Конспект лекций по географии для студентов 1 курса экологического факультета (стр. 2 )

Основные понятия: магнитопауза, вектор магнитной вариации.

3. Изменения магнитного поля.

Магнитное поле Земли испытывает изменения, различные по продолжительности и направленности.

Наиболее длительными являются изменения положения магнитных полюсов (смена полярности). которые зафиксированы в намагниченности горных пород. Смена полярности происходит не менее чем в течение 10 тыс. лет. Причины изменений полярности магнитного поля до сих пор неясны.

Вековые вариации - процесс изменения среднегодовых значений того или иного элемента.

Вековой ход - изменение величин элементов магнитного поля за один год.

Быстрые колебания (спокойные и возмущенные) – короткопериодичные изменения параметров магнитного поля от нескольких дней до нескольких долей секунды.

Спокойные вариации магнитного поля подразделяются на солнечно-суточные вариации (равны солнечным суткам), лунно-суточные вариации (половина лунных суток) и годовые.

Кроме таких регулярных изменений магнитного поля выделяют нерегулярные изменения - возмущения:

1) возмущения, наблюдаемые на всем земной шаре — магнитосферные бури;

2) возмущения, происходящие на локальных участках — локальные возмущения;

3) ежедневные возмущения в околополярных областях — перманентные возмущения.

Магнитосферные бури являются следствием увеличения солнечной активности, которая проявляется в усилении рентгеновского и ультрафиолетового излучения и выбросе заряженных солнечных частиц (плазмы), обладающих значительной энергией. При подходе этой ударной волны к Земле магнитосфера сжимается, и этот процесс сопровождается эффектом взрывных процессов. Продолжительность таких процессов (магнитных суббурь) составляет 1-3 часа.

Проявление магнитосферной бури в изменениях геомагнитного поля Земли называют геомагнитной бурей.

Количественной мерой геомагнитной активности являются индексы геомагнитной активности, характеризующие локальную и глобальную возмущенность. В настоящее время существует около двух десятков этих индексов.

Геомагнитные бури сопровождаются изменениями в ионосфере, появлением полярных сияний в более низких широтах, чем обычно, ухудшением радиосвязи и т. д. отражаются геомагнитные бури на состоянии человека.

Локальные возмущения магнитного поля длятся несколько часов и их амплитуды не превышают 100 гамм.

Перманентные возмущения магнитного поля сопровождаются полярными сияниями.

Основные понятия: смена полярности, вековая вариация, вековой ход, быстрые колебания: солнечно-суточные вариации, лунно-суточные вариации, возмущения: магнитосферные бури, локальные возмущения, перманентные возмущении, геомагнитная буря, индексы геомагнитной активности, полярные сияния.

Лекция 7. Магнитосфера Земли (продолжение).

Содержание:

1.  Влияние магнитного поля на географическую оболочку Земли.

2.  История открытия магнитного поля и магнитных свойств Земли.

3.  Радиационные пояса Земли

1. Влияние магнитного поля на географическую оболочку Земли.

Влияние магнитного поля на многие процессы в географической оболочке несомненно, но в этом вопросе существует много неясных вопросов.

Оно проявляется в использовании магнитного поля для ориентации животных (пластинчато-жаберные рыбы (акулы, скаты), некоторые птицы, моллюски и бактерии).

Изменения напряженности магнитного поля, которые возникают в периоды магнитных бурь, отрицательно влияют на живые организмы. (в периоды магнитных бурь, люди чаще страдают нервно-психическими заболеваниями, возникают обострения заболеваний сердечно-сосудистой и нервной систем человека, растет аварийность на дорогах).

Техногенными следствиями магнитных бурь являются сбои электронных систем и снижение надежности работы операторов.

2.История открытия магнитного поля и магнитных свойств Земли.

Знакомство человека с магнитными свойствами горных пород произошло еще в античные времена, когда стал известен магнетит— темно-серый минерал, который называют иногда магнитным железняком. Своим названием он обязан либо городу Магнесия в Македонии, либо легенде о пастухе Магнусе, у которого был посох с железным наконечником, который притягивался камнем, лежащим на пастбище.

В 1110 году до нашей эры в Китае был создан прообраз современного компаса, который позволил использовать магнитное поле для ориентирования по сторонам света.

Во время своего кругосветного путешествия Х. Колумб установил, что стрелка компаса не всегда показывает на Полярную звезду, т. е. обнаружил магнитное склонение.

В 1544 году было открыто наклонение магнитного поля.

изобрел самопишущий компас, который на ленте автоматически вычерчивал все отклонения от заданного румба при движении корабля.

По инициативе немецкого естествоиспытателя Александра фон Гумбольдта в XIX веке были созданы магнитные обсерватории для постоянной регистрации изменений магнитного поля. Такие обсерватории были открыты и в России.

Первые магнитные съемки были выполнены американцами в 1910 году на немагнитной шхуне “Карнеги”. В 1952 году такая шхуна была создана в СССР.

Основные понятия: магнетит, компас, магнитные обсерватории, немагнитные шхуны.

3.Радиационные пояса Земли.

В начале XX века было установлено, что магнитосфера Земли является своеобразной ловушкой для заряженных частиц. Частицы проникают в магнитосферу в экваториальных районах и состоят преимущественно из электронов, протонов и ядер тяжелых элементов, приходящих со скоростями, близкими к скорости света.

Обнаружены два пояса с максимальными концентрациями электронов: внешний электронный пояс на высотах до 6 радиусов Земли и внутренний— до 2 радиусов Земли. Между этими двумя поясами выделяют протонный пояс с максимумом концентрации протонов.

