12.2 Атмосферні явища
Крім повітря, земна атмосфера представлена різноманітними явищами. Атмосферні явища – видимий прояв складних фізико-хімічних процесів у повітряній оболонці Землі. Багато з атмосферних явищ мають визначний екологічний вплив, а їх трактують як важливі екологічні фактори. Їх можна поділити на 5 категорій: вітер, гідрометеори, літометеори, електричні та оптичні явища.
Вітер
Нерівномірне прогрівання повітря від земної поверхні та його розширення призводить до створення різниці тисків в різних ділянках повітряних мас. В результаті створюється горизонтальне переміщення повітря, на яке також впливає сила Коріліса, і виникає важливе атмосферне явище – вітер – потік повітря, що рухається переважно в горизонтальному напрямку.
Екологічне значення вітру
Завдяки вітрам повітря постійно перемішується. Тому його склад в біля земної поверхні є достатньо однорідним. Наприклад, концентрація кисню у полярних районах Земної кулі практично не відрізняється від екваторіальних районах, незважаючи на повну відсутність фотосинтезуючих організмів. З іншого боку, саме за рахунок вітру відбувається транскордонне переміщення забруднених повітряних мас. При цьому, відбувається повітряний експорт забруднення на сусідні території (див. кислотні дощі).
Тепловий баланс атмосфери
Важлива роль вітрів у тепловому балансі біосфери. Завдяки вітрам відбувається перенесення поглинутої сонячної енергії з екваторіальних районів до високих широт. Це зменшує температурний градієнт на поверхні Землі, змінює та пом’якшує межі кліматичних поясів. Причому основним носієм теплової енергії є не сам вітер, а вологі повітряні маси. Безпосередньо на вітер перетворюється близько 16% загальної кількості сонячної енергії, що надійшла до біосфери. У той же час, близько 23% сонячної енергії витрачається на випаровування води з поверхні Світового океану. Загалом близько 84% сонячної енергії, що надійшла до поверхні Землі, так чи інакше витрачається на процеси випаровування води та її перенос атмосферними масами.
Ця енергія переноситься з повітряними масами у вигляді прихованої теплоти водяної пари. При конденсації води та утворенні атмосферних опадів теплова енергія вивільнюється, що призводить до підвищення температури повітря. Завдяки цьому відбувається охолодження екваторіальної області та підігрів приполюсних районів. Основними кліматоутворюючим вітрами є пасати, мусони та циклонічні процеси, для яких є характерною сезонна приуроченість. Таким чином, процеси випаровування, перенесення та конденсації води визначають сучасний клімат Землі.
Глобальна циркуляція атмосфери
Вітер здатний здійснювати переміщення величезних обсягів твердих частинок, виступаючи важливим геологічним чинником. За рахунок вітрової ерозії вітер піднімає дрібні частинки грунту та переміщує їх на тисячі кілометрів. Внаслідок цього відбувається руйнування грунту в одному районі та його перевідкладення в іншому. Саме ці процеси лежать в основі механізмів створення величезних континентальних пустель (Сахара, Гобі). Частинки грунту, перенесені вітром, формують леси – дрібнодисперсні осадові породи еолового походження товщиною до сотень метрів (наприклад, Лесове плато Китаю), на поверхні яких утворюються високородючі грунти. Частинки піску утворюють дюни та бархани. В районах з постійними вітрами за переважаючим напрямком формуються специфічні еолові форми рельєфу – котловини видування.
Відстані перенесення матеріалу вимірюються тисячами кілометрів, а загальні обсяги – мільйонами тон речовини. Наприклад, велика пилова буря виникла у Східній Азії 6-7 квітня 2001, пройшла над Росією, Японією, Тихим океаном, Канадою і зрештою досягла США 17 квітня 2001.
Механізм формування еолових форм рельєфу
Вітер також здатний переміщувати живі організми, їх діаспори та пилок рослин. Такі живі організми мають спеціальні утвори для збільшення тривалості польоту та подоланої відстані. Навіть добре літаючі птахи свої сезонні міграції здійснюють за сприятливого напряму вітру.
