Сторінка
5

Природні системи абіотичного середовища біосфери

Для характеристики зміни тиску в метеорології застосовують спеціальну одиницю — мілібар, яка позначається mB (мб). 1 mB = = 1,013 · 10–3 аtm = 1,02642 · 102 Ра. На практиці припускають, що тиск в 1 mB дорівнює одній тисячній атмосфери. Висота підйому в метрах, яка відповідає зміні атмосферного тиску на 1 mB, називається барометричним ступенем. У приповерхневому шарі тропосфери (до 4 km) зміні тиску на 1 mB відповідає зміна висоти на 8 m, у шарі від 4 до 6 km — 13 m, а у шарі від 12 до 16 km — близько 40 m. Величина барометричного ступеня залежить від температури, а також від вологості повітря.

Як було вже вказано, повітря тропосфери нагрівається від поверхні Землі і знижується на 5… 8°С через кожний km. Це встановили ще минулого століття, вимірюючи температури з допомогою повітряних куль і спеціальних метеорологічних зондів. Тоді поширеною була думка, що далі від поверхні Землі температура повітря нижча. Але 21 березня 1893 р. над Парижем на висоті 12 km було зафіксовано температуру мінус 51°С, а на висоті 16 km — лише мінус 21°С. Багаторазові перевірки дали змогу встановити, що зниження температури відбувається тільки до висоти 10… 11 km. Саме через це шар повітря над Землею, в якому температура з висотою знижується, отримав назву тропосфери (від гр. «тропос» — переворот), а вищий шар (над тропосферою), де температура є більш стабільною і рух повітря відбувається переважно в горизонтальному напрямку, тобто там, де шар повітря стратифікований, назвали стратосферою.

Температура атмосфери тричі змінює градієнт: у стратосфері на висоті 20…30 km, у верхніх шарах стратосфери на межі з мезосферою (50…60 km) і остаточно починає підвищуватись на межі з іоносферою (80 km). На висоті 100 km температура переходить через 0°С і швидко зростає. Це пояснюється високою швидкістю молекул у дуже розрідженому просторі, де вони не втрачають її через зіткнення. Але теплоємність такої атмосфери також дуже мала, відтак це не перешкоджає перебуванню на такій висоті космічних апаратів. Параметри атмосфери зображено на рис. 21.

Рис. 21. Структурна схема атмосфери, її параметрів і процесів

На біосферу суттєво впливають зміни температур у нижніх шарах тропосфери.

Верхню межу тропосфери відділено від стратосфери прошарком у кількасот метрів, який називають тропопаузою. Тропопауза начебто «прикриває» біосферу Землі. Вище за тропопаузу відбувається поступова зміна градієнта температури — інверсія, що запобігає інтенсивному переміщуванню повітря тропосфери і стратосфери.

Оскільки нагрів поверхні Землі в різних її зонах неоднаковий, то внаслідок збільшення об’єму нагрітого повітря і зменшення відповідно тиску маси повітря переміщуються в бік підвищення температурного градієнта (від меншої температури до вищої). Прикладом цього явища є відомий вітерець (бриз) на березі моря: удень повітря над суходолом прогрівається швидше і підіймається вгору і на його місце надходить прохолодніше повітря з моря, а вночі — навпаки.

Окрім градієнта температури (і тиску) на напрям руху повітря справляє суттєвий вплив відцентрова сила обертання Землі (Коріолісова сила). Найбільш виразно вона проявляється на висоті понад 1… 2 km, коли зменшується сила тертя. Вплив її настільки сильний, що напрям вітру відхиляється від напряму ізобар і температурного градієнта до 90°. У приповерхневому шарі Землі сила тертя повітря з поверхнею Землі зменшує швидкість вітру і відхиляє його напрям ліворуч від ізобар. За зближення теплого і холодного повітря градієнти температури й тиску збільшуються і зростає швидкість вітру. Ці зони називають перехідними, або фронтальними. Їх ширина становить до 2000 km. Саме в цих зонах виникають так звані циклони і антициклони. Закручуючись у спіральні утворення, вони підіймають нижні шари повітря на десятки кілометрів, переміщуючи їх з теплих (низьких) широт до помірних і холодних високих широт. Так відбувається вирівнювання температури земної поверхні.

В екваторіальній зоні приземна температура протягом року коливається в межах 25… 28°С, в Арктиці — від мінус 35°С взимку до 0°С влітку. В Антарктиді температура є значно нижчою — мінус 40°С і нижче взимку і не вище мінус 10°С влітку.

Унаслідок такого розподілу тепла збільшення градієнта температур в тропосфері завжди спрямоване з низьких широт до високих. Це зумовлює відповідно до дії Коріолісової сили переважно західні вітри: нагріте на екваторі повітря буде переміщуватись на схід, що й зумовить напрям вектора градієнта температури й тиску від полюсів. Західні вітри цього походження бувають дуже потужні, а на висоті верхньої межі тропосфери вони можуть бути над­ураганні (до 300 km за годину). Горизонтальне перенесення повітря супроводжується вертикальними потоками. Зі зміною температури відбуваються процеси конденсації й кристалізації водяної пари і утворення опадів — дощу, снігу, граду.

2.1.3. Гідросфера

Термін «гідросфера» походить від двох грецьких слів ΰδωρ — вода і σφαіρα — куля. Під цим терміном розуміють водневу поверхню (оболонку) Землі. На відміну від атмосфери гідросфера є не суцільною, а складається з окремих частин: Світового океану, водних басейнів на суходолі (річки й озера, підземні води, льодовики). Вода — найбільш поширена речовина на Землі. Загальна маса гідросфери понад трильйон тонн (1018 t), що становить 0,034% маси Землі, а її поверхня займає близько 4/5 земної кулі. Усі види води гідросфери становлять єдину систему, зв’язану в планетарний кругообіг просторово і за фазовими перетвореннями (тверде — рідке — пара).

Останнє є унікальною властивістю води. З усіх речовин біосфери в діапазоні температур існування живих організмів тільки вода може існувати в трьох агрегатних станах (фазах) — вода — лід, вода — рідина і вода — газ. Вода існує повсюдно. Сучасні дослідження виявили воду на інших планетах Сонячної системи і навіть за її межами — у таких космічних тілах, як комети, а сьогодні і на Місяці.

Не випадково стародавні філософи вважали, що вода є одним з чотирьох первинних елементів Природи поряд із Землею, Повітрям і Вогнем. Таке уявлення існувало ще за середньовіччя. Тільки 1781 р. американський хімік Кавендіш показав, що вода утворюється під час згоряння водню. І лише 1860 р. італієць Канніццаро встановив хімічну формулу води — Н2О. Агрегатний стан води залежить від температури й тиску.