таким образом, подземные воды находятся в разных физических состояниях. Свобод- ные поры и трещины горных пород, не занятые жидкой водой, заполняет водя- ной пар, в верхней толще земной коры в районах с суровым климатом вода нахо- дится в виде льда, и, наконец, на больших глубинах и при повышенном давлении она существует в состоянии «водяной плазмы». Еще в недрах находится так на- зываемая физически связанная вода. Она взаимодействует с частицами поро- ды, обволакивая их и удерживаясь сила- ми притяжения. Чем меньше частицы, тем больше они удерживают воды. Наконец, в недрах планеты встречается обычная вода, которую ис- следователи подземных вод называют гра- - Л* витационной, так как ее движением управляют силы тяжести. Она-то и образует основные скопления подземных вод и подземные водо- носные системы. Верхняя часть земной коры обычно представляет собой в основном рыхлую по- ристую среду толщи- ной от десятков санти- метров до десятков метров, состоящую из частиц горных пород разных размеров. Эту толщу называют корой выветривания. Она об- разована благодаря не только работе воды, Пещеры — результат деятельности подземных вод ветра и колебаний температуры, разру- шающих горные породы, но и деятель- ности живых организмов. Дождевые и талые воды, а также воды из озер и рек, просачивающиеся через эту толщу, скапливаются, когда встречают на своем пути водонепроницаемый слой поро- ды, называемый водоупором. Накоплен- ная вода образует водоносный горизонт, или водоносный слой. Этот первый от по- верхности земли слой называют грунто- выми водами. В проницаемой для воды и воздуха толще над ним могут встречаться небольшого размера водоупорные или сла- бопроницаемые прослойки, например гли- нистые. На них тоже может накапливаться вода — верховодки. Именно верховодки и грунтовые воды обеспечивают колодцы чистой водой. Ниже грунтовых вод залегают чередую- щиеся пласты пористых водопроницае- По трещинам и пустотам в горных породах циркулируют воды
Большая энциклопедия природы 47 мых пород, заполненных водой, и водо- упоров. Здесь все водоносные горизонты (слои) имеют кровлю из водонепрони- цаемых пород. Геологическая структура земной коры очень сложна, часто водо- носные системы взаимосвязаны или пе- ресекают друг друга, никаких строго го- ризонтальных слоев нет. Поэтому вода в водоносных слоях движется под воз- действием силы тяжести или в зависи- мости от гидростатического давления, т. е. от места с высоким стоянием воды к месту с низким стоянием воды, как это бывает в сообщающихся сосудах. Русла рек, углубляясь в толщу горных пород, обычно прорезают водоносные го- ризонты, которые становятся одним из источников питания рек, обеспечивая примерно одну треть стока. Это известно многим, кто купался в реке и явственно чувствовал приток со дна бо- лее холодной грунтовой воды. Подземные воды стекают и в океан. Хорошо известны выходы подземных вод на дне Черного моря у побережья России и в прибреж- ных водах Греции, где среди соленой во- ды с морского дна поднимаются струи пресной. Прямой сток подземных вод в океан составляет 2,2 тыс. км3, а вместе с подземной составляющей речного стока в океан сбрасывается 16,2 тыс. км3 подзем- Колодец в засушливых районах был и остается источником пресной воды Подземные водоносные системы обна- ружены во всех уголках земного шара. Даже в пустынях под землей залегают моря воды. В Сахаре резервуар подзем- ных пресных вод находится на глубине 150—200 м, в пустыне Каракумы — на глубине 50 м. О поведении и питании подземных морей наука знает очень ма- ло. Но ученые упорно ищут ответы на за- данные природой загадки. Использова- ние подземных вод для водоснабжения и орошения наиболее важно в засушливых районах или там, где поверхностные во- ды сильно загрязнены. В большинстве го- родов России водоснабжение идет за счет подземных вод, а во всех россий- ских деревнях обязательно есть колодцы или родники с чистой вкусной водой. В ряде стран подземные воды использу- ют для орошения. Например, в США от штата Небраска на севере до Техаса на юге эксплуатируют огромное подземное пресное море — Огалала. ных вод. С учетом этих данных и запасов воды в активной зоне подземных вод — 23 млн. км3 — водообмен в ней осуществ- ляется за 1400 лет. Подземные воды — это своеобраз- ный химический реактор. В обогащен- ных растворенными веществами под- земных водах, когда они оказываются в иных, чем прежде, условиях (меняются температура, давление, горная порода, происходит слияние с другими потоками воды), начинается выпадение из раство- ра веществ. Так под действием подзем- ных вод образуются месторождения по- лезных ископаемых. Подземные воды формируют также пустоты в известня- ках — пещеры и подземные русла, а результатами таяния и замерзания ста- новятся провалы или холмы. Таким об- разом, подземные воды формируют гор- ные породы и рельеф.
Человек и вода Все живые организмы, и человек тоже, для поддержания жизни нуждаются в воде. Ежедневно каждый человек потребляет и выделяет воду, как и любой организм. Но кроме удовлетворения физиологических потребностей вода не- обходима человеку для личной гигиены, приготовления пищи, уборки поме- щения и т. д. Гораздо больше воды требуется для хозяйственной деятель- ности человека: орошения полей, промышленности, энергетики. Реки, озера и моря используются как транспортные пути. Рост населения на планете, необходимость увеличения производственных мощностей — все это ведет к исчерпанию и загрязнению вводных ресурсов. Современные условия жизни и уровень культуры требуют значитель- ного объема воды для удовлетворения личных нужд человека. Если охотнику каменного века для своих потребностей нужно было всего 10 л воды в день, то, по оценкам санитарных служб, совре- менному человеку уже необходимо 220—230 л. Совсем немного из этого объема воды (5%) требуется для питья и приготовления пищи. Больше всего воды (43%) расходуется в смывном бач- ке в туалете, в душе и ванной — 34%. Остаток примерно поровну распре- деляется между мытьем посуды, стиркой, убор- кой помещения, мытьем маши- ны и поливки клумбы перед до- мом. Таким обра- зом, для личных нужд человеку требуется почти в 100 раз больше воды, чем для Работа на рисовом поле удовлетворения физиологических по- требностей. Сейчас для этих нужд из рек, подземных вод и озер в мире заби- рается не более 400 км3 воды. Если же принять во внимание, что во многих раз- Ежесуточно человек при дыхании выде- ляет 0,4 л, через кожу при потении — 0,6 л, прямым путем — 1—1,5 л воды, т. е. всего до 2,5 л. Потеря воды ведет к жажде, и человек утоляет ее, потребляя почти столько же воды. Следовательно, взрос- лый человек весом 70 кг в течение жизни (60—70 лет) потребляет 64 т воды, т. е. в 1000 раз больше собственной массы. При этом вода в организме сменяется в среднем за 17 дней. Таким образом, современное че- ловечество — 6 млрд, людей — нуждается ежегодно в 5,5 км3 только для удовлет- ворения физиологических потребностей. витых странах используется 500—700 л в день, а также учитывать утечки из во- допроводов, становится ясно, что есть страны, где на человека приходится 20—60 л воды. Во многих странах Аф- рики женщины ходят рано утром к ис- точнику, находящемуся за 1—2 км от жилья, чтобы принести 20—30 л воды.
Большая энциклопедия природы 49 В наши дни 70% населения мира ис- пытывает недостаток в воде, а 1 млрд, людей живет в условиях острой не- хватки воды, так как пресная вода распределена на суше неравномерно. Есть огромные засушливые террито- рии, где на человека приходится менее 2,5 м3 речной воды в год. Боль- шинство населения мира не имеет во- допровода. Ограниченное количество чистой воды способствует развитию инфекционных и паразитарных за- болеваний, которые являются основ- ной причиной смертности населения. И хотя человек научился пользовать- ся водопроводом еще с незапамятных времен, но и сейчас 30% городских жителей Африки и Азии, 20% Латин- ской Америки не обеспечены водо- проводной водой. Вода составляет 90% массы всех жи- вых организмов на Земле. Эмбрион че- ловека на 97% состоит из воды, а у но- ворожденного ее количество равно 77% массы его тела. К 50 годам количество воды в теле человека сокращается до 60%. Распределена эта вода так: в клет- ках — 70%, в межклеточном простран- стве, где она омывает клетки, — 23%, в крови и лимфе — 7%. В организме человека идет «круговорот воды» — за сутки сердце прогоняет жидкости в 150 раз больше массы человека, а поч- ки — 1000 л. пользовании орошения и гидротех- нических сооружений в древности. В междуречье Тигра и Евфрата уже 6 тыс. лет назад появились города, ,С! Для получения пищевых продук- тов требуется огромное количество воды, в первую очередь для выращи- вания растительной продукции. Во многих странах естественных дож- девых осадков недостаточно для обеспе- чения нормального развития культур- ных растений, поэтому приходится применять искусственное орошение — ирригацию. Археологические наход- ки дают представление о широком ис- окруженные полями с искусственным орошением. В государствах Шумер и Аккад 5—6 тыс. лет назад строились большие каналы, использовавшиеся не только для орошения, но и как транспортные системы. В ассирий- ском своде законов было записано: «Пусть каждый совершает свою ра- боту на своем поле и оросит свое по- ле». Таким же древним было и ирри- гационное искусство египтян, индусов и китайцев. Современный способ орошения Террасовые системы орошения рисовых полей
50 Человек и вода Использование воды требует ее до- бычи и перемещения (переброски). Для подачи и перемещения воды в i древности применялись простые при- ’ способления в виде «журавля», водя- ' ного колеса и архимедова винта. Но I наиболее выгодный способ перемеще- ния воды в пространстве — самотек и направляющие движение воды кана- лы. В древности для орошения полей и водоснабжения перебрасывалось не более 1 км3 воды в год. Сейчас только для водоснабжения одного крупного j города на большие расстояния с по- мощью системы плотин, водохрани- лищ, каналов и трубопроводов пере- брасывается 3—5 км3 воды в год. Так, для обеспечения водой Москвы еще в : 1930 г. была создана система перебро- ски воды из реки Волги, обеспечивав- шая ежегодно 2,3 км3 воды. Для оро- шения сельскохозяйственных полей только в штате Калифорния в США годовой объем переброски стока со- ставляет 30 км3. о начала промышленной револю- ции в XVIII в. в России на малых ре- ках строили небольшие мельничные плотины, чтобы использовать энер- гию падающей воды для размалыва- ния зерна. Первая плотина была со- ! здана на реке Нейве к северу от Ека- теринбурга в 1704 г. В 1719 г. была построена Вышневолоцкая плотина для обеспечения водного пути от Санкт-Петербурга до Волги. В XX в. ирригационное искусство до- стигло своего расцвета. В это время шел быстрый рост площадей орошае- мых земель и они превысили 230 млн. км2, что составило 15% всей площади пахотных земель мира. Орошаемые земли обеспечивают от 1/3 до 1/2 про- изводства растительной продукции. Но сейчас площадь орошаемых зе- мель на душу населения стала умень- шаться. Для орошения из рек ежегодно за- бирается около 3000 км3 воды, или 68% всего водозабора. Эта огромная масса воды предназначена для того, чтобы испариться и частично пойти на создание органического вещества: в среднем для получения 1 г орга- нического вещества требуется 100 г воды. Потребности культурных расте- ний в воде разные: от 15—20 тыс. м3 на 1 га для производства риса и 5— 6 тыс. м3 — пшеницы. В России (из ежегодно добываемых 100 км3) для орошения полей в Поволжье и на Се- верном Кавказе используется 17 км3 воды, в основном из Волги, Кубани, Терека и Сулака. Уу Рост населения в мире, необхо- димость увеличения производства продовольствия ведет к нехватке во- ды, особенно в развивающихся стра- нах, расположенных в засушливых районах, где проживает более 2 млрд, человек. Многие источники воды, особенно реки, используются не- сколькими странами, через которые они протекают. Поэтому в XXI в. ожидается развитие кризиса, свя- занного с дефицитом воды. Такой кризис уже проявился на Ближнем Востоке, где он может привести к политическому и военно- му конфликтам. Древний способ полива с помощью «журавля»
Вода в промышленности Промышленность не может существовать без воды. Она основана на «мок- рых» технологиях. Вода нужна для получения пара, а также для многих про- цессов: для охлаждения, промывки, поддержания концентрации химических веществ в растворах и т. п. Вода используется как промышленное сырье, так как в соленых подземных, озерных и морских водах содержится вся таб- лица Менделеева. •ЛП Для обеспечения всех потребностей промышленности ежегодно забирается из рек, подземных вод, озер и морей 1000 км3 воды. Примерно половина этой воды затрачивается на теплоэлектрос- танциях для получения пара и охлаж- дения, а остальная — в других отраслях промышленности. На самом деле про- мышленность использует гораздо боль- ше воды, чем забирает ее из водоисточ- ников, поскольку со второй половины XX в. началось применение так назы- ваемого оборотного водоснабжения, что означает многократное использование одной и той же воды, однажды забран- Тепловая электростанция мощностью 1 млн. кВт потребляет в год 1,5 км3 воды, а атомная той же мощности — в 1,5—2 раза больше. При производ- стве 1 т целлюлозы затрачивается 400—500 м3 воды, 1 т химического во- локна — 1—2 тыс. м3, резины — 1500 м3. Выплавка 1 т чугуна требует 50 м3 воды, а 1 т цветных металлов — от сотен до тысяч кубических метров. пают объемам воды, которые пришлось бы забирать из рек. Так, в России обо- ротное водоснабжение составляет 170 км3 ной из водоисточника после ее очередной в год, а на промышленные нужды уходит очистки. Конечно, часть воды при этом всего 70 км3. Таким образом, для бытовых, теряется на испарение и фильт- рацию, и эти потери приходится восполнять, но они количествен- но значительно усту- сельскохозяйственных и промышленных нужд ежегодно изымается во всем ми- ре из природных вод около 4400 км3. Это всего 1/10 часть годового стока рек, 1/20 объема пресных вод в озерах и совсем ничтож- ная часть запаса пресных вод в ледниках. Казалось бы, это не может сущест- венно влиять на водные объекты. Но в отдельных районах мира изъятие во- Арочные плотины с заполненными водохранилищами
Вода в промышленности Подавляющее большинство прудов и водохранилищ создано на освоенной человеком территории, где уже сильно нарушены естественные ландшафты, по большей части ставшие сельскохо- зяйственными угодьями, на которых построены различные сооружения и проложены дороги. В свою очередь, строительство прудов, малых и сред- них водохранилищ также меняет ланд- шафт, динамику рек, процессы фор- мирования русла. Но оно не столь разрушительно хотя бы потому, что улучшает водоснабжение, дает воз- можность заниматься рыборазведени- ем, устраивать зоны отдыха. ды серьезно влияет на окружающую среду. Так, в Центральной Азии реки Амударья и Сырдарья почти полностью отдают свои воды на орошение и водо- снабжение, и потому исчезает Араль- ское море. В США по этой же самой причине пересохла в низовье почти пол- ностью река Колорадо. Чтобы использовать воду, необхо- димы гидротехнические сооружения. Самые распространенные из них — плотины, с помощью которых создаются искусственные проточные озера — во- дохранилшца. Другое наиболее извест- ное сооружение — каналы, которые от- водят воду из реки или водохранилища. XX век можно назвать веком стро- ительства плотин, создания водохрани- лищ и каналов, в том числе самых круп- ных, которые построены в основном во второй половине XX в. Они необходимы для получения энергии, орошения, во- доснабжения, защиты от наводнений и рыболовства. Крупные многоцелевые водохранилища, и особенно каскады водохранилищ на ре- ке или в одном бассейне, заметно изме- няют состояние окружающей среды, на- рушая устойчивость водных экосистем. Но даже каскад крупных водохранилищ на Волге не вызвал столько изменений, сколько хозяйственная деятельность на всей площади бассейна этой реки. Природные воды человек загрязняет не только через трубы канализации. Все, что выбрасывается в атмосферу предприятиями и электростанциями, удобрения и химические вещества, используемые в сельском хозяйстве и частично сохраняющиеся в почве, в конце концов смываются дождевой и талой водой в реки и водоемы, под- земные воды, моря. В конечном счете все загрязнения попадают в природ- ные воды, реки их переносят, а озера, подземные воды и даже ледники ак- кумулируют, но всеобщей «свалкой» оказывается Мировой океан. уф Самая большая экологическая катастрофа — это загрязнение природ- ных вод. Она коснулась всех континен- тов. Из 4400 км3 воды, потребляемой ежегодно человечеством, значительная часть теряется на испарение и фильт- рацию, но примерно 1200 км3 сбрасыва- ется обратно в водоемы, в основном в ре-
Большая энциклопедия природы 53 ки, меньше в озера, моря и подземные воды. Это так называемые сточные во- ды, которые в процессе их использова- ния в быту, в сельском хозяйстве и про- мышленности насыщаются различными естественными и искусственными веще- ствами. Обычно эти воды собираются ка- нализационными системами и по трубам поступают на специальные очистные со- оружения или сливаются прямо в реки, озера, моря и под землю. Большое коли- чество загрязняющих веществ пополня- ет речные и озерные воды в результате смыва дождевой и талой водой почвы, остатков удобрений, пестицидов и дру- гих веществ с сельскохозяйственных по- АХлотины и водохранилища, как и каналы, в истории материальной культуры известны очень давно. Пло- тины использовались как для ороше- ния, так и для защиты от наводнений. лей. В районах развития сельского хо- зяйства это основной источник за- грязнения. Даже те воды, которые проходят очистные сооружения, нельзя признать безопасными, так как сущест- вующие системы не могут очищать воду полностью. Обычно степень очистки составляет 80—85%. Человек научился создавать, или, как говорят химики, синтезировать более 18 млн. веществ, из них в постоянном обиходе находится более 100 тыс. Мно- жество из них природе инородны. Это пестициды, диоксины, бифенилы. Та- кие вещества очень медленно разлага- ются. Через воду эти опасные вещества попадают в организмы людей и живот- ных. Поэтому сейчас главная задача — охрана воды от загрязнений. Но есть такие вещества, которые вообще пока не удается удалить из воды. Поэто- му даже очищенные воды требуют 5— 10-кратного разбавления, чтобы они по своему составу могли приблизиться к природной воде. Неочищенные сточные воды, сбрасываемые в реки, требуют 100—1000-кратного разбавления. Сей- час не менее 400 км3 сточных вод сбра- сывается без очистки, а это означает, что для разбавления всех сточ- ных вод до состояния природных уже не хва- тает годового стока рек мира.
Части великого целого Величие и мощь океана с давних пор поражали человека. Древние люди не только поклонялись этому необъятному водному пространству, населяли его добрыми или враждебными существами, но и боялись, испытывали су- еверный ужас. Но поскольку океан был необходим людям и как средство со- общения, и как источник пищи, они научились использовать его, разгадали его тайны и полюбили. (Огромное водное пространство, омы- вающее материки, в науке принято на- зывать Мировым океаном. Океан — это обширная часть Мирового океана, характеризующаяся большими размерами, са- мостоятельной циркуля- цией вод и атмосферы над ними, существенными осо- бенностями в распределении водных масс и величине физи- ко-химических параметров, а так- же в их режиме. Океан неоднороден. Слагающие элементы принято называть водными массами. Каждая из них представляет собой сравнительно большой объем во- ды, формирующейся в определенном районе Мирового океана — источнике этой массы, обладающей в течение длительного времени почти постоян- ным и непрерывным распределением физических, химических и биологиче- ских характеристик, составляющих его единый комплекс и распространяю- щихся как целое. По вертикальному положению в откры- том океане водные массы бывают поверхностными и подповерхно- стными, занимающими верхние этажи водной толщи (до глубин порядка 500 м), промежу- точными (в интервале глу- бин 500—1000 м), глубин- ными (1200—4000 м) и придонными (глубже 4000 м). Наибольшее распространение в Миро- вом океане получила холодная антарк- тическая придонная водная масса. Ее во- ды в Атлантическом океане достигают 40-й параллели с. ш. (! северных окраин океана, в Тихом а местами и 20° с. ш. , в Индийском — о (<7 Океанологи выделяют экватори- альные, субтропические, арктические и другие водные массы. Иногда водным массам дают имена морских бассейнов, Античные писатели называли Океа- ном величайшую реку, опоясывав- шую — по представлениям тех вре- мен — все земли и моря. Интересно, что Океан, как утверждали древние географы, граничил с морями, но не смешивался с ними. в которых они зарождаются. Например, в северо-восточной части Индийского океана есть аравийская, красноморская, персидская водные массы. Водная масса может распространять- ся на достаточно боль- Головоногий моллюск наутилус
Большая энциклопедия природы шие расстояния от места своего форми- рования. Скажем, в Индийском океане антарктическая придонная водная масса достигает северных окраин глубоковод- ных котловин в центре бассейна, т. е. примерно 22° с. ш. В этот же океан глу- бинными течениями переносится атлан- тическая глубинная водная масса. В морях, особенно во внутренних, об- щее количество водных масс невелико. Так, в Средиземном море исследова- тели выделяют атлантическую по- верхностную левантийскую промежу- точную и средиземноморскую глубин- ную водные массы. Единый Мировой океан традици- онно подразделяется на четыре оке- Е оды Мирового океана покрывают около 361 млн. км2, или 70,8% земной поверхности. Ученые даже иногда го- ворят, что планету нашу правильнее было бы называть Океаном. В океан- ской пучине накопилось 1,34 млрд, км3 влаги, что составляет (по разным под- счетам) 94—96% общего объема воды на Земле. IWUH!!4 ,;U.I IIL .Ill I i . узду Д1 I.II|^,L .ЗД-lli -U ский и Северный Ледовитый. Границы отдельных океанов показаны на карте. Водные рубежи океанов условны, осо- бенно в высоких широтах Южного по- лушария. С традиционным разграни- чением Мирового океана согласны не все ученые. Часть исследователей ана: Тихий, Атлантический, Индий- предлагают выделить в водах, окру- жающих Антарктику, пятый океан — редняя глубина Мирового оке- ана (в м) — 3711, Тихого — 3976, Индийского — 3711, Атлантиче- ского — 3597, Северного Ледови- того — 1225. Фотографирование океана с воздуха чаще всего выполняется с применением специальной техники, позволяющей получить наглядное представление о физических и химических параметрах океана
56 Части великого целого МИРОВОЙ ОКЕАН
Большая энциклопедия природы 57 338S МОРЕ СЕВЕРЕ) Ер И Вино !ТОКу 1ИНВИЧЭ АЛА ГЛУБИН В МЕТРАХ ХЮ 4000 2000 200
58 Части великого целого Наружная- окраска многих морских организмов — моллюсков, звезд, медуз — поражает разнообразием красок, причудливостью рисунков Южный, своеобразный аналог Север- ного Ледовитого. Эта точка зрения имеет полное право на существование, поскольку в южных приполярных районах Атлантического, Индийского и Тихого океанов существует особый режим вод. Северной границей пятого океана стало бы Антарктическое те- чение, огибающее земной шар в райо- не 50-й параллели. Серьезнейшим аргументом противни- ков выделения самостоятельного Южного океана является значитель- ная по масштабам сезонная миграция северной границы антарктических вод — около 4° по широте. В случае выделения Южного океана его разме- ры менялись бы в зависимости от се- зона. Это создавало бы массу не- удобств при описании пограничных Побережье океана — это вечный спор воды и суши акваторий, да и самих океанов в це- лом, а также при анализе их гидро- логического режима. Интересно, что 1910 г. Н.Н. Зубов (1885—1960) вел научные работы в Арктике, на Ба- ренцевом море, участвовал в созда- нии Плавморнина, первого отечест- венного научного учреждения, зани- мавшегося исследованием Мирового океана. В 1932 г. руководил научной экспедицией, целью которой было обойти вокруг Земли Франца-Иоси- фа. Основал Государственный оке- анографический институт. на новейших британских географиче- ских картах название «Южный оке- ан» применяется по отношению толь- ко к южной части Индийского океана. Есть и другие мнения по поводу вы- деления гидрологических объектов внутри Мирового океана. Например, один из основателей отечественной науки об океане Н.Н. Зубов считал, что Атлантику и Тихий океан обра- зуют различные в гидрологическом плане системы, и предлагал выделять в каждом из этих океанов в качестве самостоятельных подразделений се- верную и южную части.
Большая энциклопедия природы 59 Первые карты Мирового океана появились в XVI в. Обрамление карты использовано для символического изображения ветров основных румбов Название Атлантика пришло к нам из глубокой древности. Ученые полагают, что связано оно с названием Атласских гор на северо-западе Аф- рики. Следовательно, Атлантическое море во времена Гомера и Гесиода буквально означало «море за горами Атласа». Позднее греки стали так обо- значать юг известной им части совре- менного Атлантического океана, а прилежащие к Европе воды называли то Внешним морем, то Западным, то Северным. Последнее название про- держалось до 1650 г., когда на карте голландца Варениуса впервые появи- лись слова «Атлантический океан» в их современном понимании. Тихий океан был назван Фернаном Ма- гелланом так потому, что в течение всего аксимальная глубина Мирового океана составляет 11 022 м. Она из- мерена в Марианской впадине Тихого океана. Максимальные глубины дру- гих океанов (в м): Атлантический — 8742, Индийский — 7729, Северный Ледовитый — 5527. путешествия ни одна буря не нарушила покой мореплавателей. До этого, с лег- кой руки Васко Нуньеса де Бальбоа, ко- торый первым пересек Панамский пе- решеек, разделяющий два великих вод- ных бассейна, океан назывался Южным морем, в противоположность Северному, т. е. Атлантике. В XVIII в. появилось но- вое название океана — Великий, более соответствующее его размеру и харак- теру, но оно не прижилось. Индийский океан со времен седой древности был известен как Индийское море. Океаном впервые был назван в XVI в. Некоторые исследователи XVIII в. считали этот океан частью Тихого и называли его Ве- ликим Индийским заливом. Это евро- пейские названия океанов. Мореплава- тели других континентов давали океа- нам свои названия. Например, у арабов Атлантический океан когда-то называл- ся Морем Мрака (Бахруз-Зулумати). рупнейшие моря Мирового океана (тыс. км2): в Тихом — Филиппинское (5726), Коралловое (4068), Южно-Ки- тайское (3537), Тасманово (3336); в Ат- лантическом — Уэдделла (2910), Ка- рибское (2777); в Индийском — Аравий- ское (4832); в Северном Ледовитом — Норвежское (1340). Океанские акватории в Южном полушарии по площади больше, чем в Северном: 81 и 61% соответственно. Окраинные части океанов разделяют- ся на моря. Море — относительно не- большая часть океана, прилегающая к материку или вдающаяся в него, ко- торая отличается от остального океана геологическими, гидрологическими, геохимическими и другими особеннос- тями. Н.Н. Зубов писал, что самым суще- ственным моментом при выделении
60 Части великого целого Самыми длинными проливами в Ми- ровом океане являются Мозамбикский (1760 км), Девисов (1170 км), Малак- кский (937 км), Макассарский (710 км), Флоридский (651 км); самыми широки- ми (по наименьшей ширине) — Дрейка (830 км), Мозамбикский (422 км), Де- висов (360 км), Датский (287 км), Бас- сов (213 км). Среди наиболее важных (в навигаци- онном или гидрологическом отноше- нии) проливов к самым узким (по на- именьшей ширине) относятся Малый Бельт (0,5 км), Босфор (0,7 км), Ма- гелланов (2,2 км), Мессинский (3 км), Большой Бельт (11 км). морских бассейнов надо считать на- личие самостоятельных водных масс и их особого гидрологического ре- жима. Нередко моря отделяются от остального океана островными дуга- ми, как, например, Берингово море, или же выступами побережья, как Мексиканский залив. Очень часто внешними границами морей (как и самих океанов) служат условные линии. Моря бывают окраинными, межост- ровными и внутренними. К окраинным относятся, например, моря российской Арктики. Межостровные моря легко найти в Индо-Малайском архипелаге: Сулавеси, Банда, Яванское и др. Внут- ренними морями являются Балтий- ское, Средиземное, Черное. Кроме то- го, существует разделение морей на внутриматериковые и межматерико- вые. Так, Белое море — классический пример бассейна первого типа, Среди- земное море — второго. Более мелкие акватории морей и океа- нов — заливы. В них отсутствуют са- мостоятельные водные массы, а цирку- ляция вод подчинена общим динамиче- ским законам того или иного океанского (морского) бассейна. Если посмотреть на карту Мирового океана, то можно заметить множест- во несоответствий в названиях мор- ских бассейнов. Так, Мексиканский залив на самом деле является окра- инным морем Атлантического оке- ана, Персидский залив — внутрен- ним морем Индийского океана, Бен- гальский залив — окраинным морем того же океана, тогда как Аравий- ское море фактически представляет собой океанский залив, подобно Бис- кайскому. Такая путаница в назва- ниях возникла в период становления мореплавания. Иногда ее удается устранить. Например, водное про- странство между Гренландией и ост- ровами Канадского арктического ар- хипелага долгое время на картах обозначалось как Баффинов залив. Но во второй половине XX в. океано- логи установили, что эта акватория обладает всеми характеристиками морского бассейна, и на картах по- явилось море Баффина. Иногда, по одной из морских тради- ций, моряки только что спущенное на воду судно называют именем знаме- нитого корабля, некогда бороздившего океанские просторы. Высококлассными исследованиями Тихого океана просла- вился, например, в конце XIX в. рос- сийский корвет «Витязь». После Второй мировой войны это имя было присвоено флагману советской научной флотилии, который свыше 4.0 лет участвовал в ис- следованиях морей и океанов. Отечест- венная океанология начиналась в по- лярных морях плаваниями на «Пересе» в 20—30-е гг. XX в. Когда ветеран от- служил свое, его сменил в холодных арктических водах «Персей-2».
Большая энциклопедия природы Мидии на литорали Г> 1925—1927 гг. немецкие океанологи совершили памятный рейс на «Мете- оре». В наше время это же название было присвоено кораблю, бороздивше- му моря с 1963 по 1986 г., а потом во флоте ФРГ появилось третье судно под тем же названием. На смену пи- онеру океанологических исследований «Челленджеру» пришел «Челленд- жер-2», ходивший в середине XX в., а позднее первое судно, приспособлен- ное для глубоководного океанского бу- рения, получило название «Гломар Челленджер». В американском флоте о ходившем в 30-е гг. «Атлантисе» на- поминал спущенный на воду в 1963 г. «Атлантис-2», а некогда славное имя «Пайонира» возродил полвека спустя современный научный корабль. (у Больше всего морей в Тихом оке- ане. В советском атласе Тихого оке- ана, изданном в 1974 г., показано 28 мор- ских бассейнов, в том числе самое крупное и самое глубокое море на Знаменитое французское исследова- тельское судно «Калипсо» было пере- делано из старого тральщика- Новый корабль, построенный по специально- му заказу Ж.И. Кусто (1910—1999), получил имя «Калипсо-2». Подвод- ный странник «Наутилус» знаком каждому, кто читал роман Жюля Верна «20000 лье под водой». В честь корабля, рожденного выдумкой фан- таста, американцы назвали реальную подводную лодку, которая в начале 30-х гг. совершала подледные плава- ния в Арктике. Это имя получила и атомная подлодка, первой в 1958 г. ? прошедшая подо льдами в районе Се- ! верного полюса. [ Земле — Филиппинское. Однако в ат- ласе в их число не входят отдельные акватории, называемые местными жителями и даже некоторыми иссле- дователями морями. Это обширные межостровные акватории Филиппин- ского архипелага, море Натуна в юго-восточной части Южно-Китай- ского моря и др. В Атлантическом океане выделено 16 морей и близких им по величине и гидрологическому режиму заливов, в Северном Ледо- витом — 14, в Индийском — 13. Впрочем, и в этих океанах есть объекты с названием «море», кото- рые обычно не признаются учеными за самостоятельные моря. Так, юго- восточная часть Баренцева моря нередко даже в специальной ли- тературе называется Печорским морем, хотя, конечно, самостоятель- ным морским бассейном не является. В акватории Средиземного моря можно насчитать 7, а на некоторых
Части великого целого картах и все 10 морей, которые на самом деле являются крупными за- ливами. Определение границ и размеров морей все еще продолжается. Поэтому в справочных изданиях разных лет све- дения об отдельных морях могут раз- личаться. Не полностью уточнены и названия отдельных морских бассейнов. Меж- правительственная океанографиче- ская комиссия ЮНЕСКО рекомендо- вала при научных исследованиях ог- раничиться всего 59 морями. ! Проливы соединяют одну часть моря с другой, одно море с другим, мо- ре с океаном и т. д. Проливы, соеди- няющие океаны или моря, не прина- длежат ни к одному из связываемых ими водных бассейнов. Проливы бывают самыми разнообраз- ными по величине. Неодинакова и роль, которую они играют в В водообмене. Разумеется, пролив, |ж отделяющий какой-нибудь Lg. маленький островок от мате- рика, не сравнится с проли- ’ вом Дрейка или с Беринго- w вым проливом, соединяю- щим могучие океаны. Особенно велико значение проливов, связывающих внутриматериковые мо- ря с океанами. Именно размеры пролива определя- ют интенсивность водообмена прак- тически изолированного бассейна с просторами открытого океана, а это существенно влияет и на динамику морского бассейна, и на качество его вод. Мелководный пролив обра- зует в таком случае подводный по- рог, препятствующий водообмену в глубинных горизонтах. Глубина — основная характе- ристика морских проливов. На- именьшую глубину определяют на судоходном фарватере. Естественно, что с приближением к берегу глу- бины могут резко уменьшаться. Са- мыми мелкими проливами среди наиболее важных в навигационном или гидрологическом отношении считаются Тайваньский (8,6 м), Большой Бельт (11,3 м). Малый Бельт (11,9), Малаккский (12 м), Ма- гелланов (19,8 м), Босфор (20 м); са- мыми глубокими — Юкатанский (1269 м), Макассарский (930 м), Дрейка (276 м), Датский (120 м), Мо- замбикский (117 м). У пологих берегов накапливается переносимый морской водой обломочный материал
Прогулка по океанскому дну Океан начинается с береговой линии, которая не остается неподвижной: приливы и отливы, ветровые нагоны и сгоны, изменения атмосферного давления, вековые колебания земной коры дна влияют на уровень Мирового океана и способствуют тому, что береговая линия непрерывно переме- щается. От береговой линии в сторону открытого моря простирается при- брежное мелководье, шельф, что в переводе с английского значит «ус- туп» или «выступ». Это по большей части плоская равнина, плавно погружающаяся по направлению к середине океана. Средний уклон морского дна в пределах шельфа со- ставляет 0,07°. Так почему же при- брежные морские мелководья назы- вают уступами? Эта в целом пологая океанская структура после измене- ния угла наклона дна вдоль ее внеш- ней, морской, границы на гипсомет- рической кривой дна океана рисует- ся как полочка, уступ. Шельф — особая область океана. Он лучше всего прогревается солн- цем, принимает вместе с речным сто- 'пост Пикар (1884—1962) — швей- царский физик. Прославился своими до- стижениями в исследовании стратосфе- ры (держал рекорд высотного подъема на воздушном шаре — 16 200 м — в 1934 г.), а также изобретением батис- кафа, на котором в 1953 г. погрузился на 3150 м, что тогда было абсолютным рекордом для подводных погруже- ний. В 1960 г. на построенном им батискафе «Триест-2» было соверше- но — с участием его сына Жака Пикара — погружение на дно океана в Марианской впадине, самом глубо- ком месте Мирового океана. а г. погрузился it Г-s Вулканический остров посреди океана, ок- руженный мелководьем (шельфом). Изменения в ивете воды i свидетельствуют о резком увеличении глубины и уклона дна ком наибольшее количество осадков с континента и приносимых ими пита- тельных веществ, хорошо перемеши- вается ветром. Все это создает на прибрежном мелководье прекрасные условия для развития ор- ганической жизни. Основ-
64 Прогулка по океанскому дну Срединные хребты занимают около 15% общей площади океанического дна. В пределах ложа находятся так- же подводные плато и обособленные подводные вершины (гайоты), котло- вины и ложбины. Еще есть глубоко- водные океанические желоба, узкие и длинные, имеющие, как правило, ду- гообразную форму. Глубина океана в желобах значительно превышает 6000 м. Желоба занимают около 1,3% всей площади морского дна. ные изменения при колебаниях уров- ня Мирового океана сказываются на шельфовой зоне. При глобальном со- кращении речного стока, что харак- терно для эпох великих оледенений, часть шельфовой зоны становится су- шей, а в межледниковые эпохи она снова погружается в океан. Напри- мер, в пик последнего плейстоценово- го оледенения (18 тыс, лет назад) уро- вень Мирового океана располагался примерно на 120 м ниже современно- го, и к площади нынешней суши при- соединилась вдольбереговая полоса земли шириной от 1 до 400 км. Внеш- няя граница шельфа условна. Ког- да-то навигаторы ее ограничивали изобатой (линией равных глубин) 200 м. Впоследствии американские гидрографы предложили считать морской границей мелководья изоба- ту в 1000 футов (300 м). По мере хо- зяйственного освоения шельфа и раз- вития морских буровых работ к шельфу стали причислять все более глубоководные районы. Появилось понятие глубокого шельфа, к которо- му относят глубины до 500 м. Впро- чем, последнее понятие используется в основном зарубежными геолога- ми-нефтяниками и промысловиками. _ Природной границей материковой отмели служит линия, вдоль которой происходит резкое увеличение кру- тизны дна. Она располагается на глу- бине около 160 м. Пологие пространства шельфа сменя- ются более крутым (средний уклон — 4—7°, но максимальная крутизна мо- жет достигать 40—45°) материковым склоном, спускающимся до 2 км, ко- торый на отдельных участках изрезан глубокими подводными каньонами. Одна часть этих донных ущелий об- разовалась в результате тектониче- ских процессов; другая обязана своим возникновением рекам. Большинство каньонов прорыто мутьевыми потока- ми. Ширина материкового склона — 15—50 км. Материковый склон сменяется зоной неуплотненных отложений, окайм- ляющих его подножие. Эта зона так и называется — материковое, или кон- тинентальное, подножие. Ее слагают осадки, смытые с материкового склона. В пределах подножия четко выделя- ются конусы выноса подводных каньо- нов. Материковое подножие распола- гается на глубине от 2 до 2,5 км, хотя иногда опускается и до 4-километро- вой глубины. Ширина материкового подножия достигает тысячи километ- ров, а толща накопившихся на нем осадков — нескольких километров. Шельф, материковый склон и ма- териковое подножие образуют подвод- ную окраину материков, которая отно- сится к континентальному типу земной коры, коренным образом отличающуюся и по возрасту, и по составу горных пород от истинно океанских слоев. Плотность пород континентальной коры равна 2,7—2,8 г/см3, тогда как плотность по- род, слагающих океаническую кору, со- ставляет не менее 3,0 г/см3. Континен-
Большая энциклопедия природы 65 s о ч Харальд Ульрик Свердруп (1888 1957) — норвежский океанолог, начал научную карьеру как полярный иссле- дователь, в 1917 г. участвовал в мор- ской экспедиции по комплексному изу- чению зоны действия пассатных ветров в Северной Атлантике, потом до 1925 г. работал в Канадской Арктике, в 1931 г. ходил на подводной лодке «Наутилус» в арктические льды, в район Шпицбер- гена. Он написал популярный учебник «Океанография для метеорологов» и был соавтором выдающейся для того времени монографии «Океаны», своего * юо - 5 <3 *200“ 300- 400- 500 600. Трет, Мел Юра Триас Пермь Карбон Девон Силур Ордовик Кембрий Уровень моря Регрессия Трансгрессия рода энциклопедии морских наук. В 1960 г. в США был создан фонд его имени для поощрения океанологиче- ских исследований. Схема колебаний уровня моря в геологи- ческом времени. Регрессия — понижение уровня океана. Трансгрессия — подъем уровня тальная кора (материки и их подводные окраины) очень медленно смещается по поверхности более плотного, глубинного (подстилающего) слоя. В далекие геологические эпохи расположение матери- ков было совсем другим, так же как и соотношение суши и океана на поверхности Земли. Современное расположение конти- нентов сложилось в основном примерно 100 млн. лет назад, т. е. к середине ме- целом на 60 тыс. км. Если учитывать ответвления хребтов, то вся их сис- тема будет примерно в два раза длин- нее экватора. Ширина срединных хребтов — от нескольких сотен до 1500 км. Над океанским дном хребты поднимаются на 3 км и выше, а отдельные вулканические вершины выступают над уровнем знаменитый океана, как, например, остров Пасхи. левого периода. Подводная окраина материков зани- мает около 22% площади океанского дна, причем около 40% общей ее пло- щади составляет шельф. Почти всю остальную площадь дна зани- мает ложе океана (глубины — 2500—6000 м). Оно неоднород- но по рельефу и включает в себя различные структуры. Крупней- шая структура ложа — пла- нетарные срединные океаниче- ские хребты, встречающиеся во всех океанах и протянувшиеся в Кораллы
Глубинное вещество Земли Черные базальты — породы, слагающие океаническую кору, были обнаружены в 1874 г,, когда прокладывали телеграфный кабель через Северную Атланти- ку. Кусок базальта подняли именно со срединного океанического хребта. F- По современным понятиям, сре- динный океанический хребет является границей двух жестких литосферных плит. В этих областях земной коры по- зднее были обнаружены глубинные разломы, называемые осевыми риф- тами, по которым после раздвижения литосферных плит на поверхность дна океана выходят вещества верхней мантии. В зонах раздвижения (спре- динга) морского дна мантия сложена преимущественно перидотитами — породами, содержащими в основном оливин, обедненный кремнием. При раздвижении плит давление на ман- тийные породы сверху уменьшается, и часть мантии устремляется вверх. С глубин в 50—70 км от подошвы коры начинается восходящее движение ве- щества. Продвигаясь, порода начинает Молодые осадки поблизости от хребта \ Срединно- океанический хребет Слоистые осадки Древние осадки на удалении от хребта Схема образования молодой океанической коры в районе срединного хребта плавиться. В расплав переходит не бо- лее 20% вещества. У основания земной коры происходит разделение подняв- IVInorne формы рельефа на дне Ми- рового океана носят названия кораб- лей, исследовавших океанские просто- ры. Об отечественных исследователь- ских судах напоминают, например, возвышенность Персея и желоб Свя- той Анны в Баренцевом море, разлом Курчатова в Атлантике, желоб Витязя в Тихом океане. шегося материала. Самую нижнюю часть занимает перидотит. Над ним образуются габбро и другие породы с повышенным содержанием кремния, натрия и кальция. Верхнюю часть маг- матического очага занимает базальто- вый расплав. Достигнув поверхности срединного хребта, базальт стекает по склонам и застывает, образуя так на- зываемые подушечные лавы, и в са- мом деле напоминающие подушки. Магма застывает также в виде верти- кальных базальтовых пластин (даек). Таким образом, пространство, обра- зующееся при расхождении плит, за- полняется магмой. При дальнейшем раздвижении плит могут появляться трещины и разрывы, параллельные продольной оси срединного хребта.