Частички, находящиеся в магнитосфере, претерпевают изменения как по расположению в пространстве, так и по интенсивности движения. Они выбиваются или “высыпаются” в верхние слои атмосферы до высот 100 км и сталкиваются с молекулами воздуха. Энергия частиц тратится на ионизацию и разогрев воздуха. Когда поток “высыпающихся" частиц достигнет определенной величины, возникает полярное сияние. При очень больших потоках— возникает сильное сияние.

Основные понятия: внешний электронный пояс, внутренний электронный пояс, протонный пояс.

Лекция 8. Атмосфера

Содержание:

1.  Состав атмосферы

2.  Температурный режим атмосферы.

3.  Происхождение атмосферы

Атмосфера (от греч. atmos - пар, sphaira – шар) - это воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и принимающая участие в ее суточном и годовом вращении.

1. Лекция 8. Атмосфера

Масса атмосферы составляет около 5,15х1015т, - что по весу соответствует весу равномерно распределенной по поверхности Земли воды слоем в 10 м или ртути слоем 76 см.

Основная масса атмосферы - около 50% - сосредоточена в нижнем (5-ти км) слое, 90% находится в 16-километровом слое, а масса воздуха, находящегося выше 30 км, не превышает одного процента всей массы атмосферы.

Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом. Состав воздуха у земной поверхности:

78,08% (по объему) и 76% (по массе)- азот,

20,95% (по объему) и 23% (по массе) – кислород.

0,95% (по объему) и 0,93% (по массе) – аргон

0,03% - углекислый газ.

Остальные газы (ксенон, неон, криптон, гелий, метан, водород, закись азота, озон, диоксид азота, диоксид серы, аммиак, угарный газ, йод, радон) составляют тысячные, миллионные и миллиардные доли процента. Все перечисленные газы, составляющие сухой воздух, сохраняют газообразное состояние при наблюдающихся в атмосфере температурах и давлении не только у земной поверхности, но и в высоких слоях атмосферы

Кроме того, в состав воздуха входит газы с переменным содержанием: водяной пар, В углекислый газ и озон.

Объем воды в атмосфере составляет около 13х103км3 (в среднем около 0,16% от объема воздуха, колеблясь у земной поверхности от 3% в тропиках до 0,01% в Антарктиде). С высотой его содержание быстро убывает.

В воздухе во взвешенном состоянии находятся также жидкие и твердые частички, общая масса которых крайне незначительна по сравнению с массой атмосферы.

До высот км из-за интенсивного перемешивание воздуха сохраняется однородность вещественного состава нижних слоев атмосферы. Эта часть атмосферы называется гомосферой.

Выше в соответствии с законом Дальтона происходит гравитационное разделение газов, их расслоение по плотности, которое усиливается с высотой. В результате в атмосфере происходит непрерывное изменение состава, как по слоям, так и во времени. Эта часть атмосферы названа гетеросферой.

Процесс разделения газов по плотности осложняется диссоциацией и фотоионизацией молекул на атомы под влиянием коротковолнового солнечного излучения. Чисто гравитационное разделение газов происходит только с благородными газами: аргоном и гелием.

В результате этого выше 1000 км атмосфера состоит из гелия и водорода в атомарном состоянии. На этих высотах начинается процесс ускользания легких газов из земной атмосферы в космическое пространство. Выше 1500 км в годы минимума солнечной активности атмосфера состоит преимущественно из водорода, в годы максимума активности – из гелия.

В настоящее время на состав воздуха оказывает влияние человек: поступают хлорфторуглеводороды, в том числе фреоны, меняется содержание диоксида углерода и озона.

Основные понятия: гомосфера, гетеросфера.

2. Температурный режим атмосферы.

В зависимости от изменения температуры в атмосфере выделяются несколько слоев.

Нижний слой — тропосфера — нагревается от Земли, которая в свою очередь нагревается солнечными лучами. Непосредственный нагрев воздуха за счёт поглощения им солнечных лучей в десятки раз меньше.

С высотой нагрев уменьшается, и это понижает температуру воздуха в среднем для всей тропосферы от +14°С (среднегодовая температура поверхности на уровне моря) до —55° С на верхней границе тропосферы. Высота тропосферы зависит от степени нагревания поверхности Земли. Поэтому в тропиках слой атмосферы, который способно прогреть тепловое излучение поверхности довольно мощный и составляет 18 км, в умеренных широтах он составляет 10-12 км, а в полярных – всего 8 км.

В среднем же температура уменьшается с высотой на 0,60 на каждые 100 м (вертикальный температурный градиент).

В тропосфере сосредоточено 80% всей массы атмосферного воздуха, в ней содержится почти весь водяной пар, возникают почти все облака. Очень развита турбулентность, процессы вертикального и горизонтального переноса. Высота, до которой простирается тропосфера над каждым местом Земли, меняется изо дня в день, колеблясь около приведенных выше высот. Давление воздуха на верхней границе тропосферы в 3-10 раз меньше, чем у поверхности.

Самый нижний слой тропосферы (50-100 м) носит название приземного слоя. Слой от земной поверхности до высот м называют планетарным пограничным слоем или слоем трения.

Верхняя граница тропосферы, тонкий переходный слой с мощностью 2 км, где падение температуры с высотой сменяется ее постоянством, называется тропопаузой.

Стратосфера поднимается до высот 50-55 км и характеризуется ростом температура с высотой от – 500С до 00 на границе стратопаузы. Возрастание температуры с высотой приводит к отсутствию конвективных (вертикальных движений) и активного перемешивания.

На высотах 22-24 км иногда наблюдают перламутровые облака. Они состоят из переохлажденных капель. Состав воздуха стратосферы отличается от тропосферного только большим количеством озона.

Мезосфера. Она простирается до высот 80-82 км. В мезосфере температура понижается с высотой от 00С до -1100С. Из-за быстрого падения температуры в мезосфере сильно развита турбулентность. В верхней части мезосферы образуются серебристые облака, состоящие из кристалликов льда. Верхней границе мезосферы является мезопауза.

