Циркуляция атмосферы: типы воздушных масс и их движение

Циркуляция атмосферы — важный фактор формирования климата. Она выражена перемещением различных типов воздушных масс.

Воздушные массы — это подвижные части тропосферы, отличающиеся друг от друга температурой и влажностью. Воздушные массы бывают морскими и континентальными.

Морские воздушные массы формируются над Мировым океаном. Они более влажные по сравнению с континентальными, образующимися над сушей.

В различных климатических поясах Земли формируются свои воздушные массы: экваториальные, тропические, умеренные, арктические и антарктические.

Перемещаясь, воздушные массы долго сохраняют свои свойства и поэтому определяют погоду тех мест, куда они приходят.

Арктические воздушные массы формируются над Северным Ледовитым океаном (зимой — и над севером материков Евразия и Северная Америка). Они отличаются низкой температурой, невысокой влажностью и повышенной прозрачностью воздуха. Вторжения арктических воздушных масс в умеренные широты вызывают резкое похолодание. При этом устанавливается преимущественно ясная и малооблачная погода. При продвижении в глубь материка на юг арктические воздушные массы трансформируются в сухой континентальный воздух умеренных широт.

Континентальные арктические воздушные массы формируются над ледяной Арктикой (в центральной и восточной ее частях) и над северным побережьем материков (зимой). Их особенностями являются очень низкие температуры воздуха и низкое содержание влаги. Вторжение континентальных арктических воздушных масс на материк приводит к сильному похолоданию при ясной погоде.

Морские арктические воздушные массы формируются в более теплых условиях: над свободной от льда акваторией с более высокой температурой воздуха и большим влагосодержанием — это европейская Арктика. Вторжения таких воздушных масс на материк зимой даже вызывают потепление.

Аналогом арктического воздуха Северного полушария в Южном полушарии являются антарктические воздушные массы. Их влияние распространяется в большей степени на прилегающие морские поверхности и редко на южную окраину материка Южная Америка.

Умеренный (полярный) воздух — это воздух умеренных широт. Умеренные воздушные массы проникают в полярные, а также субтропические и тропические широты.

Континентальные умеренные воздушные массы зимой обычно приносят ясную погоду с крепкими морозами, а летом — достаточно теплую, но облачную, нередко дождливую, с грозами.

Морские умеренные воздушные массы на материки переносятся западными ветрами. Их отличают высокая влажность и умеренные температуры. Зимой морские умеренные воздушные массы приносят пасмурную погоду, обильные осадки и оттепели, а летом — большую облачность, дожди и понижение температуры.

Тропические воздушные массы формируются в тропических и субтропических широтах, а летом — и в континентальных районах на юге умеренных широт. Тропический воздух проникает в умеренные и экваториальные широты. Высокая температура — общая черта тропического воздуха.

Континентальные тропические воздушные массы отличаются сухостью и запыленностью, а морские тропические воздушные массы — высокой влажностью.

Экваториальный воздух, возникающий в области Экваториальной депрессии, очень теплый и влажный. Летом в Северном полушарии экваториальный воздух, смещаясь на север, вовлекается в циркуляционную систему тропических муссонов.

Экваториальные воздушные массы формируются в экваториальной зоне. Их отличают высокие температуры и влажность в течение всего года, причем это касается воздушных масс, формирующихся как над сушей, гак и над океаном. Поэтому на морские и континентальные подтипы экваториальный воздух не подразделяется.

Вся система воздушных течений в атмосфере называется общей циркуляцией атмосферы.

Атмосферный фронт

Воздушные массы постоянно движутся, изменяют свои свойства (трансформируются), но между ними остаются довольно резкие границы — переходные зоны шириной в несколько десятков километров. Эти пограничные зоны называются атмосферными фронтами и характеризуются неустойчивым состоянием температуры, давления, влажности воздуха, направления и скорости ветра.

Пересечение такого фронта с земной поверхностью называется линией атмосферного фронта.

При прохождении атмосферного фронта через какую-либо местность над ней меняются воздушные массы и, как следствие, погода.

Для умеренных широт характерны фронтальные осадки. В зоне атмосферных фронтов возникают обширные облачные образования протяженностью в тысячи километров и выпадают осадки. Как они возникают? Атмосферный фронт можно рассматривать как границу двух воздушных масс, которая наклонена к земной поверхности под очень малым углом. Холодный воздух находится рядом с теплым и над ним в виде пологого клина. При этом теплый воздух поднимается вверх по клину холодного воздуха и охлаждается, приближаясь к состоянию насыщения. Возникают облака, из которых выпадают осадки.