Большая энциклопедия природы Губка Россела Многочислен- ные мелкие тре- щины образуются и в верхних слоях ос- тывающей коры. Во все эти трещины проникает морская вода. Просочившись в глубь коры, она нагревается и снова возвращается на поверхность. В ре- зультате подобной мощность которого может достигать 2 км. Как правило, этот слой разбит многочисленными трещинами. Курси- рующие по ним горячие минеральные растворы способствуют преобразова- нию пород, слагающих слой. Следую- щий, океанический, слой состоит из габбро; он образуется в результате за- стывания базальтовых расплавов в районе магматического очага. По мере удаления от срединного хребта габбро претерпевают существенные измене- ния. Толщина океанического слоя мо- жет достигать 5 км. Таким образом, об- щая мощность коры океанического ти- па — 5—8 км, что на порядок ниже мощности континенталь- циркуляции происходит вымывание из горных по- род компонентов, прежде всего ионов металлов, растворимых в воде. Вы- щелоченные элементы через выводные каналы вблизи гребня срединного хребта выносятся вместе с горячей водой в самый нижний слой океанской воды. Открытие этих ка- налов и соседствующих биологических сообществ в конце 70-х гг. XX в. Подводный вулкан (диаметр кратера 2 км) ной коры. При этом надо помнить, что современная океаническая кора никог- да не находилась в преде- лах континентов. Что же происходит далее с вновь образованной океанической корой? По мере возобновления про- цессов спрединга она слов- но стекает по склонам сре- динного хребта, постепен- но остывая, сокращаясь в объеме и все глубже погру- стало событием в океано- логии. Биологические сообщества, как и горячие растворы, способствуют преоб- разованию пород, отложившихся на дне океана. Прежде всего происходит изменение их химического состава. В жаясь в мантию. Гео- корню прямо нальна Поверхность застывшего лавового покрова результате на некотором расстоянии от гребня срединного хребта океаническая кора приобретает следующее строение: сначала идет слой молодых осадков, достигающий примерно полукиломет- ровой толщины, ниже залегает слой, состоящий из базальтовых покровов, логи подсчитали, что глубина погружения океанической коры пропорцио- квадратному ее возраста.
68 Глубинное вещество Земли Цуанка Вальдивия на юго-востоке Атлантики увековечила память одно- именного немецкого научно-исследо- вательского судна, бороздившего оке- ан в 20-е гг. XX в. Горы Шарко к се- веро-западу от Пиренейского полуострова названы в честь фран- цузского экспедиционного судна «Жан Шарко». О французском кораб- ле напоминает и глубоководная впа- дина Романш в экваториальной части Атлантики. Поднятие Альбатрос на востоке экваториальной части Тихого океана хранит память о шведском судне, проводившем исследования в этих водах в 1947 г. Но большая часть морских топонимов происходит от на- званий английских и американских судов. Английский пароход «Скоша», проводивший исследования в начале XX в. в приантарктических водах, < увековечен в названии целого моря, j а кроме того, двух подводных хребтов | в Южной Атлантике — Северный и ; Южный Скоша. S:: И? ;?-’•£ > , ‘ ; : ? Так, кора, возраст которой определен в 2 млн. лет, залегает на глубинах порядка 3 км; кора с возрастом в 20 млн. лет — на глубинах около 4 км, а при возрасте в 50 млн. лет кора находится на глубинах по- рядка 5 км. Новая кора движется вместе с теми литосферными плитами, на кото- рые она попадает. К настоящему времени выделено несколько крупных литосфер- Базалът — типичная порода, слагающая кору океаниче- ского типа В дыму и пламени рождается новая кора I ных плит. Большинство из них (Евразий- ская, Антарктическая, Северо-Амери- канская и др.) охватывают как континен- ты, так и соседствующие с ними части океанов. Чисто океанические литосфер- ные плиты расположены только в аква- тории Тихого океана (Тихоокеанская, Ко- кос и Наска). Полный цикл спрединга, от образования новой коры до ее погружения под континент, составляет 200 млн. лет. Поэтому-то на всем обширном простран- стве океанического ложа и не обнаружено пород древнее юрских. 'ак Ив Кусто (1910—1999) — офи- цер французского военного флота, с 1943 г. занимался подводными иссле- I дованиями. Вместе с Э. Ганьяном изо- брел акваланг. Усовершенствовал лег- ководолазное снаряжение. Сотрудни- чал с О. Пикаром — швейцарским физиком — при разработке подвод- ных погружаемых аппаратов, с 1944 г. руководил группой подводных иссле- дований, с 1962 г. проводил опыты по длительному пребыванию человека в подводном мире. В 1951 г. начал оке- анографические исследования в Крас- ном море на специально оборудован- ном корабле «Калипсо».
Много ли лет океанам? Когда ученые установили, что ложе всех океанов покоится на земной коре океанического типа, стало ясно, что впадины земной поверхности, в кото- рых скопилась океанская вода, очень древние. Но всегда ли была в них вода? Этот вопрос считается пока открытым. (jp Общепризнано, что органическая жизнь возникла именно в морской сре- де. Первые организмы появились не позже 3,5 млрд, лет назад. Однако ор- ганические остатки обнаружены толь- ко в раннепротерозойских отложениях (3,5—3,2 млрд, лет назад). Считается, что масса древнейших организмов бы- ла значительной на хорошо освещен- ных участках морского дна, но, как много имелось в то время на Земле та- ких участков, никто сказать не может. В отложениях венда (570—650 млн. лет назад) уже находят довольно мно- го органических остатков, следова- тельно, можно говорить, что накануне палеозойской эры на планете сущест- вовали достаточно обширные водные пространства, сравнимые по размерам с современными океанами. Сторонники теории дрейфа континентов полагали, что вплоть до конца палеозоя (около 250 млн. лет назад) все современные материки были собраны в единый об- ширный праконтинент Пангею, окру- женный огромным единым океаном. Противники этой теории утверждали, Относительный возраст пород океаниче- ского дна ученые определяют по органи- ческим остаткам или по их отпечаткам что материки и океаны в течение всей геологической истории не меняли по- ложения. Правда, и те и другие раз- деляли гипотезу о постоянстве общей массы океанских вод и общих разме- ров океанического пространства. Кусок песчаника из фор- мации реки Грин (штат Вайоминг) сохранил до наших дней драматиче- скую историю животного мира, разыгравшуюся 45 млрд, лет назад. Неиз- вестно, по каким причинам разразившаяся катастро- фа поглотила хищника и ее жертву
70 Много ли лет океанам? К концу XX в. появились много- численные данные о геологической мо- лодости современных океанов. Мор- ское глубоководное бурение (до 1000 м) не вскрыло пор древнее юрских. Следо- вательно, морское осад- конакопление началось не раньше, чем в по- следние 200 млн. лет. Получалось, что совре- менные океаны возник- ли лишь в мезозое, в ре- зультате опускания значительных блоков ; Схема расположения литос- ферных плит в юрское время ^мной коры возникают в континентального типа, которое со- провождалось излияниями базаль- товых лав, мощным панцирем покры- вавших дно образовавшихся оке- анических впадин. При этом из магматических расплавов выделялось огромное количество воды, заполняв- шей впадины. Одновременно земная кора под впадинами претерпевала тия морской фауны в течение всего фанерозоя, т. е. последних 570 млн. лет жизни нашей планеты, причем фауны, приспособленной к определенно- солевому составу оке- шических вод. В последние десятиле- тия геологи выдвинули новую гипотезу: океаны существуют постоянно, но при этом они столь же постоянно меняют свое местоположение: исчезая в одном месте, другом. Основным дока- зательством молодости современных океанов считаются результаты глубо- ководного бурения. Однако интерпре- тация этих результатов может быть неоднозначной. Не исключено, напри- мер, что под базальтами, в которых пока останавливается проходка океан- ских скважин, могут встретиться бо- лее древние осадочные образования. значительные изменения, так назы- ваемую океанизацию, приобретая чер- ты коры океанического типа. Теория выглядела стройной, но она противоречила данным исторической геологии. Прежде всего она не согла- совывалась с непрерывностью разви- Р азлом в лавовых покровах в зоне средин- но-океанического хребта JD 1946 г. немецким геологом Г. Штилле была высказана гипотеза о различном возрасте океанов. Уче- ный предполагал, что самым древ- ним из существующих океанов явля- ется Тихий. Его возраст превышает 1,5 млрд. лет. Ложе океана неоднок- ратно обновлялось, и этот бассейн I всегда являлся самым крупным ре- зервуаром воды на нашей планете. Такой же возраст у глубоководной части Северного Ледовитого океана. Ну а Индийский и Атлантический оке- аны — молодые образования. Их воз- раст не превышает 200 млн. лет. При этом Атлантика, скорее всего, обра- зовалась в результате раздвижения дна, тогда как Индийский океан — в результате погружения крупных блоков земной коры континентально- го типа.
Большая энциклопедия природы 71 ! f; Процесс образования океанов продолжается и в наши дни. По мне- происходила эта дегазация? Амери- канский ученый Т. Шопф подсчитал: нию ученых, мы являемся современ- никами раскрытия нового оке- за последние 3,5 млрд, лет могло об- разоваться не более пятой части ана, который через десятки миллионов лет может воз- никнуть на месте нынеш- него Красного моря. Итак, океанские впади- ны имеют разный воз- раст. Ну а заполняющая их вода? Прежде чем отве- тить на этот вопрос, нужно разоб- раться, откуда вообще взялась в океа- нах вода. Ученые утверждают, что ос- новной объем океанических вод образовался за счет дегазации ман- тийного вещества (выхода газов недр Земли на поверхность). На каком же этапе геологической истории планеты современного объема океанов. Верхняя мантия подверга- лась процессам дегазации преимущественно в тече- ние первого миллиарда лет существования плане- ты. В это время происходил массовый вынос из мантии Зем- ли к ее поверхности воды и кислых продуктов дегазации мантийного ве- щества. Около 2,5 млрд, лет назад средняя толщина водного слоя в оке- ане не превышала, видимо, 2000 м. Примерно 1,7 млрд, лет назад хими- ческий состав атмосферы и океаниче- ских вод стал близок к современному. Вдоль побережий Тихого океана проходит фундамен- тальная граница между двумя типами земной коры — океаническим и континентальным
Основные характеристики океанической водной среды Морская вода — удивительнейшее создание природы. И самое примечательное в ней — ее состав. В морской воде растворены очень многие элементы пери- одической системы, хотя большинство из них — в ничтожных количествах. Это уникальный по разнообразию компонентов раствор, исключительно бла- гоприятный для зарождения и поддержания органической жизни. 1 ту В морской воде количественно пре- обладают ионы хлора и натрия. Если же рассматривать не отдельные ионы, а хи- мические соединения, то больше всего в морской воде растворено хлоридов (88,7%), среди которых преобладает хло- ристый натрий, или обыкновен- ная поваренная соль. Зна- чительно уступают хло- ридам сульфаты (10,8%), соли всем хо- рошо знакомой серной кислоты. На все прочие приходится всего около 0,5% вещества общего солевого состава морской воды. Именно химический состав стихии Нептуна объясняет, почему морская вода на вкус горько-соленая и плавать в ней гораздо легче, чем в пресной, речной и озерной. Первое обстоятель- ство не требует особых комментариев, второе объясняется большей плотно- стью морской воды. Поскольку соотношение ионов в рас- творе постоянно, достаточно опреде- лить содержание одного из них, чтобы найти значение солености. Проще все- го выбрать преобладающий в растворе ион — таким в морской воде является ион хлора. Поэтому и определение со- лености при гидрохимических работах на судах сводится к определению хлорности, т. е. содержания галогенов в исследуемом образце морской воды. Хлорность и соленость связаны прос- тым линейным отношением. Зная пер- вый показатель, легко вычислить вто- рой: достаточно умножить значение хлорности на так называемый хлор- ный коэффициент (1,807). Однако гид- рохимики пользуются таблицами. <ту Показателем количества раство- ренных в воде химических веществ служит особая характеристика, кото- рую ученые называют соленостью. Соленость — это выраженная в грам- мах масса всех солей, содержащихся в 1 кг морской воды. Соленость изме- ряется в тысячных долях, или про- милле (%о). На поверхности открытого океана колебания солености невелики: Уровень океана всегда подвижен — океан то наступает на сушу, то уходит назад
Большая энциклопедия природы 73 от 32 до 38%о. Средняя поверхностная соленость Мирового океана составляет около 35%о (более точно — 34,73). Чуть выше средние значения солености Ат- лантики и Тихого океана (по 34,87%о), чуть ниже средняя соленость Индий- ского океана (34,58%о). Сказывается распресняющее воздействие антарк- тических льдов. Для сравнения стоит сказать, что обычная соленость речных вод не пре- вышает 0,15%о, т. е. в 1 кг речной воды растворено не больше 0,15 г минераль- ных веществ. Наименее солеными в открытом океане являются воды при- ' ермический экватор Мирового оке- ана, т. е. линия наибольших поверхно- стных температур воды, смещен отно- сительно географического экватора к северу. Многолетняя среднегодовая поверхностная температура океана на термическом экваторе составляет око- ло 28° в открытой акватории и около 32° — в замкнутых морях. ской. В Красном море, которое сообща- ется с океаном через мелководный и достаточно узкий Баб-эль-Мандебский пролив и практически не получает пресных вод с континентов, а также на- ходится в зоне повышенного испаре- ния, поверхностная соленость достига- ет самых высоких значений — до 42%о. Балтийское море, далеко вдающееся в пределы суши, сообщающееся с океа- ном через несколько мелких и узких проливов, находится в зоне умеренного климата и принимает воды множества рек и речек. В результате Балтика от- носится к самым распресненным бас- сейнам Мирового океана. Поверхност- ная соленость в его центральной части составляет всего 6—8%о, а на севере моря, в мелководном Ботническом за- полярных районов обоих полушарий. Этому способствует таяние материко- вых льдов (особенно в Южном полу- шарии) и больших объемов речного стока (в Северном полушарии). Такую же закономерность можно обнаружить и в отдельных океанах. К тропикам со- леность увеличивается, причем мак- симальные ее значения достигаются в широтной полосе 20—30° к югу и се- веру от экватора. В окраинных и особенно во внутренних морях соленость отличается от океан- Красное море — зарождающийся океан ливе, соленость и вовсе опускается до 2—3%о. С увеличением глубины соле- ность меняется. Это объясняется дви- жением подповерхностных вод или, как
74 Основные характеристики океанической водной среды Мж/гм ширм* , tpaj Cetepw* широту передко ученым задают вопрос: а есть ли в морской воде золото? Да, есть в ней и золото, и серебро, и многие дру- гие не менее ценные химические эле- менты. Только в мизерных количествах. Относительное содержание золота со- ставляет всего 40 миллиардных долей процента! Но даже такое малое коли- чество драгоценного металла из мор- ской воды можно добыть. Разработана и технология извлечения. Однако добы- тый таким способом металл окажется на порядок дороже его рыночной стои- мости. А вот уран из морской воды добывают, и притом в промышленных масштабах. В 1986 г. на берегу внутреннего Япон- ского моря был построен первый в мире завод по извлечению этого важного хи- мического элемента из природного рас- сола. Для этого морская вода пропус- кается через специальные фильтры, потом проводится ионная обработка фильтрата, а в конце технологического процесса абсорбируется химически чистый уран. В состав сорбента входят активированный уголь, гидроокись ти- тана, соли свинца и цинка. Установка позволяет получить до 0,6 мг урана на 1 г веса сорбента. Завод рас- считан на производство 10 кг металла в год. Чтобы получить такое количе- ство урана, надо профильтровать бо- лее 13 млн. т морской воды. Распределение средней солености воды на меридиональном разрезе в западной части Индийского океана. принято говорить у океанологов, гидро- логическим режимом конкретного бас- сейна. Например, в экваториальных широтах Атлантического и Тихого океанов под поверхностными водами толщиной 100—150 м прослеживаются слои очень соленых вод — выше 36%о, которые образуются за счет переноса глубинными противотечениями с за- падных окраин океанов более соленых, тропических по происхождению вод. Однако соленость резко изменя- ется только до глубин порядка 1500 м. Ниже этого горизонта колебания со- лености ничтожно малы. На больших глубинах разных океанов количест- венные значения солености сближа- ются. Сезонные изменения солености на поверхности открытого океана не- велики. Они не превышают 1%о. Однако в Мировом океане встречаются соленостные аномалии. Так, в Красном море на глубине около 2000 м обнару- жены воды, соленость которых дости- гает 300%о. Такая аномально высокая соленость обычно наблюдается на не- больших площадях, где горячие, силь- но минерализованные источники выно- сят в придонные слои океана растворы мантийного происхождения. Эти объ- екты получили образное название «черных курильщиков». У морской воды есть еще одно важ- нейшее свойство — постоянство соле-
Большая энциклопедия природы 75 вого состава. Оно не зависит ни от гео- графической точки, ни от глубины, с ко- торой взят образец воды. Это фундаментальное свойство установлено еще в конце XIX в. на основании ана- лиза проб, взятых во время кругосвет- ной экспедиции на судне «Челленджер» (1872—1876). Оно имеет огромное значе- ние для обитателей океана. Кроме того, постоянство состава морской воды сви- детельствует о единстве океанской среды на нашей планете и су- ществовании процессов пе- ремешивания, охваты- вающих всю толщу L вод, все районы Ми- рового океана. Кроме твердых веществ в морской воде растворены кислород, азот, угле- кислый газ, и это является необходи- мым условием для развития органиче- ской жизни в океане. На растворимость кислорода в мор- ской воде оказывают влияние и темпе- ратура воды, и соленость, и степень пе- ремешанности, и некоторые другие факторы. Важнейшие — температура и соленость. Чем выше температура и со- леность морской воды, тем меньше рас- творимость кислорода в ней, и наобо- рот. Итак, теплые и соленые тропиче- ские воды содержат меньше растворенного кислорода и не столь благоприятны для живых обитателей океана, чем холодные и менее соленые воды умеренных широт и приполярные воды. Это хорошо известно рыбакам, которые испокон веков занимались В сильно загрязненной воде рыбы, наглотавшись ядовитых смесей, теря- ют ориентацию. Этим можно объяс- нить выбрасывание на берег стаи не- больших акул. Такое явление наблю- дали в августе 1982 г. у западного побережья США, в районе Сан-Фран- циско. Люди, заметившие странное по- ведение рыб, попытались помочь им, сталкивая их в воду, но те вновь воз- вращались почти к самому урезу воды и погибали. Возможно, подобное от- равление вызывает и массовые выбро- сы китов на сушу. рыбным ловом именно в водах второго типа. В тропических районах обогащен- ная кислородом вода появляется в ре- зультате выхода глубинных вод в при- поверхностные горизонты либо прино- сится из умеренных широт холодными течениями. Углекислый газ (СО2) нахо- дится в морской воде в виде углекис- лых соединений. В океан он поступает из атмосферы, выделяется при дыха- нии живых организмов и разложении органического вещества, а также вмес- те с другими вулканическими газами из глубоких горизонтов земной коры. Рас- творимость СО2 в морской воде в десятки и сотни раз выше, чем у кислорода, 1 поскольку углекислый газ Я легко соединяется с водой, образуя углекислоту. WOwMs В океане этот газ играет очень важную роль, явля- ясь источником углерода, необходимого для постро- ения органического веще- |ЯиННи| ства. ШИИМ Один из первых дночерпателей
76 Основные характеристики океанической водной среды Полным антагонистом углекисло- го газа, который необходим для орга- нической жизни, является сероводо- род (Н2С). До недавних пор считали, что этот убивающий всякую жизнь газ встречается только в глубинах внут- ренних морей, где водообмен с откры- тым океаном ограничен (Черное, Бал- тийское и др.). Благоприятные условия для его на- копления в морской воде существуют прежде всего в глубоководных впади- нах. Здесь, на дне, содержание серо- водорода увеличено до 7 см3/л. Од- нако в 70-е гг. XX в. океанологи об- наружили этот газ в открытой северо-западной части Индийского океана, причем на средних глубинах. Следовательно, сероводород образу- Температурный режим в океан- ской среде гораздо менее изменчив, чем в континентальной. Если на суше абсо- лютная разница температур воздуха (в Колонии рифооЗразующих кораллов мозут существовать только в теплых тропических водах и притом на %лу&и- нах^ достаточно хорошо освещаемых солнечным светом ется не только в условиях застоя во- ды. Гораздо большую роль играют глубинные процессы в недрах Земли, побочный продукт которых (серово- дород) по коровым разломам и тре- щинам попадает в океан. Кстати, се- роводород и в Черном море, где он был впервые обнаружен, распростра- нен гораздо выше двухсотметрового горизонта — глубины, которой огра- ничивали раньше его присутствие. Оказывается, над зараженными серо- водородом черноморскими глубинами существует слой кислорода и газа, губительного для всего живого. Это так называемый С-слой. В Черном море его толщина меняется от 2 до 200 м. Выяснилось также, что зара- женную сероводородом водную тол- щу нельзя считать полностью без- жизненной. В этой анаэробной (т. е. лишенной доступа кислорода возду- ха) толще отмечены процессы' обра- зования биохимических соединений. На больших глубинах Черного моря гидробиологи обнаружили различные примитивные формы жизни: палоч- ки, кокки, нитевидные водоросли.
Большая энциклопедия природы 77 Каких только рыб нет в коралловых зарослях глобальном масштабе) достигает 150° С, то в океанах различие абсолютных максимумов и минимумов поверхност- ной температуры воды в 4 раза меньше. Если же иметь дело с региональным или тем более локальным изменением поверхностных температур, то разница обычно не превышает 10°. Так, темпе- ратура поверхностных вод Тихого оке- ана в районе острова Оаху (Гавайский архипелаг) в течение года изменяется не более чем на 4°, а в районе, непо- средственно примыкающем с юга к Алеутским островам, — на 6—8°. Разу- умеется, в мелководных прибрежных районах различий больше, особенно в морях умеренных климатических зон. Например, близ северного побережья Охотского моря различие средних тем- ператур поверхностной воды в самый теплый и самый холодный месяцы до- стигает 10—13°. До сих пор речь шла о среднемесячных температурах. Крат- ковременные же колебания температу- ры на поверхности моря вблизи побе- режий могут достигать несколько боль- ших значений. Объясняются эти колебания чаще всего тем, что прогре- тые поверхностные воды отгоняются от берега устойчивыми ветрами, дующи- ми с суши. Место прогретой водяной массы занимает более холодная глу- бинная вода. Воды Южного полушария значительно холоднее вод Северного. Такое разли- чие объясняется согревающим воздей- ствием материков, площадь которых в южной полусфере планеты существен- но меньше. Естественно, что самые вы- сокие температуры поверхностных вод наблюдаются в приэкваториальных широтах. По мере приближения к по- люсам они постепенно снижаются, а в приполярных районах опускаются до -1,5 — -1,9°. Заметим, что в океане во- да может находиться в жидком состоя- нии и при отрицательных температу- рах. Объясняется это тем, что морская вода представляет собой достаточно на-
78 Основные характеристики океанической водной среды сыщенный раствор солей, что примерно на 1,5° снижает температуру замерза- ния жидкости. В Мировом океане выделяют те же климатические зоны, что и на су- ше. В некоторых океанах отсутствуют те или иные климатические зоны. На- пример, в Тихом океане нет арктиче- ской зоны. В океанах можно выделить поверхност- ную толщу вод, прогретую солнечным теплом, и холодную глубинную. В глу- бину океана тепловая энергия Солнца проникает благодаря перемешиванию водных масс. Наиболее активно переме- шивает морскую воду ветер, особенно в летний сезон. Максимальная глубина ветрового перемешивания обычно 30— 40 м. Только в наиболее беспокойных океанических районах она существенно выше. Например, на юге Тихого океана, в штормовой полосе между 50-й и 60-й параллелями, ветровое перемешивание доходит до глубин 50—65 м, сильнее же всего оно к югу от Гавайских островов (свыше 100 м). Тепловое перемешивание особенно интенсивно происходит там, где действуют мощные океанические те- чения. Так, к югу от Австралии захвачен тепловым перемешиванием слой мощ- ностью 400—600 м. Уже на горизонте 100 м сезонные колебания температуры Схема распределения температуры воды на меридиональном разрезе в западной части Индийского океана морской воды несущественны, а на боль- ших глубинах Мирового океана темпе- ратура постоянна в течение всего года. С глубиной температура океанических вод снижается. Например, к северу от Гавайских островов поверхностная тем- пература океана составляет около 25° С, на глубине 400 м — всего 10° С. Таким образом, глубины океана, куда не про- никает солнечный свет, можно назвать царством не только вечной ночи, но и вечного холода. На глубине 2 км темпе- ратура воды опускается до 2° и ниже. Такой же ледяной холод царит и на чу- Разница глубинной и поверхностной температур морской воды может быть использована для получения электро- энергии. Принцип действия подобной электростанции таков: нагретая солн- цем поверхностная вода закачивается в специальную преобразующую систему, где трубы с морской водой соприкаса- ются с газами, имеющими низкую точ- ку кипения (фреон, пропан). Образую- щийся газ приводит в действие турби- ну генератора. Конденсатором служит холодная вода, закачиваемая с глубин в несколько сотен метров. Если разница поверхностной и глубинной температур воды составляет 15° и выше, то система может работать непрерывно. Опытные образцы таких электростанций испы- тывались в Японии и в Крыму. Разница средних температур поверх- ностной воды и находящегося над нею воздуха не превышает 2—3° и только в приполярных водах в течение холод- ного сезона она выше: 7—10°. Поэтому поверхностные воды океанов подчиня- ются глобальной климатической зо- нальности.
Большая энциклопедия природы 79 довищных глубинах океанических впа- дин. Итак, чем больше глубина океана, тем холоднее там вода. у В результате того что морская вода насыщена солями, плотность ее не- сколько выше, чем у пресной воды. В от- крытом океане эта плотность чаще всего равна 1,02—1,03 г/см3. Плотность зави- сит от температуры и солености воды. Она растет от экватора к полюсам. Ее распределение как бы следует геогра- фическому распределению температу- ры воды, но с обратным знаком. Эта закономерность наблюдается до 50—60-й параллели, после чего в вы- соких северных широтах плотность благодаря уменьшению солености не- сколько снижается. Некоторое умень- шение поверхностной плотности отме- чается в летние месяцы. С глубиной плотность также растет, причем уже на горизонте 500 м она не зависит от сезона. Нормальный рост плотности с глубиной называется пря- мой стратификацией океанических вод. Такое распределение плотности по вер- тикали обеспечивает равновесие вод. Выделяется три случая равновесия: ус- тойчивое, неустойчивое и безразличное. В океанской толще в целом преобладает устойчивое равновесие. Обратная плот- ностная стратификация наблюдается в океанах только как кратковременное яв- ление. Всякое нарушение прямой стра- тификации вызывает конвекцию и пе- ремешивание водных слоев. Многие океанические острова являются вершинами поднимающихся со дна океана одиночных гор
80 Основные характеристики океанической водной среды Перемешива- ние, или вер- тикальный водо- обмен, всегда связано с турбулентностью. Есть два ви- да турбулентного перемешивания: фрикционное и конвективное. Фрикци- онное перемешивание вызывается си- лой трения; оно возникает в движущем- ся потоке воды вследствие различий скорости в отдельных объемах движу- IVInorne обитатели океанской стихии реагируют даже на незначительные ко- лебания химического состава морской воды. Установлено, например, что по- врежденный при нападении хищника кожный покров стайных рыб выделяет особое соединение, называемое гидро- биологами веществом испуга. Это вещество предупреждает соседей об опасности. Донные и придонные ор- ганизмы, когда трутся о разнообразные подводные объекты или закапываются в грунт, испускают пахучие вещества, которые стойко держатся в воде, отпу- гивая врагов. Многие семейства акул, например, кошачьи, куньи, тигровые, молотоголовые, особенно хорошо раз- личают выделяемые организмами хи- мические соединения (кровь, вещество испуга). Акулы способны уловить ми- нимальные количества этих веществ в воде за много километров от потенци- альной жертвы. За исключительно раз- витое обоняние этих акул называют иногда плавающими носами. щейся жидкости. Именно такая сила действует при ветровом и приливном перемешивании океанических вод. Кон- вективное (плотностное) перемешива- ние наблюдается в условиях обратной плотностной стратификации, т. е. когда плотность вышележащего слоя морской воды в силу каких-то причин оказыва- ется выше плотности подстилающего слоя. Тогда в океанах и морях возникает вертикальная циркуляция вод, дости- гающая наибольшей интенсивности в зимних условиях.
Морские льды В океанах лед образуется в высоких и умеренных широтах. В приполярных водах из-за малого количества солнечного тепла льды сохраняются по не- скольку лет. Эти многолетние льды (пак) постепенно выносятся течениями в умеренные широты, где относительно быстро тают. Наибольшей тол- щины паковые льды достигают в центральных частях Северного Ледовитого океана — до 5 м. Таяние морских льдов начинается тогда, когда их темпе- ратура превысит -23е С. Главная особенность морского льда — его соленость, под которой по- нимают соленость воды, образующей- ся при его таянии. В среднем соле- ность льда составляет около 10% со- лености океанской воды. С течением времени и эта величина снижается, так что многолетний лед бывает почти пресным. Так как плотность морского льда меньше плотности морской воды (она колеблется от 0,85 до 0,94 г/см3), то плавучие льды возвышаются над поверхностью воды на 1/7—1/10 часть своей толщины. Прочность морских льдов заметно ниже, чем пресновод- ных; она возрастает с понижением температуры и солености льда. Пресная вода замерзает при темпе- ратуре лишь ненамного ниже нуля. А морская? Это зависит от солености. При солености 10%о (поверхностные воды Азовского моря) точка замерза- ния равна -0,53°, при солености 20%о (Черное море) — равна -1,07°, тогда как нормальная океанская вода (35%о) «()коло полудня яркий отблеск на южной части неба возвестил, что мы уже недалеко от цели. В половине третьего показался великий ледяной барьер. Он медленно поднимался из-за моря и наконец, когда мы подо- шли близко, предстал перед нами во всем своем величии. Трудно передать на бумаге, какое впечатление произ- водит зта могучая ледяная стена на человека, впервые оказавшегося с ней лицом к лицу. Сразу понимаешь, почему этот 30-метровый барьер не один десяток лет считался неодоли- мой преградой для продвижения на юг. Мы изменили курс и сутки шли вдоль барьера прямо на восток, по- лучив возможность вдоволь налюбо- ваться этим исполинским сооружени- ем природы. Не без волнения ждали мы встречи с долгожданной гаванью. Мы проходили мыс за мысом, но, сколько ни смотрели, видели только всю ту же отвесную стену». Р. Амундсен. Южный полюс. замерзает при темпе- ратуре ~1,9 Г. Однако первоначального охлаждения недостаточно. Оказывается, чем жид- кость чище и чем спокойнее ее состоя- ние, тем охлаждение больше. В лабо- раторных условиях чистую воду мож- но охладить до “33°, и никакого льда
82 Морские льды в бак с водой, до в ка] Айсберг с гротом образовываться не бу- дет. Но стоит ввести в переохлажденную жидкость небольшой кусочек льда, как не- медленно начинается бурное льдообразова- ние. Одна лишь кру- пица льда, брошенная переохлажденной всего ие-то полминуты обра- зует 2—3 кг льда. По стадии развития льды делятся на начальные (ледяные иглы, сало, внутриводный лед), молодые (блинча- тый, склянка, нилас, серый, белый) и многолетние (пак); по положению — на припай (неподвижный, примерз- ший к берегу лед) и дрейфующие льды; по происхождению — на реч- ные, глетчерные, морские и т. д. По возрасту различают весенний лед (об- разовавшийся перед текущим летом), годовалый, или однолетний, лед (пе- резимовавший) и многолетний лед (существующий не менее двух зим). Наименьшая прочность и наибольшая соленость у весеннего льда, самая большая прочность — у многолетнего. В океане дрейфующие льды встреча- ются в виде ледяных полей и их об- ломков. Наибольшего распростране- ния ледовый покров в океанах дости- гает в конце зимы: к апрелю в Арктике, где он занимает площадь около 11 млн. км2, и к сентябрю в Антарктике — около 20 млн. км2. Кроме морских льдов в океане встре- чаются огромные плавающие массы материковых льдов — айсберги, или ледяные горы. Эти массы льда отрыва- ются от береговых ледников Антаркти- ды, Гренландии, Шпицбергена и других полярных островов. Иногда материко- вые льды могут занимать и значитель- ные участки прибрежной акватории, например шельфовый ледник Росса в Антарктиде, площадь которого превы- шает 500 тыс. км2, а толщина льда до- стигает 700 м. Этот гигантский ледник полностью вытеснил воду с океанского шельфа. Со стороны континента он пи- тается долинными ледниками Бирдмор, ритьоф Нансен (1861—1930) — выдающийся норвежский полярный исследователь и общественный де- ятель. Впервые громко заявил о себе в 1888 г., когда с группой друзей пе- ресек на лыжах Гренландию, а потом провел зимовку в эскимосском стой- бище. Летом 1893 г. отправился на специ- ально построенной шхуне «Фрам» в Северный Ледовитый океан, чтобы совершить вместе с ледяными поля- ми дрейф через Северный полюс. Когда Нансен убедился, что корабль проносит мимо самой северной точки нашей планеты, он попытался до- стичь полюса пешком, однако этот переход успехом не увенчался, и пу- тешественник, перезимовав на Земле Франца-Иосифа, в 1896 г. вернулся в Норвегию. «Фрам» закончил свой дрейф следующим летом. После 1900 г. Нансен занялся гидро- логическим исследованием морей Се- верного Ледовитого океана, и прежде всего Норвежского. После Первой ми- ровой войны исследователь возложил на себя благородную миссию: облег- чить судьбы сотен тысяч людей, ко- торых политические катаклизмы ли- шили родины. Десятки тысяч изгнан- ников смогли восстановить свои гражданские права благодаря «нан- сеновскому паспорту», которым снаб- жал их Международный комитет по- мощи беженцам.