Пристосування до переносу вітром: насіння тополі з пухом та пилок рослин з виростами-вітрилами
Гідрометеори
Вода у твердому або рідкому стані утворює специфічні атмосферні явища, які отримали назву гідрометеорів – сукупність крапель води або частинок льоду, які перебувають у повітрі в стані завису (хмари) або випадають на земну поверхню (опади). Найбільш відомим атмосферним явищем з гідрометеорів є хмари – видимі з поверхні землі продукти конденсації водяної пари, які перебувають у завішеному стані. Хмари складаються з дрібних крапель води або з кристалів льоду. Виділяють кілька типів хмар, які у гідрометеорології розділяють за родинами та родами.
Основні типи хмар: Cb - купчасто-дощові;
Cc - перисто-купчасті; Cs - перисто-шаруваті;
Ci - перисті; Ac - високо-купчасті; As - високо-шаруваті; Sc - шарувато-купчасті; St - шаруваті;
Екологічне значення гідрометеорів:
Хмари є важливим чинником зменшення прозорості атмосфери. Завдяки цьому відбувається перехоплення сонячної енергії та нагрівання верхніх шарів тропосфери при одночасному охолодженні приземного шару повітря. Це добре помітно у хмарний день, коли охолоджується земна поверхня , а разом з тим охолоджується і повітря. З іншого боку, хмари перехоплюють інфрачервоні теплові промені від нагрітої поверхні землі. Тому хмарною ніччю тепліше, ніж зоряною. В результаті атмосферна волога є основним чинником формування парникового ефекту.
Охолоджувальний ефект хмар вдень та теплозберігаючий вночі
Атмосферні опади є основним джерелом вологи для більшості наземних екосистем. Райони з низькою кількістю опадів характеризуються слабким розвитком рослинності та перетворюються на пустелі. В деяких пустелях ніколи не випадає дощу. Єдиним джерелом вологи є тумани. Наприклад, в океанічній прибережній частині пустелі Наміб ніколи не буває дощів. Проте, вологе повітря та тумани з океану дають достатню кількість вологи для формування рослинності. Така ж ситуація існує в чилійській пустелі Атакама, де з туману місцеві жителі добувають питну воду.
В основі формування хмар та випадіння атмосферних опадів лежить явище кругообігу води. Атмосферні опади, які випадають з хмар, поділяють на обложні (тривалі, помірної інтенсивності), зливові (раптові, нетривалі, значної інтенсивності), мрячні (нетривалі, слабкої інтенсивності). Також до атмосферних опадів належать тумани, роса, іній, які формуються на земній поверхні.
Туман у пустелі Наміб та контактні збирачі води у пустелі Атакама
Літометеори
Літометеори (в англомовній літературі застосовують термін рarticulate matter або РМ) – сукупність частинок пилу та аерозолів, які піднімаються з земної поверхні, переносяться на певну відстань та випадають з повітря. Приземне повітря обов’язково містить тверді частинки. Залежно від розмірів, їх поділяють на пил та аерозолі. Пил – завішені частинки, розміром менше 1 мм. Аерозоль – завис частинок розміром менше 0,1 мкм. До складу аерозолів можуть входити як тверді, так і рідкі частинки, оскільки за таких розмірів агрегатний стан визначити неможливо. Для аерозольних частинок є характерним броунівський рух, що запобігає їх швидкому осадженню. На відміну від пилу, аерозолі здатні тривалий час знаходитися у тропосфері (від 10 діб до кількох місяців).
Тверді частинки у свою чергу поділяють на РМ10 та РМ2,5. Перші об’єднують частинки розміром понад 10 мкм, другі – від 2,5 до 10 мкм. Розміри частинок визначають їх аеродинамічні властивості (швидкість осідання та переміщення повітряними масами), хімічну активність та небезпеку для живих організмів.
Порівняння розміру частинок РМ10 та РМ2,5 з перерізом волосся людини
Наявність пилу та аерозолів у повітрі зменшує його прозорість для сонячних променів. В результатів чого, сонячна енергія поглинається верхніми шарами повітря і не досягає земної поверхні. Оскільки основним механізмом нагріву повітря є теплопередача від нагрітої поверхні Землі, то її охолодження призводить зниження температури нижніх шарів тропосфери. Саме цим пояснюється вплив вулканічних вивержень на зниження температури. Зокрема протягом 1816-1819 рр. по всій північній півкулі спостерігали аномально холодну погоду («рік без літа»), що було пов’язано з виверженням вулкану Тамбора на індонезійському острові Сумбава у квітні 1815 р. Подібні кліматичні аномалії реєструють після кожного потужного виверження вулканів.
