Концепція системи планети Земля як концепція целокупності естеств

Подальша доля Землі буде визначатися її середньорічною температурою. Якщо вона значно понизиться, то океан змерзне й Земля покриється крижаною кіркою. Якщо ж температура підвищиться (а скоріше до цього і призведе зростаюча світність Сонця), то вода випарується, оголивши рівну поверхню планети. Очевидно, і в тому, і в іншому випадку життя людства на Землі буде вже неможлива, принаймні з точки зору висловлених гіпотез.

2. Планета Земля як складна динамічна система
В даний час Земля має атмосферу масою декілька менш мільйонної частки маси планети. Поблизу поверхні вона містить 78,08% азоту, 20,05% кисню, 0,94% інертних газів, 0,03% вуглекислого газу і в незначних кількостях інші гази. Тиск і щільність в атмосфері убувають з висотою. Половина повітря міститься в нижніх 5-6 км, а майже вся друга половина зосереджена до висоти 11,3 км. На висоті 9,5 кілометрів щільність повітря в мільйон разів нижче, ніж у поверхні.
На цьому рівні і хімічний склад атмосфери вже іншою. Зростає частка легких газів, і переважаючими стають водень і гелій. Частина молекул розкладається на іони, утворюючи іоносферу. Вище 1000 км знаходяться радіаційні пояси. Їх теж можна розглядати як частину атмосфери, заповнену дуже енергійними ядрами атомів водню і електронами, захопленими магнітним полем планети.
Атмосфера являє собою газову оболонку, що оточує планету. Її характеристики залежать від розміру, маси, температури, швидкості обертання і хімічного складу Землі, а також визначаються історією її формування, починаючи з моменту зародження. У цьому сенсі атмосфера Землі утворена сумішшю газів, званої повітрям. Її основні складові - азот і кисень в співвідношенні приблизно 4:1.
На людину впливає головним чином стан нижніх 15-25 км атмосфери, оскільки саме в цьому шарі зосереджена основна маса повітря. Наука, що вивчає атмосферу, називається метеорологією, хоча предметом цієї науки є також погода та її вплив на людину.
Стан верхніх шарів атмосфери, розташованих на висотах від 60 до 300 і навіть 1000 км від поверхні Землі, також змінюється. Тут розвиваються сильні вітри, шторми і проявляються такі дивовижні електричні явища, як полярні сяйва. Багато хто з перерахованих феноменів пов'язані з потоками сонячної радіації, космічного випромінювання, а також магнітним полем Землі. Високі шари атмосфери - це також і хімічна лабораторія, оскільки там в умовах, близьких до вакууму, деякі атмосферні гази під впливом потужного потоку сонячної енергії вступають в хімічні реакції. Наука, що вивчає ці взаємопов'язані явища і процеси, називається фізикою високих шарів атмосфери.
Поки ракети-зонди і штучні супутники не досліджували зовнішні шари атмосфери на відстанях, у кілька разів переважаючих радіус Землі, вважалося, що в міру віддалення від земної поверхні атмосфера стає більш розрідженою і плавно переходить у міжпланетний простір.
Зараз встановлено, що потоки енергії з глибоких шарів Сонця проникають в космічний простір далеко за орбіту Землі, аж до зовнішніх меж Сонячної системи. Цей так званий "сонячний вітер" обтікає магнітне поле Землі, формуючи подовжену "порожнину", всередині якої і зосереджена земна атмосфера. Магнітне поле Землі помітно звужене із зверненого до Сонця денної сторони і утворює довгий язик, ймовірно виходить за межі орбіти Місяця, - з протилежного, нічного боку.
Кордон магнітного поля Землі називається магнітопауза. З денної сторони ця межа проходить на відстані близько семи земних радіусів від поверхні, але в періоди підвищеної сонячної активності виявляється ще ближче до поверхні Землі. Магнітопауза є одночасно кордоном земної атмосфери, зовнішня оболонка якої називається також магнітосферою, так як в ній зосереджені заряджені частинки (іони), рух яких обумовлено магнітним полем Землі.
Загальна вага газів атмосфери становить приблизно 4,5 · 10 ¹⁵ т. Таким чином, "вага" атмосфери, припадає на одиницю площі, або атмосферний тиск, складає на рівні моря приблизно 11 т / м ^2.
Зі сказаного вище випливає, що Землю від міжпланетного простору відокремлює потужний захисний шар. Космічний простір пронизане могутнім ультрафіолетовим і рентгенівським випромінюванням Сонця і ще більш жорстким космічним випромінюванням, і ці види радіації згубні для всього живого. На зовнішній межі атмосфери інтенсивність випромінювання смертоносна, але значна його частина затримується атмосферою далеко від поверхні Землі. Поглинанням цього випромінювання пояснюються багато властивостей високих шарів атмосфери і особливо відбуваються там електричні явища.
Самий нижній, приземний шар атмосфери особливо важливий для людини, яка живе в місці контакту твердої, рідкої і газоподібної оболонок Землі. Верхня оболонка "твердої" Землі називається літосферою.
Близько 72% поверхні Землі покрито водами океанів, складовими більшу частину гідросфери. Гідросфера Землі Вода покриває понад 70% поверхні земної кулі, а середня глибина Світового океану близько 4 км. Маса гідросфери приблизно 1,46 ∙ 10 ²¹ кг. Це в 275 разів більше маси атмосфери, але лише 1 / 4000 від маси всієї Землі. Гідросферу на 94% становлять води Світового океану, у яких розчинені солі (у середньому 3,5%), а також ряд газів. Верхній шар океану містить 140 трлн. тонн вуглекислого газу, а розчиненого кисню - 8 трлн. тонн.
Атмосфера межує як з літосферою, так і з гідросферою. Людина живе на дні повітряного океану і поблизу або вище рівня океану водного. Взаємодія цих океанів є одним з важливих факторів, що визначають стан атмосфери.
Нижні шари атмосфери складаються з суміші газів: азоту (78,08%), кисень (20,95%), аргон (0,93%), вуглекислий газ (0,03%), неон (0,0018%), гелій (0,0005%), криптон (0,0001%), водень (0,00005), ксенон (0,000009%).