Термосфера - верхняя часть атмосферы над мезосферой. Ее верхняя граница проводится либо на высоте км, а выше выделяют экзосферу, либо термосферой называют всю часть атмосферы, лежащую выше мезопаузы. В термосфере температура резко растет с высотой. Рост температуры в термосфере связан с поглощением ультрафиолетовой радиации и сопровождается ионизацией атмосферы. В годы активного Солнца на высоте 200-250 км она превышает 15000С.

Часть термосферы (от 100 км до км) называют ионосферой.

Атмосферные слои выше км называют сферой ускользания газов. Ускользают в основном атомы водорода и гелия, образуя вокруг Земли земную корону, простирающуюся на 20000 км.

Озоновый слой. Озон - трехатомарный кислород, образующийся в слоях от 15 до 70 км (с максимумом на высотах 20-23 км) и поглощающий ультрафиолетовую радиацию с длинами волн от 0,15 до 0,29 мкм.

Приведенная толщина слоя озона – толщина слоя озона при нормальном давлении. Общее содержание озона измеряется в «единицах Добсона», равных 0,01 мм чистого озона в приземных условиях, и колеблется от 150 до 450 этих единиц.

Значение озона.

Основные понятия: тропосфера, стратосфер, мезосфера, термосфера, экзосфера, ионосфера, тропопауза, стратопауза, мезопауза, озоновый слой, приземный слой, планетарный пограничный слой или слой трения, вертикальный температурный градиент, перламутровые облака, серебристые облака, сфера ускользания газов, земная корона.

3.Происхождение атмосферы.

Воздушная оболочка Земли возникла в период формирования нашей планеты в результате дифференциации протопланетного вещества. Первичная атмосфера была по составу близка составу метеоритных и вулканических газов. Она состояла из углекислого газа – до 98%, аргона – 0,19%, азота – 1,5%, имела восстановительный характер и была практически лишена свободного кислорода. Основная часть кислорода образовалась позднее и имеет в основном биогенное происхождение.

Атмосфера оказала значительное влияние на эволюцию литосферы и эволюцию гидросферы.

Все главные газовые составляющие атмосферы расходуются и снова поступают в атмосферу в результате взаимодействия с живыми организмами, водами гидросферы и минеральными веществами литосферы.

Лекция 9. Гидросфера. Мировой океан.

Содержание:

1.  Общая характеристика гидросферы.

2.  Строение и свойства воды.

3.  Мировой океан. Части Мирового океана

4.  Уровень океанов и морей.

5.  Прозрачность морской воды

6.  Взаимодействие атмосферы и океаносферы.

7.  Физико-химические свойства морской воды.

8.  Термический и ледовый режим Мирового океана.

9.  Районирование толщи Мирового океана

Под гидросферой понимают совокупность всех форм воды, находящихся в твердом, жидком и газообразном состоянии.

1. Общая характеристика гидросферы.

Общий объем воды на Земле составляет 1,370*1018т. Кроме гидросферы она содержится во внутренних оболочках планеты: в земной коре. Почти вся вода в этих слоях находится в связанном состоянии - она входит в состав горных пород и минералов.

Гидросфера включает около 1,5 млрд. км3 воды. Мировой океан – 1,370 млрд. км3 (94%), воды суши – 0,13млрд. км3, из них 60 млн. км3 – подземные воды, 24 млн. км3 - ледники, 230 тыс. км3- озера, 1,2 тыс. км3 – реки, 75 тыс. км3 - вода почв,14 тыс. км3 - вода атмосферы.

Основные химические элементы, образующие гидросферу Земли - кислород - 86%, водород - 11%, натрий и хлор - 3%. В составе гидросферы содержится около 5*1016т. солей, будучи равномерно распределены по поверхности планеты, они образовали бы слой в 45м.

2.Строение и свойства воды.

Вода – единственный на Земле минерал, который в термодинамических условиях земной поверхности способен находится в трех физических состояниях: твердом, жидком и газообразном и быстро переходить из одного состояния в другое. Температура, при которой жидкая вода, пар и лед находятся в равновесии равна +0,010С. Изменение состояния воды сопровождается выделением энергии.

Вода простейшее и устойчивое соединение кислорода с водородом и состоит из 11,11% водорода и 88,89% кислорода (по весу) (11,19% и 88,81% по массе). Аномалии физических свойств воды объясняются структурой ее молекулы (гидроль, дигидроль, тригидроль.).

В природе выделяют 9 видов молекул воды В природе стабильны изотопы кислорода 16О, 17О, 18О. Ообыкновенная вода - это Н2 160, она составляет 99,73% всех видов вод, Н218О – 0,2% и на Н217О – только 0,04%. При испарении в пар переходит преимущественно Н2160, неиспарившаяся вода обогащается Н218О и Н217О. Кроме того, в природных водах содержится в очень малом количестве тяжелая вода Д2О и Т2О.

Д2О кипит при температуре 101,420С, замерзает при 0,80С и наибольшую плотность имеет при 11,60С. В тяжелой воде не живут живые организмы, семена, смоченные такой водой не прорастают.

Исключительное значение в природе имеют особенности поведения воды при замерзании. Температура замерзания дистиллированной воды принята за 0°С, а температура кипения при нормальном давлении - за 100° С. Вода имеет максимальную плотность при температуре +40С, при понижении температуры ниже 40С уменьшается ее плотность, а при замерзании объем увеличивается на 9%. Аномальное изменение плотности воды объясняется особенностями ее строения

Под плотностью воды r (г/см3) понимается отношение ее массы m к объему V, занимаемому ею при данной температуре, т. е.

r = m/ V

За единицу плотности принята плотность дистиллированной воды при 4° С.