19. Состав и строение гидросферы. Основные гидрологические характеристики вод океанов и суши. Основные проблемы качества воды.

Состав и строение гидросферы.

Гидросфера — это водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность всех океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, почвенных и подземных вод, ледников и снежного покрова.

97% гидросферы - морская вода, 3% — пресная вода.

Почти 79% пресной воды - в ледниках и снежном покрове, 20% - подземные воды; 1% воды участвует в круговороте благодаря испарению с поверхности озер, рек и с поверхности почвы. Пресная вода входит в состав атмосферной влаги.

Типы водных объектов.

Поверхностные воды суши — воды, которые текут или собираются на поверхности земли: морские, озерные, речные, болотные и другие воды.

Мировой океан — основная часть гидросферы, непрерывная, но не сплошная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова и отличающаяся общностью солевого состава. Мировой океан — регулятор тепла. Мировой океан обладает богатейшими пищевыми, минеральными, энергетическими ресурсами.

Океан — крупная часть Мирового океана, обладающая всеми свойствами, присущими Мировому океану. Мировой океан делится материками на:

— Тихий океан (178.62 млн. кв.км);

— Атлантический океан (91,6 млн.кв.км);

— Индийский океан (76.2 млн.кв.км);

— Северный Ледовитый океан (14.8 млн.кв.км).

Море — часть океана, более или менее обособленная сушей, островами или возвышениями подводного рельефа и отличающаяся от открытой части океана гидрологическим и метеорологическим режимом: соленостью, температурой вод, течениями и т.д.

Чем более замкнуто море сушей, тем в большей степени оно отличается от океана.

По степени обособленности и особенностям гидрологического режима моря подразделяются на: внутренние, окраинные и межостровные.

Внутреннее море — море, глубоко вдающееся в сушу и сообщающееся с океаном или с прилегающим морем проливами. Балтийское море, Чёрное море, Азовское море — благодаря обильному речному стоку более распреснены, чем, например, Средиземное и Красное моря, имеющие повышенную солёность в результате воздействия засушливого климата, слабого влияния материкового стока и большого испарения.

В зависимости от гидрологического режима внутренние моря делятся на внутриматериковые и межматериковые.

Озеро — природный водоем с замедленным водообменом. Озера располагаются в углублениях суши (котлованах), заполнены в пределах озерной чаши (озерного ложа) разнородными водными массами, не имеют одностороннего уклона. Для озер характерно отсутствие непосредственной связи с Мировым океаном. Озера служат естественными хранилищами воды, рыболовными угодьями; минерализованные озера дают химическое сырье.

Различные типы озер различаются по происхождению озерной котловины, водному режиму, минерализации и химическому составу озерных вод, температурному режиму, органическому миру и другим признакам.

Река — естественный постоянный водный поток, протекающий в разработанном им русле и питающийся стоком атмосферных осадков со своего водосбора и подземными водами.

К важнейшим характеристикам реки относятся: длина, площадь бассейна, расход воды, структура стока по источникам питания, тип водного режима, уклон водной поверхности, ширина и глубина русла, скорость течения воды, ее температура, химический состав вод и др.

По условиям формирования режима и характеру различают равнинные, горные, озерные, болотные и карстовые реки.

В зависимости от размера различают большие, средние и малые реки.

По величине минерализации вод различают реки с малой, средней, повышенной и высокой минерализацией.

Ледник — движущееся естественное скопление льда и фирна на земной поверхности, возникающее в результате накопления и преобразования твердых атмосферных осадков при положительном многолетнем балансе. Площади ледников составляют от сотен кв. метров до нескольких млн. км2.

Ледники подразделяются на покровные, шельфовые и горные.

Основными типами ледников суши являются горные и покровные ледники.

Подземные воды — воды, находящиеся в верхней (до глубины 12-16 км) части земной коры в жидком, твердом и парообразном состоянии. Подземные воды особенно ценны своей возобновляемостью в естественных условиях и в процессе эксплуатации. Количество подземных вод оценивается их запасами.

По условиям залегания подземные воды подразделяются на почвенные, верховодку, грунтовые, межпластовые.

По степени минерализации подземные воды делятся на пресные (до 1 г/л), солоноватые (1-10 г/л), соленые (10 до 35-50 г/л) и рассолы (более 35-50 г/л).

