Движение воздуха

Движение воздуха обусловлено перепадами давления в атмосфере. Причиной перепадов является в основном неравномерное распределение солнечной энергии. Уже при разнице в 2,5 мм рт. ст. начинается перемещение воздуха. Главные формы движения воздушных масс - это ветер и воздушные потоки. 

Ветер представляет собой движение воздуха преимущественно в горизонтальном направлении из области высокого давления в область низкого давления под действием гравитационных сил. Его скорость пропорциональна величине градиента давления, т.е. скорости изменения давления по горизонтали на заданном высотном уровне. Как и при течении воды, чем больше («круче») градиент, тем больше скорость. Сила и направление ветра могут изменяться за счет трения, турбулентности, вихревых движений, вращения Земли, центробежной силы. 

Воздушные потоки. Воздушными потоками называют в основном вертикальное перемещение воздуха. Примером могут служить конвекционный подъем теплого влажного воздуха и нисходящий поток холодного сухого воздуха. Ветры, стекающиеся со всех сторон в область низкого давления, в конце концов образуют единый восходящий воздушный поток. Поднимающийся воздух вследствие расширения охлаждается, а опускающийся благодаря сжатию нагревается. 

Результаты перемещения воздушных масс. Описанные формы движения воздуха распределяют по Земле тепло и влагу. Особую роль в распределении тепла играет водяной пар, содержащийся в воздухе. Количество тепла, необходимое для испарения воды, меняется обратно пропорционально температуре. На испарение 1 г воды при температуре 100°С требуется около 540 кал, а при температуре 0°С - около 600 кал. Следовательно, водяной пар переносит значительное количество тепла в латентном (скрытом) состоянии. Если влажный воздух затем охлаждается и водяной пар конденсируется, латентное тепло испарения выделяется. Таким образом, перемещение влажного воздуха способствует переносу тепла от места к месту и обеспечивает влагу для дождя.

Господствующие ветры. Циркуляция воздуха в атмосфере происходит по определенной схеме. Из-за хорошо выраженной разницы в температуре и давлении между экватором и полюсами действует сложная конвекционная система. Она включает 1) штилевую полосу на экваторе - зону низкого давления, которая возникла в результате чрезвычайно сильного нагревания и для которой характерны штиль или слабые ветры, восходящий поток влажного воздуха и частые грозы; 2) северо-восточные пассаты в северном полушарии и юго-восточные пассаты - в южном, дующие почти непрерывно; 3) субтропические зоны высокого давления с нисходящими потоками сухого воздуха около 30° северной и южной широты («конские широты»); 4) господствующие западные ветры в средних широтах; 5) полярные восточные холодные ветры, расходящиеся по спирали от полярных областей высокого давления, и 6) блуждающие пояса циклонических ураганов по краям поднимающихся масс холодного полярного воздуха (полярные фронты). На эти господствующие ветры и барические пояса влияет, кроме того, разница между сушей и морем, рельеф суши, смена времен года и местные факторы. Экваториальная штилевая зона, зоны пассатов и субтропические области высокого давления смещаются к северу и югу на несколько градусов по долготе в соответствии с годовым движением Солнца. Господствующие ветры оказывают большое влияние на климат. Они являются причиной выпадения сильных тропических ливней на наветренной стороне в горах и с подветренной стороны в пустынях. В средних широтах ветры приносят неустойчивую погоду. Кроме того, они вызывают образование океанических течений - дрифтового течения вдоль экватора к западу и огромных круговращений воды в Северной и Южной Атлантике и в северной и южной частях Тихого океана. 

Ветры меньшего масштаба. Кроме перемещения огромных масс воздуха в нем происходят многообразные движения меньшего масштаба. К ним относятся береговые и морские бризы, горные и долинные ветры, муссоны, ураганы и тайфуны, грозовые шквалы, торнадо, ветер чинук. Эти различные штормовые и низовые ветры иногда вызывают необычайно высокие приливы и прямо или косвенно участвуют в переносе тепла и влаги, в образовании волн, прибрежных течений, в транспортировке обломочного материала.

Перенос ветром

Пылевые частицы обычно переносятся во взвешенном состоянии, тогда как песчаные зерна перемещаются по поверхности земли прыжками (сальтация) или путем перетекания (соскальзывания). Способность ветра к транспортировке частиц зависит от его скорости и степени турбулентности. Слабый ветер может переносить пыль во взвешенном состоянии, а легкий бриз перекатывает тонкий песок. Сильный бриз, дующий со скоростью 20 м/с, может перемещать зерна диаметром 1 мм и больше. Штормовые ветры и ураганы подымают взвешенный песок на высоту в сотни метров и перекатывают гальку размером до 5-7 см в диаметре. Таким образом, характер переносимого груза прямо зависит от скорости ветра.  