Большая энциклопедия природы Осколок столообразного айсберга Бэрда и другими, а в океан, точнее — в окраинное море Росса, обрывается почти 90 0-кило- метровым ледяным барьером высотой до 50 м. С уществуют проекты буксировки айсбергов в прибрежные регионы, ис- пытывающие недостаток в пресной воде. Инженерные расчеты показали, что на пути, например, из Антаркти- ки в Саудовскую Аравию айсберг средних размеров (длиной в 1 км, ши- риной 600 м и общей высотой 300 м) потеряет не более пятой части своего объема. Айсбергов, отрывающихся от остров- ных ледников, очень много. Например, гренландский ледник Якобсхавн еже- годно поставляет в океан около 1350 айсбергов, что составляет 10% всех гренландских айсбергов. Айсберги мо- гут достигать исполинских размеров. Самый большой возвышался над уров- нем океана на 149 м (а ведь это только седьмая часть его!). Вес подобных ги- гантов исчисляется миллионами тонн. По форме айсберги могут быть столо- образными и пирамидальными. Пер- вый тип характерен для антарктиче- ских «ледяных гор», которые образу- I ются при раскалывании сравнительно ровных ледяных языков или отделе- нии от основной массы однородного шельфового льда. Пирамидальные айсберги рождены быстродвижущи- мися ледниками. Айсберги принимают самые причудливые формы из-за не- равномерного таяния надводной и под- водной частей. Если подводная часть подтаивает быстрее надводной, то мо- жет произойти опрокидывание «ледя- ной горы». Высота айсбергов прогрес- сивно уменьшается по мере их про- движения в более низкие широты. Великий ледяной барьер (обрыв шельфового ледника Росса в океан)
Волны по морю гуляют Трудно себе представить океан абсолютно спокойным. Даже при полном без- ветрии водная поверхность не остается неподвижной. 'Д'л Идеальную гладкость штилевой поверхности океана нарушают либо зыбь, отголосок далеких штормов, бу- шующих иногда за десятки и сотни ки- лометров от спокойного моря, либо внутренние волны. Зыбь образуется, когда стихает ветер, вы- звавший волнение. Затем постепенно появляются волны с несколько боль- шей длиной гребней. Если ветровые волны ученые называют вынуж- денными, т. е. обязанны- ми своим возникновением действию внешнего фак- тора, то волны зыби счи- таются свободными, поскольку вызвав- шая их причина уже перестала дейст- вовать. В целом зыбь характерна для успокаивающегося океана, тем не ме- нее она нередко обладает колоссальным запасом энергии. Волны зыби могут проходить очень большие расстояния: у побережья Калифорнии были заре- гистрированы валы, зародившиеся в 7 тыс. км от него. Продвигаясь от места возникновения, волны зыби постепенно теряют высоту, но длина волны сохра- няется неизменной. Штили в открытом океане не так часты. На- пример, в Тихом океане, к северу от тропика Рака, зи- мой штилевым бывает в лучшем случае только один день в месяц. Причины вол- новых возмущений в океане различны. Ветровые волны на поверхности вызывает ветер. Это ясно из самого названия. Широкие просто- ры океана позволяют ему разгуляться и достигать разрушительной силы. Са- мые сильные ветры дуют между 40-й и 50-й параллелями обоих полушарий. Недаром у моряков этот пояс получил тревожащее душу название «ревущие сороковые». На севере Тихого океана максимальные скорости ветров были из- мерены в январе — восточнее Куриль- ских островов (48 м/с) и в районе Командорских островов (47 м/с), в де- кабре — к востоку от Хонсю (47 м/с). В южной части океана максимальные скорости ветров были зафиксированы в мае в районе к северо-востоку от Новой
Большая энциклопедия природы 85 Самые высокие волны образуются при обрушении вала цунами на берег Зеландии (49 м/с) и в октябре близ Юж- ного полярного круга, между островами Баллени и Скотта (46 м/с). ® В Тихом океане есть несколько районов, где особенно часто бывает сильное волнение. Наиболее штормо- вой район расположен у североамери- канского побережья, к югу от залива Аляска. Зимой средняя высота волн — 2,0—2,5 м, при сильных и длительных ветрах она возрастает в отдельных случаях до 20 м. Максимальная высота штормовой волны в Тихом океане — 25 м. Имеются сообщения о еще более могучих волнах (до 34 м), но их высоты оценивались на глазок, а потому могут оказаться преувеличенными. По рас- четным данным, в океане есть два района, где могут наблюдаться макси- «Справа шла огромная гора воды. С высоты не менее пятнадцати футов над бортом и двадцати над палубой море ринулось на правый борт по на- правлению к средней рубке. С крыши рубки точно слизало обломки шлюп- ки. Волна, ударившись о стену рубки, взметнулась вверх до нижнего рея. И вся эта масса воды вместе с облом- ками накрыла мистера Пайка и его людей. Они исчезли, мостик тоже ис- чез. «Эльсинора» качнулась влево, и всю палубу залило водой от борта до борта. Затем она зарылась носом, и вся эта масса воды хлынула к носу. Из бурлящей пены показывалась то чья-нибудь рука, то голова, то спина, а острые края сорванных досок и пе- рекрученных стальных прутьев сви- детельствовали о том, что в этом кру- говороте носятся обломки». Джек Лондон. Мятеж на «Эльсиноре». мально высокие волны. Оба они рас- положены у американского берега: на севере — в районе, примыкающем к побережью между городами Ситка и Сан-Франциско, на юге — к южной оконечности Чили и Огненной Земле. В других океанах максимальные вы- соты ветровых волн уступают тихо- океанским: в северной Атлантике — около 25 м. /Ту В разговорной да и в литературной речи нередко можно услышать, что «волны набегают на берег», «волны бе- гут за кормой корабля». Но, если быть точным, частицы воды в волне никуда не «бегут». Они совершают весьма ог- раниченные перемещения по замкну- тым траекториям. Передвигается в пространстве только форма волны, ее профиль. Самая верхняя точка траек- тории частиц называется гребнем вол- ны, самая нижняя точка — ее подош- вой. Расстояние по вертикали между гребнем и подошвой называется высо-
86 Волны по морю гуляют той волны, расстояние по горизонтали между двумя смежными гребнями или подошвами — ее длиной. Понятие «ско- рость волны» относится к скорости ви- димого перемещения формы волны. Под периодом понимают величину, об- ратную скорости, т. е. количество оди- наковых элементов частиц (обычно — гребней) за единицу времени. Но даже небольшой ветер нарушает эту идеаль- ную картину. Ветер срывает частицы воды с гребней волн (при этом образуя барашки), а сильный ветер опрокиды- вает гребни. Так что некоторое переме- щение воды по горизонтали при волно- вом движении все же происходит. При подходе волн к берегу они разбиваются и обрушиваются. Проникновение ветрового возму- щения в толщу воды весьма ограни- ченно. Уже на глубине, равной 1/9 длины волны, ее высота уменьшается вдвое, а на глубине в 3/2 длины высота ветровой волны составляет всего лишь 1/12000 от ее амплитуды на поверх- ности моря. Сила волнения, так же как и сила ветра, определяется в баллах. Высоту волны можно определять как Разрушение волн у скалистого берега на глаз, так и с помощью инструмен- тов. Силой волнения определяется и состояние поверхности моря (его при морских наблюдениях также выража- ют в баллах). Волнение бывает не только на поверхности океана. В мор- ской глубине есть внутренние волны. Они образуются на границе раздела между двумя слоями разной плотнос- ти. Скорость перемещения их формы уступает соответствующему показате- лю у поверхностных волн. Однако и внутренние волны могут обладать большой амплитудой. Их можно заме- тить, например, по ритмичным изме- нениям температуры на глубинных го- ризонтах. Особый случай представляют собой волны, возникающие под воздействи- ем атмосферного давления, — сейши и микросейши. Изучение волн, вы- званных подвижками земной коры (цунами), и приливных волн служит практическим целям. U наши дни создана глобальная, хо- рошо отлаженная сеть службы опове- щения и предупреждения цунами. Од- нако у жителей побережий есть и свои, вековые приметы приближения опасности. В Японии, например, появ- । ление вблизи берегов глубоководных рыб служит точным сигналом близко- I го землетрясения. У японцев есть да- ! же поговорка, которую можно пере- । вести примерно так: «Увидел у берега на мелководье косяки сардин — жди j беды». Многие виды рыб улавливают | нарастающее в воде перед подземным | толчком напряжение и стремятся по- I кинуть глубины. Перед особо сильны- \ ; ми землетрясениями наблюдается вы- ; брасывание рыб на берег.
Приливы Приливы — это ритмичные суточные или полусуточные колебания уровня океана (в этом определении учитывается не только рост уровня океана, но и его убывание — отлив). Прилив вызывается главным образом притяжением Луны, в меньшей степени — Солнца. Неверно думать, что небесные светила воздействуют только на жидкую оболочку нашей планеты. В твердом теле Земли приливы тоже существуют. Но они неизмеримо слабее тех, что об- разуются в водной среде. IJy Физическая суть прилива состоит в изгибании обращенной непосредст- венно к Луне поверхности океана. По- скольку Земля вращается вокруг соб- ственной оси, подобный изгиб переме- щается по поверхности океана. Регистрируется прилив как изменение уровня океана. Крайнее положение уровня в конце фазы роста (прилива) называется полной водой, в конце фа- зы отлива — малой водой. Разность уровней при полной и малой воде на- зывается высотой прилива. В течение суток бывает либо по одной полной и малой воде — и тогда прилив называется суточным, либо успевают совершиться два приливных цикла. И тогда мы имеем дело с полусу- точным приливом. Точный период по- харлз Дарвин (1809—1882) — вели- кий английский ученый, основатель эволюционного учения, теории разви- тия видов в ходе борьбы за сущест- вование. Внес значительный вклад и в морские науки, главным образом в биологию моря, исследовал живот- ный мир Галапагосских островов, по- ложил начало теории образования коралловых рифов. у’ Сила притяжения небесных тел достигает максимума в тот момент, когда они находятся на одной прямой по отношению к земному наблюдате- лю. Это происходит в новолуние или лусуточной при- ливной волны со- ставляет 12 часов 25 минут. Правиль- ный полусуточный прилив является самым распростра- ненным в Мировом океане. полнолуние. Подобное положение светил называется сизигием, а сам наступающий в эти дни прилив сизи- гийным. Наибольшие величины при- ливов отмечаются именно во время сизигия. Мощный сизигийный прилив пред- ставляет собой величественное зре- лище. Причудливые формы береговых скал возникают под могучим воздействием прибоя. Ученые называют подобные образования волноприбойными нишами
88 Приливы Две фотографии, сделанные с одной точки в моменты малой и полной воды, дают представление о приливных колебаниях уровня Стоит отложить все дела и заботы, чтобы хоть раз в жизни полюбовать- ся этим чудом природы. Так, на се- вер Франции в конце XX в. съеха- лось огромное количество людей чуть не с половины континента по- смотреть на «прилив века». Необык- новенно высокий прилив продвинул- ся по отлогому побережью в глубь суши на целых 15 км. Время наступ- ления полных и малых вод ежеднев- но меняется, так что в каждый по- следующий день полная вода насту- пает примерно на 50 минут позже, чем в предыдущий. Это суточное не- равенство связано с изменением на- клона земной оси к эклиптике и, со- ответственно, изменениями склоне- ний Солнца и Луны. Существуют и долгопериодные неравенства. Приливные колебания уровня в открытом океане не превышают 1 м. Еще меньше величины приливов в замкнутых и полузамкнутых внут- ренних морях. Такие бассейны обыч- но называют бесприливными, хотя на самом деле приливы в них существу- ют, но величины их не превышают 10—20 см, т. е. практически незамет- ны для наблюдателя. К бесприлив- ным морям, например, относят Сре- диземное, Черное, Азовское, Балтий- ское. При подходе к берегу происходит из- менение элементов приливной волны. По мере уменьшения глубины и со- кращения длины фронта волны при Впервые энергию приливных волн стали использовать в X в., когда в Англии начали строить мельницы, работавшие на приливной волне. Первая промышленная приливная электростанция (ПЭС) построена в 1967 г. во Франции, в устье реки Ра- не, близ города Сен-Мало. Средняя I высота сизигийных приливов в месте ее расположения — 10,7 м. Мощность этой станции составляет 240 МВт, а выработка электроэнергии достигает 544 млн. кВт • ч в год. Энергия, выра- батываемая этой станцией, довольно дорогая (значительно выше стоимос- ти энергии атомных станций), но ПЭС вносит заметный вклад в снятие пи- ковых нагрузок. В нашей стране с 1970 г. работает Кислогубская ПЭС в Кольском заливе.
r Большая энциклопедия природы 89 Так выглядит приливная электро- станция. Принцип ее действия несколько отличается от обычной ГЭС: отпадает необходимость сооружения высокой плотины, а турбины могут работать во время как прилива, так и отлива входе в узкий залив или бухту вели- чина прилива возрастает, поскольку энергия большой массы воды переда- ется значительно меньшей массе жидкости. Теперь ясно, почему в уз- ких заливах и устьях рек наблюда- ются большие по величине приливы. Правда, здесь путь по мелководью должен быть коротким, иначе значи- тельную часть энергии приливной волны погасит трение о дно. Прилив- ное трение имеет важные последст- вия: как бы мало оно ни было, этот процесс способствует замедлению су- точного вращения Земли (на 1 мин за 6 млн. лет). 1 Энергия приливных волн может оказать существенную помощь миро- вой энергетике. Подсчитано, что ее использование в глобальном масшта- бе даст промышленности, а также другим службам свыше 1 млрд. кВт, что в 1,25 раза превосходит энерге- тический потенциал всех рек земного шара. Существует немало проектов строительства новых ПЭС, в том чис- ле и в России (Лумбовская на Коль- ском полуострове, Мезенская). Основ- ной недостаток всех имеющихся про- ектов состоит в том, что районы, в которых можно строить такого рода объекты, пока не относятся к про- мышленно развитым, а следователь- но, недостатка электроэнергии в них еще нет.
Все течет Океан ни на секунду не остается в покое. Движение изначально присуще оке- анской стихии. Однако не всякие подвижки океанских вод могут быть на- званы течениями. Под морскими течениями понимают поступательные движения водных масс в океанах и морях. 1J Течения возникают благодаря двум физическим силам — трению и тяжести. Возбуждаемые этими силами течения называются фрикционными и гравитационными. Основные причины морских течений ветер, разность плотностей воды, разность уровней, со- здаваемых притоком реч- ных вод или воздействи- ем атмосферного давле- ния. В Мировом океане редко наблюдаются течения, вызванные каким-либо одним фактором. Например, такой могучий поток атлантических вод, как Гольфст- рим, образуется слиянием плотностно- го, ветрового и стокового течений. ( у По степени устойчивости выделя- ют течения устойчивые (например, Северное и Южное пассатные тече- ния), временные (вызываемые мус- сонами поверхностные течения северной части Индийского океана) и периодические (приливно-отливные). По положению в толще оке- анических вод течения делятся на поверхност- ные, подповерхностные, промежуточные, глубин- ные и придонные. Причем термин «поверхностное течение» мо- жет относиться к достаточно мощному по вертикали слою. Например, меж- пассатные противотечения в эквато- риальных широтах океанов прослежи- ваются до 300 м, а толщина Сомалий- ского течения в северо-западной части Индийского океана достигает тысячи метров. Интересно, что направление глубинных течений чаще всего проти- воположно направлению движущихся над ними поверхностных потоков. Течения делятся также на теплые и холодные. Теплыми называются те- чения, перемещающие водные массы из низких географических широт в бо- лее высокие, холодными — в противо- положном направлении. Деление на Волнение в океане
Большая энциклопедия природы 91 теплые и холодные течения относи- тельно: оно лишь характеризует по- верхностную температуру движущих- ся вод в сравнении с окружающи- ми водными просторами. Например, в теплом Норд- капском течении (Баренце- во море) температура по- верхностных слоев со- ставляет 2—5° С в зимние месяцы и 5—8° — в лет- ние, в теплом Аляскинском течении (Тихий океан) — со- ответственно 2—7 и 10—15°, а в холодном Перуанском (Тихий океан) — от 15 до 20°, в холодном Канарском — от 12 до 26°, в холодном Бенгельском (оба -— Атлантика) — от 15 до 26°. Особое место занимает тече- ние Западных Ветров (или Антарк- тическое циркумполярное). Оно отде- ляет теплые воды Атлантического, Ти- хого и Индийского океанов от холодных антарктических вод. Поэтому темпера- тура поверхностного слоя меняется от 12—15° в северной части этой динами- ческой системы до 1—2° на юге. По отношению к водам трех названных океанов это течение надо рассматри- вать как холодное, а по отношению к приантарктическим акваториям — как теплое. (р Отдельные течения в океанах объединяются в системы, включенные в общебассейновый круговорот. Самое известное морское течение — Гольф- стрим. Название это переводится на русский язык как Течение из залива. Оно сохранилось с тех далеких вре- мен, когда считалось, что течение воз- Веретенообразная форма тела рыб как нельзя лучше подходит к условиям движения в плотной водной среде никает как поток вод, устремляющих- ся из Мексиканского залива через Флоридский пролив в Атлантику, Те- перь известно, что лишь малая доля вод Гольфстрима вы- носится из залива. Тече- ние, выходящее оттуда, сейчас предпочитают называть Флоридским. Океанический поток, до- стигающий широты мыса Хаттерас на атлантическом побережье США, принимает в себя мощный приток из Саргассова моря. Тут-то и начинается собственно Гольф- стрим, могучая «река в оке- ане», уходящая на глубину 700—800 м и достигающая ширины 110—120 км. Отмечена еще одна особен- ность Гольфстрима: по выходе в океан оно отклоняется не вправо, как поло- жено в Северном полушарии под влия- нием вращения Земли, а влево! Это ре- зультат повышенного уровня океана в его субтропической части. Средняя тем- пература поверхностных слоев течения 25—26° (на глубинах около 400 м — всего 10—12°). Однако в Гольфстриме на расстоянии длины корпуса судна
Все течет бывают большие разности температур, достигающие 10°, а изменение цвета и прозрачности морской воды происхо- дит буквально на глазах. В поверхностном слое течения обычно обнаруживается ядро вод повы- шенной температуры, наиболее сильно выраженное у самой поверхности оке- ана, и ядро вод высокой солености с центром на глубинах 100—200 м. Эта особенность прослеживается вплоть до Большой Ньюфаундлендской банки. Та- ким образом, представление о Гольфст- риме как об очень теплом течении, про- ходящем через более холодные воды, справедливо только для поверхностного слоя, но и в нем самые теплые во- Одинаково ли направление западно- го ветра и западного течения в оке- ане? Верно ответить можно только в том случае, если знаешь правила оп- ределения этих направлений. Моряки говорят, что «ветры дуют в компас», а течения «идут из компаса». На обычный язык это переводится сле- дующим образом. Ветер дует с того края горизонта («с того румба», гово- рят специалисты), который указан в его названии. Следовательно, запад- ный ветер идет с запада. Течение же, наоборот, следует в том направлении, • которое упомянуто в его названии. Следовательно, западное течение следует с востока на запад. ды всего на несколько градусов превышают поверхностную темпе- ратуру вод Саргассова моря. Поверхностные скорости собствен- но Гольфстрима мо- гут достигать 2,0—2,6 м/с. Даже на глубинах порядка 2 км они все еще значительны: 10— 20 см/с. При выходе из Флорид- ского пролива мощность тече- ния составляет 25 млн. м3/с (а эта величина более чем в 20 раз превыша- ет расход всех рек планеты); после же присоединения Ан- тильского течения (из Саргассова мо- ря) мощность пото- ка возрастает до 106 млн. м3/с! Макаров С.О. (1848/9—1904) —рус- ский флотоводец, вице-адмирал, один из зачинателей отечественной науки о море. Исследовал течения в проливе Босфор, в 1886—1889 гг. совершил кругосветное плавание на корвете «Витязь», в ходе которого проводи- лись комплексные океанографиче- ские исследования, особенно в Тихом океане. Во время плавания в Арктике на ледоколе «Ермак» в 1899—1901 гг. собрал огромный научный материал. Погиб во время Русско-японской войны. И вот такой могучий поток устремля- ется на северо-восток к Большой Нью- фаундлендской банке. Отсюда Гольф- стрим, как и отделяющееся от него Течение Склона, поворачивает на юг, включаясь в северо-атлантический кру- говорот. А через океан, на восток, по направлению к Европе устремляется Северо-Атлантическое течение, кото- рое иногда считается частью вторично- го океанического круговорота вод. Северо-Атлантическое течение менее мощное, расход его воды со- ставляет от 20 до 40 млн. м3/с,
Большая энциклопедия природы 93 Съемки из космоса показывают. сложную структуру морских течений (отчетливо видны завихрения вдоль боковой границы потока). скорости — от 0,9—1,8 км/ч на юге до 0,4—0,7 км/ч на северо-востоке. Но влияние течения на климат евро- пейского материка огромно. Оно спо- собствует поступлению на континент влажных и теплых воздушных масс, что значительно смягчает климат за- падных окраин материка. Колебания расхода воды Северо-Атлантическо- го течения и его температуры (а они зависят от интенсивности Гольф- стрима) значительно влияют на изменения погоды. Гольф- стрим вместе с Северо-Ат- лантическим, Норвежским, Нордкапским, Мур- манским течения- ми, а также течени- ем Ирмингера часто объединяют в еди- ную систему, ока- зывающую благотворное влияние на климат Европы и температурный режим омывающих Но было бы приписывать воздействие Гольфстриму, нию, му свое существова- тысячи километров от ее морей, ошибкой подобное одному тече- прекращающе- ние за побережий Старого Света. Восточнее Гольфстрима расположен район, получивший печальную известность как Бермудский треугольник. Обычно его ограничивают воображаемыми линиями, соединяющими Бермудские острова, южную оконечность полуострова Флорида и остров Пуэрто-Рико. Хотя эту акваторию нельзя назвать самой штормовой в Ат- лантике, она привлекла к себе внимание большим количеством морских и воздуш- ных катастроф. Тщательному анализу были подвергнуты все случаи гибели само- летов и морских судов, зафиксированные после окончания Второй мировой войны, начиная с исчезновения звена бомбардировщиков «Груммен Эвенджер» 5 декабря 1945 г. Значительная часть катастроф произошла при спокойной погоде. Недостатка в самых фантастических гипотезах не было: кто-то объявлял этот район находя- щимся под прямым воздействием потусторонних сил, кто-то видел в гибели ко- раблей и летательных аппаратов вмешательство инопланетян, кому-то снилось воз- действие процессов, происходящих глубоко в недрах Земли. Характерным обсто- ятельством гибели были свидетельства многих экипажей о потере ориентировки. При исчезновении американских военных самолетов был записан разговор с Зем- лей: «Мы не знаем, где запад. Все исказилось. Все выглядит так странно... Мы не уверены ни в одном направлении. Океан тоже выглядит ненормально».
94 течет В Северной части Тихого океана также образуется могучий поток, на- правляющийся вдоль Японских остро- вов на северо-восток. По-японски это течение называется Куросио («Темная вода»). Хотя ширина его составляет около 170 км, а глубина проникнове- ния достигает 700 м, в целом Куросио уступает в мощности Гольфстриму. Близ 36-й параллели Куросио повора- чивает в океан, переходя в Северо-Ти- хоокеанское течение, пересекающее океан и продолжающееся у американ- ского побережья как теплое Аляскин- ское течение. Подобно системе Гольф- стрима, оно оказывает большое влия- ние на климат, гидрологические и гидробиологические условия северной части Тихого океана, но воздействие это распространяется прежде всего на акваторию. Отворот Куросио от побережья в зна- чительной мере обусловлен воздейст- вием подходящего с севера холодного Курильского течения Оясио — «Голубая вода» когда положено было мыслить мас- штабно, родился дерзкий, но бессмыс- ленный в своей основе проект: пред- лагалось с помощью исполинской пло- тины преградить дорогу холодным водам Курильского течения на юг, тог- да, мол, ласковые воды Куросио хлы- нут на север и будут способствовать потеплению климата северо-восточ- ных берегов Азии. Географиче- ская безграмотность «эффект- ного» проекта выявилась сра- зу. Даже если бы наша страна оказалась в состоянии тех- нически осуществить эту безумную затею, ника- кого смягчения клима- (по-японски ). Во времена, та не последовало бы. Над теплыми океанскими водами образовалась бы область пониженного атмосферного давления, и туда с холодных просто- ров азиатского континента устреми- лись бы потоки арктического воздуха, принося с собой еще большие холода. Таким образом, у северо-восточного побережья Азии мы сталкиваемся с географическим парадоксом: холод- ные океанские течения смягчают су- ровость дальневосточного климата. Значительное воздействие — не толь- ко на климат, но и на все виды чело- веческой деятельности — оказывает еще одно тихоокеанское течение — Эль-Ниньо (в пер. с исп. «Младенец»), теплое сезонное поверхностное тече- ние, наблюдающееся у берегов Эква- дора и Перу. Это течение названо так потому, что к побережью оно подходит в предрождественские дни, т. е. тогда, когда католическое население при- брежных районов отмечает Рождество Иисуса Христа (иначе — Святого Младенца). Проявляется оно не каж- дый год, но его прорыв сопровождает- ся резким повышением температуры воды, свидетельствующим об оттесне- нии в океан вод Перуанского течения, богатых биогенными элементами. Слишком теплые воды Эль-Ниньо гу- бительно действуют на размножаю- щийся в прибрежной полосе планктон и мальков рыб. В результате резко, порой в десятки раз, падают уловы местных рыбаков, которые считают прорыв Эль-Ниньо стихийным бедст- вием. Коварное течение, как показали исследования 1998—1999 гг., способно вызвать изменения климата в плане- тарном масштабе, порождая тропиче- ские ураганы, катастрофические лив- Движение неторопливый парящий полет птиц ската напоминает
Большая энциклопедия природы 95 Космическая съемка в инфракрасных лучах фиксирует распределение поверхностных температур воды в системе Гольфстрима ни и прочие стихийные бедствия в районах, отдаленных от мест его про- явления. ' §7 С районами взаимодействия теплых и холодных течений связано явление подъема глубинных вод (апвеллинг). Мощные вертикальные потоки воды вы- носят к поверхности океана глубинные воды, богатые биогенными веществами. В открытом океане апвеллинг связан с районами расхождения течений. В таких районах уровень океана понижается и происходит подток глубинных вод. Про- цесс этот развивается медленно — ты- сячные доли сантиметра в секунду. В от- крытом океане также возникают районы временных апвеллингов в результате воздействия донного рельефа. Времен- ные апвеллинги существуют не дольше нескольких суток. Существенно большее значение имеют прибрежные районы апвеллинга, ко- торые образуются под воздействием как сгонных ветров, так и динамиче- ских процессов в самой морской воде (внутренние волны, вдольбереговые течения и т. д.). Наиболее интенсивный подъем глубинных вод наблюдается в 10—30 км от берега, причем максималь- ные скорости в поверхностном слое до- стигают 10—30 см/с. В Мировом океане существует несколько стационарных районов апвеллинга, имеющих важное значение как для динамики океана, так и для рыбного хозяйства: Канарский, Бенгельский, Гвинейский в Атлантиче- ском океане, Перуанский и Калифор- нийский в Тихом, Южно-Африканский в Индийском, апвеллинг моря Бофорта в Северном Ледовитом океане. Послед- ний район апвеллинга известен в исто- рии освоения полярных морей как Ве- ликая Арктическая полынья. Виновником аномальных процессов в Бермудском треугольнике считают Гольфстрим, от которого постоянно отделяются более или менее крупные вихри, которые и стано- вятся причиной атмосферных нарушений. Для большинства современных морских и воздушных кораблей эти вихри не представляют опасности. Во всяком случае, десятки советских и американских исследовательских судов, участвовавших в 70—80-е гг. в спе- циальной программе по изучению Бермудского треугольника, остались невредимыми. Вывод ученых: воздушные и морские катастрофы не превышают обычного для нави- гации процента. Что же до их массовости, то в том повинна чрезвычайная интенсивность сообщений в этом районе — как в самом океане, так и над ним.
I Какого цвета океан? «Синего! Какого же еще!» — сразу же поспешит ответить читатель. А по- думав, добавит: «Цвета морской волны». 7 Для определения цвета морской воды существует специальная шкала образцов: 22 пробирки с жидкостями различного цвета, упакованные в осо- бую коробочку. Цвета эталонных жид- костей обозначены римскими цифрами от I до XXII. Начальные значения шка- лы соответствуют глубоким синим цве- там, характерным для вод открытого океана, где минимально количество взвешенных частиц и особенно высока прозрачность. Чем больше частиц, сильно рассеивающих свет, тем актив- нее проявляются в морской воде зеле- новатые тона. Ну а в районах впадения в океан крупных рек, несущих большое количество взвешенных частиц, мор- ская вода и вовсе принимает желтый или коричневатый оттенок. Можно также говорить о цвете поверх- ности моря. В этом случае глаз фикси- рует преимущественно отраженный свет, и водная поверхность может при- нимать самые разнообразные цвета — в зависимости от окраски небес. Как уже говорилось, цвет воды тесно связан с ее чистотой, для определения наряду с высокопродуктивными районами в океане встречаются на- стоящие «водные пустыни», продук- тивность которых необыкновенно мала (менее 0,4 г углерода на 1 м3 за год). Когда концентрация питательных со- единений становится слишком низкой, это сказывается не только на интен- сивности фотосинтеза и скорости де- ления клеток, но и на химическом со- ставе растительных клеток. Подобные «пустыни» расположены в централь- ных частях океанов, внутри тропиче- ских и субтропических (10—40° широ- ты) антициклональных круговоротов. Такой «пустыней» является знамени- тое Саргассово «море без берегов». которой введен критерии прозрачности. Но для строгого определения надо знать ряд трудно определимых в экс- педиционных условиях коэффициен- тов. Поэтому океанологи имеют дело с относительной прозрачностью, которая определяется элементарно просто: по глубине исчезновения из видимости бе- лого диска. Максимальные значения относительной прозрачности наблюда- лись в Саргассовом море и центральной части Бенгальского залива — 66 м. Во- обще же в центральных частях океанов этот показатель достигает 50—60 м, а в обширных морях — 30—35 м. В от- На восходе и закате солнца морская поверхность становится золотистой
Большая энциклопедия природы Распространение света в толще вод океана имеет огромное биологиче- ское значение, поскольку от него зави- сит фотосинтез и возможность сущест- вования зеленых растений. В океане выделяются 4 яруса освещенности. Первый — световой: он занимает верх- I ние 100—150 м волной толщи и харак- теризуется тем, что в нем могут раз- виваться зеленые водоросли. Световые лучи красной части спектра активно поглощаются уже в верхнем 20-метро- вом слое воды. Ниже 25 м в океанах и морях господствуют синие цвета. Яр- кая, необычная окраска морских орга- низмов, столь привлекающая зрителей при просмотре подводных киносюже- тов, проявляется только при освещении их ярким источником искусственного света. Глубины от 150 до 500 м заняты полусветовым ярусом. Освещенность здесь уже ничтожно мала, и для чело- веческого глаза на этих глубинах начинается царство вечной ночи, в ко- торое погружены океанские бездны. Однако в этом ярусе еще могут сущест- вовать бурые водоросли. А живых ор- ганизмов достаточно, чтобы вести ак- тивный рыболовный промысел. В мало- При шторме морская вода у берегов при- обретает грязно-серый цвет уменьшение в направлении полюсам. крытом океане наблюдается постепенное прозрачности от экватора к Рыба-актер ярусе м) во- совсем световом (500—1500 дорослей нет, но избирательный промысел воз- можен, по крайней мере на верхних го- ризонтах яруса. И, наконец, глубже 1500 м начинается бессветовой ярус. ( Солнечный свет не проникает в толщу вод. Однако глубины океана не полностью лишены света. Во мраке океанских пучин встречаются остров- ки света: чаще всего ими глубоковод- ные хищники привлекают добычу. Светящиеся органы (фотофоры) глу- бинных рыб состоят из клеток (фо- тоцитов), содержащих особое вещест- во — люциферин. Различны строение фотофоров, их расположение на теле и сила излучаемого ими света. Напри- мер, у светящихся анчоусов фотоциты Рыбы могут воспринимать свет не только глазами, но и железами внут- ренней секреции (эпифиз) и, как ми- ноги, особыми светочувствительными клетками в хвостовой части тулови- ща. У некоторых глубоководных рыб (например у удильщиков) светящие- ся органы представляют собой выне- сенные перед головой и заполненные слизью железы, в которых находятся светящиеся бактерии. Рыбы могут регулировать свечение этих органов подачей большего или меньшего ко- личества кислорода, когда сужают или расширяют артериальные сосу- ды, снабжающие упомянутые желе- зы кровью.
