Практическая работа № 1
Форма, движения Земли и их следствия. Солнечная радиация в атмосфере
Мысль о том, что Земля имеет форму шара, впервые высказал в VI в. до н.э. древнегреческий ученый Пифагор, а доказал это и определил радиус Земли египетский математик Эратосфен живший в III веке до н.э.
Как и все планеты Солнечной системы, Земля имеет шарообразную форму. Прежде чем говорить о ее точных размерах, введем несколько важных географических понятий.
Земля вращается вокруг воображаемой прямой – так называемой земной оси. Точки пересечения земной оси с земной поверхностью называются полюсами. Их два: Северный и Южный. Линия пересечения поверхности земного шара плоскостью, проходящей через центр Земли перпендикулярно земной оси, называется экватором. Плоскости, пересекающие земную поверхность параллельно плоскости экватора, образуют параллели, а плоскости, проходящие через два полюса, – меридианы (рис. 1).
Рис. 1. Градусная сеть Земли
Из-за вращения вокруг своей оси и возникающей при этом центробежной силы, Земля немного сплюснута у полюсов и ее большая полуось (экваториальный радиус (а)) почти на 21,4 км больше, чем расстояние от центра Земли до полюсов. Такой сплюснутый у полюсов шар называется сфероидом или эллипсоидом вращения (рис. 2а). Земной эллипсоид с определенными размерами и ориентированный определенным образом для части Земли называют референц-эллипсоидом. В нашей стране его размеры были получены под руководством выдающегося геодезиста Ф. Н. Крассовского. Его параметры:
- экваториальный радиус (а) – 6378245 м,
- полярный радиус (b)– 6356863м
- длина меридиана – 40008500 м,
- длина экватора – 40075700 м,
- площадь поверхности Земли – 510 млн. км2.
Рис.2. Форма Земли: а) эллипсоид вращения; б) геоид
В действительности фигура Земли еще сложнее. Она отклоняется от правильной формы сфероида из-за неоднородного строения недр и неравномерного распределения массы. Истинная геометрическая фигура Земли называется геоидом ("землеподобным"). Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести, т.е. отвесу.
Геоид — условная поверхность равного потенциала (поверхность равновесия), совпадающая с поверхностью свободно покоящейся воды в открытом океане. Поднятия геоида над эллипсоидом не превышают 136 м, опускания – 162 м.
Земля совершает много различных движений, из которых важное значение имеют – осевое и движение вокруг Солнца.
Осевое движение Земли. Угловая скорость вращения Земли (т.е угол, на который поворачивается какая-нибудь точка на поверхности Земля за определенный отрезок времени) одинакова для всех широт. За один час точка пробегает 150 (3600: 24 ч). Линейная же скорость зависит от широты места. На экваторе она равна 464 м/с.
Следствия движения Земли вокруг своей оси:
1. При вращении Земли возникает центробежная сила, которая играет важную роль в формировании фигуры планеты и тем самым уменьшает силу притяжения.
2. Происходит смена дня и ночи.
3. Появляется отклонение тел от направления их движения, этот процесс был назван сила Кориолиса (в честь французского ученого Гюстава Кориолиса, открывшего ее в 1833 году). Данная сила проявляется во многих процессах: она изменяет движение воздушных масс, морских течений. По этой причине происходит подмыв правых берегов в северном полушарии и левых берегов в южном полушарии.
4. С осевым движением связаны явления суточной ритмичности и биоритмы. Суточный ритм связан со световыми и температурными условиями.
Движение Земли вокруг Солнца. Земля, вращаясь вокруг своей оси, в то же время движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. При такой большой скорости она совершает полный оборот в течение 365 сут. 5 ч 48 мин 46 с, проходя путь 937 млн. км. Этот путь называется орбитой.
Путь Земли вокруг Солнца называется орбитой. Орбита Земли – это эллипс, близкий к окружности. Ее длина составляет более 930 млн. км. Ось вращения Земли наклонена к орбите под углом 66,5 градусов, это явление способствует смене времен года. Наклон земной оси к плоскости орбиты и сохранение ее ориентировки в пространстве обуславливает различный угол падения солнечных лучей и соответственно различия в поступлении тепла на земную поверхность, а также влияет на неодинаковую продолжительность дня и ночи в течение года на всех широтах, кроме экватора.
