Опасные ситуации природного характера. Ч. 2-1 | Баньковский Лев Владимирович

Часть 2-1

Л.В. Баньковский

Опасные ситуации природного характера Учебно-методическое пособие Часть II Атмосферные опасности

Березники 2013 2

УДК 614.8(075.8) ББК 68.9я73 Б 34 Б 34

Баньковский Л.В. Опасные ситуации природного характера [Текст]: Учебнометодическое пособие: Часть II / Л.В. Баньковский. – Березники, 2013. -

Методические рекомендации к практическим занятиям по предмету «Опасные ситуации природного характера» предназначены для студентов стационарного и заочного отделений естественно-математических факультетов педагогических институтов, где читается соответствующий курс. В книге даны практические советы по организации самостоятельной работы студентов, теоретические сведения дополнительно к лекционному материалу, планы семинарских занятий по основным темам курса и перечень литературы по данному предмету. ББК 68.9я73

© Л.В. Баньковский, 2009

ISBN 53

Атмосферные опасности

4

Введение: Вклад учёных Урала в гидрометеорологию и климатологию. Поиск путей к пониманию физической сути атмосферных природных стихий. Гидрометеорологические исследования. Более тысячи лет назад русские летописцы признали природу полноправным действующим лицом истории и начали записывать сведения о необычайных погодных и климатических явлениях. О великих морских волнах 860 года, ураганах и грозах 979-го, наводнении 991-го, половодье 1000-го и многих других небывалых ветрах, многоводьях, жестоких засухах, безмерных стужах. По материалам старинных русских летописей начальник горнозаводского Урала В.Н. Татищев составил одну из первых в России обширных сводок стихийных бедствий. Учёный поместил эту хронику в многотомный свой труд «Историю Российскую с самых древнейших времён». Среди десятков томов Полного собрания русских летописей двадцать шестой том посвящён Вологодско-Пермской летописи, охватывавшей события с древнейших времён по 1538 год. В отличие от других общерусских летописей северяне уделили немало внимания экстремальным природным явлениям в Вологде и Перми. А та часть летописного свода, которая относится к 1480-1538 годам, содержит совершенно оригинальные тексты о буйствах северной природы. Большой вклад в отечественную историческую гидрометеорологию внесло позднее уральское летописание XVII-XIX веков, то есть в те времена, когда в большинстве городов России оно постепенно сошло на нет. Соликамский посадский житель Василий Лучников в молодости участвовал в тихоокеанских плаваниях на Алеутские острова и Аляску и загорелся страстью к истории. Записанные им сведения о местных природных явлениях взбудоражили многие последующие поколения историков метеорологии: «при воеводе князе Фёдоре Ивановиче Дашкове и дьячке Стефане Золотарёве августа 17 дня было знамение страшное над самым градом и окрестными сёлами. Сначала шёл чёрный густой дым, из которого образовалось облако, заслонившее собою Солнце, наступила такая темнота, что не могли распознать друг друга. Продолжалось это полчаса, после чего весь город накрыло огненной тучей, из которой сыпался пепел с искрами. Вреда, однако же, от этого никто не получил. Явление наблюдалось с 10 часов утра, а закончилось в 3 часа ночи». Продолжая традицию старинного соликамского летописания, директор народных училищ Пермской губернии В. Шишонко составил «Пермскую летопись» со сведениями о том, что в 1613 году был неурожай хлеба от сильнейших морозов. Осенью 1636 года случилось сильнейшее осеннее наводнение. По причине катастрофического затопления озимых хлебов, крестьяне в конце октября вынуждены были вторично распахивать и вновь засевать свои поля. И далее в шишонковской летописи: «В лето 1705 года, месяца июля 15 числа… наблюдалось нечто вроде солнечного затмения, которое продолжалось около часа. Горизонт неба был объят пламенем, повеяло жаром, стоял чад, люди задыхались, после чего выпал густой пепел, покрыв землю и крыши домов довольно толстым слоем. А 16-го с запада на восток прошла страшная туча с бурей. Были сорваны крыши с церквей и домов, сломано много варничных столбов, а в лесах деревьев. Сила ветра была такова, что колокола на церквях и часовнях сами звонили, но дождя при этом не было. А вот утром 17-го июля, при полном безветрии, были уже и гром, и молния, и град, и дождь лил такой, что затопило многие постройки. Пришедшие в Соликамск обвинские и иньвенские крестьяне рассказывали, что от огненной тучи у них сгорело много домов, скота, амбаров, травы на полях и леса». В летописи известного верхнекамского географа И.Я. Кривощёкова со слов старожилов отмечено учреждение в Кудымкаре праздника Девятой пятницы по случаю безопасного прохождения мимо населённых мест каменного дождя. Первые инструментальные метеорологические наблюдения на Урале осуществили деятели Великой Северной экспедиции под руководством В. Беринга. Участникам 5

экспедиции, организованной Петербургской Академией наук, предписывалось «производить всюду метеорологические наблюдения, а в наиболее важных местах поручать их продолжение надёжным лицам». В конце 1733 года академический отряд под руководством профессора И. Гмелина провёл метеорологические исследования в Кунгуре и Соликамске. С 1734 года уральскую погоду изучали академик И. Гмелин, маркшейдер А. Татищев, учитель арифметики Ф. Санников, надзиратель лесов барон Пален. Эти наблюдения непрерывно продолжались двенадцать лет. Известно также, что в 1750-1751 годах в Соликамске наблюдал погоду создатель и владелец первого в России ботанического сада Г.А. Демидов. В конце XVIII века Санкт-Петербургское Вольное экономическое общество разработало единую для России программу хозяйственных описаний наместничеств и губерний. В рамках этой программы всем губернаторам, в том числе и пермскому, предлагалось организовать на своей территории регулярные метеорологические наблюдения. В мае 1790 года академик И. Герман организовал метеонаблюдения на Пышминском золотопромывочном заводе, в Перми начал наблюдать погоду учитель Я. Мензиховский, преподаватель Главного народного училища. С 1828 года ведутся непрерывные метеорологические исследования в Златоусте, с 1832 года в Перми, с 1934 года в Уфе.

26 октября 1835 года после четырнадцати месяцев строительства в Екатеринбурге открылась вторая в России магнитная обсерватория, по существу же – магнитнометеорологическая. Днём рождения Уральской региональной гидрометеорологической службы принято считать 1 января 1836 года, когда начались регулярные магнитные и погодные наблюдения. Материалы обсерваторской деятельности за этот год были помещены в первом томе «Метеорологических и магнитных наблюдений, произведённых в Российской Империи». Книга эта вышла в 1837 году и стала по существу первым отечественным синоптическим ежегодником. В 1840 году начаты метеонаблюдения в Карпинске, затем в Чердыни, Соликамске, Оханске, Кудымкаре. В 1857 г. издана монография академика К. Веселовского «О климате России», в которую включены также и данные уральских исследователей. В 1872 г. в стране образована служба погоды. В 1875 году Министерство путей сообщения создало Навигационно-описную комиссию, в задачу которой входило всестороннее гидрометеорологическое исследование, нивелировка и измерение глубин рек, каналов и озёр Европейской России, подробное их описание в техническом и экономическом отношениях. За четверть века специальные партии обследовали все пригодные для судоходства и сплава главнейшие реки нашей страны, выпущено до полусотни монографий, сборников, отчётов, атласов и карт. В 1876 году на самых значимых водных путях страны открыто более ста тридцати постоянно действующих водомерных постов и гидрометрических станций для изучения режима уровней и водоносности рек. С 1882 года в Перми ведутся непрерывные гидрометеонаблюдения. В 60-70-е годы XIX столетия многолетние сводки метеорологических наблюдений на Урале внимательно изучал талантливый физик, преподаватель пермских гимназий и инспектор народных училищ А.П. Орлов. Он явился основателем отечественной сейсмологии и первым в России выпустил более десятка серьёзных научных трудов о землетрясениях на Урале и в других регионах. В своих обстоятельных книгах Орлов самым дотошным образом анализировал связи между атмосферными явлениями и землетрясениями. Это направление сейсмологии развивают и современные уральские геофизики. На базе обширных гидрометеорологических наблюдений появились в Пермском крае и климатические исследования. Автором первых таких трудов был учитель Н. Панаев, который сумел сам наблюдать погоду пятьдесят два года подряд, не пропустив при этом ни одного дня. В 1882 году в своей книге «Краткий географический и физический очерк города Соликамска» Панаев писал: «Вопрос об изменении климата в Уральском крае 6

