Гидрометеорологическая система Земли

В монографии в качестве объекта исследования современной гидрометеорологии предлагается рассматривать разработанную автором концептуальную модель гидрометеорологической системы Земли, которая относится к классу больших систем по географическим свойствам и суперсложных систем – по онтологическому и гн... больше
706
Просмотров
Книги > Наука
Дата публикации: 2014-04-06
Страниц: 201

Asus PC [Введите название организации] [Выберите дату]


Пудовкин О.Л. Гидрометеорологическая система Земли Москва, 2014 1

УДК 551.5 Пудовкин О.Л. Гидрометеорологическая система Земли. – Открытая платформа элек- тронных публикаций SPUBLER. Дата публикации: 2014-04-06. - 200 с. В монографии в качестве объекта исследования современной гидрометеорологии предлагается рассматривать разработанную автором концептуальную модель гидрометео- рологической системы Земли, которая относится к классу больших систем по географиче- ским свойствам и суперсложных систем – по онтологическому и гносеологическому при- знаку. Гидрометеорологическая система Земли является открытой динамической системой, объединяющей суперобъекты – нижний слой атмосферы, деятельные слои континенталь- ной коры и мирового океана, находящиеся в постоянном вещественном и энергетическом взаимодействии между собой и средой. В качестве основных объектов среды рассматри- ваются – Солнце, верхняя атмосфера, океаносфера и континентальная земная кора. Монография ориентирована на разработчиков космических систем дистанционного зондирования в области решения задач гидрометеорологии, поскольку создаваемые ими системы соизмеримы по степени глобальности с гидрометеорологической системой Зем- ли, потенциально обладают высокой информативностью и целевой эффективностью. Материал монографии может быть использован при подготовке специалистов отрас- ли и возможно заинтересует профессионалов - гидрометеорологов. Доктор технических наук Пудовкин О.Л. e-mail: PudovkinOL@yandex.ru 2


Оглавление Стр. Введение 4 1 Геосферная модель Земли 6 1.1 Форма и модели поверхности Земли 6 1.2 Базовые (главные) геосферы 8 1.3 Вторичные геосферы 14 2 Деятельность в области гидрометеорологии и смежных с ней областях 19 2.1 Гидрометеорологическая служба России 19 2.2 Государственная наблюдательная сеть России 23 2.3 Всемирная метеорологическая организация 29 3 Гидрометеорологическая система Земли 42 3.1 Гидрометеорологическая система Земли 44 3.2 Солнце 50 3.3 Верхняя атмосфера 54 3.4 Океаносфера 57 3.5 Континентальная земная кора 61 4 Факторы гидрометеорологической системы Земли 66 4.1 Факторы среды гидрометеорологической системы Земли 67 4.2 Внутренние факторы гидрометеорологической системы Земли 75 5 Процессы гидрометеорологической системы Земли 86 5.1 Процессы радиационной энергетики системы атмосфера - подстилающая 86 поверхность Земли 5.2 Процессы циркуляции нижней атмосферы Земли 97 5.2.1 Зональный поток и меридиональная циркуляция 99 5.2.2 Крупномасштабные квазистационарные барические структуры – 106 центры действия атмосферы, пассаты и муссоны 5.2.3 Циклоническая деятельность атмосферы 113 5.2.4 Мелкомасштабные (местные) циркуляции воздуха 126 5.3 Процессы циркуляции гидросферы 137 5.3.1 Вода в гидрометеорологической системе Земли и её свойства 138 5.3.2 Циркуляция океаносферы 146 5.3.3 Глобальный гидрологический цикл 158 5.4 Сезонные изменения деятельного слоя. Полярные льды 180 Заключение 197 Литература 199 3

Введение Пройдя все эпохи развития человеческого общества (по Ф. Энгельсу – дикость и варварство) и достигнув стадии цивилизации, человек создал современную техносферу, являющуюся частью социокультурного пространства, обуславливающего процессы жиз- необеспечения, социализации, коммуникации членов общества. Парадоксально, но при этом зависимость человека от состояния окружающей его природной среды не уменьши- лась. Люди пока научились с заданной ими же точностью делать краткосрочные прогнозы погоды и опасных природных явлений, проводить заблаговременные мероприятия по снижению рисков от их проявлений. Однако связанные с ними мероприятия, как и в дав- ние времена, носят «оборонительный характер» и сводятся к созданию мониторинговых структур. Например, Всемирная метеорологическая организация, Росгидромет и т.д. По- пытки воздействия на природу имеют локальный успех, при этом не во всех случаях мож- но оценить их последствия для биосферы. Одной из наук, объектом исследования которой является окружающая человека при- родная среда – гидрометеорология. Современная гидрометеорология имеет глубокие ис- торические корни. Одним из первых научных трактатов была книга Аристотеля «Метео- рология», вышедшая в свет в IV веке до нашей эры и послужившая повороту от мифов к реальности. Гидрометеорология является составной частью современной геофизики, представляющей собой комплекс наук о Земле, исследующих физическими методами строение планеты, изучающих физику твёрдой Земли, океанов, поверхностных вод суши, атмосферы, космическую погоду и связи между ними. Объектом исследования современ- ной гидрометеорологии является сверхсложная гидрометеорологическая система Земли, изучение которой с системных позиций требует привлечение многих моделей, теорий, научных дисциплин и организации междисциплинарных исследований. В настоящее время под гидрометеорологией понимается обобщающая научная дис- циплина, изучающая процессы, которые имеют отношение как к метеорологическому, так и гидрологическому режиму, или как наука о гидросфере и атмосфере Земли. При этом рассматриваемая в научной литературе концепция построения гидрометеорологии, как правило, тяготеет или к метеорологии, или к гидрологии. Возник ряд отдельных научных дисциплин, среди которых следует отметить сельскохозяйственную, авиационную, мор- скую, медицинскую, синоптическую и космическую метеорологию, климатологию, аэро- логию, навигационную и промысловую гидрометеорологию и ряд других наук, объединя- емых гидрометеорологией. Всё это свидетельствует о необходимости рассмотрения со- временной гидрометеорологии как системной научной дисциплины, определения объекта и предмета её исследования, структуры и понятийного аппарата, взаимодействия со смеж- ными научными дисциплинами. Здесь уместно вспомнить слова академика Ф.Ф. Давитая о том, что «наука самостоятельна только тогда, когда предмет её изучения, задачи и ко- нечные результаты, с которыми она выходит в производство, не совпадают с предметом, задачами и целями других наук». В монографии в качестве объекта исследования современной гидрометеорологии предлагается рассматривать разработанную автором концептуальную модель гидрометео- рологической системы Земли, которая относится к классу больших по географическим свойствам и суперсложных систем – по онтологическому и гносеологическому признаку. Как и все естественные системы, гидрометеорологическая система Земли является дина- мической – система, состояние которой изменяется во времени под воздействием опреде- лённых причинно-следственных связей. Гидрометеорологическая система Земли является открытой динамической системой, объединяющей суперобъекты – нижний слой атмосферы, деятельные слои континенталь- ной коры и мирового океана, находящиеся в постоянном вещественном и энергетическом взаимодействии между собой и средой. Погружение гидрометеорологической системы 4

Земли в некоторую среду, является обычным научным приёмом при изучении больших и суперсложных систем, эффективным средством борьбы исследователей с неопределённо- стью вероятностного и не вероятностного характера. В качестве основных объектов сре- ды в концептуальной модели рассматриваются – Солнце, верхняя атмосфера, океаносфера и континентальная земная кора. В первом разделе монографии исследуется геосферная модель Земли, подсистемы базовых (главных) и вторичных геосфер. Вводится понятие вторичного геосферного про- странства – выделенное из планетарного пространства Земли по биосферному признаку (наличие жизни) целостное и непрерывное подпространство в области земной коры, тро- посферы, стратосфера и гидросфера, включающее все объекты и системы естественного и искусственного происхождения, находящиеся между собой и средой в состоянии энерге- тического, вещественного и информационного взаимодействия. Определяется понятие гидрометеосферы, являющейся географической характеристикой определения гидроме- теорологической системы Земли. Во втором разделе монографии излагаются вопросы организации деятельности Все- мирной метеорологической организации и Гидрометеорологической службы России в об- ласти гидрометеорологии и смежных с ней областях. Данный материал необходим для понимания сложности и многообразия гидрометеорологической системы Земли и связан- ных с ней различных мониторинговых служб. В третьем разделе монографии рассматривается концептуальная модель гидрометео- рологической системы Земли как открытой сверхсложной динамической системы, объ- единяющей суперобъекты – нижний слой атмосферы, деятельные слои континентальной коры (включая растительность и внутренние воды) и мирового океана, находящиеся в по- стоянном вещественном и энергетическом взаимодействии между собой и средой. В каче- стве объектов среды рассмотрены Солнце, верхняя атмосфера, океаносфера и континен- тальная земная кора. В четвёртом разделе монографии исследуются факторы среды и внутренние факто- ры, определяющие причинно-следственные связи в гидрометеорологической системе Зем- ли. Среди факторов среды исследуются солнечная радиация, планетарные свойства и эн- догенная энергия Земли, среди внутренних факторов – географический фактор, атмосфер- ные газы и аэрозоли. В пятом разделе монографии рассматриваются протекающие в гидрометеорологиче- ской системе Земли процессы, являющиеся следствиями причинно-следственных связей. К ним отнесены процессы радиационной энергетики системы «атмосфера - подстилающая поверхность», циркуляции нижней атмосферы, циркуляции гидросферы и сезонного из- менения деятельного слоя Земли. В рамках процессов циркуляции нижней атмосферы Земли исследуются: зональный поток и меридиональная циркуляция, крупномасштабные квазистационарные барические структуры – центры действия атмосферы, пассаты и муссоны, циклоническая деятель- ность атмосферы и мелкомасштабные (местные) циркуляции воздуха. В рамках процессов циркуляции гидросферы рассматриваются: роль воды в гидро- метеорологической системе Земли и её свойства, циркуляция океаносферы и глобальный гидрологический цикл. Представленный список используемой в монографии литературы ориентирован на возможность свободного доступа к материалам через INTERNET. Монография ориентирована на разработчиков космических систем дистанционного зондирования Земли в области решения задач гидрометеорологии, поскольку создаваемые ими системы соизмеримы по степени глобальности с гидрометеорологической системой Земли, потенциально обладают высокой информативностью и целевой эффективностью. Материал монографии может быть использован при подготовке специалистов отрасли и возможно заинтересует профессионалов - гидрометеорологов. 5

1 Геосферная модель Земли Земля – третья планета от Солнца, пятая по размеру среди планет Солнечной системы. Название Земля образовалось от общеславянского древнего корня зем-, который означал низ, пол, земля и является единственным наименование планеты в нашей системе, которое не было взято из греко-римской мифологии. В поверхностных слоях Земли сформировалась современная биосфера, здесь начинается отсчёт для геосферных моделей. 1.1 Форма и модели поверхности Земли Первым приближением физической модели поверхности Земли является сфероид (подобный сфере), радиус которого составляет около 6371 км. О шаровидности Земли первыми сделали вывод пифагорейцы – сподвижники Пифагора (V век до н.э.), а доказательство этому первым нашёл Аристотель (IV век до н.э.), обративший внимание на круглую форму тени от Земли на Луне. Греческий учёный Эратосфен впер- вые оценил длину дуги александрийского меридиана, то есть фактически определил длину окружности земного шара, а именно – в 250000 египетских стадий. Полага- ют, что 1 египетская стадия равнялась 157,7 метра. Если длина всех меридианов на глобусе равна 40008,55 км, то по Эратосфену она равна 39425 км. Принятый сред- ний радиус Земли примерно равен 6371 км, по Эрато- сфену – 6278 км. Фигура Земли образуется истинной, физической поверхностью со всеми горами и долинами, впадинами и плоскогорьями, материками и островами. В 1873 году немецкий геодезист Е. Листинг предложил рассматривать в качестве фигуры Земли уровенную по- верхность, совпадающую на океанах с невозмущённой волнами, приливными явлениями и течениями поверхностью воды и проходящую под континенты по закону образования уровенных поверхностей, т.е. перпендикулярно к направлению полного вектора напря- жённости гравитационного поля. Такую поверхность назвали геоид. Само слово «геоид» означает «подобный Земле», также ка «сфероид» означает «по- добный сфере». Геоид не может быть определён геометрически, в геометрии нет такой поверхности и нет формул, её выражающих. Эта поверхность чётко определяется на океа- нах, но, строго говоря, ни практически, ни теоретически она не может быть установлена на материках. Поэтому используют эллипсоид относимости, ориентация и форма которо- го подчиняются следующим требованиям: большая полуось и сжатие эллипсоида подобраны так, чтобы он ближе всего подхо- дил к форме и размерам Земли в пределах выбранного региона; малая полуось эллипсоида должна быть параллельна оси вращения Земли. Реальные высоты определяются относительно эллипсоида относимости гравитаци- онным способом и нивелированием с одновременным измерением силы тяжести. Использованием в качестве физической модели Земли эллипсоида относимости до- стигается простое математически описание поверхности и достаточно малое отклонение от геоида. Расхождение между геоидом и эллипсоидом относимости местами достигает 100-150 м, что объясняется неравномерным распределением масс разной плотности в теле Земли, влияющим на изменение силы тяжести, следовательно, и на форму геоида. Эллипсоиды относимости, которые в геодезии называются референц-эллипсоидами, закрепляются в теле Земли географическими координатами начального пункта геодезиче- 6

ской сети и начальными азимутами на соседние пункты. Совокупность этих величин называют исходными геодезическими датами. Известно более двадцати референц-эллипсоидов. Первым из них был референц- эллипсоид французского астронома Жан-Батиста-Жозеф Деламбера (19.08.1749- 19.09.1822), введённого во Франции в 1800 году. В США, Латинской и Центральной Аме- рике в 1866 году был принят референц-эллипсоид Кларка. В России с 1819 года применялся референц- эллипсоид финского геодезиста Хенрика Юхана Вальбе- ка, который в 1841 году был заменён референц- эллипсоидом немецкого математика и астронома Фри- дриха Вильгельма Бесселя, использовавшийся вплоть до 1942 года. В 1946 году был введён референц-эллипсоид советского астронома и геодезиста Феодосия Николаеви- ча Красовского с параметрами: большая полуось – 6378,245 км; сжатие – 1/298,3. Положение (ориентация) эллипсоида Красовского в теле Земли определено геоде- зическими координатами центра круглого зала Пулков- ской обсерватории. Референц-эллипсоид Красовского яв- ляется основой Единой государственной системы геоде- зических координат Российской Федерации 1995 года (СК-95). На его основе создаются топографические карты и проводятся геодезические работы. Кроме системы СК-95 в настоящее время также широко используется в геодезии и картографии разработанная инженерами армии США в 1940 году система координат UTM (от англ. Universal Transverse Mercator), которая основана не на системе Гауса-Крюгера, а на поперечно-цилиндрической проекции Меркатора. В ней для территории США исполь- зован эллипсоид Кларка 1866 года, а для остальной части Земли – международный эллип- соид, общеземной эллипсоид WGS84. Появление общеземных эллипсоидов (ОЗЭ) и консолидация усилий геодезистов всех стран по их созданию в основном обусловлены развитием космонавтики и космических навигационных систем. В США в качестве ОЗЭ используется эллипсоид WGS84 (World Geodetic System, 1984), который применяется в системе спутниковой навигации GPS и имеет параметры: большая полуось – 6378,137 км; сжатие – 1/298,257223563. В России в качестве ОЗЭ ис- пользуется эллипсоид ПЗ-90.11 (альтернатива WGS84), который применяется в системе спутниковой навигации ГЛОНАСС и имеет параметры: большая полуось – 6378,1365 км; сжатие – 1/298,2564151. Кроме данных общеземных эллипсоидов также существуют ОЗЭ, разработанные Международной службой вращения Земли – MCBЗ (IERS) и Международным геодезиче- ским и геофизическим союзом – GRS80. Таким образом, первым приближением физической модели поверхности Земли явля- ется сфероид (подобный сфере) с радиусом ~ 6371 км. Площадь поверхности Земли со- ставляет около 510 млн. км2, объем – 1,08321×1012 км3. Высочайшей точкой поверхности Земли является гора Джомолунгма (Эверест, Сагарматха; 8848 м над уровнем моря), а глубочайшей – Марианский жёлоб, Бездна Челленджера. По данным измерений советско- го океанографического судна «Витязь» в ходе экспедиции 1957 года глубина Бездны Чел- ленджера составила 11022 м, а по последним исследованиям 2011 года – 10 994 ± 40 м ниже уровня моря. В качестве модели поверхности земли в Российской Федерации используется эллип- соид Крассовского, который связан с другими эллипсоидами и характеризуется парамет- рами: 7

малая полуось (полярный радиус Земли) – 6356,863 м; большая полуось (экваториальный радиус Земли) – 6378,245 м; средний радиус Земли (принимаемой за шар) – 6371,100 м; полярное сжатие (отношение разности полуосей к большой полуоси) – 1/298,3; длина меридиана – 40008,550 м; длина экватора – 40075,696 м. В современном научном представлении Земля с атмосферой рассматриваются как сфера с радиусом около 100000 км, соответствующей внешней части экзосферы, часто называемой короной Земли. Структурируется концентрическими сплошными или преры- вистыми оболочками – геосферами [от греч. γῆ - Земля и σφαῖρα - шар]. Положение гео- сфер в пространстве характеризуется величиной радиуса от центра Земли или высотой над поверхностью сфероида Земли со средним радиусом около 6371 км. Геосферы условно делятся на базовые (главные) и относительно автономно разви- вающиеся вторичные геосферы. 1.2 Базовые (главные) геосферы Базовые (главные) геосферы обычно структурируют Землю по механическим свой- ствами, таким как реология (наука о деформациях и текучести вещества) или по химиче- ским свойствам, атмосферу – чаще всего по температурным свойствам. По температурным свойствам атмосферу Земли структурируются на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. По механическим свойствам в структуре Земли выделяют литосферу, астеносферу, мезосферу, внешнее и внутреннее ядро, по химическим свойствам – земную кору, верх- нюю и нижнюю мантию, внешнее и внутреннее ядро. Особым видом геосферы является гидросфера. Рисунок 1.1 – Система базовых (главных) геосфер Земли Ядро является центральной и наиболее глубокой частью Земли, которое состоит из железо - никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов (группа пере- ходных химических элементов, относящихся в основном к VIII группе периодической си- стемы Д.И. Менделеева). Глубина залегания от поверхности – 2890-6360 км, радиус около 3470 км. Разделяется на твёрдое внутреннее ядро с глубиной залегания 5150-6370 км и жидкое внешнее ядро 2890-5150 км, толщиной около 2260 км. Между ними выделяется переходная зона. По существующим оценкам масса ядра около 1,932×1024 кг, температура на поверхности внутреннего ядра 6230±5000К, в центре ядра плотность может составлять около 12,5 г/см3, давление до 361 ГПа. Известно о ядре очень мало – вся информация по- лучена косвенными геофизическими и геохимическими методами. 8

Предполагается, что во внешнем ядре происходит интенсивная турбулентная кон- векция, которая вызывает магнитное поле. Изменение структуры этой конвекции приво- дит к миграции полюсов, магнитным инверсиям и т.д. О составе внутреннего ядра суще- ствуют различные научные гипотезы: ядерный реактор, медленно кристаллизующееся вещество и т.д. Предполагают, что на границе ядра и нижней мантии зарождаются плюмы [от англ. plume - слива] – горячие магматические потоки, двигающиеся независимо от конвективных течений в мантии, которые затем в виде потока энергии или высокоэнер- гичного вещества поднимаются вверх, формируя в земной коре или на её поверхности магматические породы. Мантия – самая мощная из геосфер Земли. Залегает от поверхности на глубине от 25-65 км до 2890 км, занимает 83% объема и включает 67% массы планеты. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает от 3,32 до 5,69 г/см3, хотя это происходит неравномерно. Мантия отделена от земной коры поверхностью Мохоровичича (Мохо, или М), названная по имени выделившего её хорватского геофизика Андрея Мохоровичича (23.01.1857 - 18.12.1936). На этой поверхности происходит резкое увеличение сейсмиче- ских скоростей – от 7 до 8-8,2 км/с. На континентах мантия расположена на глубине 25-65 км и до 75 км в складчатых областях. Выделяют верхнюю и нижнюю части мантии. Между ними находится слой Голицы- на, который назван в честь выдающегося русского ученого академика князя Бориса Бори- совича Голицына (18.02(02.03).1862 - 4(17).05.1916), одного из основоположников отече- ственной и мировой сейсмологии и сейсмометрии, внесшего весомый вклад в развитие сейсмических наблюдений в России. Слой Голицына или средняя мантия (мезосфера) – переходная зона между верхней и нижней мантией. Простирается с глубины 410 км, где отмечается резкое возрастание ско- ростей продольных волн, до глубины 670 км. Возрастание скоростей объясняется увели- чением плотности вещества мантии примерно на 10% в связи с переходом минеральных видов в другие виды с более плотной упаковкой. Верхняя мантии залегает от поверхности на глубине от 35-60 км до 410 км, нижняя мантия начинается с глубины около 670 км и простирается до глубины 2900 км, т. е. до ядра Земли. Верхнюю часть верхней мантии и земную кору слитно выделяют как литосферу, яв- ляющуюся верхней твёрдой оболочкой Земли, в противоположность атмосфере и гидро- сфере. Благодаря теории тектоники литосферных плит термин «литосфера» получил ши- рочайшее распространение. Теория полагает наличие движения плит по астеносфере – размягчённому, частично жидкому глубинному слою с пониженной вязкостью. Земная кора – внешняя твёрдая оболочка Земля. Ниже коры находится мантия, ко- торая отличается составом и физическими свойствами – она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы. Разделяет кору и мантию поверхность Мохоровичича. С внешней стороны большая часть коры покрыта гидросферой, а меньшая находится под воздействием атмосферы. Мощность земной коры колеблется от 0 на некоторых участках срединно-океанических хребтов и океанских разломов до 70-75 км под горными сооруже- ниями Анд, Гималаев и Тибета. Обладает латеральной неоднородностью, т.е. состав и строение земной коры различно под океанами и континентами, поэтому выделяются два главных типа коры – океаническая и континентальная, а также тип промежуточной коры. Масса земной коры оценивается в 2,8×1019 тонн. Кора составляет лишь 0,473% общей массы Земли. В целом земную кору составляет сравнительно небольшое число элементов. Около половины массы земной коры приходится на кислород, более 25% – на кремний. Всего 18 элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, Ti, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ba – составляют 99,8 % массы земной коры. 9

Океаническая кора занимает около 56% земной поверхности. В её строении выделя- ются три слоя. Первый слой представлен осадочными породами. В основном это глинистые, крем- нистые и карбонатные глубоководные пелагические осадки, причём карбонаты с опреде- лённой глубины исчезают вследствие растворения. Ближе к континенту появляется при- месь обломочного материала, снесённого с суши (континента). Мощность осадков колеб- лется от ноля в зонах спрединга до 10-15 км вблизи континентальных подножий. Спредингом называется геодинамический процесс растяжения, выражающийся в импульсном и многократном раздвигании блоков литосферы океанической коры и в за- полнении освобождающегося пространства. Второй слой океанической коры в верхней части сложен базальтами с редкими и тонкими прослоями пелагических осадков. Общая мощность второго слоя около 1,5-2 км. Строение первого и второго слоя океанской коры хорошо изучено с помощью подводных аппаратов, драгированием и бурением. Третий слой океанической коры состоит из полнокристаллических магматических пород основного и ультраосновного состава. Мощность слоя около 5 км. Слой изучен по данным драгирования и наблюдений с подводных аппаратов. Континентальная кора распространена не только в пределах континентов, но и в пределах шельфовых зон континентальных окраин и микроконтинентов, расположенных внутри океанских бассейнов. Общая площадь составляет около 41% земной поверхности. Средняя мощность 35-40 км. На щитах и платформах континентов варьирует от 25 км до 65 км, а под горными сооружениями достигает 70-75 км. Континентальная кора имеет трёхслойное строение. Первый слой – осадочный, обычно называется осадочным чехлом. Мощность его колеблется от нуля на щитах, поднятиях фундамента и в осевых зонах складчатых соору- жений до 10-20 км в экзогональных впадинах плит платформ, передовых и межгорных прогибах. Слой сложен, в основном, осадочными породами континентального или мелко- водного морского, реже батиального (в глубоководных впадинах) происхождения. В этом осадочном слое возможны покровы и силы магматических пород, образующих трапповые поля (трапповые формации). Второй слой континентальной коры или верхний слой консолидированной коры вы- ходит на дневную поверхность на щитах, массивах или выступах платформ и в осевых ча- стях складчатых сооружений. Вскрыт на Балтийском (Фенноскандинавском) щите на глу- бину более 12 км, Кольской сверхглубокой скважиной и на меньшую глубину в Швеции, на Русской плите Саатлинской уральской скважиной, на плите в США, в шахтах Индии и Южной Африки. Слой сложен кристаллическими сланцами, гнейсами, амфиболитами, гранитами и гранитогнейсами, и называется гранитогнейсовым или гранитно- метаморфическим слоем. Мощность достигает 15-20 км на платформах и 25-30 км в гор- ных сооружениях. Третий слой или нижний слой консолидированной коры был выделен как гранулито- базитовый слой. Кора переходного типа является разновидностью коры между двумя крайними ти- пами земной коры (океанской и континентальной) и может быть двух типов – субокеан- ской и субконтинентальной. Субокеанская кора развита вдоль континентальных склонов и подножий и, вероятно, подстилает дно котловин не очень глубоких и широких окраинных и внутренних морей. Мощность её не превышает 15-20 км. Пронизана дайками и силами основных магматиче- ских пород, вскрыта скважиной у входа в Мексиканский залив и обнажена на побережье Красного моря. Субконтинентальная кора образуется в том случае, когда океанская кора в энсиматических вулканических дугах превращается в континентальную кору, но ещё не достигает «зрелости». Обладает пониженной мощностью (менее 25 км) и более низкой степенью консолидированности. 10

Гидросфера [от др. греч. ὕδωρ - вода и σφαῖρα - шар] – водная оболочка Земли. При- нято делить на Мировой океан, континентальные поверхностные воды и подземные воды. Общий объём воды на планете – около 1532×109 км3, масса гидросферы – примерно 1,46×1021 кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но составляет лишь 1/4000 от массы всей планеты. Большая часть воды сосредоточена в океане, намного меньше – в ледниках, континентальных водоёмах и подземных водах. Солёные океанические воды составляют свыше 96% массы гидросферы, вода ледников – около 2%, подземные воды – примерно столько же, а поверхностные воды суши – 0,02%. Океаны покрывают более 2/3 земной поверхности. Средняя их глубина составляет 3800 м, а максимальная (Марианский жёлоб, Бездна Челленджера) – 10 994 ± 40 м. В во- дах Мирового океана растворены соли и газы. В частности, верхний слой океана содержит 140 трлн. тонн углекислого газа и 8 трлн. тонн кислорода. Поверхностные континентальные воды занимают лишь малую долю в общей массе гидросферы, но играют важнейшую роль в жизни наземной биосферы, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Сверх того эта часть гидросферы находится в постоянном взаимодействии с атмосферой и земной корой. Воду, которая находится в твёрдом состоянии (в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте), объединяют под названием криосфера. Переходы воды из одних ча- стей гидросферы в другие определяет сложный круговорот воды на Земле. Гидросфера перекрывается с биосферой по всей своей толще, но наибольшая плот- ность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые Солн- цем слои, а также прибрежные зоны. Именно в гидросфере зародилась жизнь на Земле. Внутреннее тепло Земли. Земля представляет собой гигантскую тепловую машину. Это означает, что энергия, вызывающая геодинамические явления, генерацию геомагнит- ного поля, сейсмичность и вулканизм – является результатом тепловых процессов, показа- телем которых можно считать величину теплового потока. Рисунок 1.2 – Карта теплового потока Земли Температура внутренних частей Земли в настоящее время известна с очень малой точностью, а температура её верхних частей до глубин 50 км известна несколько лучше. В распоряжении науки находятся следующие источники сведений о температуре верхних частей Земли: данные геотермических измерений, данные о генерации тепла главными типами горных пород, данные о температурах изливающихся лав и данные об электропроводности. Тот факт, что тепло повсеместно истекает из недр Земли в простран- ство, с очевидностью доказывается повышением температуры с глубиной в любой сква- жине или шахте. Температурные градиенты, измеренные на разных объектах, изменяются от 250С до 400С на 1 км. Следовательно, тепловой баланс может осуществляться только в том случае, если тепло поступает во внешнее пространство из недр Земли. Внутреннее тепло Земли обусловлено сочетанием остаточного тепла, оставшегося от аккреции вещества, которая происходила на начальном этапе формирования Земли (около 20%), и радиоактивного распада нестабильных изотопов: калия-40, урана-238, урана-235, тория-232. У всех трёх изотопов период полураспада составляет более миллиарда лет. В 11

центре планеты температура, возможно, поднимается до 60000С, давление достигать 360 ГПа. Часть тепловой энергии ядра передаётся к земной коре посредством плюмов. По некоторым оценкам средние потери тепловой энергии Земли составляют около 87×10-3 Вт·м−2. Больше всего энергии теряется Землёй посредством движения тектониче- ских плит и подъёма вещества мантии на срединно-океанических хребтах. Последним ос- новным типом потерь тепла является потеря сквозь литосферу, причём большее количе- ство тепловых потерь таким способом происходит в океане, так как земная кора там го- раздо тоньше, чем под континентами. Солнечное излучение является основным источником энергии лишь для процессов, совершающихся на поверхности твердой Земли и над ней. Солнечное излучение управля- ет температурой на поверхности Земли, защищаемой от резких перемен покровом атмо- сферы. В то же время тепловое влияние солнечной энергии на процессы в недрах Земли пренебрежимо малы по сравнению с той энергией, которая выделяется внутренними ис- точниками тепла. Энергия, высвобождающаяся при землетрясениях (1018 Дж/год), как и энергия приливного трения (3×1019 Дж/год), замедляющего вращение Земли, также неве- лика по сравнению с геотермической потерей тепла (1021 Дж/год). Атмосфера [от. др.- греч. ἀτμός - пар и σφαῖρα - шар] – газовая оболочка, окружаю- щая планету Земля. Внутренняя её поверх- ность покрывает гидросферу и частично зем- ную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства. Также существует определение атмосферы, как внешней геологической газовой оболочки Земли. Толщина атмосферы составляет примерно 2000-3000 км от поверхности Земли, суммар- ная масса воздуха в атмосфере – (5,1-5,3)×1018 кг. Из неё масса сухого воздуха составляет около 5,1352×1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27×1016 кг. Атмосфе- ру по изменению температуры воздуха с вы- сотой делят (стратифицируют) на пять основ- ных слоев: тропосфера, стратосфера, мезо- сфера, термосфера и экзосфера. Рисунок 1.3 – Среднее глобальное вертикаль- ное распределение температуры атмосферы и её вертикальная структура. Горизонтальными отрезками показаны возможные отклонения от средних значений температур Тропосфера [от. др.-греч. τρόπος - поворот, изменение и σφαῖρα - шар] – нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8-10 км, в умеренных широтах – 10-12 км, на экваторе – 16-18 км. В тропосфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются атмосферные фронты, развиваются циклоны и антицик- лоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. Происходящие в тропо- сфере процессы обусловлены, прежде всего, конвекцией. 12

