Эволюция гидросферы

Важная внешняя оболочка нашей планеты — гидросфера. Она включает в себя и лед, и обычную жидкую воду, и водяной пар, присутствующий в атмосфере в очень небольших количествах (от 0, 02% в холодных полярных районах до 3% вблизи экватора). Од­нако, так как основная масса воды (М_о = 1, 4 х 10²¹ кг или 94% всей воды) приходится на Мировой океан, то, гово­ря о гидросфере, часто имеют в виду именно океанскую воду.

Наличие у Земли океана представляет собой достаточ­но редкое для Солнечной системы явление. Ведь чтобы образовался океан, то есть значительная масса жидкого вещества, отделенная от атмосферы и литосферы резкой границей, необходимо, чтобы температура поверхности космического тела была, с одной стороны, выше темпе­ратуры плавления этого вещества, а с другой — ниже его критической температуры, при которой исчезает разни­ца между жидким и газообразным состояниями вещест­ва. Кроме того, общая масса вещества должна быть доста­точно большой, чтобы мог сформироваться значительный объем жидкой фазы, в противном случае конденсация пара. На Земле всем этим условиям удовлетворяет вода, для которой температура плавления (льда) Т_пл = 0°С, а крити­ческая температура Т_кр = 374°С.

На первый взгляд, ничего необычного в существова­нии Мирового океана нет: ведь мы уже говорили, что сред­няя, температура у поверхности Земли составляет +15°С, Однако простой расчет показывает, что если бы у Земли не было атмосферы, содержащей водяные пары, то темпе­ратура поверхности была бы минусовой, и океан бы за­мерз! Чтобы убедиться в этом, найдем энергию Е_псолнеч­ного излучения, которую Земля поглощает за секунду. Известно, что солнечная постоянная F, то есть поток энер­гии солнечного излучения на среднем расстоянии Земли от Солнца, равна 1400 Вт/м². Тогда Е_п= (1-A)Fπ R², где R— радиус Земли, А = 0, 3 — отражательная способ­ность поверхности Земли (альбедо). Поглощая эту энер­гию, Земля нагревается и, как любое нагретое абсолютно черное тело, излучает энергию Е_и = σ Т₃⁴4π R², где σ = 5, 7 х 10^-8 Вт/м²К⁴ — постоянная Стефана-Больцмана. В стационарном состоянии Е_п = Е_и, откуда легко получа­ется температура поверхности Земли:

Т = ((1-А)F/4σ)^1/4 (1.3)

Подставив в эту формулу значения A, Fи σ, получаем T=256 K = -17°С. Именно такую, отрицательную (по Цельсию), темпе­ратуру имеет Земля, если ее наблюдать из космоса. Поче­му же тогда реальная средняя температура поверхности Земли составляет +15°С?

Оказывается, все дело в парни­ковом эффекте, который создается атмосферой Земли. Суть этого эффекта заключается в следующем. Почти все излучение Солнца, за исключением ультрафиолетовой части спектра, которая задерживается озоном О₃, пропус­кается атмосферой и поглощается Землей. А вот излуче­ние Земли имеет максимум в ближней инфракрасной об­ласти спектра, которая поглощается парами воды. В ре­зультате атмосфера, содержащая пары воды, становится тепловым экраном, приводящим к повышению темпера­туры поверхности Земли.

Парниковый эффект является дестабилизирующим фактором, усиливающим климатические изменения на Земле. Представим себе, что по какой-то причине темпе­ратура поверхности Земли понизилась. Следствиями это­го немедленно станет, во-первых, уменьшение концентра­ции водяного пара, а значит и парникового эффекта, и, во-вторых, увеличение отражающей способности Земли из-за расширения облас­тей, занятых хорошо отражающим свет льдом. Оба эти следствия приведут к дальнейшему понижению темпера­туры поверхности Земли. Аналогично, если температура возрастет, то увеличение парникового эффекта и умень­шение отражающей способности Земли приведут к дальнейшему возрастанию тем­пературы. Неудивительно, что за время своей эволюции Земля неоднократно переживала периоды глобального потепления и похолодания климата.

Океан по­крывает около 70% территории Земли. На высокие горы и океанские впадины приходится всего около 1% земной поверхности, а основную площадь Земли занимают две относительно пологие поверхности — равнины и низмен­ности на суше и океанское дно.

Типичная зависимость уклона поверхности океанско­го дна при удалении от берега выглядит так. Сначала глу­бина растет медленно, с уклоном всего 1, 5-2 м на 1 км. Эта мелководная область вокруг материков простирается в среднем на 80 км и называется шельфом. Затем начина­ется резкий обрыв (континентальный склон), переходя­щий в обширное, почти плоское ложе океанов. Рекордная глубина океанских впадин со­ставляет, как известно, 11022 м (Марианская впадина в Тихом океане). Количество воды в океане менялось на протяжении геологической истории Земли. Уровень океана неоднократно падал на 120-150 м, а океанская вода при этом накапливалась на суше огромными ледниками, такими же, какие сейчас покрывают Антарктиду и Гренландию. Сейчас общая масса льда на Земле составляет примерно 2, 4х10¹⁹ кг, причем из-за постепенного потепления кли­мата происходит таяние ледников и, как следствие, под­нятие уровня Мирового океана со скоростью в среднем около 0, 12см в год.­