принимает характер важного. Желая по возможности стать ближе к его разрешению, мы старались собирать сведения от старожилов, которые все сводятся к тому, что изменение в климате произошло, и даже резкое. Например, несколько десятков лет тому назад старожилы помнят такие суровые и продолжительные зимы, что замерзание на лету птиц было явлением обыкновенным. Летнее время отличалось сильной жарой, а осень и весна были коротки». На рубеже XIX-XX веков Панаев опубликовал «Исторический очерк развития климатологии в Пермской губернии». Здесь учёный сообщил о том, что на Западном склоне Урала наблюдения за погодой ведут сорок четыре гидрометеорологических пункта. О техническом уровне и методах исследований Панаев сделал такую заметку: «В настоящее время, кроме самопишущих аппаратов, записывающих постоянно температуру, давление и влажность воздуха, солнечное сияние, направление и силу ветра, производятся обычные и чрезвычайные наблюдения в срочные часы над испарением воды, влажностью почвы, температурой снега, поверхности земли и почвы на разных глубинах, наблюдения над культурными и дикими растениями, собираются сведения о прилёте и отлёте птиц, температуре, прибыли и убыли воды в р. Каме и т.п. явлениях природы». Как мы сейчас видим, работа была поставлена весьма дальновидно: предшествующие нашим временам гидрометеорологи и климатологи были очень квалифицированными наблюдателями природы. Рассказав о том, какие беды причинены водному транспорту в 1891 и 1894 годы жестокими морозными воздушными волнами с Ледовитого океана, Панаев справедливо заметил: «В конце навигации северо-восточные страны без метеорологических станций для Пермской губернии есть то же, что не защищённое больное место на теле человека. Таким образом, для практической цели – предсказаний погоды необходимо иметь возможно более телеграфирующих метеорологических станций и в особенности в тех местах, откуда можно ждать более опасности от неожиданных явлений атмосферических». Общеизвестен вклад уральца А.С. Попова в авиационную и наземную метеорологию. В 1895 году учёный создал на редкость чувствительный радиоприёмник – «грозоотметчик», способный регистрировать окрестные грозы и сообщать об их опасной близости. Этот прибор результативно работал в помощь ежегодной Нижегородской ярмарке, где была смонтирована осветительная радиостанция, нуждавшаяся в заблаговременном предупреждении о приближающихся грозах. Аналогичную грозозащиту учёный проектировал и для собственноручно разработанной городской электростанции в Перми, городе, где он в юности учился и получил от сверстников прозвище «математик». Попов предлагал создать в Перми высшее учебное заведение. В 1901 году Петербургский электротехнический институт избрал учёного профессором по кафедре физики. Через три года Попов стал директором этого передового института, сотрудники которого внесли в техническое оснащение гидрометеорологии немалый вклад. Значительный удельный вес гидрометеорологии в практической жизни государства был подкреплён обширными климатологическими исследованиями, выполненными А.И. Воейковым. Учёный разработал классификацию рек и озёр в зависимости от условий их водного питания, объяснил реки как продукт климата. Ещё в начале восьмидесятых годов Воейков впервые выдвинул идею тесного взаимодействия вод с другими элементами географической среды. Совместно с В.В. Докучаевым он показал эффективность лесоразведения для борьбы с повторяющимися засухами и неурожаями на юге России. Классик русской науки Докучаев стал основоположником учения о ландшафтах и их зональности. Учёный рассматривал все элементы географической среды – рельеф, климат, воды, почвы, растительность – как определённую природную совокупность, в которой нет посторонних, лишних звеньев, а всё взаимообусловлено, цельно и едино.

7

В 1885 году Екатеринбургская магнитно-метеорологическая обсерватория перешла из ведения горного ведомства в распоряжение Министерства народного просвещения. С начала нового столетия обсерватория стала ядром самостоятельной сети метеостанций Урала, Западной Сибири и Казахстана и оставалась в этом статусе два десятка лет. На рубеже веков екатеринбургские метеорологи стали активно специализироваться на измерениях электрического поля атмосферы и аэрологических наблюдениях. Для изучения параметров свободной атмосферы и атмосферного электричества применялись, например, грозоотметчики, электрографы, различные установки, регистрирующие проводимость воздуха и объёмные заряды в атмосфере. Направления и скорости воздушных течений в зоне видимости изучались с 1906 года с помощью летающих змеев, снабжённых самопишущими приборами. В 1908 году начали использовать шары-пилоты, полёты которых отслеживали с помощью теодолитов. С начала столетия в обсерватории действовало отделение предупреждения о метелях, впоследствии оно преобразовалось в Бюро погоды. В 1918-1920 годы в Пермском университете естественные и физико-математические науки преподавал профессор А.А. Фридман, прошедший через первую мировую войну сначала в должности лётчика-наблюдателя, а затем заведующего аэронавигационной и аэрологической службы фронта. Был награждён двумя высшими офицерскими боевыми орденами В самом начале войны совершил ряд исследовательских полётов на дирижаблях для подготовки цикла метеорологических наблюдений во время предстоящего солнечного затмения. Учёный глубоко интересовался изучением атмосферы, которую называл грандиозной физической лабораторией. Он первым использовал самолёт для метеорологических исследований. Разрабатывал теорию динамической и синоптической метеорологии, обрабатывал результаты аэрологических наблюдений, составлял их методики, писал инструкции. Особенно увлекался теорией турбулентной атмосферы, пытался найти строгое решение проблемы генерации и разрушения атмосферных вихрей. За заслуги перед отечественной метеорологией Фридман был назначен директором Главной геофизической обсерватории – ведущего российского учреждения по метеорологии. В июле 1925 года с воздухоплавателем П.Ф. Федосеенко учёный совершил рекордный полёт на сферическом аэростате. Три часа пробивался аэростат к солнцу через мощные слои облаков. Всё это время Фридман наблюдал характер, форму и движение облаков, изучал распределение метеорологических элементов по высоте, брал пробы воздуха с разных высот, в просветы между облаками фотографировал земную поверхность. В полёте экипаж достиг высоты 7400 м и более двух часов работал на более чем семикилометровой высоте, получив при этом уникальную метеорологическую информацию. Здесь у Фридмана нарушилось питание кислородной маски и он потерял сознание. Спас его Федосеенко, надев на Фридмана свой кислородный прибор и благополучно посадив аэростат. В 1925 году в Екатеринбургской обсерватории на базе отделения метелевых оповещений создано Бюро погоды – первый на Урале прогностический центр погоды. Первым уральским синоптиком стала приехавшая из Петербурга М.А. Мартенс – ученица профессора А. Фридмана. Она первая осваивала и внедряла в метеорологическую практику синоптическую идею и так называемый фронтальный анализ атмосферных процессов. В 1928 году в нашей стране открыты регулярные полёты пассажирских и транспортных самолётов по трассе Москва-Иркутск. Срочно потребовалось обеспечить авиацию сведениями о сложных и опасных явлениях погоды. В это время М. Мартенс была первой и единственной составительницей уральских авиационно-синоптических прогнозов. В 1929 году создан Гидрометеорологический комитет страны, в дальнейшем преобразованный в Главное управление гидрометеослужбы. Произошло объединение отечественных гидрологической и метеорологической служб. Вскоре было образовано 8