Крім наведених у таблиці, у вигляді невеликих домішок у повітрі присутні й інші гази: озон, метан, такі речовини, як оксид вуглецю, оксиди азоту й сірки, аміак.
У високих шарах атмосфери склад повітря змінюється під впливом жорсткого випромінювання Сонця, що призводить до розпаду молекул кисню на атоми. Атомарний кисень є основним компонентом цих шарів атмосфери. Нарешті, в найбільш віддалених від поверхні Землі шарах атмосфери головними компонентами стають найлегші гази - водень і гелій.
Оскільки основна маса речовини зосереджена в нижніх 30 км, то зміни складу повітря на висотах понад 100 км не роблять помітного впливу на загальний склад атмосфери.
Сонце є головним джерелом енергії, що надходить на Землю. Перебуваючи на відстані близько 150 млн. км від Сонця, Земля отримує приблизно одну двомільярдну частина випромінюваної ним енергії, головним чином у видимій частині спектру, яку людина називає "світлом". Велика частина цієї енергії поглинається атмосферою і літосферою. Земля також випромінює енергію, в основному у вигляді довгохвильовій інфрачервоній радіації. Таким чином, встановлюється рівновага між одержуваної від Сонця енергією, нагріванням Землі та атмосфери і зворотним потоком теплової енергії, випромінюваної в простір.
Механізм цієї рівноваги вкрай складний. Пил і молекули газів розсіюють світло, частково відображаючи його у світовий простір. Ще більшу частину приходить радіації відображають хмари. Частина енергії поглинається безпосередньо молекулами газів, але в основному - гірськими породами, рослинністю і поверхневими водами. Водяна пара і вуглекислий газ, які знаходяться в атмосфері, пропускають видиме випромінювання, але поглинають інфрачервоне. Теплова енергія накопичується головним чином у нижніх шарах атмосфери. Подібний ефект виникає в теплиці, коли скло пропускає світло всередину і грунт нагрівається. Оскільки скло щодо непрозоро для інфрачервоної радіації, в парнику акумулюється тепло. Нагрівання нижніх шарів атмосфери за рахунок присутності водяної пари і вуглекислого газу часто називають парниковим ефектом.
Істотну роль у збереженні тепла в нижніх шарах атмосфери грає хмарність. Якщо хмари розсіюються або зростає прозорість повітряних мас, температура неминуче знижується у міру того, як поверхня Землі безперешкодно випромінює теплову енергію в навколишній простір. Вода, що знаходиться на поверхні Землі, поглинає сонячну енергію і випаровується, перетворюючись на газ - водяна пара, яка виносить величезна кількість енергії в нижні шари атмосфери. При конденсації водяної пари і утворення при цьому хмар або туману ця енергія звільняється у вигляді тепла. Близько половини сонячної енергії, що досягає земної поверхні, витрачається на випаровування води і надходить у нижні шари атмосфери.
Таким чином, внаслідок парникового ефекту і випаровування води атмосфера прогрівається знизу. Цим частково пояснюється висока активність її циркуляції в порівнянні з циркуляцією Світового океану, який прогрівається тільки зверху і тому значно стабільніше атмосфери.
Крім загального нагрівання атмосфери сонячним "світлом", значне прогрівання деяких її шарів відбувається за рахунок ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання Сонця.
У порівнянні з рідинами і твердими тілами, в газоподібних речовинах сила тяжіння між молекулами мінімальна. У міру збільшення відстані між молекулами гази здатні розширюватися безмежно, якщо їм ніщо не перешкоджає. Нижньою межею атмосфери є поверхня Землі. Строго кажучи, цей бар'єр непроникний, так як газообмін відбувається між повітрям і водою і навіть між повітрям і гірськими породами, але в даному випадку цими факторами можна знехтувати.
Оскільки атмосфера є сферичної оболонкою, у неї немає бічних кордонів, а є тільки нижня межа і верхня (зовнішня) кордон, відкрита з боку міжпланетного простору. Через зовнішню кордон відбувається витік деяких нейтральних газів, а також надходження речовини з навколишнього космічного простору. Велика частина заряджених частинок, за винятком космічних променів, що володіють високою енергією, або захоплюється магнітосферою, або відштовхується нею.
На атмосферу діє також сила земного тяжіння, яка утримує повітряну оболонку біля поверхні Землі. Атмосферні гази стискуються під дією власної ваги. Це стиснення максимально біля нижньої межі атмосфери, тому й щільність повітря тут найбільша. На будь-якій висоті над земною поверхнею тиск повітря дорівнює вазі вищого стовпа атмосфери, що припадає на одиницю площі. Тому з висотою тиск монотонно зменшується, а оскільки воно знаходиться в прямому зв'язку з щільністю, то і щільність повітря зменшується з висотою.
Якщо б атмосфера представляла собою "ідеальний газ" з не залежних від висоти постійним складом, незмінною температурою і на неї діяла б постійна сила тяжіння, то тиск зменшувався б у 10 разів на кожні 20 км висоти. Реальна атмосфера незначно відрізняється від ідеального газу приблизно до висоти 100 км, але потім тиск з висотою убуває повільніше, тому що змінюється склад повітря. Невеликі зміни в описану модель вносить і зменшення сили тяжіння в міру віддалення від центру Землі, що становить поблизу земної поверхні близько 3% на кожні 100 км.
На відміну від атмосферного тиску, температура з висотою не знижується безперервно. Вона убуває приблизно до висоти 10 км, а потім знову починає рости. Це відбувається при поглинанні ультрафіолетової сонячної радіації киснем. При цьому утворюється газ озон, молекули якого складаються з трьох атомів кисню. Він теж поглинає ультрафіолетове випромінювання, і тому цей шар атмосфери, званий озоносферой, нагрівається.
Вище температура знову знижується, так як там набагато менше молекул газу, і відповідно скорочується поглинання енергії. У ще більш високих шарах температура знову підвищується внаслідок поглинання атмосферою найбільш короткохвильового ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання Сонця. Під впливом цього потужного випромінювання відбувається іонізація атмосфери, тобто молекула газу втрачає електрон і набуває позитивний електричний заряд. Такі молекули стають позитивно зарядженими іонами. Завдяки наявності вільних електронів та іонів цей шар атмосфери набуває властивості електропровідниками.