Какого цвета океан? П рирода снабдила глубоководных рыб замечательным приспособлением для улуч- шения зрения. Глаза обитателей больших глубин имеют особый отражательный слой, состоящий из кристалликов особого вещества — гуанина, подстилаемых неп- розрачным пигментом. Этот слой не пропускает свет к лежащим позади сетчатки тканям, а отражает его и возвращает на сетчатку. Так увеличивается возможность клеток-рецепторов воспринимать свет, попавший в глаз. помещаются обычно на нижней стороне тела. Они располагаются в мышечных впадинах. Черные пигментные клетки, прикрытые блестящим слоем, подстила- ют фотоциты. Эти пигментные клетки выполняют роль своеобразных рефлекто- ров. А перед фотоцитами находится проз- рачная чешуйка, выполняющая роль линзы. Некоторые фотофоры снабжены диафрагмой. Это позволяет их хозяевам менять как направление, так и силу света. IСетчатка глаза у наземных позво- ночных, как известно, состоит из двух видов клеток — колбочек и палочек. Сетчатка глаз глубоководных рыб, как показали специальные исследования, не содержит колбочек. Зато число палочек, ответственных за зрение в условиях ма- лой освещенности, заметно возрастает — до 25 млн. штук на 1 мм3 сетчатки, что способствует возрастанию вероятности улавливания даже слабого света. Жизнь в бессветовом слое возможна потому, что Солнце — главный, но не единственный источник энергии для жизни. Например, для гигантских ко- лоний водорослей, обнаруженных аме- риканскими гидробиологами в районе Галапагосских островов на глубинах свыше 2,5 км, источником энергии слу- жат сера и кислород, выделяющиеся из термальных растворов. Подобные же колонии обнаружены на дне Мексикан- ского залива в местах просачивания из-под земли природного горючего газа. Неповторимо прекрасен голубовато-синий цвет поверхности тропических морей
Береговая зона Прибрежные морские акватории всегда привлекали мореплавателей и рыбо- ловов, В наши дни в этих районах строятся гидротехнические сооружения, добываются полезные ископаемые, на берегах многих морей и океанов вырас- тают отели и гостиницы для туристов. Береговая зона — это узкая поло- са вдоль границы суши и моря, наибо- лее изменчивая область морей и океа- нов, где активно взаимодействуют все три оболочки Земли: твердая, жидкая и газообразная. Основное воздействие на береговую зону оказывают морские волны. Здесь расходуется гигантская энергия валов, зарождающихся на от- крытых океанских или морских про- сторах, что приводит к разрушению бе- регов и перемещению больших масс рыхлых наносов, образующих пляжи, косы и т. д. Игнорирование законов развития береговой зоны обычно при- водит к негативным последствиям. В первую очередь катастрофически раз- Морской прибой создает самые причуд- ливые формы береговых скал мываются берега, что наносит большой материальный ущерб населению всех прибрежных государств. Чтобы защи- тить природную среду береговой зоны, необходимо изучать изменения, проис-
100 зона Подъем уровня моря (трансгрессия) привел к затоплению многих антич- ных городов, например прибрежной части Эфеса, Марано (в Средиземном море), Пантикапеи, Фанагории, Тана- иса и других (в Северном Причерно- морье). На месте нынешнего селения у мыса Пицунда в I — II вв. до н. э. была крепость Питиунт с обширной гаванью. I I ходящие в ней, поскольку морские бе- рега и весь естественный комплекс этой наиболее густонаселенной полосы на Земле подвергаются все более усили- вающемуся воздействию со стороны человека при интенсивном хозяйствен- ном ее освоении. Береговая зона состоит из двух частей — надводной (берег) и подвод- ной (береговой склон), разделенных береговой линией, под которой пони- мается среднее многолетнее положе- ние уреза воды, или линии пересече- ния берегового склона с поверхностью моря при отсутствии волнения. Поло- жение уреза воды меняется от года к году, а также в результате кратковре- менных колебаний уровня моря. Из- вестно, что за последние 100 лет уро- вень Мирового океана повышался в среднем со скоростью 1,5 мм в год. Кратковременные колебания уровня бывают периодическими (приливно- отливными) и эпизодическими (сгон- но-нагонными). Береговой склон — это полоса морского дна, которая при данном среднем уровне моря подвержена воз- действию волнения, являющегося ве- дущим фактором динамики рельефа в прибрежной зоне. Разрушение волн при подходе к берегу начинается с глубины, равной половине их длины в открытом море. Таким образом, при длине штормовой волны 50 м, что ха- рактерно для таких морей, как Бал- тийское или Черное, воздействие волн на подводный береговой склон начи- нается на глубине 25 м, а при длине волны 150 м, характерной для откры- того океана, такое воздействие начи- нается уже на глубине 75 м. Волны в береговой зоне разрушают берега и подводный береговой склон (этот процесс называется абразией), переносят осадочный материал и со- здают различные береговые формы рельефа (аккумуляция). Абразия бы- вает механической, когда под дейст- вием удара волн и бомбардировки об- ломками пород разрушается берего- вой уступ; химической, когда происходит растворение морской во- дой карбонатных пород (известняки, доломиты и др.); термической, когда при тепловом и механическом воздей- ствии волн разрушаются берега, сло- женные мерзлыми породами или льдом. Сочетание абразии и аккуму- ляции приводит к большому разнооб- разию типов морских берегов. ’ Абразионные и аккумулятивные берега обычно взаимосвязаны: при разрушении первых образуется рыхлый материал, который переме- щается вдоль берега и создает вто- На отмелых побережьях, близ уреза воды, находят себе пропитание многочисленные стаи птии J
Большая энциклопедия природы 101 рые. Абразионные берега в Мировом океане занимают около 46% общей длины береговой линии, аккумуля- тивные — примерно 30%; оставшие- ся 24% приходятся на берега сме- шанного типа. В береговой зоне морей и океанов на- капливаются некоторые полезные ис- копаемые. Это прежде всего россыпи различных минералов (рутил, мона- цит, ильменит и др.), содержащих цен- ное рудное сырье: соединения железа, титана, циркония, ванадия, олова и других металлов. Прибрежные рос- сыпные месторождения формируются под действием тех же динамических процессов, которые образуют берего- вые аккумулятивные формы. Во многих районах побережья, распо- ложенных в тропической и субтропи- ческой зонах, производится добыча морской соли. От моря (океана) отде- ляются специальные бассейны, в ко- торых под влиянием солнечного тепла Для абразионного берега характерны живописные скальные обрывы и рас сыпанные вдоль береговой линии небольшие скалистые островки
102 Береговая зона осуществляется последовательное осаждение растворенных в воде хи- мических веществ. Хлориды выпада- ют из воды в последнюю очередь. Бас- сейн, в котором совершается этот процесс, называется садочным. Когда слой выпавшей из воды поваренной соли становится достаточно мощным (5—10 см), маточный рассол сбрасы- вают в море, а оставшуюся на дне бассейна соль дробят и сгребают в ку- чи. Чтобы избавиться от примесей магния, придающего соли горький вкус и делающего продукт непригод- ным для пищевых целей, собранную соль подвергают промывке и разде- ляют по категориям. Пищевая соль должна содержать не менее 96% NaCI, промышленная — не менее 94%. Если соль содержит только 90% NaCI, ее называют низкокачествен- ной и используют для посыпки дорог, в холодильном деле и т. п. Су В теплых тропических морях важным элементом береговой зоны яв- ляются коралловые рифы, которые создают неповторимые по красоте подводные ландшафты и формируют так называемые коралловые берега, изумляющие глаз чистотой пляжей из светлого песка. Пляжи из этого песка пользуются огромной популярностью у любителей отдыха в экзо- тических краях. К со- жалению, в на- стоящее время во многих райо- нах Мирового океана наблюда- ется разруше- ние коралло- вых рифов. У коралловых рифов есть серьезный враг: крупная морская звезда «терно- вый венец», или акантастер, назван- ная так за форму, обилие и остроту шипов, которыми покрыты ее лучи и спинная поверхность. Акантастер жи- вет в рифовых сообществах тропиче- ской зоны Индийского и Тихого океа- нов, где питается коралловыми поли- пами. Звезды медленно ползают среди рифов, начисто выедая все мягкие ткани полипов и оставляя за собой по- лосы известковых скелетов. В обыч- ных условиях этот процесс протекает медленно и приводит к постепенному обновлению рифостроителей. Однако время от времени наблюдается взрыв численности популяций «терновых венцов». Очередной такой взрыв про- изошел в середине 60-х гг. в западной части Тихого океана. Специалисты связывают этот процесс с потеплением поверхностных вод оке- ана, которое приводит к возникнове- нию пятен аномально теплых вод в об- ластях развития коралловых рифов, следствием чего становится так назы- ваемое выбеливание кораллов — ги- бель коралловых полипов в результа- те развития на поверхности рифов особого вида водорослей. Кроме того, коралловые рифы в прибрежной зоне гибнут из-за загрязнения воды, а так- же в результате сильных штормов и ураганов. Американские исследовате- ли проводили с 1961 по 1998 г. систе- матические наблюдения на коралло- вом рифе у берегов острова Барбадос. Ими были выполнены фотосъемки ри- фа с одной и той же точки в разное время существования колонии корал- Рисунок коралла, сделанный Луиджи Марсилъи (XVIII в.), одним из первых исследователей подводного мира
Большая энциклопедия природы 103 Три последовательные стадии разрушения кораллового рифа у острова Барбадос лов. В 1960 г. риф был разрушен мощ- ным тропическим ураганом Донна. Че- рез 5 лет он стал возрождаться, при- чем скорость роста кораллов достигла максимума в 1976 г. — 10 см за год. С 1978 г. началось повторное отмирание кораллов. Фотосъемка 1998 г. показа- ла, что живых кораллов на рифе уже не осталось, а вся его поверхность скрыта под сплошным покровом водо- рослей. Изучение морских берегов во всем мире проводилось очень интен- сивно, в результате чего в XX в. воз- никла новая область знаний — наука о морских берегах. Ее основополож- никами были американский ученый Д. Джонсон и наш соотечественник — В. П. Зенкович. Подводные исследования имеют важ- ное значение для изучения рельефа, донных отложений, фауны и флоры береговой зоны. Изобретение аквалан- га открыло для человека дверь в под- водный мир. Незабываемы ощущения при погружениях в море на коралло- вых рифах. Ныряльщика, впервые по- павшего в тропиках в мир кораллов, поражает их красота, яркость и раз- нообразие красок, пышность форм. Ко- ралловый риф обычно предстает в ви- де крепостных стен, башен и гротов, где живут безобидные усатые лангус- ты и опасные мурены. Вблизи корал- лового рифа обитает множество раз- нообразных рыб, обычно яркой рас- цветки. Среди рифов подстерегают добычу барракуды.
104 Береговая зона Плавая в нагретых (до +35°) водах, продираясь сквозь мангровые заросли, утопая в мягком и вязком иле, нетруд- но представить себе топкие прибреж- ные участки тропических морей ми- нувших геологических эпох. (jp Морские берега очень изменчивы. Даже один сильный шторм способен срезать огромную площадь суши, раз- мыть пляж, разрушить береговые постройки. Волны, однако, в счи- танные часы могут и со- здать широкий пляж, который станет лучшей защитой берега от раз- мыва. При устойчивом положении уровня моря в береговой зоне образу- ется относительное рав- новесие размыва и ак- кумуляции. Берег тогда считается стабильным. На протяжении последних тысячеле- тий уровень океана неоднократно ме- нялся, берега то отступали при его подъеме, то выдвигались в море при его опускании. Во многих районах мира размыв берегов воспринимается как серьезное стихийное бедствие. Один из таких районов — Черноморское побе- режье Кавказа. Причина размывов — нарушение человеком естественного равновесия в береговой зоне. Бедствен- ное положение на участке побережья между Туапсе и Сочи сложилось уже в конце XIX в., когда здесь вплотную к морю построили железную дорогу и начали неумело укреплять берег от размыва, что только ухудшило поло- жение. А потом, на протяжении всего XX в., люди бились над проблемой за- щиты железнодорожного пути от штормовых волн. В 1946 г. без учета за- конов развития береговой зоны был по- строен Сочинский порт, хотя ученые предуп- реждали о негативных последствиях непроду- манного инженерного проекта. В результате к юго-востоку от порта в пределах городской черты начались катаст- рофические размывы бе- рега, а «ковш» порта стал интенсивно зано- ситься песком. А в 60-е гг. на мысе Пицун- да недопустимо близко к береговой ли- нии были возведены многоэтажные гос- тиницы. В 1969 г. сильнейший шторм размыл узкую полосу пляжа перед гос- тиничными корпусами, волны разбили нижние этажи зданий и подмыли фун- даменты. Чтобы гостиницы не обруши- лись, пришлось возводить перед ними бетонные волнозащитные стенки и со- оружать «наброску» из бетонных бло- ков. Берег уникального природного комплекса был исковеркан. В береговой зоне на Аляске найдены россыпи золота, у юго-западного побережья Африки — алмазные россыпи. Особенно крупные россыпные месторождения мине- ралов, содержащих окиси железа, титана и циркония, расположены на побережьях Индии, Шри-Ланки, Бразилии, Австралии, США. Крупнейшие россыпи касситерита, одного из основных минералов олова, расположены в Юго-Восточной Азии. уществует много способов защиты берегов от размыва. Наиболее эффективным из них является создание намывных и насыпных пляжей.
Тихо ли в «Мире безмолвия»? «Миром безмолвия» называли морскую среду в недавнем прошлом. Сейчас уже такое услышишь редко, поскольку данное определение никоим образом не под- ходит океанским глубинам. /р Звуковые колебания очень хоро- шо распространяются в водной среде, в 4,5 раза быстрее, чем в воздухе. Ско- рость звука в морской воде зависит от ее температуры и солености. Округлен- но ее можно принять равной 1500 м/с. Наибольших значений в приповерхно- стных горизонтах океана скорость звука достигает в экваториальной об- ласти (более 1540 м/с), а с продвиже- нием в умеренные широты она посте- пенно снижается и минимума дости- гает в приполярных районах (1450 м/с и ниже). Затухание звука в морской во- де незначительно, и он может распро- страняться на очень большие расстоя- ния. Именно на этом свойстве основано применение эхолота, оно же использу- ется военными моряками при обнару- жении вражеских подводных лодок. Существенное влияние на распростра- нение звуковых волн в океане оказы- вает стратификация водных слоев. С глубиной скорость звука сначала уменьшается, достигая минимума (1470—1490 м/с) на глубинах порядка 1000 м, где лежит ось звукового кана- ла. Подводным звуковым каналом на- зывается слой воды, в котором ско- рость звука минимальна. Именно здесь, вдоль оси канала, кон- центрируется энергия распростране- Океанская среда помимо звуков нормальной частоты генерирует еще и низко- частотные звуковые колебания. Они не слышимы человеческим ухом, но могут оказывать сильное воздействие на наш организм. Особенно опасны инфразвуко- вые колебания с частотой 8 Гц. При их восприятии в организме появляется гне- тущее чувство неясной, но весьма реальной опасности, которое настолько сильно овладевает моряками, что мореплаватели перестают контролировать свои дей- ствия и даже лишаются разума. В этом состоянии экипажи судов способны на крайне необдуманные поступки. Например, они вдруг приходят к убеждению о невозможности оставаться больше на корабле. В таких случаях команда поспешно оставляет вполне исправное судно и чаще всего гибнет в океане. Подобные корабли не раз видели мореходы под разными широтами, чаще всего в открытом океане. Низкочастотные акустические колебания океанской среды получили название «голос моря».
106 Тихо ли в «Мире безмолвия»? ния звука. В этом слое возможно даль- нее и сверхдальнее распростране- ние звуковых волн. Известен такой факт: в 1956 г. звуко- вая волна от взрыва водо- родной бомбы на тихооке- анском атолле Бикини, пройдя 22 тыс. км, была за- регистрирована на Бер- мудских островах. Ниже звукового канала ско- рость звука начинает расти с глубиной, до- стигая максимальных значений (1530—1540 м/с) в придон- ных горизонтах. Начиная с 2-километ- ровых глубин скорость звука от точки жу. Вылавливая рыб, человек мог с давних пор убедиться в отсутствии у них органа слуха, подобного ушам на- земных млекопитающих. Многие вод- ные обитатели, а также некоторые ви- ды рыб (например, миноги и колюшки) наделены специальными чувствитель- ными клетками, при помощи которых они воспринимают колебания давле- ния и движения воды, в том числе и звуковые волны. Они, так сказать, «слышат» боками. Рыбы, как оказалось, прекрасно улавливают низкие звуки (частотой от 50 до 5000 Гц), а чувствительность их слуха к звукам диапазона от 500 до 1000 Гц не уступает органам чувств млекопитающих. Когда ученым с по- мощью гидрофонов впервые удалось прослушать океан, они были просто поражены разнообразием пронизы- вающих водную толщу звуковых сигналов. Сра- зу стало ясно, что из- вестная всем житейская мудрость «Нем как рыба» не верна. Хрюканье рыб-ангелов и морских собачек смешивает- ся с урчанием морских нали- мов, кудахтаньем морских пету- хов, лаем ставрид, жужжанием рыб-мичманов, скрипением некоторых видов бычков. Голос рыбы-жабы напо- к точке меняется мало. (Отчего же человек так долго счи- тал океан зоной полного акустического покоя? Дело в том, что поверхность во- ды является преградой, сквозь кото- рую звуки не могут проникать нару- Уже само название этой рыбы — щелкун свидетельствует о ее «разговорчивости»
Большая энциклопедия природы 107 минает хриплое ворчание или гудки проходящего в отдалении судна. Вбли- зи издаваемые рыбой-жабой звуки можно сравнить с работой отбойного молотка — во всяком случае по гром- кости: интенсивность ее выкриков пре- вышает 100 дБ! А с шумом, который издает стая дон- ных рыб-горбылей, могут соперничать очень немногие наземные жи- вотные. В Средиземном мо- ре стаи орлиных горбы- лей тревожат тиши- ну ритмическими, многократно по- вторяемыми тоск- ливыми стонами. Осо- бенно буйно ведут себя рыбы во время брачных игр. Рыба-дикобраз скрежещет, словно несмазанная двер- ная петля; задорно урчит сахалинский подкаменщик; свистит, чирикает, щелкает спинорог. Бычок-кругляк в пору нереста непрестанно скрипит, подзывая самку, а едва завидев ее, разражается громким кваканьем. Са- мец желтой макрели, встретив по- дружку, выражает удовольствие ис- тошным кряканьем. Ученые полагают, что печально из- вестные по античным мифам сирены, сбивавшие с курса и губившие море- плавателей, имеют много общего с осо- бенно шумливыми рыбами — морски- ми орлами. < * В первые годы развития гидроакус- тики (науки о распространении звука в водной среде) рыбьи шумы порой при- водили к серьезным недоразумениям. Звуки, издаваемые косяками рыб, на- блюдатели принимали за шумы судовых двигателей. Ложная идентификация ча- ще происходила в сумерках, когда не- которые виды рыб поднимаются из глу- бин и крупными стаями выходят к по- бережью. Весной 1942 г. подходившие к берегам США кося- ки были приняты акустиками за на- цистские подводные лодки, что вызвало настоящий перепо- лох среди береговой охраны. «Раз- говорчивость» не является привилегией рыб. Немалый шум производят и скоп- ления креветок. Тогда в гидрофонах можно услышать на- стоящий вихрь пощел- киваний, напоминаю- щих стук высыпаемого на асфальт мешка го- роха, а щелчки сопро- вождаются скрипами и звонами. Но наиболее извест- ны, конечно, ораторские способности морских млекопитающих. Самые раз- нообразные звуки издают серые и си- ние киты: вздохи, бульканья, стуки, чаще же всего стоны. Нарвалов, оби-
108 Тихо ли в «Мире безмолвия»? тателей полярных вод, человек может хорошо слышать. Они то разражаются громоподобными раскатами, то тяжело стонут и вздыхают, то пронзительно свистят, то переходят на бульканье, напоминающее полоскание горла людьми. Звуки этих китообразных хо- рошо проходят через лед, бывают слышны через днище шлюпки и даже через корпус корабля. Голоса белух издавна знакомы по- лярным мореплавателям. Разнообраз- ные скрипы, щелканья, скрежет и клекот, похожий на птичий, безуслов- но, вызвали к жизни их прозвище — морские канарейки, под которым они известны у норвежских рыбаков. Кро- ме того, эти млекопитающие способны пронзительно кричать и оглушительно реветь. Удивительно мелодичны голоса ки- тов-горбачей. Они напоминают звуча- ние музыкальных инструментов: то гобоя, то кларнета, то волынки. Горба- чей вполне можно называть океански- ми певцами. Если записанные на плен- ку их серенады воспроизвести с боль- шей скоростью, то китовьи хоры становятся похожими на пение птиц. Биоакустики утверждают, что при ус- корении записи в 16 раз из магнито- фонов слышится невообразимо пре- красная мелодия. Ученые Финляндии, изучая обитаю- щих в водах северных морей тюленей, обратили внимание на способность этих животных улавливать малейшие звуки, исходящие из глубины. Оказа- лось, что источники этих звуков могут быть удалены на значительные рас- стояния (порой даже высокочувстви- тельные приборы не в состоянии за- регистрировать их). Финским биоло- гам удалось установить, что главные акустические рецепторы тюленей располагаются в усах. На одном тю- леньем усе насчитывается до 1100 нервных окончаний. Именно с их по- мощью ластоногие воспринимают зву- ки, издаваемые другими животными, и могут превосходно ориентироваться под водой. В последнее время особую извест- ность получили способности восприя- тия звуков дельфинами. Диапазон час- тот воспринимаемых ими звуков не- обыкновенно велик: от 1 Гц до 320 кГц (рекордсмен — дельфин-белобочка), а возможно, и еще выше. Это значитель- но превосходит человеческие возмож- ности. Причем дельфины могут восп- ринимать сигналы с самыми минималь- ными временными интервалами — до 1—2 миллионных долей секунды. Нео- быкновенна способность дельфинов в Белухи одними из первых сообщили людям о своих голосовых способностях Белобочки — рекордсмены по восприятию звуков высокой частоты
Большая энциклопедия природы 109 Афалины различении частоты звуков: афалины улавливают разницу в 0,3%, азовки — даже в 0,02%. Меняя частоту звукового сигнала, дельфинам удается избавить- ся от слуховых помех. Лучше всего дельфины слышат в ульт- развуковом диапазоне. Используя свой необыкновенный слуховой аппарат, дельфины создали собственный живой локатор, позволяющий им и находить друг друга на большом расстоянии — за 100—130 м, и избегать даже в мут- ной воде как естественных, так и ис- кусственных препятствий. ® В начале 60-х гг. американский нейрофизиолог Дж. Лилли высказал гипотезу, что система общения дель- финов между собой принципиально такая же, как у людей. Он даже ут- верждал, что дельфины, единствен- ные среди представителей животного мира, выработали настоящий разум- ный язык. Этот язык будто бы можно расшифровать и, таким образом, на- учиться общению с дельфинами. Опыты американских ученых по- казали, что дельфинов можно обучить грамматическим конструкциям и да- вать им задания в форме связных предложений. Особенно большое значение активная локация имеет для глубоководных ор- ганизмов, живущих в условиях вечной ночи. Только с помощью активной ло- кации обитатели больших глубин мо- гут найти добычу или спастись от вра- га. Таким образом, от исправной рабо- ты живого локатора зависит само существование глубоководных пла- вающих видов. Однако именно дель- фины развили локационные способ- ности до совершенства. Эти качества используются человеком, например при обнаружении с помощью дельфи- нов минных полей. Слуховые способности дельфинов поразительны! Максимальная чувст- вительность их слуха на 20 дБ лучше, чем у человека. Предел дельфиньего слуха раз в 10 превосходит аналогич- ный порог у людей. Дельфины способ- ны слышать звуки, энергия которых в 400 (у касаток почти в 1000!) раз мень- ше воспринимаемой нашими ушами энергии. Вместе с тем дельфины спо-
110 Тихо ли в «Мире безмолвия»? .Российские ученые выяснили, что у дельфинов число уровней восприятия сиг- • налов больше 2 и иногда достигает 6. Подобная особенность среди живых оби- тателей нашей планеты есть только у человека. Кроме того, обнаружилось, что в подавляющем большинстве случаев дельфины обмениваются не отдельными сигналами, как все прочие представители животного мира, а группами сигналов, что характерно для людей. В сигнальных рядах дельфинов выявлены математические закономерности, свой- ственные человеческим текстам, что-то вроде деления на абзацы, главы, разделы. Это дает основание говорить об определенной синтаксической организованности дельфиньей «речи», хотя с нормальной человеческой, даже самой примитивной, речью сигналы дельфинов, разумеется, сравнивать нельзя. собны издавать звуки чрезвычайно высокой энергии. Если бы мы могли услышать сигналы дельфинов в диа- пазоне УКВ, то эти звуки оказались бы для нас громче рева реактивных лайнеров на взлетно-посадочной поло- се аэродрома. В давние времена глубины в мо- рях и океанах измеряли либо намет- кой — деревянным шестом с нанесен- ной на него мерной шкалой (на мел- ководье), либо лотом — свинцовым грузом с прицепленным к нему мер- ным линем. Подобные способы изме- рений находят применение и в наши дни. Идея использовать для измере- ний расстояний в воде звуковую вол- ну родилась в начале XX в. Ее прак- тически одновременно высказали рус- ский изобретатель К. В. Шиловский и француз Ланжевен. Совместный па- тент на изобретение им был выдан в 1916 г. Аппарат, сконструированный на принципе излучения и приема зву- ковой волны, назвали эхолотом. Он служит для быстрого — без остановки судна — измерения глубины океана, вычерчивания рельефа морского дна, определения расстояния до берега и всевозможных плавучих объектов и прочих задач, в частности для поиска в толще вод косяков промысловых рыб. Голубой кит — самое крупное животное в океанских пучинах. Длина его тела достигает 30 м
Источник жизни Органическая жизнь на нашей планете зародилась в океанской среде. Десятки миллионов лет все богатство органического мира ограничивалось только вод- ными видами. И в наши дни, когда суша давным-давно заселена живыми ор- ганизмами, в океане сохранились виды, возраст которых измеряется сот- нями миллионов лет. Немало тайн еще хранят океанские пучины. Не про- ходит и года без сообщений биологов об открытии новых видов животных и растений. Всего в океане обнаружено около 10 тыс. видов водных растений и более 160 тыс. видов животных организмов. Среди последних — 80 тыс. видов мол- люсков, свыше 20 тыс. видов ракооб- разных, примерно 16 тыс. видов рыб и 15 тыс. видов про- стейших и т. д. Жизнью пронизана вся многокилометровая толща океанских вод: от перенаселенных верхних горизонтов до мрачных бездн желобов, где на глуби- нах свыше 9 км суровые условия по- зволяют выжить бактериям да неко- торым видам беспозвоночных. Наиболее населен верхний слой оке- ана, поглощающий основную часть световой солнечной энергии. Именно здесь и происходят процессы фотосин- теза. Поэтому и слой называется сло- ем фотосинтеза. Его средняя толщина для всего Мирового океана — 56 м: экстремальные значения, в зависимос- ти от района, меняются от 8 до 80 м. Слой охватывает около 18,5 тыс. км3 океанских вод. На каждом квадратном кило- метре водной по- верхности в слое фото- синтеза ежегодно производится первичной биологической продукции (мельчайших планктонных организ- мов) от 20 до 788 г (в среднем по Ми- ровому океану — 166 г) в пересчете на химически чистый углерод. Человек познакомился с Саргассовым морем во время первого плавания Колумба. Название свое море получило от одного рода бурых водорослей — саргассум, ко- торые широко распространены в тропической и субтропической частях Тихого и Атлантического океанов. Однако все виды саргассума растут в прибрежной зоне. Как же появились водоросли посреди океана, да еще в таком огромном количестве? (Специалисты оценивают массу саргассума, плавающего в поверхностном слое «мо- ря без берегов», в 12—15 млн т!). Предполагают, что когда-то давно штормы от- орвали большие массы бурых водорослей от американских берегов. Саргассумы благодаря наличию у них особых наполненных воздухом пузырей могут долго дер- жаться в воде. Со временем они приспособились к жизни в неприкрепленном со- стоянии в относительно спокойном месте на поверхности воды.
112 Источник жизни Океан издревле кормил людей Производители и по- требители биологиче- ской продукции зани- мают неодинаковое место в океане. Общая масса производителей сильно уступает био- массе потребителей. Своей продуктив- ностью резко выделяются планктонные организмы. Они невелики по размерам, порой просто микроскопичны, но планк- тона в океане невероятно много, и при фантастической продуктивности он пос- тавляет огромное количество пищи для других водных обитателей: фитопланк- тон — главным образом для зоопланк- тона, а последний — для более высших организмов. Отношение «продукция: биомас- са» характеризует «производитель- ность» живых веществ за единицу времени. Для Мирового океана в це- лом это отношение равно 22,0; для от- дельных океанов выражается сле- дующими значениями: Индийский — 50,3, Тихий — 23,4, Атлантический с Северным Ледовитым — 16,5. Количество фитопланктона зависит от обилия в поверхностных слоях воды так называемых биогенных элементов — со- единений азота, фосфора, кремния. Очень важны специфические органиче- ские соединения (витамины), находя- щиеся в воде. Их ничтожно мало. По- скольку биогенными веществами богаты в основном глубинные воды океана, то для развития фитопланктона особенно благоприятны районы интенсивной вер- тикальной циркуляции и подъема глу- бинных вод (апвеллинга). К подобным районам принадлежат зоны гидрологи- ческих фронтов, где происходит сопри- косновение холодных и теплых водных масс (зоны контактов теплого Гольфст- рима и холодного Лабрадорского тече- ния в Атлантике, теплого Куросио и хо- лодного Оясио в Тихом океане), зоны расходящихся водных потоков (эквато- риальная), районы постоянных сгонных ветров вблизи побережий и др. В этих районах преобладает зоопланктон, пи- тающийся фитопланктоном, а также не- ктонные (т. е. свободно плавающие в толще воды) животные. Наибольшее ко- личество донных организмов характерно для прибрежных мелководных районов океана. Человек получает из океана около 12— 15% белков животного происхождения и 3—4% животных жиров (по отношению к мировому потреблению). Использова- ние крупных рыболовных судов и сов- ременных орудий лова привело к рез- кому возрастанию общего тоннажа ми- ровых уловов рыбы и других даров моря. После Второй мировой вой- ны уловы достигали всего 50 млн т, а в середине 80-х гг. масса уловов превысила 90 млн т в год и продолжает расти. Наряду с увеличени- Крабы — излюбленный деликатес жителей морских побережий
Большая энциклопедия природы Мангровые заросли — это особый мир на границе суши и моря в тропических странах ем массы улова стало ухудшаться его качество, уменьшилась доля ценных ви- дов; все чаще отмечаются переловы от- дельных видов традиционных промыс- ловых рыб. Некоторые ученые считают, что это чревато истощением запасов океанских рыб и других животных. Од- нако детальные исследования показали, что это далеко не так. По оценкам гидробиологов, промыс- ловый потенциал океанов используется наполовину. Некоторые специалисты по- лагают, что мировые уловы могут дости- гать даже 200—250 млн т в год. Что же ловят в океане? Свыше 90% уловов составляют рыбы. Причем да- леко не вся рыба потребляется самим человеком. Значительную часть уло- вов составляет такая мелкота, как пе- руанский анчоус. Эту мелочь перера- батывают в рыбную муку, идущую на прокорм домашних животных. Около 5% приходится на долю различных моллюсков, примерно 2% — на рако- образных и т. д. В пищевых и фарма- цевтических целях проводится сбор некоторых видов морских водорослей. Во многих странах создаются планта- ции для искусственного разведения наиболее ценных видов водорослей. В России такие морские угодья находят- ся в Японском море и на Соловецком архипелаге. Ведущими рыболовными странами яв- ляются Япония (с годовыми уловами более 12 млн т), Китай (8 млн т), Перу, Чили, США и т. д.
Минеральные богатства океана Мировой океан называют сокровищницей планеты. И в этом нет преувели- чения. В морской воде содержатся почти все химические элементы периоди- ческой системы. В недрах морского дна сокровищ еще больше. Веками люди и не подозревали об этом. Разве что в сказках морской царь владел несмет- ными богатствами. {yv? Человечество убедилось, что оке- ан скрывает огромные запасы совсем несказочных сокровищ только в конце XX в., и наконец-то занялось разра- боткой подводных богатств. Впрочем, сначала стоит сказать о тех полезных веществах, которые добыва- ются непосредственно из морской во- ды. Больше всего в ней, конечно, по- варенной соли. А первым химическим элементом, который начали добывать из морской воды, был бром, который почти невозможно извлечь из минера- лов на суше. Добыча брома составляет около 50 тыс. т в год и развита глав- ным образом в США, Великобритании, Японии. От 40 до 60% мирового метал- лического магния производится сейчас из морской воды. Для этого хлористый и сернокислый магний океанской вла- ги переводят в окись магния, которую впоследствии подвергают электрохи- мической обработке. Только в США и Общий вид предприятия по выпариванию соли из морской воды Великобритании построено свыше 20 заводов по производству «морского» магния. Кроме того, этот вид перера- ботки развит во Франции, Италии, Ка- наде, Японии, Германии и других странах. В меньших количествах из морской воды извлекают калий и йод. Неисчерпаемым источником мно- гих металлов, и прежде всего меди, свинца, кобальта, никеля, кадмия, зо- лота, серебра, а также некоторых ред- коземельных элементов, могут стать горячие (до +56°) рассолы близ разло- мов океанского дна, впервые обнару- женные в 1948 г. шведским научным судном «Альбатрос». Особенно подроб- но в этом отношении изучена впадина Атлантис-2, где выделено 7 различных типов металлоносных осадков. Обога- щенные ценными металлическими ком- понентами рассолы оседают на дно океана в виде металлоносных илов, ко- торые считаются весьма перспектив- ными в сырьевом отношении. Напри-
Большая энциклопедия природы 115 В последнее время стали использо- вать саму морскую воду в опресни- тельных установках, поскольку око- ло трети населения Земли испыты- вает острый недостаток пресной воды. До недавнего времени опрес- нение считалось довольно дорогим процессом. Именно поэтому опресни- тельные технологии распространи- лись прежде всего в разбогатевших на торговле нефтью государствах региона Персидского залива. На- пример, мощность опреснительных установок в Кувейте составляет 250 тыс. м3 в сутки, а в соседней Са- удовской Аравии из опреснителей ежесуточно изливается настоящая река мощностью почти 2,5 млн м3. После перехода опреснителей на га- зовое снабжение стоимость 1 т оп- ресненной воды составляет в этих странах около 12 центов. '? мер, высушенный ил из впадин Крас- ного моря содержит до 3% меди и до 10% цинка (в весовом выражении), а это сравнимо с содержанием металлов в «классических» континентальных мес- торождениях. Согласно сейсмическим данным, мощность таких илов может достигать 100 м, а потому суммарный объем рудной массы в одной только впадине Атлантис-2 составляет в пере- счете на сухой вес 100—150 млн т. Океаническое только рудными пространства его дно богато не илами. Огромные покрыты полиме- Участок морского дна с полиметаллическими конкрециями таллическими и фосфо- ритовыми конкрециями. Последние вообще рас- сматриваются как ос- новной промышленный источник фосфора в не- далеком будущем. Фос- форитовые конкреции широко распространены на шельфах и материко- вых склонах всех трех основных океанов. Гло- бальные запасы фосфоритов только на континентальном шельфе оценивают- ся в 300 млрд т. И хотя всего лишь 10% руд считаются при существую- щих технологиях пригодными для разработки, этого количества хватит на тысячу лет неограниченного ис- пользования. Полиметаллические кон- креции до недавних пор назывались железо-марганцевыми. Они были от- крыты во время исторического плава- ния «Челленджера» в 70-е гг. XIX в. В них на самом деле присутствуют марганец и железо, хотя относитель- ное содержание последнего невелико. Но главное богатство конкреций — медь, никель и кобальт. Их содержа- ние в конкрециях на несколько поряд- ков больше, чем в месторождениях на суше. Найдены в конкрециях также свинец и алюминий. Обычно конкре- ции встречаются на глубинах свыше 3 км. Обнаружены они и в шельфовых морях, например в Балтийском, но там конкреции беднее марганцем и цвет- ными металлами. Конкреция, образовавшаяся вокруг акульего зуба
116 Минеральные богатства океана Некоторые живые организмы способны концентрировать растворенные в воде мик- роэлементы. Такие организмы стали называть «живыми месторождениями». Впервые это явление обнаружено в Японии, где была замечена способность асцидий вбирать в себя растворенный в морской воде ванадий. (Асцидии — это донные морские животные из подтипа оболочников. Они прирастают к камням и иным твердым предметам на морском дне своей нижней частью, подошвой. Внешне одиночная асцидия похожа на мешок неправильной формы.) Содержание этого редкого металла в асцидиях достигает по весу 0,16%, что признано вполне достаточным для прибыльной добычи. Американские биологи утверждают, что для добычи золота из морской воды можно использовать некоторые виды сине-зеленых водорослей, которые не только способны «связывать» золото, но и могут удерживать его прочнее других металлов, постепенно освобождая от примесей. Кроме того, сине-зеленые водоросли с течением времени пе- реводят золото из раствора в кристаллическую форму: кристаллики благородного ме- талла обнаруживают прямо на живой ткани. /у Промышленную разработку конк- реций связывают с глубоководными районами открытого океана. У боль- шинства конкреций имеется ядро — вулканический обломок, а то и органи- ческая частица, например зуб акулы. Самая большая конкреция, поднятая в одном из рейсов «Витязя» с глубины около 3 км, имела диаметр более 1,5 м и весила свыше 1 т. Но обычный раз- мер конкреций куда меньше: от 1 до 5 см. Площадь океанского дна, покры- тая конкрециями, составляет около 280 млн км2, из них только в Тихом океане — свыше 150. Считается, что добыча конкреций рентабельна при их плотности не менее 5 кг/м2 (или 5 тыс. т/км2). А на океан- ском ложе есть районы с плотностью конкреций до 75 кг/м2. Предполагается, что на склонах срединно- океанических поднятий «Черный курильщик» — выходы горячих минерализованных растворов на дне океана она повышается до 200—300 кг/м2. Районы с высокими рудными концен- трациями занимают не менее 10% общей площади распространения полиметал- лических конкреций. По подсчетам отечественных геологов, запасы конкре- ций в Тихом океане составляют около 350 млрд т. В тихоокеанских конкрециях содержится не менее 71 млрд т марган- ца, 2 млрд т никеля, 1,5 млрд т меди, 1 млрд т кобальта. Запасы Атлантики и Индийского океана заметно скромнее: их общий потенциал оценивается «все- го» в 100 млрд т конкреций. В настоящее время делаются только первые шаги в освоении этих рудных богатств: разра- батываются методы и механизмы добы- чи, проводится их опытное опробование. Ну а чем же богаты недра под оке- аническим дном? Прежде всего нефтью и природным горючим газом. Именно это энергетическое сырье занимает в наши дни основное место в морских разработках. Современная теория образования нефти предполагает наличие жидких углево- дородов в основном в достаточно мощ-
Большая энциклопедия природы В океане добывается ежегодно около 1 млрд т нефти и около 500 млрд м3 газа. Наиболее интенсивно использу- ются акватории Северного моря, Пер- сидского и Мексиканского заливов. ных осадочных отложениях. Причем по- роды, их слагающие, должны провести определенное время в интервале темпе- ратур от 80—90 до 150—170° С. Только в этих условиях из рассеянного органи- ческого вещества, почти всегда имеюще- гося в осадочной породе, могут обра- зоваться нефтяные углеводороды. Как показывает геологическая практика, по- добные условия встречаются на глуби- нах от 2 до 6 км. Именно на таких глу- бинах в недрах Земли должна опреде- ленное время пребывать порода, чтобы породы континентального типа земной коры. Следовательно, нефть и газ могут встретиться или на шельфе, или на в ней зародились крупные нефтяные залежи. Образование газа начинается гораздо ближе к земной по- верхности, а заканчива- ется на значительно jf' больших глубинах / * осадочного чехла — материковом склоне. Все открытые до сих пор месторождения нефти и газа приурочены либо к шель- фовым структурам, либо к относительно малым глубинам материкового склона.. Современная буровая платформа, с которой производится добыча нефти и газа, похожа на маленький городок
118 Минеральные богатства океана В недалеком будущем люди, оче- видно, придут и в арктические моря, богатые жидкими и газообразными уг- леводородами, способными удовлетво- рить энергетические запросы гряду- щих поколений. Только не надо забывать, что морская нефть значительно дороже континен- тальной. Например, в конце 70-х гг. XX в. сухопутная буровая установка, предназначенная для работы на глу- бинах свыше 5 км, стоила около 4 млн долларов. В то же время средняя цена морской платформы с выдвижными опорами для бурения при глубинах моря не более 90 м составляла 25 млн долларов, а установка для бурения при глубинах моря порядка 1000 м об- ходилась нефтедобытчикам в 50—100 млн долларов. В середине 80-х гг. удельные затраты на добычу 1 т неф- ти на континентальных месторожде- ниях Ближнего и Среднего Востока составляли 1,5—15 долларов, на мор- ских — около 3,5—30 долларов. А ведь в Ближневосточном регионе ус- ловия добычи наиболее благоприят- ные на планете: здесь в относительно неглубоких залежах накоплены ог- ромные запасы углеводородов, при- чем вертикальный разрез месторож- дений напоминает слоеный пирог, в котором чередуются нефтеносные слои и непроницаемые для жидкости горизонты. Подобные месторождения можно разрабатывать в течение мно- гих десятков лет, причем минималь- ным количеством скважин. Ну а в бо- лее сложных условиях, например в прибрежных районах США, затраты на добычу 1 т нефти могут достигать и 90 долларов. На шельфе осуществляется также до- быча и других полезных ископаемых океанических недр. Как правило, гео- логи имеют дело с месторождениями полезных ископаемых, являющимися продолжениями материковых. Так, на- пример, обстоит дело с подводной до- бычей олова у полуострова Корнуолл (Великобритания). Здесь продуктивный горизонт уходит километра на полтора в море, тогда как вход в рудник Левант устроен на морском берегу. То же самое можно сказать о добыче железной ру- ды во Франции (Дьелетт) и Финляндии (острова Стур-Юссарё и Нихамн в Аландском архипелаге). Известны под- водные продолжения материковых месторождений цветных металлов в Швеции. Есть сведения об открытии месторождений никеля и меди подо дном Гудзонова залива. Крупный кже- Отмирая, колонии кораллов превращу ются в пористые известняки, в которых могут накапливаться в больших количествах нефть и газ
Большая энциклопедия природы 119 лезорудный бассейн простирается по- чти подо всей акваторией Азовского моря. Перспективны для разработок шельфы Приморья, Сахалина, Камчат- ки, Чукотки. Морские недра могут содержать и промышленные залежи серы. Связаны такие месторождения с особыми структурами — соляными куполами, характерными для нефтегазоносных районов. Подобные структуры откры- ты в акваториях Красного моря. Мек- сиканского и Персидского заливов. Пока разрабатывается только одно месторождение промышленного масш- таба: Гранд-Айл в Мексиканском за- ливе. Добыча здесь ведется с буровых платформ, напоминающих сооруже- ния пласт под давлением закачивается го- рячий пар, растворяющий серу; горя- чий расплав выкачивается потом на поверхность по трубам. нефтяников. В продуктивный Богаты океанские недра и углем. Известно около 60 подводных уголь- ных шахт. Большинство из них распо- ложено у берегов Великобритании; они обеспечивают около 10% наци- ональной добычи угля. Вся юго-запад- ная часть Северного моря занята уг- леносными отложениями каменно- Бугры и норки на дне показывают, что в толще морского ила живет немало животных, часть из них способна концентрировать в своих организмах металлы, становясь как бы «живыми полезными ископаемыми» угольного возраста. Вероятно, это один из крупнейших в мире каменноуголь- ных бассейнов. Тамошний уголь по ка- честву не уступает знаменитому рус- скому. Разработан даже проект специ- ального искусственного острова, с которого можно было бы проложить шахту под морские пучины. Уменьшенный вариант такого соору- жения построен на японском место- рождении Убе. Кстати, около трети суммарной добычи угля в Японии при- ходится на подводное сырье. Обычно разработка подводных месторождений ведется при помощи наклонных шахт, уходящих с берега на несколько кило- метров в море. Шахтные выработки проложены на глубинах до 150 м от по- верхности морского дна. У берегов Но- вой Шотландии (Канада) шахтеры опустились на глубину — почти Подводные залежи углей разведаны у берегов многих стран, Турции, Канады, Китая, Австралии, Чили. И частности Разработка прибрежных песков, содержащих окислы тяжелых металлов i;e большую полкилометра.
