Нормальное (среднее) состояние ионосферы обусловлено постоянным мощным излучением. Регулярные изменения происходят в нормальной ионосфере под воздействием суточного вращения Земли и сезонных различий угла падения солнечных лучей в полдень, но происходят также непредсказуемые и резкие изменения состояния ионосферы.
Как известно, на Солнце возникают мощные циклически повторяющиеся возмущения, которые достигают максимума каждые 11 лет. Наблюдения по программе Международного геофизического года (МГГ) совпали с периодом наиболее высокой солнечной активности за весь срок систематических метеорологических наблюдений, т.е. с начала XVIII в. В периоды высокой активности яркость некоторых областей на Солнце возрастает в несколько раз, и они посылают мощные импульсы ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Такие явления называются вспышками на Солнце. Они продолжаются от нескольких минут до одного-двух часов.
Во время вспышки извергается солнечный газ (в основном протоны и электроны), и элементарные частицы устремляются в космическое пространство. Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца в моменты таких вспышек оказывает сильное воздействие на атмосферу Земли. Первоначальная реакция отмечается через 8 мин после вспышки, когда интенсивное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение достигает Земли. В результате резко повышается ионизация; рентгеновские лучи проникают в атмосферу до нижней границы ионосферы; количество электронов в этих слоях возрастает настолько, что радиосигналы почти полностью поглощаются ("гаснут"). Дополнительное поглощение радиации вызывает нагрев газа, что способствует развитию ветров. Ионизированный газ является электрическим проводником, и когда он движется в магнитном поле Земли, проявляется эффект динамо-машины и возникает электрический ток. Такие токи могут в свою очередь вызывать заметные возмущения магнитного поля и проявляться в виде магнитных бурь.
Эта начальная фаза занимает лишь короткое время, соответствующее продолжительности солнечной вспышки. Во время мощных вспышек на Солнце в космическое пространство устремляется поток ускоренных частиц. Когда он направлен в сторону Земли, наступает вторая фаза, оказывающая большое влияние на состояние атмосферы.
Многие природные явления, среди которых наиболее известны полярные сияния, свидетельствуют о том, что значительное количество заряженных частиц достигает Земли. Тем не менее процессы отрыва этих частиц от Солнца, их траектории в межпланетном пространстве и механизмы взаимодействия с магнитным полем Земли и магнитосферой пока еще недостаточно изучены. Проблема усложнилась после открытия в 1958 г. Джеймсом Ван Алленом удерживаемых геомагнитным полем оболочек, состоящих из заряженных частиц. Эти частицы перемещаются из одного полушария в другое, вращаясь по спиралям вокруг силовых линий магнитного поля.
Вблизи Земли на высоте, зависящей от формы силовых линий и от энергии частиц, располагаются "точки отражения", в которых частицы меняют направление движения на противоположное. Поскольку напряженность магнитного поля уменьшается с удалением от Земли, орбиты, по которым движутся эти частицы, искажаются: электроны отклоняются к востоку, а протоны - к западу. Поэтому они распределяются в виде поясов вокруг земного шара.
Солнечная энергия оказывает влияние на всю атмосферу. Выше уже упоминались пояса, образованные заряженными частицами в магнитном поле Земли и вращающиеся вокруг нее Эти пояса ближе всего подходят к земной поверхности в приполярных районах, где наблюдаются полярные сияния.
Вероятно, захваченные частицы отдают часть своей энергии в атмосферу, особенно при столкновении с молекулами газа вблизи точек отражения, и сходят со своих прежних орбит. Так происходит нагрев высоких слоев атмосферы в зоне полярных сияний.
Еще одно важное открытие было сделано при изучении орбит искусственных спутников. Луиджи Яккиа, астроном из Смитсоновской астрофизической обсерватории, полагает, что небольшие отклонения этих орбит обусловлены изменениями плотности атмосферы при ее нагреве Солнцем. Он предположил существование на высоте более 200 км в ионосфере максимума концентрации электронов, который не соответствует солнечному полудню, а под воздействием силы трения запаздывает по отношению к нему примерно на два часа. В это время значения плотности атмосферы, обычные для высоты 600 км, наблюдаются на уровне около 950 км. Кроме того, максимум концентрации электронов испытывает нерегулярные колебания вследствие кратковременных вспышек ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Л. Яккиа обнаружил также кратковременные колебания плотности воздуха, соответствующие вспышкам на Солнце и возмущениям магнитного поля. Эти явления объясняются вторжением частиц солнечного происхождения в атмосферу Земли и нагревом тех ее слоев, где проходят орбиты спутников.