Основним природним джерелом літометеорів є грунтовий покрив, з поверхні якого вітер піднімає тверді частинки за відсутності суцільної рослинності вже за швидкості 6 м/с (це легкий вітерець). За швидкості понад 10 м/с та великий відкритих площ грунту можливий розвиток пилового буревію. Ці явища є основною причиною вітрової ерозії грунту. Масштаби видування вітром грунтовогопокриву є величезними. Загальна кількість надходження пилу та аерозолів до атмосфери складає 2000 мегатонн на рік. З них природні джерела дають до 80% (наприклад щорічний винос пилу з Сахари – 100-400 Мт). Так, пил з пустелі Сахара відповідає за формування червоно-глинистих ґрунтів на півдні Європи (див. більш докладно).
Іншим важливим природним джерелом пилу та аерозолів є виверження вулканів та дим пожеж. При сильних висхідних потоках повітря тверді частинки потрапляють у верхні шари тропосфери де можуть триматися протягом кількох місяців, поширюючись по всій планеті. Саме цим пояснюється глобальний вплив вулканічних вивержень на клімат Землі.
Також важливим джерелом твердих частинок є живі організми – спори грибів, бактерії, пилок рослин. Наймасштабнішим явищем природного забруднення тропосфери є пилкування рослин. Особливе значення при цьому мають анемохорні рослини – пилок яких пристосований до перенесення вітром на відстані кількох сотень кілометрів. Пилок таких рослин здатний викликати сезонну алергію у осіб, з підвищеною чутливістю.
Електричні та оптичні атмосферні явища
Електричні явища – світлові та звукові прояви атмосферної електрики (блискавка, грім). Блискавки – іскровий розряд статичної електрики, акумульованої у грозових хмарах. Гроза – складний атмосферний процес, який виникає при утворенні купчасто-дощових хмар, сильному вітрі, зливовому дощі. Енергія, яка породжує грозу, вивільнюється під час конденсації водяної пари та утворенні дощових крапель. Таким чином, ця енергія також являє одну з форм трансформованої сонячної енергії. Завдяки прихованій теплоті фазових переходів води, при конденсації 1 граму води вивільнюється 600 Кал теплоти. При замерзанні крапель вивільнюється ще 80 Кал. Загальна кількість енергії середньомасштабної грози дорівнює 100 млн кВт/год., що відповідає еквівалентному заряду вибухівки у 20 кілотон. Ця енергія переважно витрачається на переміщення повітряних мас. В результаті тертя та дроблення крапель утворюються заряджені частинки, які формують потужне електростатичне поле.
Частота виникнення блискавок (на 1 км2) протягом року в різних районах
Електричні явища у тропосфері є важливим чинником формування тропосферного озону, який відіграє неоднозначну екологічну роль у біосфері. Вплив електричних явищ верхніх шарів атмосфери (стратосфери, мезосфери, термосфери та іоносфери) на біосферні процеси залишається неоціненим. Деякі з них можуть вказувати на інтенсивність іонізуючих випромінювань Сонця. Наприклад, полярне сяйво – люмінесценція верхніх шарів атмосфери (іоносфери), свідчить про вторгнення до атмосфери високоенергетичних заряджених частинок Сонячного або космічного походження. Інтенсивність полярного сяйва зростає при електромагнітних бурях на Сонці.
Оптичні явища – візуальні ефекти, які виникають внаслідок заломлення або дифракції світла в атмосфері. Незважаючи на свою яскравість, безпосереднього екологічного значення вони не мають. Проте, вони можуть вказувати на специфічні метеорологічні умови в атмосфері. Наприклад, різноманітні гало та сонячні стовпи свідчать про наявність у тропосфері дрібних кристаликів води при сухій морозній погоді. Різні форми міражів виникають при наявності температурної інверсії, яка є небезпечним метеорологічним явищем при наявності джерел забруднення, що запобігає розсіюванню газових викидів.