Океан нуждается в защите Безбрежен и велик Мировой океан. Неимоверно грозным является он людям в часы ненастий. И кажется тогда, что нет силы, которая справилась бы. с могучей пучиной. Увы! Это впечатление обманчиво. Серьезная опасность угрожает океану: в океан, капля за каплей, устремляются чуждые океанской среде вещества, которые отравляют воду, уничтожают живые организмы. Так что же это за опасность, на- висшая над океаном? Это загрязнение, т. е. внесение человеком вещества или энергии в морскую среду, которое причиняет ущерб морским организ- мам, угрожает здоровью людей, дела- ет морскую воду непригодной для ис- пользования и, конечно, губит красоту морских ландшафтов. Загрязнение может быть механиче- ским, тепловым, энергетическим, хи- мическим. С механическим загрязне- нием знаком всякий, хоть однажды побывавший на морском берегу. Волны выносят на пляжи самые разнообраз- ные предметы, брошенные либо сне- сенные с палуб кораблей, обрывки ры- боловных сетей, предметы навигаци- онной обстановки и др. Иногда (например, вдоль оживленных судо- ходных путей) выброшенный мусор окаймляет берег многометровыми ва- лами. При тепловом загрязнении значи- тельно повышается естественный уровень температуры воды. В мор- ских условиях тепловое загрязнение бывает только локальным. Вызывает- ся оно сбросом нагретых сточных вод в районах крупных городов, стоками атомных электростанций (как, напри- мер, на восточном побережье США) и др. В экстремальных случаях тем- пература воды может повыситься за короткий отрезок времени сразу на несколько градусов. При этом естест- венное равновесие в загрязненном районе нарушается, гибнут холодо- любивые организмы, их место зани- мает флора и фауна, чуждая данной Загрязнители попадают в морскую среду вместе со сточными водами
Большая энциклопедия природы 121 I акватории. Особенно губительно теп- ловое загрязнение для донных орга- низмов. Энергетическое загрязнение морской среды также проявляется, только ло- кально. Оно происходит при проведе- нии некоторых видов геофизических работ, во время которых создаются ис- кусственные электрические или маг- нитные поля и энергия выбрасывается в окружающую среду. Например, ког- да ведут электроразведку на шельфе, может произойти поражение рыб Загрязнение океана продуктами промышленной деятельности человека может происходить через воздух Наиболее опасно для океанской среды и ее обитателей химическое за- грязнение. Ежегодно от техногенных источников в атмосферу поступает до 25 млрд т углекислого газа, около 190 млн т угарного газа, около ПО млн т двуокиси серы, около 70 млн т окис- лов азота, свыше 50 млн т углеводо- рода и т. д. Значительная часть этой массы загрязнителей выпадает вместе с атмосферными осадками на поверх- ность океанов. Величина ежегодного потока сухих солей, поступающего из атмосферы на поверхность океана, равна 900 млн т, что в пересчете на квадратный метр океанической по- верхности дает среднюю величину в 2,6 г. Только различных углеводород- ных соединений в морские бассейны Северного полушария ежегодно выпа- дает около 2,1 млн т, Южного полу- шария — около 1,2 млн т. По подсчетам геологов, в Мировой океан ежегодно попадает около 28,5 млрд т различных веществ. Основную массу их составляют взвеси, выносимые вместе с речным стоком, — 18 млрд т. Еще примерно 4 млрд т вещества вы- носится реками в растворенном виде. Бытовые отходы (не считая органиче- ского топлива) «обогащают» океан- скую среду на 3 млрд т. Такое же ко- личество вещества дают океану лед- ники. Остальное электрическим током, а при сейсморазведке — поражение упруги- ми колебаниями. В настоящее время экспериментально установлены зоны поражения морских организмов при различных видах работ и определены меры предосторожности, ограничива- ются мощности источников энергии. приходится на долю частиц
122 Океан нуждается в защите горных пород, вулканической пыли, твердых частиц, которые выбрасывают в атмосферу промышленные предприя- тия. Разумеется, далеко не вся эта масса расценивается как загрязнитель, однако в планетарном масштабе с водами рек в моря ежегодно сбрасывается более 320 Значительная часть прибрежных вод загрязняется с пляжей млн т соединений железа, 2,3 млн т свинца, 14 млн т фосфора. В результате сброса неочищенных сточных вод в ре- ки ежегодно увеличивается в 2 раза выносимое с суши количество ртути, в 12—13 раз — свинца, меди, цинка. До 90% выносимых с суши взве- шенных веществ остается на прибреж- ных мелководьях. Настоящими ловуш- ками для взвесей становятся устьевые районы и взморья рек. На соседние участки береговой зоны наносы из по- добных «ловушек» не попадают. Избыток растворенных в воде питатель- ных солей, поступающих в морские бас- сейны в результате смыва минеральных удобрений с сельскохозяйственных уго- дий, приводит к переудобренности шельфов. Тем самым человек как бы на- вязывает избыточное минеральное пи- тание традиционно малоплодородным морским экосистемам, которые реагиру- ют на это сначала бурными вспышками отдельных групп организмов, а затем исчезновением множества морских ви- дов. Размножающимися организмами быстро потребляется растворенный в воде кислород, а без него гибнет прак- тически весь животный мир шельфовой зоны. Разложение трупов животных ве- дет, в свою очередь, к сероводородному Как показали специальные исследования, результаты которых были опублико- ваны в британской прессе в середине 80-х гг. XX в., за семинедельный рейс судна с командой в 45—50 человек за борт в среднем попадает 70 пивных банок, 320 картонных и бумажных пакетов, 165 целлофановых пакетов, 19 пластиковых меш- ков, по 2 пластиковые и металлические бочки, 245 стеклянных бутылок, 29 лю- минесцентных ламп, 2 газовых баллона и около 5200 жестяных консервных банок, а уж электроизоляторов, электронных плат, воздушных фильтров, мешков из джу- та и мешковины, пластмассовых пепельниц и корзин, кассет с фотопленкой и маг- нитными записями — и вовсе без счету. *****—**!«» —
Большая энциклопедия природы 123 Процессами эвтрофикации был вызван «красный прилив», наблюдавшийся летом 1988 г. на юго-западном побережье Балтики. Под этим названием скрывается нео- бычайно бурное, подобное взрыву, размножение мелкой жгутиковой водоросли хризохромулины. Биологический взрыв был вызван обильным смывом с суши ни- тратов и фосфатов, а результатом его стало исчезновение ряда видов водорослей и зоопланктона, а также массовое отравление рыб. Хризохромулина при низком содержании в воде фосфора и высоком азота уже на ранних стадиях развития вырабатывает яд, который действует как активный репеллент, отпугивая питаю- щийся этой водорослью зоопланктон. Когда количество яда увеличивается, он уничтожает рачков и водоросли. Опасность «красных приливов» состоит не только в непосредственном отравлении затронутого ими морского побережья. Гораздо опаснее для человека то, что ток- сины передаются по всей пищевой цепочке морской экосистемы и в конечном счете достигают людей. заражению, завершающему превраще- ние прибрежных экосистем в зловонную мертвую зону. kjy Для морских организмов и чело- века опасны более 30 химических эле- ментов, большую часть из которых со- ставляют переходные и тяжелые ме- таллы, многие из которых могут накапливаться в организмах, достигая концентраций, в десятки и сотни ты- сяч раз превышающих их естествен- ное содержание в морской воде. На- копление тяжелых металлов способно передаваться по пищевой цепи, так что потребители высшего трофическо- го уровня переносят в свой организм все те количества загрязнителей, ко- торые аккумулировались на нижнем уровне. Например, в 1 кг рыбы содер- жится столько же тяжелых металлов, сколько сконцентрировано в тысяче килограммов фитопланктона. Больше всего от загрязнения тяжелыми ме- таллами страдают, естественно, воды внутренних морей у побережий про- мышленно развитых стран. Одним из наиболее опасных за- грязнителей океанской среды являет- ся нефть (вместе с ее производными). Главными источниками загрязнения океана нефтью и нефтепродуктами считаются атмосферные осадки (око- Вылившаяся из поврежденного танкера нефть несет гибель всем морским обитателям *
124 Океан нуждается в защите ло 3,3 млн т), морской транспорт (око- ло 2,1 млн т в год) и речной сток (1,9 млн т). Транспортное загрязнение можно разделить на повседневное (утечки, потери при погрузочно-раз- грузочных операциях и доковании, слив промывочных вод и т. п.) и чрез- вычайное (аварии). Аварийные разливы нефти наносят огромный вред обитателям прибреж- ных вод. Если эти разливы велики, как, например, при катастрофах круп- нотоннажных танкеров у берегов Ве- ликобритании (1967), французской Бретани (1978), Западной Африки (1980), Италии (1985) или Аляски (1989), когда в океан попадают десятки и сотни тысяч тонн нефти, тогда вред, причиненный прибрежной морской среде и ее обитателям, достигает та- ких размеров, что можно говорить об экологической катастрофе. И все-таки последствия подобного рода катаст- роф, к счастью, ограничены в про- странстве. Другие источники загряз- нения имеют глобальный характер. Речной сток включает в себя смыв нефтепродуктов с городских и порто- вых территорий. Среди прочих источ- ников нефтяного загрязнения океана надо назвать промышленные стоки и сбросы загрязненных вод с прибреж- Загрязнение нефтью гибельно не только для водных организмов, но и для обитающих на побережье птиц ных нефтеперерабатывающих заводов (0,8 млн т), просачивание по трещинам из горных пород (0,6 млн т), потери при морской добыче (0,1 млн т). Таким образом, Мировой океан ежегодно принимает до 10 млн т нефти и неф- тепродуктов. Поверхностная пленка — самый распространенный вид нефтяного за- грязнения в океане. Один грамм раз- лившейся нефти может затянуть подобной пленкой 10 м2 водной по- верхности. Пленка препятствует га- зообмену между океаном и атмосфе- рой, что влечет за собой обеднение морской воды кислородом, а также экранирует солнечные лучи, лишая водные организмы инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Она препятствует испарению с поверхно- сти океана и поглощению углекислого газа морской водой. Не будем забы- вать, что многие углеводородные со- единения являются сильнодействую- щими ядами, к которым особенно чув- ствительны икра и молодь организмов, составляющих основу жизни в поверхностном слое океана, на границе раздела водной и воздуш- ной сред. Как показывает анализ кос- мических снимков, нефтяная пленка покрывает не менее 10% поверхности Мирового океана. Уже в 80-е гг. об- ширные нефтяные пятна окаймляли все заселенные побережья Мирового океана. Не миновала эта беда и рос- сийские акватории. Поверхностное нефтяное загрязнение прослежива- лось в Балтийском и Азовском морях, в восточной части Черного моря, в Та- тарском проливе, на севере Японского
Большая энциклопедия природы 125 моря, в районе Курил и тихоокеан- ского побережья Камчатки, в южных районах арктических морей. В течение десятилетий в неко- торых районах Мирового океана осуществлялось захоронение особо опасных отходов промышленности (включая радиоактивные вещества), химических боеприпасов и прочих вредных для природной морской сре- ды материалов. Немало подобной от- равы хранится на дне Балтики. Мно- голетние ядерные испытания на Новой Земле привели к засорению радиоак- тивными материалами обширных ак- ваторий Баренцева и Карского морей В Мировой океан, особенно в его при- брежные районы, попадают фенолы, синтетические поверхностно-актив- ные вещества, гербициды, полиарома- тические соединения и т. д., причем нередко превышаются нормы пре- дельно допустимых концентраций этих веществ. В морской среде загряз- нения рассеиваются, трансформиру- ются и в конце концов оседают в дон- ных отложениях. Все живые обитате- ли моря в той или иной мере способствуют разрушению или обез- вреживанию разнообразных токсич- ных веществ. Ведущая роль в этих процессах принадлежит микроорга- низмам. Многие виды бактерий, дрож- жей, грибов и одноклеточных водорос- лей в процессе своей жизнедеятель- ности разрушают нефтепродукты и пестициды, а также обезвреживают некоторые токсичные тяжелые метал- лы. В итоге в морях, особенно в их при- брежных мелководных акваториях, происходят гигантские по масштабам процессы осветления воды, улучше- Океан принадлежит ния и поддержания ее качества на оп- не только людям, поэтому ределенном уровне. Тем не менее процессов самоочи- щения океану недостаточно. По- этому человек должен прийти на помощь колыбели земной жизни. мы должны постоянно учитывать интересы других живых существ, пользующихся его благами
Il Воздушный океан Воздушный океан — так образно называют атмосферу. Атмосфера (от грен, atmos — шар и sphaira — среда) — газовая оболочка, окружающая земной шар. Масса атмосферы примерно в миллион раз меньше массы Земли. Газ, который образует атмосферу, называется воздухом. Как всякий газ, воздух занимает все свободное про- странство, поэтому на поверхности земли нет места, где бы не было воз- духа. У земли воздух удерживается си- лой тяжести. По мере увеличения вы- соты воздух становится все более раз- реженным. На высоте 100 км остается меньше одной миллионной (10') доли общей массы атмосферы, однако по- лярные сияния, которые наблюдаются на высоте 1000 км, свидетельствуют о наличии там воздуха. Верхней границы у атмосферы нет, она постепенно пере- ходит в космическое пространство. СОСТАВ ВОЗДУХА У ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Газ Азот N2 Кислород °2 Аргон Аг Диоксид углерода со2 Другие газы % по объему 78,084 20,946 0,934 0,033 0,004 (17 Воздух представляет собой смесь газов. При температурах, наблюдаю- щихся на Земле, все составляющие воздуха находятся в газообразном со- стоянии и подчиняются закону иде- альных газов. В воздухе всегда присутствует водя- ной пар — газообразная фаза воды. При различных температурах и дав- лении водяной пар может находиться в атмосфере или в жидком состоянии (вода), или в твердом (лед). Поступает он в атмосферу главным образом с по- верхности океанов и растительного по- крова благодаря транспирации (от лат. trans — сквозь, через и spiro — дышу, выдыхаю). В атмосферном воздухе соотношение газов естественного происхождения, кроме водяного пара, постоянно. Это относится как к основным газам — азоту, кислороду и аргону, образую- щим 99,95% массы атмосферы, так и к малым газовым примесям — неону,
Большая энциклопедия природы 352, в 1996 г синтеза преобразуют его в живое вещество, служащее питанием животному миру. г. — 330, 363. В хи- Аристотель (384—322 до н. э.) пер- вым написал книгу об атмосферных явлениях и назвал ее «Метеорологи- ка». Облака, дождь, град, снег, вет- ры, молнии и гром, бури и вихри, морские приливы и отливы, землет- рясения и многие астрономические загадки были предметом его науч- ных интересов. Аристотель объяс- нял эти явления как взаимодействие огня, воздуха, воды и земли. Боже- ственные силы при этом не оказы- вали никакого влияния. гелию, метану, криптону, водороду и другим, содержание которых состав- ляет десятитысячные, миллионные и миллиардные доли процента. Напро- тив, содержание диоксида углерода (СО2 — углекислый газ) и озона (О3) меняется в зависимости от сезона и места. Общая масса этих газов небольшая, но они оказывают влияние на тепловой ре- жим атмосферы и земной поверхности. Диоксид углерода интенсивно потребля- ется на суше растениями, а в океанах водорослями, которые в процессе фото- ; г> доиндустриальную эпоху газовый состав атмос- феры в течение многих со- тен лет не менялся, но с на- чалом индустриальной эпо- хи сжигание ископаемого топлива — угля, нефти, природного газа — привело к нарушению природного баланса и росту в атмосфере углекислого газа (частей на миллион): в 1890 г. — 295, в 1935 г. — 310, в 1962 г. — 320, в 1973 г. — 324, в 1991 в 1994 г. мическом отношении углекислый газ пассивен (время жизни молекулы СО2 — около 4,5 года), поэтому он мо- жет длительно находиться в атмосфе- ре и накапливаться. В атмосфере во взвешенном состоянии плавают мельчайшие твердые и жид- кие частицы, называемые аэрозолями. Размер их составляет 0,001 — 5 мкм (микрометров). •%.
128 Воздушный океан Первая возможность поднять при- боры в атмосферу появилась в 1783 г., когда братья Монгольфье изобрели воздушный шар. 1 декабря 1783 г. физик Ж. Шарль поднялся на воздушном шаре до высоты 3400 м и измерил там температуру, которая равнялась —8,8° С. К образованию аэрозолей приводят такие естественные процессы, как вет- ровое волнение над океанами, раз- брызгивающее пену, ветровая эрозия горных пород и поднимаемая при этом пыль, лесные и торфяные пожары, вулканические извержения. Кроме естественных аэрозолей в ат- мосфере находится большое количест- во аэрозолей индустриального проис- хождения. Это дымы промышленных предприятий, вентиляционные выбро- сы различных производств (например, цементных заводов), транспорта и т. д. Концентрация аэрозолей весьма не- равномерна: во всей атмосфере в це- лом аэрозолей естественного проис- хождения содержится раз чем во много больше, техногенных, а в промыш- ленных районах наоборот. Современные воздушные шары г; lui Воздушный шар братьев Монгольфье За исключением водяного пара и аэро- золей, газовый состав воздуха посто- янен до высоты около 100 км. Посто- янство состава обусловлено сильным перемешиванием воздуха как по вер- тикали, так и по горизонтали. По мере увеличения высоты преобла- дают более легкие газы. Кроме этого, под действием ультрафиолетовой сол- нечной радиации происходит расщеп- ление молекул кислорода и малых га- зовых примесей на атомы. Начиная с высоты 800 км и выше преобладают водород и гелий. Некоторые молекулы и атомы благодаря столкновениям приобретают вторую космическую скорость и улетают в космическое пространство.
Давление, ветер, температура, влажность, облака, осадки Атмосфера оказывает давление на земную поверхность и все находящиеся в атмосфере предметы. В соответствии с законом Б. Паскаля, в неподвижной атмосфере давление воздуха не зависит от ори- ентации поверхности, на которую оно действует, а определяется высотой по- верхности. Высота отсчитывается от уровня моря. Под уровнем моря пони- мается средний уровень свободной по- верхности воды в Мировом океане, оп- ределяемый за длительный период на- блюдений. Известный итальянский физик и математик Э. Торричелли (1608—1647), ученик Г. Галилея, изо- брел ртутный барометр. С тех пор это основной прибор для измерения ат- мосферного давления. Он использует- ся как эталонный и устанавливается на всех метеорологических станциях мировой системы наблюдений за пого- дой. В ртутном барометре вес столба ртути в запаянной сверху стеклянной трубке уравновешивается весом стол- ба атмосферы от уровня барометра до верхней границы атмосферы. Таким образом, атмосферное давление есть вес вертикального столба воздуха, расположенного выше рассматривае- мого уровня с основанием 1м2. Давление измеряется в паскалях (1 паскаль — это сила в 1 ньютон, при- ходящаяся на площадь 1 м2). На прак- тике в качестве единицы давления удобнее использовать сотни паскалей, или гектопаскаль (гПа). 1731 г. рязанец Крякутной, надув I дымом «поганым и вонючим» боль- шой мешок, «от него сделал петлю, сел в нее, и нечистая сила подняла его выше березы». Окружающие не оценили его изобретения, обвинили в колдовстве, и он едва спасся. О его дальнейших опытах и судьбе больше ничего неизвестно. Первый полет на аэростате в России совершил 30 июня 1804 г. (по ст. ст.) из Петербурга русский химик Я. Д. Захаров (1765—1836). Аэростат достиг высоты 2630 м и после 3,5 ч полета опустился близ деревни Сиворицы, в 60 км от Петербурга. Ученый зафиксировал в высшей точке подъема температуру +5,6° С. Аэростатные измерения во Франции производили Ж. Гей-Люссак (1778— ‘ 1850) и Ж. Био (1774—1862), в США Джефрис и Уяйз, в Англии — Уэлш и Глэшер, сделавший измерения на высоте 8840 м и чуть не погибший при этом. В России с приходом М. А. Рыкачева (1840/41—1919) в Главную физиче- скую обсерваторию аэростатные подъемы в 1868 г. возобновились, а в 1880 г. им был организован возду- хоплавательный отдел Русского тех- нического общества. й 1 f I. I'j l Ijll lll IIIIIL»I—.—)fT . Ill" III. .1 1И-П11Ч r..' J JJI I I IW . IIILJlTIM*! UH — I — — U I Ljll—IIIIWII II Pn llllj — .IIUJI Ц ИЦИ, . , I —Ilf —
Давление, ветер, температура, влажность, облака, осадки Старинный флорентийский ртутный барометр с термометром Продолжают широко исполь- зоваться такие внесистемные единицы давления, как дюй- мы, миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.), а в неко- торых книгах употребляются также миллибары (мб). Сред- нее атмосферное давление на уровне моря близко к 1013,3 гПа, или 760 мм рт. ст. Перемещение воздуха от- носительно земной поверхно- сти — это ветер. Характерис- тиками ветра являются ско- направление, откуда он дует. рость и Направление определяется в румбах или градусах геодезического азимута. Скорость ветра меняется от нулевой при полном штиле до ураганной во время смерчей. Она может достигать 130 м/с. Для измерения скорости и направления ветра используется при- бор — анеморумбометр, в котором в качестве датчика скоростей применя- ется пропеллер, а датчиком направле- ния служит флюгарка, поворачиваю- щая прибор в точку, откуда дует ветер. Быстрота вращения пропеллера и поворот флюгарки оп- ределяют скорость (м/с) и направ- ление ветра (сторона гори- зонта, откуда дует ветер). Температу- ] ру при ме- J } т Флюгер для определения направления ветра Один из видов волосяного гигрометра $ теорологических на- блюдениях записыва- ют в градусах по шкале Цельсия (t° С). При термодинамиче- ских расчетах исполь- зуется абсолютная тем- пературная шкала — шкала Кельвина (ТК). Шкалы Цельсия и Кель- вина имеют различные положения начала от- счета, соответствующе- го нулю градусов. Пере- ход от шкалы Цельсия к шкале Кельвина прост: ГТЧ^Л ЛПП I jO При измерениях тем- пературы необходимо, чтобы термометриче- ская жидкость приняла температуру измеряе- мого тела, в нашем слу- чае — воздуха. Для этого термометры помещают в специальные метеорологические будки с жалюзий- ными вертикальными стенками, через которые воздух свободно проходит и омывает тер- мометр. Вместе с тем термометр защищен от падения прямых сол- нечных лучей, и нагре- вание термометра иск- лючается. Таким образом он принимает темпера- туру воздуха. Присутст- вие водяного пара дела- ет воздух влажным. Во- дяной пар, как и любой газ, обладает собственным давлением, которое вместе с
I Большая энциклопедия природы 131 Приборы в метеорологической будке давлением сухого воздуха составляет атмосферное. Парциальное давление водяного пара (собственное давление пара) характеризует влажность воз- духа и измеряется в тех же единицах, что и атмосферное (гПа). Максималь- ное давление водяного пара зависит от температуры и называется насыщаю- щим. Если влага продолжает попадать в атмосферу, а давление водяного пара равно насыщающему, происходит конденсация или сублимация водяно- го пара и образуются капельки воды или кристаллы льда. Отношение фак- тического парциального давления к насыщающему при данной температу- ре называется относительной влаж- ностью и выражается в процентах. Относительная влажность меняется от Метеорологическая вышка для измерения скорости и направления ветра на нескольких уровнях в нижнем слое атмосферы Великий русский ученый Д. И. Менделеев (1834—1907) интере- совался верхними слоями атмосферы, которые он называл «лабораторией погоды». В 1887 г. он поднялся на воз- душном шаре из Клина для измере- ния температуры во время солнечно- го затмения и достиг высоты 3350 м. Атмосферу изучали и с помощью приборов, которые находились на воздушных змеях. В России первые подъемы приборов были сделаны В. В. Кузнецовым осенью Павловске, а в 1904 г. уже лись ежедневные подъемы . 1897 г. в проводи- змейково- го метеорографа. В дальнейшем этот метод не использовался. wm.ii> им «aw нуля для сухого воздуха до 100% при насыщенном водяном паре. Измерения относительной влажности воздуха производят гигрометром — прибором, в котором используется ный человеческий во- лос, имеющий свойство изменять длину в зависимости от влажности: удли- няться во влаж- ном воздухе и укорачиваться в сухом. Наиболее влаж- ный воздух на- блюдается в при- земном слое обезжирен-
Давление, ветер, температура, влажность, облака, осадки I Подъем аэростатов с людьми был небезопасен, поэтому во Франции в 90-х гг. XIX в. начали поднимать шары из лакированой бумаги, наполненные светильным газом, к которым прикреплялись самопишущие приборы. Упавший вместе с шаром прибор доставляли выпускавшему за определенное вознаграждение. Выпущенный 20 ок- тября 1895 г. шар-зонд достиг высоты 15/ км и зафиксировал температуру -70° С. Шары-зонды привели к замечательному открытию. Французский ученый-аэролог Тейсеран де Бор (1855—1913), исследовав более 540 подъемов шаров-зондов, доказал, что температура в атмосфере понижается от земной поверхности до высоты 8—9 км, а выше она перестает быстро понижаться, и на высоте 11 км понижение прекра- щается, выше 11 км температура постоянна. в экваториальном поясе. При удале- нии от земной поверхности влажность воздуха в безоблачной атмосфере стремительно уменьшается. Так, в слое атмосферы на высоте от 0 до 2 км со- держится около 55% всего количества водяного пара, а в слое на высоте от 0 до 5 км — 90% В стратосфере коли- чество водяного пара составляет деся- тые или даже сотые доли процента от всего содержания влаги в атмосфере. Облагг это скопление мельчай- ших капелек воды или кристалликов льда, плавающих в воздухе и видимых человеческим глазом. Капли и крис- таллы настолько малы, что их вес по- чти уравновешивается трением о воз- дух. Когда такие скопления образуют- ся у поверхности земли, они назы- ваются туманом. Скорость падения капель в непо- движном воздухе равна нескольким миллиметрам в се- кунду, а скорость падения кристал- лов еще меньше. Существующие в Туман атмосфере вертикальные движения воздуха препятствуют выпадению ка- пелек и кристалликов из облаков, и они длительное время плавают в воз- духе, увлекаясь воздушными потока- ми и смещаясь то вверх, то вниз. При определенных условиях капли и крис- таллы начинают расти и становятся настолько тяжелыми, что уже не удерживаются в облаке и выпадают в виде осадков. В других случаях, когда относительная влажность воздуха ста- новится меньше 100%, капли и крис- таллы испаряются и облака рассеива- ются. %; Для образования облаков нужно, чтобы пар, содержащийся в воздухе, достиг насыщения. При подъеме пар охлаждается, конденсируется, и обра- зуются мельчайшие капельки воды и кристаллы. Это и есть облака. Если об- лака состоят только из капель воды и пара, то их называют водяными, если из пара и кристаллов льда — крис- таллическими. А смешанные облака включают и водяной пар, и капли во- ды, и кристаллы. Все облака, за небольшим исключени- ем, образуются на разных высотах в тропосфере и принимают различные формы, которые отражают характер воздушных течений, несущих эти об-
Большая энциклопедия природы 133 Облака оказывают большое влияние на световой режим местности, а следовательно, на использование радиации в лечебных целях. Так, при слоисто-кучевых облаках про- исходят резкие изменения интенсивности солнечной радиации, увеличивается дози- ровка солнечных ванн. лака. Такова облачность, которую мы наблюдаем с Земли в пределах види- мого горизонта, т. е. в пределах ради- усом примерно 5 км. С запуском ис- кусственных спутников Земли появи- лось новое средство слежения за облачностью. Телевизионные и инф- ракрасные снимки облаков, получае- мые с искусственных спутников Зем- ли, позволяют наблюдать облачные системы, их развитие, перемещение, непрерывные изменения на огромных пространствах. Самое замечательное, что облачные системы фронтов, по- строенные синоптиками теоретически, на основе наблюдений с Земли за об- лаками, были блестяще подтвержде- ны, когда стало возможно наблюдать эти системы со спутников. Кроме того, спутниковые изображения открыли многие новые облачные скопления размером от 20 до 200 км и подтвер- дили правильность классификации об- лаков, созданной по наблюдениям с Земли. Облака делают видимыми дви- жения воздуха и процессы, происхо-
Давление, ветер, температура, влажность, облака, осадки дящие в воздушных потоках. По этой причине в метеорологии уделяется большое внимание формам облаков и их классификации. Для того чтобы на- блюдатели во всем мире на метеоро- логических станциях одинаковым об- разом определяли формы облаков, созданы Международная классифика- ция облаков и Атлас облаков, приня- тые Всемирной метеорологической ор- ганизацией. Прежде всего облака разделяют по высотным слоям, так называемым ярусам, а затем по их строению и фор- ме. В наиболее высоком и самом хо- лодном верхнем ярусе от 6 до 13 км (в полярных широтах — от 3 до 8 км; в тропических — от 6 до 18 км) обра- зуются кристаллические облака: пе- ристые, перисто-кучевые и перис- то-слоистые. Перистые облака по- хожи на отдельные нити, коготки, запя- тые. Перисто-куче- вые облака напоми- нают мелкие шарики и барашки, а перис- то-слоистые пред- ставляют собой тон- Разорванно-кучевые облака кую белую пелену, застилающую все небо или часть его. Перистые облака полупрозрачны и мало затеняют сол- нечный свет. В среднем ярусе (от 2 до 7 км — в уме- ренных широтах; от 2 до 4 км — в по- лярных и от 2 до 8 км — в тропических широтах) существуют только две фор- мы облаков — высокослоистые и вы- сококучевые. Высокослоистые облака представляют собой молочно-серый облачный покров, застилающий весь небосвод или часть его. Через менее плотные его участки мо- гут просвечивать Солнце и Луна, но только в виде размытых пятен. Через более плотные, обычно серые участки, Солнце и Луна не просвечивают. Эти облака смешанные. Высококучевые же облака выглядят как система об- лачных гряд, состоящих из овалов в основном белого цве- та, но с серыми осно- ваниями. Они зате- няют Солнце, но их ж > толщина невелика. jjfedC По краям овалов । иногда наблюдается * радужная окраска. Высококучевые обла- -К | ? Журавли на фоне кучевых облаков
Большая энциклопедия природы 135 ка всегда водяные. В нижнем ярусе (на всех широтах — до 2 км от земли), различают три формы облаков: слоис- то-дождевые, слоисто-кучевые и сло- истые. Слоисто-дождевые — это плотные свинцовые или темно-серые облака, из которых обязательно выпадают осадки: идет ли обложной дождь, или облож- ной снег. Солнце и Луна сквозь них не просвечивают. Слоисто-дождевые — это смешанные облака. Слоисто-кучевые облака представля- ют собой длинные гряды облаков, со- стоящих из мощных светло-серых овалов с серыми основаниями, между которыми либо просвечивает небо, ли- бо тонкая белая облачность, связую- щая валы. Слоистые облака — это однородный серый слой плотных облаков, из кото- рых ни дождь, ни снег не выпадают. Иногда может идти морось. И слоис- тые, и слоисто-кучевые облака — во- дяные. Осадки — это дождь, морось, снег, снежная и ледяная крупа, град, выпа- дающие из облаков на земную поверх- Перистые облака ность. Измеряются осадки в миллимет- рах слоя воды, выпавшей на поверх- ность. Когда говорят, что выпало 10 мм осадков, это значит, что слой воды, по- крывший земную поверхность, имел бы толщину 10 мм, если бы вода не сте- кала, не испарялась и не просачивалась в почву. Нетрудно догадаться, что 10 мм осадков — это 10 кг воды, выпавшей на 1м2. Осадки измеряются простыми при- борами — дождемерами. Дождемер — это цилиндрическое ведро, в котором накапливаются осадки в течение б или 12 ч. К ведру прилагается дождемер- ный стакан, который позволяет изме- Чечевицеобразные облака, образующиеся при натекании влажного воздуха на горы: на вершине возникает облачность, а в ложбине облако испаряется, принимая форму чечевицы рять выпавшие осадки в миллиметрах слоя воды на квадратный метр. В слу- чае твердых осадков (снег, град) их предварительно превращают в воду (растапливают). Кроме того, толщину слоя выпавшего снега определяют с по- мощью снегомерной рейки.