Сальтация. Переносимые ветром песчаные зерна перемещаются по поверхности земли, подпрыгивая под крутым углом на высоту от нескольких сантиметров до нескольких метров; ветер, скорость которого над поверхностью возрастает, заставляет их двигаться по искривленным траекториям, так что при падении они с силой приземляются под углом порядка 10-16°. Они не только рикошетируют при приземлении, но налетают также на другие зерна, что приводит к непрерывному продолжению сальтации по типу цепной реакции. В результате песок толчками, беспорядочно движется вперед. При сильном ветре высота движущегося облака песчаных зерен может достигать 2 м, но обычно она меньше 1 м.

Источники материала. Имеется несколько источников переносимого ветром материала. Основным из них служат, по-видимому, продукты разрушения горных пород, образующиеся при их дезинтеграции и абразии. Свой вклад вносят также речные осадки, ледниковые морены и песок побережий. Непосредственным источником часто являются осадки со дна высохших озер. Огромное количество легкого, угловатой формы обломочного материала, весьма подходящего для переноса ветром, поставляют вулканические извержения. Очень большое количество материала переносится во взвешенном состоянии во время пылевых бурь, как это доказывают упоминавшиеся выше измерения, проведенные в районе города Линкольн, шт. Небраска.  

Изменения в процессе переноса. Во время переноса ветром песчаные зерна претерпевают заметные изменения в дополнение к уже упомянутому раньше образованию у них матовой поверхности. Перекатываясь или подпрыгивая у поверхности земли, они подвергаются взаимному истиранию (корразии), в результате чего их размер уменьшается и форма, даже в случае очень маленьких зерен, становится более округлой. Благодаря повторяющемуся отсеиванию песок, кроме того, сортируется, так что большая часть перенесенного ветром материала оседает в виде однородной в гранулометрическом отношении массы. Пыль из нее удаляется, а крупные частицы остаются позади. 

В противоположность этому размер и угловая форма пылевых частиц, переносимых во Взвешенном состоянии, когда столкновения неэффективны, сохраняются неизмененными. 

Дальность переноса. Расстояния, на которые перемещаются переносимые ветром частицы, изменяются в очень широких пределах. Хорошо известен дальний разнос вулканической пыли вулканов Кракатау, Везувий, Катмай. Обычная пыль, поднимаемая пылевыми бурями, в течение нескольких дней может быть перенесена из Австралии в Новую Зеландию, из пустыни Гоби в Азии к кораблям у берегов Японии, из пустыни Сахары в Северную Европу, от юго-западных районов США к Атлантическому побережью. 

Песок, движущийся по земле, обычно преодолевает только несколько километров. Тем не менее во Франции песок заносится ветром в глубь суши на расстояние 8 км от берега, а в Сахаре мощные песчаные осадки лежат на известняковом плато на удалении 160 км от выходов тех песчаников, которые, вероятно, будучи дезинтегрированными, послужили источником материала. Очень тонкий песок, принесенный ветром из Сахары, обнаружен в глубоководных морских отложениях у Карибских островов на расстоянии более 4500 км.