При подъёме в тропосфере температура понижается в среднем на 0,650К через каж- дые 100 м и достигает 180÷2200К (-90 ÷-530С) в верхней части. Этот верхний слой тропо- сферы, в котором снижение температуры с высотой прекращается, называют тропопау- зой. Тропопауза является границей между тропосферы и стратосферой. Стратосфера [от лат. stratum - настил, слой] – слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое на высоте 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от -56,50 до 0,80С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 2730 К (почти 00 C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является грани- цей между стратосферой и мезосферой. Именно в стратосфере располагается озоносфера – от 15-20 до 55-60 км, определя- ющая верхний предел жизни в биосфере. Образуется в результате фотохимических реак- ций, наиболее интенсивных на высоте около 20-25 км. Общая масса О3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7- 4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Границей между стратосферой и мезосферой является стратопауза. Мезосфера [от греч. μεσο - средний и σφαῖρα - шар, сфера] – слой на высотах атмо- сферы от 40-50 до 80-90 км. В мезосфере начинают светиться и, как правило, полностью сгорают метеоры, могут появляться серебристые облака, находится температурный мини- мум и нижняя граница области активного поглощения рентгеновского и наиболее корот- коволнового ультрафиолетового излучения Солнца. Границей между мезосферой и термосферой является мезопауза, выше которой тем- пература медленно повышается. Термосфера [от греч. θερμός - тёплый и σφαῖρα - шар, сфера] – слой атмосферы, следующий за мезосферой, начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Тем- пература воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро и неравномерно возрастает и может варьироваться от 2000К до 20000К, в зависимости от степени солнеч- ной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. В нижней части термосферы рост температуры в значительной мере обусловлен энергией, выделяющейся при объединении (рекомбинации) атомов кислорода в молекулы (при этом в энергию теплового движения частиц превращается энергия солнечного уль- трафиолетового излучения, поглощённая ранее при диссоциации молекул O2). На высоких широтах важный источник теплоты в термосфере – джоулева теплота, выделяемая электрическими токами магнитного сферического происхождения. Этот ис- точник вызывает значительный, но неравномерный разогрев верхней атмосферы в припо- лярных широтах, особенно во время магнитных бурь. Границей между термосферой и экзосферой является термопауза. Экзосфера [от др.-греч. ἐξω - снаружи, вне и σφαῖρα - шар, сфера] – самая внешняя часть верхней атмосферы Земли с низкой концентрацией нейтральных атомов (концен- трация частиц менее 107 см-3). Нижняя граница экзосферы – экобаза – определяется из со- отношения равенства длины свободного пробега ионов на высоте однородной атмосферы. Частицы экзосферы двигаются в основном по баллистическим траекториям, поэтому при наличии у них второй космической скорости достаточно высока вероятность покидания планеты без столкновений. Протяжённую экзосферу часто называют короной Земли (гео- корона), которая распространяется вплоть до высот около 100 тыс. км. Экзосфера Земли состоит из ионизированного газа (плазмы). У основания экзосферы отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1, в верхней части экзосферы газ почти полностью ионизирован. Нижняя и средняя части экзосферы в ос- 13

новном состоят из атомов О и N, с увеличением же высоты быстро растёт относительная концентрация лёгких газов, особенно ионизированного водорода. Газокинетическая тем- пература составляет 1500-30000К и слабо растет с высотой. Рост солнечной активности приводит к потеплению экзосферы и к увеличению её толщины. 1.3 Вторичные геосферы Вторичные геосферы Земли задают пространства, в которых заключены выделенные по некоторому гносеологическому принципу естественные системы. Системообразующи- ми (выделяющими систему) чаще всего являются геофизические факторы, или факторы «жизни» – активная форма существования материи, в некотором смысле высшая по срав- нению с её физическими и химическими формами существования; совокупность физиче- ских и химических процессов, протекающих в клетке, позволяющих осуществлять обмен веществ и деление. Обычно вторичные геосферы охватывают пространство нескольких базовых геосфер, но есть геосферы, которые расположены внутри отдельных базовых гео- сфер (например, озоносфера, криосфера). К числу выделенных по геофизическому признаку вторичных геосфер можно отне- сти хорошо известные науке и имеющие исключительное значение геосферы: магнитосфера – область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земля и её взаимодействием с потоками заряженных ча- стиц; ионосфера – верхняя часть атмосферы Земли, находящаяся в области мезосферы, ме- зопаузы и термосферы, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лу- чами, идущими, в первую очередь, от Солнца; озоносфера – часть стратосферы на высотах от 12 до 50 км, в которой под воздей- ствием ультрафиолетового излучения Солнца образуется озон. Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20-25 км; радиационные пояса Земли – область магнитосферы, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в ос- новном протоны и электроны). Внутренний радиационный пояс находится на высоте око- ло 4000 км, внешний – на высоте около 17000 км. По фактору «жизнь» образованы эпигеосфера (географическая оболочка), биосфера, ноосфера, педосфера, криосфера, техносфера, антропосфера и т.д. Эпигеосфера (географическая оболочка) – в российской географической науке под этим термином понимается целостная и непрерывная оболочка Земли, где её составные части: земная кора, нижняя часть атмосферы (тропосфера и стратосфера), гидросфера и биосфера, а также антропосфера проникают друг в друга и находятся в тесном взаимодей- ствии. Между ними происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Верхнюю границу эпигеосферы проводят по области максимальной концентрации озона в озоносфере или по тропопаузе, которые выделяют область возможного существо- вания форм жизни в атмосфере, использования в практической деятельности человеком (авиация) и динамикой геофизических процессов (дожди, грозы, циклоны и пр.). Нижнюю границу географической оболочки связывают с верхней частью литосферы и обычно определяют: нижним пределом области гипергенеза – зона разрушения и преобразования горных пород, их минерально-геохимических изменений в верхней части земной коры под воз- действием совокупности факторов и агентов физического, химического и биологического характера, выветривания; подножием стратисферы (осадочная оболочка Земли) – верхняя часть земной коры, состоящая из осадочных горных пород; 14

средней глубиной сейсмических или вулканических очагов, подошвой земной коры, уровнем нулевых годовых амплитуд температуры. Эпигеосфера полностью охватывает гидросферу, опускаясь в океане на 10-11 км ни- же уровня моря, а наибольшая толщина близка к 30 км. Является объектом исследования географии и отраслевых наук. Представление о эпигеосфере как о «наружной сфере Земли» впервые было введено русским метеорологом и географом П.И. Броуновым в 1910 году. При изучении эпигеосферы акцент делается на выявлении пространственно- временных закономерностей. Основными объектами изучения географических наук явля- ются геосферы – биосфера, атмосфера, литосфера, гидросфера, почвенный покров, а также геосистемы – ландшафты, природные зоны, биогеоценоз и пр. Формируется свод знаний о пространственно-временных особенностях какой-либо территории, объекте, явлении или процессе – география материков и океанов, география России, география тундры, геогра- фия распространения птичьего гриппа, география карстовых процессов и пр. Биосфера [от др.- греч. βιος - жизнь и σφαῖρα - сфера, шар] – оболочка Земли, засе- лённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности. По Вернадскому, биосфера это не только оболочка где живут орга- низмы, а оболочка где происходит взаимоотношение живой и неживой природы. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд. лет назад, когда на нашей планете стали зарождать- ся первые организмы. В ней обитает более 3000000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже яв- ляется частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В.И. Вернад- ский: «Человек становится могучей геологической силой». Французский учёный - естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX века впервые предложил по сути де- ла концепцию биосферы, а термин «биосфера» был пред- ложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В.И. Вернадский, который впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы плане- ты Земля, учитывая их деятельность не только в настоя- щее время, но и в прошлом. Верхняя граница биосферы в атмосфере составляет 15-20 км и определяется слоем озона, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов. Нижняя граница в литосфере – 3,5-7,5 км, определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков (потеря белками естественных свойств в следствие нарушения пространственной структуры молекул), однако в основном распространение живых организмов ограничивается глубиной нескольких метров. Ниж- няя граница в гидросфере проходит по дну Мирового Океана, включая донные отложения. Структура биосферы весьма обширна и включает: 1. Живое вещество – вся совокупность населяющих Землю живых организмов физи- ко - химически едина и не зависит от систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала, оценивается величиной 2,4-3,6×1012 т (в сухом весе) и со- ставляет менее одной миллионной части всей биосферы (около 3×1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее 1/1000 массы Земли. Но это одна «из самых могуще- ственных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную 15

поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широ- ты. 2. Биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми орга- низмами. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропу- стили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём ми- рового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль биогенно- го вещества можно представить по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород т.д. 3. Косное вещество – продукты, образующиеся без участия живых организмов. 4. Биокосное вещество – вещество, которое создается одновременно живыми орга- низмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковыми являются почва, ил, кора выветривания и т.д. Организмы в них играют ведущую роль. 5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде. 6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений. 7. Вещество космического происхождения. С появлением человека в истории биосферы начался новый период. Объединившись в группы, роды и племена, применяя орудия труда и огонь, люди стали активно влиять на биосферу и сами приспосабливаться к условиям естественной среды. Когда биологиче- ские механизмы приспособления к новым естественным условиям оказывались недоста- точными, включались социальные механизмы, то есть человек изменял природу в соот- ветствии со своими потребностями. В системе «общество - природа» появилась новая движущая сила – антропогенный фактор. С одной стороны, человек является частью природы и не только биологическим, но и социальным существом, выразителем интересов общества, с другой – человек проти- востоит естественной среде, в соответствии со своими потребностями изменяет её вместе с другими людьми. Возникло противоречие между безграничными потребностями разви- тия общества и ограниченными возможностями биосферы с её экосистемами. Значительный научный интерес к системе «общество - природа» породил ряд направлений исследований и связанный с ними ряд терминологических обозначений сфе- ры взаимодействия общества и природы. Техносфера – научное понятие, имеющее несколько толкований, среди которых можно выделить следующие определения: часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в технические и техногенные объекты; часть биосферы, преобразованная людьми с помощью прямого или косвенного воз- действия технических средств, в целях наилучшего соответствия социально- экономическим потребностям человечества; практически замкнутая регионально - глобальная будущая технологическая систе- ма утилизации и реутилизации (использование отходов одной отрасли хозяйства в каче- стве исходного продукта для других отраслей) вовлекаемых в хозяйственный оборот при- родных ресурсов, рассчитанная на изоляцию производственных циклов от природного обмена веществ и потока энергии. Техносфера является частью социокультурного пространства, обуславливающего процессы жизнеобеспечения, социализации, коммуникации членов общества. Обладает внутренне сложной структурой, основными компонентами которой являются: техниче- ские артефакты, технические знания и техническая деятельность (не только специальная инженерная, но и управленческая, хозяйственно - бытовая и пр.). Биотехносфера – сфера, определяемая как переходный этап от биосферы к ноосфе- ре. Термин введён А.В. Сидоренко в 1980 году. Характерной особенностью настоящего 16

периода является сочетание стихийного и сознательного, отрицательного и положитель- ного влияния деятельности человека на окружающую среду. В эволюции биотехносферы выделяют три периода, отличающиеся масштабами из- менения природной среды. Первый этап начался со времени освоения человеком огня (80-100 тысяч лет назад). Первыми негативными последствиями явились пирогенные ландшафты. Влияние на под- земную гидросферу ограничивалось первыми метрами горизонтов грунтовых вод. Второй период начался в IV-III веках до н.э. сменой форм товарного производства. В этот период зона биотехносферы расширилась до глубины 150-200 м (средняя глубина добычи полезных ископаемых), захватывает пластовые воды зоны интенсивного водооб- мена. Третий период связан с промышленной революцией. Условно заканчивается в настоящее время и постепенно переходит в ноосферу. К концу 80-х годов мощность био- техносферы возросла и распространилась только в глубь литосферы на 11,5-12 км, оказы- вая влияние на глубоко погружённые водоносные горизонты, включая зоны весьма замед- ленного водообмена. Геологическая деятельность человека в процессе эволюции расши- рилась до глобальной, что является следствием становления науки, как производительной силы. Антропосфера – сфера, определяющая пределы распространения человека и его де- ятельности. Она постоянно расширялась. В ХХ веке человечество вышло в околоземное пространство. Под антропосферой понимают: земную сферу, где живет или куда проникает человечество; сферу Земли и ближнего космоса, в наибольшей степени прямо или косвенно видо- изменённые человеком в прошлом и которая ещё больше будет изменена людьми в бли- жайшем будущем; используемая людьми часть биосферы; часть социосферы, охватывающая человечество как совокупность организмов; синоним биосферы. Социосфера – часть эпигеосферы, входящая в неё наряду со сферой природного ландшафта; включает в свой состав человечество c присущими ему общественными и производственными отношениями, выступающее в качестве мощной производительной силы, и освоенную им среду. Термин используется часто как синоним ноосферы. Понятие социосферы введено немецким географом Э. Нефом в 1967 году. Экосфера [от греч. oikos - место обитания и σφαῖρα - сфера, шар] – экологическая оболочка Земли, совокупность её свойств, как планеты, создающих условия для развития биологических систем. Включает в себя все слои атмосферы, гидросферу и часть лито- сферы, где возможна жизнь. Биосферу образует совокупность всех экосистем, имеющихся в пределах трёх геосфер (атмосферы, гидросферы и литосферы), с которыми находятся во взаимодействии живые организмы. Впервые предложил использовать термин «экосфера» Л. Кол в 1958 году. Ноосфера [от греч. νόος - разум и σφαῖρα - шар] – сфера разума; сфера взаимодей- ствия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность ста- новится определяющим фактором развития (в ряде работ отождествляется с антропосфе- рой, биосферай, биотехносферой). Ноосфера – предположительно новая, высшая стадия эволюции биосферы, станов- ление которой связано с развитием общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы. Согласно В.И. Вернадскому, «в биосфере существует великая гео- логическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не при- нимается во внимание в представлениях о космосе… Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного». 17

Понятие «ноосфера» было предложено профессором математики Сорбонны Эдуар- дом Леруа (1870-1954), который трактовал её как «мыслящую» оболочку, формирующую- ся человеческим сознанием. Он подчёркивал, что пришёл к этой идее совместно со своим другом – крупнейшим геологом, палеонтологом - эволюционистом и католическим фило- софом Пьером Тейяром де Шардонем. При этом Леруа и Шарден основывались на лекци- ях по геохимии, которые в 1922-1923 годах читал в Сорбонне Владимир Иванович Вер- надский. Рассмотренные вторичные геосферы определяются на непрерывной целостности планетарного пространства Земли в области нахождения земной коры, тропосферы, стра- тосферы и гидросферы. Верхний географический предел проходит на высоте не более 16 - 18 км над поверхностью земного референц-эллипсоида, нижний для гидросферы находит- ся на глубине около 11 км (Марианский жёлоб, Бездна Челленджера), для суши глубина достигает 5 км. Данные количественные характеристики являются условными и зависят от динамики протекающих геофизических процессов, времени года и суток, географического местоположения и иных условий. Основным системным фактором, определяющим гео- графию выделенного планетарного пространства Земли, является биосферный фактор – наличие жизни. Таким образом, можно говорить о географически общем пространстве вторичных геосфер – вторичном геосферном пространстве и различных гносеологических подходах к изучению протекающих в нём процессов. Вторичное геосферное пространство – выделенное из планетарного пространства Земли по биосферному признаку (наличие жизни) целостное и непрерывное подпростран- ство в области земной коры, тропосферы, стратосферы и гидросферы, включающее все объекты и системы естественного и искусственного происхождения, находящиеся между собой и средой в состоянии энергетического, вещественного и информационного взаимо- действия. Одними из наиболее ярких геофизических про- цессов вторичного геосферного пространства с древних времён были гидрометеорологические про- цессы, которые оказывали и оказывают непосред- ственное воздействие на человека и его деятель- ность. Люди издревле пытались понять, почему и по каким законам меняется погода, возникают засухи, поднимаются на морях губительные штормы, гремят грозы, идёт дождь и пр. Одним из первых трактатов по метеорологии бы- ла известная книга древнегреческого философа и учёного Аристотеля (384 - 322 до н.э.) «Метеороло- гия», которая явилась большим достижением в изу- чении атмосферы и способствовала повороту от ми- фологии к реальности. Рисунок 1.4 – Титульный лист книги Аристотеля по метеорологии, изданной на латинском языке в Вене- ции в 1560 году. По аналогии с рассмотренными вторичными геосферами можно говорить о суще- ствовании гидрометеосферы, которая является пространственной характеристикой опре- деления гидрометеорологической системы Земли. Как и другие геосферные системы гидрометеорологическая система Земли выделя- ется по свойственным только ей признакам и является некоторой структурной идеализа- цией. 18

2 Деятельность в области гидрометеорологии и смежных с ней областях Выделенные по некоторым онтологическим и гносеологическим признакам из вто- ричного геосферного пространства: эпигеосфера, биосфера, биотехносфера, антропосфе- ра, социосфера, экосфера, ноосфера и другие вторичные геосферы определяют реальные естественные и искусственные сверхсложные открытые системы, что связано с опреде- лённой идеализацией. Всё что в них не входит обычно относят к среде – совокупность элементов окружающего систему мира, не входящих в её состав, но оказывающих на неё то или иное воздействие. Воздействия могут быть энергетическим, вещественным и ин- формационным. Среди природных систем вторичного гео- сферного пространства особое место занима- ют системы, изучаемые в рамках гидроме- теорологии [от греч. hydōr - вода, meteōra - атмосферные явления и logos - учение] – наука, изучающая процессы, происходящие в гидросфере и атмосфере Земли, обобщающая данные гидрологии и метеорологии. Их след- ствиями являются неблагоприятные и опас- ные гидрометеорологические явления, кото- рые могут нанести значительный ущерб объ- ектам экономики и населению. Человечество пока может только ослабить последствия и спрогнозировать с опреде- лённой вероятностью их появление. Не имея адекватного ответа на вызовы природной стихии, люди ограничиваются в основном превентивными [от лат. praeventus - предупре- ждающий, предохранительный] мерами, среди которых находятся и организационные мероприятия. Перечень и форма мероприятий определяется с учётом выводов гидроме- теорологии и смежных научных дисциплин, эффект от реализации научных положений зависит от правильности организации гидрометеорологической деятельности и построе- ния гидрометеорологической службы. 2.1 Гидрометеорологическая служба России Распоряжением Правительства Российской Федерации от 03.09.2010 года № 1458-р была утверждена Стратегия деятельности в области гидрометеорологии и смежных с ней областях на период до 2030 года. Целью стратегии является формирование высокоэффек- тивной гидрометеорологической службы, обеспечивающей выполнение функций по предоставлению потребителям своевременной и достоверной гидрометеорологической и гелиогеофизической информации, информации о состоянии окружающей среды, её за- грязнении, а также по эффективному и безопасному проведению работ, связанных с ак- тивным воздействием на метеорологические и другие геофизические процессы. Предоставление своевременной и оперативной гидрометеорологической информа- ции потребителям обеспечивает повышение уровня: защищённости жизненно важных интересов личности, общества и государства от воздействия опасных природных явлений, изменений климата (обеспечение гидрометео- рологической безопасности); 19

обеспечения потребностей населения, органов государственной власти, Вооружен- ных Сил Российской Федерации, секторов экономики в гидрометеорологической и гелио- геофизической информации, а также в информации о состоянии окружающей среды, её загрязнении; гидрометеорологического обеспечения деятельности Российской Федерации в Арк- тике, Антарктике и Мировом океане. Участниками деятельности в области гидрометеорологии и смежных с ней областях (деятельности гидрометеорологической службы) являются: федеральный орган исполнительной власти в области гидрометеорологии и смежных с ней областях, его территориальные органы и организации; организации других федеральных органов исполнительной власти, осуществляющие деятельность в области гидрометеорологии и смежных с ней областях; научно-исследовательские организации; организации наблюдательной сети; специальные организации активного воздействия на метеорологические и другие геофизические процессы; физические лица, осуществляющие лицензированную деятельность в области гид- рометеорологии и смежных с ней областях. Гидрометеорологическая служба осуществляет свою деятельность на основе следу- ющих основных принципов: глобальность и непрерывность наблюдений; единство и сопоставимость методов наблюдений, сбора, обработки, хранения и рас- пространения информации; интеграция с внутригосударственными и международными системами мониторинга окружающей среды, её загрязнения; обеспечение достоверности, доступности и эффективности использования информа- ции о состоянии окружающей среды, её загрязнении; безопасность проведения работ по активному воздействию на метеорологические и другие геофизические процессы; соответствие задачам охраны здоровья населения, защиты окружающей среды и обеспечения экологической и гидрометеорологической безопасности. Гидрометеорологическая служба – система функционально объединённых физиче- ских лиц, а также юридических лиц, в том числе органов исполнительной власти, осу- ществляющих деятельность в области гидрометеорологии и смежных с ней областях (ме- теорология, климатология, агрометеорология, гидрология, океанология, гелиогеофизика, активные воздействий на метеорологические и другие геофизические процессы), монито- ринга состояния и загрязнения окружающей среды, в том числе ионосферы и околоземно- го космического пространства, предоставления информации о состоянии окружающей среды, её загрязнении и опасных природных явлениях. Деятельность гидрометеорологической службы России определяется Федеральный закон от 19 июля 1998 года № 113-ФЗ «О гидрометеорологической службе» (с изменени- ями и дополнениями). Федеральным органом исполнительной власти в области гид- рометеорологии и смежных с ней областях является Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). История службы в России началась с создания в 1849 года Главной физической обсерватории (ГФО). С этого вре- мени началось на планомерной основе создание регулярной сети метеорологических и магнитных наблюдений, печатание и рас- пространение материалов наблюдений, создание метеорологиче- ского приборостроения и системы поверки приборов. 20

В состав Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) входят: управления центрального аппарата; территориальные органы (департаменты по округам); управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС); центры по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЦГМС); научно-исследовательские учреждения и другие подведомственные организации. Управления, входящие в Центральный аппарат Росгидромета, включают: управление гидрометеорологии и технического развития (УГТР); управление геофизического мониторинга, активных воздействий и государственного надзора (УГМАВ); управление мониторинга загрязнения окружающей среды, полярных и морских ра- бот (УМЗА); управление научных программ, международного сотрудничества и информационных ресурсов (УНМР); управление планирования, учёта и контроля, федерального имущества (УПФ); управление делами, правового обеспечения и кадрами (УДПК). Территориальные органы (департаменты по округам) образованы по принципу деле- ния территории России на федеральные округа и включают: департамент по Приволжскому федеральному округу, г. Нижний Новгород; департамент Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружаю- щей среды по Дальневосточному федеральному округу, г. Хабаровск; департамент по Сибирскому федеральному округу, г. Новосибирск; департамент по Северо-Западному федеральному округу, г. Санкт-Петербург; департамент по Уральскому федеральному округу, г. Екатеринбург; департамент по Центральному федеральному округу, г. Москва; департамент по Южному и Северо-Кавказскому федеральным округам, г. Ростов-на- Дону. В структуре Росгидромета образовано 23 управления по гидрометеорологии и мони- торингу окружающей среды (УГМС) и один Специализированный центр по гидрометео- рологии и мониторингу окружающей среды Черного и Азовского морей, г. Сочи. Управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды имеют статус федеральных государственных бюджетных учреждений (ФГБУ). В их перечень входят: ФГБУ «Камчатское УГМС», г. Петропавловск-Камчатский; ФГБУ «Сахалинское УГМС», г. Южно-Сахалинск; ФГБУ «Чукотское УГМС», г. Певек; ФГБУ «Якутское УГМС», г. Якутск; ФГБУ «Дальневосточное УГМС», г. Хабаровск; ФГБУ «Приморское УГМС», г. Владивосток; ФГБУ «Колымское УГМС», г. Магадан; ФГБУ «Забайкальское УГМС», г. Чита; ФГБУ «Иркутское УГМС», г. Иркутск; ФГБУ «Обь-Иртышское УГМС», г. Омск; ФГБУ «Среднесибирское УГМС», г. Красноярск; ФГБУ «Западно-Сибирское УГМС», г. Новосибирск; ФГБУ «Уральское УГМС», г. Екатеринбург; ФГБУ «Северо-Западное УГМС», г. Санкт-Петербург; ФГБУ «Северное УГМС», г. Архангельск; ФГБУ «Мурманское УГМС», г. Мурманск; ФГБУ «Верхне-Волжское УГМС», г. Нижний Новгород; ФГБУ «Приволжское УГМС», г. Самара; 21

ФГБУ «УГМС Республики Татарстан», г. Казань; ФГБУ «Башкирское УГМС», г. Уфа; ФГБУ «Центрально-Черноземное УГМС», г. Курск; ФГБУ «Центральное УГМС», г. Москва; ФГБУ «Северо-Кавказское УГМС», г. Ростов-на-Дону. Большинство ФГБУ имеют центры по гидрометеорологии и мониторингу окружаю- щей среды (ЦГМС). Всего образовано 75 ЦГМС, каждый включает свои обособленные подразделения. Научно-исследовательскую деятельность Росгидромета обеспечивают: Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации, г. Москва; Научно-производственное объединение «Тайфун», г. Обнинск; Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, г. Санкт-Петербург; Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Фёдорова, г. Москва; Государственный гидрологический институт, г. Санкт-Петербург; Гидрохимический институт Федеральной службы по гидрометеорологии и монито- рингу окружающей среды, г. Ростов-на-Дону; Государственный океанографический институт имени Н.Н. Зубова, г. Москва; Центральная аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный; Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик; Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт - Пе- тербург; Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической ин- формации – Мировой центр данных, г. Обнинск; Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной метеоро- логии, г. Обнинск; Институт глобального климата и экологии, г. Москва; Дальневосточный региональный научно-исследовательский гидрометеорологиче- ский институт, г. Владивосток; Сибирский региональный научно-исследовательский гидрометеорологический ин- ститут, г. Новосибирск; Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета», г. Москва; Каспийский морской научно-исследовательский центр, г. Астрахань. В число подведомственных организаций Росгидромета входят: Главный вычислительный центр Росгидромета, г. Москва; Главный центр информационных технологий и информационного обслуживания авиации, г. Москва; Главный авиаметеорологический центр, г. Москва; Гидрометсервис, г. Москва; Российский государственный музей Арктики и Антарктики, г. Санкт-Петербург; Автономная некоммерческая организация «Московское ГМБ», г. Москва; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение дополни- тельного профессионального образования «Институт повышения квалификации руково- дящих работников и специалистов» (ФГБОУ ДПО «ИПК»), г. Железнодорожный, Мос- ковская область; Краснодарская военизированная служба по активному воздействию на метеорологи- ческие и другие геофизические процессы, г. Лабинск Краснодарского края; Северо-Кавказская военизированная служба по активному воздействию на метеоро- логические и другие геофизические процессы, г. Нальчик; Ставропольская военизированная служба по активному воздействию на метеороло- гические и другие геофизические процессы, г. Невинномысск Ставропольского края. 22

2.2 Государственная наблюдательная сеть России Основой системы получения информации о состоянии окружающей среды является наблюдательная сеть, которая включает наземную и космическую наблюдательную под- систему. Средства сети обеспечивают наблюдение за физическими и химическими про- цессами, происходящими в окружающей среде, определение её гидрометеорологических и гелиогеофизических характеристик, а также определение уровня загрязнения атмосферно- го воздуха, почв и водных объектов, в том числе по гидробиологическим показателям. Наблюдательная сеть – система стационарных и подвижных пунктов наблюдений, в том числе постов, станций, лабораторий, центров, бюро, обсерваторий, предназначен- ных для наблюдения за физическими и химическими процессами происходящими в окру- жающей природной среде, определения её гидрометеорологических, агрометеорологиче- ских и гелиогеофизических характеристик, а также для определения уровня загрязнения атмосферного воздуха, почв, водных объектов, в том числе по гидробиологическим пока- зателям, и околоземного космического пространства. Основу наблюдательной сети составляет государственная наблюдательная сеть, ор- ганизационные принципы построения которой определяет действующее Положение о государственной наблюдательной сети, РД 52.04.567-2003, утверждённое Росгидрометом и введённое в действие 01.07.2003 года. Государственная наблюдательная сеть – наблюдательная сеть специально уполно- моченного федерального органа исполнительной власти в области гидрометеорологии и смежных с ней областях. Государственная наблюдательная сеть осуществляет: проведение регулярных метеорологических, аэрологических, гидрологических, мор- ских гидрометеорологических, агрометеорологических, специальных гидрометеорологи- ческих, геофизических и гелиогеофизических наблюдений, а также наблюдений за уров- нем загрязнения атмосферного воздуха, почв, поверхностных вод суши и морской среды, атмосферных осадков, снежного покрова, включая радиоактивное загрязнение; выполнение наблюдений за опасными гидрометеорологическими, гелиогеофизиче- скими явлениями, высокими и экстремально высокими уровнями загрязнения окружаю- щей природной среды; выполнение первичной обработки результатов всех наблюдений (в том числе анализ проб объектов природной среды); передачу в установленном порядке оперативной информации о фактическом состоя- нии окружающей природной среды, её загрязнении, информации об опасных гидрометео- рологических, гелиогеофизических явлениях, распространение информации общего назначения в соответствии с утвержденным планом и схемой обеспечения; обеспечение в установленном порядке органов государственной власти, отраслей экономики, Вооруженных Сил Российской Федерации, а также населения информацией о фактическом состоянии окружающей природной среды, её загрязнении, прогнозами и предупреждениями, получаемыми от прогностических органов Росгидромета. Основу государственной наблюдательной сети составляют стационарные и подвиж- ные пункты наблюдений, в которых выполняются наблюдения одного или нескольких ви- дов по утвержденным программам. Государственная наблюдательная сеть подразделяется на гидрометеорологическую и сеть наблюдений за уровнем загрязнения окружающей природной среды. В состав гидрометеорологической сети входят следующие наблюдательные сети (по видам наблюдений): авиаметеорологическая; агрометеорологическая; актинометрическая; 23