Хотя иногда метеорные дожди производят глубокое впечатление своими световыми эффектами, отдельные метеоры видны довольно редко. Гораздо многочисленнее невидимые метеоры, слишком малые, чтобы быть различимыми в момент их поглощения атмосферой. Некоторые из мельчайших метеоров, вероятно, совершенно не нагреваются, а лишь захватываются атмосферой. Эти мелкие частицы с размерами от нескольких миллиметров до десятитысячных долей миллиметра называются микрометеоритами. Количество ежесуточно поступающего в атмосферу метеорного вещества составляет от 100 до 10000 т, причем большая часть этого вещества приходится на микрометеориты.
Поскольку метеорное вещество частично сгорает в атмосфере, ее газовый состав пополняется следами различных химических элементов. Например, каменные метеоры привносят в атмосферу литий. Сгорание металлических метеоров приводит к образованию мельчайших сферических железных, железоникелевых и других капелек, которые проходят сквозь атмосферу и осаждаются на земной поверхности. Их можно обнаружить в Гренландии и Антарктиде, где почти без изменений годами сохраняются ледниковые покровы. Океанологи находят их в донных океанических отложениях.
Большая часть метеорных частиц, поступивших в атмосферу, осаждается примерно в течение 30 суток. Некоторые ученые считают, что эта космическая пыль играет важную роль в формировании таких атмосферных явлений, как дождь, поскольку служит ядрами конденсации водяного пара. Поэтому предполагают, что выпадение осадков статистически связано с крупными метеорными дождями. Однако некоторые специалисты полагают, что, поскольку общее поступление метеорного вещества во много десятков раз превышает его поступление даже с крупнейшим метеорным дождем, изменением в общем количестве этого вещества, происходящим в результате одного такого дождя, можно пренебречь. Однако несомненно, что наиболее крупные микрометеориты и, конечно, видимые метеориты оставляют длинные следы ионизации в высоких слоях атмосферы, главным образом в ионосфере. Такие следы можно использовать для дальней радиосвязи, так как они отражают высокочастотные радиоволны.
Энергия поступающих в атмосферу метеоров расходуется главным образом, а может быть и полностью, на ее нагревание. Это одна из второстепенных составляющих теплового баланса атмосферы.
3. Экологическая реальность планеты Земля
а. Глобальные катастрофы и их роль в эволюции планеты Земля
В 1866 году Эрнестом Геккелем был предложен термин "экология" для обозначения отрасли биологического знания, рассматривающего вопросы взаимодействия организмов и окружающей среды. Так произошло "официальное" признание новой науки, потребность в которой все больше стала назревать благодаря накоплению сведений о многообразных живых организмах и особенностях их образа жизни.
Ученые установили, что взаимоотношения живых организмов с окружающей средой подчиняются определенным закономерностям. Возникли новые направления, отражающие условия существования и развития различных объектов, явлений, процессов. Предметом же исследования экологии человека являются все стороны жизнедеятельности человека, вопросы сохранения и развития здоровья людей с учетом взаимосвязи его с окружающей природной и социальной средой. Так в учении о планете Земля открылись новые возможности ее познания.
Согласно современной теории происхождения планет, разработанной академиком О. Ю. Шмидтом, Земля образовалась путем аккумуляции твердого рассеянного вещества в виде частиц и тел различных размеров. Постепенно мельчайшие частицы и метеориты различных размеров объединялись в более крупные тела - астероиды, которые затем падали на образующуюся Землю. Значительная часть нашей планеты образовалась за счет крупных тел.
Массы наибольших тел, падавших на Землю, были оценены по наблюдаемому сейчас наклону оси вращения Земли. Как известно, вращение планет состоит из двух компонентов разной природы: регулярного прямого вращения, связанного с вращением всей системы, и нерегулярного, случайного, возникшего в результате падения на планету крупных тел. Последнее определяет наклон оси ее вращения. Случайные явления сыграли огромную роль в жизни нашей планеты. Будь у крупнейших астероидов, падавших на Землю, другие размеры, скорость или угол падения, наша планета имела бы иной наклон оси, а значит, ширина тропического и умеренных поясов и полярных кругов была бы иной.
Формирование Земли как планеты, сопровождавшееся падением астероидов и метеоритов, продолжалось около 100 млн. лет. Так как возраст Земли равен 4,5-5 млрд. лет, то получается, что образование ее из астероидов и метеоритов заняло лишь 2% времени от всей жизни пашей планеты.