Уральское бюро водного кадастра. Подведомственная территория гидрологического отдела Уралгидрометкомитета охватывала Свердловскую, Пермскую, Челябинскую и Кировскую области, Удмуртскую и Башкирскую АССР. В 1930 году в Павловске под Петербургом впервые успешно запущен в небо радиометеорограф, построенный профессором П.А. Молчановым. В следующем году молчановские радиозонды стартовали с работавшего в Арктике дирижабля «Граф Цеппелин». Уральцы познакомились с этим дирижаблем во время его кругосветного рейса, пролегавшего через Верхнекамье и Свердловскую область. В конце 20-х - начале 30-х годов проблемой регистрации радиоэха от самолётов и гроз, а также возможностью определения дальности до них заинтересовался изобретатель и учёный П.К. Ощепков, хорошо известный у нас на Урале. Он был выпускником шалашинской школы-коммуны, действовавшей неподалёку от прикамского города Оханска. Молодой инженер-энергетик правильно определил технические характеристики первого в мире радиолокатора, составил его проект и написал соответствующую докладную записку на имя народного комиссара обороны страны. Ощепковский проект, рассмотренный военными экспертами, был принят к реализации. В январе 1934 года по этому поводу в Академии наук состоялось совещание с участием радистов, оптиков, акустиков, электро- и радиофизиков. И уже в августе того же года были составлены акты и протоколы об успешных итогах испытаний первых радиолокационных систем. Однако прошло ещё немало лет, прежде чем учёные-метеорологи и метеорологи-практики взяли радиолокаторы себе на вооружение. Нелегко было научиться определять не только направления и расстояния до ураганов, но и их форму. Наконец, на экранах радиолокаторов начали вырисовываться глаза ураганов, а ещё окружающие их спиральные полосы облачностей и дождей. В числе молодых профессоров-энтузиастов неба работал в Пермском университете А.Б. Вериго. 26 июня 1935 года вместе с инженером Ю. Прилуцким и командиром экипажа К. Зилле на стратостате «СССР-1 бис» учёный поднялся на высоту 16 тысяч метров с целью изучения космических лучей. На предельной высоте по причине электризации ткани корпуса в нижней части оболочки возник пожар и начался форсированный спуск стратостата. Гондола резко раскачивалась из стороны в сторону. На четырёхкилометровой высоте по приказу Зилле, Вериго и Прилуцкий прыгнули с парашютом, а командиру всё же удалось сохранить стратостат и посадить его на землю в районе Тулы. В самом начале тридцатых годов в работе единой государственной службы погоды произошли существенные перемены: в практику составления метеопрогнозов был надёжно введён новый фронтологический метод, который вскрывал трёхмерную структуру атмосферной циркуляции. С этого времени начали массово публиковаться синоптические карты с нанесением и анализом движения атмосферных фронтов и воздушных масс. Экстраполяция их перемещения позволила полнее предвидеть поведение барических систем и, следовательно, гораздо точнее предсказывать изменения в атмосфере. Всего лишь за одно десятилетие на Урале создана образцовая региональная метеорологическая сеть. Проведено её строгое климатическое районирование, все знаменитые промышленные стройки Урала того времени были обеспечены климатическими очерками, необходимыми для проектно-строительных работ и выбора режимов эксплуатации предприятий. С 1926 года и по настоящее время Свердловский Гидрометцентр издаёт ежедневные бюллетени погоды с синоптическими картами и обзорами погоды. С 1827 года на Урале впервые в стране начали выпускать прогнозы горимости леса. В течение трёх с половиной лет – с октября 1930-го по март 1934 года действовал Уральский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, обобщивший большое число магнитных, метеорологических, гидрологических и 9

агрометеорологических наблюдений и исследований, очень важных для выполнения планов первых пятилеток. В 1936 году на базе Центрального бюро погоды был создан Центральный институт погоды, а его сотрудники, обобщив накопленные аэрологические материалы, установили, что в развитии атмосферных процессов важную роль играет распределение и перемещение очагов тепла и холода в средней тропосфере. В 1940 году составлен первый в мире математический прогноз погоды. С началом войны многие ленинградские, а через полгода и московские учёныегидрометеорологи были эвакуированы на Урал со всеми учрежденческими повседневно необходимыми гидрометеорологическими и аэрологическими архивами. Все местные и приезжие специалисты, наблюдавшие и изучавшие погоду, перешли в ведение Уральского военного округа. Для нужд фронта начал выпускать радиозонды эвакуированный в Свердловск ленинградский завод «Гидрогеоприбор». Здесь в 1942 году образованы центральное конструкторское бюро Гидрометслужбы Красной Армии, а в посёлке Верхнее Дуброво – метеорологическая обсерватория. Сюда же из блокадного Ленинграда был эвакуирован Институт земного магнетизма, организована ионосферная станция. На Урале в условиях военного времени созданы и освоены промышленностью новые наземные и авиационные приборы, автоматические метеостанции. В сентябре 1941 года СССР, США и Англия подписали протокол о поставке в нашу страну военной техники, в том числе и самолётов. В начале октября Государственный комитет обороны принял решение об изысканиях и строительстве особой воздушной линии от Аляски до Красноярска, Екатеринбурга и далее на фронт. В 1942 году этот перегоночный маршрут был введён в действие. Он позволял избежать промежуточных авиатехнических сборок и разборок, обычно неизбежных при трансконтинентальных перебросках самолётов-истребителей морскими и океанскими путями. Метеорологическое сопровождение групповых перелётов военных самолётов из Сибири к Екатеринбургу и далее к промежуточным пунктам посадки и заправки по направлению к фронтам обеспечивали уральские метеорологи. Работы синоптикам оказалось настолько много, что при штабе Уральского военного округа было создано метеобюро ВВС. Сотрудничество военных метеорологов и авиаторов продолжилось и после войны. В 1947 году в обсерватории Верхнее Дуброво для решения мирных задач была смонтирована военная радиолокационная станция СОН-2. В комплекте с радиотеодолитом «Малахит» стало возможным определять координаты радиозонда в условиях отсутствия видимости и более полно расшифровывать передаваемую зондом синоптическую информацию с учётом известного его перемещения в пространстве. К 1950 году в состав Свердловского управления гидрометслужбы входило 14 метеостанций авиационных и три областных – Пермская, Челябинская и Уфимская. В 1951 году в обсерватории открыта станция изучения космических лучей, она действовала до июня 1964 года. В начале 50-х годов аэрологические станции созданы в Перми, Кургане, Ивделе, шаропилотная сеть стала гораздо более насыщенной. В эти же годы появилась у Уральской гидрометслужбы ещё одна функция, связанная со строительством и эксплуатацией Камского водохранилища. В 1954 году началось наполнение его первой очереди. В следующем году организовано Пермское объединённое гидрометбюро, которое стало выпускать прогнозы погоды, волнения на водохранилище, прогнозы условий движения плотокараванов по водоёму. В 1957 году создана первая на западном склоне Урала Камская гидрометеорологическая обсерватория. В этом же году начаты теодолитные наблюдения за орбитой запущенного нашей страной первого искусственного спутника Земли. Отечественная и уральская метеорологии проложили новые пути к изучению верхней атмосферы и прилегающего к ней космического пространства. Космическое это событие на Урале сопровождалось и более пристальным вниманием к региональной метеорологии: начаты исследовательские работы по изучению местных 10

синоптических процессов, особо опасных сложных гидрометеорологических явлений, анализу условий их возникновения, совершенствованию приёмов их прогнозирования. Разработаны и внедрены методы прогноза орографических вертикальных скоростей, прогноза высоты нижней границы облаков по влажности и вертикальным движениям воздуха, а также численные методы прогноза будущих барических полей, гроз, лесной горимости с помощью ЭВМ. С середины шестидесятых годов в нашем государстве сформировалось стабильное направление экологических исследований, связанных с необходимостью преодоления высокого уровня промышленного загрязнения окружающей среды. Изучение химизма природных вод на Урале началось ещё в предреволюционные годы, но только с 1938 года такие исследования уральская гидрометслужба стала вести планомерно. И, наконец, в 1965 году в составе Свердловской гидрометеорологической обсерватории создана лаборатория химии поверхностных вод и атмосферного воздуха с функциями контроля более сорока параметров среды и обязательного доведения этих данных до народнохозяйственных организаций Урала. В 1967 году сформирована сеть стационарных постов наблюдений за динамикой промышленных загрязнений. Впоследствии подобные химические и смежные с ними лаборатории превратились в центры при территориальных управлениях Госкомгидромета СССР. Химические службы в этой структуре были наделены высокими административными полномочиями. На Урале сформировалось около семидесяти пунктов наблюдений в 15 городах и около двухсот пятидесяти таких пунктов на 146 водных объектах. С 1966 по 1975 годы метеорологические радиолокаторы круглосуточного действия установлены в аэропортах Кольцово, Челябинска, Перми, Уфы, Серова. С 1 января 1970 года введена механизированная обработка данных метеонаблюдений с получением итоговых таблиц через ЭВМ. В 1972 году смонтировано оборудование и принята первая метеорологическая информация с некоторых искусственных спутников Земли, а шесть лет спустя в Уральском управлении гидрометслужбы и контроля окружающей среды установлена новая аппаратура спутниковой информации, начат приём данных с советских и зарубежных метеоспутников. Реализована передача космических фотоснимков и фотомонтажей по каналам связи в прогностические подразделения Управления. В Уральском УГКС создан уникальный гидрометеорологический музей, второй в стране после Музея Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. В последние десятилетия к исследованиям по гидрометеорологии, климатологии и другим смежным наукам всё чаще подключаются профессиональные географы, геологи, карстоведы, геокриологи, специалисты по водным ресурсам. Более полувека на Урале работал выдающийся естествоиспытатель нашего времени, выпускник Петербургского горного института Д.В. Наливкин. Тщательно изучая уральские месторождения солей, бокситов, углей и нефти, учёный обнаружил в продуктивных толщах этих месторождений немалые прослои отложений эолового происхождения. Дальнейшие исследования подтвердили планетарную роль ветра в формировании подобных месторождений по всему земному шару. Геолог и географ Наливкин написал несколько основательных книг по метеорологии. Он обобщил мировую литературу по бурям, ураганам, смерчам. Этими его трудами, ставшими классическими, ныне пользуются климатологи, метеорологи, экологи, географы, геологи и многие другие исследователи природы. Создав первый в России общественный, а по существу, международный, Институт карстоведения, пермские гидрогеологи и инженерные геологи сумели объединить усилия многих карстоведов планеты, собрать и обобщить огромный объём мировой информации о пещерах. Оказалось, что фактически вся поверхность земной суши скрывает в своих недрах огромнейшие лабиринты сухих и обводнённых закарстованных пространств, которые в совокупности были названы карстосферой. Выпускники геологического факультета Пермского университета В.Н. и Г.Н. Дублянские в своей монографии «Карст 11