Смена времен года. Летом Северное полушарие как бы повернуто к Солнцу, а зимой — наоборот. 23 сентября и 21 марта — дни осеннего и весеннего равноденствия, когда Солнце одинаково освещает оба полушария Земли. В этот день и в Северном и в Южном полушарии день равен ночи. 22 декабря — день зимнего солнцестояния: самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии. Земля обращена к Солнцу своим Южным полушарием. Там лето. У нас зима (рис. 3, 4).
Тропики (от греч. tropicos — круг поворота) — географические параллели, отстоящие к северу и к югу от экватора на 23° 27′.
22 декабря, в день зимнего солнцестояния, Солнце находится в полдень в зените для мест, лежащих на Южном тропике (тропик Козерога).
Рис. 3. Падение солнечных лучей на земную поверхность и освещение Земли
22 июня — день летнего солнцестояния, когда самый длинный день и самая короткая ночь в Северном полушарии. В этот день Солнце в зените наблюдают жители мест, расположенных на Северном тропике (тропик Рака). В Южном полушарии в это время зима.
Перигелий (от пери… и греч. hélios — Солнце), ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, движущегося вокруг Солнца по одному из конических сечений — эллипсу, параболе или гиперболе.
Афелий (от греч. аро — вдали от и helios — Солнце), точка орбиты планеты, кометы или какого-либо другого тела, обращающегося вокруг Солнца, наиболее удалённая от Солнца
Зенит – угол падения солнечных лучей к земной поверхности 90°.
Полярные круги — географические параллели, отстоящие к северу и к югу от экватора на 66° 33′. Они являются границами зон полярных ночей и полярных дней.
Полярная ночь может длиться в полярных поясах от 1 суток на широте Северного или Южного полярных кругов до 178 суток на Северном или Южном полюсах. Во время полярной ночи Солнце не появляется над горизонтом. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга этот период начинается 22 декабря, а в более высоких широтах — раньше.
Полярный день — это период, когда Солнце не спускается за горизонт. Чем дальше от полярного круга к полюсу, тем длиннее полярный день. На широте полярного круга он длится 1 сутки, а на полюсе — 189 суток. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга полярный день начинается 22 июня. Аналогичное явление наблюдается в Южном полушарии, но в другое полугодие.
Вследствие наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты и обусловленных этим различий в освещенности ее поверхности Солнцем, на нашей планете образовались пять поясов освещенности, ограниченных тропиками и полярными кругами. Они отличаются продолжительностью дня и тепловыми условиями.
Жаркий пояс лежит между тропиками, по обе стороны от экватора, и занимает около 40% земной поверхности. В этом поясе Солнце по одному разу в год (в дни солнцестояния) бывает в зените над каждым из тропиков. На экваторе день всегда равен ночи.
Два умеренных пояса расположены между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. В течение суток обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от широты и времени года. Умеренные пояса занимают 52% земной поверхности.
Два холодных пояса — к северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга — характеризуются наличием полярных дней и ночи. Их площадь — 8 % земной поверхности. Пояса освещенности составляют основу климатической зональности Земли и природной зональности вообще.
Задание 1. Определите с помощью рисунка «Отклонение поверхности геоида от эллипсоида» участки Земли с «провалами» и «поднятием» над уровневой поверхностью геоида» (рис. 5).
Рис. 4. Движение Земли вокруг Солнца
Задание 2. Вычислите и сравните линейную скорость вращения точек в разных широтах и заполните таблицу 1. Опишите следствия вращения Земли вокруг своей оси. Линейная скорость вращения точек Земли можно вычислить по формуле: V= V1 *cos φ, где
V1 – скорость на экваторе;
φ – широта
Таблица 1
Линейная скорость точек в разных широтах при осевом вращении Земли
|
Широта, 0 |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
Скорость, м/с |
Задание 3. Изобразите расстояние между Землей и Солнцем на рисунке. Охарактеризуйте связь между изменениями мест восхода и захода Солнца и продолжительностью дня в течение года. Объясните смену времен года. охарактеризуйте пояса освещенности.
Рассмотрите и зарисуйте схемы положения Земли по отношению к солнечным лучам в дни: весеннего и осеннего равноденствия; зимнего и летнего солнцестояния.