Рой астероидов, окружавших Землю, за 100 млн. лет рассеялся. Падения метеоритов стали реже. Сейчас все больше специалистов склоняются к мнению, что первоначально недра Земли были разогреты. На глубине нескольких десятков километров существовал слой, где породы были в расплавленном состоянии. Эти расплавы изливались на земную поверхность. Таким образом, стадия "бомбардировки" Земли сменилась более продолжительной по времени стадией почти сплошных вулканических излияний. В этот период жизни нашей планеты, который длился по-видимому, много сотен миллионов лет, её поверхность была почти сплошь усеяна вулканами, извергавшими лаву. Изливавшаяся лава застывала, отдавая в мировое пространство тепло. Так образовалась первичная земная кора. Температура на поверхности Земли понижалась, и наступил момент, когда выделявшиеся из недр Земли водяные пары конденсировались в жидкую воду. С этого времени начинается геологическая стадия развития Земли, которая привела её к современному виду. Конечно, это все нельзя назвать иначе, как катастрофой. Но, как это не парадоксально, даже само зарождение жизни явилось в конечном счете тоже своеобразной катастрофой.
Кювье и Сент-Илер вполне справедливо считали, что какие-то грандиозные силы вмешива-лись в эволюцию жизни, и в результате этого вмешательства появлялись более совершенные формы животных. Казалось, эволюция время от времени подвергалась действию какого-то таинственного ускорителя. Впрочем, такую же роль может сыграть и такого же грандиозного действия тормоз.
Представим себе, что этот тормоз замедляет или вовсе сбрасывает с "конвейера эволюции" какие-то виды, например, владевших миллионы лет землей динозавров, мешавших развитию других видов, а именно - млекопитающих. Так возникает больше простора для развития видов более жизнестойких, "перспективных", с точки зрения природы.
Но что же могло послужить ускорителем или замедлителем эволюции? Это были высокоэффективные, мощные воздействия, способные, например, в короткий срок уничтожить могучее и многочисленное стадо динозавров, насчитывающее несколько сот видов, а среди них были "малютки" весом в единицы килограммов и "гиганты" в десятки тонн. Отсюда суть теории катастроф Ж. Кювье состоит в идее космического вмешательства в процесс эволюции.
б. Природные катастрофы: их роль в формировании экологического "облика" планеты Земля
Вообще говоря, жизнь зародилась в океане. Затем первыми переместились на сушу растения, а по прошествии долгого времени за ними потянулись амфибии, затем сушу захватили животные, получающие кислород из воздуха. Но еще на уровне амфибий произошло расщепление животного мира. Одни дали направление развитию ящеров и иных пресмыкающихся, других -- их назвали териодонтами, или зверообразными, -- можно рассматривать как группу, связывающую нынешних млекопитающих с этими древнейшими наземными позвоночными.
Однако эра динозавров неожиданно заканчивается 64,5 миллиона лет назад. На этот счет было выдвинуто множество гипотез. Вот три из них.
Во-первых, - это повышенная активность вулканов: газы и выброшенный пепел пеленой затянули небо и ослабили солнечную радиацию - динозавры не вынесли похолодания. Во-вторых, - это вспышка близкой к Земле сверхновой звезды и животные не выдержали облучения. В-третьих, на вымирание динозавров повлиял некий элемент, скромно представленный в земной коре, но заметно присутствующий, отсюда на Землю упал либо крупный метеорит, либо дождь метеоритов, доставившие этот элемент на Землю.
Существует на этот и еще одна метеоритная гипотеза, которую продолжают обсуждать серьезные ученые. Не так давно на острове Гаити были найдены мелкие стеклянные шарики, словно пролившиеся здесь дождем. Ученые полагают, что такой "дождь" здесь выпал после удара метеорита о полуостров Юкатан. Рассеянные шарики и кварцы, расплавившиеся на дне кратера, образованного упавшим метеоритом, имеют одинаковую геохимическую природу. Метеорит был размером с десятикилометровую скалу и при ударе выделил примерно 70 миллионов мегатонн энергии, что во много раз больше, чем все атомные заряды, созданные человеком.
Поднятая ударом метеорита пыль окутала всю планету. Пылевая вуаль, окутавшая планету на долгие годы, понизила на несколько градусов сред-негодовую температуру Земли. Наступила затяжная зима (именно такую предвещают нам физики, если разразится атомная война). Постепенно атмосфера очистилась и вновь стала прозрачной, но в ней сохранились газы, вызвавшие парниковый эффект.
