По сравнению с атмосферами других планет, атмосфера Земли имеет две крайности. С одной стороны, она является самой стабильной с температурой не более 100 °C от максимальной до минимальной, и в большинстве мест на поверхности Земли значения температуры довольно близки. С другой стороны, атмосфера Земли — насколько мы можем судить — самая переменчивая. В то время как ветры и ураганы на других планетах могут быть суровее и масштабнее, они длятся дольше по времени и перемежаются периодами спокойствия. Атмосфера Земли, напротив, находится в постоянном движении, что влияет на разнообразие метеорологических условий в разных географических точках. Мы называем это непрерывно изменяющееся состояние «погодой», и знания о ней имеют важное практическое значение для сельского хозяйства, судоходства, авиасообщения и повседневной жизни в целом.
Облака — это исключительно красивое природное явление. Все они заслуживают нашего внимания несмотря на то, что по ним не всегда можно составить точный прогноз погоды.
Облачность. Еще с древних времен люди искали способы предсказывать изменения погоды, а облака были очевидным сигналом этих изменений. Определенные облачные образования связаны с приближением конкретных погодных явлений. Самый точный признак приближающегося дождя — серые облака, затянувшие небо. Согласно этой примете, толкование облаков имеет смысл лишь в том случае, когда погода уже более-менее установилась, что обесценивает силу любого предсказания. Вместо расшифровки облаков метеорологи разработали специальные технологии — сеть наблюдательных пунктов, радиолокационные комплексы, а затем и метеоспутники, чтобы вычислять, где сейчас находятся облака и куда они двигаются. Эту информацию, наряду с другими данными о температуре воздуха и атмосферном давлении, используют для составления прогноза.
Атмосферные фронты. Погодные изменения связаны с прохождением атмосферного фронта — пограничной зоны между воздушными массами. Теплый фронт встречает массу более теплого воздуха, поднимающуюся над массой холодного воздуха, которая отталкивает его. Теплому фронту предшествует увеличение облачности, возможно, туман, а затем кратковременный дождь. Теплый фронт несет с собой ясную и солнечную погоду. Холодный фронт прокладывает себе путь под господствующими воздушными массами. Позади него надвигаются высокие дождевые облака, создающие сильный и непрерывный дождь, возможно, с громом и молниями. Если восходящего воздушного потока достаточно, дождь поднимется выше и, замерзнув, превратится в град. Если капли дождя проходят через холодный воздух, они превращаются в снежинки.
Круговорот воды. Большая часть нашей планеты покрыта водой, и преобразование воды в лед и пар и обратно — процесс, важный для понимания наук о Земле. Океаны наполнены водой, около 1 % атмосферы составляет водяной пар, хотя значения могут существенно различаться, и все чаще геологи подозревают, что глубоко в коре и мантии Земли тоже есть большой запас воды. Текучесть и химический состав магмы зависит от содержания воды, и, в свою очередь, это влияет на горные породы, которые она образует. На поверхности Земли течет вода, ледники и ледяные щиты усердно обтачивают твердые породы, что является важной фазой цикла преобразования горных пород. И, конечно, погодные явления подвижны, ими движет постоянный круговорот воды из океанов и с суши в атмосферу, где вода превращается в облака и снова проливается дождем на поверхность.
Метеорологи стали понимать закономерности погоды с учетом атмосферных фронтов в 1920-х годах.
Круговорот воды в природе запускается солнечным теплом, когда вода с поверхности испаряется в атмосферу. Большая часть испарений происходит над океаном, но пар достигает атмосферы без растворенных в нем солей. Таким образом, дождь — важный и постоянный источник пресной воды.
Разделить всю земную сушу на большие области со схожим климатом, включая местность с одинаковым средним количеством осадков и сходными сезонными колебаниями температуры, вполне возможно. Становится ясно, что даже в далеко расположенных друг от друга уголках Земли наблюдаются схожие климатические особенности. Наглядным примером является пустыня — любой регион с уровнем осадков меньше 25 см в год. Климат создает схожие условия обитания (и проблемы выживания) для растений и животных: растение, способное выжить в австралийской пустыне, имеет все шансы выжить и в любой другой. Такие климатические области, как степи и лесостепи, более-менее похожи по составу флоры и фауны. Окаменелости и наличие (или отсутствие) химических веществ в воде, свойственные таким природным зонам, могут показать, где сформировалась порода.