Действие ветра

Градационное действие ветра объясняется не столько его силой, сколько огромным объемом вовлекаемого в движение воздуха. Геологически активная, или турбулентная, часть атмосферы - тропосфера обладает толщиной около 6 км у полюсов, 11 км в средних широтах и 18 км на экваторе. При обычных обстоятельствах пыль сосредоточена в нижних слоях этого объема воздуха, но при атомных взрывах и взрывных вулканических извержениях пыль выбрасывается в самые высокие слои тропосферы и даже еще выше - в стратосферу. Тонкая пелена пыли, которую несет ветер, обычно не производит внушительного впечатления до тех пор, пока не взвешивается проба, взятая с изучаемой территории, и не вычисляется общий вес пыли при пылевой буре. Один грамм пыли (т.е. приблизительно то количество, которое умещается на десятицентовой монете) на 0,1 м2 площади дает 10 т на 1 км2. В районе города Линкольн в шт. Небраска в марте 1935 г. за 4 дня накопилось в пять раз большее количество пыли (5 г на 0,1 м2). На этой же площади в апреле за две недели выпало дополнительно еще 9 г пыли на 0,1 м2. Видимость во время жестокой пылевой бури сильно уменьшается. Пылевая буря, далеко превосходящая все те, которые бывают на Земле, наблюдалась на Марсе в период с сентября по ноябрь 1971 г. Она зафиксирована на фотографиях, полученных «Маринером-9». Этой пылевой бурей, поднявшейся до высоты 6 км, планета была окутана целиком на протяжении почти всего этого двухмесячного срока. Диаметр частиц марсианской пыли, покрывающей обширные площади на поверхности Марса, оценивается в 0,010 мм, что соответствует тонкому порошку талька. Плотность атмосферы Марса более чем в 100 раз меньше плотности земной атмосферы; следовательно, для возникновения пылевой бури, даже в случае такой тонкой пыли, необходима скорость ветра 160 км/ч. Марсианские пылевые бури возникают чаще и отличаются большей силой, когда планета максимально приближается к Солнцу; это наводит на мысль, что причиной таких сильных ветров может служить интенсивный конвективный прогрев. При осаждении пыли образуются длинные полосы дюн длиной более 135 км. Из приведенных примеров должно быть ясно, что ветер, как геологический фактор, проявляется наиболее действенно там, где влажность, атмосферные осадки и растительный покров сведены до минимума.

Ветровая эрозия

Выдувание. Сухие рыхлые породы разрушаются ветром путем выдувания (дефляции). Под напором ветра выносятся мелкие частицы глинистой и алевритовой размерности - в зависимости от того, на что ветер способен. Вихрями, смерчами и восходящими струями воздуха этот материал поднимается вверх и удерживается во взвешенном состоянии турбулентным движением воздуха. Величину выдувания определить нелегко. Как правило, одноактно выносится небольшая порция материала, причем эта порция поступает с обширной площади. Местами тем не менее выдувание можно заметить без труда. В юго-западных районах Северной Америки тонкий рыхлый материал сметается (не без помощи дождевого смыва) с обширной площади выходов горных пород почти с такой же скоростью, с какой идет их разрушение и дезинтеграция. Во время пылевой «вакханалии» 1930-х годов от выдувания жестоко пострадали почвы по периферии Великих равнин на большой территории, занятой фермами. 

а. Впадины выдувания. Впадины, созданные ветровой эрозией, относятся к особенно ярким проявлениям выдувания. В центральной части южных районов шт. Орегон и на востоке Калифорнии ветром были вырыты впадины в днищах пересохших озер, сложенных авлевритом, вулканическим пеплом и диатомитом. Впадины большей частью широкие и неглубокие, но некоторые из них достигают в глубину 15 м. Их площадь колеблется от одного акра и меньше до одного квадратного километра или чуть больше. Озерные отложения озера Данби в шт. Калифорния подверглись эрозии, в результате чего на площади 25 км2 выработался рельеф с перепадом высот около 5 м. 

Сотни впадин такого же типа встречаются в тонкозернистых коренных породах на западе Великих равнин. Одна из впадин в районе гор Ларами в шт. Вайоминг, называемая «Большой ямой», имеет 15 км в длину, 5 км в ширину и от 30 до 50 м в глубину. Еще более обширные и глубокие впадины выдувания описаны в пустыне Гоби в Центральной Азии, где бессточные депрессии до 50 км в длину и 30 м в глубину образовались в выветрелых гранитах. В эпоху, когда климат отличался от современного еще большей сухостью, из гранитов были выдуты ветром мелкие дезинтегрированные частицы кварца и полевого шпата. С выдуванием связаны аналогичные депрессии в Ливийской пустыне в северо-западных районах Египта, хотя какая-то роль здесь могла принадлежать и разрывной тектонике. Семь из этих депрессий имеют глубину от 200 до 300 м. 

Дно впадины Каттара занимает площадь около 18000 км2; оно лежит в среднем на глубине 65 м, а в самых низких пунктах — на глубине до 134 м ниже уровня моря. Как бы ни был велик вклад разрывов в формирование подобного рельефа, ветровая эрозия по меньшей мере поддерживает и расширяет впадину.  

б. Остаточные продукты. Частицы слишком крупные или слишком тяжелые при выдувании остаются на месте; они получили название остаточного гравия. Продолжительное накопление остаточного гравия, гальки и более крупных обломков в конце концов может привести к тому, что вся поверхность покроется слоем плотно лежащих несцементированных частиц, образующих так называемую пустынную мостовую. Такое покрытие препятствует дальнейшему вы-дуванию лежащего под ним более тонкого материала.  