мира» характеризуют карстосферу как единую по своей природе геосферу, огромное сферическое пространство карстовых процессов и явлений. О высокой перспективности всеобъемлющих карстоведческих исследований можно судить, например, по результатам изучения свойств подземной атмосферы. В Кунгурском стационаре Горного института Уральского отделения Российской Академии наук В.Н. Андрейчук вместе с местными и сибирскими коллегами установили оригинальные счётчики аэрозольных частиц на городских улицах и в просторной Кунгурской пещере. Измерения, проведённые в разные сезоны года, показали, что закарстованные земные недра, окружающие наши индустриальные города, являются настоящими лёгкими Земли. Пещеры зимой поглощают холодный воздух, фильтруют, нагревают его и выводят наружу. При этом зимние городские аэрозоли остаются под землёй и нейтрализуются окружающими горными породами в процессе их подземного выветривания. Своеобразными кондиционерами загрязнённого городского воздуха служат и широко распространённые на Урале крупнообломочные осыпи. Они, как фильтры, не только поглощают механические примеси, но и активно воздействуют на многие нежелательные в воздухе химические соединения.

12 августа 1960 года в Пермском госуниверситете основана кафедра метеорологии, которая за прошедшие с тех пор полвека выпустила около 1400 специалистов в области синоптической и авиационной метеорологии, работающих ныне во всех уголках нашей страны. В 1969 году в Екатеринбурге создан Уральский НИИ водного хозяйства, а впоследствии на его базе образовался Российский НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ), в котором наряду с другими вопросами разрабатываются проблемы обеспечения водной безопасности России. Сотрудники института коллективно написали и двумя изданиями выпустили десятитомную своеобразную водную энциклопедию с отдельным томом «Вода в государственной стратегии безопасности». Значение разветвлённой гидрометеорологической службы и учреждений её информационной поддержки в наши дни неизменно возрастает. Число опасных природных и техногенных явлений в последние годы сильно увеличилось. Возросла роль своевременного и качественного прогноза опасных событий в атмосфере и гидросфере. Важной составной частью Российской гидрометеорологической службы является наш краевой центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды – Пермский ЦГМС. На метеостанциях этого центра каждые три часа регистрируются температуры воздуха и поверхностных почв, атмосферное давление, влажность, направление и скорость ветра, высота снежного покрова, метеорологическая дальность видимости, атмосферные явления. Основная пермская наблюдательная сеть, решающая задачи федерального уровня, располагает более чем двумя десятками метеорологических станций, более чем полусотней гидрологических постов, более чем двумя десятками постов наблюдения за загрязнением атмосферы. Пермский ЦГМС выпускает агрометеорологические, гидрологические, синоптические прогнозы. Для промышленных предприятий края, выбрасывающих в атмосферу большие количества вредных загрязняющих веществ, выпускаются штормовые предупреждения о наступлении неблагоприятных метеорологических условий для рассеивания газовых выбросов. Составляются прогнозы о метеоусловиях на автодорогах, о ледовой и водной обстановке на реках и водохранилищах, о высоких уровнях воды при половодьях и дождевых паводках, об опасности возникновения лесных пожаров, о неблагоприятных сроках для метеозависимых больных разных медицинских учреждений, о резких понижениях или повышениях температуры. Пермский ЦГМС выдаёт своим клиентам информацию о фоновом загрязнении атмосферного воздуха и поверхностных вод для обоснования проектов строительства, реконструкции, оценки воздействия на окружающую среду технологических сбросов и выбросов. Сотрудниками центра могут быть также вычислены любые комплексные метеорологические и климатические характеристики, необходимые разным отраслям народного хозяйства.

12

Тема 1: Нелинейная климатология. климата и климатических опасностей

Моделирование

Нынешнее бурное развитие технических средств исследования Земли и ближнего космоса убедило человечество в том, что не только атмосфера, но и Мировой океан, криосфера и вся литосфера насыщены и пронизаны опасными для человека деформациями, вихрями, течениями, волнами, излучениями. Особенно актуальна проблема вычисления прогнозов возникновения и развития в атмосфере экстремальных процессов и явлений. Большой интерес представляет анализ моделей предельной степени общности – единой климатической системы «атмосфера-океан-криосфера-литосфера» (табл. 1,2). Высокой степенью нестационарности отличается не только система в целом, но и все её взаимодействующие подсистемы. Динамические соотношения между ними являются по преимуществу нелинейными, многофакторными и характеризуются наличием сложного, разветвлённого комплекса обратных связей, которые тесно переплетаются друг с другом (табл. 3). Многие повторяющиеся процессы в разных природных средах носят непериодический характер. Энергетические характеристики климатических систем и подсистем распределяются неравномерно как по вертикали, так и по горизонтали (табл. 4-7). Эволюционное развитие целостной системы иногда существенно осложняется чрезвычайными ситуациями и климатоэкологическими катастрофами (табл. 8). Мировое научное сообщество при поддержке правительств наиболее развитых государств приняло решение о систематическом объединении усилий в разработке строго обоснованных климатических прогнозов и в осуществлении мероприятий по усовершенствованию климата. Более двух десятилетий тому назад Всемирная метеорологическая организация и участники Программы ООН по окружающей среде создали Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК) – ныне наиболее авторитетное международное экспертное учреждение, состоящее из ведущих учёных-климатологов мира. Каждые пять-шесть лет МГЭИК публикует оценочные доклады с наиболее профессиональными и взвешенными суждениями в области исследований планетарной климатической системы. Всякий раз позиция экспертов основывается на результатах всестороннего анализа данных наблюдений и прогнозов будущих изменений климата. Видное место в этих исследованиях занимают вопросы климатического моделирования. При подготовке недавнего четвёртого оценочного доклада МГЭИК реализован наиболее крупный модельный проект с двадцатью тремя сложными физико-математическими моделями общей циркуляции атмосферы и океана. В исполнении проекта участвовали 16 ведущих исследовательских групп из 11 стран, около тысячи учёных всего мира провели анализ модельных данных. В числе особенных достижений всей этой работы отмечено улучшение способностей новых моделей воспроизводить экстремальные климатические явления. В числе моделей, наиболее доступных для исследований в условиях вузов, являются термодинамические модели баланса энергии климатической системы, их называют ещё моделями энергетического баланса (МЭБ). Самым простым примером МЭБ является уравнение, описывающее радиационное равновесие на земном шаре. Если включить это уравнение параметры изменения потоков солнечной радиации с высотой, то мы придём к широкому классу одномерных энергетических моделей, осреднённых по горизонтали и включающих распределение по высоте содержащихся в атмосфере источников поглощения и рассеяния. Кроме радиационных потоков в таких моделях одномерно параметризуются облачность, альбедо, распределение водяного пара, углекислоты и аэрозолей, а также вертикальная конвекция и многие другие распределённые по вертикали или по меридиану объекты энергетических климатологических исследований.