Вважають, що температура продовжує підвищуватися до висот, де атмосфера переходить у міжпланетний простір. На відстані кількох тисяч кілометрів від поверхні Землі, ймовірно, переважають температури від 5000 ° C до 10000 ° C. Хоча молекули й атоми мають дуже великі швидкості руху, а отже, і високу температуру, це розріджений газ не є "гарячим" у звичному сенсі. Через мізерної кількості молекул на великих висотах їх сумарна теплова енергія вельми невелика.
Таким чином, атмосфера складається з окремих шарів (тобто серії концентричних оболонок, або сфер), виділення яких залежить від того, яке властивість представляє найбільший інтерес. На підставі осередненого розподілу температур метеорологи розробили схему будови ідеальної "середньої атмосфери".
Тропосфера - нижній шар атмосфери, що простирається до першого термічного мінімуму (так званої тропопаузи). Верхня межа тропосфери залежить від географічної широти (у тропіках - 18-20 км, у помірних широтах - близько 10 км) і пори року. Національна метеорологічна служба США провела зондування поблизу Південного полюса і виявила сезонні зміни висоти тропопаузи. У березні тропопауза знаходиться на висоті близько 7,5 км. З березня до серпня або вересня відбувається неухильне охолодження тропосфери, і її кордон на короткий період в серпні або вересні піднімається приблизно до висоти 11,5 км. Потім з вересня по грудень вона швидко знижується і досягає свого найнижчого положення - 7,5 км, де і залишається до березня, відчуваючи коливання в межах всього 0,5 км.
Саме в тропосфері в основному формується погода, яка визначає умови існування людини. Велика частина атмосферної водяної пари зосереджена у тропосфері, і тому тут головним чином і формуються хмари, хоча деякі з них, що складаються з крижаних кристалів, зустрічаються і в більш високих шарах.
Для тропосфери характерні турбулентність і потужні повітряні течії (вітри) і шторми. У верхній тропосфері існують сильні повітряні течії суворо певного напряму. Турбулентні вихори, подібні невеликим виру, утворюються під впливом тертя і динамічної взаємодії між повільно і швидко рухомими повітряними масами. Оскільки в цих високих шарах хмарності зазвичай немає, таку турбулентність називають "турбулентністю ясного неба".
Вищерозміщений шар атмосфери часто помилково описують як шар з порівняно постійними температурами, де вітри дмуть більш-менш стійко і де метеорологічні елементи мало змінюються. Верхні шари стратосфери нагріваються при поглинанні киснем і озоном сонячного ультрафіолетового випромінювання. Верхня межа стратосфери (стратопауза) проводиться там, де температура дещо підвищується, досягаючи проміжного максимуму, який нерідко можна порівняти з температурою приземного шару повітря.
На основі спостережень, проведених за допомогою літаків і куль-зондів, пристосованих для польотів на постійній висоті, в стратосфері встановлені турбулентні обурення і сильні вітри, що дмуть у різних напрямках. Як і в тропосфері, відзначаються потужні повітряні вихори, які особливо небезпечні для високошвидкісних літальних апаратів. Сильні вітри, звані струминними течіями, дмуть у вузьких зонах вздовж кордонів помірних широт, звернених до полюсів. Однак ці зони можуть зміщуватися, зникати і з'являтися знову. Струменеві течії звичайно проникають в тропопауза і виявляються у верхніх шарах тропосфери, але їх швидкість швидко зменшується з пониженням висоти.
Можливо, частина енергії, що надходить у стратосферу (головним чином витрачається на утворення озону), впливає на процеси в тропосфері. Особливо активне перемішування пов'язано з атмосферними фронтами, де великі потоки стратосферного повітря були зареєстровані істотно нижче тропопаузи, а тропосферний повітря залучався до нижні шари стратосфери. Значні успіхи були досягнуті у вивченні вертикальної структури нижніх шарів атмосфери у зв'язку з удосконаленням техніки запуску на висоти 25-30 км радіозондів.
Мезосфера, розташована вище стратосфери, є оболонкою, в якій до висоти 80-85 км відбувається зниження температури до мінімальних показників для атмосфери в цілому. Рекордно низькі температури до -110 ° С були зареєстровані метеорологічними ракетами, запущеними з американо-канадської установки в Форт-Черчилля (Канада). Верхня межа мезосфери (мезопауза) приблизно збігається з нижньою межею області активного поглинання рентгенівського і найбільш короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця, що супроводжується нагріванням і іонізацією газу.
У полярних регіонах влітку в мезопаузи часто з'являються хмарні системи, які займають велику площу, але мають незначне вертикальне розвиток. Такі світяться ночами хмари часто дозволяють виявляти великомасштабні хвилеподібні рухи повітря в мезосфері. Склад цих хмар, джерела вологи і ядер конденсації, динаміка і зв'язок з метеорологічними чинниками поки ще недостатньо вивчені.
Термосфера представляє собою шар атмосфери, в якому безперервно підвищується температура. Його потужність може досягати 600 км.
Тиск і, отже, щільність газу з висотою постійно зменшуються. Поблизу земної поверхні в 1 м ³ повітря міститься близько 2,5 ∙ ^{25 жовтня} молекул, на висоті близько 100 км, в нижніх шарах термосфери, - приблизно 10 ^19, на висоті 200 км, в іоносфері, - 5.10 ¹⁵ і, по розрахунками, на висоті близько 850 км - приблизно ^{12 жовтень} молекул. У міжпланетному просторі концентрація молекул складає 10 ⁸ -10 ⁹ на 1 м ^3. На висоті близько 100 км молекул мало і вони рідко стикаються між собою. Середня відстань, яку долає хаотично рухається молекула до зіткнення з іншою такою ж молекулою, називається її середнім вільним пробігом. Шар, в якому ця величина настільки збільшується, що ймовірністю міжмолекулярних або міжатомних зіткнень можна знехтувати, знаходиться на кордоні між термосферою і вищерозміщеної оболонкою (екзосфера) і називається термопаузой. Термопауза відстоїть від земної поверхні приблизно на 650 км.