Величина, обратная плотности, т. е. отношение единицы объема к единице массы, называется удельным объемом (см3/г):

v = V/m.

Плотность воды зависит от ее температуры, минерализации, давления, количества взвешенных частиц и растворенных газов.

Жидкая вода в тонких слоях бесцветна, в толстых имеет голубовато-зеленый оттенок. Чистая вода, без примесей, почти не проводит электрический ток.

Вода имеет большое поверхностное натяжение и может подниматься по тонким капиллярам на несколько метров вверх, что обеспечивает питания растений и является важным фактором почвообразования.

Вода – универсальный растворитель. Поэтому все природные воды – растворы. Даже в самой чистой природной воде - дождевой содержатся соли. Универсальная растворительная способность воды обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, в том числе солевой обмен. Эта способность воды лежит в основе обмена веществами между организмом и средой, в основе питания живых организмов. Вода поддерживает растворенные в ней вещества в ионизированном состоянии. Биохимические реакции совершаются между ионами. Это свойство делает воду носителем жизни, все жизненно важные процессы протекают в живых организмах только в водных растворах.

Водяные пары хорошо пропускают коротковолновое излучение Солнца, но почти полностью поглощают встречное длинноволновое излучение земной поверхности. Это обеспечивает поглощение большого количества тепла водоемами и отепляющее воздействие на климат.

Вода самоочищается. При прохождении через грунт вода фильтруется; испаряется только чистая вода, все примеси остаются на месте. В процессе течения в реках, динамики в озерах и морях вода очищается. Но только до известного передела, загрязнение воды особенно промышленными отходами, нередко превосходит предел самоочищения.

Основные понятия: гидроль, дигидроль, тригидроль, плотность, удельный объем воды, тяжелая вода.

3. Мировой океан.

Непрерывная водная поверхность Мирового океана составляет 70,8% площади поверхности планеты.

Части Мирового океана. Название «океан» происходит от собственного имени мифической реки Океан. Сейчас на Земле выделяют 4 океана: Северный Ледовитый, Тихий, Атлантический и Индийский. Иногда говорят о Южном океане, имея в виду акваторию Мирового океана, окружающую Антарктиду.

Каждый океан обладает комплексом только ему присущих качеств: распределение солености, температурный и ледовый режим, характер глубин и господствующие донные отложения, а также свои системы течений, системы приливов и отливов и особая циркуляция атмосферы.

При взаимном проникновении частей материков в океан и частей океана в материки образуются со стороны суши острова и полуострова, а со стороны океана моря, заливы и проливы.

Морем называется обособленная часть океана, отличающаяся физико-географическими, главным образом гидрологическими и климатическими особенностями. Оно может находиться или между двумя материками, или вдаваться в материк, или, наконец, отделяться от океана полуостровами, островами и подводным рельефом.

В зависимости от характера контакта материка и океанов моря делятся на три группы:

1.  Средиземные.

Географическое положение моря во многом определяет его гидрологический режим. Внутренние моря слабо связаны с океаном, поэтому соленость их воды, течения и приливы заметно отличаются от океанских. Режим окраинных морей в сущности океанический.

Разница между морем и заливом не всегда уловима, и связана с историческими особенностями. В принципе залив меньше моря; каждое море образует заливы, наоборот же не бывает. Но в Старом свете небольшие акватории, называются морями, а в Америке и Австралии, где названия давали европейские первооткрыватели, даже большие моря называются заливами. Иногда почти одинаковые по площади и положению акватории называются одна морем, другая — заливом.

Выделяют четыре типа контакта материков и океанов: экваториальный, североатлантический, восточноазиатский и западноамериканский.

4. Уровень океанов и морей.

Хотя все части Мирового океана и представляют систему сообщающихся сосудов, уровень их не везде одинаков и он непрерывно изменяется. Для различных расчетов пользуются средним многолетним уровнем.

В изменении уровня океана в северном умеренном поясе, отличающемся мозаичностью береговой линии, наблюдаются определенные закономерности.

Причина изменения уровня моря заключается в переносе воды течениями. Средние уровни морей, определяемые в отдельных точках на основе многолетних наблюдений, близки к поверхности абсолютно спокойной воды. Они принимаются за исходные при определении абсолютных высот поверхности суши и глубин морей.

5.Прозрачность морской воды.

Вода прозрачна только для видимых лучей и сильно поглощает инфракрасные. В верхнем полуметровом слое поглощается инфракрасная радиация, а ниже последовательно — красные, желтые, зеленые и синие лучи. Фотопластинка в специальной фотокамере на глубине 100 м затуманивается при экспозиции 80 мин. Слабые признаки света обнаружены наблюдениями из батискафов до глубин 500 м, и совсем ничтожное его количество доходит до 1000 м.

Для фотосинтеза требуется сравнительно много света, поэтому с глубин 100—150, редко 200 м растения исчезают (нижняя граница фотосинтеза).

Проникновение света в воду зависит от ее прозрачности. Она выражается числом метров, т. е. глубиной, на которой еще виден белый диск диаметром 30 см.

За последние десятилетия отмечается большое техногенное загрязнение океанской воды, в частности нефтью. Поэтому охрана чистоты океанских акваторий стала международной задачей.

6.Взаимодействие атмосферы и океаносферы.

Океаносфера и атмосфера по динамике и структуре весьма близки и образуют единую систему. В тепловом отношении активнее океан, а в динамическом — атмосфера. Большая, чем у воздуха, плотность воды и повышенная динамическая устойчивость обусловливают более медленный по сравнению с атмосферой обмен веществами и энергией. Это способствует стабильности общепланетарных гидрометеорологических процессов.