13

Рассмотрим некоторые физические аспекты различных моделей климатоэкологических систем, их отдельных подсистем и звеньев. Среди разнообразных методов исследований целостной системы «атмосфера-океан-литосфера» предпочтение будем отдавать самым обобщающим и доступным – текстовому, математическому и графическому анализам атмосферных движений.

Список литературы 1. Алексеев, Н.А. Стихийные явления в природе [Текст] / Н.А. Алексеев. – М.: Мысль, 1988.

2. Алисов, Б.П. Климатология [Текст] / Б.П. Алисов, Б.В. Полтараус. – М.: Изд-во МГУ, 1974.

3. Арнольд, В.И. Теория катастроф [Текст] / В.И. Арнольд. – М.: Едиториал УРСС, 2007.

4. Афанасьев, А.Ю. Мифология катастроф [Текст] / А.Ю. Афанасьев. – М.: АиФ Принт, 2003 5. Борисов, П.М. Может ли человек изменить климат [Текст] / П.М. Борисов. – М.: Наука, 2005.

6. Будыко, М.И. Климат в прошлом и будущем [Текст] / М.И. Будыко. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

7. Волович, Г.В. Человек в экстремальных условиях природной среды [Текст] / Г.В. Волович. – М.: Мысль, 1983.

8. Воронин, Н.М. Основы медицинской и биологической климатологии [Текст] / Н.М. Воронин. – М.: Медицина, 1981.

9. Голубчиков, Ю.Н. Глобальные катастрофы в истории цивилизаций [Текст] / Ю.Н. Голубчиков. – М.: Вече, 2005.

10. Груза, Г.В. Ожидаемые изменения климата: вероятностный прогноз [Текст] / Г.В. Груза, Э.Я. Ранькова // Земля и Вселенная. – 2009. - № 1. – С. 18-28.

11. Гулёв, С.К. Глобальное потепление продолжается [Текст] / С.К. Гулёв, В.М. Катцов, О.Н. Соломина // Вестник Рос. АН. – 2008. – Т.78. - № 1. – С. 20-27.

12. Дроздов, О.А. Климатология [Текст] / О.А. Дроздов, В.А. Васильев и др. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

13. Заварина, М.Ф. Строительная климатология [Текст] / М.Ф. Заварина. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

14. Исаев, А.А. Прикладная климатология [Текст] / А.А. Исаев. – М.: Изд-во МГУ, 1989.

15. Исаев, А.А. Экологическая климатология [Текст] / А.А. Исаев. – М.: Науч. мир, 2003.

16. Кондратьев, К.Я. Спутниковая климатология [Текст] / К.Я. Кондратьев. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983.

17. Кондратьев, К.Я. Перспективы развития цивилизации. Многомерный анализ [Текст] / К.Я. Кондратьев, В.Ф. Крапивин, В.П. Савиных. – М.: Логос, 2003.Кукал, З. Природные катастрофы [Текст] / З. Кукал. – М.: Знание, 1985.

18. Лосев, К.С. Климат: вчера, сегодня… и завтра? [Текст] / К.С. Лосев. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

19. Лосев, К.С. Парадоксы борьбы с глобальным потеплением [Текст] / К.С. Лосев // Вестник Рос. АН. – 2009. – Т.79. - № 1. – С. 36-40.

20. Матвеев, Л.Т. Теория общей циркуляции атмосферы и климат Земли [Текст] / Л.Т. Матвеев. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

21. Матвеев, Л.Т. Физика атмосферы [Текст] / Л.Т. Матвеев. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2000.

14

22. Маховер, З.М. Климатология тропосферы [Текст] / З.М. Маховер. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983.

23. Монин, А.С. Введение в теорию климата [Текст] / А.С. Монин. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

24. Орлов, В.И. Динамическая география [Текст] / В.И. Орлов. – М.: Науч. мир, 2006.

25. Петров, Ю.М. Климат и погода [Текст] / Ю.М. Петров. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

26. Планета катастроф [Текст]: Энциклопедия / Ф. Стил, Н. Моррис, Н. Барбер. – М.: РОСМЭН, 2008.

27. Резанов, И.А. Планета бушующих катастроф [Текст] / И.А. Резанов. – М.: Вече, 2005.

28. Риль, Г. Климат и погода в тропиках [Текст] / Г. Риль. – Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

29. Ромин, П.Н. Стихийные бедствия: изучение и методы борьбы [Текст] / П.Н. Ромин.

– М.: Прогресс, 1979.

30. Сто великих катастроф [Текст] / Авт.-состав. Н.А. Ионина, М.Н. Кубеев. – М.: Вече, 2002.

31. Тёльдеши, Ю. Мир ищет энергию [Текст] / Ю. Тёльдеши, Ю. Лесны. – М.: Мир, 1981.

32. Уолтхэм, Т. Катастрофы [Текст] / Т. Уолтхэм. – СПб.: Недра, 1982.

33. Физические основы теории климата и его моделирования: Труды Международной научной конференции, организованной ВМО и МСНС при поддержке программы ООН по окружающей среде (Стокгольм, 29 июля-10 августа 1974 г.) [Текст] / Ред. А.С. Монин. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

34. Флэннери, Ф. Грозит ли Земле катастрофа [Текст] / Ф. Флэннери. – М.: Мир книги, 2007.

35. Хофельманн, К. Катастрофы Вселенной [Текст] / К. Хофельманн. – М.: Астрель, АСТ, 2003.

36. Хромов, С.П. Метеорология и климатология [Текст] / С.П. Хромов, М.А. Петросянц. – М.: МГУ, КолосС, 2004.

Контрольные вопросы 1. Из каких компонентов состоит климатическая система?

2. Какие внешние физические процессы могут влиять на изменение климатической системы?

3. Какие внутренние физические процессы могут влиять на изменение климатической системы?

4. Зависит ли разделение процессов на внешние и внутренние от периода времени жизни климатической системы?

5. Приведите примеры положительных и отрицательных обратных связей в климатической системе.

6. Перечислите географические факторы климата.

7. Каково влияние на климат географической широты?

8. Как влияет на климат распределение на земном шаре суши и моря?

9. Каким образом влияет на климат растительный и снежный покровы?

10. Какие гипотезы положены в основу энергобалансовой модели климата М.И. Будыко? Как учитываются в этой модели парниковый эффект и горизонтальные потоки тепла в различных широтных зонах?

11. Какой главный принцип положен в основу классификации климатов Б.П. Алисовым?

12. Сделайте сравнительный анализ климатов Арктики и Антарктиды, чем эти климаты отличаются друг от друга?

15

13. Какие наблюдались изменения климата в период инструментальных наблюдений?

14. Каковы основные причины возможных антропогенных изменений климата?

15. Какие существуют оценки изменения средней глобальной температуры воздуха у поверхности Земли в связи с увеличением СО2 и других радиационно-активных газов и как эти изменения могут повлиять на повышение уровня океана?

16. Что такое климатологические фронты? Какие воздушные массы они разделяют?

17. Опишите положение климатологических фронтов в январе и июле 18. В чём суть гипотезы о тепловом и лучистом равновесии Земли?

19. Что такое «парниковый эффект»? Какие газы его создают?

20. Охарактеризуйте радиационный баланс земной поверхности 21. Дайте общую характеристику климатических ресурсов нашей страны 22. Назовите климатические факторы и показатели развития общественного производства 23. Каково соотношение издержек промышленных стран с учётом климата?