По температуре подземные воды делятся на переохлажденные (ниже 0oС), холодные (0o-20oС) и термальные (выше 20o С).

В зависимости от качества подземные воды делятся на питьевые и технические.

Болотные воды — воды, содержащиеся в болотах. Болотные воды обогащены природными органическими веществами. Болото — участок земной поверхности, постоянно или большую часть года насыщенный водой и покрытый специфической болотной растительностью. В верхних горизонтах происходит накопление субстрата мертвых неразложившихся растительных остатков, со временем превращающихся в торф. Болота возникают при зарастании озер, в результате переувлажнения почвы, при неглубоком залегании грунтовых вод и т.д.

Различают верховые, низинные и переходные болота.

По преобладающей растительности различают лесные, кустарничковые, травяные, моховые болота.

Водные (пресная питьевая вода), энергетические (гидроэнергетика), минеральные (полезные ископаемые, строительное сырье, химическое сырье, горючие ископаемые, соли, минеральные и термальные воды и т д) и биогенные (морепродукты, рыбные ресурсы) ресурсы гидросферы.

Основные гидрологические характеристики вод океанов и суши; физико-химические свойства океанских вод: плотность, температура, прозрачность, соленость.

Океаническая вода состоит по весу на 96,5% из чистой воды, а остальные приходятся на растворенные соли, газы и взвешенные нерастворимые частицы. В воде океанов обнаружено в растворенном состоянии 44 химических элемента. Больше всего содержится поваренной соли (NaCl), поэтому вода океана на вкус соленая; соли магния (MgCl2, MgSO4) придают ей горький привкус. Характерно постоянство солевого состава океана. Одна из причин этого — непрерывное перемешивание воды. Океанические воды выделились из недр Земли с исходной соленостью.

Средняя соленость вод Мирового океана 35°/00. Изменения солености вызываются изменениями в приходо-расходном балансе солей, связанная главным образом с изменением баланса пресной воды.

Изменения солености хорошо выражены до глубины примерно 1500 м. На большей глубине соленость Мирового океана остается почти неизменной в пределах от 34,7 до 34, 9%.

Соленость воды на поверхности морей может сильно отличаться от солености вод в открытой части океана. Если соленость моря меньше, чем соленость соседнего участка океана, то более плотная океаническая вода проникает в море и опускается, заполняя его глубины. Если море более соленое, чем соседняя часть океана, то вода двигается по дну в сторону океана, по поверхности — в сторону моря.

В воде океана растворены газы. Преобладают кислород, азот, углекислый газ, сероводород, аммиак и метан. Газы поступают в воду из атмосферы, при химических и биологических процессах в воде, при подводных извержениях.

Плотность воды на поверхности океана изменяется в пределах от 0,996 до 1,083. С увеличением солености и понижением температуры воды плотность повышается. С глубиной плотность воды увеличивается. На каждые 10 м глубины давление увеличивается на 1 атм. Давление на глубине 10 000 м равно 1119 атм.

Термический режим. Основным источником тепла, получаемого океаном, является солнечная радиация. Кроме того океан получает тепло за счет поглощения длинноволнового излучения атмосферы, теплоты, освобождающейся при конденсации влаги и льдообразования, и при химико-биологических процессах. В океан поступает тепло, приносимое осадками, речными водами, воздухом, соприкасающимися с водой, и теплыми течениями. На температуру глубоких слоев океана влияют внутреннее тепло Земли и адиабатическое нагревание опускающейся воды.

Океан расходует тепло главным образом на испарение воды с его поверхности, на нагревание прилежащего слоя воздуха, на нагревание холодной воды рек и океанических течений, на таяние льдов и на другие процессы.

Лед в океане появляется в высоких широтах при понижении температуры воды ниже точки замерзания. Температура замерзания зависит от её солености. Чем выше соленость, тем ниже температура замерзания. Лед имеет меньшую плотность, чем пресный лед. Соленый лед менее прочный, чем пресный, но более пластичный и вязкий. Он не ломается на зыби (слабом волнении). Приобретает зеленоватый оттенок, в отличие от голубого цвета у пресного льда. Лед в океане может быть неподвижным и плавучим. Неподвижный лед – сплошной ледяной покров, связанный с сушей или мелью. Обычно это ледяной припай. Плавучий лед (дрейфующий) не связан с берегом и перемещается под действием ветра и течений.

В океане встречаются и обломки льда, сползшие с материков – айсберги. Образуются у берегов Антарктиды и Гренландии. Представляют опасность судоходству.