Климатические зоны тесно связаны с понятием биологических регионов (или биомов). Каждый биом имеет определенный набор биотопов (или сред обитания). Самым крупным является биом океана, его характеризует вода, остальные девять биомов определяются климатом. На климат могут влиять особенности конкретной местности, например, места вдали от моря более засушливые, чем прибрежные районы, а в высокогорных районах температура ниже, чем у моря. Однако более универсальный показатель — близость к экватору, где климат мягче, чем у полюсов.
Можно выделить следующие 10 биомов:
• смешанные леса;
• тайга;
• степи и лесостепи;
• кустарниковые степи;
• влажные тропические леса;
• пустыни;
• горные леса;
• тундра;
• океан;
• арктические пустыни.
Нерешенные вопросы
Науки о Земле постепенно свели на нет загадки нашей планеты и позволили многое узнать о том, как устроен мир. Однако все еще остается немало вопросов о Земле, на которые нужно найти ответы. Давайте озвучим некоторые из них.
Сегодня горные породы образуются из осадочных отложений на поверхности Земли — точно так же, как и раньше. Это первое правило геологии, верно? Но кое-что изменилось. Фрагменты материала, участвующего в цикле преобразования горных пород, больше не просто породообразующие минералы, получившиеся из других пород или посредством естественных процессов. Напротив, к ним примешались материалы, произведенные человеком, — микроскопические частицы пластика, продукты нефтепереработки и радиоактивные металлы, созданные внутри ядерных реакторов (или бомб). Через миллионы лет все это станет частью твердых пород абсолютно нового типа, неизвестного прежде.
Песчаник с этого пляжа будет содержать в том числе частицы пластика.
Вырубка лесов изменит состав отложений, из которых формируются будущие породы Земли.
Эти «неестественные» породы не представляют особой опасности для будущего планеты. В конце концов человеческая деятельность не сильно затронет Землю. Необычным пластам и за несколько тысяч лет не удастся значительно повлиять на планету в глобальном смысле.
Однако следует ли геологам уделять им больше внимания? Когда геологи видят глобальные изменения на геологической шкале, они используют их для проведения границы новой эпохи — или даже периода. Вопрос в том, изменили ли мы, люди, химический состав атмосферы и океанов, разнообразие видов на Земле настолько, что создали предпосылки для открытия новой эпохи? Текущая эпоха называется голоценом, она началась по окончании последнего ледникового периода около 12 000 лет назад. Существует научная школа, утверждающая, что мы вступили в новую эпоху, имя которой «антропоцен», что означает «эпоха людей».
Со времен Второй мировой войны осадочные породы стали содержать в себе микроскопические следы искусственных радиоактивных веществ, не встречавшихся ранее.
Геологическое сообщество все еще не знает, стоит ли перерисовывать шкалу геологического времени и включать в нее антропоцен. Логика сильна — человеческая деятельность изменила Землю достаточно, чтобы оставить след в геологии будущего. Однако стоит ли принимать это во внимание уже сейчас? Если да, то это бесспорно станет сигналом для мира о воздействии человечества на планету, а не полезным инструментом для самой геологии.
В конце концов рафинированные стали снова превратятся в природные оксидные минералы.
Решение было отложено международными комитетами, ответственными за подобные вещи (Международная комиссия по стратиграфии и Международный союз геологических наук). Есть одна загвоздка — с чем связать начало антропоцена? С появлением глиняной посуды? Оно предшествовало голоцену, попробуйте еще раз. С началом XIX века, когда угольные шахты и металлургические заводы начали оставлять свой след на отложениях? Хотя эта деятельность оказывает огромное влияние на местные почвы, она не так широко распространена, чтобы представлять глобальные изменения. Предпочтительная дата начала антропоцена — 16 июля 1945 года. Это день «Тринити», первого в мире испытания технологии ядерного оружия в штате Нью-Мексико. Это был первый ядерный взрыв в истории, и он оставил после себя радиоактивные следы в отложениях по всему земному шару. Ядерное оружие все изменило.
Углекислый газ и другие парниковые газы, поступающие в атмосферу, уменьшают количество излучаемого Землей в космос тепла. Дополнительная тепловая энергия накапливается в атмосфере и океанах. К чему это может привести? С большой долей вероятности потепление приведет к экстремальным погодным условиям — более жестоким ураганам и продолжительным засухам. К тому же поднимется уровень моря, отчасти из-за того, что воды океана, нагреваясь, слегка расширятся, что приведет к общему увеличению объема мирового океана. Что не менее важно, уровень моря может вырасти из-за таяния ледяных шапок в Арктике, например в Гренландии. (В качестве примера: если все льды, покрывающие Антарктиду, растают, уровень воды на Земле поднимется на 60 м, хотя никто не предрекает этого в ближайшем будущем.)