4.1. Температурный режим земли и проблемы его сохранения

Одной из глобальных экологических проблем современности является проблема изменения температурного режима земли, в особенности, повышение ее общего уровня. Как известно, основным и постоянным источником энергии, поступающей на планету является Солнце. Интенсивность потоков световой и тепловой, в виде инфракрасного излучения, энергии, падающей на Землю от Солнца, практически остается постоянной. Величину энергии излучения на расстоянии в 1 астрономическую единицу от Солнца, то есть на среднем расстоянии Земли от Солнца, называют солнечной постоянной. Она составляет 1,95 кал/см2 мин. В течение года интенсивность потока энергии, падающей на Землю, несколько меняется вследствие того, что орбита, по которой планета движется вокруг Солнца, имеет эллиптическую форму, хотя и близкую к круговой. Вторым источником тепла, влияющим на температуру поверхности Земли, является внутреннее тепло планеты, вырабатываемое в зоне ядра планеты в результате реакций ядерного распада. В значительной степени поступление этого тепла на поверхность представляет собой «утечку» того запаса энергии, который Земля получила при своем образовании в составе Солнечной системы. Все потери энергии планетой происходят в форме тепла, излучаемого в мировое пространство. Все другие формы энергии: световая, энергия ультрафиолетового и рентгеновского излучений, энергия, приносимая космическими частицами, преобразуются в тепловую, причем в значительной мере еще в атмосфере, и трансформируются в виде инфракрасного излучения (схематически это представлено на рис.4.1.[16, с.140].

Рисунок 4.1. Основные пути поступления и потери энергии поверхностью Земли.

Как видно из рисунка значительная часть световой энергии, достигающей Земли, отражается от ее поверхности. Отражающая способность планеты называется альбедо. Изменения альбедо, вызванные увеличением или уменьшением площади облачного слоя, площади, занимаемой хорошо отражающими свет полярными и высокогорными льдами, пустынями, изменения запыленности атмосферы приводят к изменениям количества энергии, поглощаемой планетой, и вызывают изменения климата. В истории Земли изменения альбедо происходили неоднократно, и это было связано в большей мере с геологическими преобразованиями земной коры. Тектоническая активность коры была неравномерной во времени, периоды длительного относительного покоя, когда процессы выветривания постепенно сглаживали старые горы и выравнивали поверхность суши, сменялись периодами более интенсивного движения тектонических плит, образованием новых горных цепей, изменениями уровня мирового океана, возникновением новых или исчезновением прежних морей. В соответствии с изменениями поверхности суши и моря изменялась система морских течений и характер движения циклонов, несущих влагу в удаленные от моря части суши. Смещение основных несущих влагу воздушных потоков к полюсам вело к росту полярных ледовых шапок Земли и одновременно к росту площадей, занимаемых засушливыми и пустынными зонами. Земля начинала получать меньше энергии, что вело к еще более глубоким изменениям климата.

Еще одной из причин изменений климата Земли за время ее существования является изменение угла наклона оси вращения планеты к плоскости ее орбиты, называемое прецессией земной оси. С прецессией связано не только изменение площади полярных зон и положения полюсов, но и активизация тектонических процессов и горообразования. Горообразование сопровождалось активизацией вулканической активности, в атмосферу выбрасывалось значительное количество вулканического пепла и пыли, что также способствовало изменению альбедо. Вместе с тем выброс углекислого газа вулканами увеличивал его содержание в атмосфере и усиливал «парниковый эффект», что в какой-то мере могло уменьшить остывание поверхности Земли. Постепенное сглаживание горных хребтов выветриванием изменяло пути движения воздушных масс над сушей, уменьшало контраст температур и влажности полярных и экваториальных областей. Сложное и не всегда доступное реконструкции соотношение процессов, влиявших на климат Земли в ее истории, не всегда доступно прогнозированию и в современной ситуации. Вместе с тем климатология накопила достаточно материалов, чтобы с высокой степенью надежности прогнозировать последствия отдельных изменений процессов, влияющих на климат, и, в частности, на среднюю температуру воздуха и ее примерные изменения в разных климатических зонах.

В настоящее время средняя температура Земли составляет около 15 град. Цельсия (за исключением полярных зон). При этой температуре поверхность планеты и атмосфера находятся в тепловом равновесии. То есть, поверхность Земли возвращает в атмосферу эквивалентное количество получаемой энергии. Однако этот процесс не столь прост как может показаться при его схематическом рассмотрении. Существующий тепловой баланс обеспечивается содержанием в атмосфере Земли наряду с основными газами азота (78 %) и кислорода (21 %) ряда примесных газов. К ним в первую очередь относятся диоксид углерода, метан, оксид азота и водяной пар, создающих, так называемый, «парниковый эффект». При отсутствии в атмосфере этих примесей температура на поверхности Земли была бы на 30-40 0С ниже, т. е. составляла бы около минус 250С и развитие биосферы в ее сегодняшнем понимании, представляло бы совершенно другие процессы.

Важной функцией биосферы Земли является ее способность к саморегуляции теплового баланса в достаточно широких пределах. Поэтому возможность «переброса» климата планеты в одно из крайних состояний — покрытой льдами с высоким альбедо, отражающей почти весь поток лучистой энергии, или, подобной Венере, раскаленной планеты с максимально выраженным парниковым эффектом не происходит благодаря реакциям биоты Земли, способной предотвращать перегрузку атмосферы углекислым газом, связывая его в органическом веществе, увеличивать площади пустынь и, следовательно, альбедо при повышении средней температуры и другим реакциям. Эта способность Земли как живой планеты поддерживать условия на своей поверхности в пределах, позволяющих существование и развитие жизни, как системы взаимодействия биосферных, литосферных, атмосферных и других механизмов регуляции климатических условий на планете, обеспечивающих относительное постоянство этих условий.