аэрологическая (радиозондирование); воднобалансовая; гелиогеофизическая; гидрологическая на болотах; гидрологическая на реках и каналах; гидрометеорологическая на озерах и водохранилищах; гляциологическая; ионосферная; магнитная; метеорологическая; метеорологическая радиолокационная (МРЛ); морская гидрометеорологическая (в прибрежной зоне, в том числе в устьях рек, и в открытой части морей и океанов, включая морскую судовую и экспедиционную сети); селестоковая; снеголавинная; озонометрическая; теплобалансовая. Кроме того, к гидрометеорологической сети относятся также наблюдательные сети: за атмосферным электричеством; за испарением с поверхности воды, почвы, снега. Из перечисленных видов наблюдений актинометрические, ионосферные, магнитные, озонометрические, теплобалансовые и наблюдения за атмосферным электричеством отно- сятся к группе геофизических наблюдений; агрометеорологические, воднобалансовые, ге- лиогеофизические, гидрологические на болотах, гидрометеорологические на озерах и во- дохранилищах, гляциологические, морские гидрометеорологические в устьях рек, селе- стоковые, снеголавинные – к группе специальных наблюдений. В состав сети наблюдений за уровнем загрязнения окружающей природной среды входят следующие сети наблюдения: загрязнения атмосферного воздуха; загрязнения морских вод и донных отложений; загрязнения поверхностных водных объектов по гидробиологическим показателям; загрязнения поверхностных вод суши; загрязнения почвы; радиоактивного загрязнения природной среды; загрязнения снежного покрова; за фоновым состоянием окружающей природной среды (на специализированных фоновых станциях) и трансграничным переносом загрязняющих веществ; за химическим составом осадков. Государственная наблюдательная сеть по уровню решаемых задач, масштабам обобщения и использования информации о состоянии окружающей природной среды и её загрязнении делится на две категории: основную и дополнительную. Основная наблюдательная сеть представляет собой минимально необходимую с точки зрения научной, хозяйственной и экономической целесообразности сеть, предна- значенную для изучения режима и состояния окружающей природной среды, её загрязне- ния, гидрометеорологического обеспечения страны в целом или крупных регионов. Дополнительная наблюдательная сеть предназначена для решения локальных задач по учету специфичных гидрометеорологических условий и для изучения состояния окру- жающей природной среды, её загрязнения в особых физико-географических и климатиче- ских районах. Деление на категории распространяется только на метеорологическую, авиаметеоро- логическую, агрометеорологическую, гидрологическую на реках и каналах, гидрометео- рологическую на озерах и водохранилищах, морскую гидрометеорологическую (в при- 24

брежной зоне, в том числе в устьях рек и в открытой части морей и океанов) сети, а также на сети наблюдений за уровнем загрязнения атмосферного воздуха и поверхностных вод суши. Не делятся на категории по причине малочисленности пунктов наблюдений актино- метрическая, теплобалансовая, аэрологическая, метеорологическая радиолокационная, озонометрическая, магнитная, ионосферная, воднобалансовая, гидрологическая на боло- тах, снеголавинная, селестоковая, гелиогеофизическая, гляциологическая, морская судо- вая и экспедиционная сети, а также сети наблюдений за уровнем загрязнения поверхност- ных водных объектов по гидробиологическим показателям, за атмосферным электриче- ством, испарением с поверхности воды, почвы и снега, фоновым состоянием окружающей природной среды на специализированных фоновых станциях и трансграничным перено- сом загрязняющих веществ, химическим составом осадков, уровнем радиоактивного за- грязнения природной среды, уровнем загрязнения морских вод и донных отложений, поч- вы и снежного покрова. Перечисленные наблюдательные сети целиком относятся к кате- гории «основная» наблюдательная сеть. Из состава основной наблюдательной сети выделяются пункты, отвечающие требо- ваниям Всемирной метеорологической организации (ВМО) для изучения процессов, про- исходящих в крупном и планетарном масштабах. Им присваивается статус «реперный». Реперный (вековой, в том числе разрез в море или океане, опорный) пункт наблюде- ний – стационарный пункт с непрерывным и неограниченно длительным во времени ря- дом наблюдений, обеспечивающим получение репрезентативных данных из районов большой протяженности. Совокупность реперных пунктов конкретного вида наблюдений образует реперную климатическую, гидрологическую (речную или озерную), агрометеорологическую, мор- скую гидрометеорологическую в прибрежной зоне (береговую) сети, сеть вековых разре- зов в морях и океанах, сеть опорных пунктов наблюдений за уровнем загрязнения атмо- сферного воздуха, уровнем загрязнения поверхностных вод суши. Основной структурной единицей наблюдательной сети является наблюдательное подразделение – структурная единица организации наблюдательной сети, непосредствен- но выполняющая наблюдения за состоянием окружающей природной среды, её загрязне- нием в одном или нескольких закрепленных стационарных или подвижных пунктах наблюдений, также выполняющая первичную обработку результатов наблюдений и пере- дачу их по утвержденной схеме. По условиям функционирования и жизнеобеспечения выделяют труднодоступные наблюдательные подразделения, расположенные в сложных физико-географических и в суровых климатических условиях таёжной, пустынной, высокогорной и полярной зон, ли- бо на необжитых островах или полуостровах. К ним относят также станции и посты, рас- положенные в населенных пунктах или вдали от них, с которыми отсутствует не только регулярное транспортное сообщение, но и регулярная почтовая связь, и в районе распо- ложения которых нет медицинских и школьных учреждений, центрального энергоснаб- жения, отсутствуют торговые предприятия. Наблюдательные подразделения, входящие в основную наблюдательную сеть, как правило, являются корреспондентами Гидрометцентра России. В отдельных случаях в число корреспондентов Гидрометцентра могут включаться наблюдательные подразделе- ния, входящие в дополнительную наблюдательную сеть. Из числа наблюдательных подразделений основной сети выделяют подразделения, информация которых используется для международного обмена в рамках: глобальных систем наблюдений за климатом, океанами и сушей; глобальной системы мониторинга окружающей среды; региональных опорных синоптической и климатической сетей; всемирных программ различных направлений; публикации данных в режимных справочных изданиях. 25

Информация одного и того же наблюдательного подразделения может одновременно использоваться во всех перечисленных видах международного обмена. При формирова- нии перечня наблюдательных подразделений, информация которых подлежит междуна- родному обмену, предпочтение отдается тем, в состав которых входят реперные пункты наблюдений, равномерно расположенные на территории Российской Федерации. Программа наблюдений и объём выполняемых работ в наблюдательных подразделе- ниях сетей дифференцируются по разрядам, а для сетей наблюдений за уровнем загрязне- ния окружающей природной среды – по категориям. Разряд и наименование (вид) наблюдательного подразделения, в программу работ которого входит несколько видов наблюдений, определяются по наибольшему разряду одного из них. Наблюдательному подразделению, в состав которого наряду с другими входит ка- кой-то один из пунктов наблюдений аэрологической или специальных сетей, разряд не присваивается, а вид наблюдательного подразделения определяется по названию этой специальной сети. Наблюдательное подразделение, осуществляющее комплекс наблюдений за состоя- нием окружающей природной среды и объединяющее несколько различных пунктов наблюдений (в том числе разнесенных на территории географического пункта), решением УГМС может быть отнесено к объединенной гидрометеорологической станции. Разряд такому наблюдательному подразделению не присваивается. Рассмотренная структура государственной наблюдательной сети основывается в ос- новном на традиционном способе решения задачи наблюдения за процессами, протекаю- щими на поверхности и в атмосфере Земли, организации соответствующей наземной сети пунктов и постов наблюдения. В России сеть распространяется, в том числе, на районы Арктики и Антарктики. Однако этот метод сбора информации о состоянии окружающей среды требует больших человеческих и материальных ресурсов, работы людей в трудно- доступных районах, в том числе, с суровыми климатическими условиями. Новые перспек- тивы решения задач гидрометеорологии и задач в смежных с ней областях открыла прак- тическая космонавтика – космические системы и комплексы дистанционного зондирова- ния Земли, изначально ставшие гражданскими аналогами космических систем и комплек- сов фоторазведки. 28 февраля 1959 года на околоземную орбиту был за- пущен первый американский космический аппарат фото- разведки, созданный по программе CORONA с целью по- лучения изображений земной поверхности (прежде всего территорий СССР и Китая). Первое успешное возвраще- ние капсулы с отснятой пленкой было выполнено в авгу- сте 1960 года. В СССР первый запуск космического фоторазведчика серии «Зенит» состоялся 11 декабря 1961 года, который закончился неудачно. Со второй попытки 26 апреля 1962 года КА «Зенит» был выведен на орбиту и получил обо- значение «Космос-4». Третий «Зенит», получивший обо- значение «Космос-7», был запущен 28 июля 1962 года, выполнил программу полёта и успешно возвратился на Землю с фотографиями одиннадцать дней спустя. Дистанционное зондирование Земли из космоса – процесс наблюдения, измерения и регистрация энергетических и поляризационных характеристик собственного и отражен- ного излучения элементов суши, океанов и атмосферы Земли в различных диапазонах электромагнитных волн с помощью космических средств. Осуществляется с целью опре- деления местоположения, описания характеристик и/или временной изменчивости есте- 26

ственных природных параметров и явлений, природных ресурсов Земли, окружающей среды, а также антропогенных объектов и образований. Первопроходцами для гражданского использования космической информа- ции дистанционного зондирования Зем- ли стали метеорологические космиче- ские системы. В Советском Союзе с запуска в 1967 году КА «Космос-144» и «Космос-156» начала функционировать первая метео- рологическая космическая система МЕТЕОР, а в США подобная система была развёрнута на базе КА ТИРОС в феврале 1966 года. Передовые космические технологии позволили осуществлять сбор большого коли- чества необходимых данных о природе более эффективно и с меньшими затратами, надёжно и регулярно, получать значения характеристик и параметров окружающей среды с большей точностью. При этом только рациональное сочетание космической и наземной компоненты наблюдательной сети позволяет создать гидрометеорологическую службу России, удовлетворяющую высоким социально-экономическим, оборонным и научным требованиям. Согласно современной концепции развития российской системы дистанционного зондирования Земли определены следующие основные задачи гидрометеорологии, реша- емые с использованием космических средств: анализ и прогноз погоды в глобальном, региональном и локальном масштабах:  синоптический анализ и прогноз погоды;  глобальный численный прогноз погоды;  региональный численный прогноз погоды;  сверхкраткосрочный прогноз погоды;  мониторинг климата и глобальных изменений; анализ и прогноз состояния акваторий морей и океанов (ледовая разведка, волнение, ветер и др.); анализ и прогноз условий перезимовки, произрастания и состояния сельскохозяй- ственных культур (снежный покров, запасы влаги, стадии созревания); анализ и прогноз состояния водоемов, рек, процессов на реках и водохранилищах (паводки, половодья, ледовые условия, запасы снега в бассейнах рек, запасы воды в водо- хранилищах); анализ и прогноз условий загрязнения атмосферы, в том числе состояния озонового слоя; анализ и прогноз условий для полетов авиации (высота верхней границы облачно- сти, струйные течения, зоны «болтанки» летательных аппаратов, зоны развития активной конвекции в атмосфере; анализ и прогноз гелиогеофизической обстановки в околоземном космическом про- странстве. Весь круг решаемых в области гидрометеорологии космическими системами задач может быть условно разбит на две больших группы: задачи, при решении которых невозможно обойтись без космической информации; задачи, при решении которых космическая информация играет вспомогательную роль, либо её использование предпочтительно по каким-либо причинам (например, де- шевле, доступнее). 27

К первой группе задач относятся: глобальный мониторинг поверхности и атмосферы Земли, измерение потоков заряженных частиц и электромагнитных полей в околоземном космическом пространстве, дистанционное зондирование труднодоступных районов и т.д. Ряд задач второй группы представлен обширным перечнем проблем локального и регио- нального масштаба, имеющих значение для конкретных отраслей социальной и экономи- ческой деятельности. Практическое значение привлечения здесь спутниковой информа- ции связано с существенной экономией трудозатрат, материальных, финансовых и вре- менных ресурсов. Таким образом, развитие работ в области изучения, мониторинга и прогнозирования состояния Земли как планеты, её климата, опасных стихийных явлений, катастроф и чрез- вычайных ситуаций, влияния человеческой деятельности на состояние окружающей сре- ды и гидрометеорологические процессы требует расширения использования космических методов и средств наблюдений. Данные систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) интенсивно используют- ся в рамках множества тематических проектов и программ, имеющих как национальный, так и международный характер. Опыт использования космической информации указывает на высокую эффективность применения космических систем ДЗЗ. Области требований для решения практических задач дистанционного зондирования Земли к космической информации по пространственному разрешению и периодичности обзора иллюстрирует рисунок. Рисунок 2.1 – Требования по пространственному разрешению и периодичности обзора для решения задач дистанционного зондирования Земли из космоса Задачи гидрометеорологии определяют наиболее широкие требования к космиче- ской информации по пространственному разрешению (10 м - 10 км) и периодичности об- зора (0,1 час - 10 лет). При этом используется практически весь спектр электромагнитных волн собственного и отраженного излучения суши, океанов и атмосферы Земли. 28

2.3 Всемирная метеорологическая организация Изобретения метеорологических приборов позволило понять процессы, от которых зависят погода и климат, вывести метеорологию на новый качественный уровень – нала- дить систематические наблюдения за погодой, дать толчок развитию синоптической ме- теорологии. Синоптика [от др.-греч. συνοπτικός - обозревающий всё вместе] – раздел ме- теорологии, наука, изучающая физические процессы в атмосфере Земли, определяющие будущее состояние погоды. В числе значительных изобретений XVI-XVII веков было изобретение термометра и барометра. Термометр (термоскоп) изобрел великий итальянский ученый Галилео Галилей в 1593 году, однако термомет- рия прочно встала на ноги только в XVIII веке, когда появились термометры с постоянными точками. Почти 200 лет разрабатывалась шкала к термометру (1710 год – шкала Фаренгейта, 1742 год – шкала Цельсия, 1842 год – шкала Кельвина). Спиртовый термометр был изготов- лен гданьским стеклодувом Фаренгейтом в 1709 году, ртутный – в 1714 году. Впервые идею создания барометра предложил Гали- лео Галилей, а осуществили её его знаменитые ученики в 1643 году – Эванджелисто Торричелли и Вивиани. Имя Торричелли навсегда вошло в историю естествен- ных наук как имя человека впервые доказавшего суще- ствование атмосферного давления и получившего «тор- ричеллеву пустоту». С минимально достаточным парком измерительных приборов метеорология как наука о строении и свойствах земной атмосферы и совершающихся в ней физических процессах перешла в синоптический период. Начали появляться метеорологические стан- ции, первая из которых была создана в Италии сразу после изобретения ртутного баро- метра в 1654 году. Первые официальные службы погоды начали создаваться с 1854 г. Поводом для это- го послужила катастрофа английского и французского флота во время Крымской войны. Англичане и французы, осаждая русский порт Севастополь, надеялись захватить го- род после обстрела его кораблями эскадры. Но 14 ноября 1854 года на Черном море разра- зилась жестокая буря, разгромившая англо-французский флот. Изрядно потрёпанная по- терпевшая сторона, возмущённая такими действиями природы, запросила директора Па- рижской астрономической обсерватории Леверье – можно ли было заблаговременно пред- сказать приближение и развитие этой бури. Господин Леверье по тем временам проделал большую работу и пришёл в выводу, что траектория бури хорошо прослеживалась с помощью синоптических карт и могла бы быть предсказана заранее. Это открытие привело к зарождению службы погоды в Европе. На первых порах основной задачей такой службы являлись штормовые оповещения. В Англии в 1854 году был создан метеорологический департамент, главой которого был назначен адмирал Роберт Фицрой. Во Франции служба оповещения была организована в 1857 году, в США – в 1858 году, в Голландии – в 1860 году, в Италии – в 1865 году, в Норвегии – в 1866 году, в Дании – в 1872 году, в России – в 1872 году, в Германии – в 1876 году. Следует отметить, что в России в середине XIX века насчитывалось 50 метеорологи- ческих станций. Уже в конце XIX века это была лучшая сеть в мире. В 1856 году был ор- ганизован телеграфный сбор данных. Официальной датой начала службы в России счита- ют 1 января 1872 года, когда в Главной геофизической обсерватории Санкт-Петербурга 29

(ныне – Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова), основанной в 1849 году, начался регулярный выпуск ежедневных бюллетеней погоды. Синоптический метод основан на анализе карт погоды, так называемых синоптиче- ских карт. Они представляют собой обычную географическую карту, на которой с помо- щью соответствующих символов и цифр отображается состояние погоды. Наблюдая за изменениями состояния атмосферы на обширной территории можно определить вероят- ные изменения погодных условий в определенном районе, а также узнать возможные из- менения величин и сопутствующие им проявления атмосферных явлений. Для получения достоверных синоптических прогнозов необходимо размещение ме- теостанций на территориях соизмеримых с размерами синоптических объектов, что не позволяли территории европейских государств. В отличие от Европы российская сеть из 50 метеорологических станций располагалась на значительной территории, соизмеримой с размерами синоптических объектов и уже тогда обладала средствами передачи данных. Для Европы остро стала проблема объединения национальных метеорологических ресурсов, особенно в условиях распространения сфер влияния при построении европей- скими государствами мировой колониальной системы. Международное сотрудничество в области метеорологии началось во второй поло- вине XIX века. В 1873 году в Вене состоялся Первый международный метеорологический конгресс, принявший решение по вопросам градуировки и поверки метеорологических приборов, сроков наблюдений, единиц измерений и взаимного обмена информацией по телеграфу, заложивший основы Международной метеорологической организации. Для придания постоянного характера международному сотрудничеству было решено учредить Постоянный комитет, который должен был координировать деятельность метео- рологических служб в промежутках между регулярно созывавшимися конференциями ди- ректоров метеорологических служб, а также учреждать международные комиссии по раз- личным вопросам метеорологии. Второй Международный метеорологический конгресс собрался в Риме в 1879 году, его участником был Д.И. Менделеев. На этом конгрессе была одобрена идея проведения Первого Международного полярного года (1882-1883), заложившего начало последующих грандиозных международных научных экспериментов XX века. 30

Всемирная метеорологическая организация (ВМО). Ор- ганизация была основана в 1950 году, но стала специализиро- ванным межправительственным учреждением ООН только в 1951 году. ВМО является компетентным органом ООН по во- просам наблюдения за состоянием атмосферы Земли и её вза- имодействию с океанами. По состоянию на март 2013 года государствами - членами ВМО являлись 185 членов ООН, острова Кука и Ниуэ и ещё 6 территорий. Высшим органом ВМО является Конгресс, который собирается раз в четыре года, утверждает бюджет, избирает президента, трех вице-президентов и Исполнительный со- вет, состоящий из 26 директоров национальных метеорологических или гидрометеороло- гических служб. В Исполнительный совет входят также президенты шести региональных ассоциаций ВМО, которые объединяют метеорологические службы Африки, Азии, Юж- ной Америки, Северной Америки, Австралии, Океании и Европы. Техническую деятель- ность ВМО обеспечивают восемь технических комиссий, а также Секретариат ВМО. Штаб - квартира ВМО находится в Женеве, Австрия. В повседневной деятельности ВМО занимается решением следующих задач: создаёт условия для научной деятельности, проведения исследований, способствует подготовке кадров по метеорологии и другим сопутствующим направлениям; координирует деятельность национальных институтов метеорологии и гидрологии, создаёт условия для теснейшего сотрудничества и оперативного обмена информацией; занимается издательством практических руководств по применению метеорологиче- ских данных в различных отраслях: авиация, судоходство, сельское хозяйство и другие производственные отрасли деятельности; унифицирует данные наблюдений и статистические данные с целью облегчения их обработки, хранения и практического применения; создаёт и поддерживает развитие служб обмена метеорологической и другой инфор- мацией; содействует созданию международных станций наблюдения за погодой, центров сбора и обработки полученных метеорологических и гидрологических данных. ВМО осуществляет свою работу на основе научно-технических программ, которые призваны помочь всем странам - членам обеспечить решение текущих и будущих задач в области метеорологии и гидрологии: 1 Программа Всемирной службы погоды (ВСП), которая включает:  Глобальную систему наблюдений (ГСН);  Глобальную систему телесвязи (ГСТ);  Глобальную систему обработки данных и прогнозирования (ГСОДП);  Вспомогательную программу управления данными (ВПУД);  Вспомогательную программу деятельности в поддержку систем ВСП (ДПС ВСП), включая оперативное информационное обслуживание;  Программу по приборам и методам наблюдений;  Программу деятельности по реагированию на чрезвычайные ситуации;  Программу деятельности ВМО, связанную с Антарктикой. 2 Программа Глобальной службы атмосферы (ГСА). 3 Всемирная программа метеорологических исследований (ВПМИ), включающая ТОРПЭКС – ключевой исследовательский метеорологический компонент Программы ВМО по предотвращению опасности и смягчению последствий стихийных бедствий. 4 Программа по гидрологии и водным ресурсам (ПГВР), которая включает:  Основные системы в гидрологии;  Прогнозирование и применение в области гидрологии; 31

 Наращивание потенциала в области гидрологии и управление водными ресур- сами. 5 Всемирная климатическая программа (ВКП), которая включает:  Всемирную программу исследований климата;  Глобальную систему наблюдения за климатом;  Всемирную программу климатического обслуживания. 6 Всемирная программа исследования климата (ВПИК), которая включает:  Климат и криосфера (КлиК);  Изменчивость и предсказуемость климата (КЛИВАР);  Глобальный эксперимент по изучению энергетического и водного цикла (ГЭКЭВ);  Стратосферные процессы и их роль в климате (СПАРК). 7 Космическая программа ВМО, которая включает:  Интегрированную систему наблюдений из космоса;  Доступ к спутниковым данным и продукции и их использование;  Информацию и подготовку кадров;  Координацию вопросов космической погоды. 8 Программа по метеорологическому обслуживанию населения, которая включает:  Совершенствование продукции и обслуживания;  Распространение и доведение продукции до населения;  Поддержку предотвращения и смягчения последствий бедствий;  Социально-экономическое применение;  Деятельность по образованию и просвещению населения;  Обучение и подготовку кадров. 9 Программа по сельскохозяйственной метеорологии. 10 Программа по тропическим циклонам. 11 Программа по морской метеорологии и океанографии. 12 Структура менеджмента качества ВМО. 13 Программа по информации и связям с общественностью. 14 Программа добровольного сотрудничества. 15 Программа по образованию и подготовке кадров, которая включает:  Развитие людских ресурсов;  Деятельность по подготовке кадров;  Стипендии на образование и подготовку кадров;  Поддержка учебных мероприятий в рамках других программ ВМО. 16 Программа ВМО для наименее развитых стран. 17 Региональная программа (РП). 18 Программа по уменьшению опасности бедствий (УОБ). 19 Программа по авиационной метеорологии. Программа Всемирной службы погоды (ВСП) основана в раз- гар холодной войны в 1963 году и представляет собой ядро про- грамм ВМО. ВСП является системой сбора, анализа и распро- странения информации о погоде и других аспектах окружающей среды. Направлениями деятельности ВСП являются: глобальные системы наблюдения, телесвязи, обработки данных и прогнози- рования; управление данными, включая оперативное обслужива- ние пользователей; приборы и методы наблюдения; действия в чрезвычайных ситуациях и деятельность в Антарктиде. Основу Программы Всемирной службы погоды составляют: Глобальная система наблюдения (ГСН), Глобальная система телесвязи (ГСТ) и Глобальная система обработки данных и прогнозирования (ГСОДП). 32

Глобальная система наблюдений (ГСН) обеспечивает оперативный сбор данных о состоянии атмосферы и поверхности Мирового океана. В её состав входят как традицион- но используемые средств – станции приземных, аэрологических и радиолокационных наблюдений, так и новые системы, использующие космические средства – космические аппараты дистанционного зондирования Земли и космические аппараты низкоскоростной передачи данных. Широко используются измерения, полученные по трассе полёта с воз- душных и находящихся в море морских судов. Рисунок 2.2 – Структура перспективной Глобальной системы наблюдения На основе данных ГНС осуществляется текущий анализ и разработка прогнозов по- годы, выявление и мониторинг опасных гидрометеорологических явлений (например, штормы, торнадо, ураганы, внетропические и тропические циклоны), изменений в расти- тельном покрове, пространственном распределении льда и снега. В «сыром» и обработанном виде данные ГНС широко используются в агрометеоро- логии, авиационной и морской метеорологии, климатологи, в том числе для исследований в области климатических и глобальных изменений, а также поддержки программ в обла- сти окружающей среды. Приземное наблюдение. Основу приземных наблюдений обеспечивают около 15000 назем- ных станций, осуществляющих наблюдения с поверхности Земли каждые 1-3 часа по таким метеорологическим параметрам, как атмосфер- ное давление, скорость и направление ветра, температура воздуха, относительная влажность и др. Передача данными с наземных станций осуществляется на глобальном уровне в режиме реального времени. В Российской Империи под руководством академика А.Я. Купера в 1849 году была образована Главная геофизическая обсерватория. Обсерватория объединила сеть станций метеорологических и магнитных наблюдений Екатеринбурга, Барнаула, Нерчинска, Зла- тоуста, Луганска, Богословска, Колывани, Тифлиса, Гельсингфорса (Финляндия), Курлян- дии (современная Латвия), Лифляндии (южная часть Эстонии и северная часть Латвии), царства Польского и других территорий, входивших в то время в составе России. 33

В 1850 году в Эдинбурге, столица Шотландии, А.Я. Купфер выступил с призывом к западным странам последовать примеру России и создать уже международную службу, прототип ГСН. Однако западные страны осознали её необходимость только после гибели своей военной армады под Севастополем в 1854 году в результате жесточайшей бури. Предложения России об основах международного метеорологического сотрудничества были реализованы на Венском метеорологическом конгрессе в 1873 году в образовании Международного метеорологического комитета. Аэрологическое наблюдение. Из 900 имеющихся во всём мире аэрологических станций обеспечивается ежегодный запусков около 800 000 шаров с радиозондами, производящими измерения давления скорости ветра, температуры и влажности на высотах от 0 до 30 км. В районах Мирового океана наблюдения с использо- ванием радиозондов проводят около 15 судов, оборудованных автоматизированными бортовыми средствами аэрологического зондирования и курсирующих, в основном, в районах Северной Атлантики. Следует отметить, что радиозонд был изобретён П.А. Молчановым и впервые запущен в 1930 году в городе Павловске под Ленинградом. Радиолокационные наблюдения. Метеорологические ра- диолокаторы и радиолокаторы измерения профиля ветра ока- зываются весьма эффективными при необходимости получе- ния данных с высоким разрешением, особенно в нижних сло- ях атмосферы. Они широко используются как часть нацио- нальных и, всё чаще, региональных сетей, главным образом, для краткосрочного прогнозирования суровых погодных яв- лений. Метеорологические радиолокаторы особенно полезны для оценки количества атмосферных осадков и, когда исполь- зуется доплеровский радиолокатор, для измерений ветра. Наблюдения с воздушных судов. Свыше 3000 воздушных судов предоставляют во время полёта данные об атмосферном давлении, ветрах и температуре воздуха. Это позво- ляет осуществлять высококачественные наблюдения на крейсерской высоте, а также на выбранных высотах при взлёте и посадке. В последние годы объем данных с воздушных судов резко увеличился и составляет приблизительно 300000 сообщений ежедневно. Си- стема наблюдения с воздушных судов обладает большим потенциалом для измерений в местах, где имеется мало данных с радиозондов или они вообще отсутствуют. Наблюдательные станции на море. В условиях океана ГСН использует суда, заякоренные и дрейфующие буи, а также ста- ционарные платформы. Оперативная программа дрейфующих буёв включает около 900 буёв, ежедневно предоставляющих около 12000 сообщений с информацией о температуре поверх- ности моря и атмосферном давлении воздуха на поверхности. Наблюдения, производимые с использованием около 7000 судов, нанятых в рамках Программы судов добровольного наблюдения ВМО, позволяют собирать те же данные, что и наземные стан- ции с важными дополнительными элементами, касающимися температуры поверхности моря, а также высоты и периода волн. Для сбора данных от наблюдательных станций на море, автоматических наземных станций и шаров-зондов а настоящее время эффективно используются космические си- стемы низкоскоростной передачи данных «Argos DCS» и «Geos DCS», находящиеся в экс- плуатации уже более 30 лет. 34

Наблюдения со спутников. Использование кос- мических средств началось после развёртывания в Советском Союзе космической метеорологической системы МЕТЕОР в 1967 году и подобной системы США на базе КА «Тирос» в 1966 году. В конце 1990-х годов стала очевидной необходимость пе- ресмотра стратегии развития космической подси- стемы ГСН. Сейчас КА используют не только для решения оперативных задач гидрометеорологии, но и для обеспечения широкого круга задач науч- ных исследований, проводимых ВМО. Глобальная система телесвязи (ГСТ) обеспечивает в режиме реального времени об- мен данных метеорологических наблюдений и результатами их обработки между миро- выми, региональными и национальными метеорологическими центрами в соответствии с регламентом ВМО. Глобальная система обработки данных и прогнозирования (ГСОДП) предназначена для обеспечения пользователей метеорологической продукцией, которая создаётся метео- рологическими центрами ВСП. Сеть ГСОДП представляет собой трёхуровневую иерархическую структуру, вклю- чающую: мировые метеорологические центры (ММЦ); региональные специализированные метеорологические центры (РСМЦ); национальные метеорологические центры (НМЦ). В число мировых метеорологических центров входят центры, применяющие слож- ные глобальные модели численного прогноза погоды с высоким разрешением (включая системы ансамблевого предсказания) и готовящие для распространения следующую про- дукцию: глобальная (по полушарию) аналитическая продукция; краткосрочные, среднесрочные, увеличенной заблаговременности и долгосрочные прогнозы и продукция с глобальным охватом, но представленная, если требуется, отдельно:  по тропическому поясу;  по средним, высоким широтам или любым другим географическим районам; связанная с климатом диагностическая продукция, например, для тропических рай- онов. ММЦ располагаются в городах Мельбурн (только для южного полушария), Москва и Вашингтон. ММЦ проводят проверку оправдываемости прогнозов и взаимосравнение метеорологической продукции, содействуют внедрению научно-исследовательских ре- зультатов в оперативные модели и поддерживающие их системы, а также обеспечивают проведение учебных курсов по использованию продукции ММЦ. В составе региональных специализированных метеорологических центров выделяют- ся центры с географической специализацией и центры со специализацией по виду дея- тельности. Центрами с географической специализацией являются либо существующие нацио- нальные или региональные центры, которые по многостороннему или региональному со- глашению приняли на себя соответствующие обязательства, либо центры, созданные сов- местными усилиями нескольких стран в регионе. Функции РСМЦ с географической специализацией: обеспечение взаимодействия между мировыми и национальными метеорологиче- скими центрами, осуществляемое посредством форматирования и распространения гло- 35