136 Давление, ветер, температура, влажность, облака, осадки (Jp В умеренных широтах осадки идут только из смешанных облаков. Это про- исходит потому, что в смешанных об- лаках, где соседствуют водяной пар, капли воды и кристаллики льда, созда- ются условия для роста кристалликов. Известно, что давление насыщенного водяного пара над водой больше, чем надо льдом, поэтому в смешанном об- лаке насыщенный для капелек воды водяной пар оказывается перенасы- щенным для ледяных кристалликов, вследствие чего водяной пар конденси- руется на кристалликах. При этом во- дяной пар становится ненасыщенным по отношению к каплям воды, и они на- чинают испаряться. В смешанном обла- ке происходит перегонка водяного пара с капель на кристаллы льда. После того как капли и кристаллы льда вырастают до 20—60 мкм основную роль в их ук- рупнении начинает играть процесс слияния (коагуляции) облачных эле- ментов, которому способствуют как столкновения, так и хаотическое (тур- Перисто-слоистые облака Влияние температуры воздуха на теплоощущения человека зависит от влажности воздуха. В умеренных ши- ротах для одетого человека наиболее комфортны сочетания плюсовой тем- пературы 16—18° С и относительной влажности 40—50%. При влажности более 90% и температуре более +24° С наступает состояние крайней духоты. При температуре воздуха свыше +30° С и относительной влажности более 75% часто возникает тепловой удар. Если ночная температура воз- духа не опускается ниже +23° С, а от- носительная влажность — ниже 80%, вероятность теплового удара доволь- но велика. булентное) и броуновское движения, всегда существующие в облаке. Наибо- лее быстро процесс укрупнения облач- ных элементов происходит при силь- ных вертикальных движениях внутри облака. При быстром подъеме воздуха резко понижается температура, созда- ется большое перенасыщение водяного пара не только над кристаллами льда, но и над каплями, которые также могут расти. Затем капли и кристаллы, под- нятые на большую высоту восходящим потоком, падая, проходят большую а Высокослоистые облака
Большая энциклопедия природы 137 Кучевые облака толщу облака. В результате слияния и примораживания кристаллами пере- охлажденных водяных капель облач- ные элементы вырастают до таких больших размеров, что они уже не спо- собны удерживаться в облаке и выпа- дают на землю. Таким образом, если температура в слое под облаком ниже нуля, то идет снег, а если выше нуля — дождь. £ . Есть такие непокорные облака, которые не соблюдают ярусов: они об- разуются внизу, затем простираются на всю высоту тропосферы. Это куче- во-дождевые облака. Всем знакомы плотные с резко очерченными конту- Кучево-дождевые облака рами ослепительно белые водяные обла- ка, поднимающиеся вверх в виде куполов с серыми горизон- тальными основания- ми. Их гряды с про- светами ясного неба — признак хорошей погоды в умеренных широтах, но при определенных усло- виях в тропосфере кучевые облака на- чинают быстро расти вверх, наслаива- ясь купол над куполом и расширяясь по площади. За считанные минуты они охватывают всю тропосферу, и их верхние части принимают волокнис- тую перистообразную структуру. Об- лако становится кучево-дождевым. Перистообразная структура свиде- тельствует о том, что в верхней части образовались кристаллы и облако ста- ло смешанным. Из кучево-дождевых облаков выпадают ливни, иногда град, с ними связаны электрические явле- ния — молнии и гром, поэтому часто кучево-дождевые облака называют грозовыми, а также ливневыми. 11о мнению ученых, биологическое воздействие осадков на человеческий организм в основном благотворно. Осадки вымывают из атмосферы загрязняющие примеси и аэрозоли, частички пыли, в том числе и те, на которых переносятся болезнет- ворные микробы. Ливневые осадки способствуют формированию отрицательных ионов в атмосфере: в теплый период года после грозы уменьшается вероятность инфекционных и аллергических заболеваний. Однако в последние десятилетия воз- никла проблема кислотных дождей, содержащих растворы серной, соляной и азот- ной кислот, которые образуются в результате выбросов в атмосферу оксидов серы, хлора и оксидов азота в процессе производственной деятельности человека. В ре- зультате такого загрязнения воды и почвы увеличивается подвижность алюминия, меди, кадмия, свинца. Избыток алюминия способствует развитию сравнительно но- вой, «алюминиевой» болезни окружающей среды и человека. Кислотные дожди усиливают коррозию металлов, оказывают неблагоприятное воздействие на про- израстание сельскохозяйственных культур.
Строение атмосферы Атмосфера разделяется на слои по характеру изменения температуры воз- духа с высотой, по газовому составу, по особенностям движения воздушных масс и взаимодействию с земной поверхностью и внешним космическим из- лучением. По характеру изменения темпера- туры воздуха с высотой в атмосфере выделяются тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Тропосфера в средних широтах про- стирается от земной поверхности до высот 10—12 км, а в тропиках — до 15—16 км. В тропосфере температура воздуха понижается с высотой в сред- нем на 0,65° С на 100 м. Выше тропос- феры, на высотах 11—50 км, распола- гается стратосфера. Переходный слой между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. Типичное значение температуры на уровне тро- попаузы -56,6° С, а в тропиках эта тем- пература равна —80,5° С зимой и -66,5° С летом. В нижнем слое стратосферы наблюдается замедленное падение тем- пературы с вертикальным градиентом больше 0,2° С на 100 м, а в верхних слоях — рост температуры. На верхней границе стратосферы температура со- ставляет около 0° С. Выше стратосферы располагается отделенная от нее стра- топаузой мезосфера, которая начинает- ся с высоты около 50 км и простирается до высот 80—95 км. В мезосфере тем- Подлинную революцию в изучении строения атмосферы произвел совет- ский метеоролог П. А. Молчанов (1893—1941), который 1 января 1930 г. в Петербурге выпустил первый в мире радиозонд собственной конструкции. Прибор подвешивали к резиновому шару, наполненному водородом. Кро- ме метеорографа, измерявшего темпе- ратуру, давление и влажность, он имел шифрующее устройство и ра- диопередатчик, который немедленно передавал на Землю измеренные зна- чения метеорологических величин в пронизываемых радиозондом слоях атмосферы. За движением радиозонда следили с Земли, используя тогда те- одолиты, а теперь — радиолокаторы. Радиозондирование сразу же получи- ло широкое признание: стало возмож- но использовать получаемые измере- ния в службе прогнозирования погоды. Сейчас аэрологическая сеть насчиты- вает более 600 радиозондирующих станций, расположенных на матери- ках и на островах в океане. На переднем плане — перистые облака, на заднем — фронтальная облачная система
Большая энциклопедия природы 139 пература с высотой падает в среднем на 0,35° С на 100 м. В переходном от ме- зосферы к термосфере слое — мезопа- узе — температура меняется от ~85 до ~90°С. В термосфере, выше мезопаузы, температура с высотой начинает рас- ти, в основном вследствие поглощения кислородом ультрафиолетовой солнеч- ной радиации с длинами волн короче 0,24 мкм, и на высотах 200—300 км до- стигает +1500° С, а затем остается по- стоянной. По газовому составу атмосфера делится на два слоя. Нижний слой тол- щиной около 100 км имеет одинаковое соотношение основных образующих его газов. Он называется гомосферой. Выше гомосферы, вплоть до внешней границы атмосферы, простирается ге- теросфера. В гетеросфере с высотой под воздействием солнечного и косми- ческого излучения происходит изме- нение газового состава воздуха вслед- ствие разложения сложных молекул на более простые составляющие их атомы. Этот процесс называется тодиссоциацией. При этом возникают ионы, т. е. части разрушенной молеку- лы, обладающие электрическими за- рядами, и электроны. Слои атмосфе- Распределение общего содержания озона на поверхности земного шара по данным спутниковых измерений ры, содержащие большое количество ионов, вместе с нейтральными моле- кулами образуют ионизированную плазму с большой электропроводно- стью, но в целом нейтральную. Эти слои называются ионосферой, которая простирается от верхней части гомо- сферы до уровня 400—500 км. Начи- ная с высоты 800 км улетают в кос- мическое пространство легкие газы — водород и гелий. Выше этого уровня, называемого уровнем диссипации, располагаются слои экзосферы, или внешней атмосферы. Отражение ионосферой радиоволн позволяет ус- танавливать на Земле устойчивую ра- диосвязь. Благодаря диссоциации мо- лекул кислорода в верхних слоях ат- мосферы возникает атомарный кислород О. Его молекула, присоеди- няясь к двухатомному, образует в слое Облачность на фотографии Земли из космоса
140 Строение атмосферы Т=200 250 300К° Строение атмосферы ат — ход температуры с высо- той в умеренных широтах, а:т ~~ температуры с высо- той в Антарктиде, Ът— содержание озона в тро- пической стратосфере, Ъг — содержание озона в поляр- ных широтах; с — тропическая тропопауза; d — тропопауза умеренных, широт; е — субтропическое струйное течение; f — струйное течение умерен- ных широт; 1} — перистые облака, 12 — высококучевые облака; 13 — кучевые облака; 14 — куче- во-дождевые облака; 15 — облака теплового фронта; к — слой стратосферных аэрозолей; J — уровень ускользающих водо- рода и гелия; Е — первый максимум содержа- ния электронов в ионосфере; F — второй максимум содержа- ния электронов в ионосфере. 15—70 км озон О3 — трехатомный кислород. Максимальное содержание озона наблюдается на высоте около 20—25 км. Это слои называются озо- носферой. Дело в том, что на этой высо- те создаются оптимальные условия для его образования: большое поступление жесткого солнечного излучения — рентгеновского и коротковолнового ультрафиолетового — и еще значи- тельное присутствие там кислорода. Выше этого уровня содержание кисло- рода убывает. В более низких слоях ат- мосферы количество озона уменьшает- ся вследствие уменьшения жесткого ультрафиолета (1 < 0,200 мкм). Обра- зовавшийся под воздействием этого из- лучения озон поглощает в свою очередь ультрафиолетовую радиацию более длинных волн, и до земной поверхности ультрафиолетовое излучение с длина- ми волн менее 0,29 мкм не доходит. В тропосфере содержание озона с высо- той медленно возрастает и превышает на уровне тропопаузы (10—12 км) при- земные значения примерно в 5 раз. На высоте около 23 км содержание озо- на больше приземного примерно в 100 раз. Общее содержание озона в вер- тикальном столбе атмосферы характе- ризуется толщиной слоя, который бы он образовал, если бы озон удалось вы- делить из атмосферы и привести к дав- лению 760 мм и температуре 0°С. Тол- щина слоя выражается в миллиметрах. Общее содержание озона в атмосфере меняется от 1,2 до 7,6 мм при среднем значении 2,91 мм.
Солнце и атмосфера Солнечная радиация — главный экологически чистый источник энергии прак- тически для всех физических процессов, происходящих на Земле и в атмос- фере. Энергия Солнца обусловливает жизнедеятельность организмов, возник- новение облаков и осадков, перенос воздушных масс. Использование солнечной энергии имеет огромное значение в хозяйственной деятельности человека и служит залогом успеха в сельскохозяйственном производстве. Солнце — самая близкая к нам звезда. Оно излучает в мировое про- странство огромное количество энер- гии (~4 • 1026 Вт). На внешнюю границу атмосферы Земли поступает только 1/2200 000 000-я часть солнечного из- лучения. Солнечное излучение распространяет- ся по всем направлениям в виде элек- тромагнитных волн со скоростью око- ло 300 000 км/с. Распределение лучис- той энергии по длинам волн называется электромагнитным спект- ром. Спектр излучения Солнца в ши- роком диапазоне длин волн близок к спектру излучения абсолютно черного (т. е. полностью поглощающего па- дающую на него радиацию) тела при Закат Солнца
142 Солнце и атмосфера Высоко в горах ярко-голубое небо температуре около 6000 К. Такая вы- сокая температура служит причиной того, что 99% всей энергии приходится на излучение с длинами волн от 0,10 до 4 микрометров (1 мкм = 10-6 м). Это излучение называется коротко- волновой солнечной радиацией. Ради- ация с длинами волн от 0,40 мкм (фиолетовая) до 0,76 мкм (красная) воспринимается человеческим глазом. Таким образом, Солнце является ис- точником, не только энергии, но и све- та. Области солнечного спектра с дли- нами волн короче 0,40 мкм (ультра- фиолетовая) и длиннее 0,76 мкм (инфракрасная) не видимы человече- ским глазом. На верхней границе атмосферы почти половина солнечной энергии (47%) приходится на достаточно узкий ви- димый участок спектра. Максимум в спектре Солнца также лежит в види- мой области — в ее зелено-голубой части на длине волны 0,475 мкм. Инфракрасная радиация составляет 44%, а ультрафиолетовая — всего 9%. Солнечный диск Каждую секунду Солнце дает нам столько энергии, сколько выделилось бы при сжигании 3 млн т бензина. За год Земля и атмосфера получают столько солнечной энергии, сколько требуется для того, чтобы растопить слой льда толщиной 36 м, покрываю- щий весь земной шар. Научиться ис- пользовать хотя бы небольшое коли- чество неисчерпаемой энергии Солн- ца — одна из задач, стоящих перед человечеством. Уже сейчас в ряде мест земного шара на солнечной энергии успешно работают электро- станции, паровые двигатели, холо- дильники, различные водонагрева- тельные установки. С развитием новых технологий масштабы исполь- зования солнечной энергии будут расширяться. Раздел метеорологии, занимающийся изучением переноса и превращения солнечного, атмосферного и земного излучения (радиации) в атмосфере Земли, называется актинометрией. Слово актинометрия происходит от двух греческих слов: aktis — луч и metreo — измеряю. •> '
Большая энциклопедия природы 143 На египетских памятниках бог изображается просто как диск с лучами Египетский фараон (период царство- вания 1368—1351 гг. до н. э.) Аменхо- теп IV ввел новый культ — поклоне- ние реальному, истинному Солнцу, т. е. видимому солнечному диску с его лучами, — Атону. Фараон изменил даже свое имя, став Эхнатоном (угод- ный Атону, солнечному диску). На памятниках бог изображается просто как диск с лучами. В гимнах Атону воспевается благотворное действие Солнца на человека и все живое: Прекрасно светишь ты на небосводе, Ты, Атон живой и живший изначально. Когда восходишь ты с востока, То наполняешь красою своею все земли. Светел ты, велик, блестящ и высишься над всеми землями. Лучи твои обнимают земли И все, что ты создал на них. Земля вращается вокруг Солнца по своей орбите так, что ось вращения об- разует с плоскостью орбиты угол 66,5°. Наклоном оси вращения и объясняет- ся смена времен года, а также неоди- наковая продолжительность дня и но- чи на различных широтах. Вращение Земли вокруг собственной оси приво- дит к смене дня и ночи. Расстояние Земли от Солнца в сред- нем равно 149,6 млн км. Земля вра- щается вокруг Солнца по орбите, представляющей собой слабовытяну- тый эллипс, в одном из фокусов кото- рого находится Солнце, поэтому рас- стояние между Землей и Солнцем все время меняется. В результате этого в начале января Земля получает на 3,3% больше, а в начале июля на 3,3% мень- ше радиации, чем при среднем рас- стоянии. Таким образом, зимой в Се- верном полушарии на Землю поступа- ет больше радиации (максимально на 6,6%), чем зимой в Южном полушарии, а летом — наоборот. Количество радиации, поступаю- щее на единицу поверхности в еди- ницу времени, называется энергети- ческой освещенностью, которая из- меряется в ваттах (Вт) на 1 м2. На верхней границе атмосферы на еди- ницу площади, расположенной пер- пендикулярно солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца приходит 1,367 кВт/м2 (1 кВт/м2 = — 1000 Вт/м2). Эта величина называ- ется солнечной постоянной. Спутни- ковые измерения показали, что ее из- менения невелики и она действитель- но практически постоянна. Радиация, поступающая непосредственно от ди- ска Солнца в виде параллельных лу- чей, называется прямой солнечной радиацией. Приход ее на горизон- тальную поверхность пропорциона-
144 Солнце и атмосфера лен синусу угла падения солнечных лучей. Попадая в атмосферу, прямая ради- ация претерпевает существенные из- менения. Частично она поглощается различными газами, входящими в со- став воздуха (озон О3, водяной пар Н3О, углекислый газ СО3), и аэрозоля- ми (особенно сильно — частицами са- жи), а также рассеивается молекула- ми воздуха, аэрозолями и облачными частицами. Поглощение прямой солнечной ради- ации различных длин волн неодинако- во. Наиболее существенно ультрафи- олетовая радиация поглощается стра- тосферным озоном, а радиация красной и инфракрасной областей спектра — водяным паром, основная часть которого сосредоточена в нижней тропосфере. Из-за наличия озонового слоя в страто- сфере коротковолновая граница солнеч- ного спектра обрывается на длине волны 0,29 мкм, а радиация с длинами волн ко- роче 0,32 мкм приходит к земной по- верхности сильно ослабленной. Озон и углекислый газ имеют слабые полосы поглощения в видимом и инф- ракрасном участках спектра. Водяным паром и аэрозолями поглощается около 15% солнечной радиации, облаками — примерно 5%, а озоном — 3%. Часть прямой солнечной радиации рассеивается по всем направлениям молекулами воздуха и аэрозолями, каплями и кристаллами, образующими облака: вниз — к земной поверхности и вверх — в космос. Рассеянная ради- ация в отличие от прямой поступает на земную поверхность из всех точек не- бесного свода. Рассеивание в атмосфере солнечной радиации способствует осве- щению тех мест, куда не попадают пря- мые солнечные лучи. Наиболее сильно рассеивается радиация коротких длин волн и тем сильнее, чем меньше раз- меры рассеивающих частиц. Самыми мелкими частицами в атмосфере явля- !есмотря на то что доля ультрафи- олетовой радиации (УФР) составляет всего несколько процентов в общем объеме солнечного излучения, дости- гающего поверхности Земли, она ока- зывает существенное влияние на жи- вые организмы, окружающую среду и климат. Наибольшей биологической ак- тивностью обладает радиация с длина- ми волн короче 0,32 мкм. В умеренных дозах она оказывает благотворное дей- ствие, например, способствует образо- ванию витамина D, недостаток которого приводит к развитию рахита. Большие дозы коротковолновой УФР, получае- мые в течение многих лет, могут при- вести к образованию рака кожи, ката- ракты, разрушению иммунной системы человека и животных. ж
Большая энциклопедия природы Закат солнца на Волге. ются молекулы воздуха (104 мкм). Только на очень крупных аэрозольных частицах, каплях и кристаллах облаков (1—2 мкм) радиация всех длин волн рассеивается одинаково. Поэтому у земной поверхности максимум в спект- ре рассеянной радиации приходится на синие лучи, в то время как в спектре прямой радиации он смещается на желто-зеленые. Голубой цвет неба — это цвет чистого, незапыленного возду- ха. С увеличением высоты цвет неба становится более синим В стратосфере, где рассеивание происходит в основном только на молекулах воздуха, а плот- ность его невелика, цвет неба чер- но-фиолетовый. По наблюдениям кос- монавтов, на высотах 300 км небо чер- ное, при этом даже днем хорошо видны звезды. При сильном замутнении воз- духа крупными аэрозольными частица- ми цвет неба становится белесым. По этой же причине освещенные Солнцем облака мы видим белыми. ! о лице — искусный художник. Бла- годаря ему мы видим такие неповто- римые оптические явления, как ра- дуга, венцы (светлые туманные коль- ца вокруг диска Солнца или Луны) и различные формы гало (от греч. halos — круг, диск), т. е. светлые кру- ги, диски, столбы, вокруг или вблизи дисков Солнца и Луны. Еще задолго до того, как ученые античного мира задумались над законами преломле- ния света, эти оптические явления простые люди толковали по-своему. Так, радугу древние греки считали атрибутом посланницы богов Ирис, возвещающей о победе света над тьмой, а вавилоняне знали, что круг около Солнца предвещает дождь.
146 Солнце и атмосфера Ослабление солнечной радиации существенно зависит от пути, прохо- димого ею в атмосфере. Меньше всего этот путь при высоте Солнца 90°, когда оно стоит в зените. Однако такие ус- ловия наблюдаются лишь на экваторе в дни солнечных равноденствий, на широте тропиков (ср = 23°27') в день летнего солнцестояния и на промежу- точных между экватором и тропиками широтах дважды в период между ве- сенним и осенним равноденствиями. Чем ниже высота Солнца, тем боль- ший путь проходит радиация в атмос- фере и тем сильнее она ослабляется. При высоте Солнца 30° путь солнеч- ных лучей удваивается по сравнению с высотой Солнца 90°, а сразу же после восхода и перед заходом Солнца этот путь возрастает в десятки раз. У го- ризонта Солнце становится почти красным. Это означает, что в его спектре присутствует главным обра- зом красная и инфракрасная ради- ация. Выше всего Солнце стоит в полдень, поэтому на это время дня приходится максимум солнечной ра- диации. Наибольшие величины пря- мой радиации, поступающей на го- ризонтальную поверхность, наблю- даются при больших высотах Солнца в малозапыленном воздухе. Например, Глаза некоторых животных воспринима- ют инфракрасное излучение и видят ночью, а глаза многих видов насекомых чувствительны к ультрафиолетовому излучению Например, пчелы могут ви- деть в ультрафиолетовой области спектра до 0,30 мкм Многие цветы, ко- J торые нам кажутся белыми, пчелами воспринимаются как цветные Это обусловлено тем, что от белого пред- мета отражается не вся падающая на него радиация ввиду поглощения ульт- рафиолетовых лучей, а это эквива- лентно потере голубого и получению ощущения желтого цвета. в Москве при высоте Солнца 56° она составляет 0,80 кВт/м2, а в горах на высотах 4—5 км может достигать 1,00 кВт/м2. Сумма прямой и рассеянной радиации, приходящей на горизонтальную по- верхность, называется суммарной ра- диацией. В летний полдень в Москве при безоблачном небе на долю прямой радиации приходится 80%, на долю рассеянной — всего 20%. Максимум суммарной радиации наблюдается ле- том при ярких белых кучевых обла- ках, не закрывающих диск Солнца. При сплошной плотной облачности прямая радиация не доходит до зем- ной поверхности и суммарная ради- ация равна рассеянной. Солнечная ра- диация, поступающая на земную по- верхность, частично ею отражается. Отражательные свойства той или иной поверхности определяются ее цветом, шероховатостью, увлажненностью и характеризуются величиной альбедо (от лат. albedo — белизна). Альбедо — это как бы степень белизны. Эта ве- личина определяется в процентах и показывает, какая часть падающей радиации отража- ется от поверхно- сти. Поверхности, имеющие светлую, особенно белую, окраску, в основ- . ном отражают сол-
Большая энциклопедия природы Очень высокие значения альбедо заснеженных поверхностей горных склонов могут привести к «снежной слепоте». Для защиты глаз необходимо пользоваться солнцезащитными очками нечную радиацию. Чем темнее окраска поверхности, тем большую часть сол- нечной радиации она поглощает и тем самым нагревается. Сажа, например, почти полностью поглощает падаю- щую на нее радиацию. Гладкие по- верхности отражают больше солнеч- ных лучей, чем шероховатые. Увлаж- нение поверхности уменьшает их отражательную способность. v j Самые высокие значения альбедо (90—95%) отмечаются у свежевыпав- шего чистого и сухого снега вдали от промышленных районов, например в Арктике и Антарктиде. Поскольку снежный покров редко бывает совер- шенно чистым, то его альбедо, как правило, не превышает 70—80%, а в случае влажного загрязненного снега уменьшается до 50% и ниже. Альбедо светлых песчаных почв составляет 40%; влажных черноземных почв растительного покрова — 1 Альбедо поверхности Мирового оке- ана в среднем равно 5—20%. Отраже- ние прямой радиации от гладкой вод- ной поверхности зависит от угла па- дения солнечных лучей. При больших высотах Солнца альбедо здесь состав- ляет всего несколько процентов, так как значительная часть приходящей радиации проникает в верхние слои водоемов и там в основном поглоща- ется. При низких высотах Солнца, когда лучи зеркально отражаются от водной поверхности и не проходят вглубь, альбедо увеличивается до 70%. Альбедо водных поверхностей для рассеянной радиации составляет 5— 10%. Альбедо верхней поверхности облаков может достигать 70—80%, со- Й*- ставляя в среднем 50—60%. Часть от- раженной от земной поверхности ра- диации переотражается молекулами воздуха, аэрозолями и особенно обла- ками и возвращается к ней в виде до- полнительного потока рассеянной ра- диации. Л Озоновый слой — естественный щит Земли, оберегающий ее от «жест- кой» солнечной радиации. Благодаря ему возможно существование жизни на Земле. В настоящее время ученые обеспокоены сокращением озонового слоя. Известны озоновые «дыры» над Антарктидой. Г)
Парниковый эффект атмосферы В настоящее время все более актуальным становится вопрос об изменении климата Земли в результате воздействия хозяйственной деятельности че- ловека. Особую тревогу вызывает увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере, которое приводит к нагреванию поверхности Земли и нижней атмосферы и, возможно, является одной из основных причин наблюдаемого в последние десятилетия потепления климата. Часть солнечной радиации, остав- шаяся после отражения, поглощается земной поверхностью и переходит в тепло. Как известно, всякое тело, имеющее температуру, от- личную от абсолютного нуля (-273° С), является источником излуче- ния. Чем выше тем- пература тела, тем больше энергии и тем более короткие дли- ны волн оно излучает. Температура земной поверх- ности значительно ниже темпе- ратуры на поверхности Солнца и ко- леблется от 190 до 350 К. В соответ- ствии с этими температурами земная поверхность излучает длинноволно- вую радиацию в области спектра 4— 120 мкм. Эта радиация называется собственным излучением земной по- верхности. Атмосфера нагревается в результате сравнительно малого по- глощения коротковолновой солнечной радиации и сильного поглощения соб- ственного излучения земной поверх- ности. Кроме того, атмосфера получает тепло от земной поверхности путем теплопроводности и при конденсации во- дяного пара. Нагре- тая таким образом атмосфера излучает инфракрасную ради- ацию примерно в том же диапазоне длин волн, что и земная поверхность. Атмосфер- ная радиация, направленная вниз, на- зывается встречным излучением. Атмосфера защищает Землю от чрез- мерного нагревания и охлаждения: она играет роль «одеяла», удерживающего тепло. При отсутствии атмосферы температура земной поверхности бы- ла бы -23° С, при которой жизнь на Земле практически невозможна. Выбросы промышленных предприятий увеличивают загрязнение атмосферы
Большая энциклопедия природы 149 В настоящее время за концентраци- ей углекислого газа ведутся наблю- дения примерно на 40 станциях, рас- положенных в различных точках земного шара. Наиболее длительны- ми регулярными измерениями содер- жания углекислого газа в атмосфере (с 1957 г.) располагает обсерватория Мауна-Лоа (Гавайские острова). В атмосфере ежегодно растет содер- жание метана, закиси азота, тропос- ферного озона и фреонов соответ- ственно на 0,9; 0,3; 1—2 и 4%. Время жизни метана, закиси азота и тропос- ферного озона в атмосфере — соот- ветственно 10, 170 лет и несколько недель. Эти газы прозрачны для приходящей коротковолновой солнечной ради- ации, но поглощают и излучают длинноволновую радиацию, тем са- мым оказывая влияние на глобаль- ный климат. В атмосферу поступают газы, не являющиеся ее естественными ком- понентами. Главные из них — фтор- хлоруглеводороды (фреоны). Фре- оны обладают сильными полосами поглощения в окне прозрачности 8 — 12 мкм и, следовательно, могут вносить заметный вклад в парнико- вый эффект атмосферы. Все присут- ствующие в атмосфере фреоны име- ют антропогенное происхождение. Увеличение фреонов происходит в основном за счет использования их в холодильных установках, кондици- онерах, растворителях и аэрозоль- ных баллонах, а также при произ- водстве пенопластов. По оценкам, время их жизни в атмосфере — 80— 170 лет. Производство фреонов на- чалось за несколько лет до Второй мировой войны. В последние десяти- летия стало известно, что эти газы разрушают озоновый слой. Благодаря же атмосфере она равна называют аналогии с Это свойство атмосферы парниковым эффектом по теплицами и оранжереями, сохраняю- щими внутреннее тепло для растений. Таким образом, в дополнение к погло- щенной солнечной радиации встреч- ное излучение атмосферы — важный источник тепла для земной поверхно- сти. С увеличением облачности встречное излучение возрастает, по- скольку сами облака сильно излучают длинноволновую радиацию. Газы, со- здающие в атмосфере экран, задер- живающий инфракрасные лучи, и способствующие в результате этого нагреванию поверхности Земли и нижних слоев атмосферы, называются парниковыми. Они присутствовали в атмосфере в незначительном количе- стве почти на всем протяжении исто- рии Земли.
150 Парниковый эффект атмосферы Наиболее значимый природный парниковый газ — водяной пар Н2О. Он поглощает и излучает длинноволновую инфракрасную радиацию в диапазоне длин волн 4,5—80 мкм. Влияние водя- ного пара на парниковый эффект явля- ется определяющим и создается пре- имущественно полосой поглощения 5— 7,5 мкм. Тем не менее часть излучения поверхности Земли в областях спектра 3—5 мкм и 8—12 мкм, называемых ок- нами прозрачности, уходит сквозь ат- мосферу в мировое пространство. Пар- никовый эффект водяного пара усили- вается полосами поглощения углекислого газа, который попадает в атмосферу в результате вулканической деятельности, естественного круговоро- та углерода в природе, гниения органи- ческих веществ в почве при нагревании, а также человеческой деятельности, главным образом вследствие сжигания ископаемого топлива (угля, нефти, газа) и уничтожения лесов. Помимо углекис- лого газа в атмосфере увеличивается со- держание таких парниковых газов, как метан, закись азота и тропосферный озон. Метан поступает в атмосферу из болот и глубоких трещин в земной коре. Т> Г ядом стран, в число которых вхо- дит и Россия, подписана конвенция об охране озонового слоя. На основании этой конвенции было принято реше- ние о сокращении, а затем и прекра- щении выпуска фреонов. Промыш- ленность некоторых стран начала производить их заменители. f- —w-** Увеличению его концентрации способст- вуют развитие сельскохозяйственного производства (особенно расширение обильно орошаемых рисовых полей), увеличение поголовья скота, сжигание биомассы и добыча природного газа. Концентрацию закиси азота увеличива- ют использование азотных удобрений, выбросы самолетов, а также процессы окисления. Озон в тропосфере увеличи- вается в результате химических реак- ций под действием солнечных лучей между углеводородами и окислами азо- та, образовавшимися вследствие сжига- ния ископаемого топлива. Концентрация этих газов возрастает быстрее, чем кон- центрация углекислого газа, и в буду- щем их относительный вклад в парни- ковый эффект атмосферы может увели- читься. Росту парникового эффекта атмосферы способствует также увели- чение концентрации сильно поглощаю- щего аэрозоля индустриального проис- хождения (сажа) с радиусом частиц 0,001—0,05 мкм. Увеличение в атмосфе- ре Земли содержания парниковых газов и аэрозолей может значительно повы- сить глобальную температуру и вызвать другие климатические изменения, эко- логические и социальные последствия которых пока трудно предсказать. Выбросы самолетов — одна из возможных причин увеличения в атмосфере закиси азота
Тепловой баланс земной поверхности Чтобы правильно оценивать степень нагрева и охлаждения различных зем- ных поверхностей, рассчитывать испарение на водохранилищах, определять изменения влагозапаса в почве, разрабатывать методы по прогнозированию замерзания водоемов, а также оценивать влияние мелиоративных работ на климатические условия приземного слоя воздуха, необходимы данные о теп- ловом балансе земной поверхности. Земная поверхность непрерывно получает и теряет тепло в результате воздействия разнообразных потоков ко- ротковолновой и длинноволновой ради- ации. Поглощая в большей или меньшей лучение гораздо меньше, чем в ясную. Меньше и ночное охлаждение земной поверхности. В средних широтах земная поверхность теряет через эффективное излучение примерно половину того ко- степени суммарную ра- диацию и встречное из- лучение атмосферы, зем- ная поверхность нагрева- ется и излучает длинноволновую ради- ацию, а значит, теряет тепло. Величиной, харак- теризующей потерю теп- ла земной поверхностью, 4 1 излучение. Оно равно разности между собст- венным излучением зем- ной поверхности и встречным излучением атмосферы. Поскольку Гребень Большого Кавказа, освещенный солнцем встречное излучение атмосферы всегда положителен, несколько меньше земного, то эта раз- шает расход. личества тепла, которое она получает от погло- щенной радиации. Приход и расход лучис- той энергии оценивают величиной радиационно- го баланса земной по- верхности. Он равен раз- ности между поглощен- ной солнечной радиацией и эффективным излуче- нием, от него зависит тепловое состояние зем- ной поверхности — ее нагревание или охлажде- ние. Днем радиационный баланс почти все время т. е. приход тепла превы- Ночью радиационный ба- ность положительна. В дневные часы эффективное излучение перекрывается поглощенной коротковолновой радиаци- ей. Ночью же, при отсутствии коротко- волновой солнечной радиации, эффек- тивное излучение понижает температу- ру земной поверхности. В облачную погоду в связи с увеличением встречного излучения атмосферы эффективное из- ланс отрицателен и равен эффективно- му излучению. Годовые значения ради- ационного баланса земной поверхности, за исключением самых высоких широт, повсюду положительны. Этот избыток тепла расходуется на нагревание атмос- феры путем турбулентной теплопровод- ности, на испарение, на теплообмен с бо- лее глубокими слоями почвы или воды.
152 Тепловой баланс земной поверхности Западная Сибирь Если рассматривать температурные ус- ловия за длитель- ный период (год или лучше ряд лет), то земная поверх- ность, атмосфера в отдельности и сис- тема «Земля — ат- мосфера» находятся в состоянии тепло- вого равновесия. Их средняя температу- ра из года в год мало меняется. В соот- ветствии с законом сохранения энергии можно считать, что алгебраическая сум- ма потоков тепла, приходящих на зем- ную поверхность и уходящих от нее, равна нулю. Это и есть уравнение теп- лового баланса земной поверхности. Его смысл состоит в том, что радиационный баланс земной поверхности уравнове- шивается нерадиационной передачей тепла. В уравнении теплового баланса, как правило, не учитываются (ввиду их малости) такие потоки, как тепло, пере- носимое выпадающими осадками, рас- ход энергии на фотосинтез, приход теп- ла от окисления биомассы, а также рас- ход тепла на таяние льда или снега, приход тепла от замерзания воды. Тепловой баланс системы «Земля — атмосфера» за длительный период также равен нулю, т. е. Земля как планета находится в тепловом равновесии: приходящая на верхнюю границу атмосферы солнечная ради- ация уравновешивается уходящей в космос радиацией с верхней границы атмосферы. Выжженная солнием саванна имеет высокое альбедо Идея исследования теплового балан- са земной поверхности принадлежит русскому климатологу и географу А. И. Воейкову (1842—1916). В своей монографии «Климаты земного шара, в особенности России» (1884) он писал: «Я думаю, что одна из важнейших за- дач физических наук в настоящее время — ведение приходо-расходной книги солнечного тепла, получаемого земным шаром с его воздушной и во- дяной оболочкой. Нам нужно знать: сколько получается солнечного тепла у верхних границ атмосферы, сколько его идет на нагревание атмосферы, на изменение состояния примешанного к ней водяного пара; затем какое коли- чество достигает поверхности суши и вод, какое идет на нагревание различ- ных тел, какое на изменение их состоя- ния (из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное), на химические реак- ции, особенно сопряженные с органи- ческой жизнью; затем нужно знать, сколько тепла Земля теряет посред- ством излучения в небесное простран- ство и как идет эта потеря... Если принять приходящую на верхнюю границу атмосферы солнечную ради- ацию за 100%, то из этого количества 32% рассеивается в атмосфере. Из них 6% уходит обратно в мировое простран- ство. Следовательно, к земной поверх- ности в виде рассеянной радиации по- ступает 26%; 18% радиации поглощает- ся озоном, водяным паром, аэрозолями и идет на нагревание атмосферы; 5% поглощается облаками; 21% радиации
Большая энциклопедия природы 153 Космос Атмосфера Приходящая Уходящая солнечная коротковолновая Уходящая длинноволновая радиация 15 139126 Перенос явного и скрытого тепла Излучение атмосферными облаков движениями Излучение Поглощение облаками 13 Земная поверхность 47 18 Перенос явного и скрытого тепла вихрями Турбулентный теплообмен а Скрытое тепло 24 Поглощение солнечной радиации I Эффективное излучение II Перенос тепла океаническими течениями щ Средний тепловой баланс системы «Земля — атмосфера»: I — коротковолновая радиация; II — длинноволновая радиация; III — нерадиационный обмен уходит в космос в результате отраже- ния от облаков. Таким образом, прихо- дящая к земной поверхности радиация составляет 50%, из которых на долю прямой радиации приходится 24%; 47% поглощается земной поверхностью, а 3% приходящей радиации отражается обратно в мировое пространство. В ре- зультате с верхней границы атмосферы в космическое пространство уходит 30% солнечной радиации. Эту величину называют планетарным альбедо Зем- ли. Для системы «Земля — атмосфера» через верхнюю границу атмосферы уходит обратно в космос 30% отражен- ной и рассеянной солнечной радиации, 5% земного излучения и 65% излучения атмосферы, т. е. всего 100%. Большую роль в поддержании теплового равновесия земной поверхности играют про- цессы горизонтального перераспределения тепла воздушными и морскими течениями. Из этих процессов наибольшее значение имеет передача тепловой энергии от низких широт к высоким, обусловленная неоднородностью нагревания поверхности Земли. Теплые воздушные массы, попадая из низких широт в высокие, отдают там свое тепло более холодной земной поверхности и повышают температуру воздуха. Перенос хо- лодного воздуха в низкие широты, напротив, приводит к ее понижению. Процесс переноса воздуха из одних широт в другие (адвекция воздуха) способствует более равномерному распределению тепла по земному шару. При отсутствии такого переноса средняя годовая температура воздуха на полюсах была бы -44° С, а на эк- ваторе +39° С. В действительности она равна соответственно —22° С и +26° С. НИ II II.IIIIIH IW .IIIBH III и .кичи.мач .<!.>>. > ЧЕ мВ?'"-Z v «-Ж!®?* 'йя^.*?' * -:’2- В .. v —.... *• '.г-,-т tw ... .r’.