При певній температурі швидкість руху молекули залежить від її маси: більш легкі молекули рухаються швидше важких. У нижній атмосфері, де вільний пробіг дуже короткий, не спостерігається помітного поділу газів за їх молекулярним вазі, але воно виражено вище 100 км. Крім того, під впливом ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання Сонця молекули кисню розпадаються на атоми, маса яких становить половину маси молекули.
Тому в міру віддалення від поверхні Землі атомарний кисень набуває все більшого значення у складі атмосфери і на висоті близько 200 км стає її головним компонентом. Вище, приблизно на відстані 1200 км від поверхні Землі, переважають легкі гази - гелій і водень. З них і складається зовнішня оболонка атмосфери. Такий поділ за вагою, зване дифузним розшаруванням, нагадує поділ сумішей за допомогою центрифуги.
Екзосфера називається зовнішній шар атмосфери, що виділяється на основі змін температури і властивостей нейтрального газу. Молекули і атоми в екзосфера обертаються навколо Землі по орбітах під впливом сили тяжіння. Деякі з цих орбіт параболічні і схожі на траєкторії метальних снарядів. Молекули можуть обертатися навколо Землі і по еліптичних орбітах, як супутники. Деякі молекули, в основному водню і гелію, мають розімкнуті траєкторії і йдуть в космічний простір
Намагаючись пояснити механізм виникнення полярних сяйв, вчені XIX ст. припустили, що в атмосфері існує зона з електрично зарядженими частинками. У XX ст. експериментально були отримані переконливі докази існування на висотах від 85 до 400 км шару, що відображає радіохвилі. В даний час відомо, що його електричні властивості є результатом іонізації атмосферного газу. Тому зазвичай цей шар називають іоносферою.
Вплив на радіохвилі відбувається головним чином з-за наявності в іоносфері вільних електронів, хоча механізм поширення радіохвиль пов'язаний з наявністю великих іонів. Останні також становлять інтерес при вивченні хімічних властивостей атмосфери, оскільки вони активніше нейтральних атомів і молекул. Хімічні реакції, які відбуваються в іоносфері, грають важливу роль в її енергетичному і електричному балансі.
Спостереження, проведені за допомогою геофізичних ракет і супутників, дали масу нової інформації, що свідчить, що іонізація атмосфери відбувається під впливом сонячної радіації широкого спектру. Основна її частина (більше 90%) зосереджена у видимій частині спектру. Ультрафіолетове випромінювання з меншою довжиною хвилі і більшою енергією, ніж у фіолетових світлових променів, випускається воднем внутрішньої частини атмосфери Сонця (хромосфери), а рентгенівське випромінювання, що володіє ще більш високою енергією, - газами зовнішньої оболонки Сонця (корони).
Нормальне (середнє) стан іоносфери обумовлено постійним потужним випромінюванням. Регулярні зміни відбуваються в нормальній іоносфері під впливом добового обертання Землі і сезонних відмінностей кута падіння сонячних променів опівдні, але відбуваються також непередбачувані і різкі зміни стану іоносфери.
Як відомо, на Сонці виникають потужні циклічно повторюються обурення, які досягають максимуму кожні 11 років. Спостереження за програмою Міжнародного геофізичного року (МГГ) збіглися з періодом найбільш високої сонячної активності за весь термін систематичних метеорологічних спостережень, тобто з початку XVIII ст. У періоди високої активності яскравість деяких областей на Сонці зростає в кілька разів, і вони посилають потужні імпульси ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання. Такі явища називаються спалахами на Сонці. Вони тривають від декількох хвилин до однієї-двох годин.
Під час спалаху вивергається сонячний газ (в основному протони і електрони), і елементарні частинки спрямовуються в космічний простір. Електромагнітне і корпускулярне випромінювання Сонця в моменти таких спалахів робить сильний вплив на атмосферу Землі. Первинна реакція відзначається через 8 хвилин після спалаху, коли інтенсивне ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання досягає Землі. У результаті різко підвищується іонізація; рентгенівські промені проникають в атмосферу до нижньої межі іоносфери; кількість електронів в цих шарах зростає настільки, що радіосигнали майже повністю поглинаються ("гаснуть"). Додаткове поглинання радіації викликає нагрівання газу, що сприяє розвитку вітрів. Іонізований газ є електричним провідником, і коли він рухається в магнітному полі Землі, виявляється ефект динамо-машини і виникає електричний струм. Такі струми можуть у свою чергу викликати помітні зміни магнітного поля і виявлятися у вигляді магнітних бур.
Ця початкова фаза займає лише короткий час, відповідне тривалості сонячного спалаху. Під час потужних спалахів на Сонці в космічний простір потрапляє потік прискорених частинок. Коли він спрямований убік Землі, настає друга фаза, що надає великий вплив на стан атмосфери.
Багато природних явища, серед яких найбільш відомі полярні сяйва, свідчать про те, що значна кількість заряджених частинок досягає Землі. Тим не менш процеси відриву цих частинок від Сонця, їх траєкторії в міжпланетному просторі і механізми взаємодії з магнітним полем Землі і магнітосферою поки ще недостатньо вивчені. Проблема ускладнилася після відкриття в 1958 р. Джеймсом Ван Алленом утримуваних геомагнітним полем оболонок, що складаються із заряджених частинок. Ці частки переміщаються з однієї півкулі в іншу, обертаючись по спіралях навколо силових ліній магнітного поля.
Поблизу Землі на висоті, яка залежить від форми силових ліній і від енергії частинок, розташовуються "точки відображення", в яких частинки змінюють напрямок руху на протилежний. Оскільки напруженість магнітного поля зменшується з віддаленням від Землі, орбіти, по яких рухаються ці частинки, спотворюються: електрони відхиляються на схід, а протони - на захід. Тому вони розподіляються у вигляді поясів навколо земної кулі.
Сонячна енергія впливає на всю атмосферу. Вище вже згадувалися пояса, утворені зарядженими частинками в магнітному полі Землі і обертаються навколо неї Ці пояси найближче підходять до земної поверхні в приполярних районах, де спостерігаються полярні сяйва.
Ймовірно, захоплені частинки віддають частину своєї енергії в атмосферу, особливо при зіткненні з молекулами газу поблизу точок відображення, і сходять зі своїх колишніх орбіт. Так відбувається нагрів високих шарів атмосфери в зоні полярних сяйв.