бальной метеорологической продукции для удовлетворения потребностей обслуживаемых регионов на основе стандартизированных интерфейсов; предоставление результатов регионального анализа текущего состояния и прогнозов погоды на 12-48 часов для обслуживаемых районов; предоставление метеорологической помощи гуманитарным миссиям ООН в том случае, когда обеспечивающий их деятельность НМЦ не функционирует; взаимодействие с другими РСМЦ. РСМЦ с географической специализацией размещаются в 26 городах мира, из кото- рых три находятся на территории России в городах Москве, Новосибирске и Хабаровске. Региональные центры со специализацией по виду деятельности созданы как ответ на аномалии гидрометеорологической системы Земли, проявления опасных гидрометеороло- гических явлений. Например, в районах тропических циклонов, жёстких штормов, опас- ных экологических тенденций и т.д. Задачами РСМЦ со специализацией по виду деятельности являются: предоставление долгосрочной, увеличенной заблаговременности и/или среднесроч- ной прогностической продукции; предоставление консультативных материалов по тропическим циклонам, жестоким штормам и по другим опасным явлениям природы; предоставление приспособленной к нуждам заказчиков специализированной про- дукции для обслуживания потребителей в конкретных районах; предоставление информации о траекториях движения или о рассеянии загрязняю- щих веществ, в случае возникновения чрезвычайных экологических ситуаций; предоставление информации о длительных неблагоприятных погодных условиях, включая мониторинг засухи; осуществление деятельности, связанной с другими программами ВМО. В настоящее время функционирует 16 региональных центров со специализацией по виду деятельности, среди которых: 6 центров прогнозирования тропических циклонов – РСМЦ Нади, Нью-Дели, Майа- ми, Токио, Реюньон, Гонолулу; 8 центров реагирования на чрезвычайные экологические ситуации – РСМЦ Эксетер, Вашингтон, Мельбурн, Монреаль, Обнинск, Пекин, Тулуза; 1 центр глобального среднесрочного прогнозирования погоды – Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды. РСМЦ проводят проверку оправдываемости и взаимосравнение продукции, а также организуют региональные практические и теоретические семинары по продукции центров и её использованию при прогнозировании погоды на национальном уровне. Национальные метеорологические центры решают задачи обеспечения националь- ных и международных потребителей оперативной, достоверной и востребованной гидро- метеорологической информацией, которая обычно включает: прогнозы текущей погоды и сверхкраткосрочные прогнозы; краткосрочные, среднесрочные, увеличенной заблаговременности и долгосрочные прогнозы погоды на основе применения объективных или субъективных методов интер- претации продукции, полученной от ММЦ и РСМЦ или с помощью расчёта на региональ- ных моделях с использованием граничных условий; продукцию для специального применения потребителями, включая предупреждения об опасных гидрометеорологических явлениях, результаты мониторинга климата и каче- ства окружающей среды и прогноза климата; специальную продукцию в поддержку гуманитарных миссий ООН. Основными продуктами деятельности ГСОДП являются прогнозы погоды, которые принято делить на прогнозы общего назначения, ориентированные на широкий круг поль- зователей (главным образом население) и на специальные прогнозы, составленные с учё- том специфики деятельности различных отраслей экономики (авиация, морской флот, 36

наземный транспорт, строительство, топливный и энергетический комплекс, нефтяная и газовая промышленность и т.д.). В настоящее время Всемирной метеорологической организацией установлены сле- дующие сроки для прогноза текущей погоды (оперативный прогноз) и прогнозов погоды: 1. Прогноз текущей погоды Описание текущих метеорологических парамет- ров и описание на срок от 0 до 2 часов спрогнози- рованных метеорологических параметров 2. Сверхкраткосрочный прогноз Описание метеорологических параметров на срок погоды до 12 часов 3. Краткосрочный прогноз погоды Описание метеорологических параметров на срок свыше 12 и до 72 часов 4. Среднесрочный прогноз погоды Описание метеорологических параметров на срок свыше 72 и до 240 часов 5. Прогноз погоды увеличенной Описание метеорологических параметров на срок заблаговременности свыше 10 и до 30 суток, обычно усреднённый и выраженный в виде отклонений от климатических величин для этого периода 6. Долгосрочный прогноз На срок от 30 суток до двух лет 6.1. Месячный ориентировочный Описание усредненных метеорологических пара- прогноз метров, выраженных в виде отклонения (девиа- ция, колебание, аномалия) от климатических ве- личин для этого месяца (не обязательно для пред- стоящего месяца) 6.2. Трехмесячный или Описание усредненных метеорологических пара- 90-суточный метров, выраженных в виде отклонения от клима- ориентировочный прогноз тических величин для этого 90-суточного периода (не обязательно для предстоящего 90-суточного периода) 6.3. Сезонный ориентировочный Описание усредненных метеорологических пара- прогноз метров, выраженных в виде отклонения от клима- тических величин для этого сезона Сезон в северном полушарии ориентировочно определяется как зимний – де- кабрь/январь/февраль, весенний – март/апрель/май и т.д. В тропических зонах сезоны мо- гут иметь разную продолжительность. Могут предоставляться ориентировочные прогно- зы, охватывающие несколько месяцев, например, многосезонные ориентировочные про- гнозы или ориентировочные прогнозы для сезона тропических дождей. При определении прогнозов в некоторых странах долгосрочные прогнозы считаются климатической продукцией. Климатические прогнозы определяются на глубину не менее двух лет. 7. Прогноз климата На срок свыше 2-х лет 7.1. Прогноз изменчивости Описание ожидаемых параметров климата, свя- климата занных с изменением межгодовых, десятилетних климатических аномалий и аномалий нескольких десятков лет 7.2. Прогноз климата Описание ожидаемого в будущем включения влия- ния естественных и антропогенных факторов В метеорологии под понятием «погода» принято понимать состояние атмосферы, оказывающее воздействие главным образом на жизнь и деятельность людей. Оценивается это состояние в заданной точке пространства путём измерения метеорологических вели- чин, а также наличием или отсутствием явлений погоды (снегопад, дождь, гроза и пр.). 37

Программа Глобальной службы атмосферы. Основными целями Программы ГСА являются: проведение комплексных наблюдений за хими- ческим составом и отдельными физическими ха- рактеристиками атмосферы в глобальном и регио- нальном масштабах; анализ и оценка состояния атмосферы в соответ- ствии с международными конвенциями; представление данных для прогноза будущего состояния и развития атмосферы. В Программе ГСА участвует более 80 стран. Измерения химических и физических характеристик атмосферы проводят свыше 300 станций, из которых 22 глобальные, а остальные работают по программе региональных станций ГСА. Глобальные станции ГСА расположены в удаленных районах, не подверженных местному загрязнению атмосферы, характеризуют большие географические районы и проводят широкий спектр измерений в течение десятилетий. Приоритетными являются измерения вертикального распределения и общего содержания озона, парниковых газов, химического состава осадков, аэрозолей, химически активных газов (CO, SO 2, NOx) и уль- трафиолетовой радиации. Региональные станции предназначены для оценки состояния климата в небольших географических районах, которые не подвержены местному загрязнению атмосферы (ав- тотранспорт, хозяйственная деятельность). Объем измерений на этих станциях ограничен. Данные в основном используются для оценки местных экологических условий, таких как кислотные выпадения, перенос загрязняющих атмосферу газов и аэрозолей. Всемирная климатическая программ. Первая Всемирная климатическая конференция состоялась в 1979 году и призвала государства ми- ра к срочной разработке общей стратегии для бо- лее глубокого понимания климатической системы Земли и предложила разработать Всемирную кли- матическую программу (ВКП). Всемирный метео- рологический конгресс на своей восьмой сессии в 1979 году определил ВКП как авторитетную меж- дународную научную программу. Четыре основные цели, установленные во Всемирной климатической программе: определение физической основы климатической системы, которая позволила бы бо- лее обоснованно прогнозировать изменения климата на Земле; определение сфер применения климатической информации для повышения эффек- тивности экономики, сохранения здоровья человека, безопасности производства продук- тов питания и рационального использование водных ресурсов; определение социально-экономических последствий и национальной уязвимости от колебаний и изменений климата; разработка и поддержание в актуальном состоянии глобальной системы наблюде- ний, способной обеспечивать достижение трёх других целей. ВКП была создана в качестве межведомственного и междисциплинарного института соучредителей: ВМО, МСНС и ЮНЕП. ЮНЕП – программа ООН по окружающей среде. ВКП включила четыре компоненты: Всемирная программа климатических данных программы (WCDP); Всемирная климатическая программа применения (WCAP); Всемирная климатическая программа воздействий (WCIP); Исследования Всемирной климатической программы (ВПИК). 38

ВМО взяла на себя основную ответственность за выполнение WCDP и WCAP, а ЮНЕП за WCIP и ВПИК. После второй Всемирной климатической конференции в 1991 году Всемирный ме- теорологический конгресс на своей одиннадцатой сессии переориентировал четыре ком- понента ВКП и переименовали их следующим образом: Всемирная программа климатических данных и мониторинга (ВПКДМ); Всемирная программа климатических применений и обслуживания (ВПКПО); Всемирная программа оценки влияния климата и разработки стратегий реагирования (ВПВКР); Всемирная программа исследований климата (ВПИК). Климатические исследования, моделирование и инструменты ВКП совместно с ВМО спонсировали Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) и Глобальная система наблюдений за климатом (ГСНК). После создания Гло- бальной рамочной основы для климатического обслуживания Всемирный метеорологиче- ский конгресс на его шестнадцатой сессии в 2011 году рассмотрел вопрос о необходимо- сти реструктуризации ВКП. Конгресс согласился с просьбой ЮНЕП на официальное закрытие ВПВКР как части ВКП. В настоящее время Всемирная климатическая программа включает: Всемирную программу исследований климата (ВПИК); Глобальную систему наблюдений за климатом (ГСНК); Всемирную программу климатического обслуживания (ВПКО):  климатических данных и мониторинга;  климатических применений и обслуживания; Программы научных исследований по изменению климата, уязвимости, воздействий и адаптации (PRO-VIA). Одной из важнейших целей ВПИК является предсказание возможных климатиче- ских изменений. Для её достижения требуются скоординированные усилия по сбору и об- работке данных наблюдений, воспроизведению внутренне согласованных состояний кли- матической системы, которые могут быть использованы для климатического прогноза, развития и оценки качества моделей. Помимо мониторинга глобальных климатических полей, большое внимание в проектах ВПИК уделяется получению специальных архивов данных за относительно короткие периоды, необходимых для формулирования и тестиро- вания методов параметризации отдельных физических процессов и последующего ис- пользования их в моделях климата. Под эгидой ВПИК были собраны и стали доступными для мирового научного сооб- щества уникальные архивы глобальных и региональных данных о радиационных потоках, облачности, содержании водяного пара, характеристиках гидрологического цикла и крио- сферы. Координация работ ВПИК способствовала созданию реанализов – динамически согласованных глобальных полей, характеризующих состояние атмосферы: архивы Наци- онального центра программ по окружающей среде (NCEP), Европейского центра средне- срочных прогнозов (ECMWF) и Японского метеорологического агентства (JMA). Областями интересов ВПИК являются: климат и криосфера, изменчивость и пред- сказуемость климата, глобальный эксперимент по изучению энергетического и водяного цикла, стратосферные процессы и их роль в климате. Космическая программа ВМО (КПВМО). Программа предназначена для обеспече- ния стран - членов ВМО космической информацией о состоянии погоды, климата, Миро- вого океана и связанных с ними приложений. Программа определяет концепцию развития и требования к космическим системам, согласует планы совместных действий и содей- ствует образованию необходимых международных коопераций в области создания косми- ческих средств и проведения совместных научных исследований. Орбитальная группировка интегрированной системы наблюдения из космоса ВМО, по состоянию на 2008 год, представлена на рисунке. 39

Рисунок 2.3 – Орбитальная группировка интегрированной системы наблюдения из космоса ВМО, по состоянию на 2008 год В программе всегда особое внимание уделялось наземным информационным систе- мам. В соответствии с общими принципами ООН их деятельность направлена на благо мирового сообщества и должна обеспечивать членов - участников и программы ВМО не- обходимой информацией о состоянии гидрометеорологической системы Земли в соответ- ствии с принятыми международными соглашениями и нормативными актами. Последние четверть века учёные выявили существенные зависимости состояния гидрометеорологической системы Земли от Солнца, что послужило бурному развитию направлению современной геофизики – космическая погода. Космическая погода – в широком употреблении термин появился в 1990-х годах, как охватывающий наиболее практически важные аспекты науки о солнечно-земных связях. В строгом научном смысле к космической пого- де относится динамическая часть солнечно - зем- ных связей с временными характеристиками не бо- лее суток, а по аналогии с земными процессами ста- тистически стационарная составляющая рассматри- ваемых связей часто называется «Космическим климатом». Одним из первых употребил понятие и словосочетание «космическая погода» А.Л. Чижевский в одной из своих публикаций начала ХХ века. Его доклад на биофизическом конгрессе был официальным признанием нового научного направления. К практическим аспектам космической погоды относят, например, вопросы прогноза солнечной и геомаг- нитной активности, исследование воздействия солнечных факторов на технические и био- логические системы, на человека. В пределах доступных ресурсов через межпрограммную координационную группу по вопросам космической погоды КПВМО осуществляет проведение работ по данной те- матике, сосредотачиваясь на решении следующих задачах: 40

обеспечение стандартизации и регулярного обмена данными о космической погоде посредством Информационной системы ВМО; поиск потребителей информации о текущем состоянии и прогнозе космической по- годы, унификация форм предоставления конечной продукции и видов обслуживания, например, разработка руководящих принципов обеспечения качества и организации пре- дупреждения об опасных явлениях во взаимодействии с авиацией и другими крупными секторами экономики; интеграция с проводимыми наблюдениями в области космической метеорологии, со- гласование характеристик измерительной аппаратуры и планов мониторинга в интересах наблюдения за состоянием космической погодой. Программа КПВМО выполняется в партнерстве с Координационной группой по ме- теорологическим спутникам (КГМС) и Комитетом по спутниковым наблюдениям за Зем- лей (КЕОС). КПВМО представляет ВМО в КЕОС в качестве ассоциированного члена и взаимо- действует с соответствующими органами, например, такими как рабочая группа по калиб- ровке и валидации, рабочая группа КЕОС по климату. Некоторые виды деятельности КПВМО, такие как поддержка пакета документов ВМО по космическому компоненту ГСН, проводятся в сотрудничестве с КЕОС. Интегрированная глобальная система наблюдений ВМО (ИГСН ВМО). Сложив- шаяся в прошлом столетии структура, принципы построения и применения систем наблю- дения ВМО перестали отвечать требованиям целевой и экономической эффективности, что привело к необходимости её коренной модернизации. На Конгрессе ВМО в 2007 году члены организации приняли решение о проведении интеграции систем наблюдений ВМО и систем наблюдений, поддерживаемых ВМО: Глобальная система наблюдений за океаном (ГСНО); Глобальная система наблюдений за поверхностью суши (ГСНС); Глобальная система наблюдений за климатом (ГСНК). Проект Концепция построения и функционирования Интегрированной глобальной системы наблюдений ВМО был разработана в 2010 году и получил одобрение на 16-м Конгрессе ВМО, который прошёл в Женеве в 2011 году. Цель проекта – разработать и внедрить рамочную структуру для совершенствования стратегического и оперативного управления, интеграции и оптимизации многочисленных систем наблюдений, координируемых ВМО и партнерскими организациями. По замыслу проекта обновлённая ИГСН ВМО должно позволить более эффективно и результативно использовать ресурсы, что даст возможность исправить существующие недостатки и заполнить имеющиеся пробелы в структуре Всемирной метеорологической организации. При проведении работ по проекту планируется реализовать следующие ключевые принципы создания Интегрированной глобальной системы наблюдений ВМО: интеграция стратегического управления и политика данных; передача данных и предоставление информационных услуг через Информацион- ную систему ВМО; управление качеством и стандартизация; планирование, оптимизация и мониторинг систем наблюдений; наращивание потенциала; подготовка кадров. Интеграция систем наблюдений ВМО и систем наблюдений, поддерживаемых ВМО – глобальные системы наблюдений за океаном, сушей и климатом, в проекте создания ИГСН ВМО отражает современное представление о существующих причинно- следственных связях в гидрометеосфере Земли. 41

3 Гидрометеорологическая система Земли Гидрометеорология является междисциплинарной наукой, образованной на стыке метеорологии и гидрологии, изучающей процессы, относящиеся как к атмосферному, так и к гидрологическому режиму Земли. Объектом изучения гидрометеорологии является гидрометеорологическая система Земли, которая относится к классу больших систем – по географическим размерам и суперсложных систем – по онтологическому и гносеологиче- скому признаку. Как и все естественные системы является динамической системой – си- стема, состояние которой изменяется во времени под воздействием определённых при- чинно-следственных связей. Под состоянием динамической системы понимается совокупность параметров (свойств, качеств, признаков), которые в каждый рассматриваемый момент времени отра- жают наиболее существенные с определённой точки зрения стороны поведения системы, её функционирование. Для динамических систем характерным является реакция системы на различные входные воздействия и направленности возникающих при этом причинно- следственных связей во времени, определяемых принципом причинности: упорядоченность причинно-следственных связей во времени – выходная ситуация (выход) системы в любой момент времени не зависит от ситуаций, которые могут возник- нуть на входном полюсе системы в более поздние моменты времени; однозначность причинно-следственных связей – выходная ситуация (выход) систе- мы в любой момент времени в будущем может быть определён однозначно, если извест- ны:  все сведения о системе, характеризующие её и воздействия на неё со стороны среды в прошлом и настоящем;  входные воздействия на систему в будущем. С системных позиций изучение гидрометеорологической системы Земли требует привлечение многих моделей, теорий, научных дисциплин, организации междисципли- нарных исследований и реализации установки на глубокий учёт неопределённостей веро- ятностного и не вероятностного характера. Неопределённость связана как с упрощениями и несовершенством моделей в теоретических построениях при изучении гидрометеороло- гических объектов, систем и процессов, так и с наблюдательной сетью, обеспечивающей поступление гидрометеорологических данных для определения состояния системы. Результат оценки состояния гидрометеорологической системы Земли обычно пред- ставляется в виде агрегированных состояний. Например, в виде оценок погоды и климата. Погода – это непрерывно меняющееся состояние атмосферы. Погода в данном месте и в данный момент времени характеризуется совокупностью значений метеорологических величин, погода за некоторый промежуток времени – последовательным изменением этих величин или средними значениями за взятый промежуток времени. Чаще всего подразу- мевают погоду у поверхности земли, однако в связи с развитием авиации также изучается и погода в свободной атмосфере. В число метеорологических величин, характеризующих погоду, включают обычно лишь те характеристики состояния атмосферы или атмосфер- ных процессов, которые оказывают существенное влияние на природу, жизнь и деятель- ность людей. Таким образом, содержание понятия «погода» может расширяться вместе с расширением хозяйственной деятельности. Климат – это статистический режим атмосферных условий (условий погоды), ха- рактерный для каждого данного места на Земле в силу его географического положения. Этот режим может меняться от одного многолетнего промежутка времени к другому, причём такие изменения в историческое время имеют обычно характер колебаний. По определению известного советского и российского геофизика и океанолога А.С. Монина, климат есть статистический режим (статистический ансамбль) колебаний состо- яния атмосферы с короткими периодами (до года), испытывающий колебания с длитель- 42

ными периодами (порядка десятилетий, столетий, тысячелетий). Колебания климата до- статочно малы и не мешают ему быть устойчивой характеристикой данной местности. Термин климат применяется в различных масштабах, по К.Ш. Хайрулину выделяют: гло- бальный, континентальный и океанов, макроклимат, климат региона, мезоклимат, топо- климат, микроклимат, наноклимат и пикоклимат. Таким образом, в гидрометеорологической системе Земли климат является статисти- ческой характеристикой состояния атмосферы, построенной на результатах многолетних наблюдений и являющихся математическим ожиданием (средним значением) многомер- ного значения состояния системы, как минимум для промежутка времени в один год. По- года – текущая реализация состояния атмосферы, являющейся составной частью гидроме- теорологической системы Земли, как системы с неопределённостью. Оценка состояния гидрометеорологической системы Земли представляется в виде результатов наблюдения метеорологических величин и поискового прогноза – прогноз, содержанием которого является определение возможных состояний объекта прогноза в будущем. В отличие от поискового прогноза существует нормативный прогноз – прогноз, содержанием которого является определение путей и сроков достижения возможных со- стояний объекта прогнозирования в будущем, принимаемых в качестве цели [24]. В настоящее время используется весьма в ограниченных масштабах. Например, в интересах защиты от града и лавин. Как и все системы вторичного геосферного пространства, гидрометеорологическая система Земли выделяется по свойственным только ей признакам. Является некоторой структурной идеализацией и существует в среде – совокупность элементов окружающего систему мира, не входящих в её состав, но оказывающих на неё то или иное воздействие. Рассматривается как подсистема планетарной системы Земли, содержащей в своём соста- ве среду окружающую рассматриваемую систему. Между системой и средой происходит непрерывный вещественный и энергетический обмен. Солнце является главным природным системообразующим фактором гидрометеоро- логической системы Земли, относящимся к среде. Именно солнечная энергетика очертила её границы во вторичном геосферном пространстве и поддерживает систему в устойчивом термодинамическом состоянии. Верхняя граница системы определяется высотой нижнего слоя атмосферы, в преде- лах которой происходят гидрометеорологические процессы определяющие погоду, кли- мат и условия жизни человека. Нижняя граница связана с глубиной деятельного слоя. В общем виде под деятельным слоем понимается слой континентальной коры (включает растительность и внутренние воды) или океана, тепловое состояние которого обуславливается радиационными процессами и процессами теплообмена с атмосферой, а температура испытывает суточные и годовые колебания. Деятельный слой простирается до глубины нахождения слоя постоянной годовой температуры. При этом полагается, что деятельный слой шельфа, относящегося к континентальной коре Земли, рассматривается в рамках деятельного слоя океана. Поверхность раздела между атмосферой и деятельным слоем обозначается как под- стилающая поверхность или деятельная поверхность. Определяя одни и те же природ- ные объекты, обозначения поверхности имеют различные гносеологические корни и обла- сти применения. Термин «подстилающая поверхность» широко используется в атмосфер- ной оптике (подстилает атмосферу) и обозначает поверхность земли (почва, вода, снег и т.д.), взаимодействующую с атмосферой в процессе обмена теплом и влагой. Термин «де- ятельная поверхность» используется в физической географии и других приложениях для обозначения поверхности почвы, воды и растительности, которая непосредственно по- глощает солнечную и атмосферную радиацию и отдаёт излучение в атмосферу, чем регу- лирует температуру прилегающих слоёв воздуха и почвы. 43

3.1 Гидрометеорологическая система Земли Гидрометеорологическая система Земли является открытой динамической системой, объединяющей суперобъекты – нижний слой атмосферы, деятельные слои континенталь- ной коры (включает растительность и внутренние воды) и океанов, находящиеся в посто- янном вещественном и энергетическом взаимодействии между собой и средой. Солнце является суперобъектом среды и главным природным системообразующим фактором гидрометеорологической системы Земли. Его радиационное воздействие прояв- ляется в процессах нижнего слоя атмосферы, деятельных поверхностей земной коры и океанов, а также вещественного и энергетического взаимодействия между ними. Послед- ние процессы являются эмерджентными [от лат. emergo - появляться, возникать], не вы- водятся из свойств объектов системы и определяют гидрометеорологическую систему Земли не как совокупность объектов, а как систему. Например, процессы циркуляция ат- мосферы, переноса тепловой энергии океаническими течениями в полярные области и т.д. Основным системообразующим эмерджентным свойством гидрометеорологической системы Земли является её устойчивость – комплексное свойство системы сохранять свои основные характеристики, своё поведение в условиях возмущающих воздействий различного рода. Именно устойчивость является основой проявления главного биосфер- ного фактора – жизнь на Земле. Устойчивость обусловлена постоянством во времени при- ходящей на Землю солнечной радиации. Введённое определение устойчивости является определением максимально расши- ренного объёма. Конструктивные результаты исследования устойчивости гидрометеоро- логической системы Земли могут быть получены при переходе в каждом конкретном слу- чае к узким трактовкам этого понятия. Например, устойчивость равновесия и движения, адаптивность, самоорганизация, живучесть и т.д. Характеристикой устойчивого состояния для гидрометеорологической системы Зем- ли является климат – статистический динамический режим атмосферных условий (усло- вий погоды), характерный для каждого данного места на Земле в силу его географическо- го положения и времени года. Примером возможной потери устойчивости гидрометеоро- логической системы может оказаться глобальное потепление. Нижний слой атмосферы (тропосфера с тропо- паузой) прилегает к поверхности Земли. Для него ха- рактерно почти линейное падение температуры с вы- сотой в тропосфере. Средняя скорость падения темпе- ратуры с высотой составляет около 60С/км. В тропо- сфере содержится примерно 80% массы всей атмосфе- ры Земли. В ней формируется погода, определяющая многие стороны жизни человека. Верхней границей тропосферы можно считать тро- попаузу [от греч. τροπος – поворот, изменение и παῦσις - остановка, прекращение] – слой атмосферы, в кото- ром происходит резкое снижение вертикального тем- пературного градиента, переходный слой между тро- посферой и стратосферой. Нижняя граница тропопаузы (верхняя тропосферы) определяется как минимальная высота, на которой вертикальный градиент температуры падает до 0,20С/100 м (или ниже) и среднее значение этого параметра в вышележащем слое толщиной 2 км не превышает 20С/км. В некоторых случаях наблюдается вторая тропопауза, если вертикальный гради- ент над первой тропопаузой превышает 30С/км. Толщина тропопаузы составляет от не- скольких сотен метров до 2-3 км. 44

В земной атмосфере высоты и температуры тропопаузы зависят от географической широты и подвержены сезонным и суточным колебаниям вследствие изменений инсоля- ции. В полярных районах тропопауза расположена на высотах 8-10 км, в умеренных зонах – на высотах 10-12 км, в тропиках – на высотах 16-18 км. В высоких и умеренных широтах тропопауза в зимний сезон на 1-2 км ниже и на 8- 0 15 C теплее, чем в летний период; в тропических широтах сезонные колебания парамет- ров тропопаузы значительно меньше. В субтропиках наблюдаются разрывы тропопа- узы на границах циркуляционных атмосферных ячеек, обусловленный субтропическими струйны- ми течениями со скоростями, превышающими 30 м/с. Эти разрывы разграничивают низкую тёплую и холодную высокую тропопаузы. При вторжении холодных масс воздуха в низкие широты полярная тропопауза, расположенная на высотах 9-12 км, вклинивается под субтропическую, находящуюся на уровне 15-17 км, в результате чего возникают две тропопаузы, после чего верхняя тропопауза постепенно разрушается. Рисунок 3.1 – Разрывы тропопаузы на границах воздушных масс В областях вне тропических струйных течений разрывы тропопаузы, как правило, отсутствуют. Высота тропопаузы также подвержена непериодическим изменениям при синоптических процессах – она снижается над циклонами и холодными воздушными мас- сами и повышается над антициклонами и теплыми воздушными массами. Ниже 500-1500 м тропосферы находится пограничный слой атмосферы (планетар- ный пограничный слой, слой трения), термодинамический режим которого определяется непосредственным воздействием процессов энергетического и вещественного обмена на подстилающей поверхности и турбулентным перемешиванием. Основными в погранич- ном слое являются силы: градиента давления, Кориолиса и турбулентного трения. В вертикальной структуре пограничного слоя атмосферы выделяются приводный (над океаном) или приземный (над сушей) слои воздуха высотой 30-60 м, в которых влия- нием сил Кориолиса и градиента давления можно пренебречь по сравнению с силами тур- булентного трения, а потоки импульса, тепла и влаги считать постоянными по высоте. Приводный слой атмосферы обладает, по меньшей мере, двумя особенностями: по- вышенной влажностью и подвижностью подстилающей поверхности. Первая из них спо- собствует более интенсивному поглощению лучистой энергии Солнца и теплового излу- чения океана и атмосферы, что в определенных условиях может иметь существенное зна- чение. Вторая – подвижность воды – приводит к возникновению поверхностного волне- ния и дрейфовых течений под действием ветра. Волнение осложняет вертикальную струк- туру приводного слоя появлением в воздушном потоке затухающих с высотой индуциро- ванных колебаний на основных энергонесущих частотах спектра волн. При сильных штормовых ветрах и обрушивании волн возможно появление водяной пыли и брызг в воз- духе и пузырьков воздуха в воде, так что сама граница раздела «вода – воздух» становится неопределенной и превращается в некоторый слой двухфазной жидкости. Состояние приземного и пограничного слоя суши атмосферы имеет большую зави- симость от географических факторов, чем приводных. К ним относятся рельеф, расти- тельный покров, наличие водных объектов и т.д. Например, геоморфология горных си- стем является физическим препятствием для движения воздушных масс и условием обра- 45

