Föld pályaelemei, alakja, felszíne és külsõ övei

A Föld pályaelemei, sûrûsége

A Föld gömb alakjából következõen alakulnak ki az éghajlati övek. A pólusokon a beesési szög kicsi, a kis beesési szög alatt érkezõ hõmennyiség is kicsi, és jelentõs részben visszaverõdik. Az Egyenlítõn a beesési szög nagy, ezért itt a felmelegedés erõsebb. Az éghajlati övek határait meghatározott szélességi köröknél vettük fel: ezek a térítõk és sarkkörök. A legtöbb energiát a két térítõ közötti trópusi öv, ezen belül az Egyenlítõ kapja.

A Föld részben tengelykörüli forgást, részben a Nap körüli keringést végez. A pályaelemek elsõ modern magyarázatát Kepler, a mozgás fizikai hátterét Newton általános tömegvonzás törvénye adta.

A Kepler-féle mozgástörvények szerint

• a bolygók ellipszis pályán keringenek, amelynek a fókuszában a Nap van. Ezért a Nap-Föld távolság állandóan változó, napközel (147 millió km) és naptávol (152 millió km) között.
• a Nap és a bolygót összekötõ vezérsugár egyenlõ idõk alatt egyenlõ területeket súrol. Ebbõl következõen a Föld keringése napközelben gyorsabb, naptávolban lassúbb.

Ekliptikának nevezzük a földpálya keringési síkjának az éggömbbel alkotott metszésvonalát. A Föld forgástengelye az ekliptika síkjával 23,5 fokos állandó szöget zár be, ezért a keringés egy éve alatt a Nap a Ráktérítõ és Baktérítõ között változó szélességi körökön delel a zeniten. A déli és északi féltekén ezért aszimmetrikus a Nap évi látszólagos körpályájának szöge a keringési idõ alatt. A beesési szögek szempontjából kitüntetett idõpontok vannak a keringési pályán. A Baktérítõn való (legdélebbi) zeniten delelés a téli napforduló (december 22.), a Ráktérítõn való (legészakabbi) zeniten delelés a nyári napforduló (június 22.) napja, március 21. és szeptember 23. a tavaszi és õszi napéjegyenlõségek idõpontja. Napközelségbe (perihélium) a téli napforduló után kb. két héttel, január 4-én, naptávolba (afélium) július 4-én kerül a Föld.

A pálya excentricitásának hatására az északi féltekén a téli, a déli féltekén a nyári félév rövidebb 8 nappal.

A Föld tengely körüli forgása az óramutató járásával ellentétes irányú (nyugatról kelet felé). Szögsebessége hozzávetõleg azonos, az idõben igen kis mértékben lassul, az árapályerõk keltette súrlódás miatt.

A tengelykörüli forgás alakítja ki a földi napot. A nap hosszának változásai az Egyenlítõ síkjához viszonyítva a Nap látszólagos pályaszögének változásából (azaz valójában a Föld pályán lévõ helyzetébõl) adódik.

Coriolis hatás

A Föld tengelykörüli forgásának tulajdoníthatók a víz- és levegõtömegek uralkodó cirkulációi, áramlásai. Ennek oka a Coriolis-erõ, amely forgó rendszerekben mozgó testekre hat. Ez abból fakad, hogy a vonatkoztatási felületünk, a Föld forog. Egy olyan tárgy, amely a Newton törvények értelmében egyenes vonalú egyenletes mozgást végez, egy nem forgó megfigyelõ szempontjából görbe pályát fut be abban az esetben, ha a megfigyelõ (és a vonatkoztatási hálózat) forog. A görbét a Coriolis-erõ (egy fiktív, az elmozdulásra merõleges, munkát nem végzõ erõ) és a tényleges erõhatás eredõje hozza létre. A Coriolis erõ nagysága 2v x w, azaz a mozgási sebesség és a Föld forgási szögsebességének szorzata. Egy adott szélességen egy v sebességgel kelet felé mozgó testre az Egyenlítõ felé mutató erõ hat. A pólus felé mozgó testet az azonos nagyságrendû erõ keletre téríti el. A mozgás irányába nézõ megfigyelõ számára a kitérés mindig jobb oldali irányú az északi és bal oldali irányú a déli féltekén.

