Географическая оболочка, как саморегулирующаяся система

Очень важной особенностью географической оболочки является ее способность сохранять свои основные свойства в течение всей истории своего существования. За миллионы лет на Земле изменилось расположение материков, состав атмосферы, произошло образование и развитие биосферы.

При этом осталась сущность географической оболочки, как зоны контакта между геосферами, где взаимодействуют эндогенные и экзогенные силы. Сохранились и основные ее свойства: присутствие воды в трех состояниях - жидком, твердом и газообразном, наличие устойчивых границ между атмосферой, гидросферой и литосферой, постоянство радиационного и теплового балансов, постоянство солевого состава Мирового океана и т. д. Поэтому географическую оболочку называют геостатом, то есть системой, которая способна автоматически поддерживать определенное состояние природной среды.

Благодаря регулированию многие параметры географической оболочки поддерживаются на определенном уровне, то есть не выходят за определенные пределы, несмотря на резкие колебания внешних факторов. Достигнутое состояние равновесия имеет динамический характер.

Примером его может быть солевой состав Мирового океана, который длительное время остается постоянным, несмотря на выпадение пресных атмосферных осадков и их неравномерное распределение во времени и пространстве, на большие объемы пресных речных вод ежегодно поступающих в океан, а также на разную величины испарения с поверхности океана в различных его частях. Основная причина такого постоянства заключается во всеобщей взаимосвязанности концентраций веществ в сложнейшей природной системе, какай является океан.

В соответствии с принципом Ле Шателье - Брауна нельзя изменить концентрацию одного компонента системы без изменения остальных компонентов. При этом, если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, оказывать внешнее воздействие, то в этой системе усилится то из направлений процесса, течение которого ослабляет влияние воздействия.

Чем сложнее система, тем надежнее она защищена от внешних возмущений, поэтому географическая оболочка обладает наиболее совершенной системой саморегулирования. Примером может служить взаимодействие в системе: солнечная радиация - температура - облачность. Солнце нагревает земную поверхность, в результате чего увеличивается испарение. В атмосфере влага конденсируется и образуются облака, которые задерживают солнечную радиацию, что приводит к снижению температуры, а, следовательно, и испарения. Поэтому поступление влаги в атмосферу уменьшается и облака рассеиваются. После этого вновь увеличивается поступление солнечной радиации на земную поверхность и все повторяется сначала.

Таким образом, четыре взаимосвязанных параметра контролируют друг друга, не давая возможности каждому из них выйти за определенные границы.  Воздействие роста облачности при этом выполняет роль регулятора температуры и связано с ней отрицательной обратной связью, а такие системы как: солнечная радиация - температура и температура - испарение называются положительными прямыми связями. Примером положительной обратной связи является развитие ледников, при котором все взаимодействующие природные факторы, усиливая друг друга, приводят к  увеличению площади и мощности ледяного покрова.

В историческом плане географическая оболочка является самоорганизующейся системой, что приближает ее к биологическим системам. По определения Шредингера, биологическая система в ходе развития повышает свою организацию, все более отличается от среды, то есть «возвышается» над нею в организационном отношении, увеличивает свою устойчивость по отношению к внешним воздействиям. Все это можно отнести и к географической оболочке, в процессе развития которой было приобретено важнейшее свойство саморегулирования, благодаря которому снижается контрастность распределения температур на Земле за счет механизма, позволяющего перебрасывать тепло из одних мест в другие.

Рассмотрим, как это происходит в Северном полушарии. В дни весеннего равноденствия повышение температуры воздуха задерживается за счет потерь тепла на таяние снега и льда и, частично, на испарение. К концу зимы запасы тепла в водоемах и Океане достигают минимума, поэтому их обогревающая роль становится меньше, чем зимой. По мере повышения температур в средних и высоких широтах уменьшается разность температур между экватором и полюсом. В результате ослабляется поток тепла от экватора. Таким образом, наблюдается ситуация, подобная разумному регулированию отопления: пока тепла недостаточно тепловой поток от океана и от экватора интенсивный, а к лету этот механизм регулирования тепла полностью прекращает свою деятельность. Зато постепенно набирают силу аккумуляторы тепла - геофизические, геохимические и биологические.

