Погода интересует всех

Атмосфера вчера, сегодня и завтра

Огромная газовая оболочка окружает земной шар. Она содержит примерно 10⁴⁴ молекул различных газов и давит на нашу планету с силой около 51 квадриллиона тонн. Человек не в состоянии реально представить себе такие гигантские числа. Мы приводим их в самом начале книги для того, чтобы читателю стало ясно, что атмосфера — не ничто, не пустота, а весьма важная составная часть нашей планеты. Господствующие в ней необузданные силы приносят каждый год неисчислимые бедствия и даже смерть тысячам людей. Когда ураганы тропических широт за несколько часов уничтожают результаты труда человека, когда они беспощадно сметают с лица земли деревни и целые города, каждый раз возникает вопрос: как же это могло случиться? А причины наводнений или засух? Мы считаем, что получили удовлетворительные ответы, когда нам объяснили, какие метеорологические условия вызвали избыточное выпадение осадков или, наоборот, большую сухость почвы и воздуха. Но метеорологические условия неотделимы от процессов, происходящих в атмосфере. Общая картина метеорологических явлений может быть понята только в том случае, если мы будем рассматривать атмосферу как неотъемлемую часть нашей планеты. Поэтому мы прежде всего предлагаем рассмотреть, каким образом возникла воздушная оболочка Земли и как она на протяжении миллионов лет приобретала свои свойства. Поскольку атмосфера существует уже много миллиардов лет, а точные измерения производятся лишь около 200 лет, образование воздушной оболочки может рассматриваться лишь на основании теоретических исследований. При этом многие стороны данной проблемы пока остаются невыясненными.

Считается установленным, что первоначально Земля была огромным газовым шаром[1]. По мере охлаждения газы и пары, составлявшие шар, переходили в жидкое состояние, и затем постепенно формировалась твердая тонкая оболочка земной коры. Еще мало известны физические и химические свойства, которыми обладала атмосфера во время постепенного отвердевания поверхности земного шара. Однако представители различных отраслей естественных наук — астрономы, астрофизики, геофизики, геологи — утверждают, что в период выделения газообразных веществ из пород, которые образовались при отвердевании земной коры, т. е. около двух миллиардов лет тому назад, состав атмосферы был совершенно иным, чем сейчас. Возможно, что в период возникновения атмосфера Земли была такой же, как сейчас у гигантской планеты Юпитер, поверхность которой находится в стадии отвердевания. Основными составными частями земной атмосферы тогда были углекислый газ, азот, водяной пар, метан и аммиак.

Несомненно, что на ранних стадиях развития Земли ее газовая оболочка представляла собой густой и ядовитый туман, через который не пробивался ни один луч света. В атмосфере Земли непрерывно конденсировался водяной пар, но еще долгое время дожди не увлажняли поверхность планеты, ибо она была очень горячей и выпадавшие осадки тотчас же испарялись. Еще не вполне выяснено, куда девался углекислый газ, содержание которого в первичной атмосфере было очень высоким, и как в ней появился кислород. До возникновения твердой коры Земли в ее газовой оболочке, по всей вероятности, уже имелся кислород, но позднее, при образовании горных пород, содержащих кремний, он оказался связанным. Новое образование кислорода в земной атмосфере объясняют следующим образом. После первоначального использования кислорода в атмосфере должны были остаться многочисленные углеводороды. По мнению Опарина, в результате частых разрядов молний в атмосфере образовались различные аминокислоты, которые явились предпосылкой для появления жизни на Земле. На протяжении невообразимо длительных отрезков времени некоторые бактерии расщепляли углекислый газ на углерод и кислород. Содержание углекислого газа в атмосфере непрерывно уменьшалось, а кислорода увеличивалось. В эти древние эпохи атмосфера получала тепло главным образом в результате соприкосновения с земной поверхностью. В настоящее время внутренняя теплота земного шара вносит лишь очень незначительный вклад в нагревание атмосферы. Решающую роль в нагревании атмосферы играет солнечная радиация, которая обусловливает смену времен года и изменение температуры воздуха в течение суток. Много миллионов лет тому назад на Земле не было ни смены времен года, ни чередования дня и ночи, так как верхняя граница атмосферы отражала обратно в мировое пространство приходившую к ней солнечную радиацию. Можно считать, что, когда охлаждение земной коры закончилось, химический состав атмосферы уже не претерпевал существенных изменений.