Здание Екатеринбургской магнитно-метеорологической обсерватории. Снимок XIX начала ХХ века

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

Практическая работа: Энергетика климатической системы Целью работы является решение ситуационной задачи, связанной с изучением энергетических оснований и прогнозированием экстремальных изменений климата. Даны: пять выполненных разными авторами однородных по структуре и содержанию концептуальных схем энергетических циклов и балансов в климатической системе (9.2, 12.1-2, 13.1-2 из таблиц 9, 12, 13). Этап 1. Каждая из предложенных пяти схем должна быть проанализирована в рамках конструктивного системного подхода с точки зрения наличия в схеме максимума комплексной информации по: - полноте структуры изображённой климатической системы; - генезису изображённых на схеме взаимосвязей и взаимодействия компонентов системы; - элементам возможных направлений исторического развития системы и её подсистем; - динамическим особенностям и закономерностям климатической системы. Этап 2. Сравнительный анализ тех же схем с учётом данных, полученных на первом этапе, и с точки зрения полноты и представительности энергетической информации, заключённой в каждой схеме. Найдите удобную для работы табличную форму представления аналитических данных для первого и второго этапов решения задачи. Результатом решения задачи является обоснование выбора оптимальной схемы для дальнейших самостоятельных модельных исследований энергетики климата в рамках метода энергетического баланса. Для облегчения хода решения задачи приведена дополнительная информация на таблицах 9-11. Для оформления решения ситуационной задачи используйте терминологию общего системного подхода (табл. 14, 15).

1.

2.

3.

4.

Список литературы Аверьянов, А.Н. Системное познание мира. Методологические проблемы [Текст] / А.Н. Аверьянов. – М.: ИПЛ, 1985. Баньковский, Л.В. От систематики живой природы к биосистемологии и экосистемологии [Текст] / Л.В. Баньковский // Учёные записки СГПИ. В. 2-3: Мат-лы IX-X науч.-практ. конф. преподавателейпредметников, студентов СГПИ и школьников. – Соликамск, 2004. – С.

60-67. Белов, П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере [Текст] / П.Г. Белов. – М.: Академия, 2003. Литвинов, Н.Н. Ключи систем [Текст] / Н.Н. Литвинов, О.Н. Литвинова. – Соликамск, 2003 30

31

32

Тема 2: Нелинейная геофизика. Моделирование тектоновулканических процессов, обусловливающих проявление атмосферных опасностей. Определение форм и степени воздействия геодинамических процессов на функционирование климатической и погодной систем В первой части данного учебно-методического пособия, посвящённой нелинейной планетологии и космическим опасностям (Л. Баньковский, 2006, 2008) изложены современные подходы к планетологической теории, предложены некоторые варианты моделирования тектонических и вулкано-магматических процессов. Наиболее общие методы, приёмы и результаты этих исследований воспроизводятся в этом пособии в таблицах 16-20. Воспроизведём здесь также и некоторые методические вопросы логики общих естественнонаучных и геофизических научных разработок. Использование электронного микроскопа для изучения микросрезов строматолитов, наружного известкового скелета ископаемых кораллов и моллюсков позволило открыть не только сезонные, но и суточные кольца роста этих древних организмов (рис. 16.1). Таким образом, удалось определить число суток в году в минувшие геологические эпохи и строго документально зафиксировать как факт приливного замедления вращения Земли, так и масштабы векового сжатия нашей планеты, что подтверждается также и данными палеомагнитных исследований (рис. 16.2). Вековое уменьшение угла естественного откоса в ископаемых древних песчаных грядах (рис. 16.3) свидетельствует о неуклонном увеличении ускорения силы тяжести на земной поверхности. Вековые изменения основных характеристик Земли показаны на графиках (рис.

16.4). Эти параметры нашей планеты согласуются с эволюцией других планет и эволюцией всей солнечной системы, рассчитанной при условии сохранения момента импульса системы (рис. 16.5). Расчёт особенностей трещино-разломообразования на сжимающемся небесном теле проведён на динамической модели (рис. 16.6) с помощью теории графов. На рис. 16.7 изображено устройство и ход лабораторного эксперимента по моделированию реологических и иных структур, возникающих при вековом сжатии ограниченного объёма горных пород. Благодаря подобным экспериментам подтверждается правильность выбора моделей основных типовых структур тектоносферы, выявленных в природе при геофизических исследованиях (рис. 17.1). Своеобразным итогом этих направлений анализа характерных деформаций литосферы являются тектонотипы региональных надвигов на разных этапах их развития (рис. 17.1). На рис.

17.2 показано положение сегментов разноглубинного скалывания в общей системе универсальных планетарных тектонических структур. В последние годы на вооружение специалистов по тектонике земной коры поступило новое исследовательское средство – методы фрактальной геометрии, являющейся разделом фрактальной математики или теории фрактальных множеств. При реконструкциях элементарных структур литосферы фрактальность обычно не проявляет себя отчётливо, а прячется в хаосе случайной статистики. Но при выявлении основных причин единства фрактальной сети дешифрируемость фрактальных систем и их отдельных точек значительно облегчается. Механизм и кинематику фрактального дробления литосферы в конечном итоге определяет планетарная система тектонических напряжений и деформаций. Элементарным деформационным объёмом сжимающейся литосферы является тектонический клин, а элементарной плановой формой этого клина на земной поверхности является «чечевица», то есть фигура криволинейной поверхности с формой зерна чечевицы или симметричного древесного ивового листа.

33

Специфика глобальных тектонических деформаций Земли позволяет вычленить следующую иерархическую систему основных структурных единиц литосферы: глыбы – плиты – тектонические пластины. Глыбы – основные наиболее крупные структурные элементы земной коры, в плане они имеют форму чечевицы или корабля. Глыбы земной коры можно сравнить с ледоколом, корпус которого выполнен с такими криволинейными обводами, чтобы при сжатии ледяного поля корабль не деформировался, а выжимался на поверхность. Плиты уступают глыбам по массе и размерам, но иногда превосходят их по ширине. Активные глыбы можно назвать главными движителями плит, которые в сущности обрамляют глыбы. Механизм происхождения тектонических пластин такой же, как у плит, но тектонические пластины имеют размеры на порядок меньше и возникают из осадочных толщ предгорных прогибов. На рис. 17.4 показаны некоторые приёмы выделения плановых ограничений одной из субширотно расположенных глыб земной коры. Критериями для определения границ этой глыбы стали области распределения минимальных атмосферных осадков в пустынях и распределение пустынных почв в восточном полушарии. Табл. 18 демонстрирует взаимосвязи между зоогеографическими и геотектоническими процессами в Северном полушарии. На рис. 19.1 и 19.2 реконструированы генерализованные границы меридионально расположенных литосферных глыб и плит в южном полушарии. На таблице 20 показано расположение меридиональных глыб и плит в пределах обоих полушарий. На таблице 21 приведена реконструкция тектонических напряжений и плит на северо-востоке Евразиатского материка. Курило-Камчатский вулканический пояс – результат «дальнодействия» Центрально-Сибирской глыбы на западную окраину ложа Тихого океана посредством системы нескольких тектонических плит. Таблица 21 показывает прямую обусловленность путей тропических циклонов уровнем вулканотектонической активности двух главных для Северного полушария субширотных глыб земной коры Обозначив некоторые новые геофизические приёмы членения литосферы на глыбы, плиты, пластины, блоки, подчеркнём значение этих исследований для изучения глобальных процессов дегазации литосферы, вулканогенеза и океанизации материковых окраин (табл. 22-26). На таблице 27 показаны эволюция магматизма в истории Земли и этапы вулкано-магматического процесса в зонах региональных надвигов, особенности строения систем проницаемых разломов, соединяющих горячие недра с земной поверхностью. Состав продуктов вулканизма зависит от положения основных разломов в поперечном профиле регионального надвига, от глубины проникновения этих разломов по направлению к главным магматическим очагам, от взаимодействия магматических расплавов с встречающимися на их пути осадочными и метаморфическими породами. Таковы основные причины большого разнообразия состава продуктов вулканической деятельности в подвижных поясах земной коры. Основными прямыми источниками энергии в недрах Земли являются радиоактивный распад и гравитационная дифференциация – постепенное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью. При этом тяжёлые элементы уходят к центру планеты, формируя высокоплотное земное ядро, а лёгкие элементы движутся вверх по порам, микротрещинам, трещинам, разломам, образуя в конечном итоге гидросферу и атмосферу. Автором оригинальной концепции происхождения Мирового океана и первоначальной атмосферы из летучих компонентов вулканической деятельности является известный отечественный естествоиспытатель Е.К. Мархинин. Проведя расчёты поступления в гидросферу воды из магмы в процессе вулканических взрывов, а также из сольфатар, фумарол и гидротермальных источников, учёный пришёл к хорошо обоснованному выводу, что вся геохимическая эволюция осадочной, водной и воздушной оболочек есть преобразование с течением времени вулканического материала. А биосфера

34

– как среда обитания живых организмов – есть результат деятельности вулканов и эволюции вулканических продуктов (рис. 28.1). По мнению Мархинина, только ничтожная часть газов, выброшенных вулканическими извержениями на земную поверхность, пошла на формирование объёма и состава атмосферы. Бóльшая же часть их превратилась в твёрдые вещества (углерод, серу) или была растворена в воде (хлористый водород, сернистые газы). И гидросфера, и атмосфера в течение геологической истории прошли сложную эволюцию. Появление растений и процесса фотосинтеза вызвали быстрое накопление в атмосфере свободного кислорода. На рис. 28.2-4 приведены схемы эволюции атмосферного кислорода и вековая динамика температурного режима в приземном слое атмосферы. На табл. 29-30 показано глубинное строение магматических очагов и вулканомагматических каналов, на табл. 31-50 – факторы вулканизма, разные типы и виды вулканических угроз, знание которых позволяет снизить риски потенциальных опасностей от будущих извержений.