Взаимодействие воздушной и водной оболочек начинается с тончайшего не больше 1 мм слоя. С него происходит испарение, он воспринимает удары и трение воздуха, на него падают лучи Солнца. При волнении ветром срываются капли воды с растворенной в них солью. Это — механическое испарение. Под действием солнечного тепла происходит физическое испарение. В результате в атмосферу проникают пар и аэрозоли. При этом происходит перераспределение ионов соли: хлориды остаются в растворе, а сульфаты становятся аэрозолями, а затем поступают в атмосферные осадки. При солевом обмене между океаном и атмосферой (солевом дыхании океана) меняется их сослав.

Горизонтальный и вертикальный переносы масс воды в океане осуществляются циркуляционными системами различных размеров. Принято делить их на микро-, мезо - и макроциркуляционные. Обращение воды обычно происходит в форме системы вихрей, которые могут быть циклоническими (масса воды движется против хода часовой стрелки и поднимается) и антициклоническими (с движением воды по ходу часовой стрелки и вниз).

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, расхождении течений) происходит понижение уровня и подъем глубинной воды.

Вертикальная и горизонтальная циркуляция вызывается разностью плотностей воды. В среднем на поверхности она равна 1,02474(г/см3); с увеличением солености и с понижением температуры воды она повышается, с понижением солености и потеплением— падает.

7.Физико-химические свойства морской воды.

Океаническая вода на 96,5% состоит из чистой воды, а остальная часть приходится на растворенные соли, газы, взвешенные нерастворенные частицы. В воде океанов в растворенном состоянии находится 44 элемента таблицы Менделеева, из них хлориды составляют 68,7%, сульфаты 10%, карбонаты - 0,3%, прочие 0.2%.

Средняя соленость Мирового океана составляет 35 промилле. Изменения солености хорошо выражены до глубин 1500 м, глубже соленость остается неизменной в пределах от 34,7 до 34,5промилле, за исключением тектонически-активных районов.

Плотность морской воды также непостоянна, и меняется в пределах от 0,996 до 1,083 г/см3в зависимости от солености. При солености в 24 промилле температура наибольшей плотности равна температуре замерзания. С глубиной плотность воды увеличивается, на каждые 10 м глубины давление увеличивается на 1 атм.

8.Термический и ледовый режим.

Основным источником тепла, получаемым океаном является солнечная радиация. Кроме того, океан получает тепло за счет длинноволнового излучения атмосферы, теплоты, освобождающейся при конденсации влаги и льдообразовании, при химико-биологических процессах. В придонных частях определенную долю вносит тепло Земли. Расходует тепло океан главным образом на испарение воды с его поверхности, на нагревание прилежащего слоя воздуха, на нагревание поступающей холодной речной воды на таяние льдов.

Льды занимают до 15% площади Мирового океана. В северных районах образовавшийся за зиму лед растаять не успевает, поэтому здесь встречаются льды разного возраста. Толщина однолетнего льда - 1-2,5 м, многолетнего - 3 и более метров. Многолетние льды, занимающие центральные части северного Ледовитого океана называются паковыми льдами. Они занимают 70-80% общей площади льда этого океана.

Кроме морских льдов в океанах встречаются льды, образовавшиеся на суше - айсберги. Границы ледового покрова испытывают значительные сезонные колебания. Айсберги в южном полушарии поднимаются и до 40 град. Льды оказывают существенное влияние на климат.

9.Структура Мирового океана.

Структурой Мирового океана называется его строение - вертикальная стратификация вод, горизонтальная (географическая) поясность, характер водных масс и океанских фронтов.

В вертикальном разрезе толща воды распадается на большие слои, аналогичные слоям атмосферы

В современную эпоху океану свойственна четырехслойная стратификация:

Ø  поверхностная область (сфера) - до глубины 200 м;

Ø  батиальная область (сфера)- от м глубины;

Ø  абиссальная область (сфера)- глубже 1500 м.

Ø  гипабиссальная область (сфера) – свыше 4 км.

Основные понятия: части Мирового океана: острова, полуострова, моря, заливы и проливы, типы морей: средиземные, внутренние, окраины, типы контакта материков и океанов: экваториальный, североатлантический, восточноазиатский, западноамериканский, прозрачность морской воды, механическое и физическое испарение, солевое дыхание океана, циркуляционные систем: микро-, мезо - и макроциркуляционные системы, конвергенция, дивергенция, средняя соленость Мирового океана, паковые льды, айсберги.

Лекция 10. Гидросфера. Воды суши.

Содержание:

1.  Сток суши и водный баланс.

2.  Река, речная система, бассейн реки.

3.  Питание рек. Типы водного режима и климатическая классификация рек.

4.  Химизм и твердый сток в реках.

Воды Мирового океана, воды суши совместно с водой и водяными парами атмосферы взаимосвязаны и образуют круговорот, являющийся одним из важнейших звеньев обмена вещества и энергии в географической оболочке Земли.

1.Сток суши и водный баланс.

Поверхностный сток подразделяется на склоновый и русловой сток. Полный речной сток R образуется из поверхностного (S) и подземного (U1) стока

R = S+U1

Полный сток с суши (Q) включает также ледниковый сток (L) и сток подземных вод прямо в моря вдоль береговой линии (U2). Таким обюразом общая величина стока в океан выражается

Q = R+ L+U2

Поверхностный сток зависит от погоды, он неустойчивый, временный и переменный. Подземный сток возникает в грунтах, он обеспечивает постоянство течения воды в реках и нормальный режим увлажнения почвы. Поэтому перевод поверхностного стока в грунтовый важнейшая водорегулирующая задача в системе рационального природопользования.

Соотношение и объем поверхностного и подземного стока являются региональными особенностями и зависит от географического положения территории. От физико-географических условий зивисит густота речной сети и многоводность рек.