Ледяной покров в целом предохраняет океанские воды от промерзания, оказывает охолаживающее воздействие на климат Земли. Льды затрудняют судоходство и морской промысел.

Основные механизмы взаимодействия гидросферы и атмосферы; большой и малый круговорот воды на Земле, средний период круговорота воды.

Круговорот воды, или влагооборот, на Земле – один из важнейших процессов в географической оболочке. Под ним понимают непрерывный замкнутый процесс перемещения воды, охватывающий гидросферу, атмосферу, литосферу и биосферу. Наиболее быстрый круговорот воды происходит на поверхности Земли. Он совершается под действием солнечной энергии и силы тяжести. Влагооборот складывается из процессов испарения, переноса водяного пара воздушными потоками, конденсации и сублимации его в атмосфере, выпадения осадков над Океаном или сушей и последующего стока их в Океан. Основной источник поступления влаги в атмосферу – Мировой океан, меньшее значение имеет суша. Особую роль в круговороте занимают биологические процессы – транспирация и фотосинтез. Хотя объем биологических вод небольшой, они играют важную роль в развитии жизни на Земле и усилении влагооборота: почти 12% испаряющейся влаги в атмосферу поступает с поверхности суши за счет транспирации ее растениями.

В поверхностном круговороте воды на Земле условно выделяют малый, большой и внутриматериковый круговороты. В малом круговороте участвуют только Океан и атмосфера. Испаряющаяся с поверхности Океана влага в большей своей части выпадает обратно на морскую поверхность, совершая малый круговорот.

Меньшая часть влаги участвует в большом поверхностном круговороте, переносясь воздушными потоками с Океана на территорию суши, где возникает ряд местных влагооборотов. С периферийных частей континентов вода вновь поступает в Океан путем поверхностного (речного и ледникового) и подземного стока, завершая большой круговорот.

Механизм влагообмена океан – атмосфера – суша – океан в действительности гораздо сложнее. Он связан с общим глобальным обменом вещества и энергии, как между всеми геосферами Земли, так и между всей планетой и Космосом. Глобальный влагооборот Земли – незамкнутый процесс, так как в том объеме, в котором вода выделяется из земных недр, она уже не возвращается обратно: при обмене веществом с космическим пространством преобладает процесс безвозвратной потери водорода при диссипации молекул воды над его приходом. Однако количество воды в гидросфере не уменьшается за счет поступления воды из недр.

Количественно круговорот воды на Земле характеризуется водным балансом. Водный баланс Земли – равенство между количеством воды, поступающей на поверхность земного шара в виде осадков, и количеством воды, испаряющейся с поверхности Мирового океана и суши за одинаковый период времени.

1 – испарение с поверхности океана; 2 – выпадение осадков на поверхность океана; 3 – выпадение осадков на поверхность суши; 4 – испарение с поверхности суши; 5 – поверхностный, нерусловой сток в океан; 6 – речной сток в океан; 7 – подземный сток в океан или в бессточную область.

Основные проблемы качества воды: состояние, тенденции, факторы управления.

Качество воды – характеристика состава и свойств воды, определяющая её пригодность для конкретного водопользования.

основные проблемы:

Заражение патогенами – важный фактор высокой заболеваемости и смертности от желудочно-кишечных болезней. Оно находится в прямой зависимости от плотности населения и уровня его социально-экономического развития.
Загрязнение органическими веществами. Органика попадает в воду со стоками канализации или с нерегулируемыми бытовыми стоками. Иногда – со стоками целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности.

Благодаря растворённому в воде кислороду, поступающему из атмосферы за счёт турбулентного характера течения, реки обладают значительной самоочищающейся способностью. Однако, когда поступление органики начинает превышать самоочищение, загрязнение воды прогрессивно возрастает. Кроме того, содержание кислорода в воде обратно пропорционально её температуре, поэтому климатические условия также играют неблагоприятную роль в снижении самоочищающейся способности рек.

Взвешенные вещества. Концентрация взвешенных тонких частиц почвы является показателем степени водной эрозии почвы. Значительную роль в увеличении стока наносов играет сельское хозяйство, благодаря нарушению естественного состояния поверхности почв в бассейнах рек. Увеличивающийся сток наносов приводит к ухудшению условий судоходства на реках, заилению водохранилищ и оросительных систем.