В более поздние геологические эпохи развития земного шара в атмосфере имели место большие колебания метеорологических элементов на обширных пространствах. Они являлись причиной колебаний климата, который в свою очередь менял облик земной поверхности.

Особенно резкими были колебания климата в периоды, получившие название ледниковых. Интересно, что эти периоды всякий раз наступали после того, как Земля покрывалась густыми лесами и на ней образовывались каменноугольные бассейны. Оледенение распространялось из полярных областей к югу и достигало умеренных широт Земли. Теоретические исследования показывают, что атмосфера сильно охлаждалась, когда пышно развивающийся растительный покров уменьшал содержание в ней углекислого газа. Расчеты подтверждают, что без углекислого газа температура воздушной оболочки Земли действительно должна была бы понизиться. Несмотря на то что эта теория встречает возражения, все же считается твердо установленным, что даже незначительные изменения химического состава атмосферы могли явиться причиной изменений теплового режима на Земле.

Другое объяснение причин возникновения ледниковых периодов основано на предположении об изменении радиационного режима вследствие некоторых особенностей вращения Земли вокруг своей оси. По астрономическим данным было рассчитано количество солнечной радиации, приходившей к земному шару в разные периоды его существования. Оказалось, что периоды наименьшего прихода радиации к различным районам Земли совпадали с наступлением здесь ледниковых периодов. Мы не будем вдаваться в рассмотрение вопроса, какая из двух теорий заслуживает большего доверия. Отметим лишь, что обе они говорят о возможном влиянии на климат нашей планеты и земных, и космических факторов.

Наряду с крупномасштабными и весьма длительными изменениями климата уже в историческое время возникали незначительные изменения в воздушном океане, которые можно характеризовать как малые колебания климата.

Так, например, период с 1600 по 1850 г., во время которого альпийские ледники спускались далеко в долины, можно считать малым ледниковым периодом. Но постепенно льды отступили в горы, и только груды щебня и камня (конечные морены), перенесенные ими в долины, свидетельствуют об этом холодном периоде.

Колебание климата мы наблюдаем и в Арктике в течение четырех последних десятилетий. Так, на Шпицбергене средняя зимняя температура воздуха за 26 лет (с 1912-13 до 1938-39 г.) повысилась на 10°. В южных районах Гренландии, где еще в 1931-32 г. существовали огромные ледяные пещеры, служившие приютом полярным исследователям, теперь раскинулись зеленые луга, на которых пасутся стада овец. Однако уже появляются признаки окончания потепления Арктики и начала похолодания. Именно поэтому приходится говорить не о коренных изменениях, а лишь о некоторых колебаниях климата.

Как же будет в дальнейшем изменяться запас энергии в земной атмосфере? Некоторые ученые считают, что Землю ожидает холодная смерть. Непрерывная потеря Солнцем части массы должна привести к увеличению расстояния между планетами и светилом.

Отклонение средней зимней температуры воздуха от многолетней средней в южных районах Гренландии.

Согласно этому предположению, Земля, удаляясь от Солнца, попадет на орбиту, по которой в настоящее время движется, окажем, Марс или Юпитер. Тогда поступление солнечной радиации на нее действительно резко уменьшится, а температура воздуха резко понизится и будет составлять —100°. Другие исследователи придерживаются мнения, что земная атмосфера действительно начнет выхолаживаться, но затем снова разогреется. Прежде чем в результате непрерывной утери массы светила сколько-нибудь существенно увеличится расстояние от Солнца до Земли, ядерные реакции на Солнце начнут ускоряться, и в конце концов на нем разгорится «атомный пожар». Атомный реактор, находящийся в центре Солнца, будет постепенно расширяться в направлении к внешней оболочке светила, пока не начнется лавинообразное превращение водорода в гелий. Интенсивность солнечного излучения при этом неимоверно возрастет, и на Земле произойдет опасное усиление круговорота энергии. Земля окажется опустошенной ураганами невиданной интенсивности до того, как все живое на ней будет сожжено.

Однако мы можем не опасаться ни холодной смерти Земли, ни атомного пожара на Солнце, ибо периоды, на протяжении которых развиваются геологические и астрономические процессы, чрезвычайно велики по сравнению с продолжительностью существования человечества.