Величины, характеризующие сток. Сток с суши измеряется четырьмя взимно связанными величинами: слоем стока, модулем стока, коэффициентом стока и объемом стока.

Сток (или объем стока) – это количество воды, протекающее в речном русле за какой-либо период (сутки, сезон, год).Выражается в м3 или км3.

Слой стока - это количество воды, стекающее с единицы площади водосборного бассейна за год (или другой временной период), измеряется как и осадки в мм.

Коэффициент стока – отношение величины стока к количеству осадков, выпавших на площадь водосборного бассейна, и сформировавших этот сток. Выражается в процентах.

Модуль стока количество воды в литрах, стекающее с 1 км2 площади водосборного бассейна в 1 сек.

2.Река, речная система, бассейн реки.

Реками называют водные потоки, текущие в естественных руслах и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока с их бассейнов. Река с ее притоками образует речную систему, характер и развитие которой обусловлено климатом, рельефом, геологическим строением и размерами бассейна.

Река характеризуется длиной, шириной, глубиной, площадью бассейна, падением и уклонами, скоростями, расходами воды, режимом, твердым стоком (наносами) и химическим расходом.

Истоком реки называется место, где начинается река. Место впадения реки в другую реку, озеро или море называется устьем. Типы устьев: дельта (подводная, собственно дельта и выдвинутая дельта), эстуарий. В населенных оазисах пустынь предгорий многие реки полностью разбираются на орошение и их устья заменяются оросительными веерами.

Поперечное сечение русла, заполненное водой, называется водным сечением, сечение движущегося потока называется живым сечением. Площадь живого сечения (F) рассчитывается по формуле:

F=2/3B*H,

где В – ширина, Н - наибольшая глубина.

Уклон равен:

i=Dh/L

где Dh - разность высот двух точек, между которыми определяется уклон, L-расстояние между ними.

Для характеристики реки важен такой показатель как расход воды - количество воды, проходящее через живое сечение реки за единицу времени:

Q=FVср. м 3 /сек

Количество воды, проходящее через живое сечение реки за определенный промежуток времени называется стоком. Сток определяется за сутки, за сезон, за год. Он характеризует водность реки. Количественно водность реки характеризуется средним многолетним расходом в м3/сек.

Водный поток от истока к устью течет не по прямой, не по кратчайшему расстоянию, а извивается, отклоняясь то вправо, то влево от прямой соединяющей точку истока и точку устья. В таком течении сравнительно устойчивое состояние достигается плавной извилистостью русла, образованием излучин или меандр. Меандрирование приводит к асимметрии берегов рек – чередованию крутого и пологого берегов. Подмывание берегов постепенно сближает концы излучин. Самое узкое место между ними называется шейкой излучины. В половодье река прорывает шейку. Новый отрезок русла реки называется прорвой, а оставленное рекой - староречьем или старицей.

Линия наибольших глубин в русле реки называется фарватер.

Выработка реками долин и профиля падения. В турбулентном потоке струи ударяют не только в берега, но и в дно реки и отрывают от него частицы грунта. Таким образом, река эродирует (разрушает) местность. Эрозия вниз (размывание дна) называется глубинной, а в стороны (размывание берегов) – боковой.

Струйное перемешивание воды обеспечивает удержание оторванного материала во взвешенном состоянии и перекатывание его по дну. Эта деятельность реки называется транспортирующей. При замедлении течения продукты эрозии осаждаются, накапливаются, или аккумулируются в виде аллювиальных (намывных отложений).

Интенсивность работы реки определяется живой силой потока (F)

F=m*V2/2),

где m –масса наносов, V - средняя скорость потока

Профиль речного русла образует вогнутую линию, называемую профилем нормального падения, или профилем равновесия. До тех пор, пока река не выработала нормальный профиль, в ней преобладает глубинная эрозия. Она углубляет дно только до уровня воды в месте впадения реки. Эта точка называется базисом эрозии. Конечный базис эрозии всех рек – Мировой океан.

Скорость воды в реке непостоянна. Стрежень - линия наибольших скоростей течения. График распределения скоростей в русле реки называется годографом.

Речные бассейны и водоразделы. Все реки, протекающие по той или иной территории, образуют ее речную (гидрографическую) сеть, которая состоит из речных систем. Речная система включает главную реку и ее притоки, которые в большинстве представлены очень малыми (менее 25 км) и малыми (от 25 до 100 км) реками.

Для характеристики речной системы используют такие показатели как протяженность составляющих ее рек, их извилистость и густота речной сети. Степень извилистости или коэффициент извилистости рек представляет собой отношение длины реки к длине прямой, соединяющей ее исток и устье. Густота речной сети (N)– протяженность рек данной сети (L) к единице площади (S).

N =

Участок суши, с которого вода стекает в одну и ту же речную систему называется ее бассейном или водосборной площадью. Бассейны рек входят в бассейны морей и океанов, все воды суши, в конечном счете, делятся на 4 главных бассейна (по океанам) и область внутреннего стока. Бассейны ограничены водоразделами.

3.Питание рек. Типы водного режима и климатическая классификация рек.

Питание реки – это поступление воды в ее русло. Питание рек осуществляется за счет поверхностного и подземного стока. Существует четыре основных типа питания рек - дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. Роль каждого из них или их сочетания зависит от климатических условий. В годовом водном режиме рек выделяют межень, половодье и паводок.

Межень - наиболее низкий уровень воды в реке при преобладании подземного питания. Летняя межень наступает в результате высокой инфильтрационной способности почв и сильного испарения, зимняя - в результате отсутствия поверхностного питания.

Половодье - ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное и значительное увеличение количества воды в реке, сопровождающееся подъемом уровня, Оно вызывается таянием льда и снега, обильными дождями.