Lapultság

A Föld közelítõleg gömb alakú. A gravitációs erõ és a centrifugális erõ kölcsönhatásaként É-D irányban lapúlt, ebben az irányban sugara 21 km-rel rövidebb. Az egyenlítõi metszete is ellipszis, nagytengelye itt 400 m-rel hosszabb, mint kistengelye. Ezért alakja semmilyen szabályos alakzattal nem egybevágó, neve geoid. Legjobban háromtengelyû forgási ellipszoiddal közelíthetõ.

A Föld felszíne

Szárazulatok:
Felszínük aránya a tengerekhez viszonyítva kb 1/3. Átlagos magasság 875 m tszf. Hat kontinens és számtalan sziget alkot szárazulatot. Arányuk az északi féltekén nagyobb. Az északi póluson tenger, a déli póluson szárazulat található. A szárazulatok lehetnek kontinentális vagy óceáni kéreglemezek részei is.

Tengerek:
Átlagos mélységük 3750 méter. Három nagy óceán, ehhez kapcsolódó kisebb tengerrész, és néhány nagy beltenger alkotja. A világóceán legmélyebb pontja a Mariana árokban van, a Challenger-mélység kb. -10920 +-50 m tszf. (1984-es mérés szerint).

A tengerek és szárazulatok közötti elválasztó határ a partvonal. A magasságmérések referencia szintjeként a tengerszint. Magyarországon ma a Balti-, régebben az Adriai-tenger szintjéhez viszonyítottuk a magasság-értékeket (ez az ottani vízállásmérések egyezményes vízmércéjén lévõ 0 érték), a két érték között 0,7 m különbség van.

Magnetoszféra

A földfelszín felett a Nap felõli oldalon 4-10 földsugár, az ellenkezõ oldalon 60 földsugár hosszú csóvával rendelkezõ zóna, amelyben a Föld mágneses tere érvényesül. Deformációját a napszél - 300-700 km/sec sebességû, cm³-ként 1-10 protont tartalmazó interplanetáris gáz - hatása okozza.

Légkör

A Föld légköre több tízezer kilométer vastag, együtt forog a Földdel. A földi felszíni viszonyok alakulása és az élet szempontjából alapvetõ jelentõségû. Különbözõ gázok keveréke, melyek sûrûsége és nyomása a Földtõl távolodva exponenciálisan csökken. A légkör alsó rétegeiben a jellemzõ összetétel:

A légkör összetétele a földfelszíntõl távolodva változik, a legkülsõ övben már 100 %-ban hidrogénbõl áll.

A légkör legalsó rétegében, a troposzférában található a légkör tömegének 80%-a. Itt a vízgõz 0,1-4 v%, és a széndioxid 0,3-0,4 v% is jelentõs mennyiségû. Nyugalmi állapotban a hõmérséklet 100 m-ként 0,65^oC-kal csökken, ez a csökkenés a tropopauza felületig tart (-60^oC). A troposzférában függõleges és vízszintes irányú légmozgások egyaránt jelentõsek.