зования различных по масштабам климатических зон. Растительный покров, который со- измерим с высотой приземного слоя 30-60 м, не только препятствует движению воздуш- ных масс, но и создаёт особые условия вещественного и энергетического обмена между земной поверхностью и атмосферой. Особое значение для формирования приземного слоя суши имеют гидросферные объекты: озёра, реки, болота, ледники и постоянный снежный покров, многолетняя мерз- лота. Водные объекты большой протяжённостью способствуют сезонному движению больших воздушных масс, иногда соизмеримых с морскими перемещениями (например, восточный ветер Байкала – Баргузин). Деятельный слой океанов является объектом гидросферы – водная оболочка Зем- ли с массой примерно 1,46×1018 т, что в 275 раз больше массы атмосферы, но составляет лишь 1/4000 от массы Земли. Основную часть гидросферы образует Мировой океан – 94,2% всей её площади, непрерывная, но не сплош- ная водная оболочка Земли, окружающая ма- терики и острова, и отличающаяся общностью солевого состава. Континенты и большие архипелаги разделяют Мировой океан на четыре большие части (океаны): Атлантический, Индийский, Тихий и Северный Ледовитый океан. Океаны играют огромную роль в формировании климата Земли. Вода обладает огромной тепло- ёмкостью, поэтому температура океана меняется гораздо медленнее, чем температура воз- духа и суши. Близкие к океану районы имеют меньшие суточные колебания температуры. Под действием солнечной радиации вода испаряется и переносится на континенты, где выпадает в виде различных атмосферных осадков. Океанические течения переносят со скоростью 1-10 м/с нагретые или охлаждённые воды в другие широты и в значительной мере ответственны за распределение тепла на планете. Морскими течениями в океанографии называют поступательное движение воды в океанах и морях. Если реки на Земле текут к морю под воздействием силы земного тяго- тения, то течения в океане вызываются различными причинами: ветер (дрейфовые тече- ния), неравномерность или изменения атмосферного давления (бароградиентные), притя- жение масс Солнца и Луны (приливо-отливные), разность плотностей воды (из-за солёно- сти и температуры), разность уровней, создаваемая притоками речной воды с материков (стоковые). По степени устойчивости выделяют течения устойчивые (например, Северное и Южное пассатное течение), временные (поверхностные течения северной части Индий- ского океана, вызываемые муссонами) и периодические (приливно-отливные). По положению в толщах океанических вод течения могут быть поверхностными, подповерхностными, промежуточными, глубинными и придонными. При этом определе- ние «поверхностное течение» иногда относится к достаточно мощному слою воды. Например, толща межпассатных противотечений в экваториальных широтах океанов со- ставляет 300 м, а толща Самолийского течения в северо-западной части Индийского океа- на достигает 1000 м. Течения также делятся на тёплые и холодные. Тёплые течения перемещают водные массы из низких географических широт в высокие, а холодные – в обратном направлении. Такое деление течений относительно и характеризует лишь поверхностную температуру движущихся вод в сравнении с окружающими водными массами. Например, в тёплом Нордкапском течении (Баренцево море) температура поверхностных слоёв составляет зи- мой 2-5 0С и 5-8 0С летом, а в холодном Перуанском течении (Тихий океан) – круглый год от 15 до 20 0С, в холодном Канарском течении (Атлантика) – от 12 до 26 0С. 46

По вертикальному распределению температуры в океанах и морях можно выделить слои, характеризующиеся специфическими физическими свойствами и условиями форми- рования океанологических полей, что представлено на рисунке. Рисунок 3.2 – Осреднённое вертикальное распределение температур в океане Непосредственному энергетическому и вещественному обмену с атмосферой под- вержен деятельный слой, нижняя граница которого определяется глубиной проникнове- ния солнечной радиации и годовых температурных колебаний. Внутри этого слоя выде- ляют приповерхностный или верхний квазиоднородный слой (ВКС) практически с вы- ровненным распределением температуры и сезонный термоклин (СТ) с резким изменени- ем температурного градиента. Толщина квазиоднородного слоя изменяется в простран- стве и во времени, составляя несколько десятков метров в период весенне-летнего нагрева и захватывая весь деятельный слой до нескольких сотен метров при осенне-зимнем охла- ждении незамерзающих морей. Ниже деятельного слоя располагаются глубинные воды или главный термоклин (ГТ), вертикальная и горизонтальная структура которого формируется глобальными про- цессами общей океанической циркуляции. В этом слое определяющую роль играет адвек- тивный (горизонтальный) перенос тепла в меридианальном и зональном направлениях. Ниже главного термоклина располагаются придонные воды, образуя придонный погра- ничный слой (ПС). Толщина его составляет несколько десятков метров, а физические па- раметры зависят от рельефа дна и взаимодействия с главным термоклином. Таким образом, под деятельным слоем океана понимается поверхностный слой воды порядка нескольких сотен метров, на нижней границе которого практически затухают температурные колебания годового периода. Формирование термогидродинамического режима этого слоя в основном обусловлено процессами энергетического и вещественного обмена с атмосферой на его верхней границе, объемного поглощения лучистой энергии и турбулентного перемешивания воды. Толщина деятельного слоя океана составляет около 80-150 м в умеренных и увеличивается до 300-400 м в полярных и тропических широтах. Определяющими силами в нем являются: сила градиента давления, сила Кориолиса и тур- булентного трения. Формирование верхнего квазиоднородного слоя происходит в период весенне- летнего прогрева океанов и морей при устойчивой вертикальной стратификации, затруд- няющей развитие турбулентности, главным источником которой является ветроволновое перемешивание, ограниченное по глубине. Толщина слоя в этот период составляет не- сколько десятков метров. С началом осенне-зимнего охлаждения и возникновением не- устойчивой вертикальной стратификации в поверхностном слое воды ветроволновое пе- 47

ремешивание усиливается действием плотностной конвекции. Толщина перемешанного слоя начинает быстро возрастать и к концу зимнего периода сезонный термоклин вы- рождается. При этом верхний квазиоднородный слой распространяется на весь деятель- ный слой океана. В динамическом взаимодействии пограничных слоев океана и атмосферы решающая роль принадлежит атмосфере. Воздушные потоки, воздействуя на поверхность воды, вы- зывают ветровые волны и дрейфовые течения, служащие источником динамической тур- булентности в воде. В термическом взаимодействии определяющую роль играет тепловое состояние деятельного слоя океана и температура на его поверхности. Поглощая лучи- стую энергию Солнца, океан подогревает атмосферу снизу, снабжая её теплом за счет яв- ного и скрытого тепла и теплового излучения с поверхности воды. Неравномерное по про- странству поступление тепла от океана в атмосферу вызывает соответствующую неравно- мерность поля давления и движение воздушных масс, в свою очередь воздействующих на поверхность воды при динамическом взаимодействии. Деятельный слой континентальной коры включает растительность и внутренние воды и не включает поверхность коры, отне- сённую к шельфам и рассматриваемую в рам- ках деятельного слоя океанов. Имеет весьма неоднородный вид: базальтовые и гранитные отложения, осадочные породы и почва, гидро- сферные объекты (реки, озёра, болота, ледни- ки, постоянный снежный покров, вечная мерз- лота), а также исторически сложившаяся сово- купность растений и животных, объединённых общей областью распространения (биота) и ан- тропосфера. Во многих словарях и книгах при определении термина «деятельный слой» исполь- зуется понятие «почва», которое явно не охватывает по объёму значение всего спектра входящих в рассмотрение объектов. Почва – это система, в которой взаимодействуют по- токи энергии и вещества, поступающие от Солнца, из атмосферы и от живых организмов, обладающая плодородием и образовавшаяся в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности организмов. Изучается в рамках почвоведения – наука о происхожде- нии, развитии, строении, составе, свойствах географического распространения и рацио- нального использования почв. В используемом в работе географическом определении деятельного слоя отражено наличие растительного покрова, который наряду с геоморфологическими факторами по- верхности оказывает огромное влияние на свойства гидрометеорологической системы и вводится через понятие «биота». Биота [от греч. biotē - жизнь] – исторически сложившая- ся совокупность растений и животных, объединённых общей областью распространения. Особый вид биоты – лес. В определение деятельного слоя кроме суши [синоним - земля, твердь] – часть по- верхности планеты, не покрытая водами Мирового океана и другими водными объектами, включён ряд объектов гидросферы (реки, озёра, болота, ледники, постоянный снежный покров, вечная мерзлота), а шельфовые воды отнесены к области деятельного слоя океа- нов. Глубина деятельного слоя континентальной коры определяется суточной и сезонной (годовой) вариацией солнечной радиации. Суточные колебания температуры суши обыч- но проявляются на глубине до 1-1,5 м. Это связано с переносом солнечного теплового по- тока за счёт молекулярной теплопроводности пород и конвекции воздуха, паров воды, инфильтрующихся осадков и подземных вод. Сезонные (годовые) колебания вызывают 48

изменения температуры на глубину до 20-40 м. На таких глубинах теплопроводность осуществляется в основном за счёт молекулярной теплопроводности пород и движения подземных вод. На глубинах 20-40 м располагается нейтральный слой (зона постоянных температур). В пределах этого слоя температура остаётся практически постоянной и в каждом районе в среднем на 3,70С выше средней температуры воздуха. Ещё глубже в земной коре выделяется геотермический слой, температура которого определяется внутренним теплом Земли и с глубиной возрастает. По данным измерений в буровых скважинах, а также в шахтах выяснено, что с глубиной температура растёт, под- нимаясь приблизительно на 30С на протяжении каждых 100 метров. Подобный темп роста температуры сохраняется на протяжении первых 20 км; ниже рост температуры заметно замедляется. Характеристики деятельного слоя континентальной коры неоднородны, зависят от типа поверхности и могут иметь свои оригинальные определения, учитывающие особен- ности изучающих их наук. Например, деятельный слой вечной мерзлоты определяется как слой почвогрунта, ежегодно промерзающий зимой и оттаивающий летом. В этом случае глубина деятельного слоя может изменяться от нескольких сантиметров до нескольких метров в зависимости от района, состава пород, экспозиции склонов, характера расти- тельности и т.д. Деятельный слой болот определяется как верхний слой торфяной залежи, включаю- щий слой ещё не разложившихся остатков растений, характеризующийся крупными по- рами и высокой водопроводимостью; в пре- делах его происходят колебания уровня грунтовой воды и наиболее интенсивно идут процессы разложения и обмена водой и энер- гией с атмосферой. Среда. Погружение гидрометеорологической системы Земли в некоторую среду яв- ляется обычным приёмом при изучении больших и суперсложных систем, эффективным приёмом борьбы с неопределённостью вероятностного и не вероятностного характера. К объектам среды гидрометеорологической системы относятся астрономические объекты – Солнце и Луна, геофизические объекты – магнитосфера, ионосфера, радиационные пояса Земли, верхняя атмосфере, геологические объекты – мантия и ядро Земли, океаническая и промежуточные виды земной коры, подземные и глубинные океанические воды, антропо- генные объекты и системы и др. Если природные объекты и системы среды органично связаны с гидрометеорологи- ческой системой Земли в рамках планетарной и звёздной системы, то антропогенные воз- действия на систему приводят к её деградации как инородные, чуждые естественному хо- ду развития. Для некоторых антропогенных воздействий природа не имеет адекватных средств для сохранения устойчивости планетарной системы. Например, аварии на Черно- быльской АЭС 26 апреля 1986 года и АЭС Фукусима 11 марта 2011 года, в результате сильнейшего в истории Японии землетрясения и последующего за ним цунами, привели к массовому радиактивному заражению территории суши и вод Мирового океана с непред- сказуемыми последствиями. В целях контроля за антропогенными воздействиями в мире и России созданы сети наблюдений за уровнями загрязнения атмосферного воздуха, морских вод и донных отло- жений, поверхностных водных объектов по гидробиологическим показателям, поверх- ностных вод суши, почвы, снежного покрова, радиоактивного загрязнения природной среды. Также проводятся наблюдения за фоновым состоянием окружающей природной среды (на специализированных фоновых станциях) и трансграничным переносом загряз- няющих веществ и химическим составом осадков. 49

3.2 Солнце Наиболее важным и определяющим объек- том в составе среды гидрометеорологической системы Земли является Солнце – единствен- ная звезда Солнечной системы, вокруг которо- го обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, астероиды, метеориты, кометы и космическая пыль. Масса Солнца со- ставляет 99,866% от суммарной массы всей Солнечной системы. Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле (свет необходим для фотосинтеза), определяет климат. По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V – жёлтый карлик. Температура поверхности Солнца достигает 60000К. По земным меркам светимость Солн- ца колоссальна и составляет 3,85×1023 кВт. Даже ничтожная доля энергии, которую полу- чает земной шар (а это, примерно, одна десятимиллиардная) по своей мощности в десятки тысяч раз больше, чем могут выработать все электростанции мира. Энергия солнечных лучей, падающих на перпендикулярную к ним площадку в 1 м2 на Земле, могла бы заста- вить работать двигатель мощностью 1,4 кВт, а 1 м2 атмосферы Солнца излучает энергию мощностью 60 МВт. Параметры орбиты и вращения Земли вокруг собственной оси – наиболее важные факторы, определяющие количество лучистой энергии Солнца, достигающей различных областей планеты в разные периоды времени, и, как следствие, определяющие погоду и климат. Земля каждые 24 часа совершает с запада на восток один полный оборот относи- тельно направления на Солнце вокруг оси, проходящей через полюса. Направление оси собственного вращения Земли в течение достаточно коротких по астрономическим мер- кам периодов времени (порядка тысячелетий) можно считать постоянным. Это вращение является причиной смены дня и ночи. В то же время Земля движется на восток вокруг Солнца, совершая один полный обо- рот приблизительно за 365 дней (точная цифра – 365 дней, 5 часов, 48 минут, 46 секунд). Ось вращения Земли не является перпендикулярной к плоскости орбиты (эклиптики). Угол между осью вращения и нормалью к плоскости эклиптики составляет 23,5°. Именно эта особенность определяет наличие сезонных вариаций количества приходящего солнеч- ного излучения на различные широты нашей планеты и региональные различия климата на Земле. Четыре сезона определяются солнцестояниями – моментами, когда земная ось максимально наклонена по направлению к Солнцу, либо от Солнца и равноденствиями. Зимнее солнцестояние происходит 21-22 декабря, летнее – 20-21 июня, весеннее равно- денствие – 20-21 марта, осеннее – 22-23 сентября. Солнечная радиация является основным и практически единственным источником лучистой энергии для Земли, включает электромагнитное и корпускулярное излучение. Например, средняя плотность внутреннего теплового потока Земли составляет примерно 0,02-0,03% от потока солнечной радиации. Следует отметить, что термин «солнечная радиация» является калькой с англ. Solar radiation и в данном случае не означает радиацию в «бытовом» смысле этого слова – ионизирующее излучение. Корпускулярную часть солнечной радиации образуют высоко- энергичные протоны и электроны. Энергетический вклад корпускулярной составляющей солнечной радиации в её общую интенсивность невелик по сравнению с электромагнит- ной компонентой. Поэтому часто термин «солнечная радиация» используется в узком смысле, имея в виду только электромагнитную часть. 50

Рисунок 3.3 – Движение Земли вокруг Солнца Солнечная радиация количественно характеризуется величиной солнечной постоян- ной S0 – количество солнечной энергии, приходящей за единицу времени на перпендику- лярную солнечным лучам единичную площадку на среднем расстоянии Земли от Солнца. По последним данным значение интегральной солнечной постоянной Земли составляет (1366 ± 1) Вт·м-2. В метеорологии и физике атмосферы при исследовании различных радиационных балансов Земли используют понятие инсоляция – поток солнечного излучения, падающий на единичную горизонтальную площадку, в течение некоторого заданного отрезка време- ни (t2 – t1): ∫ ( ) (3.1) Потоки можно рассматривать вблизи подстилающей поверхности, на различных уровнях в атмосфере и т. д. Подчеркнем, что эти потоки относятся ко всему спектру сол- нечного излучения. Естественно рассмотрение инсоляции на верхней границе атмосферы, так как эта величина определяет величину энергии, приходящей от Солнца на различных широтах и в различное время года. Поток солнечного излучения на верхней границе атмосферы определяется формулой ( ) ( ) (3.2) где – поток на перпендикулярную направлению распространения солнечного излуче- ния единичную площадку на верхней границе атмосферы, θ – зенитный угол Солнца в рассматриваемой точке и в рассматриваемое время. Если учесть, что расстояние между Землей и Солнцем меняется при движении Земли по орбите, то можно записать , (3.3) где r0 и r – среднее и мгновенное расстояния от Земли до Солнца, S0 – поток солнечного излучения, соответствующий среднему расстоянию (солнечная постоянная для Земли). 51

Тогда относительные изменения солнечного потока на верхней границе атмосферы определяются выражением (3.4) Например, для наиболее характерных времён движения Земли по орбите (солнцесто- яние и равноденствие) относительная величина принимает значения: летнее солнцестояние, июнь – минус 2,8%; осеннее равноденствие, сентябрь – минус 1,7%; зимнее солнцестояние, декабрь – плюс 1,8%; весеннее равноденствие, март – плюс 1,8%. Максимальное значение относительной величины солнечного потока в январе – плюс 3,4%, минимальное значение в июле – минус 3,5%. Из этого следует, что зимой Земля получает больше солнечной энергии, чем летом. Полная солнечная энергия, приходящая за день на единичную площадку, может быть получена интегрированием выражения (3.3) по «светлому» времени суток, т.е. от восхода до захода Солнца ∫ ( ) . (3.5) В выражении не учитывается изменение отношения d в течение дня. Зенитный угол Солнца θ можно выразить через другие углы – склонение Солнца δ, часовой угол h и гео- графическую широту φ: (3.6) Подставим выражение (3.6) в формулу (3.5). Для вычисления интеграла необходимо связать часовой угол и время, фигурирующее в пределах интегрирования. Поскольку Зем- ля делает один оборот (2π радиан) за 24 часа, то получаем переводный множитель (угло- вую скорость Земли) ω = 2π/24 = π/12 рад/час. С учетом этого искомый интеграл запишется как ( ) ∫ ( · · · ( )) , (3.7) где Н – половина светлого времени суток, т.е. время от восхода и захода Солнца до полудня. Произведя интегрирование формулы (3.7), получим ( ) ( · · · · ( )). (3.8) Результаты расчетов по формуле (3.8) суточных сумм солнечной энергии, приходя- щих на единичную площадку на верхней границе атмосферы, в зависимости от широты и дня года приведены во многих научных публикациях и представлены на рисунке. Поскольку Солнце ближе всего подходит к Земле в январе (зима северного полуша- рия), распределение суточных сумм солнечной энергии происходит не совсем равномер- но. Южное полушарие получает больше радиации, чем северное. Максимальная инсоля- ция имеет место летом на полюсах, что связано с длительностью светлого времени суток (24 часа). Минимальное количество, естественно равное нулю во время полярных ночей, соответствует обоим полюсам. 52

Рисунок 3.4 – Суточные суммы солнечной радиации, приходящие на единичную площадку на верхней границе атмосферы, в зависимости от широты и времени года [12] Распределение электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем и приходящего на верхнюю границу атмосферы Земли в зависимости от длины волны λ, называется спектром Солнца. В определение спектра Солнца удобно добавить требования из определения солнеч- ной постоянной как приходящей солнечной энергии в единицу времени на единичную площадку, перпендикулярную лучам, на среднем расстоянии от Земли до Солнца – 149500000 км. Такую величину часто называют спектральной солнечной постоянной S0(λ), а для солнечной постоянной, введенной ранее, используют уточняющий термин – интегральная солнечная постоянная S0 ∫ ( ) (3.9) Стандартный спектр Солнца хорошо аппроксимируется формулой Планка для тем- пературы излучения абсолютно черного тела 5800-6000 0К. На рисунке показана кривая излучения абсолютно черного тела при температуре T = 5785 0К и стандартный спектр Солнца. 53

Рисунок 3.5 – Стандартный спектр Солнца с грубым спектральным разрешением и спектр абсолютно черного тела, Т=5785 0К. УФ, ВД, ИК, Микроволны – ультрафи- олетовое, видимое, инфракрасное и микроволновое излучения [28] Формула Планка хорошо аппроксимирует спектр Солнца в его средней части – в диапазоне длин волн 0,2 мкм - 1 см. На краях солнечного спектра – в ультрафиолетовом (УФ) и радиодиапазоне отличия от излучения абсолютно черного тела при T = 5785 0К очень велики. Если рассмотреть спектр Солнца при высоком спектральном разрешении, то можно увидим не такую гладкую картину, а наличие многих фраунгоферовых линий, обусловленных поглощением различных элементов в солнечной фотосфере и хромосфере. Из всей солнечной энергии, приходящей к нашей планете, примерно 40 % приходится на видимый диапазон (0,4-0,7 мкм), 10 % – на более короткие длины волн и 50 % на длинно- волновое излучение. 3.3 Верхняя атмосфера Верхняя атмосфера – часть земной атмосфе- ры, простирающейся от высот 20-30 км до её внешней границы [10]. Согласно [25] «верхняя атмосфера» определяется как «верхние слои ат- мосферы» – слои атмосферы на больших высотах над земной поверхностью: стратосфера, мезосфе- ра, термосфера, ионосфера, экзосфера. Верхняя атмосфера защищает Землю от губи- тельного для всего живого коротковолнового из- лучения Солнца – гамма, рентгеновское и уль- трафиолетовое излучение. Для высот верхней атмосферы определяющими являются процессы молекулярного поглощения солнечной радиации ионами, атомами и молекулами О, О2, О3, N, N2, NO. Высоты в атмосфере, для которых оптическая толщина (от верхней границы) равна еди- нице, представлены на рисунке. 54

Рисунок 3.6 – Высоты в атмосфере, для которых оптическая толщина (от верхней границы) равна 1 [28] Коротковолновая часть солнечной радиации определяется тремя видами излучения: гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) – вид электромагнитного излучения с чрезвы- чайно малой длиной волны – менее 5·10-3 нм (частота – более 6·1019 Гц), с ярко выражен- ными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Источник – ядер- ные и космические процессы, радиоактивный распад; рентгеновское излучение – электромагнитные волны, энергия фотонов которых ле- жит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 5·10−3 нм до 10 нм (частоты – 3·1016 - 6·1019 Гц). Источник – атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц; ультрафиолетовое излучение – излучение атомов под воздействием ускоренных электронов. Наибольшая часть коротковолнового излучения приходится на ультрафиолетовое излучение, которое сильно поглощается атмосферой Земли. Спектр поглощения озона О3 имеет пик примерно на длине волны 250 нм. При длине электромагнитной волны 250 нм озон поглощает практически всё излучение, при 300 нм – 97%. Большая часть солнечного излучения для длин волн 10-180 нм поглощается в слоях атмосферы выше 100 км. Для длин волн 200-300 нм основное поглощение происходит в слое атмосферы с нижней гра- ницей при 30-40 км. Солнечное излучение начинает достигать поверхности Земли, начи- ная с длин волн, больших 300 нм. Для длин волн 300-900 нм большая часть солнечного излучения достигает поверхности Земли. Ультрафиолетовая часть спектра занимает диапазон меж- ду фиолетовой границей видимого излучения и рентгенов- ским излучением. В 1801 году немецкий физик Иоганн Виль- гельм Риттер обнаружил, что хлорид серебра, разлагающийся под действием света, быстрее всего разлагается под действи- ем невидимого излучения за пределами фиолетовой области спектра. Тогда многие ученые, включая Риттера, пришли к соглашению, что свет состоит из трех отдельных компонен- тов: окислительного или теплового (инфракрасного) компо- нента, осветительного компонента (видимого света), и вос- становительного (ультрафиолетового) компонента. В то вре- мя ультрафиолетовое излучение называли также актиниче- ским излучением, по способности воздействовать на кон- кретные светочувствительные материалы. В соответствии со стандартом ISO-DIS-2134 введены характеристики ультрафиоле- тового солнечного излучения, отражённые в таблице. Представленные в таблице диапазо- ны УФ-А, УФ-В, УФ-С введены биологами, как наиболее важные в их работе. 55

Таблица 3.1 – Характеристики ультрафиолетового солнечного излучения Длина волны, Количество энергии Наименование Аббревиатура нм на фотон, эВ Ближний NUV 400 нм - 300 нм 3.10 - 4.13 эВ Средний MUV 300 нм - 200 нм 4.13 - 6.20 эВ Дальний FUV 200 нм - 122 нм 6.20 - 10.2 эВ Экстремальный EUV, XUV 121 нм - 10 нм 10.2 - 124 эВ Ультрафиолет А, длинноволновой УФ-А, UVA 400 нм - 315 нм 3.10 - 3.94 эВ диапазон Ультрафиолет B, средневолновой УФ-В, UVB 315 нм - 280 нм 3.94 - 4.43 эВ диапазон Ультрафиолет С, коротковолновой УФ-С, UVC 280 нм - 100 нм 4.43 - 12.4 эВ диапазон Ближний ультрафиолетовый диапазон часто называют «чёрным светом», так как он не распознаётся человеческим глазом, но при отражении от некоторых материалов спектр переходит в область видимого излучения. Для дальнего и экстремального диапазона часто используется термин «вакуумный» (VUV), в виду того, что волны этого диапазона сильно поглощаются атмосферой Земли. Ультрафиолет может быть весьма вреден для здоровья человека, поэтому в 1994 го- ду Всемирная метеорологическая организация (ВМО) совместно с Всемирной организа- цией здравоохранения (ВЛЗ) предложили ввести индекс солнечного ультрафиолета – UV- индекс, Вт/м2. Значение UV-индекса, равное 1 или 2, соответствует низкой степени воз- действия ультрафиолетового излучения, от 3 до 5 – умеренной, от 6 до 7 – высокой, от 8 до 10 – очень высокой, 11 – опасной для человека. Верхняя атмосфера покрывается одной из самых значимых для Земли геосфер – магни- тосферой, областью пространства вокруг Зем- ли, в котором поведение окружающей плазмы определяется магнитным полем Земли. С дневной стороны Земли магнитосфера простирается до 8-14 радиусов Земли, с ночной – вытянута, образуя магнитный хвост Земли длиной миллионы километров. Нижняя грани- ца магнитосферы находится на высотах 150- 400 км. Внутри магнитосферы располагается радиационные пояса Земли. С наличием магнитосферы связаны многие проявления космической погоды, такие как геомагнитная активность, геомагнитные бури и суббури. Магнитосфера обеспечивает защиту от солнечного ветра – быстрый поток горячей плазмы, уходящей от Солнца во всех направлениях. Типичная скорость солнечного ветра на границе земной магнитосфе- ры 300-800 км/с. Солнечный ветер состоит из протонов, альфа-частиц и электронов. Марс, магнитное поле которого очень мало, как полагают, потерял значительную часть своих бывших океанов и атмосферы отчасти за счет прямого воздействия солнечно- го ветра. 56

3.4 Океаносфера Воды Мирового океана занимают площадь свыше 361 млн. км2 (около 70,8% площади поверхности земного шара) и играют исклю- чительно важную роль в развитии эпигео- сферы Земли, что послужило введению поня- тия «океаносфера», тождественного понятию «Мировой океан» [27]. Атмосфера и океан находятся в непосредственном контакте, непрерывно обмениваются энергией и веще- ством. Все процессы в океане и атмосфере (кроме приливов) имеют единый источник энергии – солнечное излучение. Усвоение солнечной радиации зависит от состояния атмосферы и океана, поэтому нельзя отделить получение энергии от процесса её передачи и трансформации, которые вместе формируют природную среду, её физические, химические и биологические харак- теристики, а также скорость преобразования энергии из одного вида в другой. Воды Мирового океана при их высокой теплоемкости, которая в 4 раза больше, чем у воздуха, поглощают солнечной энергии в среднем за год около 377 кДж/см2, а суша – около 209 кДж/см2. В низких широтах Мировой океан поглощает солнечной энергии на 25-50% больше, чем суша. В тропиках в среднем за год величина поглощенной солнечной энергии составляет около 419-502 кДж/см2 в океанах и 252-335 кДж/см2 на суше. С удале- нием к полюсам это различие постепенно уменьшается [12]. Общее количество солнечной энергии, поглощаемой Мировым океаном, определено в 124,3×I019 кДж за год, что составляет почти 80% всей радиации, достигаемой поверхно- стью планеты. К тому же океаносфера является главным аккумулятором солнечного теп- ла; в ней содержится в 21 раз больше того количества тепла, которое ежегодно поступает от Солнца к поверхности Земли. В десятиметровом слое океанических вод в 4 раза больше тепла, чем во всей атмосфере. Около 80% солнечной энергии, поглощаемой Мировым океаном, расходуется на ис- парение (112,2×I019 кДж в год, тогда как в пределах суши около 17,2×1019 кДж в год). При всей внушительности этой цифры она составляет всего около 3% тепла, накопленного Мировым океаном. На турбулентный теплообмен с атмосферой уходит остальная часть поглощаемой солнечной радиации (11,3×I019 кДж в год, приблизительно столько же, сколько на суше); это лишь 0,4% общего теплосодержания океаносферы. В радиационный и вещественный обмен с атмосферой вовлечён деятельный слой океана – поверхностный слой воды в несколько сотен метров, на нижней границе которо- го практически затухают температурные колебания годового периода. Формирование термогидродинамического режима этого слоя обусловлено, в основном, процессами энер- гетического и вещественного обмена с атмосферой на его верхней границе, объемного по- глощения лучистой энергии и турбулентного перемешивания в воде. Толщина деятельно- го слоя океана составляет около 80-150 м в умеренных и увеличивается до 300-400 м в по- лярных и тропических широтах. Определяющими силами в нём являются: сила градиента давления, сила Кориолиса и турбулентного трения. Если на суше тепло поглощается в весенне-летний период и расходуется в осенне- зимнее время, то в Мировом океане тепло накапливается в тропиках, а в умеренных и по- лярных областях (приблизительно от 300- 400 широты в обоих полушариях) отдается в ат- мосферу. Основная общепланетарная закономерность турбулентного теплообмена состоит в его влиянии на повсеместное смягчение климата: в низких широтах с океана на сушу выносится более холодный воздух, а в высоких широтах на континенты приходят более 57