Погода и наблюдение за ней Мы часто слышим, как люди говорят «хорошая погода», «плохая погода», и каждый понимает это по-своему. А ведь за этими словами — разные состоя- ния атмосферы. Поэт говорит: «Мороз и солнце — день чудесный», а метеочувствитель- ный человек жалуется на холод и го- ловную боль. И таких примеров можно привести сколько угодно. А потому не стоит судить о состоянии атмосферы по самочувствию людей и их отноше- нию к временам года. В метеорологии погода определяется как физическое достояние атмосферы в данный момент времени (о том, что подразумевается под «данным момен- том времени», скажем позже). Физи- ческое состояние атмосферы характе- ризуют такие метеорологические ве- личины, как температура, давление, Погода формируется не только у зем- ной поверхности, но и во всем слое ат- мосферы до высоты 30—40 км. Специ- альными приборами, поднимающимися в атмосферу, — радиозондами, изме- ряют температуру, влажность, ско- рость и направление ветра по всей тол- ще этого слоя. Как правило, эти изме- рения делают два раза в сутки: в 00 и 12 ч по Гринвичскому среднему време- ни. Наблюдения за погодой ведутся на всем земном шаре. Для этого сущест- вует программа, принятая всеми госу- дарствами, которая называется «Все- мирная служба погоды». влажность воздуха, скорость и на- правление ветра, количество облаков и выпавших осадков (дождя, снега, Кучевые облака града), и такие атмосферные явления, как гроза, метель, туман, пыльная бу- ря. Сюда же относятся и оптические явления — голубой цвет неба, радуга, гало, венцы. Воздух все время движется, и его фи- зическое состояние непрерывно меня- ется. А это значит, что непрерывно ме- няются и метеорологические величины
Большая энциклопедия природы 155 ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА, 70- ,60 ЯНВАРЬ 180’ 170’ 120’ 80’4011’40’80’120* 160 'ариж Аддис-Абеба гц Абиджан -де-Жднейро Сан^ь 180° 170 120’ 80’ 40’0’40’80’120’ 160’ улан 'Паоиж Каир Аддис-Абеба Аби. де-Жанейро Сант* ПОЛ'"3' ИЮЛЬ Температура воздуха на уровне земной поверхности (в градусах Цельсия) Изотермы выше О ниже '64 -40 -32 -24 -16 16 32 выше Изотермы 0 и ниже Масштаб 1 : 200 000 000
156 Погода и наблюдение за ней В тропических циклонах скорость ветра превышает 33 м/с, а судя по разруше- ниям, она может достигать у поверхности земли 100 м/с. Когда же воздух непо- движен, то говорят, пто наблюдается штиль. Для больших городов продолжитель- ный штиль — это бедствие, так как при отсутствии ветра в нижнем слое атмос- феры, где мы живем, скапливаются вредные вещества. ередко суровость климата зависит не столько от температуры, сколько от силь- ных ветров. Для погодных условий с температурой воздуха ниже ~7 С гигиенисты ввели понятие «жесткости погоды». за- Выпуск радиозонда для получения значений температуры, влажности и ветра в слое атмосферы до 35—40 км в каждой точке Земли, т. е. меняется погода. Иными словами, непрерывно меняются температура, давление и влажность воздуха, скорость и на- правление ветра, количество и форма облаков, осадков. Обычно людей инте- ресует температура воздуха, диапазон величин которой на Земле очень лик: абсолютный максимум +58° С фиксирован в Ливийской пустыне, а абсолютный минимум -89° С — на станции «Восток» в Антарктиде (это полюс холода земного шара). Наиболее приятны для человека в средних ши- ротах температуры от +20 до +25° С, но ощущение тепла зависит не только от температуры, но и от влажности воздуха и от скорости ветра. Давление воздуха то растет, то па- дает. Величина его зависит и от географической широты мест- ности. Наибольшее давление
Большая энциклопедия природы 157 Остер — один из компонентов, формирующий тешюощущение человека и состоя- ние комфорта. При низких температурах ветер усиливает теплоотдачу, что может способствовать переохлаждению организма, возникновению холодового стресса. Напротив, при высоких температурах ветер усиливает турбулентный теплообмен и снижает состояние дискомфорта. З/Гсключительно сильный ветер, затрудняя дыхание, усугубляет отрицательные реакции организма человека на метеоусловия. Особенно ощутимо дискомфортное воздействие сильных ветров (> 11 м/с), сопровождаемых пыльными бурями и мглой. Иногда такой ветер провоцирует патологическое состояние человеческого организма. Так, местные ветры (фен, бора, мистраль, харматан), например, вызы- вают у больных трудноосстанавливаемые кровотечения. 1086 гЛа было измерено в Сибири, а самое низкое давление 860 гПа — в центре тропического циклона над Ат- лантическим океаном. В умеренных широтах от суток к суткам давление может меняться на 20—30 гПа, а в тропиках — от 1 до 150 гПа. Давление воздуха имеет важнейшее значение, потому что от его распределения по земному шару в каждый данный мо- мент зависит движение воздуха отно- сительно земной поверхности, т. е. ве- тер. Небольшой ветер (10—12 м/с) — друг человека: ветер очищает города от за- грязнения, надувает паруса судов, вращает лопасти ветродвигателей, не- сет прохладу в душный жаркий день. Однако, как только его скорость пре- вышает 15 м/с, ветер становится опас- ным и даже разрушительным. (Воздух содержит водяной пар. Облака, кроме водяного пара, состоят или из плавающих мельчайших капе- лек воды, или из ледяных кристалли- ков, или же из капелек и кристалли- ков вместе. Влажность воздуха важна для теплоощущения человека. Именно температура, влажность воздуха и ве- тер определяют комфортность, когда человек чувствует себя хорошо. Для характеристики погоды важна и облачность, т. е. степень закрытости неба облаками, а также формы обла- ков, которые являются своего рода по- плавками, показывающими движение воздуха. Осадки — дождь и снег — необходи- мое условие жизни на суше. Это важ- нейшие характеристики погоды. Когда осадков мало, образуются пустыни и степи, а интенсивные и продолжительные осад- ки вызывают наводне- ния, сели. Вот почему важно знать количество осадков за сутки, или за 12 ч, или за 6 ч в зави- симости от потребнос- тей хозяйства. Все эти метеорологиче- ские величины харак- теризуют погоду, т. е. физическое состояние атмосферы в данный момент. Что же это зна- чит — «данный мо- мент»? Частота наблю- дений за погодой зави- сит от того, насколько быстро меняются метео- -TSB- Ясная погода
158 Погода и наблюдение за ней Так надвигается ненастье рологические величины и атмосфер- ные явления и как влияют эти изме- нения на человеческую деятельность. Теперь существуют самопишущие приборы, непрерывно фиксирующие величины давления, температуры и относительной влажности. Однако не- возможно, да и не нужно, передавать каждую секунду значения этих вели- чин. Регулярно и наиболее часто на- блюдают погоду на аэродромах. Там наблюдения за погодой производят каждые 15 мин. Ясно, что для аэрод- ромов «данный момент» времени — это 15 мин. На метеорологических станциях всего земного шара принято вести наблюдения за погодой каждые Прибрежный туман — признак вторгающегося холодного воздуха на сравнительно теплое море 3 ч, считая от 00 ч по Гринвичскому среднему времени. Наблюдатели всей Земли в 0, 3, 6, 9, 12, 15,18 и 21 ч вы- ходят на метеорологические площадки и делают отсчет по приборам, изме- ряющим вышеуказанные метеорологи- ческие величины. Таким образом, для наблюдений за погодой у поверхности Земли «данный момент» — это 3 ч. Непрерывно происходящие изме- нения в состоянии погоды обусловле- ны в первую очередь процессами об- щей циркуляции атмосферы. Смена дня и ночи определяет суточный ход метеорологических элементов. Однако для погоды гораздо более характерны резкие и нерегулярные изменения в результате смены воздушных масс, прохождения атмосферных фронтов и эволюции циклонов и антициклонов. Например, днем вместо потепления, нормального для суточного хода тем- пературы, может наступить похолода- ние. Ночью, напротив, температура может сильно повыситься. Осадки и усиление ветра также возможны в лю- бое время суток. Воздушные массы, как и атмосферные вихри (циклоны и антициклоны), захва- тывают сразу большие районы: их го- ризонтальные размеры — тысячи кило- метров, поэтому погода в пределах од- ной и той же воздушной массы на
Большая энциклопедия природы 159 Снимок облачности со спутника довольно значительном пространстве будет иметь сходный характер. Если на территорию вторгается новая воздуш- ная масса, то соответствующие измене- ния погоды происходят одновременно во многих районах. Следовательно, погода на данной территории связана с пред- шествовавшим и последующим состоя- ниями погоды в других районах. Наблю- дения в одном пункте не могут дать пол- ного представления ни о причинах, ни о сущности изменений погоды. Пространственный масштаб про- цессов, формирующих погоду, таков, что их лучше всего изучать с помощью географических карт. На карту в точ- ках расположения метеорологических станций цифрами и условными знач- ками наносят результаты наблюдений, сделанные в один момент времени. Та- кая карта называется синоптической (т. е. обзорной) картой погоды; она ха- рактеризует состояние погоды одно- временно на большой территории, на- пример в Европе или во всем Северном полушарии. Синоптические карты со- ставляются через определенные про- межутки времени (например, через каждые 12, 6 или 3 ч) и дают пред- ставление о развертывании процессов во времени. Синоптические карты составляются как для поверхности Земли (призем- ные карты погоды), так и для различ- ных слоев атмосферы (высотные кар- ты погоды). Вместе с вертикальными разрезами атмосферы и с графиками, построенными по данным радиозонди- рований, они дают представление о трехмерной структуре атмосферы до высоты 25—30 км. Прослеживая по синоптическим кар- там, как и куда двигались раньше и движутся сейчас воздушные массы, фронты, циклоны и антициклоны и 15 атмосфере фронты перемещаются в направлении основных воздушных течений со 'I средней скоростью 30—50 км/ч. Если фронт перемещается в сторону холодного воз- духа, то его называют теплым. В этом случае одновременно с горизонтальным дви- жением теплый воздух будет подниматься вверх по отступающему клину холодного воздуха. В результате такого подъема теплый воздух, насыщается и происходит кон- денсация водяного пара, что приводит к возникновению обширной системы перис- то-слоистых, высокослоистых и слоисто-дождевых облаков, из которых выпадают об- ложные осадки. Если линия фронта перемещается в сторону теплого воздуха, то такой фронт называется холодным. В этом случае восходящее движение теплого воздуха по наступающему холодному клину ограничено более узкой зоной, однако вертикальные скорости значительно больше, чем на теплом фронте. Особенно они увеличиваются перед клином холодного воздуха, где теплый воздух наиболее интенсивно вытесняется вверх холодным. Поэтому на холодном фронте преобладают кучево-дождевые облака с ливневыми осадками, грозы и шквалистые ветры.
160 Погода и наблюдение за ней что с ними происходит, синоптик мо- жет составить представление об об- щем характере и механизме погоды во всем географическом районе и на основе своих заключений сформиро- вать предварительный прогноз буду- щей погоды. На карте погоды в виде цифр и знач- ков синоптики наносят огромное коли- чество метеорологических данных. «Читать» необработанную (непроана- лизированную) карту трудно. Делать какие-либо заключения о развитии ат- мосферных процессов и составлять прогнозы погоды по таким картам практически невозможно, поэтому первое, что необходимо сделать при анализе, это придать карте погоды на- глядность. Для этого на карте прово- дят изобары — линии равного давле- ния, а также изолинии тенденций его изменения за последние 3 ч, затем вы- деляют зоны осадков, туманов, наме- чают линии атмосферных фронтов. В современном мире для этого широко используются компьютеры и геоин- формационные системы (ГИС) Метео MapMaker, которые позволяют анали- зировать условия атмосферной цирку- ляции и погоды в пределах земного шара в режиме реального времени. Основные изменения погоды в умерен- ных широтах обусловлены циклониче- ской деятельностью, т. е. возникновени- ем, развитием и перемещением цикло- нов и антициклонов. Подавляющее число циклонов внетропических широт возникает на главных атмосферных фронтах (арктическом и полярном), и вся их дальнейшая жизнь неразрывно связана с этим фронтом. Если рассматривать эволюцию циклона от момента его возникновения до полно- го исчезновения, то можно выделить следующие стадии развития. Начальная стадия циклона — стадия фронтальной Карта погоды: линиями показаны изоба- ры, зачернены районы выпадения осадков Карта погоды с развивающимся циклоном: _— теплый фронт; холодный фронт волны. На главном фронте возникают огромные волны длиной 1000 км и более. С их появлением теплый воздух начи- нает продвигаться к высоким широтам в сторону холодного воздуха в передней части волны, а холодный воздух — к низким широтам в сторону теплого воз- духа в тыловой части. При этом давле- ние у вершины волны понижается, что приводит к формированию начального циклонического возмущения, как прави- ло, с одной замкнутой изобарой на при- земной карте погоды. Это вызывает де-
Большая энциклопедия природы 161 Стадия фронтальной волны Стадия молодого циклона Стадия окклюзии: в центре циклона наиболее низкое давление и наиболее сильные ветры Стадия заполняющегося (разрушающегося) циклона кие температуры воздуха. Обычно теп- лый сектор занимает южную и юго-восточную части циклона. Самые низкие температуры в циклоне наблю- даются за холодным фронтом в его се- веро-западной и северной частях. Весь циклон как единая система обычно бы- стро (30—50 км/ч) движется на восток или северо-восток. Стадия максимального развития. Ста- дия молодого циклона — кратковремен- ный промежуток в развитии циклона: он длится обычно не дольше суток (ча- ще 12 ч). Холодный фронт в циклоне всегда движется быстрее, чем теплый, поэтому он постепенно догоняет теплый фронт и смыкается с ним. Происходит так называемое окклюдирование цик- лона (от лат. occlusio — запирание) и об- разование фронта окклюзии. К началу окклюдирования давление в центре циклона падает до самых ни- зких значений (обычно до 980—990 гПа, но иногда и ниже). Скорости ветра в центре циклона достигают макси- мальных значений. Циклоническая формацию (искривление) главного фронта и образование на нем участков теплого и холодного фронтов. Начало за- рождения циклона на приземных кар- тах погоды можно заметить по падению давления, увеличению облачности и вы- падению осадков. Стадия молодого циклона. В этой ста- дии число замкнутых изобар в циклоне возрастает (до двух—трех), а давление в центре циклона продолжает заметно понижаться, что приводит к усилению ветров и осадков. Теплый воздух обра- зует теплый сектор циклона, и на при- земной карте отмечаются самые высо- Слоисто-кучевые облака, возникающие в тылу холодного вторжения циркуляция захватывает слои атмос- феры до 5—7 км. Облачные системы и зоны осадков холодного и теплого фронтов сливаются и приобретают вид огромной спирали, закручивающейся около центра циклона. Стадия заполнения (разрушения) цик- лона. В процессе окклюдирования цик- лона холодный воздух продолжает рас-
162 Погода и наблюдение за ней ( современная технология посредством модемной связи обеспечивает опера- тивный прием, обработку и анализ все- го комплекса мировой метеорологиче- ской информации, включая данные на- земных и судовых метеорологических и аэрологических станций, метеорологи- ческих радиолокаторов, орбитальных и геостационарных спутников. Програм- ма Метео MapMaker позволяет выпол- нять до 30 операций: строить призем- ные и высотные карты погоды, выде- лять зоны облачности, осадков, тумана, гроз, проводить линии атмосферных фронтов и т. д. Программа предусмат- ривает также построение вертикаль- ных разрезов атмосферы по заданным маршрутам и построение траекторий перемещения в атмосфере частиц, ли- ний и областей, что особенно важно для задач экологического мониторинга воз- душного бассейна. Особо следует выде- лить прогностический блок программ, который позволяет строить прогности- ческие поля основных параметров ат- мосферы с заблаговременностью от 1 до 7 суток, рассчитанные по моделям ос- новных метеорологических центров ми- ра (Москва, Новосибирск, Вашингтон, Брекнелл, Оффенбах и Рединг), и на этой основе составлять прогноз погоды. весь жизненный цикл циклона продол- жается 5—7 дней. Возникновение и развитие антицикло- нов тесно связаны с развитием цикло- нов. Это единый процесс, происходящий на главном фронте, в результате кото- рого в одном районе создается недоста- ток массы воздуха и возникает циклон, а в другом районе — избыток массы воздуха и возникает антициклон. В от- личие от циклонов, в которых господст- вуют восходящие движения, для анти- циклонов характерна общая тенденция к нисходящему движению воздуха. Это происходит потому, что в нижнем слое антициклона воздух вытекает из центра к периферии. Благодаря оседанию воз- дух в антициклоне не насыщается вла- гой, и погода в антициклонах преобла- дает малооблачная и сухая. Только в нижних слоях в ночные часы и в холод- ную половину года возможно образова- ние туманов и слоистых облаков. Ветры в антициклонах, как правило, слабые, преобладают штили. Из всего сказанного следует, что наибо- лее сложные условия погоды на синоп- тической карте будут наблюдаться в циклонических областях вблизи атмос- ферных фронтов — в узких переходных пространяться к югу и постепенно зани- мает всю область циклонической циркуляции. Теплый сектор на призем- ной карте быстро сокращается, а теплый воздух вытесняется в верхние слои тропосферы, где он затем охлаж- дается. Циклон постепенно замедляет свое движение, давление в его центре на- чинает расти, ветер ослабе- вает, а системы облачности и осадков размываются. Наконец циклон полностью исчезает. Таким образом, зонах между теплым и холодным воз- духом. Фронтальные поверхности рас- полагаются в атмосфере наклонно, при- чем угол наклона фронта к поверхности Земли очень мал и составляет меньше одного углового градуса. Например, если линия теплого фронта у Земли проходит в районе Смоленска, то над Москвой этот фронт располагается на вы- соте всего нескольких сотен мет- ров (700—900 м). При этом более плотный холодный воздух лежит под теплым воздухом в виде узко- го клина, постепенно увеличиваю- щего свою толщину по мере уда- ления от линии фронта.
Составление прогноза погоды Самое трудное — составить прогноз ожидаемых изменений погоды на пред- стоящие трое суток. Эта задача предполагает определение характера пе- ремещения и изменения барических систем, фронтов и воздушных масс на следующие несколько десятков часов после получения информации о погоде, т. е. дать прогноз так называемого синоптического положения. С учетом всех этих перемещений, собственно, можно делать заключение о погоде в этом районе. Прогнозы погоды бывают кратко- срочными (на 1—3 суток), среднесроч- ными (на 4—10 суток) и долгосрочными (на месяц и сезон). Задача составления краткосрочных и среднесрочных про- гнозов погоды состоит из двух этапов: прогноза синоптического положения и прогноза собственно погоды. Прогноз синоптического положения обычно осуществляется на ЭВМ путем решения уравнений динамики и тер- модинамики, описывающих состояние атмосферы. Затем по этим данным си- ноптики составляют прогноз погоды, характеризующий будущие темпера- туру и влажность воздуха, скорость и направляющие ветра, возможность выпадения осадков и т. д. При этом учитывается трансформация воздуш- ных масс, т. е. изменение их свойств в зависимости от свойств подстилающей поверхности, сезона года и суточного хода метеорологических величин. До- полнительно оценивается влияние на погоду местных факторов — озер, рек, возвышенностей, больших городов и т. д. Для прогноза гроз и ливневых осадков используется информация ме- теорологических радиолокаторов. На- сколько же можно доверять синопти- Синоптик за работой с ГИС кам, т. е. какова достоверность крат- косрочных прогнозов? Современные схемы краткосрочного прогноза пого- ды позволяют предсказывать будущее состояние атмосферы на срок не более 5—7 суток, причем наиболее надеж- ными являются прогнозы на срок до 2—3 суток. Оправдываемость прогно- зов на сутки достигает 90%. Почему же синоптики иногда ошибаются? Это происходит по ряду причин. Во-пер- вых, еще несовершенны математиче- ские модели атмосферы Во-вторых, нет достаточной информации о состоя- нии атмосферы. И, в-третьих, очень трудно выявить влияние местных ус- ловий на развитие крупномасштабных атмосферных процессов, определяю- щих погоду. Для устранения двух пер- вых причин нужны упорная научная работа и техническое перевооружение сети метеорологических наблюдений. Третья причина не зависит от человека, и всегда будет вероятность погреш-
164 Составление прогноза погоды в краткосрочном про- гнозе погоды. Долгосрочным про- гнозом принято счи- тать прогноз на месяц и сезон. Установлено, что предсказуемость характера погоды в какой-то день в дан- ном месте не превы- шает двух недель. Иными словами, как бы ни совершенство- вались методы про- гноза, невозможно предсказать конкрет- ное явление погоды в определенный день на три недели вперед. Вряд ли будет найден такой метод прогноза, который бы позволил вычислить погоду по дням на предстоящий месяц или сезон. Это, однако, не означает, что бессмыс- ленно прогнозировать погоду на месяц или сезон. Просто следует понимать, что, когда говорят о долгосрочном про- гнозе погоды, имеют в виду месячные и сезонные аномалии температуры и осадков. Однако такие общие характе- ристики погоды на ближайший месяц и сезон пока еще далеки от удовлет- ворительного разрешения. Общепризнано, что для долгосрочного прогнозирования необходимо рассмат- ривать совместно атмосферу, Мировой океан и состояние поверхности суши, в частности влажность почвы, наличие снежного и ледного покрова. Однако надежных оперативных методов дол- госрочных прогнозов погоды пока еще нет. Это важнейшая практическая за- дача метеорологии, на решение кото- рой направлены усилия метеорологов всего мира. Наиболее важны для населения прогнозы опасных и особо опасных явлений: сильных ветров, осадков, гроз, снегопадов, туманов, метелей, заморозков
Всемирная служба погоды Глобальный характер атмосферной циркуляции обусловил необходимость международной координации как результатов наблюдений, так и результа- тов обработки измерений — анализов и прогнозов погоды, составленных ме- теорологическими центрами мира. 1?; Международную координацию деятельности национальных метеоро- логических служб осуществляет Все- мирная метеорологическая организа- ция (ВМО), которая поддерживает функционирование Всемирной служ- бы погоды (ВСП), состоящей из наци- ональных метеорологических или гид- рометеорологических служб. ® Всемирная служба погоды вклю- чает в себя три составляющие: гло- бальную систему наблюдений, гло- бальную систему телесвязи и глобаль- ную систему обработки данных. Глобальная система наблюдений — это наземные и космические наблюде- ния. Наземные наблюдения за атмос- ферой — это все наблюдения, прово- дящиеся с поверхности Земли или в толще атмосферы. На суше такие из- мерения ведутся на метеорологических станциях. Станции, передающие ре- зультаты измерений в каналы связи сразу же после наблюдений за погодой, называются синоптическими. По дан- ным ВМО, в 1997—1998 гг. на земном шаре работали 9929 синоптических станций. В океанах метеорологические наблюдения проводятся на коммерче- ских и научно-исследовательских су- дах, дрейфующих и заякоренных буях. По данным ВМО, в 1997—1998 гг. ра- ботали 6759 судовых станций. В свободной атмосфере измерения ведутся с помощью радиозондов, ме- Самым древним метеорологическим прибором является, по-видимому, дождемер. Дождемеры существовали в Китае, Индии, Корее и Палестине за много веков до того, как осадкомер был изобретен в Европе учеником и сподвижником Галилея Кас- телли в 1639 г. Термометр для измерения температуры воздуха был изобретен около 1600 г. Сан- торио (1561—1636), хотя многие считают, что его изобрел Галилей (1564—1642). Барометр был изобретен другим учеником Галилея Торричелли (1608—1647) около 1644 г. Американский художник и изобретатель С. Морзе (1791—1872) в 1837 г. изобрел электрический телеграф и в 1843 г. с помощью созданной им азбуки (кода) передал свою знаменитую фразу «Что сработал Бог» из Вашингтона в Балтимор (США). Это изобретение позволило уже через несколько лет передавать по телеграфу сводки погоды, прогнозы погоды и штормовые предупреждения. В более поздние годы это дало возможность создать национальные службы погоды.
166 Всемирная служба погоды Автоматическая метеорологическая станция теорологических прибо- ров, устанавливаемых на коммерческих самоле- тах, а также с помощью метеорологических ра- диолокаторов. На зем- ном шаре насчитывает- ся 600 метеорологичес- ких радиолокаторов и 991 пункт радиозонди- рования атмосферы. Каждый такой пункт дает сведения о темпе- ратуре, давлении, влаж- ности воздуха и ветре от поверхности Земли до высоты 20—30 км. С помощью приборов, установленных на самолетах, измеряются температу- ра и ветер, а с помощью метеорологи- ческих радиолокаторов ведутся на- блюдения за облачностью и осадками. Чтобы пополнить информацию, посту- пающую с сети наземных наблюдений, с 50-х гг. XX в. стали разрабатывать методы метеорологических наблюде- ний из космоса. Искусственные спутники Земли позволили проводить метеорологиче- ские наблюдения и измерения равно- мерно над всей планетой. В настоящее время метеорологические наблюдения ведутся со спутников, совершающих Оервый метеорологический спутник, с которого производилась телевизи- онная съемка поверхности Земли и об- лачного покрова, был запущен в 1960 г. в США. Первый метеорологический спутник, предназначенный для на- блюдения за облачным покровом в видимом и инфракрасном участках спектра (спутник «Космос-122»), был запущен в Советском Союзе в 1966 г. Первая метеорологическая ракета МР-1 была запущена в Советском Союзе в 1949 г. С ее помощью изме- рялись температура, ветер и давление до высоты 80 км. движение по околополярным и эква- ториальным орбитам. Со спутника, на- ходящегося на круговой околополяр- ной орбите, производится последова- тельный обзор всего земного шара. Высота круговой орбиты и угол ее на- клона к плоскости экватора для око- лополярных спутников подбираются так, чтобы над каждой точкой земного шара измерения проводились, по крайней мере, два раза в сутки. По- лярно-орбитальные спутники нахо- дятся обычно на высоте около 1000 км. Экваториальная круговая орбита с высотой около 36 000 км, по которой спутник движется со скоростью, рав- ной угловой скорости вращения Зем- ли, называется геостационарной. Спутник, совершающий полет по та- кой орбите, как бы висит над одной за-
Большая энциклопедия природы 167 Полярно-орбитальный метеорологический спутник «Метеор» ранее выбранной точкой земного ша- ра, расположенной на экваторе. Такой неподвижный относительно Земли спутник называется геостационар- ным. Его преимущество состоит в том, что в течение короткого промежутка времени (порядка 20 мин) производит- ся обзор очень большой территории: 120 по долготе и 120' по широте. Пя- ти-шести геостационарных спутников достаточно для того, чтобы получать синхронные измерения в широтном поясе от 60° с. ш. до 60" ю. ш. каждые 30 мин. Метеорологические спутники, которые находятся на полярных и гео- стационарных орбитах и эксплуатиру- ются разными странами, составляют космическую подсистему наблюдений. В настоящее время на оперативной ос- нове по измерениям со спутников оце- ниваются важнейшие параметры со- стояния атмосферы — температура и влажность воздуха, облачность, ветер на нескольких уровнях. Глобальная система телесвязи выпол- няет две основные функции: передает измерения в национальные, регио- нальные и мировые метеорологиче- ские центры, где производится их анализ и составляются прогнозы, и распространяет глобальные и реги- ональные анализы и прогнозы из ве- дущих метеорологических центров по всему миру, с тем чтобы этой инфор- мацией могли пользоваться небольшие метеорологические центры, бюро по- годы, авиационные метеорологические станции, которые не в состоянии по своему техническому оснащению гото- вить такую продукцию. Глобальная система обработки данных опирается на национальные или меж- дународные метеорологические цент- ры, которые в системе ВСП подразде- ляются на национальные, региональ- ные и мировые центры. Национальные центры призваны обслуживать эконо- мику данной страны. Региональные центры готовят анализы и прогнозы для группы стран, входящих в данный регион. В мировых метеорологических центрах составляются глобальные ана- лизы и прогнозы погоды, которые рас- пространяются по глобальной системе телесвязи во все Геостационарный метеорологический спутник «Метеосат»
Силы, действующие в атмосфере Атмосфера обволакивает весь земной шар, оказывая давление на каждый квад- ратный метр поверхности. Следовательно, на поверхности Земли и на любой высоте в каждой точке создается определенная величина давления, т. е. поле давления, или барическое поле. Это поле можно описать как систему по- верхностей одинакового давления, так называемых изобарических поверхно- стей, например: 1000 гПа, 850 гПа, 500 гПа, 200 гПа и т. д. На уровне моря пересечения с изобарическими поверхностями образуют линии одинакового давления — изобары. (Jp Распределение давления на зем- ном шаре очень неоднородно, оно ме- няется от точки к точке и изменяется во времени. Неоднородность распреде- ления давления объясняется неравно- мерным распределением масс воздуха внутри каждого столба атмосферы, которое в свою очередь зависит от распределения температуры. Если в одном географическом районе дав- ление высокое, а в другом — ни- зкое, то воздух будет двигаться от области более высокого дав- ления к области бо- 28А-Э к-- > « лее низкого давления. При этом чем больше разность давлений, тем боль- шее ускорение приобретает воздух. Разность давлений, которая приходит- ся на единицу расстояния по нормали к изобаре, называется горизонталь- ным барическим градиентом. Иначе, это и есть сила, приводящая в движе- ние воздух. Кроме силы градиента давления в атмосфере действуют силы инерции (сила Кориолиса и центро- бежная), а также сила трения. Все воз- душные течения рассматриваются от- носительно Земли, которая вращается вокруг своей оси. Понять, как дейст- вует сила Кориолиса (СК), можно, ес- ли вспомнить, что линейная скорость вращения каждого неподвижного тела на Земле равна произведению угловой скорости вращения Земли со на рас- стояние до оси вращения г, т. е. и = or. Рассмотрим действие силы Кориолиса на примере движения тела единичной массы вдоль меридиана. Положим, что 1 кг воздуха в Северном полушарии расположен на широте ф и начинает двигаться вдоль меридиана на север со скоростью ветра V. В силу инерции этот килограмм воздуха будет сохра- нять линейную скорость вращения и, которую он имел на широте ф. В ре-
Большая энциклопедия природы 169 зультате движения на север он будет находиться на все более высоких ши- ротах, где расстояние до оси вращения Земли меньше и линейная скорость вращения Земли меньше. Таким обра- зом, это тело будет опережать непо- Смерч — это самый большой перепад давления, наблюдающийся в атмосфере движные тела, расположенные на том же меридиане, но в более высоких широтах, т. е. наблюдатель на Земле сможет отметить, что это тело под действием какой-то силы отклонится вправо. Эта сила и есть сила Кориоли- са. Подобные рассуждения показыва- ют, что в Южном полушарии такой килограмм воздуха отклонится влево от направления движения. Величина горизонтальной составляющей силы Кориолиса, действующей на 1 кг, рав- на СК = 2coV sin (р. В Северном полу- шарии она направлена под прямым уг- лом вправо от скорости ветра V. Из формулы следует, что если тело по- коится, то силы Кориолиса нет. Она действует только тогда, когда воздух движется. На нашей планете силы го- ризонтального барического градиента и силы Кориолиса имеют один поря- док, поэтому нередко они почти урав- новешивают друг друга. Тогда ускоре- ние воздуха мало и движение близко к прямолинейному и равномерному. В этом случае воздух движется не вдоль градиента давления, а вдоль
170 Силы, действующие в атмосфере Резко повысившаяся температура прибрежных вод приводит к развитию куче- во-дождевых облаков на побережье и в горах Перу, Северного Чили и Эквадора, где в результате выпадают две-три годовые нормы осадков. Большое количество дождей, выпавших в сухих районах и пустынях, вызывает появление влаголюбивой растительности, обычно не свойственной этим местам. изобары или близко к ней, оставляя в Северном полушарии низкое давление слева. Воздушные течения в атмосфе- ре имеют вихревой характер: обычно траектории воздушных частиц иск- ривляются, и частицы движутся либо против, либо по часовой стрелке. При таком движении на каждый килограмм воздуха дей- ствует центробежная сила V/R, где V — скорость вет- ра, a R — радиус кривиз- ны траектории. В атмос- фере эта сила всегда меньше силы барического градиента. Сила трения возникает между поверхностью Земли и движу- щимся над ней воздухом. Неровности земной поверхности задерживают нижние объемы воздуха. Перенос объ- емов воздуха, обладающих малой го- ризонтальной скоростью, вверх с ниж- них уровней задерживает дви- жение верхних слоев воздуха. Таким образом, трение о зем- ную поверхность передается вверх, постепенно ослабе- вая. Сила трения замедляет скорость ветра. Она заметна в слое 1—1,5 км, который называется плане- тарным пограничным слоем. Ветер здесь из-за трения отклоняется от изобар в сторону низкого давления. Выше 1,5 км влияние трения значи- тельно, поэтому более высокие слои называют свободной атмосферой.