Ще одне важливе відкриття було зроблено при вивченні орбіт штучних супутників. Луїджі Яккіа, астроном з Смітсонівської астрофізичної обсерваторії, вважає, що невеликі відхилення цих орбіт обумовлені змінами щільності атмосфери при її нагріві Сонцем. Він припустив існування на висоті більше 200 км в іоносфері максимуму концентрації електронів, який не відповідає сонячного полудня, а під впливом сили тертя запізнюється по відношенню до нього приблизно на дві години. У цей час значення щільності атмосфери, звичайні для висоти 600 км, спостерігаються на рівні близько 950 км. Крім того, максимум концентрації електронів відчуває нерегулярні коливання внаслідок короткочасних спалахів ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання Сонця. Л. Яккіа виявив також короткочасні коливання щільності повітря, відповідні спалахів на Сонці і збурень магнітного поля. Ці явища пояснюються вторгненням частинок сонячного походження в атмосферу Землі і нагріванням тих її шарів, де проходять орбіти супутників.
Хоча іноді метеорні дощі виробляють глибоке враження своїми світловими ефектами, окремі метеори видно досить рідко. Набагато численніші невидимі метеори, занадто малі, щоб бути помітними у момент їх поглинання атмосферою. Деякі з найдрібніших метеорів, ймовірно, зовсім не нагріваються, а лише захоплюються атмосферою. Ці дрібні частинки з розмірами від декількох міліметрів до десятитисячних часткою міліметра називаються мікрометеоритами. Кількість щодоби надходить в атмосферу метеорної речовини становить від 100 до 10000 т, причому велика частина цієї речовини припадає на мікрометеоритами.
Оскільки метеорна речовина частково згоряє в атмосфері, її газовий склад поповнюється слідами різних хімічних елементів. Наприклад, кам'яні метеори привносять в атмосферу літій. Згоряння металевих метеорів призводить до утворення дрібних сферичних залізних, залізонікельових і інших крапельок, які проходять крізь атмосферу і осідають на земній поверхні. Їх можна виявити в Гренландії та Антарктиді, де майже без змін роками зберігаються льодовикові покриви. Океанологи знаходять їх у донних відкладеннях океанічних.
Велика частина метеорних частинок, що надійшли в атмосферу, осідає приблизно протягом 30 діб. Деякі вчені вважають, що ця космічна пил грає важливу роль у формуванні таких атмосферних явищ, як дощ, оскільки служить ядрами конденсації водяної пари. Тому припускають, що випадіння опадів статистично пов'язано з великими метеорними дощами. Однак деякі фахівці вважають, що, оскільки загальне надходження метеорної речовини у багато десятків разів перевищує його надходження навіть з найбільшим метеорним дощем, зміною в загальній кількості цієї речовини, що відбувається в результаті одного такого дощу, можна знехтувати. Але немає сумніву, що найбільш великі мікрометеоритів і, звичайно, видимі метеорити залишають довгі сліди іонізації у високих шарах атмосфери, головним чином в іоносфері. Такі сліди можна використовувати для дальнього радіозв'язку, так як вони відображають високочастотні радіохвилі.
Енергія що надходять в атмосферу метеорів витрачається головним чином, а може бути і повністю, на її нагрівання. Це одна з другорядних складових теплового балансу атмосфери.

3. Екологічна реальність планети Земля
а. Глобальні катастрофи та їх роль в еволюції планети Земля
У 1866 році Ернестом Геккелем був запропонований термін "екологія" для позначення галузі біологічного знання, що розглядає питання взаємодії організмів і навколишнього середовища. Так сталося "офіційне" визнання нової науки, потреба в якій все більше почала назрівати завдяки накопиченню відомостей про різноманітних живих організмах і особливості їхнього способу життя.
Вчені встановили, що взаємовідносини живих організмів з навколишнім середовищем підкоряються певним закономірностям. Виникли нові напрямки, що відображають умови існування і розвитку різних об'єктів, явищ, процесів. Предметом же дослідження екології людини є всі сторони життєдіяльності людини, питання збереження і розвитку здоров'я людей з урахуванням взаємозв'язку його з навколишнім природним і соціальним середовищем. Так у вченні про планету Земля відкрилися нові можливості її пізнання.
Відповідно до сучасної теорії походження планет, розробленої академіком О. Ю. Шмідтом, Земля утворилася шляхом акумуляції твердого розсіяного речовини у вигляді частинок і тіл різних розмірів. Поступово найдрібніші частинки і метеорити різних розмірів об'єднувалися у більші тіла - астероїди, які потім падали на утворюється Землю. Значна частина нашої планети утворилася за рахунок великих тел.
Маси найбільших тіл, що падали на Землю, були оцінені, спостерiгаючи зараз нахилу осі обертання Землі. Як відомо, обертання планет складається з двох компонентів різної природи: регулярного прямого обертання, пов'язаного з обертанням всієї системи, і нерегулярного, випадкового, що виник в результаті падіння на планету великих тел. Останнє визначає нахил осі її обертання. Випадкові явища зіграли величезну роль в житті нашої планети. Будь у найбільших астероїдів, що падали на Землю, інші розміри, швидкість або кут падіння, наша планета мала б інший нахил осі, а значить, ширина тропічного і помірних поясів і полярних кіл була б іншою.
Формування Землі як планети, що супроводжувалося падінням астероїдів і метеоритів, тривало близько 100 млн. років. Так як вік Землі дорівнює 4,5-5 млрд. років, то виходить, що освіта її з астероїдів і метеоритів зайняло лише 2% часу від всього життя пашів планети.
