Table of Contents

Атмосфера: динамический двигатель, формирующий поверхность Земли

Атмосфера Земли — это гораздо больше, чем просто одеяло газов; это динамичная, постоянно меняющаяся система, которая управляет погодой, климатом и самой формой поверхности планеты. Взаимодействие между атмосферными процессами и твердой Землей — поле, известное как геоморфология — объясняет образование пустынь, резьбу по долинам рек и распределение экосистем по всему миру. Понимание этих отношений имеет важное значение для понимания того, как ландшафты развиваются с течением времени и как человеческая деятельность в настоящее время изменяет эти древние модели.

Распределенные слои атмосферы

Атмосфера разделена на пять основных слоев, каждый из которых играет определенную роль в регулировании энергии, защите жизни и влиянии на поверхностные условия.

Тропосфера: Погодный слой

Расширяясь от поверхности до высоты около 8-15 км (5-9 миль), тропосфера содержит примерно 80% массы атмосферы. Здесь происходят все погодные явления - облака, дождь, штормы и турбулентность. Температура снижается с высотой в этом слое (скорость выпадения), приводя к конвекционным течениям, которые перераспределяют тепло и влагу. Динамика тропосферы непосредственно формирует эрозию, перенос осадков и растительные узоры на поверхности.

Стратосфера: Озоновый щит

Над тропопаузой лежит стратосфера, простирающаяся примерно на 50 км. Ее важнейшей особенностью является озоновый слой, который поглощает 95-99% вредного ультрафиолетового (УФ) излучения. Без этого щита поверхностные экосистемы были бы кардинально другими, и темпы фотохимического выветривания увеличились бы. Стратосфера также стабильна, с небольшим вертикальным смешиванием, что делает ее важной для переноса загрязнителей на большие расстояния и формирования струйного потока.

Месосфера: где сгорают метеориты

От 50 до 85 км мезосфера — слой, где температура опускается до —90 °C. Большинство метеоров распадаются здесь, создавая падающие звезды. Хотя мезосфера удалена от поверхности, она влияет на химию верхних слоев атмосферы и может влиять на распространение атмосферных волн, которые пульсируют до более низких уровней.

Термосфера: жаркий ионизированный регион

Расширяясь с 85 км до примерно 600 км, термосфера поглощает высокоэнергетическое солнечное излучение, вызывая повышение температуры выше 2000 °C. Этот слой содержит ионосферу, которая отражает радиоволны и обеспечивает связь на большие расстояния. Авроры (Северное и Южное сияния) возникают здесь, когда заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем. В то время как воздух чрезвычайно тонкий, ионизация термосферы влияет на сопротивление спутников и точность GPS.

Экзосфера: край космоса

Внешний слой постепенно исчезает в вакууме космоса, начиная примерно с 600 км. Здесь атомы водорода и гелия могут ускользнуть от гравитации Земли. Спутники на низкой околоземной орбите пропускают этот слой. Эксосфера практически не оказывает прямого влияния на географию поверхности, но она отмечает границу, где заканчивается влияние атмосферы.

Атмосферная циркуляция и глобальные ветровые модели

Неравномерное нагревание поверхности Земли Солнцем приводит к крупномасштабной атмосферной циркуляции, которая перераспределяет тепло и влагу вокруг планеты. Эта система является двигателем климатических зон и основных погодных систем.

Хэдли, Феррел и полярные клетки

Три основных конвекционных ячейки циркулируют в каждом полушарии. Ячейка Хэдли работает вблизи экватора: теплый, влажный воздух поднимается, конденсируется в высокие грозы и выделяет скрытое тепло. Этот восходящий воздух создает зону межтропической конвергенции (ITCZ), полосу сильных осадков. Воздух затем движется в сторону полюса на большой высоте, опускается около 30° широты и создает субтропические пояса высокого давления — дом для основных пустынь мира. Ячейка Феррела циркулирует между 30° и 60° широты, движимая взаимодействием ячеек Хэдли и Полярных ячеек. Полярная ячейка циркулирует воздух от полюсов до примерно 60°, где поднимающийся воздух создает субполярные минимумы и штормовые условия.