теплые воздушные массы. Поглощаемое в тропиках тепло Мирового океана переносится течениями в высокие широты, смягчая климат умеренных и полярных областей. Напри- мер, Гольфстрим несёт в 22 раза больше тепла, чем все реки земного шара. Общеизвестно, сколь благоприятно влияние Гольфстрима на климат Европы. Под воздействием Нордкап- ской ветви этого течения, обогревающей Скандинавию, Мурманский порт оказывается доступным для судов в продолжение всей холодной части года, тогда как Ждановский порт на Азовском море, расположенный на 2500 км южнее, замерзает на два месяца. Между энергией и веществами, вовлекающимися в планетарный обмен, существует тесная взаимозависимость. Так, связь между обменом теплом и влагой можно наглядно проследить по испарению, являющемуся главной расходной составляющей обоих процес- сов. Для испарения влаги, находящейся в воздухе в течение каждого годового цикла, необходима затрата энергии около 12,6×1020 кДж. Приблизительно столько же тепла бу- дет отдано тропосфере в процессе конденсации водяных паров. Таким образом, осуществ- ляется необходимое динамическое равновесие между количеством поглощаемой солнеч- ной радиации и теплом, затрачиваемым на испарение, с одной стороны, и между энергией, выделяемой при конденсации водяных паров, и её расходованием на поддержание атмо- сферной циркуляции, с другой стороны. Без тесной связи между этими процессами проис- ходило бы постепенное односторонне направленное потепление или похолодание клима- та. Такое нарушение может возникнуть в результате дальнейшего развития хозяйственной деятельности человека. Океаносфера играет большую роль и в поддержании динамического равновесия пла- нетарного газообмена. Такое равновесие постоянно нарушается в условиях сложного и длительного глобального перераспределения водных и воздушных масс, изменения харак- тера и интенсивности биохимических процессов, протекающих у поверхности Земли в толще геосфер. «Океаническая вода, – писал академик А.П. Виноградов в 1967 году, – регулирует объем кислорода атмосферы и его изотопный состав, скорость проникновения кислорода (как и других газов) атмосферы и «нового» кислорода из фотосин- тезирующего слоя в океаническую воду, первоначальные и конечные объемы растворённого кислорода. Иными словами, скорость вентиляции Mирового океана, оборачиваемость кислорода, будучи изучены еще глубже, осветили бы исто- рию формирования атмосферы». При весьма активном газообмене океаносферы с атмосферой в каждой из них сохра- няется постоянство соотношений кислорода и азота, несмотря на то, что эти зависимости различны в воздухе и воде. Если в атмосфере азота (по объему) в 4 раза больше, чем кис- лорода, то в океане только в 2 раза, что объясняется высокой растворимостью кислорода по сравнению с азотом. Общее содержание газов в Мировом океане составляет 33×I012 тонн. Сколь это вели- ко, можно судить по сопоставлению со всей массой газов в атмосфере, равной 5,3×I015 тонн. Количество кислорода, растворенного в океаносфере, составляет 7,5×I012 тонн, что в 158 раз меньше, чем в атмосфере, 1184×1012 тонн. При этом фитопланктон ежегодно про- дуцирует 215 млрд. тонн. Поглощая из воздуха 55 млрд. тонн кислорода, Мировой океан выделяет в атмосферу 61 млрд. тонн. Таким образом, воздушная оболочка Земли ежегодно получает из океана 6 млрд. тонн этого газа [24]. Общая масса растворённого кислорода достаточна для активного развития жизни и окисления всей массы органических и мине- ральных продуктов в океаносфере. Кроме того, еще остаются большие его излишки; в 58

океаносфере сосредоточено огромное его количество, за счет чего поддерживается дина- мическое равновесие в планетарном газообмене. В океаносфере и атмосфере помимо самостоятельных систем выделения кислорода и поглощения углекислого газа осуществляется довольно активный планетарный обмен двуокиси углерода. Являясь химически активным, углекислый газ принимает участие во многих реакциях и процессах, протекающих в геосфере: вовлекается в биохимический обмен, приводящий к созданию органики, формированию и развитию пищевой цепи, в глобальном круговороте органических веществ, изменении климатических условий на Земле и общепланетарном обмене веществ в целом. При этом, как писал академик А.П. Виноградов, океан действует как грандиозный насос, забирая CO2 из атмосферы в холод- ных областях и отдавая его в тропических. В планетарном обмене веществ между океаносферой, земной корой и атмосферой происходит постоянное перераспределение, накопление и возобновление растворенных и взвешенных продуктов минерального и органического происхождения, а также отложение их на дне Мирового океана. Основная масса материалов механического и химического разрушения суши, в конечном счете, сносится в океаны и моря речным и подземным сто- ком. По различным данным взвеси, выносимые реками, оцениваются от 12,7 до 18,5 млрд. тонн в год. Сток растворённых веществ определяется в 3,3-3,6 млрд. тонн в год, что в 4-5 раз меньше выноса в Мировой океан твердых материалов. Общая масса веществ, прино- симых речными водами, около 16-22 млрд. тонн в год. В океаносфере содержится в 100 раз больше взвеси (1370 млрд. тонн) по сравнению с ежегодным их приносом с речным стоком. Все растворенные и взвешенные в океаносфере вещества подвергаются сложнейшей переработке, в которой большую роль играют бактерии животных и растительных орга- низмов. Около 70% всей массы этих продуктов преобразуют бактерии. Последняя стадия трансформации происходит в донных отложениях. Экспериментальные данные показали, что в результате разложения минеральных и органических отложений получаются совер- шенно тождественные продукты как в химическом, так и в минералогическом отношении. Основой их является агрегат глинистых минералов, представляющий собой такой же вод- ный алюмосиликат, который обыкновенно составляет главную массу тонких илов и глин, являющихся преобладающими типами терригенных осадков в океане. Следовательно, различные по составу донные отложения дают одни и те же конечные продукты распада; по-видимому, это объясняется тем, что основа алюмосиликатов – каолиновое ядро – ока- зывается наиболее стойким соединением. Поэтому алюмосиликаты и составляют основу земной коры. Таким образом, происходит постоянный обмен веществ между сушей и оке- аносферой. Он начинается с выветривания горных пород, продукты разрушения которых переносятся водами и ветром в Мировой океан; выходя на дневную поверхность, донные отложения превращаются в горные породы. Таким образом, в процессе геологических преобразований замыкается планетарный круговорот веществ. На этом примере просле- живается связь между процессами различных категорий – от микромасштабных до геоло- гических циклов, приводящих к коренным изменениям природы Земли. Мировой океан является не только важнейшим звеном глобального обмена веществ, но и областью, в пределах которой завершается конечный распад минеральных и органи- ческих продуктов. Таким образом, океаносфера оказывает огромное влияние на глобаль- ный обмен энергии, веществ, а тем самым и на природу всей Земли. Проникновение света в воду зависит от её прозрачности. Прозрачность выражается числом метров, то есть глубиной, на которой ещё виден белый диск диаметром 30 см. Наибольшая прозрачность (67 м) наблюдалась в 1971 года в центральной части Тихого океана. Близка к ней прозрачность Саргассова моря – 62 м. Другие акватории с чистой и прозрачной водой располагаются также в тропиках и субтропиках: в Средиземном море – 60 м, в Индийском океане – 50 м. Высокая прозрачность тропических акваторий объясня- ется особенностями циркуляции воды в них. В морях, где количество взвешенных частиц 59

увеличивается, прозрачность уменьшается. В Северном море она равна 23 м, в Балтий- ском – 13 м, в Белом – 9 м, в Азовском – 3 м. Прозрачность воды имеет высокое экологическое, биологическое и географическое значение: вегетация фитопланктона возможна только до глубин, на которые проникает солнечный свет. Для фотосинтеза требуется сравнительно много света, поэтому с глубин 100-150 м, редко 200 м растения исчезают. Нижняя граница фотосинтеза Средиземного моря находится на глубине 150 м, Северного моря – 45 м, Балтийского моря – всего 20 м. Взаимодействие воздушной и водной оболочек начинается с тончайшего, в несколь- ко молекулярных диаметров, но не больше 1 мм слоя. Именно с этого слоя происходит испарение, этот слой воспринимает удары и трение воздуха, на него падают лучи. При волнении ветром срываются капли воды с растворенной в них солью. Так происходит ме- ханическое испарении. Воздушные пузырьки воды лопаются и в воздухе оказываются во- дяной пар и кристаллы соли. Под воздействием солнечного тепла происходит физическое испарение. От поверхности моря отрываются молекулы воды, а с ними и соль. Так в атмо- сферу проникают пар и аэрозоли. При солевом обмене между океаносферой и атмосфе- рой, образно называемом солевым дыханием океана, соли не только переходят из воды в воздух, но меняется их механический состав. Речной сток восполняет убыток сульфатов в океане в процессе обмена солями в системе «океаносфера - атмосфера - суша». Горизонтальный и вертикальный переносы масс воды в океане осуществляется циркуляционными си- стемами различных размеров, которые принято де- лить на микро-, мезо- и макроциркуляционные систе- мы. Обращение воды обычно происходит в форме си- стемы вихрей, которые могут быть циклоническими – масса воды движется против хода часовой стрелки и поднимается и антициклоническая – движение воды по ходу часовой стрелки и вниз. Движения обоих видов соответствуют атмосферным движениям и порождаются волновыми фронтальными возмущениями. Циклоническая и антициклоническая деятель- ность в тропосфере продолжается вниз, в океаносферу. Локализуется же она в соответ- ствии с атмосферными фронтами и центрами действия атмосферы. При постоянном перемещении водных масс в одних местах они сходятся, в других расходятся. Сходимость называется конвергенцией, расходимость – дивергенцией. При конвергенции вода накапливается, уровень океана повышается, увеличивается давление и плотность воды и она опускается. При дивергенции (например, при расхождении течений) происходит понижение уровня и подъем глубинных вод. Схождение и расхождение может быть между движущейся водной массой (напри- мер, течением) и берегом. Если в результате действия силы Кориолиса течение подходит к берегу, то возникает конвергенция и вода опускается. При удалении же течения от берега наблюдается дивергенция, в результате которой поднимается глубинная вода. Наконец, и вертикальная, и горизонтальная циркуляция вызывается разностью плотностей воды. Микроциркуляционные системы в океане имеют форму вихрей циклонического и ан- тициклонического характера диаметром от 200 м до 30 км. Образуются они обычно вдоль волновых возмущений фронта, в глубину проникают на 30-40 м, местами до 150 м и су- ществуют несколько суток. Мезоциркуляционные системы представляет собой круговороты воды также цикло- нического и антициклонического характера диаметром от 50 до 200 км и глубиной обычно 200-300 м, иногда до 1 км. Возникают на изгибах фронтов. Замкнутые круговороты воды формируются и вне связи с фронтами. Их могут вызвать ветры, неровности океанического дна или конфигурация берегов. 60

Макроциркуляционные системы – это квазистационарные системы планетарного об- мена вод, обычно называемые океанскими течениями. Океаносфера является важнейшим объектом среды гидрометеорологической систе- мы Земли с географическими характеристиками: около 70,8% поверхности земного шара и 94% площади поверхности гидросферы. Общее количество поглощаемой солнечной энергии в год около 121,4×I019 кДж, что составляет почти 80% всей радиации, достигаю- щей поверхности планеты. Имеет многократный запас тепловой энергии относительно ежегодно поступающей энергии Солнца. Океаносфера активно взаимодействует с нижней атмосферой. Сопоставляя величину приходо-расходных сумм теплообмена через поверх- ность Мирового океана с его теплосодержанием в [27] сделан вывод, что ежегодно в такой обмен с атмосферой вовлекается поверхностный слой толщиной около 50 м. Теплообмен наиболее деятельной двухсотметровой толщи вод осуществляется за 3-4 года. Толщина деятельного слоя океана составляет около 80-150 м в умеренных и увели- чивается до 300-400 м в полярных и тропических широтах, является сферой общих науч- ных и практических интересов океанологии и гидрометеорологии. 3.5 Континентальная земная кора Свойство устойчивости гидрометеорологической системы Земли наиболее ярко про- является для подсистем континентальной земной коры, что обусловлено статичным поло- жением её объектов и относительно постоянными энергетическими и вещественными по- токами взаимодействия с другими объектами системы и средой. Результатом устойчиво- сти гидрометеорологической системы является климат [от др.-греч. кλίμα - наклон] – ста- тистический режим атмосферных условий (условий погоды), характерный для каждого данного места на Земле в силу его географического положения. Из многочисленных классификаций климатов для всего земного шара наиболее известна и распространена класси- фикация климатов В.П. Кёппена, разработанная в 1900 го- ду, с некоторыми дальнейшими изменениями в 1918, 1923, 1931 и 1936 годах. Если первый вариант классификации основывался на ботаническом подходе, то в последующих вариантах классификация стала климатической и опира- лась на связь с растительностью. Кёппен определил по простейшим метеорологическим показателям (в основном месячному распределению температур и осадков) границы ботанических зон и осадков, а в дальнейшем восстановил границы, соответствующих климатов по метеорологиче- ским показателям, не отступая от них, несмотря на отдель- ные невязки. Предложенные средства классификации ока- зались наиболее доступны для исследователей. Классификация климатов, основанная на учёте режима температуры и осадков, представлена на рисунке и определяет 5 типов климатических зон: А – влажная тропическая зона без зимы; В – две сухие зоны, по одной в каждом полушарии; С – две умеренно тёплые зоны без регулярного снежного покрова; D – две зоны бореального климата на материках с резко выраженными границами зимой и летом; Ε – две полярные области снежного климата. 61

Границы между зонами проводятся по определённым изотермам самого холодного и самого тёплого месяцев и по соотношению средней годовой температуры и годового ко- личества осадков при учёте годового хода осадков. Рисунок 3.7 – Карта климата по В.П. Кёппину Внутри зон типа А, С и D различаются климаты с сухой зимой (W), сухим летом (S) и равномерно влажные (f). Сухие климаты по соотношению осадков и температуры делятся на климаты степей (BS) и климаты пустынь (BW), полярные климаты – на климат тундры (ЕТ) и климат веч- ного (постоянного) мороза (EF). Таким образом, получается 11 основных типов климата. Для дальнейшей детализа- ции вводятся 23 дополнительных признака и соответствующие индексы (а, b, c, d и т.д.), основанные на деталях в режиме температуры и осадков. Многие типы климатов по клас- сификации климатов Кёппена известны под названиями, связанными с характерной для данного типа растительностью. Буквенные обозначения для климатической классификации Кёппена: A – тропический и экваториальный; B – сухой, субэкваториальный, тропический; C – умеренный, субтропический и континентальный; D – континентальный, субарктический (бореальный); E – полярный, субарктический, арктический; Af – климат тропических лесов; 62

Aw – климат саванн; BS – климат степей; BW – климат пустынь; Cs – климат умеренно тёплый с сухим летом (средиземноморский); Cw – климат умеренно тёплый с сухой зимой; Cf – климат умеренно тёплый с равномерным увлажнением; Ds – климат умеренно холодный с сухим летом; Dw – климат умеренно холодный с сухой зимой; Df – климат умеренно холодный с равномерным увлажнением; ЕТ – климат тундры; EF – климат постоянного мороза. Дополнительные буквы классификации (третья для самого жаркого, четвёртая для самого холодного месяца в году): i – сильнейшая жара: 350C и выше; h – очень жарко: 28 – 350C; a – жарко: 23 – 280C; b – тепло: 18 – 230C; l – средне: 10 – 180C; k – прохладно: 0 – 100C; o – холодно: -10 – 00C; c – очень холодно: -25 – -100C; d – мучительно холодно: -40 – -250C; e – вечная мерзлота: -400C и ниже. Например: BWhl (Асуан, Египет) – пустынный климат с температурой июля 28-350C, в январе 0 10-18 C; Dfbo (Москва, Россия) – умеренно-холодный (континентальный) с температурой июля 18-230C, в январе -10 – 00C; Cshk (Анталья, Турция) – средиземноморский климат с температурой июля 28-35°C, в январе 0-100C. Кроме классификации климатов по В.П. Кёппену известны и другие классификаци- онные системы Б.П. Алисова (1981-1972), Л.С. Берга (1876-1950), Альфреда Гетнера (1859-1941), Эмманюэля де Мартонна (1873-1955) и т.д. В 1936 году Б.П. Алисов предложил генетическую класси- фикацию климатов земного шара, основанную не на характе- ристиках климатических элементов – температура, влажность, радиационный фон, скорость ветра, количество осадков, ис- парение, а на динамике воздушных масс. В основу генетической классификации климатов положено деление земной поверхности на климатические и промежу- точные пояса в соответствии с условиями общей циркуляции атмосферы, выражающимися в преобладании воздушных масс определенного географического типа – круглый год или в один из двух основных сезонов. Границы между поясами намечаются главным образом по положению климатологиче- ских фронтов зимой и летом. Алисов выделил семь главных климатических (циркуляционных) поясов: экватори- альный, два тропических, два умеренных, арктический и антарктический. Каждый из поя- сов характеризуется постоянным преобладанием воздушных масс географического типа, одноименного с поясом. 63

Рисунок 3.8 – Климатические пояса по Б.П. Алимову Различаются промежуточные пояса: два промежуточных пояса экваториальных муссонов с зимним преобладанием тро- пического и летнего экваториального воздуха; два промежуточных субтропических пояса с зимним преобладанием полярного и летним преобладанием тропического воздуха; промежуточный субарктический пояс с зимним преобладанием арктического возду- ха и летним преобладанием воздуха умеренных широт. В тропических и субтропических поясах выделяются подтипы климатов: континен- тальный, океанический, восточной периферии океанических антициклонов и западной пе- риферии океанических антициклонов. В умеренной зоне выделяют подтипы: континен- тальный, океанический, западных побережий, восточных побережий (муссонный), в суб- арктической и арктической зонах – континентальный и океанический подтипы. Насколько разнообразно в пространстве и времени (в пределах периодичности изме- нений) системное свойство гидрометеорологической системы Земли – климат, столь же разнообразно свойство поверхности континентальной коры Земли – деятельного слоя и её подстилающей (деятельной) поверхности. Если с понятием «земная поверхность» чаще всего связывается представление о форме поверхности с учётом суши и моря, то понятие «подстилающая поверхность» обозначает земную поверхность со всеми присущими ей свойствами, важными для атмосферы – форма, характер пород, цвет, температура, влаж- ность, растительный покров и т.д. Различные типы подстилающей поверхности по-разному поглощают солнечную ра- диацию и отдают тепло атмосфере, испаряют влагу и воздействуют на силу ветра, создают мезоклимат. Мезоклимат – климат сравнительно небольших и достаточно однородных по природным условиям территорий (лесные массивы, поляны, долины, города, побережья и 64

т.п.), накладывающийся на общеклиматические условия (макроклимат). Свойства подсти- лающей поверхности определяют как глобальная циркуляция атмосферы, так и особенно- сти местной атмосферной циркуляции, вызывая образование бризов, горных ветров и пр. Заметим, что континентальная кора не определяется только береговой линией, а включает шельф – относительно мелководные (до нескольких сотен метров) участки дна океанов, окраинных и внутренних морей, окаймляющие континенты и острова. Границей шельфа со стороны суши служит береговая линия, внешняя граница проводится по бровке – перегибу с океанской стороны, ниже которой глубины дна резко возрастают. Глубина бровки меняется в широких пределах от десятков метров (например, остров Куба) до 400- 500 м (полуостров Лабрадор) и даже 600-700 м (Японское море). Там, где бровка в релье- фе не выражена (например, дельты крупных рек, таких, как Ганг), за внешнюю границу шельфа принимают изобару 200 м – примерную среднюю глубину перегиба. Площадь шельфа составляет 31194 тыс. км2 (около 8% площади дна Мирового океана), средняя глубина 132 м, ширина от 1-3 до 1500 км. Наиболее обширен шельф у северной окраины Евразии, где его ширина достигает 1,5 тыс. километров, а также в Беринговом море, Гуд- зоновом заливе, Южно-Китайском море, у северного побережья Австралии. При определении понятия гидрометеорологической системы Земли континентальная кора рассматривается без шельфа, который включается в океаническую часть среды, в со- ставе континентов и островов, которые определяются береговой линией и включают сушу и часть поверхности залитой озёрами, водохранилищами, реками или другими водными объектами. Общая площадь суши планеты Земля около 149 млн. км2, из них 27% покрыта лесами и 22% – пустынями. Среди них полярная пустыня Антарктида с площадью 13829430 км2. На поверхность выходят объекты континентальной земной коры: базальтовые и гра- нитные слои, осадочные породы. На осадочных породах образуется почва – особая при- родная мембрана (биогеомембрана), регулирующая взаимодействие между биосферой, гидросферой и атмосферой Земли. Почвы являются функцией от климата, рельефа, исход- ной почвообразующей породы, микроорганизмов, растений и животных (то есть биоты в целом), человеческой деятельности и изменяются со временем. Суточный ход температуры гранитных и базальтовых образований, осадочных пород и почвы характеризуется одним максимумом около 13 ч (местного времени) и минимумом в 4-5 ч (перед восходом солнца). Наибольшие колебания температуры происходят на по- верхности и в слое 0-1 см; на глубине 3-5 см они резко уменьшаются. На глубине 35-100 см суточные колебания часто не наблюдаются. Время максимума и минимума температу- ры на разной глубине наступает с некоторым запозданием, в среднем 2-3 ч на каждые 10 см глубины. В годовом ходе максимум средней суточной температуры наблюдается в июле - августе, минимум – в январе - феврале. Следовательно, в годовом ходе температу- ры проявляются два периода с различной направленностью потока тепла. Летом тепло идёт от верхних горизонтов к нижним горизонтам, а зимой – наоборот. Годовые колеба- ния температуры грунта отмечаются на глубинах от 20 до 40 м. На глубинах 20-40 м рас- полагается нейтральный слой (зона постоянных температур). В пределах этого слоя тем- пература остаётся практически постоянной и в каждом районе в среднем на 3,7 0С выше средней температуры воздуха. Кроме рассмотренных выше основных взаимодействующих с гидрометеорологиче- ской системой Земли объектов среды – Солнце, верхняя атмосфера, океаносфера и конти- нентальная кора, существуют и другие объекты среды, оказывающих влияющие на её со- стояние. Среди них – гравитационное поле Луны, влияющее на динамику земной поверх- ности, геологические процессы – вулканическая деятельность, движение материков, ан- тропогенные процессы – воздействия на все элементы гидрометеорологической системы и др. При этом основным объектом среды, оказывающим наиболее существенное воздей- ствие на гидрометеорологическую систему Земли, является Солнце и океаносфера. 65

4 Факторы гидрометеорологической системы Земли Гидрометеорологическая система Земли является су- персложной динамической системой, состояние которой изменяется во времени под воздействием определённых причинно-следственных связей. Причина – движущая сила совершающегося процесса или одно из основных его условий, является синонимом широко используемому в гидрометеорологии понятию «фактор» [от лат. factor - де- лающий, производящий]. Процесс [от лат. processus - про- хождение, продвижение] – последовательная смена состо- яний, тесная связь закономерно следующих друг за дру- гом стадий развития, представляющих непрерывное еди- ное движение. Являются следствиями материализации причин – гидрометеорологических факторов. Понятие «фактор» обычно применяется в сочетании «климатические факторы» – физические механизмы, определяющие внешнее воздействие среды – факторы среды и основные взаимодействия между объектами гидрометеорологической системы Земли – внутренние факторы, являющиеся причинами и условиями образования климата. Ис- пользуется также в сочетании с понятием «погода» – метеорологические (погодные) фак- торы. К метеорологическим факторам обычно относят: температуру, атмосферное давле- ние и относительную влажность воздуха, солнечную радиацию, скорость ветра в призем- ном слое, туман, атмосферные осадки, гололёд и пр. Погодные факторы оказывают в раз- личных комбинациях воздействие на людей и их деятельность. Понятие «процессы» обычно используется в сочетании с понятиями «климатические процессы» и «атмосфер- ные процессы» – процессы в атмосфере, формирующие климат и погоду. Рассмотренные понятия «климатические факторы», «метеорологические (погодные) факторы», «климатические процессы», «атмосферные процессы» являются определённой идеализацией и носят обобщающий (агрегативный) характер, связанный со степенью по- нимания и возможностью современного моделирования гидрометеорологических процес- сов Земли. Достаточно сказать, что к гидрометеорологическим процессам относят столь сложные и масштабные по планетарным меркам процессы как, например, прогрев Земли солнечными лучами (радиацией) и обмен теплом её поверхности с атмосферой, общую циркуляцию атмосферы и оборот влаги между атмосферой и земной поверхностью и т.д. Следует подчеркнуть, что погода есть текущая реализация состояния гидрометеоро- логической системы Земли, а климат – его статистическая оценка для годового цикла и характеристика эмерджентного свойства устойчивости системы. С точки зрения теории устойчивости климат есть некоторый устойчивый предельный цикл состояния гидроме- теорологической системы Земли, определяемый статистически на основе годовых реали- заций погоды. Понятие «состояние гидрометеорологической системы Земли» также является опре- делённой идеализацией, зависящей от прикладного понимания протекающих процессов для человека и его деятельности, а также глубины и степени обобщения (декомпозиции и агрегации) в модельных представлениях гидрометеорологических процессов и гидроме- теорологических факторов. Сложность понятия состояния связана с тем, что состояние не всегда может быть определено вектором числовых показателей, а связано с введением ха- рактеристик географических пространственных объектов, характеризующихся часто большими пространственными размерами и неоднородностью. Например, облачные си- стемы, циклоны, движение атмосферных масс, распределение атмосферного пара и антро- погенных продуктов деятельности человека, океанические течения и т.д. 66

4.1 Факторы среды гидрометеорологической системы Земли Физические механизмы, определяющие внешнее воздействие среды на гидрометео- рологическую систему Земли, весьма разнообразны и включают следующие основные гидрометеорологические факторы среды:  солнечная радиация;  планетарные свойства Земли;  эндогенная энергия Земли. Солнечная радиация. Проявляется как комплексный фактор, определяемый физикой Солнца, геофизическими свойствами верхней атмосферы и особенностями движения Зем- ли. С физикой Солнца связаны электромагнитное излучение (солнечная радиация, лучи- стая энергия) и корпускулярное излучение (солнечный ветер). Электромагнитное излучение включает губительное для всего живого на Земле ко- ротковолновое (гамма, рентгеновское и ультрафиолетовое) излучение, которое поглоща- ется верхней атмосферой. Солнечный ветер – это поток заряженных частиц, истекающих из солнечной короны со скоростью 300- 1200 км/с. Интенсивность солнечного ветра зависит от изменения солнечной активности. При столкнове- нии с магнитосферой со стороны Солнца солнечный ветер образует ударную волну, магнитосфера прижи- мается к Земле. С обратной стороны планеты образу- ется длинный магнитосферный хвост. При усилении солнечной активности усиливается и поток солнечно- го ветра, что может сказаться на различных геофизи- ческих процессах, протекающих на Земле. В среднем Солнце излучает с ветром около 1,3×1036 частиц в секунду, полная потеря массы Солнцем на данный вид излучения составляет за год (2-3)×10−14 солнечной массы. Это эквивалентно потере массы, равной земной, за 150 миллионов лет. Магнитосфера Земли представляет собой область пространства вокруг планеты, в которой поведение окружающей плазмы определяется магнитным полем Земли. Образу- ется в результате взаимодействия магнитного поля планеты с солнечным ветром. Является основной защитой Земли от солнечного ветра. В магнитосфере определено наличие внутреннего и внешнего радиационного пояса – области магнитосферы, в которых накапливаются и удерживаются проникшие в магни- тосферу высокоэнергичные заряженные частицы, в основном протоны и электроны. Внут- ренний радиационный пояс начинает проявляться на высоте около 500 км над Атлантикой и включает в основном протонное наполнение, внешний радиационный пояс проявляется на высоте 2-3 радиусов Земли и заполнен в основном электронами. Некоторые научные теории рассматривают протоны внутреннего радиационного пояса как строительный ма- териал для образования молекул воды и гидросферы Земли. Солнечная радиация. По земным меркам светимость Солнца колоссальная и состав- ляет 3,85×1023 кВт. Даже ничтожная доля энергии, которую получает земной шар (а это, примерно, одна десятимиллиардная) по своей мощности в десятки тысяч раз больше, чем могут выработать все электростанции мира. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько её содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив. Особенностью физического механизма, определяющего воздействие солнечной ра- диации на гидрометеорологическую систему Земли, является относительно постоянное значение приходящего к Земле излучения, а также годовая и суточная периодичность его воздействия на гидрометеорологическую систему. 67

Солнечная радиация количественно характеризуется величиной солнечной постоян- ной S0 – количество солнечной энергии, приходящей за единицу времени на перпендику- лярную солнечным лучам единичную площадку на среднем расстоянии Земли от Солнца. По последним данным значение интегральной солнечной постоянной Земли составляет (1366 ± 1) Вт⋅м-2. Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите с параметрами: большая полуось – 149598261 км и эксцентриситет – 0,01671123, сидерический период обращения – 365,256366004 дня. В результате эллиптического движения зимой Земля получает от Солнца почти на 7% больше энергии, чем летом. Ось вращения Земли составляет с перпендикуляром к плоскости эклиптики острый угол φ = 23027', что обеспечивает циклическое годовое изменение средней суточной инсо- ляции на верхней границе атмосферы и радиационный нагрев полярных областей плане- ты. Для примера у Венеры и Юпитера угол φ = 30, а у Урана угол φ = 82005'. Рисунок 4.1 – Циклическое годовое изменение средней суточной инсоляции на верхней границе атмосферы Годовая цикличность инсоляции определяет устойчивый предельный цикл состоя- ния гидрометеорологической системы Земли, доведение энергии до всей земной поверх- ности (для полярных широт более 670 с годовой периодичностью), а суточное вращение Земли обеспечивает равномерный обогрев участков поверхности по долготе при заданных значениях широты. В результате энергетического воздействия приходящей солнечной радиации, движе- ния Земли по эллиптической орбите вокруг Солнца и особого режима суточного вращения Земли гидродинамической системы Земли характеризуется следующими температурными параметрами земной поверхности: мин./сред./макс. – - 89,20С / 140С / 56,70С, или соответ- ственно 1840К / 287,20К / 329,90К. Полюс холода расположен в Центральной части Антарктиды, на расстоянии 1260 км от берега, на вершине ледникового купола высотой 3488 м над уровнем океана. Именно здесь, на российской внутриконтинентальной станции «Восток», 21 июля 1983 года за- фиксировали самую низкую на Земле температуру воздуха -89,20С. Координаты станции 78028' ю. ш. и 106048' в. д. Самая высокая температура на Земле была зафиксирована в Долине Смерти 10 июля 1913 году, которая составила +56,70 С. Долина Смерти расположена в межгорной впадине в районе пустыни Мохаве на западе США в Калифорнии, к юго-востоку от горного хребта Сьера-Невада. 68