Рой астероїдів, що оточували Землю, за 100 млн. років розвіявся. Падіння метеоритів стали рідше. Зараз все більше фахівців схиляються до думки, що спочатку надра Землі були розігріті. На глибині декількох десятків кілометрів існував шар, де породи були в розплавленому стані. Ці розплави виливалися на земну поверхню. Таким чином, стадія "бомбардування" Землі змінилася більш тривалою за часом стадією майже суцільних вулканічних виливів. У цей період життя нашої планети, який тривав мабуть, багато сотень мільйонів років, її поверхня була майже суцільно усіяна вулканами, що вивергають лаву. Виливався лава застигала, віддаючи в світовий простір тепло. Так утворилася первинна земна кора. Температура на поверхні Землі знижувалася, і настав момент, коли виділялися з надр Землі водяні пари конденсувалися в рідку воду. З цього часу починається геологічна стадія розвитку Землі, яка привела її до сучасного вигляду. Звичайно, це все не можна назвати інакше, як катастрофою. Але, як це не парадоксально, навіть саме зародження життя стало, зрештою, теж своєрідною катастрофою.
Кюв'є і Сент-Ілер цілком справедливо вважали, що якісь грандіозні сили втручалися в еволюцію життя, і в результаті цього втручання з'являлися більш досконалі форми тварин. Здавалося, еволюція час від часу піддавалася дії якогось таємничого прискорювача. Втім, таку ж роль може зіграти і такого ж грандіозного дії гальмо.
Уявімо собі, що це гальмо сповільнює або зовсім скидає з "конвеєра еволюції" якісь види, наприклад, що володіли мільйони років землею динозаврів, що заважали розвитку інших видів, а саме - ссавців. Так виникає більше простору для розвитку видів більш життєстійких, "перспективних", з точки зору природи.
Але що ж могло послужити прискорювачем або сповільнювачем еволюції? Це були високоефективні, потужні впливи, здатні, наприклад, у короткий термін знищити могутню та численне стадо динозаврів, налічує кілька сотень видів, а серед них були "крихітки" вагою в одиниці кілограмів і "гіганти" в десятки тонн. Звідси суть теорії катастроф Ж. Кюв полягає в ідеї космічного втручання в процес еволюції.
б. Природні катастрофи: їх роль у формуванні екологічного "вигляду" планети Земля
Взагалі кажучи, життя зародилося в океані. Потім першими перемістилися на суходіл рослини, а з початком довгого часу за ними потягнулися амфібії, потім сушу захопили тварини, отримують кисень з повітря. Але ще на рівні амфібій відбулося розщеплення тваринного світу. Одні дали направлення розвитку ящерів та інших плазунів, інших - їх назвали теріодонтов, або зверообразних, - можна розглядати як групу, що зв'язує нинішніх ссавців з цими найдавнішими наземними хребетними.
Проте ера динозаврів несподівано закінчується 64,5 мільйона років тому. На цей рахунок було висунуто безліч гіпотез. Ось три з них.
По-перше, - це підвищена активність вулканів: гази і викинутий попіл пеленою затягнули небо і послабили сонячну радіацію - динозаври не винесли похолодання. По-друге, - це спалах близькою до Землі наднової зірки і тварини не витримали опромінення. По-третє, на вимирання динозаврів вплинув якийсь елемент, скромно представлений в земній корі, але помітно присутній, звідси на Землю впав великий метеорит або, або дощ метеоритів, які доставили цей елемент на Землю.
Існує на цей і ще одна метеоритна гіпотеза, яку продовжують обговорювати серйозні вчені. Не так давно на острові Гаїті були знайдені дрібні скляні кульки, наче пролилися тут дощем. Вчені вважають, що такий "дощ" тут випав після удару метеорита об півострів Юкатан. Розсіяні кульки і кварци, розплавилися на дні кратера, утвореного впав метеоритом, мають однакову геохімічну природу. Метеорит був розміром з десятикілометрову скелю і при ударі виділив приблизно 70 мільйонів мегатонн енергії, що у багато разів більше, ніж всі атомні заряди, створені людиною.
Піднята ударом метеорита пил огорнула всю планету. Пилова вуаль, яка огорнула планету на довгі роки, знизила на кілька градусів середньорічну температуру Землі. Настала затяжна зима (саме таку віщують нам фізики, якщо вибухне атомна війна). Поступово атмосфера очистилася і знову стала прозорою, але в ній збереглися гази, що викликали парниковий ефект.
Не менш драматичними подіями може обернутися падіння великого метеорита в світовий океан. У відповідь на падіння такого гіганта зі стратосфери випадає сніг. Утворилися потужні хмари огортають планету, йдуть нескінченні зливи. Потім з'являється парниковий ефект - середня температура на планеті піднімається на десятки градусів.
Палеонтологи вважають, що за останні 500 мільйонів років життя на Землі щонайменше п'ять разів піддавалася загрозу майже повного знищення. Д. Даул нарахував до 40 масових зникнень тварин. Загроза може прийти з космосу не тільки у вигляді велетенського метеорита. У Всесвіті є й інші негативні для земного життя обставини, які становлять для неї реальну загрозу її існуванню.
Життя з'явилася на Землі близько 2500 мільйонів років тому. Спочатку це були одноклітинні, потім тварини, позбавлені кістяка, наприклад, так звані медузоідная. Але їх вік багато менше - вони не старше 570 мільйонів років.
Що могла зустріти Земля на цьому порівняно довгому шляху?
Деякі дослідники вважають, що можуть бути шкідливими і пилові хмари, що займають в космосі величезні простори. Якщо Сонячна система зустріне їх на своєму шляху, то пил частково затінити світло, що йде від Сонця, на планетах може сильно знизитися температура, це - знову шкоди для життя.
Біди, що підстерігають живі істоти, не обмежуються тільки холодом. Справа в тому, що зі зниженням температури збільшується розчинність у воді двоокису вуглецю. Отже, в атмосфері його стане менше. У першу чергу від цього постраждає рослинний світ, для якого двоокис вуглецю - основне джерело харчування. За ним почнеться голод у рослиноїдних, а потім почнуть вимирати і хижаки.
На жаль, астрономія не може вказати хоч один конкретний випадок проходження Сонячної системи через космічні пилові хмари, хоча за 2,5 мільярда років мандрів по Галактиці нашої населеної життям Землі випадок цей досить імовірний - так само, як і його наслідки.
Не один раз природа створювала умови, і вони нищили на Землі майже все живе. І разом з тим палеонтологи встановили, що в історії земної біосфери була трагедія таких грандіозних масштабів, що 90 відсотків живих організмів загинули причин, народженим самою планетою.