Эффект Кориолиса и поверхностные ветры

Вращение Земли отклоняет движение воздуха вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии — эффект Кориолиса. Это отклонение производит преобладающие ветровые пояса: торговые ветры (восточные) от 30° к экватору, западные в средних широтах и полярные восточные. Эти ветровые системы приводят в движение океанские течения, которые, в свою очередь, изменяют прибрежный климат. Например, Гольфстрим переносит теплую воду из Карибского бассейна в северо-западную Европу, создавая умеренный климат в регионах на аналогичных широтах в Сибирь.

Реактивные потоки: высотные реки воздуха

Узкие, быстро движущиеся струйные потоки, обычно встречающиеся вблизи тропопаузы на высотах 10-15 км, разделяют теплые и холодные воздушные массы. Полярный струйный поток, в частности, влияет на погоду в средней широте, управляя штормовыми системами. Его меандры (волны Россби) могут приносить холодный арктический воздух далеко на юг или позволять теплому тропическому воздуху подниматься на север, что приводит к таким явлениям, как полярные вихри и атмосферная блокировка. Понимание поведения струйного потока является ключом к прогнозированию погодных условий и их геоморфических воздействий.

Для более глубокого погружения в атмосферную циркуляцию см. Ресурс атмосферной циркуляции NOAA .

Климатические зоны и их географическое распределение

Сочетание эффектов широты, атмосферной циркуляции, океанских течений и топографических особенностей создает различные климатические зоны, которые диктуют географию поверхности - от пышных тропических лесов до бесплодных ледяных шапок.

Тропический климат (Af, Am, Aw)

Найденный в пределах 20° от экватора, тропический климат испытывает высокие температуры круглый год. Климат тропических лесов (Af) получает более 2000 мм осадков ежегодно, поддерживая плотные, многослойные леса с быстрыми темпами выветривания и выщелачивания почвы. Напротив, тропический влажный (саванный) климат (Aw) имеет отчетливый сухой сезон, приводящий к лугам и адаптированной к пожару растительности. Скорости эрозии в этих зонах сильно зависят от интенсивных осадков и сезонной засухи.

Засушливый и полузасушливый климат (BWh, BWk, BSh, BSh)

Субтропические пояса высокого давления (около 30° широты) производят засушливые пустыни, такие как Сахара, Аравийская и австралийская глубинка. Годовое количество осадков составляет менее 250 мм. Ветер играет доминирующую геоморфную роль, создавая дюны, ярданы и дефляционные полости. Полузасушливые (степные) регионы, такие как Американские Великие равнины, испытывают немного больше осадков, но все еще склонны к засухе и опустыниванию. Нехватка воды ограничивает растительный покров, оставляя почвы уязвимыми для ветровой эрозии.

Умеренный климат (Cfa, Cfb, Cs, Cwa)

Регионы средней широты (30°-60°) имеют различные сезоны. Влажный субтропический климат (Cfa), такой как юго-восточные США, имеет жаркое, влажное лето и мягкие зимы, с интенсивными грозами и случайными ураганами. Морской климат западного побережья (Cfb), такой как тихоокеанский северо-запад и Западная Европа, смягчается океанскими течениями, с круглогодичными осадками и пышными умеренными тропическими лесами. Средиземноморский климат (Cs) характеризуется сухим летом и влажными зимами, что приводит к подверженным пожарам кустарникам и повышенной эрозии почвы во время зимних дождей. Сезонные циклы замерзания-оттепели в этих зонах способствуют физическому выветриванию и массовому истощению.

Континентальный и субарктический климаты (Dfa, Dfb, Dfc)

Внутренние регионы Северной Америки и Евразии испытывают большие колебания температуры. Влажный континентальный климат (Dfa/Dfb) поддерживает лиственные и смешанные леса, в то время как субарктический климат (Dfc) с длинными холодными зимами имеет тайгу (бореальный лес) и вечную мерзлоту. Вечная мерзлота действует как барьер для дренажа, создавая обширные водно-болотные угодья и термокарстовые ландшафты, когда она оттаивает. Действие замораживания разрушает коренную породу, производя угловые склоны талуса.

Полярный климат (ET, EF)

Полярная тундра (ET) и ледяная шапка (EF) климаты доминируют в высоких широтах. В тундре низкие температуры и короткий вегетационный период поддерживают только мхи, лишайники и карликовые кустарники. Вечная мерзлота непрерывна, а узорчатые грунтовые (ледяные клинья, полигоны) формы. Ледяные шапки климаты получают очень мало осадков, но ледяные щиты вытекают наружу, вырезая фьорды и прочесывая подстилающую породу. Гренландский и антарктический ледяные щиты содержат огромное количество пресной воды, и их таяние является основным фактором изменения уровня моря.