Рис.5. Отклонение поверхности геоида от эллипсоида (в метрах)
Солнечная радиация в атмосфере
Попадая в атмосферу, солнечная радиация претерпевает различные изменения (рис. 1). Часть её приходит к земной поверхности в виде пучка параллельных лучей через атмосферу и называется прямой радиацией. Приток прямой радиации характеризуется интенсивностью радиации (или потоком радиации, или плотностью потока радиации). Интенсивность радиации (I) – это количество лучистой энергии, поступающей к поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, в единицу времени на единицу площади.
Рисунок 1 – Распределение солнечной энергии в атмосфере Земли
Рассеянная радиация образуется при столкновении солнечных лучей с молекулами воздуха и примесями, когда прямая солнечная радиация превращается в радиацию, идущую по всем направлениям.
Прямая и рассеянная радиации составляют суммарную солнечную радиацию, определяющую тепловой режим тропосферы. С рассеянной радиацией связан ряд особенностей атмосферы – сумерки, заря, рассеянный свет, атмосферная видимость.
Сумерки – период плавного перехода от дневного света к ночной темноте после заката и обратно – перед восходом Солнца. Продолжительность сумерек зависит от географической широты, чем ближе к экватору, тем они короче. Если Солнце опускается за горизонт менее чем на 18º, то полной темноты не наступает и вечерние сумерки сливаются с утренними. Это явление называется белые ночи.
Заря – рассеяние, дефракция и преломление солнечных лучей в мельчайших атмосферных аэрозолях и на более крупных частицах в различных слоях атмосферы. Характерные для зари цвета – пурпурный и желтый, в зависимости от примесей в воздухе, могут меняться в широких пределах, давая совокупность красочных световых явлений до захода и после восхода Солнца.
Рассеянный свет – это рассеянная радиация в дневное время, вследствие чего светло даже там, куда солнечные лучи непосредственно не попадают, и когда солнце скрыто за облаками.
Атмосферная видимость – расстояние, в пределах которого становятся различимы очертания наблюдаемого объекта. Величина его зависит от рассеяния и поглощения света атмосферным воздухом и примесями в нём. В тумане значение расстояния может убывать до нескольких метров, а в слабо запыленном сухом воздухе (особенно арктическом) – достигать десятков и сотен километров.
Попадая на земную поверхность, суммарная радиация большей частью поглощается верхним слоем суши и воды и переходит в тепло, а частично отражается. При этом отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации называется альбедо поверхности и выражается в процентах. Эта величина зависит от характера рельефа, от наличия растительности, от качественного состояния поверхности. Альбедо поверхности воды, снега, льда зависят от высоты Солнца над горизонтом.
Наиболее высокое альбедо характерно для полярных областей (около 70–80 %) и вызвано снежным покровом. Уменьшение значений альбедо в средних широтах (до 40–60 %) связано с тем, что это районы большой облачности из-за штормов на фронтах воздушных масс. Минимальное альбедо (20–30 %) для низких широт обусловлено тем, что в субтропическом поясе высокого атмосферного давления облака почти не формируются, лишь во внутритропической зоне конвергенции (ВЗК) с увеличением облачности альбедо несколько возрастает. Доля солнечной радиации, отраженная земной поверхностью и атмосферой в целом, называется планетарным альбедо. Планетарное альбедо Земли оценивается величиной в 35–40 %, большую долю которого составляет отражение облаками.
Всякое тело, испускает энергию, в том числе и Земля. Разность между излучением земли и излучение атмосферы называют эффективным излучением (Еэф):
Еэф = Еземли – Еатмосферы
В облачную погоду Еэф меньше чем в ясную, а значит меньше охлаждается Земля.
Разность между поглощенной суммарной радиацией и эффективным излучением называется радиационным балансом (R).
Распределение суммарной радиации и радиационного баланса по планете формирует закон географической (широтной) зональности. В целом названные параметры уменьшаются от низких широт (экватор, тропики) к высоким (умеренные, приполярные).
Суммарный годовой R положителен везде, кроме Гренландии и Антарктиды. На океанах его значение больше, чем на суше, ибо вода поглощает больше радиации, понижен R в пустынях, в районах с муссонным климатом. В декабре R отрицателен на большей части северного полушария – нулевая изолиния проходит южнее 40º с. ш. В июне R положителен в северном полушарии, а также в экваториальных и тропических районах южного полушария, а на широтах южнее 40º ю. ш. – равен нулю.