До недавнього часу вчені в найзагальніших рисах представляли образ планети, яким він був 300 мільйонів років тому. У той є на карті півкуль Землі можна було уявити Лавразию і Гондвану - гігантські материки, часом з'єднувалися в один континент - Пангею. Першим же в історії Землі був єдиний континент Моногея, який протягом мільйонів років розпався і знову з'єднався в сверхматерик Мезогея. Потім таким же чином виникла Мезогея і лише потім - Лавразія і Гондвана. Гіпотеза заснована на дослідженні конвекційних рухів магми, які і визначають рух тектонічних плит на поверхні планети.
Ці рухи, зокрема, поміщали то один, то інший з материків в полярні області. Недарма палеомагнитологи налічують кілька колишніх магнітних полюсів, що знаходяться нині далеко від південного і північного. Вважалося, що причиною тому - "перекидання" земної кулі. Але не логічніше було б, однак, припустити, що саме дрейф материків час від часу ставив їх в полярні позиції.
Удар біосфера суші одержала наприкінці девону, коли домінувати стали модринові рослини. Так званий Лістьєва індекс з'явилася наземної рослинності збільшив ефективність поглинання сонячної енергії в сотні разів, з точки зору виробництва зеленої маси. Травоїдні отримали достаток корму, безмірно розмножилися, а коли все з'їли, то їжі стало не вистачати, і маса тварин загинула від голоду.
Академік Б. С. Соколов у промові на відкритті палеонтологічного конгресу сказав: "Біосфера в цілому піддавалася великим перебудов і супроводжувалася катастрофічними вимирання". Але на думку академіка, "удари" по біосфері зароджувалися в ній самій, а, отже, мали земне походження.
Виверження вулканів до сьогоднішніх днів залишаються якийсь загадкою. Вулканологи можуть вивчати тільки наслідки вулканічних вибухів. Причини і джерела самого явища приховано дуже глибоко в надрах Землі (можливо, в самому її ядрі). І все ж у цей момент ми знаємо динаміку 516 діючих вулканів.
Вулканологи класифікували вулкани по 4 категоріям, слідуючи від менш руйнівних до руйнівним. Легендарна гора Гавайських островів Мауна-Лоа, так само як і японська Фудзіяма, не буде фігурувати в даному розділі, тому що жодна з них не мала катастрофічних вивержень. Принаймні, протягом нової історії.
Найлютішим і руйнівним є пелейский тип, названий так за ім'ям його прототипу - вулкана Мон-Пеле. У цьому випадку відбувається викид вулканічного попелу, гарячих хмар газу, наповнених уламками лавових брил і надгарячої пара, які рухаються вниз по схилу вулкана зі швидкістю хорошого урагану. Таким чином, тисячі людей виявляються захопленими зненацька і буквально перемелюються надгаряча потоками бруду, пара і розплавлених уламків, падаючим вулканічним попелом і бомбами.
Виверження вулканів нерідко починаються раптово, і проблема полягає в тому, щоб люди могли реагувати на "застережливі знаки" (а саме - землетруси) та приймати відповідні заходи для свого порятунку. Але навіть у наш час люди, що знаходяться поблизу вулканів, ігнорують цей здоровий глузд.
Тверде підставу земної поверхні, що лежить у нас під ногами, якщо вірити визнаної повсюдно теорії тектонічних плит, є не більш ніж обманом. Відповідно до цього постулатом удавана твердої поверхні Землі насправді складається з постійно дрейфуючих плит.
Вчені висувають теорію, що причиною дрейфованія плит є перерозподіл теплової енергії всередині Землі. і під час цього процесу відбувається зіштовхування між собою континентів і плит, їх зміщення відносно один одного. Деякі з них розходяться. Уздовж цих кордонів і відбуваються землетруси і виверження вулканів.
Тремтіння землі виникає при землетрусі внаслідок зіткнення цих мас або при наїзді однієї плити на іншу. При цьому в земній корі виникають напруги і тиску, які знаходять свій дозвіл на поверхні Землі.
Землетрус, як правило, починається з легкого тремтіння. Слідом за цим, часом з лякаючою людей швидкістю, виникає серія сильних поштовхів, здатних викликати виверження вулкана, каменепад і розриви земної поверхні. Ділянки землі можуть підніматися і опускатися, провокуючи, у свою чергу, зсуви і цунамі - велетенські хвилі, раптово обрушуються на прибережні зони Азії (в інших місцях ці страхітливі стіни води називаються сейсмічними хвилями). І, нарешті, завершальна стадія циклу землетрусу характеризується зменшенням сили вібрації.
Коли землетруси відбуваються в міській зоні, руйнування зазвичай бувають значними і носять катастрофічний характер. Пластичні будови, зведені на скельній основі, краще переносять землетрусу, ніж жорсткі, зведені на нестійкій основі. Землетруси супроводжуються найбільшими трагедіями саме в останньому випадку. За останні 4000 років землетрусу і які виникли у їх результаті пожежі, зсуви, повені й інші наслідки забрали життя понад 13 мільйонів чоловік. Одним з найсильніших у 8,5 бала за шкалою Ріхтера є Аляскинское землетрус.
На перший погляд причина повеней здається ясною: тануть сніги, часті шторми, рясні дощі.
Але ці очевидні фактори становлять лише незначну частину передумов. Повінь - одне з найбільш катастрофічних стихійних лих, відомих людству. Інші фактори, зазвичай супроводжують повені і включають ще 18 видів стихійних лих таких, як торнадо, урагани, землетруси, виверження вулканів. Одним з безлічі факторів є виявляється в часі неминучість: морські припливи і відливи і нескінченний кругообіг води в природі, під час якого вода з океанів потрапляє в атмосферу, з атмосфери у вигляді опадів повертається на землю, проходить крізь шари земної поверхні і знову повертається в океани .
Загроза повеней змусила людини передбачити методи відведення (або збору) води, що випала з опадами, принесеної припливами, тающим снігом або цунамі. Так були винайдені дамби, греблі та системи відвідних каналів. Але жодне з цих споруд не в змозі протистояти великої катастрофи. Раптові повені або прориви дамб є найбільш руйнівними і тяжкими з усіх повеней. Склавши все це разом з природними силами дощу, сезонних вітрів, природною схильністю гідрологічного циклу концентруватися в певних районах та іншими, людськими чинниками, виходить повне уявлення про те, що таке катастрофічна повінь.