A sztratoszféra a tropopauzától 50 km-ig - a sztratopauzáig - terjed. Alsó határától felfelé a hõmérséklet emelkedik, felsõ határán 0 - +10^oC. A hõmérséklet emelkedését a felsõ zónájában keletkezõ ózon okozza. Az oxigénmolekulák elnyelik a rövid hullámhosszú beérkezõ röntgen és UV sugárzást, és kötéseik felbomlanak. A szabad oxigénatomok meglévõ kétatomos molekulákhoz kapcsolódnak, ózon keletkezik; eközben hõ szabadul fel, és a levegõ felmelegszik. Az ozonoszféra pólusok közeli kivékonyodását nevezzük ózonlyuknak. Ennek rendkívüli élettani jelentõsége van, mivel a beérkezõ többlet UV és röntgensugárzás káros élettani folyamatokat indít meg - emiatt növekszik a bõr rosszindulatú daganatos megbetegedéseinek aránya. Különösen jelentõs ez a hatás a déli féltekén, ahol az ózonlyuk jelentõsebb méretû.

Itt dúsulnak fel az ún. üvegház-hatást (légköri felmelegedést) okozó gázok (széndioxid, metán), amelyek azzal fejtik ki hatásukat, hogy a Földrõl kisugárzódó hõenergiát ernyõként visszaverik. A klímaváltozást okozó hatás miatt arányuk csökkentésére ma már több nemzetközi egyezmény született (Kyotoi egyezmény 1999), s ez a környezetvédelem egyik legfontosabb hosszú távú feladata.

A sztratoszférában vízszintes irányú áramlások uralkodnak, az áramlási sebesség 300-500 km/h is lehet.

A mezoszféra 50-80 km övet foglalja el, a hõmérsékelt ismét csökken -90^oC-ig. A következõ öv a termoszféra/ionoszféra - 1000 km-ig. Hõmérséklete 1000^oC. A Nap sugárzása a gázatomokat ionizálja. Az O és N atomos állapotban fordul elõ. Erõs ionizáció esetén a pólusok környékén látható az un. sarki fény. A legkülsõ öv (exoszféra) átlagosan szintén 1000^oC körüli, H és He alkotja.

A vertikális hõmérsékleteloszlást az alábbi ábra foglalja össze:

A hidroszféra

A földfelszín környezetében kialakult öv, az atmoszféra és a litoszféra határán, részben azokat átfedve. A Föld vízkészletének 97 %-a a tengerekben és óceánokban van, 3 %-a édesvíz. A víz mintegy 3,7 milliárd éve a lehûlés során az õs-atmoszférából kondenzálódott.

A hidroszféra egyensúlyi rendszer, amely a litoszféra és az atmoszféra között állandó körforgásban van:

A körforgás során a csapadékképzõdés, beszivárgás, lefolyás, párolgás helyi, regionális és szezonális változásai az éghajlat alakitásának fõ elemei, s az éghajlat alakításán, a víz mozgásán keresztül a felszínformálás legfontosabb tényezõi.

Az állandó leszálló légáramlások övében száraz, sivatagi éghajlat, a felszálló légáramlások övében csapadékos zóna alakul ki. A sivatagi éghajlati zónák földi eloszlását mutatja be az alábbi ábra.

Víz a légkörben - csapadék

A levegõ a növekvõ hõmérséklet függvényében növekvõ mennyiségû, csökkenõ hõmérséklet mellett csökkenõ mennyiségû vízpára befogadására képes. Ezért felszálló légáramlásnál (ciklon) (alacsony nyomású öv) csapadékképzõdés, leszálló légáramlásnál (magas nyomású öv) (anticiklon) csapadékmentes idõ alakul ki.

Az adott hõmérséklethez tartozó maximum értékhoz viszonyított %-os arányban kifejezett páratartalom a relatív páratartalom. 100 % telítési értéknek megfelelõ hõmérséklet a harmatpont. A harmatpont alá hûlõ levegõbõl a vízgõz arányos része vízzé alakul - ez a felhõképzõdés.

Alacsony és magas nyomású centrumok között vízszintes légáramlás, szél keletkezik. A nyomáskülönbségek miatt kialakuló szélrendszerek a nagy földi légkörzés részei, s egyik fõ szerepük a nedves, illetve száraz éghajlati zónák kialakulásában van. Vannak idõszakos széljárások, amelyek fõleg kontinens-óceán találkozásoknál alakulnak ki, a kõzetek és a víz eltérõ hõvezetõképessége következtében.