Паводок - относительно кратковременный и непериодический подъем воды в реке, вызываемый обильным поступление в реку дождевых или талых вод.

В зависимости от условий питания все реки подразделяются на несколько групп: экваториальный, субэкваториальный (или саванновый, тропический пустынный, субтропический средиземноморский, субтропический муссонный, умеренный морской (западноевропейский), умеренный континентальный (русский) тип, умеренный пустынный тип (казахстанский), умеренный пустынный, умеренный муссонный или дальневосточный, вечномерзлотный (восточносибирский), полярный тип, озерный тип, горный тип.

Водные режимы без искажений проявляются в малых и средних реках. В больших реках, протекающих по нескольким природным зонам режим оказывается довольно сложным.

4.Химизм и твердый сток в реках.

По химическому составу растворенных в воде минеральных веществ речные воды делятся на три класса: гидрокарбонатные, сульфитные и хлоридные. Большинство рек относится к первому классу. Они, как правило, слабо минерализованы (менее 200 мг/л).

Общее количество речных наносов, проносимое через живое сечение реки называется твердым стоком. Общее количество растворенного в речной воде вещества, переносимого с потоком называется ионным стоком. Речные наносы разделяются на взвешенные (переносимые в потоке) и влекомые (перемещаемые по дну реки). Мутность (r) реки определяется:

r=Qн/Qв г/м 3,

где Qн - :взвешенные наносы, Qв – расход.

Реки – весьма активные компонент биосферы. Их вода содержит питательные вещества, необходимые для жизни в самих реках.

Основные понятия: режим рек, исток, устье: дельта (подводная, собственно дельта и выдвинутая дельта), эстуарий оросительные веера, живое сечение, водное сечение, уклон, расход воды, водность реки, средний многолетний расход, излучина (меандра), шейкой излучины, староречье (старица), прорва, фарватер, глубинная и боковая эрозия, транспортирующая способность (живой силой) потока, аллювиальные отложения, профиль нормального падения (профиль равновесия), базис эрозии, годограф, речная (гидрографическая) сеть, речная система, протяженность, извилистость, густота речной сети, коэффициент извилистости рек, бассейн(водосборная площадь), водораздел, тип питания реки, режим реки, межень, половодье и паводок, твердый стоком, ионный сток, взвешенные и влекомые наносы, мутность.

Лекция 11. Гидросфера. Озера.

Содержание:

1.  Озерные котловины

Озера - водоёмы, не сообщающиеся с океаном. Они занимают 1,8% площади суши. Озера состоят из трех взаимосвязанных элементов: озерной котловины, воды и растворенных в ней веществ.

Несмотря на разнообразие, озера имеют ряд общих физических, химических и биологических характеристик и подчиняются многим общим законам. Поэтому изучением озер во всем их многообразии и во всех аспектах занимается одна научная дисциплина – озероведение, или лимнология (от греч. lmn° – озеро, пруд и lgos – слово, учение).

1.Озерные котловины.

По происхождению озерной котловины выделяют: тектонические, ледниковые (экзарационные и аккумулятивные), вулканические, карстовые, плотинные, провальные, термокарстовые.

Тектонические озера располагаются в тектонических впадинах (сбросовых, мульдовых и сложного строения), возникающих в результате тектонических процессов (тектонической активности)..

Ледниковые экзарационные озера заполняют впадины, созданные зкзарационной деятельностью ледника.

Ледниковые аккумулятивные озерные котловины образовались при подпруживании ледниковыми отложениями талых вод ледников или речных вод.

Вулканическая деятельность приводит к образованию: кратерных и кальдерных озерных котловин.

Карстовые озерные котловины возникают в областях, сложенных растворимыми горными породами – известняками, гипсами, доломитами.

Термокарстовые озера образуются в областях развития многолетнемерзлых горных за счет таяния ископаемого льда и мерзлых пород и проседанию грунта. В Сибири эти озера называют аласами.

Суффозионные озерные котловины обязаны просадкам грунта в связи с выносом грунтовыми водами растворимых, а также легко подвижных горных пород верхних слоев коры выветривания (илистых частиц).

Плотинные озера возникают чаще всего в горах, в речных долинах перегороженных в результате обвалов или крупных оползней.

Основные понятия: тектонические озера, ледниковые экзарационные озера, ледниковые аккумулятивные озерные котловины, кратерные и кальдерные озерные котловины, карстовые озерные котловины, термокарстовые озера, суффозионные озерные котловины, плотинные озера.

2.Химизм озер.

Озерная вода в зависимости от целого ряда параметров, и прежде всего климата и подстилающих горных пород, различается по составу и количеству растворенных в ней солей. По степени солености выделяют

  пресные озера с соленностью от 0 до 1 промилли,

  солоноватые – с соленнстью от 1 до 24,7 промилли (точка совпадения температуры наибольшей плотности и температуры замерзания),

  соленые - от 24,7-47 промиллей,

  минеральные - свыше 47 промиллей. При высоких концентрациях вода озер является насыщенными растворами, в них происходит кристаллизация солей и их выпадение в осадок на дно – самосадочными озера. Заполняющая их вода называется рапой.

По химическому составу выделяют три типа минеральных озёр: карбонатные (содовые), сульфатные (горько-соленые), хлоридные (соленые). Из этих озер добывают соль поваренную, соду, мирабилит, хлористый магний, соединения брома, йода, бора. Образующиеся в озерах минеральные грязи используют в лечебных целях.

Основные понятия: самосадочные озера, карбонатные (содовые), сульфатные (горько-соленые), хлоридные (соленые).

3.Термический режим озер.

Термический режим озер контролируется приходом солнечной радиации и теплообменом с атмосферой. Приход солнечной энергии в течение одного летнего дня может достигать 500 кал на 1 см2 поверхности озера. Часть этой энергии отражается от зеркала озера, часть рассеивается водной поверхностью в пространство, а часть поглощается водой и превращается в тепловую энергию. Расходуется тепло озерной воды на испарение и излучение в атмосферу, весной – на таяние льда.