Истирание песком. Твердые породы разрушаются ветром путем абразии, т.е. за счет естественного процесса истирания песком; такой процесс сходен с применяемыми в технике методами полировки металлических отливок или чистки каменных зданий. Читателю, возможно, хорошо знакомы повреждение лобовых стекол и краски автомашин в ходе одной-единственной песчаной бури, образование матовой поверхности и последующее разрушение стекол на окнах, обращенных в сторону песчаного берега, или иссеченные ветром египетские пирамиды. Такие же процессы истирания песком, действующие с перерывами, но в течение длительного времени, вытачивают параллельные желобки или узкие длинные ниши в основании песчаных холмов или вдоль наклонно залегающих пластов, снабжая при этом ветер дополнительными порциями песка. У некоторых пород, подвергшихся обработке песком или алевритом, образуется полированная или чаще встречающаяся слегка матовая поверхность. Некоторые тонкозернистые массивные породы, как, например, кварциты, могут быть отполированы до блеска. Поверхность песчаных зерен, подвергшихся абразии, становится матовой в результате ее обтачивания и образования на ней выемок и мельчайших трещин. 

Галька при естественном истирании ее песком также полируется (в случае однородного материала) или покрывается бугорками и выемками (если материал гальки неоднороден). При достаточно длительном воздействии галька шлифуется по одной или нескольким плоским граням с образованием эоловых многогранников или трехгранников (драйкантеров). Множество причудливых форм рельефа сформировалось при комбинированном воздействии выветривания, истирания песком и других эрозионных процессов. К ним относятся открытые неглубокие пещеры, столообразные скалы, эоловые столбы и другие скульптурные формы. В открытых областях на обнаженной поверхности горных пород могут возникать системы фестончатых, подрезанных снизу гребней, называемых ярдангами, и разделяющих их удлиненных выемок шириной в несколько метров; однако в количественном отношении эффект ветровой абразии относительно мал по сравнению с выдуванием.

Осаждение материала, переносимого ветром

Причины. Основными причинами осаждения материала, который переносится ветром, являются: 

1) ослабление или прекращение ветра

2) выпадение дождя или снега

3) наличие препятствий. 

При ослаблении ветра осаждается как пыль, так и песок. Частицы оседают под действием силы тяжести, так как при уменьшении турбулентности и скорости ветра теряется их кинетическая энергия. 

Выпадение атмосферных осадков очищает воздух, промывая его. Иногда в воздухе находится достаточно увлажненной пыли для загрязнения дождя и снега. Препятствия играют роль в основном при переносе песка. Они могут быть любого рода - единичные камни, скальные выступы, скалистые холмы, гряды, изгороди, строения, кусты, отдельно стоящее дерево или лес. Песок скапливается и на наветренной, и на подветренной сторонах многих препятствий. Скопление песка, однажды возникнув, тут же само становится препятствием и с этого момента имеет тенденцию расти, стимулируя осаждение на нем дополнительного материала. Местами песок может выдуваться за пределы досягаемости ветра - в пруд или озеро - или переноситься через обрыв.

Контроль над дюнами

Для защиты разнообразных сооружений иногда требуется контроль за разносимым ветром песком. Песок вторгается на шоссейные и железные дороги, аэродромы, пашни, проникает в здания. Используется несколько методов контроля. Полотно шоссейных дорог может быть построено выше уровня окружающей земной поверхности, вследствие чего песок будет быстрее сдуваться с дороги, чем накапливаться на ней. Перекапывая песок бульдозерами, можно на время приостановить его движение. Широко практикуется посадка растущих на песчаной почве трав, кустарников и деревьев. Какое-то время могут помогать сооружения из проволоки и решетки, подобные снегозащитным изгородям. Покрытие песчаной почвы асфальтом или жидкой нефтью и засыпание песка слоем щебня, шлака, раздробленных камней или другим грубым материалом также приостанавливают дальнейшее продвижение песка. Конкретные меры борьбы и материал для их реализации обычно определяются в зависимости от их рентабельности. Изредка, с целью сохранить особенности естественного ландшафта, развитие дюн поощряется. Так, в 1930-х годах поддерживалась аккумуляция песка для защиты и стабилизации обстановки в районе Аутер-Бэнкс в шт. Северная Каролина. Задача заключалась в создании барьера из дюн, который бы сдерживал активность волн и предотвращал размыв и образование оврагов; однако это предприятие оказалось не столько успешным, сколько убыточным.