Для получения подробной классификации климата, обратитесь к NOAA Köppen Climate Classification.

Взаимодействие атмосферы и земли: эрозия, выветривание и формирование почвы

Атмосфера является основным агентом при разрушении и транспортировке поверхностных материалов. Эти процессы работают в течение временных рамок от минут (в случае внезапного наводнения) до тысячелетий (при формировании почвенного горизонта).

Выветривание: механическое и химическое

Механическое (физическое) выветривание происходит, когда атмосферные силы разрушают породу без изменения ее состава. Замораживание и расширение в трещинах — наиболее активны в средних широтах и альпийском климате. Рост кристаллов соли в засушливых регионах и тепловое расширение от суточных температурных циклов в пустынях также способствуют. Химическое выветривание зависит от влаги и температуры: гидролиз (реакция горных пород с водой) и окисление (ржавление минералов железа) ускоряются теплыми, влажными условиями, типичными для тропического климата. Скорость химического выветривания сильно влияет на толщину почвы и доступность питательных веществ.

Эрозия от ветра и воды

Эрозия ветра наиболее эффективна в сухих, нерастительных ландшафтах. Солятация (отскакивание песчинок) и суспензия (тонкие частицы, переносимые высоко) могут транспортировать осадок на большие расстояния. Осаждение лёсса (ветряной ил) создало плодородные почвы в Китае, на американском Среднем Западе и в Центральной Европе. Эрозия воды, вызванная осадками и стоком, является доминирующим агентом в большинстве климатов. Эрозия от вспышек капель вытесняет частицы почвы, поток листа создает тонкие слои движения осадков и концентрированный поток формирует рилы и овраги. Мощность протекания воды пропорциональна ее скорости и объему - сильные осадки от штормов могут выпадать в глубокие долины в одном событии.

Растительность как модификатор

Растительный покров перехватывает осадки, уменьшает стоки и закрепляет почву корневыми системами. В обезлесенных или перевыпасенных районах скорость эрозии может увеличиваться на порядки. Климатические зоны определяют тип и плотность растительности, что в свою очередь опосредует эрозионную силу атмосферы. Например, тропические леса имеют плотный навес, который смягчает осадки, а пустынные кустарники оставляют большие голые участки, подверженные ветровой эрозии.

Экстремальные погодные явления и их геоморфическое наследие

Краткосрочные, высокоэнергетические погодные явления могут изменить ландшафты таким образом, что постепенные процессы не могут.

Тропические циклоны (ураганы/тайфуны)

Эти массивные штормы приносят интенсивные дожди, штормовой нагон и сильные ветры. Прибрежная эрозия резко ускоряется, поскольку волны и всплеск удаляют пляжи и дюны. Внутренние наводнения могут вызвать оползни (особенно в горной местности) и вызвать отторжение речного канала - внезапное изменение течения реки. Ураган Камилла (1969) в США произвел более 700 мм дождя за 24 часа, вызывая катастрофические потоки мусора в Аппалачских горах.

Экстратропические циклоны и метели

Штормы средней широты, питаемые температурными контрастами, могут производить большие скопления снега, которые позже быстро тают, что приводит к весенним наводнениям. В метель откладывается толстый снежный покров, который изолирует землю, влияя на циклы замерзания-оттепели. В прибрежных районах зимние штормы часто создают «штормовые» пляжи и перемывные отложения, которые меняют барьерные острова.

Наводнения и их осадочные рекорды

Речные наводнения переполняют берега и откладывают мелководные отложения (alluvium) на поймах, создавая плодородные сельскохозяйственные угодья. Но экстремальные наводнения, такие как наводнение реки Миссисипи в 1993 году или наводнения реки Инда в 2010 году, могут разрушить новые каналы, похоронить сельскохозяйственные угодья под толстыми слоями песка и вызвать образование речных террас. В засушливых регионах внезапные наводнения из редких, интенсивных гроз вырезают эфемерные каналы (wadis) и транспортные валуны, которые в противном случае оставались бы неподвижными на протяжении веков.