Контрольные вопросы 1. Какие отрасли знания входят в цикл наук о Земле?

2. Каковы роль и значение геологических знаний для метеорологических исследований?

3. Изложите современные представления о планете Земля 4. Почему среди методов, применяемых для изучения литосферы, ведущая роль принадлежит геофизическим?

5. Какие источники внутреннего тепла Земли рассматриваются в настоящее время в качестве основных?

6. Каковы современные взгляды на причины тектоно-магматической активности Земли? В чём проявляется эта активность?

7. Каковы основные положения тектоники литосферных глыб, плит и блоков?

8. Дайте определение магмы. На какой глубине располагаются магматические очаги?

9. В чём отличие вулканической лавы от магмы? Каковы главные виды вулканических извержений?

10. Какой химический состав имеют вулканическая лава и вулканические газы?

11. Что представляют собой твёрдые продукты вулканических извержений и как они называются?

12. Назовите два типа вулканических аппаратов и распространённые формы эффузивных образований 13. Перечислите главные типы вулканов по их строению и характеру извержений 14. Какие существуют вулканические газовые и водные источники?

15. Покажите закономерности географического распространения вулканов 16. Какие имеются «геологические термометры», характеризующие температурные условия нахождения газо-водных флюидов, образовавшихся в виде остатка после кристаллизации магмы?

17. Каковы взгляды на процесс выделения паров и газов из затвердевшего интрузива?

18. Перечислите основные разделы гидрогеологии и карстоведения 19. Каковы современные достижения карстоведов, изучающих подземную атмосферу?

20. Каковы наиболее употребительные способы отображения метеорологической информации в системе «литосфера-океан-атмосфера»?

21. Дайте характеристику стационарности и нестационарности опасных атмосферных явлений, связанных с динамическими процессами в земной коре 22. Назовите причины глубинной дифференциации вещества Земли

35

23. Охарактеризуйте механизм воздействия вековой дифференциации вещества планеты на вулканические и гидротермальные процессы 24. Определите масштабы воздействия вулканических и гидротермальных процессов на экстремальные атмосферные явления и климат Земли 25. В чём заключается практическое значение для метеорологии современных геологических исследований?

26. Перечислите основные задачи метеорологии в области изучения опасных атмосферных явлений, связанных с жизнью земной коры 27. Какими величинами и какими явлениями характеризуется «погода земных недр»?

28. Что вы знаете о глубинных источниках энергии атмосферных процессов?

29. Какие геолого-географические факторы влияют на погоду и климат?

30. Перечислите основные методы исследования, применяемые в вулканологии 31. Что такое метеорологические наблюдения у вулканологов? Каковы программы наблюдений на метеорологических станциях, связанных с обслуживанием полётов гражданской авиации?

32. Что такое сейсмологическая сеть? Какая информация из этой сети используется метеорологами?

33. Каковы требования, предъявляемые к метеорологическим наблюдениям за динамическими явлениями на активной подстилающей поверхности?

Список литературы 1. Апродов, В.А. Вулканы [Текст] / В.А. Апродов. – М.: Мысль, 1982.

2. Апродов, В.А. Вулканы мира [Текст] / В.А. Апродов. – М.: Планета, 1982. – 134 с.

3. Апродов, В.А. Дыхание Земли: вулканы и землетрясения [Текст] / В.А. Апродов. – М.: Географгиз, 1985.

4. Апродов, В.А. Зоны землетрясений [Текст] / В.А. Апродов. – М.: Мысль, 2010.

5. Атлас вулканов СССР [Текст] / Сост. А.Е. Святловский. – М.: Изд-во АН СССР, 1959.

6. Балеста, С.Т. Земная кора и магматические очаги областей современного вулканизма [Текст] / С.Т. Балеста. – М.: Наука, 1981.

7. Богоявленская, Г.Е. и др. Катастрофические извержения типа направленных взрывов на вулканах Сент-Хеленс, безымянный и Шивелуч [Текст] / Г.Е. Богоявленская, О.А. Брайцева, И.В. Мелекесцев и др. // Вулканология и сейсмология. – 1985. – № 2. – С. 3-29.

8. Буачидзе, Г.И. и др. Природные газы Грузии [Текст] / Г.И. Буачидзе, Б.С. Мхеидзе.

– Тбилиси: Мецниереба, 1989. – 155 с.

9. Влодавец, В.И. Вулканы Земли [Текст] / В.И. Влодавец. – М.: Наука, 1973.

10. Влодавец, В.И. Справочник по вулканологии [Текст] / В.И. Влодавец. – М.: Наука, 1984.

11. Вулканизм, гидротермальный процесс и рудообразование [Текст]. – М.: Недра, 1974.

12. Вулканизм и геодинамика [Текст]. – М.: Наука, 1977.

13. Вулканизм и глубины Земли [Текст]. – М.: Наука, 1971.

14. Вулканизм островных дуг [Текст]. – М.: Наука, 1977.

15. Вулканические и вулкано-плутонические формации [Текст]. – М.: Наука, 1966.

16. Вулканические серные месторождения и некоторые проблемы гидротермального рудообразования [Текст]. – М.: Наука, 1971.

17. Вулканы и извержения [Текст]. – М.: Наука, 1969.

18. Геншафт, Ю.С. Экспериментальные исследования в области глубинной минералогии и петрологии [Текст] / Ю.С. Геншафт. – М.: Наука, 1977.

36

19. Геодинамика, магмообразование и вулканизм [Текст]. – ПетропавловскКамчатский, 1974.

20. Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки [Текст]. – Владивосток, 1976.

21. Глобальные изменения природной среды и климата: Избранные труды [Текст]. – Новосибирск, 1999.

22. Горшков, Г.С. Вулканизм Курильской островной дуги [Текст] / Г.С. Горшков. – М.: Наука, 1967.

23. Горшков, Г.С. Направленные вулканические взрывы [Текст] / Г.С. Горшков // Геология и география. – 1963. - № 12. – С. 140-143.

24. Грин, Д.Х. и др. Происхождение базальтовых магм [Текст] / Д.Х. Грин, А.Э. Рингвуд // Петрология верхней мантии. – М.: Мир, 1968. – С 132- 227.

25. Гудзенко, В.В. и др. Изотопы Ra и Rn в природных водах [Текст] / В.В. Гудзенко, В.Т. Дубинчук. – М.: Наука, 1987.

26. Гущенко, И.И. Извержения вулканов мира: Каталог [Текст] / И.И. Гущенко. – М.: Наука, 1979.

27. Гущенко, И.И. Пеплы Северной Камчатки и условия их образования [Текст] / И.И. Гущенко. – М.: Наука, 1965.

28. Действующие вулканы Камчатки: Т. 1,2 [Текст]. – М.: Наука, 1991.

29. Дэли, Р.О. Изверженные породы и глубины Земли [Текст] / Р.О. Дели. – Л.-М.: ОНТИ, 1936.

30. Зеленов, К.К. Вулканы как источники рудообразующих компонентов осадочных толщ [Текст] / К.К. Зеленов. – М.: Наука, 1972.

31. Йодер, Г. Образование базальтовой магмы [Текст] / К. Йодер. – М.: Мир, 1979.