Асидификация – антропогенный природный процесс повышения кислой реакции среды. Принято, что природные воды находятся в состоянии асидификации, если показатель рН равен или меньше 5,0. Причина асидификации – сухие и влажные кислотные осадки, главными компонентами которых являются аэрозоли оксидов серы и азота и аммиак. При взаимодействии с водой или почвенной влагой они образуют серную, азотную и другие кислоты.
Происхождение кислотных осадков как естественное (извержения вулканов, лесные пожары), так и антропогенное (сжигание топлива, в основном угля).
Снижение показателя рН приводит к сокращению или исчезновению популяций ракообразных, рыб, насекомых, водорослей и зоопланктона. Замедляются репродукционные функции водных организмов.

Асидификацией озер можно в определенной мере управлять. Общая цель заключается в уменьшении кислотности воды до уровня рН> 5,0. Существуют два основных подхода: а) снижение выпадения кислотных осадков на озеро и весь его бассейн; б) непосредственное воздействие на воду, главным образом путем ее известкования. После известкования химическое состояние воды озера быстро улучшается, и реакция становится близкой к нейтральной.

Эвтрофикация – усиление биологической продуктивности водоёмов вследствие накопления в воде биогенных элементов. Избыточное поступление соединений азота и фосфора приводит к усиленному росту водных растений, в особенности микроскопических водорослей. Периодическое их развитие («цветение»), а затем отмирание сопровождается изъятием большого количества растворённого в воде кислорода и, как следствие, ухудшением качества природных вод.

Эвтрофикация приводит к ряду неблагоприятных экономических последствий: снижению рекреационной ценности водоёмов, снижению рыбной популяции, блокированию водозаборов и водосбросов, ухудшению качества воды.
Эвтрофикация – медленно развивающийся естественный процесс – может ускоряться в результате деятельности человека. Главными источниками поступления соединений азота и фосфора являются сельское хозяйство и бытовые стоки.

Управление эвтрофикацией обычно направлено на снижение фосфорной нагрузки. Бассейн озера рассматривается как единое целое, и действия по управлению основаны на тщательном анализе источников фосфора, затрат на его удаление или снижение нагрузки, социальных или политических обстоятельств.
Повышенная концентрация нитратов. Основной источник – с/х удобрения. Нитраты отличаются высокой растворимостью, и поэтому при внесении удобрений до 15 % от исходной массы уходит в водные объекты, в основном в подземные воды. Избыточная концентрация нитратов => проблемы со здоровьем, болезнь крови у детей и риск раковых заболеваний у взрослого населения.

Регулирование поступления нитратов с поверхности представляет собой типичную стратегическую задачу управления рассеянным загрязнением.

Минерализация вод. Хоз. деятельность человека приводит к росту содержания в воде основных ионов, встречающихся в природе (хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов; кальция, натрия, калия). Изменение количества содержащихся в воде растворённых веществ нередко приводит к асидификации (повышению общей жёсткости воды) => ухудшению её качества.
Загрязнение тяжёлыми металлами. Они могут находиться в небольших, но опасных концентрациях в обработанных сточных водах или в более концентрированном виде на свалках промышленных отходов, попадая оттуда в подземные воды. Тяж. металлы хорошо аккумулируются в донных отложениях водоёмов. Многие тяж. элементы, такие, как свинец, ртуть, цинк, хром, кобальт, медь, чрезвычайно токсичны не только для водной флоры и фауны, но и для человека.

Основная стратегия управления для тяжелых металлов заключается в управлении технологическими процессами.

Органические микрозагрязнители. В настоящее время в производстве и использовании находится около 100 000 химических веществ, в основном органического происхождения. Они попадают в водоёмы со стоками химической, нефтехимической, металлургической, целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности. Концентрации органических загрязнителей в природных водах обычно очень малы, они обладают высокой токсичностью (1 грамм диоксина делает непригодным для жизни около 1 млн м³ воды).

Многие из загрязнителей отличаются долгой продолжительностью нахождения в окружающей среде, передаются по пищевым цепям, накапливаясь в отдельных звеньях, обладая способностью подавлять иммунные системы организма.

Рациональное использование водных ресурсов человеком и решение задач их охраны.

Мероприятия по увеличению и экономии ресурсов – рациональное природопользование:

- водосберегающие технологии - оборотные и повторного использования системы водоснабжения;

- борьба с непроизводительными потерями воды;

- сокращение удельных норм водопотребления;

- внедрение прогрессивных методов орошения;

- экономия ресурсов за счет альтернативных мероприятий, к примеру создание системы низконапорных гидроузлов для обеспечения судоходства, снимая необходимость высоких навигационных попусков.