Засухи и опустынивание

Длительная засуха убивает растительность, подвергая почву ветру и водной эрозии. Пыльная чаша 1930-х годов в Великих равнинах США является классическим примером: многолетняя засуха в сочетании с плохими сельскохозяйственными практиками привела к массивным пыльным бурям, которые лишили верхний слой почвы миллионов гектаров. Опустынивание в регионе Сахель в Африке сократило пастбища и изменило альбедо поверхности, влияя на местные погодные условия.

Узнайте больше о влиянии экстремальных погодных условий на ландшафты из программы USGS Landslide Hazards Program.

Изменения человека в динамике атмосферы и обратной связи ландшафта

В настоящее время деятельность человека изменяет атмосферу в глобальном и местном масштабах, создавая петли обратной связи, которые ускоряют изменение ландшафта.

Городские тепловые острова и местный климат

Города заменяют естественные поверхности темными, непроницаемыми материалами, которые поглощают солнечное излучение, повышая температуру на 1-3 ° C по сравнению с окружающими сельскими районами. Городские тепловые острова (UHI) усиливают конвекцию, увеличивая частоту гроз и сильных осадков над и под ветром городов. В результате увеличенный стоок и внезапные наводнения разрушают городские потоки и перегружают системы ливневых вод. Эффекты UHI также изменяют вегетационные периоды и распределение городской растительности.

Вырубка лесов и изменение покрытия земель

Очистка лесов для сельского хозяйства или древесины снижает эвапотранспирацию, уменьшает местные осадки и увеличивает поверхностный сток. В Амазонии вырубка лесов была связана с удлиненными сухими сезонами и сокращением переработки влаги. Потеря древесного покрова также ускоряет эрозию почвы: в Юго-Восточной Азии вырубка лесов для плантаций пальмового масла увеличила темпы эрозии в 20–50 раз. Удаление растительности подвергает почву воздействию дождевых капель и ветра, что приводит к опоясыванию и деградации земель.

Промышленные выбросы и изменение климата

Сжигание ископаемого топлива выделяет парниковые газы (CO2, метан), которые улавливают тепло, повышая глобальные температуры. Изменение климата изменяет характер осадков: некоторые регионы становятся более влажными (более интенсивные штормы), в то время как другие становятся более сухими (более частая засуха). Это усиливает гидрологический цикл, приводя к более мощным эрозиям и событиям осаждения. Таяние ледников и вечной мерзлоты подвергает свежие поверхности выветриванию, высвобождая осадки и органический углерод. Повышение уровня моря, обусловленное тепловым расширением и таянием льда, ускоряет береговую эрозию и затопляет низменные районы. Повышение уровня моря на 1 м может навсегда затопить 6 миллионов квадратных километров прибрежных земель, меняя береговые линии во всем мире.

Сельскохозяйственная практика и здоровье почв

Монокультурное земледелие, перевыпас и ненадлежащая обработка почвы делают почвы уязвимыми для эрозии. Потеря органического вещества снижает водоемкость почвы, делая ландшафты более восприимчивыми как к засухе, так и к наводнениям. Эрозия ветра с сухих сельскохозяйственных полей способствует выбросам пыли, которые влияют на качество воздуха и альбедо снегопада. Такие методы сохранения, как возделывание без дождевого периода и покрытие, могут смягчить эти последствия, но принятие остается неравномерным.

Обзор воздействия человека на атмосферу и землю см. в Шестом оценочном докладе МГЭИК (AR6) - Основы физической науки [FLT: 1].

Вывод: комплексное понимание

Атмосфера и поверхность Земли заперты в непрерывном, двунаправленном танце. Атмосферная динамика формирует ландшафты через погоду, климат и эрозию, в то время как сама поверхность - ее топография, растительность и человеческие модификации - питается обратно, чтобы влиять на погодные и климатические модели. Эта интегрированная система требует многодисциплинарного подхода: метеорологи, геоморфологи, экологи и климатологи должны работать вместе, чтобы предсказать будущие изменения. Поскольку человеческая деятельность продолжает изменять состав и энергетический баланс атмосферы, результирующие сдвиги в географии поверхности будут создавать проблемы для водных ресурсов, сельского хозяйства, инфраструктуры и биоразнообразия. Более глубокое понимание этих взаимодействий не просто академическое - это необходимо для управления быстро меняющейся планетой.