Лучистая энергия Солнца является основным и практически единственным источником тепла для поверхности Земли и её атмосферы. Эта энергия превращается в тепловую отчасти в атмосфере, но главным образом на поверхности почвы и воды. Солнечная радиация, аккумулированная деятельной поверхностью, затрачивается на испарение или конденсацию (LE), на теплообмен между поверхностью почвы и воздухом (P), на теплообмен между поверхностью почвы и нижележащими слоями (A).
Связь между этими величинами выражается уравнением теплового баланса:
R = LE + P + A,
где R – радиационный баланс деятельной поверхности; Р – затраты тепла на турбулентный теплообмен; А – теплообмен в почве; LE – затраты тепла на испарение.
Географическое распределение составляющих теплового баланса достаточно сложно, и в зависимости от того, каковы их соотношения, формируется ландшафтный лик Земли. Например, небольшое значение отношения LE/ P на суше означает её сухость, что способствует формированию пустынь, сухих степей. Напротив, высокие значения параметра LE/ P означают усиление процессов испарения и характеризуют более влажный климат.
Тепловой баланс деятельной поверхности Земли является одним из частных выражений основного закона сохранения энергии. В соответствии с перераспределением этой энергии между составляющими теплового баланса формируются определенные типы климата, микроклимата и метеорологического режима с характерными особенностями экологического равновесия в каждом конкретном случае. Для всей планеты в целом приход и расход тепла равны, т. е. за длинный ряд лет тепловой баланс системы «Земля – атмосфера» равен нулю, и Земля, как планета, находится в тепловом равновесии.
Нагревается от лучистой энергии Солнца, проникающей через атмосферу, не только земная поверхность, идет и обратный процесс, когда от поверхности суши и воды нагреваются приземные слои воздуха. Последовательность процессов при этом примерно следующая. Первенствующую роль играет солнечная радиация.
В утренние часы с восходом солнца приток радиации возрастает, что усиливает нагревание суши. Вследствие турбулентного теплообмена от подстилающей поверхности нагреваются сначала нижние, а затем и вышележащие слои воздуха. Ночью, в результате излучения почвой тепла, температура её поверхности понижается, а воздух остается теплым, но охлаждается от подстилающей поверхности.
В результате сильного радиационного охлаждения земной поверхности может возникнуть инверсия температур – явление, когда нижние слои воздуха холоднее верхних. В том случае, когда изменение температуры воздушных масс происходит в горизонтальном направлении, вводится понятие адвекции. Например, на место холодных воздушных масс (ВМ) притекают тёплые ВМ или наоборот.
Распределение средних температур в каком-либо регионе, как и на всем земном шаре, представляют карты изотерм. Изотермы – это линии, соединяющие точки с одинаковыми значениями температур, наблюдаемых в разных местах.
Анализ изменения многолетних значений температур воздуха позволяет выделить следующие закономерности. Температура воздуха, в целом, убывает от экватора к полюсам в соответствии с изменением радиационного баланса деятельной поверхности. От параллелей изотермы особенно сильно отклоняются в северном полушарии, так как велико воздействие морских течений и снежного покрова, ледников и достаточно четкой смены растительных формаций, экологически обусловленных особенностями ландшафтов и горных массивов и т. д.
Задание 1. Опишите и схематично изобразите процесс распределения солнечной энергии в атмосфере Земли, используя рисунок 1. Ответьте на следующие вопросы:
1. Какие качественные и количественные изменения претерпевает солнечная радиация, попадая в атмосферу Земли?
2. Какие явления в атмосфере связаны с рассеянной радиацией?
3. Расскажите об альбедо поверхности, что оно характеризует?
Задание 2. Охарактеризуйте радиационный баланс земной поверхности. Пользуясь картами, опишите географическое распределение суммарной радиации и радиационного баланса в течение года, декабря и июня.
Задание 3. Напишите уравнение теплового баланса земной поверхности и перечислите его составляющие. Объясните процесс нагревания или охлаждения деятельного слоя земной поверхности. Опишите основные закономерности географического распределения температуры воздуха у земной поверхности в течение года, январе и июле.