В долине Смерти расположена самая низкая точка Северной Америки – 36014' с. ш., 0 116 46' з. д., 86 метров ниже уровня моря. Планетарные свойства Земли. Изучаются в рамках геофизики. Планетарные свойства Земли (геофизические гидрометеорологические факторы) связаны со свойствами Земли как планеты. К этим факторам относятся размеры и масса планеты, ско- рость вращения вокруг оси, собственные гравита- ционное и магнитное поля, внутренние источники тепла, свойства поверхности планеты, которые определяют её взаимодействие с атмосферой. От- дельные дисциплины геофизики смыкаются с гео- логий и географией, что послужило основанием для выделения некоторых факторов среды. Гравитационное поле Земли. Самой главной, первичной характеристикой любой планеты является её масса М, которая совместно со средним радиусом планеты r0 опреде- ляет ускорение свободного падения g. 2 Ускорением свободного падения определяется выражением g = GM/r0 , где G – гравитационная постоянная, G = 6,67384×10−11 м³·с−2·кг−1. Для Земли основные физические характеристики определяются величинами: 24 масса – Mе = 5,9736×10 кг; средний радиус – R0 = 6371 км; ускорением свободного падения на экваторе – gе = 9,780327 м/с². Гравитационное поле определяет способность Земли удерживать атмосферу и её со- став. Чем больше масса планеты, тем легче ей при той же температуре экзосферы удержи- вать более лёгкие газы. Наоборот, чем меньше её масса, тем легче она теряет всё более тяжёлые газы и может вообще лишиться газовой оболочки. Гравитационное поле планеты определяет давление на поверхности и плотностную стратификацию атмосферы. Будь Земля более массивной, атмосфера такой же массы, как современная, была бы более тонкой и имела бы более устойчивую стратификацию. Параметры стандартной атмосферы Земли вводятся стандартами. Международная стандартная атмосфера (МСА) – гипотетическое вертикальное распределение температуры, давления и плотности воздуха в атмосфере Земли, которое по международному соглашению представляет среднегодовое и среднеширотное состояние. Составление первых МСА относится к 20-м годам XX века. В последующие годы в связи с ростом диапазонов скоростей и высот полётов снаряду с основными термодина- мическими параметрами в МСА стали указывать значения скорости звука, ускорения сво- бодного падения, молярной массы воздуха, вязкости, длины пробега молекул и другие па- раметры. Цель создания МСА – унификация исходных значений параметров атмосферы, ис- пользуемых при расчётах и проектировании авиационной техники, обработке результатов геофизических и метеорологических наблюдений и для приведения результатов испыта- ний летательных аппаратов и их элементов к одинаковым условиям. Основой для расчёта параметров МСА служат уравнения статики атмосферы и состояние идеального газа. В ряде стран на базе МСА создаются национальные стандарты атмосферы. В России принят ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная», соответствующий международному стандарту ИСО 2533, который определяет средние числовые значения параметров атмо- сферы Земли (давление, температура, плотность, число молекул или атомов в единице объёма и др.) до высот 1200 км, для широты 45032'33" и среднего уровня солнечной ак- тивности в зависимости от высоты над уровнем моря [15]. 69

Таблица 4.1 – Стандартная модель атмосферы, ГОСТ 4401-81 h (км) P (мбар) T (°К) ρ (г/см3) N (см–3) H (км) l (см) –3 19 –6 0 1013 288 1,22· 10 2,55·10 8,4 7,4·10 –3 19 –6 1 899 281 1,11·10 2,31·10 8,1·10 –3 19 –6 2 795 275 1,01·10 2,10·10 8,9·10 –4 19 –6 3 701 268 9,1·10 1,89·10 9,9·10 –4 19 –5 4 616 262 8,2·10 1,70·10 1,1·10 –4 19 –5 5 540 255 7,4·10 1,53·10 7,7 1,2·10 –4 19 –5 6 472 249 6,6·10 1,37·10 1,4·10 -4 19 –5 8 356 236 5,2·10 1,09·10 1,7·10 –4 18 –5 10 264 223 4,1·10 8,6·10 6,6 2,2·10 –4 18 –5 15 121 214 1,93·10 4,0·10 4,6·10 –5 18 –4 20 56 214 8,9·10 1,85·10 6,3 1,0·10 –5 17 –4 30 12 225 1,9·10 3,9·10 6,7 4,8·10 –6 16 –3 40 2,9 268 3,9·10 7,6·10 7,9 2,4·10 –6 16 –3 50 0,97 276 1,15·10 2,4·10 8,1 8,5·10 –7 15 60 0,28 260 3,9·10 7,7·10 7,6 0,025 –7 15 70 0,08 219 1,1·10 2,5·10 6,5 0,09 –8 14 80 0,014 205 2,7·10 5,0·10 6,1 0,41 –3 –9 13 90 2,8·10 210 5,0·10 9·10 6,5 2,1 –4 –10 13 100 5,8·10 230 8,8·10 1,8·10 7,4 9 –4 –10 12 110 1,7·10 260 2,1·10 5,4·10 8,5 40 –5 –11 12 120 6·10 300 5,6·10 1,8·10 10,0 130 –6 –12 10 3 150 5·10 450 3,2·10 9·10 15 1,8·10 –7 –13 9 4 200 5·10 700 1,6·10 5·10 25 3·10 –8 –14 8 5 250 9·10 800 3·10 8·10 40 3·10 –8 –15 8 300 4·10 900 8·10 3·10 50 –9 –15 7 400 8·10 1000 1·10 5·10 60 –9 –16 7 500 2·10 1000 2·10 1·10 70 –10 –17 6 700 2·10 1000 2·10 1·10 80 –11 –18 5 1000 1·10 1000 1·10 1·10 80 В таблице приведены: h – высота от уровня моря, Р – давление, Т – температура, ρ – плотность, N – число молекул или атомов в единице объема, H – шкала высоты, l – длина свободного пробега молекул в атмосфере. Параметры средней атмосферы на всех высотах рассчитаны по уравнению состояния идеального газа и барометрическому закону в предположении, что на уровне моря давле- ние равно 101325 Па (760 мм рт. ст.), а температура 288,150К (15,00С). По характеру вер- тикального распределения температуры средняя атмосфера состоит из нескольких слоев, в каждом из которых температура аппроксимирована линейной функцией высоты. В самом нижнем из слоев – тропосфере (h < 11 км) температура падает на 6,5° с каждым кило- метром подъема. На больших высотах значение и знак вертикального градиента темпера- 70

туры меняются от слоя к слою. Выше 790 км температура составляет около 1000 0К и практически не меняется с высотой. Стандартная атмосфера является периодически уточ- няемым, узаконенным стандартом, выпускаемым в виде таблиц. В стандарте также опре- деляется химический состав атмосферы. Суточное вращение Земли – вращение Земли вокруг своей оси с периодом в одни звёздные сутки, непосредственным наблю- даемым проявлением чего является суточ- ное вращение небесной сферы. Вращение Земли происходи с запада на восток. При наблюдении с Полярной звезды или северного полюса эклиптики, вращение Земли происходит против часовой стрелки. С суточным вращением Земли связаны мно- гие геофизические и гидрометеорологиче- ские процессы. Период обращения Земли равен Т = 23 ч 56 м 4,090530833 с = 86164,090530833 с, угловая скорость вращения – ω = 2π/Т = 7,2921158553·10-5. Линейная скорость вращения максимальна на экваторе – 465,1013 м/с и равна нулю на полюсах. Для произвольной широты φ и высоты h линейная скорость определяется вы- ражением ( ) , (4.1) √ √ где = 6371 км – экваториальный радиус, = 6356,8 км – полярный радиус Земли. Сомножитель в скобке определяет для эллиптической модели Земли расстояние от точки в пространстве, заданной широтой φ и высотой над поверхностью эллипсоида h, расстояние до оси вращения Земли (4.2) √ √ Помимо силы тяготения на находящиеся во вторичном геосферном пространстве те- ла действуют силы, которые связаны с суточным вращением Земли – центростремитель- ная сила Fc и сила Кориолиса Fk. Центростремительное ускорение определяется выражением . Для полюса его значение равно нулю, для экватора r = R0 и отношение центростремительного ускоре- ния к ускорению свободного падения равно 3,45×10-3. Сила притяжения Земли и центробежная сила определяют силу тяжести, действую- щую на любое тело, находящееся вблизи поверхности Земли. Сила Кориолиса является одной из сил инерции, существующей в неинерциальной системе отсчёта из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении под уг- лом к оси вращения. Сила названа по имени французского учёного Гюстава Гаспара Ко- риолиса, описавшего её в 1833 году. Следует отметить, что первым математическое выражение для силы получил, види- мо, Пьер-Симон Лаплас ещё в 1775 году, а сам эффект отклонения движущихся объектов во вращающихся системах отсчёта был описан ещё в 1651 году. 71

Причина возникновения силы Кориолиса в кориолисовом (поворотном) ускорении, которое определяется выражением в векторном виде: [ ], (4.3) где m – масса материальной точки, – вектор угловой скорости вращения Земли, – кориолисово (поворотное) ускорение. Вектор силы направлен перпендикулярно обоим векторам вправо от скорости точки (определяется по правилу буравчика). Если вращение происходит по часовой стрелке, то двигающаяся от центра вращения точка будет стремиться сойти с радиуса влево. Если вращение происходит против часовой стрелки – вправо. В скалярном виде величина силы Кориолиса, действующая на материальную точку, движущуюся со скоростью v относительно вращающейся системы отсчёта, определяется выражением · · · , (4.4) где α – угол между векторами скорости точки и угловой скорости Земли. В гидрометеорологической системе Земли проявление силы Кориолиса известно до- статочно давно. Как впервые отметил петербургский академик Карл Бэр в 1857 году, реки размывают в северном полушарии правый берег (в южном полушарии – левый), который вследствие этого оказывается более крутым (закон Бэра, эффект Бэра). С силой Кориолиса, направленной в северном полушарии вправо и в южном влево, связаны также атмосферные явления: пассаты, циклоны и антициклоны. Явление пассатов вызывается неравномерностью нагрева нижних слоёв земной ат- мосферы в приэкваториальной полосе и в средних широтах, приводящее к течению воз- душных масс вдоль меридиана на юг или север в северном и южном полушариях, соот- ветственно. Действие силы Кориолиса приводит к отклонению потоков воздуха: в север- ном полушарии – в сторону северо-востока (северо-восточный пассат), в южном полуша- рии – на юго-восток (юго-восточный пассат). Циклоном называется атмосферный вихрь с пониженным давлением воздуха в центре. Массы воздуха, стремясь к центру циклона, под действием силы Кориолиса закручиваются против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрел- ке в южном. В антициклоне, где в центре имеется максимум давления, наличие си- лы Кориолиса приводит к вихревому движению по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном. В стационарном состоянии направление движения ветра в циклоне или антициклоне таково, что сила Кориолиса уравновешивает градиент давления между центром и перифе- рией вихря (геострофический ветер). Суточное вращение Земли имеет решающее значение для гидрометеорологической термодинамики, обеспечивая равномерный приток солнечной энергии по широте в тече- ние суток, нагрев атмосферы и подстилающей поверхности днём и охлаждение ночью, а также периодичность процессов в биосфере. 72

Эндогенная энергия Земли. Изучением теп- лового состояния и тепловой истории земных недр занимается раздел физики Земли – геотер- мика. Наблюдения в шахтах и буровых скважи- нах, а также вулканическая деятельность свиде- тельствуют о высоких температурах в недрах Земли. По существующим оценкам в центре планеты температура превышает 55000С. Темпе- ратура в земной коре с глубиной возрастает со- гласно геотермическому градиенту температуры со скоростью примерно 30°С на 1 км. Тепловая энергия Земли движет многие эндогенные [от гр. endon - внутри + genesis – происхождение] процессы и является причиной эволюции мантии и земной коры, вызыва- ет дегазацию Земли, горообразование, вулканизм, формирование месторождений полез- ных ископаемых. К наиболее мощным энергетическим процессам недр Земли относятся: гравитационная дифференциация земного вещества по плотности, приводящая к расслоению Земли на плотное окисно-железное ядро, остаточную силикатную мантию, легкую алюмосиликатную кору и гидросферу с атмосферой; распад радиоактивных элементов, приводящий к выделению существенной доли тепловой энергии; энергетические процессы приливного взаимодействия Земли с Луной и Солнцем. Все остальные эндогенные источники энергии либо несоизмеримо меньше, либо полностью обратимы благодаря конвективному обмену в мантии. Например, энергия пе- реходов минеральных ассоциаций под влиянием давлений в восходящих и нисходящих конвективных потоках имеет противоположные знаки. Поэтому влиянием таких реакций на эндогенный энергетический баланс Земли можно пренебречь. Значительный тепловой поток солнечного излучения, падающий на Землю, после ряда преобразований в атмосфере, гидросфере, биосфере и приповерхностных слоях зем- ной коры частично консервируется в осадочных толщах Земли, в форме залежей горючих ископаемых или отражается Землёй обратно в космос. Поэтому солнечное излучение ак- тивно влияет лишь на протекание экзогенных процессов – выветривание пород, поверх- ностный перенос продуктов их разрушения, накопление осадков, образование месторож- дений горючих полезных ископаемых и, конечно, на развитие земной жизни. По существующим оценкам за время жизни Земли в её недрах выделилось около 16,85×1030 Дж тепловой энергии гравитационной дифференциации земного вещества, около 4,33×1030 Дж радиогенной энергии и приблизительно 2,24×1030 Дж приливной энер- гии (без учета её рассеивания в гидросфере Земли), т. е. всего около 23,42×1030 Дж тепло- вой энергии. Этого тепла вполне хватило бы для дополнительного разогрева и перегрева Земли почти на 44000С, однако такого перегрева Земли не произошло. Отсюда следует, что значительная часть тепла была потеряна Землей с её тепловым излучением в космиче- ское пространство. К настоящему времени накопилось более 20 тысяч экспериментальных определений теплового потока, измеренных в разных точках земной поверхности. Однако выводить из них среднее значение потока и по нему определять суммарный поток тепла для всей Зем- ли было бы методически неверно. Значительная часть глубинного теплового потока из мантии выносится с гидротермальными водами. Если на континентах роль гидротермального выноса тепла сравнительно невелика, то вынос тепла океанскими водами, циркулирующими по трещинам земной коры в океа- нических рифтовых зонах и на склонах срединно-океанических хребтов, достигает огром- ных величин и может составлять до 23% суммарных потерь тепла Земли, однако экспери- ментально измерить суммарный конвективный тепловой поток пока не удается. 73

В 70-х годах прошлого века было сделано важ- ное открытие, которое перевернуло многие пред- ставления учёных. Возле Галапагосских островов на глубине 2-4 тыс. км были обнаружены разломы, из которых поступала горячая вода. На дне были обнаружены маленькие вулканы – гидротермы. Их происхождение объясняется тем, что морская вода попадает в толщу океанической коры, разо- гревается эндогенным теплом и выбрасывается в океан. Гидротермы получили название «Чёрных курильщиков». Подобные гидротермальные источники срединно-океанических хребтов на дне океа- нов оказались многочисленными. Их вклад в тепловой поток, идущий из недр Земли, со- ставляет по некоторым оценкам около 20%. Ежегодно из них истекает в океаны около 3,5 млрд. тонн горячей воды с температурой до 270-4000С – «Чёрные курильщики», около 640 млрд. тонн воды с температурой около 200С – низкотемпературные источники. Среди по- следних источников – «Белые курильщики», найденные сравнительно недавно на дне Ат- лантики и имеющие температуру до 50-800С. Но не только «Чёрные курильщики» подогревают воды океана. По современным оценкам подводных вулканов на Земле намного больше, чем «сухопутных» – 32 ты- сячи против 1,5 тысяч. Соприкасаясь с во- дой, разогретая до 12000С лава отдаёт тепло и застывает. Если на суше ежегодно из 20-30 вулканических извержений поступает в среднем до полутора кубических километров расплавленной магмы в год, то за это же время из подводных вулканов извергается лавы в 12-15 раз больше. Эндогенное тепло планеты неравномерно распределено по дну океанов и морей, за- нимающих ~ 70,8 % площади поверхности земного шара. Перенос его совместно с сол- нечной энергией течениями деятельного океанического слоя обеспечивает устойчивость гидродинамической системы Земли. В настоящее время разработана карта тепловых пото- ков Земли, подтверждающая роль океанических эндогенных источников тепла. Рисунок 4.2 – Карта теплового потока Земли [5] Для Земли в целом ежегодная потеря тепловой энергии оценивается в 0,02% от еже- годного количества поступающей на Землю солнечной энергии. С точки зрения климата эндогенный поток тепла в настоящее время не учитывается, что является следствием зна- чительной сложности в изучении эндогенных тепловых процессов. 74

4.2 Внутренние факторы гидрометеорологической системы Земли Внутренние факторы определяют взаимодействие между объектами гидрометеоро- логической системы Земли и включают: географический фактор; атмосферные газы и аэрозоли. Географический фактор. География [от др.-греч. γεωγραφία - землеописание, γῆ - Земля и γράφω – пишу, описываю] является системной научной дисциплиной и имеет много определений, которые имеют различные гносеологические корни. Для гидрометео- рологической системы Земли наиболее интересны географические свойства планеты: рас- пределение географических объектов по признаку суша - море, геоморфологические свой- ства суши и географическая зональность. Их проявление определяет энергетический и вещественный обмен между деятельным слоем и атмосферой. Распределение суша - море. Общая площадь поверхности Земли составляет около 510072000 км2. Океанические воды занимают 70,8%, а суша – 29,2% площади всей по- верхности Земли. Данное соотношение различно для Северного и Южного полушарий, что послужило для их обозначения – Материковое и Океаническое полушария. В Матери- ковом полушарии вода занимает 61%, а суша – 39%, в Океаническом полушарии – 81 % и 19% соответственно. Рисунок 4.3 – Океаническое и Материковое полушария Земли Двигаясь вокруг Солнца по эллиптической орбите, Земля создаёт более «щадящий» тепловой режим для Северного полушария, так как летом она находится ближе к афелию – 152098232 км, а зимой к перигелию – 147098290 км. Разница в расстоянии до Солнца в 5 млн. км приводит к большему получению солнечной радиации зимой и меньшему – летом по отношению к Южному полушарию. Воды Южного полушария эффективно поглощают солнечную радиацию летом, обеспечивая необходимое накопление запасов тепловой энергии в Мировом океане, со- здавая более мягкий климат на территориях полушария и обогревая океаническими тече- ниям зимнее Северное полушарие. Зимой Южное полушарие создаёт необходимый для термодинамической системы Земли запас холода, который главным образом сосредоточен в Антарктиде [от греч. ἀνταρκτικός - противоположность Арктике] – континент, распо- ложенный на самом юге Земли, центр которого примерно совпадает с южным географиче- ским полюсом, омывается Южным океаном. 75

Площадь Антарктиды около 14107000 км2, из них шельфовые ледники – 930000 км2, острова – 75500 км2. Антарктический ледяной щит являет- ся крупнейшим на планете и превосходит бли- жайший по размеру гренландский ледниковый покров по площади приблизительно в 10 раз. В нём сосредоточено ~ 26,5 млн. км³ льда, то есть 90 % всех льдов суши. Из-за тяжести льда, как показывают исследования геофизиков, конти- нент просел в среднем на 0,5 км, на что указыва- ет и его относительно глубокий шельф. Южное полушарие имеет более простую геоморфологию. В отличие от Северного полушария его рельеф не препятствует также сильно переносу основных масс воздуха, так как около 81 % площади поверхности занимает гладь морей и океанов. Для Северного по- лушария этот показатель равен 61%. Рельеф суши. Изучается в рамках геоморфологии [от др.-греч. γῆ - Земля + μορφή - форма + λόγος - учение] – наука о рельефе, его внешнем облике, происхождении, истории развития, современной динамике и закономерностях географического распространения. Рельеф [фр. relief, от лат. relevo - поднимаю] – совокупность неровностей твёрдой земной поверхности и иных твёрдых планетных тел, разнообразных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития. Рельеф суши играет существенную роль в гидрометеоро- логической системе Земли, создавая естественные ограниче- ния для движения воздушных масс и направляя их по задан- ным природой путям. Так, например, для Океанического по- лушария, с его огромными водными равнинами, Анды (Ан- дийские Кордильеры) являются крупнейшим межокеаниче- ским водоразделом. Это самая длинная (около 9000 км) и одна из самых высоких (гора Аконкагуа, 6962 м) горная си- стема Земли, которая окаймляет с севера и запада всю Юж- ную Америку. Местами Анды достигают ширины свыше 500 км, средняя высота составляет 4000 м. Через Антарктиду от моря Росса до моря Уэдделла тянутся трансантарктические горы длиной 3500 км с самой высокой точкой – гора Кирк- патрик, 4528 м. Создаётся круговое континентальное движе- ние воздушных масс. Горы – это сильно расчленённые части суши, значительно, на 500 метров и более, приподнятые над прилегающими равнинами. От равнин горы отделены либо напрямую подножием склона, либо предгорьями. Горы могут быть линейно вытянутыми или дуго- образными с параллельным, решётчатым, радиальным, перистым, кулисным или ветви- стым рисунком расчленения. В зависимости от высоты горы делят на низкие – до 1000 м, средние – от 1000 до 2000 м и высокие – выше 2000 м. Горы формируются в тектонически активных районах. По происхождению горы де- лятся на тектонические, эрозионные и вулканические. В зависимости от характера дефор- мации земной коры среди тектонических гор выделяются складчатые, глыбовые и склад- чато-глыбовые горы. Горные системы занимают 64% поверхности Азии, 36% – Северной Америки, 25% – Европы, 22% – Южной Америки, 17% – Австралии и 3% – Африки. В целом 24% земной поверхности приходится на горы. 10% всех людей живет на территории гор. В горах берёт свое начало большинство рек Земли. 76

Горы обычно ограничены предгорьями, образующими их подножие. Обладают раз- ными типами водоразделов (гребни, вершины, поверхности выравнивания). В межгорных впадинах и долинах встречаются горные озёра. В зависимости от площади, занимаемой горами, их строения и возраста, выделяют: изолированные поднятия небольшой протяжённости, так называемые островные го- ры (например, Хибины); горные группы; горные хребты – крупные линейно вытянутые поднятия рельефа, изолированные или составные элементы горных стран (систем). Места пересечения или стыка двух или не- скольких горных хребтов именуются горными узлами. Горный узел может представлять собой центр нескольких радиально расходящихся хребтов; горные массивы – участки горных стран, расположенные более или менее изолиро- ванно и имеющие примерно одинаковую протяжённость в длину и ширину (например, Монблан в Альпах). Отличаются сравнительно слабым расчленением, от соседних хреб- тов горной страны отделены широкими и глубокими долинами; горные системы – горы, объединённые территориально, имеющие общую причину происхождения и обладающие морфологическим единством; горные страны – обширные участки земной поверхности большой протяжённости и сложной конфигурации со складчатой и складчато-глыбовой структурой земной коры, поднятые до высоты нескольких тысяч метров над уровнем моря и окружающих равнин, характеризующиеся в своих пределах резкими колебаниями высот. Имеют определённые границы и географическое название (например, Альпы, Кавказ, Алтай, Памир). Самая вы- сокая горная страна – Гималаи с десятью восьмитысячниками и самой высокой горой в мире – Джомолунгмой (Эверест, Сагарматха), 8848 м; горные пояса – самая крупная единица в классификации горного рельефа, представ- ляет собой несколько горных систем, вытянутых в единую (сплошную или прерывистую) полосу. Сюда относятся, например, Альпийско-Гималайский горный пояс, простираю- щийся от Западной Европы до юго-восточной оконечности Азии и горный пояс Анды - Кордильеры, вытянутый вдоль западных окраин Северной и Южной Америки. В отличие от гор равнины представляют собой обширные участки суши с ровной или холмистой поверхностью, имеющие разную высоту относительно уровня Мирового океа- на. По характеру рельефа они могут быть плоскими (Западно-Сибирская равнина, Берего- вые равнины США и пр.) и холмистыми (Восточно-Европейская равнина, Казахский мел- косопочник и пр.). В зависимости от высоты равнины делятся: на низменности – имеющие абсолютную высоту не более 200 м; на возвышенности – находящиеся на высоте не выше 500 м; на плоскогорья – выше 500 м. Особое значение в формировании рельефа и связанного с ним климата играет гидро- сфера – водная оболочка планеты, которая просторами морей и океанов определяет бере- говую границу суши, а ледниками и постоянным снежным покровом, многолетней мерз- лотой, озёрами, реками, и болотами формирует внутреннюю структуру суши и определяет её гидрометеорологические свойства – климат. Общий объём воды на земном шаре составляет около 1390 млн. км3. Основная его часть приходится на моря и океаны – 96,4%, на суше наибольшее количество воды содер- жат ледники и постоянные снега – 1,86%. Около 1,7% от общего объёма гидросферы при- ходится на подземные воды и только 0,02% – на воды суши (реки, озёра, болота, искус- ственные водоёмы). Некоторое количество воды находится в живых организмах биосферы и в атмосфере. Пресная вода составляет лишь 2,64%. Географическая зональность. Изменение физико-географических процессов, компо- нентов и комплексов географических систем от экватора к полюсам определяется законом географической зональности, который определяет закономерности распределения расти- тельности (ландшафтов) по широте в зависимости от поступающей солнечной радиации. 77

Вводится понятие широтной зональности, физической основой которой является се- зонное неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности Земли. Крайни- ми проявлениями физических особенностей в системе Земля - Солнце является наличие длинных полярных ночей в арктических и антарктических областях. Следствием является минимально возможная доля поступающей солнечной радиации, суровый климат и вечная мерзлота. В соответствие с законом географической зональности на поверхность суши Земли введена система физико-географических зона – часть географического пояса с однород- ными климатическими условиями. Название зон определяется растительностью, прису- щей им, и другими географическими особенностями. Зоны закономерно сменяются от экватора к полюсам и от океанов вглубь континен- тов; имеют близкие условия температур и увлажнения, определяющие однородные почвы, растительность, животный мир и другие компоненты природной среды. Принятое совре- менной наукой деление суши Земли на физико-географические зоны представлено на ри- сунке. Рисунок 4.4 – Современное представление о физико-географическом районировании суши Земли В различных научных системах физико-географические зоны суши Земли могут иметь иные обозначения, которые связаны с исторически сложившимся и принятым науч- ной общественностью понятийным аппаратом. Например, классификация по типу расти- тельности определяется введением понятия наземного биома – крупное системно- географическое (экосистемное) подразделение в пределах природно-климатической зоны. Используются также понятия – природная зона, лесорастительная зона, высотно-поясная экосистема, широтная экосистема и другие термины. Закономерности дифференциации растительного покрова Земли под влиянием рас- пределения суши и моря, рельефа земной поверхности и состава горных пород определя- ются законом секторности (азональности, провинциальности, меридиальности), который дополняет закон географической зональности. Закон рассматривает влияние перераспре- деления поступившей энергии Солнца в виде изменения климатических факторов при продвижении в глубину материков (так называемое нарастание континентального клима- та), поднятия по высоте в горных системах и т.д. 78

Следствием географической зональности и секторности является изменение режима энергетического и вещественного обмена между атмосферой и деятельным слоем в зави- симости от положения участка на поверхности Земли и сезона. Атмосферные газы и аэрозоли определяют свойства и характер протекающих в гидрометеорологической системе Земли вещественных и энергетических процессов обме- на между нижней атмосферой и деятельным слоем, обеспечивают устойчивость системы. Суммарная масса воздуха в атмосфере Земли составляет (5,1-5,3)×1015 т. Масса сухого воздуха – (5,1352 ±0,0003)×1015 т, общая масса водяных паров – около 1,27×1013 т. Атмосферные газы составляют основу атмосферы, их процентное соотношение для атмосферы в целом представлено в таблице. Таблица 4.2 – Состав сухого воздуха атмосферы Земли Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO2, NH3, CO, озон, угле- водороды, HCl, HF, Hg, I2, NO и многие другие газы в незначительных количествах. Все газы, составляющие земную атмосферу, принято разбивать на 3 группы [5]: ос- новные газовые составляющие (ОГС), малые газовые составляющие (МГС) и свободные радикалы (СР). Основные газовые составляющие (ОГС) атмосферы: азот – 78,1%, кислород – 20,9% и аргон – 0,9% (по объёму). Находятся в атмосфере примерно в постоянном соотношении до высот около 95 км. Эти газы (кроме кислорода) сравнительно инертны в химическом отношении и слабо поглощают электромагнитное излучение. Таблица 4.3 – Содержание основных газов в воздухе, % по объёму В верхних слоях атмосферы содержание ОГС несколько отличается от их содержа- ния в нижней атмосфере. Сумма их концентраций становится меньше 100% из-за разру- шения части молекул N2 и O2 на атомарные азот и кислород. 79

Малые газовые составляющие (МГС) – это газовые компоненты, постоянно присут- ствующие в атмосфере, но их содержание может варьировать во времени и пространстве. К МГС относятся: H2O – водяной пар, CO2 – углекислый газ и O3 – озон. Данные соеди- нения сильно поглощают электромагнитное излучение и активно участвуют в различных реакциях и химических превращениях. В силу этих свойств МГС играют большую роль в формировании климата нашей планеты. Полный список малых газовых составляющих включает десятки соединений. В особую группу иногда выделяют газы (примеси), имеющие существенные антро- погенные источники. Это соединения, поступающие в атмосферу в значительном количе- стве в результате хозяйственной деятельности человека, однако во многих случаях у этих примесей могут быть и заметные естественные источники. В таблице приведены данные о важнейших атмосферных примесях, имеющих и ан- тропогенные источники. Важность рассматриваемых примесей связана с тем, что многие из них активно поглощают тепловое излучение и участвуют в создании так называемого «парникового эффекта». Таблица 4.4 – Наиболее важные МГС, имеющие антропогенные источники [29] Парниковый эффект (оранжерейный эффект) в атмосферах планет – нагрев внут- ренних слоев атмосферы Земли, Венеры и других планет с плотными атмосферами, обу- словленный прозрачностью атмосферы для основной части излучения Солнца в оптиче- ском диапазоне и поглощением атмосферой основной инфракрасной части теплового из- лучения поверхности планеты, нагретой Солнцем. В атмосфере Земли излучение погло- щается молекулами Н2О, СО2, О3 и других газов. Часть представленных в таблице газов имеет антропогенные источники и «техниче- ские обозначения» – наиболее употребляемые в физике атмосферы, но не всегда совпада- ющие с химическими обозначениями. Для фреонов и их заменителей названиями являют- ся их технические марки. Тренд – это общая многолетняя тенденция изменения величины, из которой исклю- чены короткопериодические (суточные, сезонные) вариации. Время жизни в атмосфере – среднее время существования молекулы газа в атмосфере (например, время, за которое 80