Víz a felszínen - szárazulaton és tengeren

Szárazulatok

A szárazulatok vize javarészt édesvíz - azaz oldott szilárdanyag tartalma 0,3-0,5 g/l alatt marad. Lefolyástalan tavak vizében a párolgás erõsségétõl függõen magas lehet a sótartalom - a Holt tengeré pl. 25 %.

A szárazulatok felszínére hulló csapadék a felszíni hõmérséklettõl függõen víz vagy hó/jég formájában éri el a felszínt. A hó fagypont alatti hõmérsékleteken megmarad, felhalmozódik, jéggé alakul és szárazulati jégtakarót alkothat. Ha a hõmérséklet fagypont feletti, a csapadék vagy hó formájában éri el a felszínt és elolvad, vagy vízként érkezik a felszínre. Egy része beszivárog a talajba, egy része a gravitációs gradienst követve lefolyik, egy része elpárolog. A mérsékelt égövben ez az arány kb 1/3-1/3-1/3. A víz útját mutatja be az alábbi blokkdiagram.

Tengerek, óceánok

A tengerek, óceánok vizének sótartalma átlagosan 3,5 - 3,8 %. Sótartalma uralkodóan Na, Mg, Cl, SO₄ ionokból áll. Oldott oxigén és CO₂ tartalma van. A tengeri élethez szükséges tápanyagokat és vázépitõ anyagokat P, N, CaCO_3, SiO₂ szállítja. A tengervíz sótartalma a paleozoikum kezdete óta viszonylag állandó. A sótartalom valószínûleg a kontinensek kezdeti anyagának lepusztulásából származik. A tengerek közül a sótartalom a legmagasabb a Vörös-tengerben (4,4 %), a legalacsonyabb a Balti-tengerben (0,1-0,7 %). A tengervíz sûrûsége egyenesen arányos a sótartalommal és fordítottan a hõmérséklettel, 3,5 % sótartalomnál 20^oC fokon 1,025 g/cm³. Nyomása 10 m-ként 100 kPa-lal nõ. Fajhõje 3x nagyobb mint a kõzeteké - hõakkumulátor. Hõmérséklete a trópusi övben (7 szélesség) 25^oC, a sarkokhoz közel -2^oC. Fagyáspontja -2^oC.

Felszín alatti vizek

A beszivárgó vizek táplálják a felszín alatti vízkészleteket. A magyar szóhasználatban a felszín alatti elsõ víztorló réteget talajvíznek, a többit rétegvíznek nevezzük.

A talajvíz a talajban többféle formában tárolódó víz. A tárolás különbözõ módjait az alábbi diagram mutatja.

Az elraktározott víz a talajszemcséket hártyaszerûen veszi körül, s nehézségi erõ hatására sem szivárog mélyebbre. Ez a talajnedvesség, aszály idején ezt veszti el a talaj. A beszivárgó víz többi része az elsõ vízzáróig teljesen kitölti a talaj hézagait. (Vízzáró a kõzet, ha nyitott pórustérfogata elenyészõen kicsi, pl. az agyagos kõzeteké). A talajvíz felsõ határfelületét talajvízszintnek nevezzük. A talajvíz a vízszintkülönbségek, hõmérséklet különbségek, stb. hatására áramlik.

Rétegvíz a két vízzáró réteg közötti víz. Artézi víz a nyomás alatti rétegvíz. Termálvíz a 20-25^oC feletti hõmérsékletû víz. Ásványvíz a legalább 1 % (10000 mg/l) oldott anyagot tartalmazó víz. Gyógyvíz az olyan ásványvíz, amelynek gyógyhatása bizonyított.

Résvíz az, amelyet kõzetek repedései tárolnak. Karsztvíz az olyan résvíz, amely karbonátos kõzetek kioldott üregrendszerében tározódik.