32. Йодер, Г.С. и др. Происхождение базальтовых магм [Текст] / Г.С. Йодер, К.Э. Тили. – М.: Мир, 1965.

33. Катастрофические процессы и их влияние на природную среду: Т. 1. Вулканизм [Текст] / Под ред. Н.П. Лаверова. – М.: Регион. обществ. орг. учёных по пробл. прикл. геофизики, 2002.

34. Кондратьев, К.Я. Вулканы и климат [Текст] / К.Я. Кондратьев. Итоги науки и техники. Сер. Метеорология и климатология: Т. 14. 1985.

35. Кондратьев, К.Я. Извержение вулкана Эль-Чичон: наблюдавшиеся и возможные воздействия на атмосферу [Текст] / К.Я. Кондратьев. – М., 1983.

36. Лебединский, В.И. Вулканы и человек [Текст] / В.И. Лебединский. – М.: Недра, 1967.

37. Лучицкий, И.В. Основы палеовулканологии: Т. 1. Современные вулканы; Т. 2. [Текст] / И.В. Лучицкий. – М.: Наука, 1971.

38. Магматизм рифов: Петрология, эволюция, геодинамика [Текст] / М.: Наука, 1989.

39. Магмообразование и его отражение в вулканическом процессе [Текст]. – М.: Наука, 1977.

40. Магницкий, В.А. Внутреннее строение и физика Земли [Текст] / В.А. Магницкий. – М.: Недра, 1965.

41. Макдональд, Г.А. Вулканы [Текст] / Г.А. Макдональд. М.: Мир, 1975.

42. Макдональд, Г.А. Вулканы и землетрясения [Текст] / Г.А. Макдональд. М.: Мир, 1975.

43. Мамырин, Б.А. и др. Изотопы Не в природе [Текст] / Б.А. Мамырин, И.Н. Толстихин. – М.: Энергоиздат, 1981.

44. Маракушев, А.А. Астробиология – иллюзорная наука [Текст] / А.А. Маракушев // Вестн. РАН. – 2000. – Т. 70. - № 3. – С. 223-226.

45. Маракушев, А.А. Вулканизм Земли [Текст] / А.А. Маракушев // Природа. – 1984. № 9.

46. Мархинин, Е.К. Вулканизм [Текст] / Е.К. Мархинин. – М.: Недра, 1985.

37

47. Масуренков, Ю.П. Вулканы над интрузиями [Текст] / Ю.П. Масуренков. – М.: Наука, 1979.

48. Мелекесцев, И.В. и др. Гигантские обвалы на вулканах [Текст] / И.В. Мелекесцев, О.А. Брайцева // Вулканология и сейсмология. – 1984. - № 4. – С. 14-23.

49. Мелекесцев, И.В. и др. Камчатка, Курильские и Командорские острова (История развития рельефа Сибири и Дальнего Востока) [Текст] / И.В. Мелекесцев, О.А. Брайцева, Э.Н. Эрлих. – М.: Наука, 1974.

50. Механизм интрузий магмы [Текст]. – М.: Мир, 1972.

51. Милановский, Е.Е. и др. Орогенный вулканизм и тектоника Альпийского пояса Евразии [Текст] / Е.Е. Милановский, Н.В. Короновский. – М.: Недра, 1973.

52. Николаев, П.Н. Методика тектонодинамического анализа [Текст] / П.Н. Николаев.

– М.: Недра, 1992.

53. Основные проблемы сейсмотектоники [Текст]. – М.: ОИФЗ РАН, 1986.

54. Петров, В.А. Магма и генезис магматических горных пород [Текст] / В.А. Петров. – М.: Недра, 1972.

55. Пискунов, Б.Н. Геолого-петрологическая специфика вулканизма островных дуг [Текст] / Б.Н. Пискунов. – М.: Наука, 1987.

56. Повзнер, М.М. и др. Воздействие катастрофических эксплозивных извержений на природную среду [Текст] / М.М. Повзнер и др. //Известия РАН. Сер. География. – 1994. - № 1. – С.75-85.

57. Подводный вулканизм и зональность Курильской островной дуги [Текст]. – М.: Наука, 1992.

58. Раст, Х. Вулканы и вулканизм [Текст] / Х. Раст. – М.: Мир, 1982.

59. Ритман, А. Вулканы и их деятельность [Текст] / А. Ритман. – М.: Мир, 1964.

60. Сирин, А.Н. О соотношении центрального и ареального вулканизма [Текст] / А.Н. Сирин. – М.: Наука, 1968.

61. Соболев, В.С. Строение вулканической магмы и способы образования магмы [Текст] / В.С. Соболев. – М.: Наука, 1973.

62. Современный вулканизм: Сб. статей [Текст]. – М.: Наука, 1966.

63. Стафеев, К.Г. Жизнь вулкана [Текст] / К.Г. Стафеев. – М.: Просвещение, 1982.

64. Сычёва-Михайлова, А.М. Механизм тектонических процессов в обстановке инверсии плотности горных пород [Текст] / А.М. Сычёва-Михайлова. – М.: Недра, 1973.

65. Тазиев, Г. Вулканы [Текст] / Г. Тазиев. – М.: Мысль, 1963.

66. Фарберов, А.И. Магматические очаги вулканов Восточной Камчатки по сейсмологическим данным [Текст] / А.И. Фарберов. – Новосибирск: Наука, 1974.

67. Череменский, Г.А. Геотермия [Текст] / Г.А. Череменский. – М.: Недра, 1972.

68. Шарапов В.Н. и др. Динамика взаимодействия магмы с породами [Текст] / В.Н. Шарапов, В.С. Голубев. – Новосибирск: Наука, 1976.

69. Шипулин Ф.К. Интрузии и рудообразование [Текст] / Ф.К. Шипулин. – М.: Наука, 1968.

70. Штилле, Г. Эволюция вулканизма в истории Земли [Текст] / Г. Штилле. – М., 1974.

Практическая работа: Динамика литосферы и её воздействие на погоду и климат Земли Проверьте аргументацию и оцените спорность или правильность ряда концептуальных положений, опирающихся на изложенные в таблицах фактические данные. Сформулируйте свои собственные суждения по предлагаемым исследовательским проблемам и способам их решения.

38

Одним из вариантов комплекса перспективных суждений о дальнейшей направленности климатических и метеорологических исследований может быть, например, следующий: 1. Наша планета, неуклонно, из-за приливного трения, сокращаясь в размерах, приводит в движение перекрывающие друг друга литосферные глыбы и плиты. При их взаимных смещениях в поднадвиговых зонах образуются подземные атмосфера и гидросфера планетарного масштаба. Поэтому при вулканических извержениях на земную поверхность выбрасываются огромные объёмы не только магмы, но и воды, и газов.

2. Часть газов и вод (в жидком и парообразном состоянии)из подземных геосфер выходит на земную поверхность не через вулканические аппараты, а через разломные и трещинные системы планеты при их тектонической активизации. Энергетика воздушных масс и водяных паров, поднимающихся на дневную поверхность при медленных движениях земной коры достаточно велика для возмущения атмосферы ещё и по той причине, что внутрипланетные флюиды содержатся в постоянно возобновляемых, наиболее напряжённых стыках тектонических глыб и плит.

3. Характерным, наиболее убедительным примером постоянного динамического взаимодействия литосферы и атмосферы в глобальном масштабе является схема распространения в северном полушарии тропических циклонов, которые являются наиболее энергетически мощными атмосферными явлениями и приурочены к краям двух сопряжённых в развитии планетарных глыб. Для проверки правильности и полноты обобщающих суждений по поставленным проблемам воспользуйтесь некоторыми из следующих литературных источников.

Список литературы Добровольский, В.В. Геология [Текст] / В.В. Добровольский. – М.: Владос, 2008. Карлович, И.А. Геология [Текст] / И.А. Карлович. – Академический Проект, 2003. Мазур, И.И. Опасные природные процессы [Текст] / И.И. Мазур, О.П. Иванов. – М.: Экономика, 2004. Милютин, А.Г. Геология [Текст] / А.Г. Милютин. – М.: Высш. шк., 2008. Новейший и современный вулканизм на территории России [Текст] / Отв. ред. Н.П. Лаверов. – М.: Наука, 2005. Савельева, Л.Е. и др. Геология [Текст] / Л.Е. Савельева, А.Е. Козаренко. – М.: Владос, 2004.

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68