число молекул уменьшается в e раз). Концентрация у поверхности – отношение объема одного газа при тех же температуре и давлении, что имеет смесь газов, к объему всей сме- си газов. В физике атмосферы часто выражается в миллионных долях – ppmV (part per mil- lion, volume). Свободные радикалы (СР) − это весьма активные в химическом отношении, хотя и короткоживущие соединения. К ним относят атомарный кислород O, гидроксил OH, пер- гидроксил HO2 и т.д. Вертикальные профили объемных концентраций различных атмосферных газов, от- несённые к среднему, фоновому состоянию атмосферы, представлены на рисунке. Рисунок 4.5 – Вертикальные профили объемных концентраций различных атмосферных газов [28] Вертикальный ход концентрации газов весьма разнообразен. Например, кислород и углекислый газ имеют постоянное отношение смеси до высот 80-100 км и равномерно пе- ремешаны. Содержание водяного пара быстро убывает с высотой в тропосфере, примерно постоянно в стратосфере и вновь убывает в мезосфере. Метан равномерно перемешан в тропосфере. Максимум концентрации озона наблюдается в стратосфере. Подобный вы- сотный ход, с максимумами содержания в стратосфере, имеет и ряд других атмосферных газов, например, NO, HСl. Отношение смеси CO в нижних слоях атмосферы падает с вы- сотой, а в стратосфере и мезосфере возрастает. В связи с бурным развитием промышленности с конца XVIII века наблюдается рост содержания в земной атмосфере «парникового» углекислого газа примерно в 1,4 раза. Другим важным «парниковым» газом является метан, который ответственен примерно за 15% «парникового эффекта». Имеется целый ряд естественных источников метана, а ан- тропогенные источники, по ряду оценок, могут достигать 50-60% его общей эмиссии. В 80-x годах ХХ столетия тренд метана в северном полушарии достигал 1% в год. Это уве- личение связывалось со сжиганием ископаемого топлива и тропических лесов, газодобы- чей, масштабным возделыванием риса, развитием животноводства. В течение 90-x годов было зарегистрировано уменьшение величины тренда метана. 81

Особо следует остановиться на изменениях слоя атмосферного озона, соединения чрезвычайно важного как с точки зрения энергетики стратосферы, так и предохранения биосферы от опасного ультрафиолетового излучения Солнца, которое интенсивно погло- щается озоном. Наиболее драматические изменения в содержании озона в последние годы произошли над Антарктидой – появились так называемые «озонные дыры». В 70–80-х годах ХХ столетия наиболее быстро росло содержание в атмосфере «чи- сто антропогенных» примесей – различных фреонов и других соединений, выделяемых холодильными установками, используемыми в быту и промышленности. По современным представлениям, именно эти соединения ответственны за разрушение озонового слоя. Атмосферные аэрозоли являются существенными компонентами в атмосферы Зем- ли. Аэрозолем в физике называют смесь воздуха и частиц (твердых, жидких), находящих- ся в динамическом равновесии. В метеорологии и физике атмосферы под аэрозолем по- нимают сами частицы, взвешенные в воздухе. Таким образом, аэрозоль (аэрозоли) – твердые и жидкие мелкие частицы, взвешен- ные в воздухе, весьма разнообразного состава, формы, размеров и свойств. Аэрозоль обра- зуют капли воды, ледяные кристаллы облаков, поднятая с поверхности Земли пыль, вы- брошенная вулканами или образовавшаяся из вулканических газов пыль, метеоритная пыль, частицы солей морской воды, частицы, возникающие в результате производствен- ной деятельности и пр. Скорость их падения (оседания) мала, а поверхность велика, что является, в частности, причиной их активного участия в химических и фотохимических реакциях с МГС и радикалами. Аэрозольные частицы играют существенную роль в переносе солнечного и теплово- го излучений, влияя на радиационный режим системы «атмосфера - земная поверхность» и, таким образом, на погоду и климат Земли. Особо важна роль аэрозолей в поглощении и рассеянии солнечного излучения. Ве- лика роль аэрозолей в процессах образования облаков, возникновении туманов и т.д., где они выступают как ядра конденсации – зародыши, на которых начинается конденсация насыщенного водяного пара. Без аэрозолей этот процесс был бы невозможен, поэтому наличие на Земле облаков и осадков напрямую связано с присутствием в атмосфере аэро- золей. Заметим, что, согласно определению, частицы облаков – тоже аэрозоли, но обычно их отделяют от других, «неводных» аэрозолей. Атмосферный аэрозоль включает аэрозоль природного (естественного) и антропо- генного происхождения. Аэрозоли природного происхождения составляют: продукты испарения морских брызг – поднятая в атмосферу ветром минеральная пыль; вулканический аэрозоль – вы- брошенный в атмосферу пепел, сернокислотные частицы, образовавшиеся за счет газо- фазных реакций; частицы биогенного происхождения, как непосредственно выброшенные в атмосферу, так и образовавшиеся в результате конденсации летучих органических со- единений и химических реакций между этими соединениями, продукты природных газо- фазных реакций (например, сульфаты, возникающие за счет окисления SO2). Аэрозоль антропогенного происхождения представляет собой промышленные вы- бросы частиц (например, сажа, дым, дорожная пыль и т.д.), продукты сельскохозяйствен- ной деятельности (например, пыль, поднимаемая при пахоте), продукты газофазных реак- ций, возникающие аналогично естественным при реакциях антропогенных МГС. Реальный атмосферный аэрозоль является полидисперсным, т.е. состоящим из ча- стиц различных размеров. Форма этих частиц может быть разнообразной. Одну из клас- сификаций аэрозолей, основанную на их размерах (дисперсности), а также их роли в раз- личных процессах предложил Х. Юнге. Схема такой классификации представлена на ри- сунке, где показаны источники аэрозольных частиц, времена жизни, а также информация об их влиянии на различные атмосферные процессы. 82

Спектр размеров аэрозольных частиц очень широкий – от менее 10-4 до 102 мкм и более (по радиусу). Их нижний предел определяется размерами молекулярных комплек- сов, а верхний – скоростью гравитационного оседания частиц в поле силы тяжести. Различные метеорологические явления и процессы связаны с разными интервалами спектра размеров аэрозольных частиц. Так, например, частицы с радиусами r < 0,1 мкм (так называемые частицы Айткена) существенно влияют на электрические характеристики атмосферы. Частицы с радиусами 2 ≤ r ≤ 10 мкм оказывают значительное влияние на пе- ренос коротковолнового и инфракрасного излучения, формирование облаков и осадков, химический состав атмосферы. При этом аэрозоли с размерами 2 ≤ r ≤ 1,0 мкм оказывают наибольшее влияние на перенос коротковолнового излучения, видимость в атмосфере. Рисунок 4.5 – Атмосферный аэрозоль: размеры, классификация, влияние на атмосферные процессы, источники, время жизни (по Х. Юнге) Счетная концентрация аэрозолей очень сильно варьирует и зависит от высоты в ат- мосфере, близости к источникам аэрозолей (например, в городе она на несколько поряд- ков выше, чем вдали от него), времени суток. С ростом высоты в атмосфере концентрация аэрозолей резко падает: уменьшается по сравнению с концентрациями аэрозолей у по- верхности примерно на порядок на высоте 2 км и еще на порядок на высоте около 5 км. Но это опять же «в среднем», в реальных ситуациях картина может быть совсем иной и даже наблюдаться рост концентрации с высотой; такие области роста называются аэро- зольными слоями. Наиболее известный и стабильный аэрозольный слой – слой Юнге в стратосфере на высотах 17-22 км. Важную роль в образовании аэрозолей играют извержения вулканов, лесные пожа- ры, биологические процессы, производственная деятельность человека и т. д. При этом основными газами, способствующими образованию аэрозолей, являются SO2, H2S и NH3. После мощных вулканических извержений количество аэрозольных частиц в стратосфере увеличивается во много раз, что приводит к изменению её оптических характеристик. Эти изменения в стратосфере сохраняются в течение 1-2 лет после извержения. Основными стоками, то есть причинами удаления аэрозолей из атмосферы, является гравитационное осаждение (проще говоря, выпадение аэрозолей на поверхность) и вымы- вание осадками при захвате аэрозольных частиц каплями дождя (частицами снега). 83

Атмосферные облака. Водяной пар представляет собой воду в газообразном состоя- нии. Если воздух не способен удерживать большее количество водяного пара, он перехо- дит в состояние насыщения, и тогда вода с открытой поверхности перестает испаряться. Содержание водяного пара в насыщенном воздухе находится в тесной зависимости от температуры и при её повышении на 100С может увеличиться не более чем вдвое. Относительная влажность – это отношение фактически содержащегося в воздухе во- дяного пара к количеству водяного пара, соответствующему состоянию насыщения. Отно- сительная влажность воздуха вблизи земной поверхности часто велика утром, когда про- хладно. С повышением температуры относительная влажность обычно уменьшается, даже если количество водяного пара в воздухе мало изменяется. Предположим, что утром при температуре 100С относительная влажность была близка к 100%. Если в течение дня тем- пература понизится, начнется конденсация воды и выпадет роса. Если же температура по- высится, например до 200С, роса испарится, но относительная влажность составит лишь около 50%. Облака возникают при конденсации водяного пара в атмосфере, когда образуются либо капельки воды, либо кристаллы льда. Формирование облаков происходит, когда при подъёме и охлаждении водяной пар переходит через точку насыщения. При подъеме воз- дух попадает в слои всё более низкого давления. Ненасыщенный воздух с подъемом на каждый километр охлаждается примерно на 100С. Если воздух с относительной влажно- стью около 50% поднимется более чем на 1 км, начнется образование облака. Конденса- ция сначала происходит у основания облака, которое растет вверх до тех пор, пока воздух не перестанет подниматься и, следовательно, охлаждаться. Летом этот процесс легко уви- деть на примере пышных кучевых облаков с плоским основанием и воздымающейся и опускающейся вместе с перемещением воздуха вершиной. Облака формируются также в фронтальных зонах, когда теплый воздух скользит вверх, надвигаясь на холодный, и при этом охлаждается до состояния насыщения. Облачность возникает и в областях низкого давления с восходящими потоками воздуха. Туман представляет собой облако, расположенное у самой земной поверхности. Он часто опускается на землю в тихие, ясные ночи, когда воздух влажный, а земная поверх- ность охлаждается, излучая в пространство тепло. Туман также может образоваться при прохождении теплого влажного воздуха над холодной поверхностью суши или воды. Если холодный воздух оказывается над поверхностью теплой воды, прямо на глазах возникает туман испарения. Он часто образуется по утрам поздней осенью над озерами, и тогда ка- жется, что вода кипит. Конденсация является сложным процессом, при котором микроскопические частицы содержащихся в воздухе примесей (сажи, пыли, морской соли) служат ядрами конденса- ции, вокруг которых формируются капельки воды. Такие же ядра необходимы для замер- зания воды в атмосфере, так как в очень чистом воздухе при их отсутствии капельки воды не замерзают до температур -400С. Ядро льдообразования представляет собой маленькую частицу, похожую по структуре на кристалл льда, вокруг которой и формируется кусочек льда. Вполне естественно, что находящиеся в воздухе ледяные частицы являются лучши- ми ядрами льдообразования. В роли таких ядер выступают также мельчайшие глинистые частички, они приобретают особенное значение при температурах ниже от -100С до -150С. Таким образом, создается странная ситуация: капельки воды в атмосфере почти никогда не замерзают при переходе температуры через 00С. Для их замерзания требуются суще- ственно более низкие температуры, особенно если в воздухе содержится мало ядер льдо- образования. Одним из способов стимулирования выпадения осадков является распыление в об- лаках частичек йодистого серебра – искусственных ядер конденсации. Они способствуют смерзанию крошечных капелек воды в ледяные кристаллы, достаточно тяжелые, чтобы выпадать в форме снега. Формирование дождя или снега – довольно сложный процесс. Если ледяные кристаллы внутри облака слишком тяжелы, чтобы оставаться взвешенными 84

в восходящем потоке воздуха, они выпадают в виде снега. Если нижние слои атмосферы достаточно теплые, снежинки тают и выпадают на землю дождевыми каплями. Даже ле- том в умеренных широтах дожди обычно зарождаются в форме льдинок. И даже в тропи- ках дожди, выпадающие из кучево-дождевых облаков, начинаются с ледяных частичек. Убедительным доказательством того, что лед в облаках существует даже летом, служит град. Дождь обычно идет из «теплых» облаков, т.е. из облаков с температурой выше точки замерзания. Здесь мелкие капельки, несущие заряды противоположного знака, притяги- ваются и сливаются в более крупные капли. Они могут увеличиться настолько, что станут слишком тяжелыми, перестанут удерживаться в облаке восходящими потоками воздуха и прольются дождем. Основа современной международной классификации облаков была заложена в 1803 году английским метеорологом - любителем Луком Говардом. В ней для описания внешнего вида облаков использованы латинские термины: alto – высоко, cirrus – перистый, cumulus – кучевой, nimbus – дождевой и stratus – слоистый. Различные сочетания этих терминов применяются для наименования десяти главных форм облаков: cirrus – перистые; cirrocumulus – перисто-кучевые; cirrostratus – перисто- слоистые; altocumulus – высококучевые; altostratus – высокослоистые; nimbostratus – слои- сто-дождевые; stratocumulus – слоисто-кучевые; stratus – слоистые; cumulus – кучевые и cumulonimbus – кучево-дождевые. Высококучевые и высокослоистые облака располагаются выше, чем кучевые и слои- стые. Облака нижнего яруса (слоистые, слоисто-кучевые и слоисто-дождевые) состоят по- чти исключительно из воды, их основания располагаются примерно до высоты 2000 м. Облака, стелющиеся по земной поверхности, называются туманом. Основания облаков среднего яруса (высококучевых и высокослоистых) находятся на высотах от 2000 до 7000 м. Эти облака имеют температуру от 00С до -250С и часто пред- ставляют собой смесь капель воды и ледяных кристаллов. Облака верхнего яруса (перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые) обычно имеют нечеткие очертания, так как состоят из ледяных кристаллов. Их основания распо- лагаются на высотах более 7000 м, а температура ниже -250С. Кучевые и кучево-дождевые облака относятся к облакам вертикального развития и могут выходить за пределы одного яруса. Особенно это относится к кучево-дождевым об- лакам, основания которых находятся всего в нескольких сотнях метров от земной поверх- ности, а вершины могут достигать высот 15-18 км. В нижней части они состоят из капелек воды, а в верхней – из кристаллов льда. Степень покрытия неба облаками характеризуют балльностью облачности – отно- шение общей площади облаков к площади неба: 0 баллов – ясное небо, 10 баллов – сплошная облачность. Важными микроструктурными характеристиками облаков, как разновидностей аэро- золей, является счётная и массовая концентрация частиц и распределение их по размерам. Счетная концентрация в облаках различных форм колеблется от 10 см-3 до 1000 см-3. Мас- совая концентрация частиц в облаке называется его водностью. Форма кристаллов в смешанных и кристаллических облаках в основном определяет- ся температурой и влажностью облаков, при которой они образуются, и может быть самой разной. Облака определённых типов сопровождаются осадками. В соответствии с синопти- ческими и термодинамическими условиями выпадения осадков последние разделяются на моросящие, обложные и ливневые, отличаются по интенсивности и продолжительности осадков. Количество осадков измеряется высотой (в миллиметрах) слоя воды, образовав- шегося в результате их выпадения, а интенсивность осадков – как их количество, выпав- шее в единицу времени (например, в час). Наряду с интенсивностью осадков для их ха- рактеристики используется также функция распределения частиц осадков по размерам (спектр осадков). 85

5 Процессы гидрометеорологической системы Земли Гидрометеорологическая система Земли относится к классу больших систем – по географическим размерам и суперсложных – по онтологическому и гносеологическому признаку. Как и все естественные системы является динамической системой – система, состояние которой изменяется во времени под воздействием определённых причинно- следственных связей. Движущей силой и условиями совершающихся в гидродинамиче- ской системе Земли процессов являются внешние и внутренние факторы (причины). Внешние факторы определяют энергетический баланс системы, среди которых ос- новную роль играет фактор солнечной радиации, внутренние факторы – физическую суть и условия протекания процессов в системе. Наиболее значимыми для гидрометеорологической система Земли являются процес- сы: радиационной энергетики; циркуляции нижней атмосферы; циркуляции гидросферы; сезонного изменения деятельного слоя. Процессы в гидрометеорологической системе Земли взаимосвязаны и направлены на поддержание основного эмерджентного свойства системы – устойчивость, благодаря ко- торому система сохраняет свои основные характеристики, своё поведение в условиях воз- мущающих воздействий различного рода. Процессы радиационной энергетики в открытой системе «атмосфера - подстилаю- щая поверхность» являются определяющими для гидрометеорологической системе Земли. На их основе развиваются процессы циркуляции нижней атмосферы и гидросферы Земли, сезонного изменения деятельного слоя земной коры и океана в условиях движения плане- ты вокруг Солнца совместно со спутником Луной, суточного вращения вокруг своей оси, наклонённой под углом к плоскости эклиптики. 5.1 Процессы радиационной энергетики системы атмосфера - подстилающая поверхность Земли Физические условия на Земле определяются в ос- новном количеством получаемой энергии Солнца, которая характеризуется солнечной постоянной S0 – количество солнечной энергии, приходящей за еди- ницу времени на перпендикулярную солнечным лу- чам единичную площадку на среднем расстоянии планеты от Солнца. Земля постоянно поглощает и отражает приходя- щую энергию солнечного излучения. Последний про- цесс характеризуется её интегральным альбедо. Кро- ме того, планета генерирует собственное излучение, уходящее в космос. Предположим для простоты, что уходящее излучение планеты подчиняется законам излучения абсолютно черного тела (АЧТ). Известно, что интегральное излучение АЧТ подчиняется закону Стефана - Больцмана. Полная энергия излучения АЧТ с единицы площади в единицу времени определяется соотношением , (5.1) 86

где – постоянная Стефана - Больцмана, = 5,67032×10-8 Вт·м-2·К-4; T – температура АЧТ. Если это выражение использовать для характеристики интегрального уходящего из- лучения планеты, то соответствующее значение температуры T в законе Стефана - Больц- мана называется эффективной температурой излучения планеты – . При отсутствии на планете внутренних источников энергии или если они пренебрежимо малы, температу- ру излучения можно определить из баланса энергии. По существующим оценкам эффективная температура максимальна у Меркурия 0 и составляет 500 К, что обусловлено, прежде всего, его близостью к Солнцу и малым зна- чением альбедо. Минимальные значения температур наблюдаются у планет-гигантов. Так, например, у Нептуна она всего 380К. Для Земли эффективная температура излучения рав- на 255 0К [28]. Баланс энергии состоит в равенстве энергии излучения, приходящего от Солнца на поверхность планеты, и суммарной энергии излучения, отраженного от поверхности, и уходящего собственного излучения планеты. При этом необходимо учесть, что приходя- щая (и отражённая) солнечная энергия излучения падает (и отражается) на площадь (и площадью) сечения планеты, перпендикулярную солнечным лучам ( , r – радиус плане- ты Земля), а уходящее излучение испускается всей поверхностью планеты (поверхностью шара – 4πr2). Тогда уравнение баланса можно записать следующим образом ( ). (5.2) Из выражения (5.2) можно получить выражение для определения значения эффек- тивной температурой излучения планеты ( ) ( ) . (5.3) Величина может служить мерой подводимой в атмосферу энергии, т.к. она опре- деляется величиной S0 – солнечной постоянной и альбедо планеты: величина (1– A) – до- ля солнечной энергии, поглощённой планетой. Равновесная эффективная температура планеты сохраняет свой физический смысл и при наличии на планете внутренних источников тепла. Для таких планет измеренные зна- чения оказываются такими, что баланс энергии (5.2) не выполняется даже при альбедо р н м 0, т.е. в случае, когда вся падающая на планету солнечная энергия поглощается. В этой ситуации соотношение баланса энергий определяется выражением ( ) ( ) , (5.4) где – энергия внутренних источников тепла планеты. По существующим оценкам энер- гия внутренних источников тепла для Земли составляет (4,3±0,6)·1010 кВт или к л 3,5·10-4 от всей поглощаемая Землёй солнечной энергии, которая равна 1,2·1014 кВт. Аналогичная ситуация наблюдается для Венеры и Марса. Заметные источники внут- реннего тепла обнаружены у Юпитера, Сатурна и Нептуна. Для этих планет уходящая энергия излучения заметно превышает ту энергию, которая необходима для достижения равновесия с поглощённой планетой солнечной радиацией. Относительный радиационный баланс планеты R0 определяется как отношение уходящей энергии собственного излучения к поглощённой планетой солнечной энергии. При отсутствии источников внутреннего тепла R0 = 1,0. Для Земли относительный радиа- 87

ционный баланс очень близок к этой величине, R0 = 1,00035, для Юпитера, Сатурна и Нептуна радиационный баланс значительно превышает единицу, R0 ⊂ [1.7, 2.8]. В гидрометеорологической системе Земли процессы радиационной энергетики ха- рактеризуются радиационными балансами подстилающей поверхности, атмосферы и си- стемы «атмосфера - подстилающая поверхность». Радиационный баланс системы атмосфера - подстилающая поверхность. Для гидрометеорологической системы Земли изучение данного вида энергетического баланса имеет системное значение, так как он характеризует баланс энергии излучения в верти- кальном столбе, включающем поверхность и всю атмосферу Земли. Приходная часть баланса состоит из поглощённой земной поверхностью и атмосфе- рой прямой и рассеянной солнечной радиации, расходную часть составляет уходящее длинноволновое излучение: ( ) , (5.5) где – сферическое альбедо Земли, – средний за год поток прямой солнечной ради- ации на верхней границе атмосферы; – длинноволновое собственное излучение атмо- сферы в направлении космического пространства (уходящее излучение). Альбедо [от лат. albus - белый] – доля падающего потока излучения, отражённая по- верхностью тела. Различают несколько видов альбедо. Истинное (ламбертово) альбедо, совпадающее с коэффициентом диффузного отра- жения – это отношение потока, рассеянного плоским элементом поверхности во всех направлениях, к падающему на него потоку излучения. Если поверхность освещается и наблюдается вертикально, то такое истинное альбедо называют нормальным. Значение альбедо зависит от спектра падающего излучения и от свойств поверхности. Поэтому от- дельно измеряют альбедо для разных спектральных диапазонов (оптическое, ультрафио- летовое, инфракрасное), поддиапазонов (визуальное, фотографическое) и даже для от- дельных длин волн (монохроматическое альбедо). Для света нормальное альбедо чистого снега около 1,0, а для древесного угля около 0,04. В астрономии часто используют геометрическое (плоское) альбедо – отношение освещенности у Земли (блеска), создаваемой планетой в полной фазе, к освещенности, ко- торую создал бы плоский абсолютно белый экран того же размера, что и планета, отне- сенный на её место и расположенный перпендикулярно лучу зрения и солнечным лучам. Геометрическое альбедо Земли составляет 0,367. Для расчета энергетического баланса планет используется сферическое альбедо (альбедо Бонда), введенное американским астрономом Д.Ф. Бондом в 1861 г. Это отноше- ние отраженного всей планетой потока излучения к падающему на неё потоку. Сфериче- ское альбедо Земли составляет 0,306. Для примера, планетарное альбедо Венеры – 0,76, Марса – 0,16, Юпитера – 0,343. Значение среднего за год потока прямой солнечной радиации на верхней границе атмосферы легко рассчитать. Действительно, на Землю за единицу времени поступает количество солнечной энергии равное произведению солнечной постоянной на пло- щадь поперечного сечения Земли , где r – средний радиус Земли. Эта энергия распре- деляется по всей поверхности земного шара, площадь которой равна . Таким обра- зом, среднее значение потока солнечного излучения на единицу горизонтальной поверх- ности Земли на верхней границе атмосферы равно ·SO. По существующим оценками средний за год поток прямой солнечной радиации на верхней границе атмосферы определяется величиной 341 Вт/м2. Первый член в правой части соотношения (5.5) представляет собой солнечное излу- чение поглощённое всей системой «атмосфера - подстилающая поверхность», второй – 88

длинноволновое собственное излучение атмосферы в направлении космического про- странства. Для Земли они практически равны. Исследования радиационного баланса Земли и его компонент проводятся расчётны- ми методами и с помощью специальной аппаратуры на космических аппаратах (КА). Эти приборы позволяют измерить солнечную постоянную SO, компоненту солнечного излуче- ния, отражённую и рассеянную системой «атмосфера - подстилающая поверхность» и уходящее длинноволновое излучение. Основные входные параметры при расчетах глобального радиационного баланса си- стемы «атмосфера - подстилающая поверхность» – это вертикальные профили распреде- ления различных характеристик атмосферы (температура, газовый и аэрозольный состав), геометрические и физические свойства облачности, глобальный балл облачности каждого типа (нижнего, среднего и верхнего ярусов), альбедо поверхности Земли, продолжитель- ность солнечного сияния, зенитный угол Солнца. Результаты анализа для глобального среднего состояния атмосферы представлены на рисунке, который состоит из трех частей: во-первых – показано распределение в атмосфе- ре солнечного излучения, во-вторых – дано распределение теплового инфракрасного из- лучения, в-третьих – приводится вклад нерадиационных процессов в перенос энергии (турбулентность, конвекция и конденсация водяного пара). Рисунок 5.1 – Радиационный баланс Земли 89

На рисунке осреднённое за год и приходящее на верхнюю границу атмосферы от Солнца излучение принято за «1» и подразделяется на три компоненты: перехватываемое излучение безоблачной атмосферой – 0,52; перехватываемое излучение облачной атмосферой – 0,43; непосредственно поступающее излучение на подстилающую поверхность – 0,05. Из перехваченного излучение безоблачной атмосферой солнечного излучения: поглощается – 0,22; отражается в космическое пространство – 0,07. Из перехваченного облачной атмосферой солнечного излучения: поглощается – 0,04; отражается в космическое пространство – 0,17. Пропускается атмосферой на подстилающую поверхность Земли – 0,05, а из дошед- шего до поверхности солнечного излучения отражается в космическое пространство – 0,06. Всего отражается атмосферой и подстилающей поверхностью в космическое про- странство – 0,3, что соответствует сферическому альбедо Земли. При этом поглощается атмосферой – 0,26 и подстилающей поверхностью – 0,44, которое переходит в основном в тепло. Атмосфера и подстилающая поверхность генерируют собственное тепловое излуче- ние. Уходящее в космическое пространство тепловое излучение составляет для безоблач- ной атмосферы – 0,34 и для облачной атмосферы – 0,36. Осуществляется балансовое ра- венство между поглощённым солнечным излучением и потерями Земли на тепловое ин- фракрасное излучение на уровне 0,7 от всего приходящего солнечного излучения. Восходящий поток теплового излучения на уровне земной поверхности в использу- емых единицах составляет 1,15. Противоизлучение атмосферы составляет 1 (противоизлу- чение безоблачной атмосферы – 0,33 и облачной атмосферы – 0,67). Эффективный поток на поверхности составляет – 0,15. Суммируя с учётом знаков потоки теплового излучения, поступающие и уходящие из атмосферы, можно получить, что за счёт теплового излучения атмосфера теряет 0,55 лучистой энергии, поступающей от Солнца. Если учесть, что атмосфера поглощает только 0,26 приходящего солнечного излучения, радиационные потери атмосферы составляют 0,29. Эти потери компенсируются за счёт нерадиационных процессов турбулентности и конвекции и конденсации водяного пара, соответственно – 0,06 и 0,23. Конвекция в атмосфере – это вертикальные перемещения объёмов воздуха с одних высот на другие, обусловленные архимедовой силой: воздух более тёплый и, следователь- но, менее плотный, чем окружающая среда, перемещается вверх, а воздух более холодный и более плотный – вниз. При слабом развитии конвекция имеет беспорядочный, турбу- лентный характер. При развитой конвекции над отдельными участками земной поверхно- сти возникают восходящие и нисходящие токи воздуха, пронизывающие атмосферу ино- гда до высот стратосферы (проникающая конвекция). Вертикальная скорость восходящих токов (термиков) при этом обычно порядка нескольких м/сек, но иногда она может пре- вышать 20-30 м/сек. С проникающей конвекцией обычно связано образование облаков ку- чевых и кучево-дождевых (грозовых). Конденсация водяного пара в атмосфере – это переход водяного пара, содержащего- ся в воздухе, в жидкое состояние (капли). В расширенном значении термин применяется к переходу водяного пара как в жидкое, так и в твёрдое состояние. Атмосфера является уникальной природной системой, которая оперирует в своём движении потоками тепловой энергии в 1,7 раза превосходящими приходящее солнечное излучение. Из всей поступающей к Земле солнечной энергии примерно 40% приходится на видимый диапазон 380-740 нм, 10% – на более короткие длины волн и 50% – на более длинноволновое излучение. Спектр солнечного излучения на высоте 11 км и на поверхности Земли представле- ны на рисунке. 90

Рисунок 5.2 – Спектр солнечного излучения стандартный (АЧТ, Т=57850К), на поверхности Земли и на высоте 11 км Солнечное излучение для длин волн менее 300 нм практически полностью поглоща- ется на высотах с нижней границей 30-40 км. Приблизительно с 300 нм атмосферное по- глощение безоблачной атмосферы быстро уменьшается и для длин волн 300-900 нм боль- шая часть солнечной радиации достигнет поверхности Земли. Приблизительно с 1000 нм атмосферное поглощение в среднем увеличивается, до- стигая 100% в отдельных полосах поглощения различных атмосферных газов, прежде все- го Н2О и СО2. Основное рассеяние солнечного излучение в тропосфере (на высотах ниже 11 км) связано с водяным паром и аэрозолями воды (капли и кристаллы льда), организо- ванными в виде облаков и атмосферных осадков. Представленный на рисунке спектр объясняет роль нижней атмосферы в энергетиче- ских тепловых процессах гидрометеорологической системы Земли. Радиационный баланс подстилающей поверхности Земли. По определению ради- ационный баланс подстилающей поверхности Rs есть разность между поглощённой ею энергией Fa, и собственным излучением Fs . (5.6) Солнечное излучение, падающее на поверхность, Q (суммарная солнечная радиация) состоит из прямой Qd и рассеянной Qs солнечной радиации: Q = Qd +Qs. Часть падающего солнечного излучения отражается от поверхности в соответствии со значением её инте- грального (по солнечной области спектра) альбедо As. Поглощённая поверхностью часть солнечного излучения равна Q (1 – As) = (Qd + Qs) (1 – As). (5.7) На поверхность также падает нисходящий поток теплового длинноволнового излу- чения атмосферы , называемого противоизлучением атмосферы. Если поверхность 91

АЧТ, то она полностью поглощает противоизлучение атмосферы и поглощаемое поверх- ностью излучение (солнечное и тепловое) равно ( ) . (5.8) Если поверхность не абсолютно чёрная, а имеет излучательную способность

Chkmark
Всё

понравилось?
Поделиться с друзьями

Отзывы