Нагревание или охлаждение верхних слоев водной толщи озера приводит либо к перемешиванию воды, либо к расслоению (стратификации) водной толщи по плотности. В зависимости от особенностей температурного режима пресные озера подразделяются на теплые, умеренные и холодные.

Летом нагревается главным образом верхний слой воды толщиной несколько метров, оно приводит к расширению воды в этом слое, ее плотность. Нагретая вода скапливается поверх холодных. Температура в озере с глубиной понижается (прямая стратификация). Верхний слой называется эпилимнион. Далее идет слой температурного скачка (термоклин), для которого характерно изменение температуры на 8-100С на 1м глубины. Нижний, более плотный, холодный слой носит название гиполимнион.

Зимой температура с глубиной повышается. Такое расслоение воды называется обратной стратификацией. Состояние воды, при котором температура воды в озере равна 40С называется гомотермией (весенняя и осенняя)

Основные понятия: эпилимнион, гиполимнион, гомотермия.

4.Динамика озерной воды.

Движение воды в озерах обеспечивает ее перемешивание, содействует распространению кислорода и аэрации нижних слоев и, следовательно, распределению питательных веществ. Наиболее существенное значение имеет вертикальная циркуляция воды, связанная с термическим режимом.

Движение воды в озерах значительно отличается от высокоамплитудных приливо-отливных и мощных океанических течений. Только в крупнейших озерах существуют постоянные течения, но даже в них практически отсутствуют приливо-отливные колебания.

В большинстве крупных озер есть инерционные течения. В проточных озерах под есть сточные течения. Под влиянием ветра возникают ветровые течения (вихревые ветровые течения (или циркуляция Лэнгмюра), компенсационные течения, поверхностными сейши, внутренние сейши.

Основные понятия: инерционные течения, сточные течения, ветровые течения, (вихревые ветровые течения), компенсационные течения, поверхностными сейши, внутренние сейши.

5.Растительность и животный мир озер.

Каждый водоем – это биотоп. Большое разнообразие озер по глубине, термическому режиму и химическому составу воды создает пестроту экологических условий существования живых организмов.

Озера классифицируют по содержанию фосфора - основного лимитирующего элемента питания биоты озер: эфтрофные, мезотрофные, дистрофные и олиготрофные.

Различаются по экологическим условиям и разные зоны озер. Эпилимнион почти всегда насыщен растворенным кислородом, образующимся здесь в процессе фотосинтеза, а также захваченным из пограничного слоя атмосферы при циркуляции воды.

В гиполимнионе растворенный кислород затрачивается на дыхание и разложение, и многие неорганические вещества возвращаются в воду.

На поверхности раздела донных осадков и воды, содержащие кислород нерастворимые соединения железа теряют кислород и становятся растворимыми, в результате чего большое количество железа, марганца, фосфора и азота поступает в воду. Этот процесс называется внутренней эвтрофикацией.

В озерах существуют три типа местообитаний: зона контакта атмосферы и воды, зона контакта донных отложений и воды и собственно водная толща. В каждой зоне встречается набор организмов, приспособленных к специфическим условиям данного типа местообитания.

Зона контакта атмосферы и воды. Организмы, обитающие в этой зоне, носят собирательное название «нейстон» (от греч. neusts – плавающий).

Зона контакта донных отложений и воды. Совокупность организмов, обитающих в этой зоне, называется бентосом (от греч. bnthos – глубина). Эта группа включает как растения, так и животных. Растения, обычно известные как водные, или макрофиты, обитают на мелководьях, где им доступен свет, и образуют определенную зональность. На дне вдоль кромки озера растут полупогруженные макрофиты, включающие осоки и рогоз. Далее от берега и несколько глубже укореняются такие макрофиты, как, например, кувшинки с длинными стеблями, увенчанными плавающими листьями, через которые поглощается углекислый газ из атмосферы. Еще дальше от берега, на большей глубине произрастают полностью погруженные в воду макрофиты (например, рдесты).

Огромная площадь поверхности растений мелководий служит средой обитания для группы прикрепляющихся к ним организмов, называемой перифитоном, в которую входят бактерии, простейшие и водоросли. Глубже в сублиторальной зоне обитают бактерии, простейшие и настоящие черви

Водная толща. Обитающие здесь организмы делятся на две группы: нектон и планктон.

Нектон. По особенностям питания озерные рыбы делятся на несколько групп: рыбоядные или хищные рыбы, планктоноядные рыбы, бентосоядные рыбы.

Планктон. Различают фитопланктон (растительные организмы) и зоопланктон (животные организмы). Все они микроскопические и имеют удельный вес, близкий удельному весу пресной воды, но если бы он был выше, планктон быстро опускался бы на дно.

Водоросли играют важную роль в озерах, поскольку они вместе с более крупными растениями составляют первое звено пищевой цепи водоемов.

Зоопланктоном обычно называются микроскопические животные или иные микроскопические организмы, не осуществляющие фотосинтез. Зоопланктон включает некоторые группы бактерий, а также простейших, коловраток и мельчайших ракообразных.

Хотя непатогенные бактерии и не являются животными, их включают в состав зоопланктона. Они изобилуют в озерной воде, где их концентрация может превышать 100 млн. в 1 мл. Если бы не эти бактерии (многие из них разлагают органическое вещество на составные части), обмен веществ в озерах замедлился бы и в конце концов прекратился, поскольку все доступные минеральные вещества оказались бы связанными в органические соединения в живых или погибших организмах.

Из за большого объема эта статья размещена на нескольких страницах: 1 2 3 4 5