Циркуляция атмосферы Циркуляцией атмосферы называются крупномасштабные воздушные тече- ния, существующие на земном шаре. В этих воздушных течениях возникают волны и вихри, обладающие характерными свойствами. <37 Возникающие, развивающиеся и затухающие в атмосфере воздушные течения бывают разных размеров, время их существования различно. Так, например, кучевое облако возни- кает в потоке влажного воздуха из-за восходящего движения. Его размер приблизительно 10 км, а время су- ществования полчаса. Движения воз- духа такого масштаба в течение ко- роткого времени влияют на неболь- шую территорию. А вот бризы, развивающиеся на равнинном побе- режье и дующие днем с моря на сушу, проникают в умеренных широтах в глубь территории на 25—30 км. Время их существования — полсуток. Бриз влияет на погоду в пределах неболь- шой территории. Это местный ветер, охватывающий узкую полосу земли вдоль побережья. На вопрос, какие воздушные течения определяют погоду в пределах Мос- ковской области в течение от 1 до 5 суток, можно ответить, если учесть среднюю скорость переноса воздуш- ных масс, которая известна из аэро- логических наблюдений. В среднем она равна 50 км/ч. Следовательно, в каж- дую точку Московской области посту- пает воздух, который за сутки до этого находился на расстоянии 1200 км, а за 5 суток — на расстоянии 6000 км от Фотография циклона, сделанная со спутника точки. Таким образом, крупно- этой масштабные воздушные течения со- поставимы по размерам с материками и океанами, а продолжительность их существования 5—6 суток. Если же мы хотим узнать погоду на более обшир- ной территории, например на европей- ской части России, то надо рассматри- вать структуру воздушных течений на всем Северном полушарии за сутки, а на всем земном шаре — за 5 суток. По- этому для понимания изменения пого- ды в течение нескольких суток необ- ходимо знать закономерности крупно- масштабных воздушных закономерности общей атмосферы. При наблюдении Земли как видно на приведенных снимках, можно судить о воздушных течениях, развитии и перемещении облачных систем. Так, в умеренных широтах обоих полушарий встречаются полосы течении или циркуляции из космоса,
172 Циркуляция атмосферы ]У1астерство Колумба как морепла- вателя заключалось в знании им за- кономерностей воздушных течений: чтобы плыть на запад, ему нужно бы- ло идти по южной периферии субтро- пического антициклона, где дуют пас- саты, а назад в Европу нужно было возвращаться по северной перифе- рии субтропического антициклона, где обычно наблюдаются западные ветры умеренных широт. Обратный путь был более трудным, так как за- падные ветры менее устойчивы и бо- лее изменчивы из-за развивающихся здесь циклонов и антициклонов. облачности шириной 300—500 км, рас- пространяющиеся на тысячи километ- ров и закручивающиеся в Северном полушарии в полярных широтах про- тив часовой стрелки, а в Южном полушарии — по часовой стрелке. Эта облачность, как правило, все время пе- ремещается с запада на восток, воз- никая в одном географическом районе и разрушаясь через 2—3 дня в другом. В то же время в субтропических ши- ротах (30—15° широты) над океанами и над пустынями облачности мало. А если она и есть у западных побере- жий Африки и Америки, то только в виде облачных островков. Наконец, в экваториальной зоне (15° с. ш. — 15° ю. ш.) всегда существует одна или две полосы облачности, более или ме- нее плотной. (jp Облачность отражает закономер- ности общей циркуляции атмосферы на земном шаре: характер воздушных течений в умеренных широтах обоих полушарий отличается от характера воздушных течений в субтропических и экваториальных широтах. В умеренных широтах всегда присут- ствуют три воздушные массы: в по- лярной области — арктическая (или антарктическая), в зоне 30—40° широ- ты — тропическая и воздушная масса умеренных широт. Эти воздушные массы различаются по температуре, влажности и запыленности. Так, в ян- варе иногда в Москву приходит арк- тический воздух с Баренцева и Кар- ского морей со средней температурой -19°С, морской умеренный воздух с Атлантики — с температурой -1° С, а тропический воздух из Северной Аф- Снимок Земли с геостационарного спут- ника в инфракрасной области спектра. Белые полосы и пятна говорят о мощной облачности, захватывающей всю тропо- сферу. Серые барашки и серая пелена над Южной Америкой представляют ниж- нюю облачность в слое 1,0—1,5 км, куче- вую и слоистую соответственно. Полосы белой облачности в верхней и нижней час- тях снимка — фронтальная облачность в умеренных широтах Северного и Южного полушарий. Там же — вихри облачности, соответствующие цикло- нам. Полоса облачности в центральной части снимка — это облачность внутри- тропической зоны конвергенции. Темные места — безоблачные пространства над теплыми океанами и над сушей.
Большая энциклопедия природы 173 рики приносит с собой оттепели: тем- пература повышается до +2°С. В мес- тах соприкосновения этих воздушных масс возникают фронтальные зоны, которые у Земли проявляются как по- лосы перехода (в 10—20 км) от одной воздушной массы к другой. Здесь-то и образуются полосы облачности, ко- торые видят космонав- ты сверху. Во фрон- тальных зонах в толще тропосферы холодный воздушный поток, кото- рый находится на сто- роне, обращенной к по- люсам, соприкасается с теплым воздушным по- током, который нахо- дится на стороне, обра- Струйные течения в атмосфере щенной к экватору. Та- ким образом, фронтальной зоне во существует пере- пад температуры и, следовательно, плотности воздуха. Такой поток неус- тойчив, и в нем возникают воздушные волны длиной 5000—6000 км, превра- вающиеся облачные спирали, наблю- даемые из космоса в умеренных широтах, — это и есть циклоны. Одновременно с развитием циклона возникает антициклон — вихрь с зам- кнутыми изобарами, са- мым высоким давле- нием воздуха в центре и ветрами, дующими по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрел- ки — в Южном. В ан- тициклоне всегда су- ществуют нисходящие движения воздуха, пре- пятствующие возникно- вению мощной облач- ности и продолжитель- ных осадков. Просветы ясного неба, видимые космонавтами в умерен- ных широтах и разде- ляющие облачность фронтов, относятся к антициклонам. Таким образом, крупномасштабная циркуляция атмосферы в умеренных широтах — это постоянное образова- щающиеся потом в вихри — циклоны и антициклоны. Циклон — вихрь с замкнутыми изобарами и самым ни- зким давлением воздуха в центре. В циклоне ветер дует против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии. В циклоне всегда существует восходя- щее движение воздуха, и поэтому воз- никают облачность и осадки. Закручи- Мозаика из снимков Южного полушария, сделанных со спутника, находящегося на полярной орбите, в инфракрасной облас- ти спектра. Белые полосы — фронталь- ные облачные системы, закручивающиеся в области циклонов. Серые пятна — об- ласти, занятые низкими облаками. Тем- ные пятна — безоблачные пространства ние, развитие, движение, а затем за-
174 Циркуляция атмосферы середине XX в. стало ясно, что энергия, которая приводит в движение атмос- феру, поступает в умеренные широты из тропиков. В то же время оказалось, что атмосферные процессы в умеренных широтах изучены значительно лучше, чем в тропиках. Потому в 1966 г. Международный союз научных союзов и Всемирная метеорологическая организация приняли решение провести в 1974 г. Атлантиче- ский тропический эксперимент по Программе исследования глобальных атмосфер- ных процессов (АТЭП). Было намечено организовать сеть наблюдений в тропиках Атлантического океана и задействовать станции в Африке и Южной Америке. Наблюдения должны были охватывать территорию между 10° ю. ш. и 20 с. ш. и 95° з. д. и 50° в. д. Для подготовки к международному эксперименту Гидрометслужба и Академия наук СССР организовали в 1972 г. экспедицию в тропическую Атлан- тику «Троп-экс-72». В этой экспедиции были проведены аэрологические, метео- рологические, океанологические и специальные наблюдения и отработаны элемен- ты будущей международной программы. Для изучения атмосферных процессов различных масштабов от 10 км до 1000 км было организовано два полигона в виде вложенных друг в друга шестиугольников с треугольником в центре. В вершинах внешнего шестиугольника стояли советские суда, в вершинах внутреннего шестиугольника стояли суда США, Канады, ФРГ и Франции. Треугольник был образован судами, оборудованными метеорологиче- скими радиолокаторами. В результате работы экспедиции был собран огромный материал наблюдений, который был не только обработан, но и научно проанали- зирован и обобщен благодаря установленным на советских судах ЭВМ. Успешное проведение такого грандиозного научного предприятия по единой про- грамме, не имевшего аналогов в прошлом, дало уверенность метеорологическому сообществу, что основной эксперимент Программы исследований глобальных ат- мосферных процессов будет выполнен. ** тухание и исчезновение циклонов и ан- тициклонов. При этом циклоны, возни- кающие на фронте, разделяющем теплую и холодную воздушные массы, движутся в сторону полюсов, перенося теплый воздух в полярные широты. Антициклоны же, возникающие в тылу циклонов в холодной воздушной массе, движутся в субтропические широты, перенося туда холодный воздух. Имен- но эти процессы и определяют измене- ния погоды в умеренных широтах. Чтобы следить за происходящими в атмосфере процессами, через каж- дые три часа в метеорологических службах всех стран составляются кар- ты погоды и два раза в сутки — карты барической топографии различных изобарических поверхностей. Для ха- рактеристики общих закономерностей циркуляции атмосферы составляют средние многолетние карты давления воздуха на уровне моря, карты преоб- ладающих ветров и средние карты то- пографии изобарических поверхно- стей. Карты отражают наиболее по- вторяющиеся процессы в умеренных, субтропических и экваториальных широтах. Кроме того, они позволяют судить о сезонных изменениях цирку- ляции атмосферы, вызванных различ- ным поступлением солнечной ради- ации в течение года. В январе в северной Атлантике и в северном Тихом океане наблюдаются
Большая энциклопедия природы 175 АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ и ВОЗДУШНЫЕ ТЕЧЕНИЯ /ото 1012 1010 025 PHbJH 1010 W1O л см о 1020 J010 J005 к востоку от Гринвича 'Sj. ^1010 120“ 120“ к западу от ГОИНВИ' ИЮЛЬ 1015 Экватор Южньй ДРориЦ - - —990— Изобары Основные направления воздушных течений: холодных 40“ 40’ Среднее атмосферное давление на уровне моря (в гектопаскалях) менее 985 990 995 1000 1005 1010 1015 1020 1025 1030 более _ _ Промежуточные КЗГП Г Г“~I Г~Л1ЕгКИ “~1022" изобары теплых Масштаб 1 : 200 000 000
176 Циркуляция атмосферы «Замечательный ученый и путешественник XX в. Тур Хейердал (1914) для доказа- тельства возможности заселения островов Полинезии в Тихом океане выходцами из Южной Америки решил воспользоваться плавучим средством, которое было в ходу у жителей Перу еще до империи инков, — плотом из бальсового дерева, которое не тонет при долгом нахождении в воде. Он связал плот из бальсы, назвал его «Кон-Тики» (что означает Солнце-Тики — божество предков полинезийцев) и под парусом проплыл с пятью товарищами на борту из Кальяо (Перу) через Тихий океан до атолла Рароиа (архипелаг Туамоту) за 101 сутки. В начале пути плот унесло Перуанское течение (течение Гумбольдта) и юго-восточный пассат, а затем он двигался, увлекаемый вос- точным пассатом Тихого океана, который не затихал ни на один день. области низкого давления, называе- мые Исландской и Алеутской депрес- сиями, и области высокого давления над Канадой и Азией, называемые Ка- надским и Сибирским антициклонами. Депрессии существуют в районах, где часты циклоны, которые по мере про- движения на восток и северо-восток постепенно заполняются и уступают место антициклонам. Азиатский и Ка- надский антициклоны возникают только благодаря существованию на этих широтах обширных континен- тов — Северной Америки и Евразии. В этих районах зимой антициклоны преобладают над циклонами. Летом над материками происходит коренная перестройка бари- ческого поля и циркуляции, и зо- на образования циклонов в Северном полушарии смещает- ся в более высо- кие широты. В умеренных широтах Южного полу- шария циклоны, возникающие над од- нородной океанической поверхностью, двигаясь на юго-восток, встречают ледяной купол Антарктиды, когда в их центре самое низкое давление воз- духа. Здесь циклоны застаиваются. Этот процесс происходит зимой и ле- том. Поэтому Антарктида окружена поясом низкого давления с циклони- ческими центрами. Циркуляция атмосферы в субтропи- ческих широтах различна над океана- ми и в районах соприкосновения ма- териков и океанов. На космических снимках видно, что над Атлантиче- ским и Тихим океанами и в Северном и Южном полушариях в субтропиках имеются области высокого давления воздуха: это Азорский и Южноатлан- тический субтропические антициклоны в Атлантике и Гавайский и Южноти- хоокеанский субтропические антицик- лоны в Тихом океане. Здесь зимой и летом давление высокое. В южной час- ти Индийского океана также круг- лый год расположен антициклон, на- зываемый Маскаренским. В древности на камышовых лодках ходили и по озерам, и по морям. Последние лодки такого типа сохранились у индейцев на берегу Калифорнийского залива
Большая энциклопедия природы 177 В отличие от океанов, в Азии, Север- ной Африке и отчасти в Мексике ситуация от зимы к лету полностью меняется. Если зимой над Азией гос- подствовал Сибирский антициклон, южная периферия которого захваты- вала субтропики, а на Северную Аф- рику распространялся отрог Азорско- го антициклона, то летом вся Азия за- нята обширной областью низкого давления, центр которой располагает- ся над Аравией, Иранским нагорьем и Сахарой. Такое различное распреде- ление давления в субтропиках над океанами и материками и разное из- менение давления от зимы к лету оп- ределяют две системы циркуляции глобального масштаба: пассатную над океанами и муссонную в области со- прикосновения материка и океана. V? В антициклоне, как мы знаем, ветры в Северном полушарии дуют по часовой стрелке, а в Южном полуша- рии — против часовой стрелки. Поэто- му на экваториальной стороне Азор- ского и Гавайского антициклонов дуют северо-восточные ветры, которые по мере продвижения к центру океанов становятся восточными, а при прибли- На таких лодках древние мореплаватели переплывали море жении к Южной Америке и к Филип- пинским островам — юго-восточными. Эти ветры и есть северо-восточный пассат. В Южном полушарии на экваториаль- ной стороне Южноатлантического, Маскаренского и Южнотихоокеанско- го антициклонов дуют юго-восточные ветры — юго-восточный пассат. По- скольку в субтропиках Северного и Южного полушарий высокое давление и антициклоны существуют в течение всего года и только меняют интенсив- ность, то и пассатные ветры сущест- вуют в течение всего года, являясь са- мыми устойчивыми ветрами в мире. Именно этим воспользовались X. Ко- лумб и Т. Хейердал в своих экспеди- циях.
178 Циркуляция атмосферы VT* В субтропических антициклонах, как в антициклонах вообще, наблю- даются нисходящие движения возду- ха, которые препятствуют образо- ванию облачности выше 1,5 км. Толь- ко в нижнем полуторакилометровом слое над океаном может образоваться кучевая облачность, связанная с вос- ходящими движениями в относитель- но холодном пассатном потоке, теку- щем над теплым тропическим океа- ном. Но оседание воздуха в верхних слоях препятствует дальнейшему росту облаков. Поэтому в области пассатов никогда не бывает сущест- венных осадков, и просторы океанов под субтропическими антициклонами — это морские пустыни с влажным воз- духом без осадков. Именно поэтому над океанами в субтропиках космо- навты не видят облачных систем. Теперь рассмотрим ситуацию, которая складывается там, где Евразиатский материк граничит с северной частью Индийского океана, а также запад- ной частью Тихого океана. Зи- мой давление воздуха убыва- ет от Азии в направлении экватора, т. е. барический градиент направлен с се- вера на юг. Это вызывает отток воздуха из Си- бирского антициклона на юго-восток, по- скольку оттоку на юг препятствуют горные системы Центральной Азии. Затем северо-за- падный поток под влиянием силы Кори- олиса Северного по- лушария, выходя на морскую поверх- ность, становится се- веро-восточным. Да- лее воздух течет вдоль восточного по- бережья Азии, по- путно прогреваясь и увлажняясь от оке- ана. Наконец он пере- секает экватор и под «Ра» в океане
Большая энциклопедия природы 179 Прародительница «Ра». На подобной лодке Тур Хейердал достиг берегов Южной Америки. влиянием силы Кориолиса, только те- перь Южного полушария, снова стано- вится северо-западным и достигает Ин- донезии и Северной Австралии. Это и есть Азиатский зимний муссон, кото- рый для Индонезии и Австралии, ко- нечно, летний. Набрав по дороге влагу, он несет обильные дожди Индонезии и Северной Австралии. Под влиянием того же барического градиента сухие тропические воздуш- ные массы Передней Азии, Индостана и Индокитая в виде северо-восточного потока текут над севером Индийского океана, пересекают экватор и под влиянием силы Кориолиса Южного полушария становятся северо-запад- ными. В Индийском океане они встре- чаются с юго-восточным пассатом Ин- дийского океана. В это время в Западной Африке дует сухой горячий северо-восточный ве- тер, который называется харматан. Это зимний муссон, который создает сухой сезон в Сахели — обширной са- ванне южнее Сахары. Летом там, где соседствует Евразиат- ский материк с Индийским океаном и Западная Африка с Гвинейским зали- вом, барическое поле полностью меня- ется. Теперь барический градиент направлен с юга на север, от Маска- ренского антициклона и Южноатлан- тического антициклона в область Ази- атской термической депрессии и в ее ложбину над Сахарой. В связи с этим юго-восточный пассат в Индийском океане пересекает экватор. Под влия- нием силы Кориолиса Северного полу- шария воздушный поток постепенно отклоняется вправо и становится юго-западным. В мае этот юго-запад- ный поток достигает Шри-Ланки, Мьянмы, севера Таиланда, Лаоса, Камбоджи и севера Малайзии. В на- чале июня юго-западный поток захва- тывает весь полуостров Индостан, позже он доходит до северо-западной Индии. Так, в Дели он приходит в июле. Этот юго-западный поток и есть Индийский муссон, который приносит летом дожди в Индию, покидая самый юг Индии в декабре. В этих странах дождливый сезон, связанный с юго-за- падным муссоном, начинается в мае и кончается в октябре — ноябре. Туром Хейердалом было доказано, что задолго до испанцев мореплава- тели Средиземноморья могли пересе- кать на папирусных лодках Атланти- ческий океан, а моряки из Перу на бальсовых плотах пересекать Тихий океан, увлекаемые самыми устойчи- выми ветрами в мире — пассатами. Меридиальный барический гра- диент, направленный на север, создает условия для возникновения юго-за- падного потока влажного воздуха из южной Атлантики и Гвинейского за- лива, который распространяется на саванны Сахели и Судана с мая по ок- тябрь. Этот летний западноафрикан- ский муссон является единственным
180 Циркуляция атмосферы источником дождей для Судано-Са- хельской зоны, и от его интенсивности зависит жизнь людей, а то и целых го- сударств. Так, ослабление летнего муссона в Сахели в 70—80-е гг. при- вело к катастрофическим последстви- ям для населения и массовой гибели домашнего скота. В экваториальной зоне зимой и летом наблюдается низкое давление, опоясывающее весь земной шар. Эта полоса низкого давления называется экваториальной ложбиной. Зимой экваториальная ложбина Се- верного полушария занимает самое южное положение, а летом — самое северное. Но это смещение неодина- ково на различных долготах: оно на- именьшее в области распространения пассатов и наибольшее в области гос- Иногда, чтобы вызвать дождь, на облака с самолета сбрасывают «зародыши» кристаллизации (сухой лед или кристаллы йодистого серебра), на которых начинают расти снежинки. По пути к земле снежинки превращаются в капли дождя. На фотографии вверху виден результат воздействия таких веществ, рассеянных с самолета на облако Юго-западный муссон имеет огром- ное значение для жизни и хозяйства народов, населяющих Индию и Юго- Восточную Азию, являясь источни- ком воды. В Индии 75% дождей вы- падает во время юго-западного мус- сона. Задержка муссона или его пе- рерывы создают катастрофические ситуации в сельском хозяйстве. подства муссонов. Над океанами к центру экваториальной ложбины уст- ремляются два пассатных потока из Северного и Южного полушарий. Се- веро-восточный пассат Северного по- лушария и юго-восточный пассат Южного полушария направлены на- встречу друг другу. Поэтому на ли- нии самого низкого давления они сталкиваются, образуя так называе- мую внутритропическую зону кон- вергенции (конвергенция — «сходи- мость»). Условием длительного под- держания зоны конвергенции (а она существует круглый год) являются восходящие движения воздуха и от- ток воздуха выше пассатов к субтро- пикам. Иначе сходящиеся воздушные потоки пассатов быстро заполнили бы ложбину. Во влажном тропическом воздухе восходящие движения воздуха при- водят к образованию мощных кучево- дождевых облаков, облачных скопле- ний протяженностью 100—200 км, ко- торые и видят космонавты. Из облач- ных скоплений выпадают ливни. Та- ким образом, внутритропическая зона конвергенции является местом, где дожди выливаются из водяного пара, собранного пассатами над океа- нами. В верхних частях тропосферы (10—16 км) действительно наблюда- ются воздушные течения, направлен-
Большая энциклопедия природы 181 Наводнение в Эквадоре ные из зоны конвергенции к субтро- пическим антициклонам. Здесь этот воздух опускается. К оседанию воз- духа в антициклонах, пришедших из умеренных широт, добавляется сни- жение воздуха, пришедшего из вну- тритропической зоны конвергенции. Приток пассатов к экватору в нижней части тропосферы, его подъем в зоне конвергенции, затем отток воздуха в верхней тропосфере к субтропическим антициклонам и там опускание обра- зуют так называемую ячейку Хэдли (Гадлея), по имени английского учено- го, описавшего это явление в 1735 г. В области муссонной циркуляции так- же образуется зона конвергенции: зи- мой при встрече муссона с юго-восточ- ным пассатом Маскаренского анти- циклона, северным летом — при встрече муссона с континентальным тропическим воздухом Азии и Сахары. Сезонное смещение внутритропиче- ской зоны конвергенции, образованной пассатами, очень небольшое: 3—5° вдоль меридиана, а сезонное смещение муссонной зоны конвергенции боль- шое: порядка 25° вдоль меридиана, что вносит определенное различие в эти зоны, выражающееся, в частности, в форме и размерах конвективных об- лачных скоплений. (Jp О распределении давления и преобладающих воздушных течени- ях, которые наблюдаются у поверх- ности Земли, мы рассказали выше. Замечательно, что такие же воздуш- ные течения и распределение давле- ния наблюдаются в нижнем слое ат- мосферы — от поверхности до высо- ты 1,5 км. Если же подниматься во все более высокие слои атмосферы, то характер воздушных течений (и поле давления) постепенно изменяется. Эти изменения все больше определя- ются распределением температуры на земном шаре: ее контрастом меж-
182 Циркуляция атмосферы 1V1 еж д у народный тропический экс- перимент АТЭП состоялся в 1974 г, с 17 июня по 23 сентября. В нем уча- ствовали 39 исследовательских су- дов: 13 судов СССР, 9 судов США, 3 судна ФРГ, 4 судна Франции, 4 судна Великобритании, 1 судно Канады, 1 судно Нидерландов, 2 судна Брази- лии, 1 судно Мексики, 1 судно ГДР, 12 исследовательских самолетов (из них 2 — СССР), геостационарный спутник ГЕОС-1 (США) и 9 поляр- но-орбитальных спутников («Метеор» и «Тайрос»), а также аэрологические станции на материках. —-I JIIIJIIII ........Ill l|!l If 11.11. ... I I.I.IJ1-1 .. ..I. Ill 1.1 I. ду полюсами и тропиками. Так, на высоте 10—12 км над холодными Арктикой и Антарктидой круглый год существуют огромные циклониче- ские вихри, на периферии которых в умеренных широтах Северного и Южного полушарий господствуют за- падные воздушные течения. Эти за- падные воздушные течения неустой- чивы: в них все время возникают вол- ны длиной 5—6 тыс. км. В передней части такой волны, от ложбины до гребня у земли, возникают циклоны, в тыловой части от гребня до ложби- ны — антициклоны. Субтропические антициклоны — это высокие теплые образования, они захватывают своей циркуляцией всю тропосферу. Поэтому границей западных воздушных течений уме- ренных широт служит обращенная к полюсам периферия субтропических антициклонов. Здесь как раз и воз- никают самые сильные западные ветры — субтропическое струйное течение, где скорость западного вет- ра всегда более 100 км/ч, а иногда и 200—250 км/ч. На периферии субтропических анти- циклонов, обращенной к экватору, дуют восточные ветры. Таким обра- зом, в тропиках наблюдаются восточ- ные воздушные течения. Ветви этих течений направлены к субтропиче- ским антициклонам и образуют ячей- ку Хэдли. Если подняться еще выше, скажем на высоту 25 км, то там характер воз- душных течений определяется вре- менем года. Летом над всем полуша- рием господствуют восточные ветры в огромном антициклоне, покрываю- щем полушарие, с центром над по- люсом. В это же время над другим по- лушарием властвует циклон с цент- ром над полюсом, который создает западные воздушные течения. Итак, эти барические системы и ветры все время меняются: в июне, июле и ав- густе — антициклон и восточные вет- ры в Северном полушарии, циклоны и западные ветры в Южном полуша- рии; в декабре, январе и феврале — антициклон и восточные ветры в Южном полушарии, циклон и запад- ные ветры в Северном полушарии. Тропический лес (Борнео)
Необычайные явления в атмосфере Огни святого Эльма и миражи, полярное сияние и радуга, небесные венцы и ореолы... Эти и другие атмосферные явления на протяжении многих сто- летий оставались для людей загадкой, чудесной и пугающей, которую часто толковали как знамение. В настоящее время все эти явле- ния получили научное объяснение. Например, миражи. При необычном распределении плотности в нижних слоях воздуха может происходить аномальная рефракция (преломление) света. В этом случае кроме реальных предметов видны также мнимые их изображения — миражи. Многие пу- тешественники становились их жерт- вами. Миражи бывают разные, в за- висимости от того, в каком направле- нии увеличивается или уменьшается плотность воздуха. Пустынный ми- раж — это так называемый нижний мираж. Он возникает, когда над рас- каленной поверхностью в результате интенсивных восходящих движений плотность воздуха в приземном слое с высотой начинает возрастать. Тогда траектория луча оказывается выпук- Солнце на закате иногда кажется огромным. Это результат оптических свойств атмосферы Мираж. Холмистое побережье и вода — лишь видение над раскаленным песком лой вниз и изображение дальнего предмета может быть видно ниже его реального положения, причем вверх ногами. В давние времена путники, для того чтобы убедиться, видят ли они мираж или реальные предметы, разжигали костер: если в пустыне бы- ло хотя бы небольшое движение воз- духа, то стелющийся по земле дым быстро разгонял мираж. Существуют боковые и верхние миражи. Верхние миражи чаще возникают в полярных районах.
184 Необычайные явления в атмосфере <77 Изображения дале- ких предметов кажутся иногда колеблющимися. Лучше всего это видно ночью: мерцающие звезды меняют яркость, а иногда и цвет. Происходит это из-за того, что температу- ра перемещающегося воз- духа и его плотность из- меняются в атмосфере, благодаря чему меняется показатель преломления воздуха. Часто такое про- исходит в результате уси- ления ветра в слое под тропопаузой, поэтому мерцание звезд может служить признаком над- вигающейся смены погоды. kip Голубой цвет неба тоже не случа- ен. Это результат рассеяния солнечного света на молекулах газа, которые в си- лу своего размера из всего солнечного спектра лучше рассеивают голубые лу- чи. Чем безоблачнее и чище от приме- сей небо, тем более голубой цвет оно имеет, поскольку голубые лучи, много- кратно рассеянные молекулами газа, начинают преобладать над остальными. Синими в морозный солнечный день Наиболее богаты оттенка- ми цвета зари при наличии в атмосфере различных при- месей и облаков, меняющих солнечный спектр по мере прохождения лучей сквозь атмосферу видятся тени на снегу, ос- вещенные рассеянным све- том неба. На фоне далеких черных гор освещенный солнцем воздух тоже ка- жется голубоватым. С вы- сотой уменьшается коли- чество рассеивающих час- тиц, цвет неба становится темнее, переходя посте- пенно к густо-фиолетовому и черному. 1..17 Диск солнца нам видится желтым. Это объясняется тем, что энергия раз- ных длин волн видимого излучения Солнца по мере прохождения сквозь атмосферу уменьшается неравномерно. Быстрее всего это происходит у наибо- лее коротких волн — синих и фиоле- товых. Чем длиннее путь света через атмосферу, тем больше его рассеяние. Поэтому, чем ниже Солнце стоит над горизонтом, чем больше толща атмос- феры, через которую проходят солнеч- ные лучи, «теряя» короткие волны, тем более желтым оно нам видится. Если в воздухе много пыли или капель и крис- таллов, то у горизонта цвет Солнца мо- жет приближаться к красному. Удивительны цвета зари — от золотис- то-желтого до пурпурного. Заря — со- Чем чище воздух, тем более голубым вы- глядит небо. В средней полосе Северного полушария это особенно заметно при хо- лодных вторжениях свободного от при- месей арктического воздуха
Большая энциклопедия природы 185 Закат над морем особенно красив. Краски неба переходят в синеву воды, и золотистая дорожка устремляется к солнцу. в оку пн ость световых яв- лений, связанных с восхо- дом или закатом Солнца. Заря — это сложное соче- тание процессов рассея- ния, преломления, диф- ракции лучей солнечного света в различных слоях атмосферы. Краски зари и их интенсивность зависят от содержания частиц пы- ли и водяного пара в атмосфере. При сильных вулканических извержениях в атмосферу попадает огромное количест- во пыли и пепла. Такие частицы усили- вают рассеяние солнечного света и обус- ловливают необычайно яркие зори. При- мером может служить извержение вулкана Кракатау (Индонезия) в 1883 г., когда огромные массы вулканического пепла были подняты на высоту свыше 50 км. Воздушными течениями они бы- ли разнесены по всему земному шару и больше года вызывали аномально светлые и продолжительные зори. В части небосвода, противоположной за- кату Солнца, наблюдается иротивоза- ря. Там также происходит смена цве- товых тонов от пурпурных до фиоле-
186 Необычайные явления в атмосфере товых. С наступлением сумерек в этой части небосвода появляется тень Земли серо-голубого цвета. На темном небе после окончания или перед началом астрономических сумерек можно наблю- дать явление зодиакального света. Это нежное сияние над невидимым Солнцем в форме наклонного конуса, направлен- ного по эклиптике. Предполагают, что зодиакальный свет — результат рассея- ния солнечного света космической (ме- теорной) пылью. Явление «Зеленого Луча» объяс- няется рефракцией — преломлением света. Увидеть «зеленый луч» счита- ется хорошей приметой. «Зеленый луч» — кратковременная вспышка зе- леного цвета на верхней границе сол- нечного диска. Это явление наблюда- ется при восходе или заходе Солнца и объясняется атмосферной рефрак- цией, которая как бы приподнимает светило над горизонтом. С уменьше- нием длины волны влияние рефрак- ции усиливается, поэтому получается, что «зеленое» Солнце заходит чуть позже «красного» и мы видим «зеле- ный луч». Радуга — цветная дуга с центром в точке, противоположной Солнцу. Ра- дуга появляется на фоне дождя или дождевого облака. Радуг может быть несколько. Внешняя часть главной ра- дуги (радиусом 42°) имеет красный цвет, за ним следуют оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фи- олетовый. Над главной радугой бывает и вторая, с обратным расположением цветов. Явление радуги объясняется преломлением света в сравнительно крупных каплях воды. Гало — светлые, преимущественно окрашенные круги или дуги, светлые столбы или пятна около Солнца или Луны. Гало возникает в случаях, когда преломление света происходит не в каплях, а в кристаллах льда, находя- щихся, например, в перисто-слоистых облаках. Чаще всего наблюдается гало с угловым радиусом 22° — светлый круг вокруг диска Солнца или Луны. С внутренней стороны гало имеет наибо- лее яркую окраску и может приобре- тать красноватый оттенок, переходя- щий к внешнему краю в желтый и го- лубоватый, а затем в белесый, сливаясь с окраской неба. Реже бывает виден больший круг с угловым радиусом 46°. Иногда возникает также и белый гори- зонтальный круг, зачастую охватываю- щий все небо. На его пересечении с вер- тикальным малым кругом могут появ- ляться ложные солнца и луны. Венцы (называемые также орео- лом) могут наблюдаться вокруг Солн- ца или Луны в полупрозрачных обла- ках (высококучевых или высокослоис- тых). Эти светлые круги, яснее всего в которых различимы красный и зе- леный цвета, примыкают близко к ди- ску светила. Венцы могут распола- гаться в виде нескольких вложенных Увидеть радугу можно, если встать спиной к Солнцу, а лицом — к пелене водяных капель, взвегиенных в воздухе
Большая энциклопедия природы 187 Гало вокруг Солнца свидетельствует о наличии облаков верхнего яруса (перистых), состоящих из кристаллов льда Ложные солнца (слева и справа от настоящего Солниа) в сочетании с гало друг в друга колец. Такое оптическое явление вызвано дифракцией (от лат. diffractus — разломанный) света на мельчайших капельках воды облаков или туманов. Это явление может на- блюдаться и при искусственных ис- точниках света. Цветной венец может образоваться вокруг тени, отбрасывае- мой самолетом на нижележащие обла- ка, или тени человека на росистом лугу. Такую разновидность венцов на- зывают глория. «Броккенским призра- ком» (по имени горы Броккен в Сак- сонии) прозвали глорию, возникшую вокруг тени головы наблюдателя на близкой поверхности облачной гряды или на стене тумана (это чаще всего происходит в горах). Искажение рас- стояния до тени дает эффект гигант- ской призрачной фигуры, вокруг голо- вы которой могут возникать цветные, кольца. * Полярное сияние — эффектное, со сполохами свечение неба. Оно не- редко наблюдается в высоких широтах Северного и Южного полушарий. По- лярное сияние возникает благодаря люминесценции (свечению) разрежен- ного воздуха на высотах от нескольких десятков до сотен километров. В пе- риод возмущений магнитного поля Земли заряженные частицы (электро- ны и протоны), движущиеся вдоль магнитных силовых линий, вторгаются в атмосферу, опускаясь до высот 100— 150 км. Там они начинают сталкивать- ся с атомами и молекулами атмосфер- ного газа, которые, возбуждаясь, в свою очередь излучают свет. Полярное сияние наблюдается одновременно в обоих полушариях на всех долготах в полосе шириной около 100 км и мень- ше. Наиболее частая повторяемость этого явления зафиксирована в полосе 20—25° от полюсов. Именно здесь маг- нитные силовые линии входят в ат- мосферу. Бывают и исключения. Так, в 1872 г. жители города Переславля Полярное сияние
188 Необычайные явления в атмосфере л наблюдали необыкновенное полыхающее небо. Быстрые изменения окра- ски, интенсивности и поло- жения полярного сияния со- здают неповторимые по кра- соте картины, бегущие по небу. Формы полярного сия- ния разнообразны — дуги, лучи, ленты, короны и общее свечение. Наиболее часто по- лярное сияние окрашено в голубовато-белые или жел- то-зеленые тона, реже в красные и фиолетовые. Его продолжительность может составлять от десятков ми- нут до нескольких суток. «В январе месяце сего года с 23 по 24 числа (ст. ст.) вечером с 7-ми часов видимо было над Переславлем нео- быкновенное северное сияние, продол- жавшееся до 2-х часов пополуночи». Эта запись сделана протоиереем Фе- дором Приклонским. (Выписка из цер- ковноприходской летописи Покров- ской церкви в Переславле за 1872 г.) средневековыми башнями церкви Святого Эльма, отсюда и получило свое название «огни святого Эльма». В древние времена возникающее во- круг башен и корабельных мачт све- чение в виде пучков часто принимали за недобрый знак судьбы. 1 Огни святого Эльма — еще одно явление, связанное с электрическими свойствами атмосферы. Оно во все времена пугало суеверных моряков, а это всего лишь разряды в виде светя- щихся пучков, которые возникают на острых концах высоких предметов (мачт, башен и т. д.) при очень боль- шой напряженности электрического поля в атмосфере (при грозах, мете- лях, пыльных бурях). Это «странное» явления периодически наблюдалось в грозовую погоду в виде свечения над Шаровая молния — это светя- щийся шар диаметром в десятки сан- тиметров. Он перемещается вместе с движением воздуха и может взры- ваться при соприкосновении с назем- ными предметами. По некоторым предположениям, источник зарожде- ния шаровой молнии — раскаленный канал обычной молнии, а ее состав — неустойчивые соединения азота и кис- лорода, на образование которых тре- буются большие затраты энергии. При охлаждении до некоторой критиче- ской температуры вещество шаровой молнии мгновенно распадается на азот и кислород с выделением поглощенной энергии, в результате чего происходит взрыв. Запах озона во время грозы — результат огромной энергии молний. Этой энергии хватает, чтобы разорвать связи между атомами кислорода в молекуле О:. Тогда один из атомов (О) взаимодействует с молекулой кислорода (О2), образуя озон (О3)
Содержание А.Г. Москвин, К.С. Лосев Вода и воздух на планете История и эволюция гидросферы Круговорот воды на Земле Сколько воды на Земле? Реки Озера Ледники Оледенение Земли Подземные воды Человек и вода Вода в промышленности А.Г. Москвин Части великого целого Прогулка по океанскому дну лубинное вещество Земли Много ли лет океанам? Основные характеристики океанической водной среды Морские льды Волны по морю гуляют риливы Все течет акого цвета океан? Ю.А. Павлидис Береговая зона 5 8 11 18 21 27 33 39 42 48 51 54 63 66 69 72 81 84 87 90 96 99
А.Г, Москвин Тихо ли в «Мире безмолвия»? 105 Источник жизни 111 Минеральные богатства океана 114 Океан нуждается в защите 120 М.А. Петросянц, Б.А. Семенченко Воздушный океан 126 Давление, ветер, температура, влажность, облака, осадки 129 Строение атмосферы 138 Г.М. Абакумова, Е.И.Незвалъ Солнце и атмосфера 141 Парниковый эффект атмосферы 148 Тепловой баланс земной поверхности 151 Е.К. Семенов Погода и наблюдение за ней 154 Составление прогноза погоды 163 Всемирная служба погоды 165 М.А. Петросянц Силы, действующие в атмосфере 168 Циркуляция атмосферы 171 Г.В. Суркова Необычайные явления в атмосфере 183

Вода и воздух Том 10 Редактор Е. Таран Технический редактор Н. Лисицына Корректоры Л. Давыдова, Ю. Небукина ООО «Мир книги» Лицензия ЛР № 071810 от 9 марта 1999 г. 109052, Москва, Смирновская ул., 4, стр. 2. Общероссийский классификатор продукции ОК-ОО-93, том 2; 953000 - книги, брошюры Подписано в печать 25.03.2002 г. Формат 70x100/16. Печ. л. 12,0. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура «Журнальная». Тираж 10 000 экз. Заказ № 0310940. Изд. № 163. Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленных диапозитивов в ОАО «Ярославский полиграфкомбинат» 150049, Ярославль, ул. Свободы, 97.
Удивительный мир живой и неживой природы Большая ПРИРОД ISBN 5-8405-0197-2 от 9 785840 501979