Не менее драматичными событиями может обернуться падение крупного метеорита в мировой океан. В ответ на падение такого гиганта из стратосферы выпадает снег. Образовавшиеся мощные облака окутывают планету, идут нескончаемые ливни. Затем появляется парниковый эффект - средняя температура на планете поднимается на десятки градусов.
Палеонтологи считают, что за последние 500 миллионов лет жизнь на Земле по меньшей мере пять раз подвергалась угрозе почти полного уничтожения. Д. Даул насчитал до 40 массовых исчезновений животных. Угроза может прийти из космоса не только в облике исполинского метеорита. Во Вселенной есть и другие негативные для земной жизни обстоятельства, которые составляют для нее реальную угрозу ее существованию.
Жизнь появилась на Земле около 2500 миллионов лет назад. Вначале это были одноклеточные, затем животные, лишенные скелета, например, так называемые медузоидные. Но их возраст много меньше - они не старше 570 миллионов лет.
Что могла встретить Земля на этом сравнительно долгом пути?
Некоторые исследователи считают, что могут быть вредоносными и пылевые облака, занимающие в космосе огромные пространства. Если Солнечная система встретит их на своем пути, то пыль частично затенит свет, идущий от Солнца, на планетах может сильно понизиться температура, это - опять урон для жизни.
Беды, подстерегающие живые существа, не ограничиваются только холодом. Дело в том, что с понижением температуры увеличивается растворимость в воде двуокиси углерода. Следовательно, в атмосфере его станет меньше. В первую очередь от этого пострадает растительный мир, для которого двуокись углерода - основной источник питания. За ним начнется голод у растительноядных, а затем начнут вымирать и хищники.
К сожалению, астрономия не может указать хоть один конкретный случай прохождения Солнечной системы через космические пылевые облака, хотя за 2,5 миллиарда лет странствий по Галактике нашей населенной жизнью Земли случай этот весьма вероятен - так же, как и его последствия.
Не од-нажды природа создавала условия, которые умерщвляли на Земле почти все живое. И вместе с тем палеонтологи установили, что в истории земной биосферы была трагедия таких грандиозных масштабов, что 90 процентов живых организмов погибли по причинам, рожденным самой планетой.
До недавнего времени ученые в самых общих чертах представляли лик планеты, каким он был 300 миллионов лет назад. В то есть на карте полушарий Земли можно было представить Лавразию и Гондвану - гигантские материки, временами соединявшиеся в один континент - Пангею. Первым же в истории Земли был единый континент Моногея, который в течение миллионов лет распался и вновь соединился в сверхматерик Мезогея. Затем таким же образом возникла Мезогея и лишь потом - Лавразия и Гондвана. Гипотеза основана на исследовании конвекционных движений магмы, которые и определяют движение тектонических плит на поверхности планеты.
Эти движения, в частности, помещали то один, то другой из материков в полярные области. Недаром палеомагнитологи насчитывают несколько бывших магнитных полюсов, находящихся ныне далеко от южного и северного. Считалось, что причиной тому - "кувыркание" земного шара. Но не логичнее ли было бы, однако, предположить, что именно дрейф материков время от времени ставил их в полярные позиции.
Удар биосфера суши получила в конце девона, когда доминировать стали лиственничные растения. Так называемый листьевой индекс появившейся наземной растительности увеличил эффективность поглощения солнечной энергии в сотни раз, с точки зрения производства зеленой массы. Травоядные получили изобилие корма, безмерно размножились, а когда все съели, то пищи стало не хватать, и масса животных погибла от голода.
Академик Б. С. Соколов в речи на открытии палеонтологического конгресса сказал: "Биосфера в целом подвергалась крупным перестройкам и сопровождалась катастрофическими вымираниями". Но по мнению академика, "удары" по биосфере зарождались в ней самой, а, следовательно, имели земное происхождение.
Извержения вулканов до сегодняшних дней остаются какой-то загадкой. Вулканологи могут изучать только последствия вулканических взрывов. Причины и источники самого явления скрыты слишком глубоко в недрах Земли (возможно, в самом ее ядре). И все же в данный момент мы знаем динамику 516 действующих вулканов.
Вулканологи классифицировали вулканы по 4 категориям, следуя от менее разрушительных к самым разрушительным. Легендарная гора Гавайских островов Мауна-Лоа, так же как и японская Фудзияма, не будет фигурировать в данном разделе, потому что ни одна из них не имела катастрофических извержений. По крайней мере, в течение новой истории.