Лавини і зсуви є вторинні явища, викликані такими стихійними лихами, як сильні снігопади, мусонні зливи, виверження вулканів, землетруси.
Зібрався на схилах гір сніг може прийти в рух в результаті струсів, луни або нерівномірного танення снігових пластів. Цілком надійні грунту можуть перетворитися на бруд і стати нестійкими в результаті безперервних дощів. Фундамент міського будинку може зруйнуватися під впливом повторюваних природних або штучних коливань грунту, грунту, викликаних діяльністю людини або ж перегрівом глибинних шарів Землі внаслідок вулканічної діяльності.
Але яка б не була причина, для лавини завжди характерні раптовість і колосальна міць. Окремі гори, вододіли озер, морські узбережжя, цілі райони місцевості - все може бути знесено лавинами з лиця Землі. Набираючи швидкість, масу і силу, лавина під час руху з кожною миттю стає потужнішою і руйнівною, захоплюючи каміння, дерева, уламки скель і будівель, грунт і воду - все, що, на жаль, опиняється на шляху.
Найбільш видовищні та небезпечні лавини зазвичай сходять в районах з сильними снігопадами і обмерзання. Сходження лавин може бути спровокований найменшої вібрацією, тому деякі альпійські фермери в зимовий час приглушають дзвіночки на шиї своїх корів. Впав камінь, рух тваринного, грім, проходження реактивним літаком звукового бар'єру, що біжить лижник - все може спровокувати схід сніжної лавини і льоду. Реакція природи буває то миттєвою, то уповільненою. Кілька лижників можуть спокійно спуститися по схилу, перш ніж приховано накопичився ефект впливу викликає вібрацію і що зірвалася лавина обрушиться на відстав лижника. Буває, на місці першого удару в злежалому снігу з'являються тріщини, які розходяться, порушуючи початкову міцність основи і породжують другий лавину. Тріщини в льоду можуть зі швидкістю 100 метрів за секунду.
Тайфун - це метеорологічне явище називається "ураганом" - в північній частині Атлантичного океану, "тропічним циклоном" - в Індійському океані і "тайфуном" - у західній частині Тихого океану.
У порівнянні з циклоном торнадо охоплює відносно невелику площу, але він набагато сильніше і руйнівними. Торнадо виникає в грозовій хмарі, оточеній блискавкою, громом і дощем, і тягнеться до земної поверхні у вигляді темного рукава, всередині якого люто обертається повітря. Торнадо піднімається і опускається, крутиться і стосується земної поверхні. Торкнувшись земної поверхні, він виробляє миттєві і величезні руйнування. Торнадо може пройти шлях від декількох метрів до сотень кілометрів, рухаючись зазвичай в північно-східному напрямі зі швидкістю до 30-65 кілометрів на годину. У США сама велика концентрація торнадо над центральними і південними рівнинами і штатами поблизу Мексиканської затоки.
Ураган - це тропічний циклон над північною частиною Атлантичного океану, що характеризується швидкістю вітру понад 120 кілометрів на годину.
Урагани формуються, як правило, над тропічною частиною північної Атлантики, найчастіше - від західного узбережжя Африки, і набирають чинності, рухаючись на захід. Багато урагани зароджуються біля західного узбережжя Мексики і рухаються на північний схід, погрожуючи прибережним територіям Техасу.
Урагани звичайно існують від 1 до 30 днів. Вони розвиваються над перегрітими територіями океанів і перетворяться в сверхтропіческіе циклони після тривалого проходження над більш прохолодними водами північної частини Атлантичного океану. Потрапляючи на підстилаючої поверхню суші, вони швидко гаснуть.
Фактично в урагані середньої потужності виділяється стільки тепла і енергії при консервації пара, скільки дає вибух чотирьохсот 20-мегатонни водневих бомб. На щастя для тих, хто опиняється на шляху урагану, тільки 2-4 відсотки теплової енергії переходить у кінетичну силу вітру. Але і цього цілком достатньо, щоб викликати величезні руйнування. Вторинні руйнування є наслідком нагону морської хвилі на береги і тропічних злив, звичайно супроводжують урагани.
Урагани, як правило, рухаються зі швидкістю 15 кілометрів на годину по західному шляху і часто набирають швидкість, зазвичай відхиляючись до північного полюса на лінію 20-30 градусів північної широти. Але нерідко вони розвиваються по більш складною і непередбачуваною моделі. Але в будь-якому разі урагани здатні викликати величезні руйнування й приголомшливі людські втрати.
в. Катастрофи антропогенного походження та їх екологічні наслідки
Вчені стверджують, що діяльність людини - головна причина глобального потепління на Землі .. Екологи з Національного центру атмосферних явищ в США вже склали температурний прогноз на найближче сторіччя. Якщо темпи забруднення атмосфери залишаться колишніми, то в районі полюсів температура підвищиться на 8-10 градусів. Це призведе до затоплення острівних держав і прибережних зон материків. Господарська діяльність людини, набуваючи все більш глобального характеру, починає робити вельми відчутний вплив на процеси, що відбуваються в біосфері.
На щастя, до певного рівня біосфера здатна до саморегуляції, що дозволяє звести до мінімуму негативні наслідки діяльності людини. Але існує межа, коли біосфера вже буде не в змозі підтримувати рівновагу. Починаються незворотні процеси, що призводять до екологічних катастроф. З ними людство вже зіткнулося у ряді регіонів планети.
Потепління клімату може призвести до інтенсивного танення льодовиків і підвищення рівня Світового океану. Зміни, які можуть статися внаслідок цього, просто важко передбачити. Ще жарче і суші стане в країнах Північної Африки, Близького і Середнього Сходу, одночасно океан заллє третину території Бангладеш. Підуть під воду Багамські острови в Карибському басейні і Мальдівський архіпелаг в Індійському океані. Розпочнеться інтенсивне танення льодовиків у Гімалаях і гірських масивах Центральної Азії, що різко підвищить загрозу повеней в Індії, Пакистані, Китаї. Цей же регіон буде схильний до більш частим тайфунам і ураганів з боку моря.