После таяния снега и льда поверхность суши быстро нагревается. Часть тепла при этом уносится в глубь поверхностного слоя земли и накапливается там до следующего холодного периода. В пресных водоемах нагревается верхний слой воды. При повышении температуры от 0 до +4°С растет плотность воды, которая погружается вниз, что приводит к активизации водообмена с глубинными слоями. При дальнейшем нагревании воды вертикальный обмен прекращается до наступления холодов. В результате устанавливается устойчивая стратификация вод: холодная - внизу, а теплая - вверху.

В океане наблюдается иная картина. По мере нагревания в верхних слоях океанской воды отмечается повышение солености и снижение температуры за счет испарения. Это вызывает ее опускание вглубь, что приводит к повышению температуры километровой толщи океанских вод. В связи с тем, что температура океанической поверхности остается невысокой, возникает разность температур воздуха между сушей и океаном, а это вводит в действие тепловую машину второго рода: океан - материк, которая переносит часть тепла от материка, где она не может аккумулироваться, к океану.

Повышение температуры на суше усиливает геохимические процессы с поглощением тепла. Возрастает испарение, и значительная часть тепла переносится в атмосферу в скрытой форме, то есть аккумулируется в водяном паре. При конденсации тепло выделяется и расходуется на локальное нагревание воздуха. Поэтому усиливается его циркуляция.

По мере роста температуры на суше усиливается фотосинтез. Часть энергии при этом аккумулируется и затем выделяется в холодное время года при гниении растительных остатков. К моменту максимального поступления солнечной радиации (летнее солнцестояние) температура, однако, не достигает максимума, так как тепловые аккумуляторы еще не полностью заряжены теплом.

Поток солнечной энергии начинает снижаться, но уменьшается и отток тепла с суши, так как океан - главный аккумулятор тепла - постепенно прогревается. Максимум температуры северного полушария смещается на один - полтора месяца относительно максимума притока солнечной энергии. Таким образом, климатические границы лета оказываются смещенными относительно астрономических. Величина такого смещения зависит от положения суши и моря. Во внутриконтинентальных областях оно минимальное, а в приокеанских - наибольшее. Однако всюду происходит «смазывание» картины годового хода процессов.

Только в августе отмечается перелом в ходе лета, который соответствует снижению потока солнечной радиации. По мере дальнейшего понижения температуры замирает вегетация и уменьшается вертикальная циркуляция в атмосфере. Наступает момент теплового равновесия между земной и океанической поверхностью и окружающими средами.

Затем поток солнечной радиации еще более снижается. Температура после этого должна бы стремительно падать, но по мере охлаждения суши вступают в действие аккумуляторы тепла, замедляющие этот процесс. Уменьшается испарение и интенсивность осолонения поверхностных вод океана. На смену приходит термическая циркуляция океанических вод, за счет чего поступает тепло из более глубоких слоев океана.

Вступает в действие тепловая машина второго рода, но в обратном направлении: тепло теперь переносится от океана к континенту через атмосферу.

По мере охлаждения высоких широт возрастает температурный контраст относительно экватора. Тепловая машина первого рода начинает перекачивать тепло в охлаждающееся  северное полушарие. Поэтому зима в умеренных широтах наступает только тогда, когда уже миновал минимум поступления солнечной радиации. Зимой срабатывают механизмы защиты от переохлаждения. Низкий слой облачности задерживает излучение Земли, все водоемы покрыты льдом, а суша - снегом.

Так в географической оболочке работают механизмы, смягчающие контрастность годового хода солнечного излучения в северном полушарии.

 

Литература.

  1. Смольянинов В. М.  Общее землеведение: литосфера, биосфера, географическая оболочка. Учебно-методическое пособие / В.М. Смольянинов, А. Я. Немыкин. – Воронеж : Истоки, 2010 – 193 c.

 

Еще статьи о географической оболочке

 
 
Баннер