Пустыни: типы, формирование, климатические риски и опустынивание

В пустынях, которые признаны наиболее засушливыми районами планеты, ежегодно фиксируется менее 250 мм атмосферных осадков. В этих аридных регионах потенциальное суммарное испарение систематически превышает фактическое количество выпадающей влаги, что формирует устойчивый дефицит воды. Современные оценки свидетельствуют, что около 30% земной поверхности классифицируется как пустыня, при этом на территории Соединенных Штатов приходится приблизительно 10% всех засушливых земель. Под влиянием сдвигов климатических зон и глобальных климатических трансформаций значительная часть планеты сталкивается с возрастающим риском опустынивания.

Для большинства пустынь характерны экстремально высокие температуры; рекордное значение в Ливийской пустыне достигло 58°C (136°F). Повышенный температурный режим провоцирует интенсивное испарение, которое нередко в двадцать раз превышает объем осадков, а в таких регионах, как северная часть Сахары, этот показатель может быть выше в 200–300 раз по сравнению с редкими ливнями. Пустыни отличаются резкими суточными колебаниями температуры: амплитуда между дневными и ночными значениями часто составляет 50–70 °F (28–39 °C). Эти экстремальные перепады активизируют физическое выветривание, способное разрушать крупные каменные массивы. Ветер выступает еще одной доминирующей характеристикой: конвективное движение нагретого дневного воздуха создает градиенты давления, вызывая частые песчаные и пыльные бури. Режим воздушных потоков существенно меняется в зависимости от времени суток и близости водоемов, которые обеспечивают относительную температурную стабильность в течение 24-часовых циклов.

Карта мира, показывающая расположение пустынь: большинство пустынь сосредоточено между 15° и 30° северной широты.

Различные типы пустынь формируются под воздействием неодинаковых климатических и географических механизмов. Одни пустыни возникают вследствие крупномасштабной глобальной атмосферной циркуляции, другие развиваются в глубине континентов, удаленных от океанических источников влаги. К дополнительным категориям относят пустыни дождевой тени, расположенные на подветренных сторонах горных хребтов, где нисходящие воздушные массы отличаются сухостью, а также прибрежные пустыни, испытывающие влияние холодных апвеллинговых течений, снижающих температуру воздуха и его влагоемкость. Полярные пустыни представляют собой особую категорию: здесь чрезвычайно холодный и сухой воздух приводит к тому, что сублимация и испарение осадков значительно превышают годовое количество снегопадов, а некоторые районы Антарктиды остаются без существенного ледяного покрова тысячелетиями.

Пустынные ландшафты отличаются специфическим разнообразием форм рельефа и связанных с ними опасностей. Песчаная дюна — подвижное скопление осадочных пород, сформированное ветровой деятельностью, — является наиболее узнаваемой формой рельефа пустыни. Постоянные ветры порождают опасности, связанные с переносимыми песком и пылью, которые могут перемещаться на континентальные расстояния, влияя на характер осадконакопления и климатическую динамику. Сильные песчаные бури обладают достаточной энергией, чтобы смыть автомобильное лакокрасочное покрытие или вызвать абразивное повреждение открытых участков кожи. Дополнительные угрозы в этих условиях включают внезапные наводнения, селевые потоки, горные лавины, экстремальную жару и резкие температурные перепады.

Засуха концептуально отличается от пустыни: засуха представляет собой продолжительный дефицит осадков в регионе, где обычно выпадает значительное количество влаги. Пустыня с малым количеством осадков не является засушливым состоянием, тогда как более увлажненный район может испытывать засуху. Длительная засуха способна постепенно трансформировать пострадавшие территории в пустынные ландшафты. Последствия засухи часто включают массовый голод, утрату растительного покрова, повышенную смертность, а также вынужденное перемещение или массовую миграцию населения.

Опустынивание — это процесс превращения плодородных земель в пустыню, обычно вызванный продолжительной засухой в сочетании с антропогенными факторами. К числу способствующих причин относят неустойчивые методы ведения сельского хозяйства, чрезмерную эксплуатацию поверхностных и подземных водных ресурсов, а также демографическую нагрузку, превышающую экологическую емкость территории. Естественная изменчивость климата со временем может приводить к смещению поясов засушливости, что наглядно демонстрирует регион Сахель в Северной Африке, переживший сильные засухи в последние десятилетия. Перенаселенные и экологически неблагополучные регионы, например некоторые районы Ближнего Востока и пустынные зоны юго-запада Соединенных Штатов, подвержены повышенному риску необратимого опустынивания в случае сильных засух.

Местоположение и формирование пустынь. Более 30% территории Земли классифицируется как аридная или семиаридная, причем пространственное распределение пустынь выявляет закономерности, отражающие основные процессы их развития. В зависимости от географического положения относительно континентальных окраин, океанов и горных систем выделяют шесть основных категорий пустынь: пассатные пустыни (ячейки Хэдли), континентальные внутренние (пустыни средних широт), пустыни дождевой тени, прибрежные пустыни, муссонные пустыни и полярные пустыни.

Пассатные пустыни, или пустыни ячейки Хэдли. Многие из крупнейших и наиболее известных пустынь мира располагаются в двух широтных поясах между 15° и 30° северной и южной широты. В эту группу входят Сахара — крупнейшая пустыня мира, а также Ливийская пустыня в Северной Африке. Другими примерами служат Сирийская пустыня, Руб-эль-Хали (Пустой квартал) и Великая песчаная пустыня Аравии; Даште-Кавир, Лут и Синд в Юго-Западной Азии; пустыня Тар в Пакистане; а также пустыни Мохаве и Сонора в США. В Южном полушарии к этой категории относятся Калахари в Африке и Великая песчаная пустыня Австралии. Формирование пустыни Атакама в Южной Америке, признанной самым сухим неполярным регионом мира, частично объясняется ее положением в этих широтах.

Расположение этих пустынь контролируется крупномасштабной атмосферной циркуляцией, приводимой в движение солнечной энергией. Интенсивный солнечный нагрев на экваторе вызывает атмосферный апвеллинг: поднимающийся воздух охлаждается и высвобождает влагу в виде экваториальных гроз. Этот, ставший более сухим, воздух на больших высотах направляется к полюсам, подвергаясь дальнейшему охлаждению и осушению, после чего опускается в двух циркумглобальных поясах между 15–30° северной и южной широты. Эти нисходящие холодные и сухие воздушные массы, известные как ячейки Хэдли, создают условия, исключительно благоприятные для образования пустынь. Возвращаясь к экватору, этот воздух формирует сухие, прогревающиеся ветры, которые рассеивают облачный покров и усиливают приток солнечной радиации к поверхности, дополнительно повышая засушливость.

Пустыни, возникающие вследствие глобальных циркуляционных процессов, особенно чувствительны к изменчивости климата: незначительные колебания циркуляции могут приводить к существенному расширению или сокращению аридных регионов. Сахель, расположенный к югу от Сахары, неоднократно переживал такие флуктуации, что вызывало значительные миграции населения и повышение смертности. На этапах экспансии пахотные земли высыхают, водных ресурсов становится недостаточно для поддержания численности людей и скота, вследствие чего распространение пустынь становится основной причиной острого голода.

Внутриконтинентальные пустыни и пустыни средних широт. Некоторые участки суши находятся на столь большом удалении от океанических источников влаги, что атмосферные погодные системы поступают с уже истощенным запасом воды, доступной для выпадения осадков. Эта засушливость усиливается, когда воздушным массам приходится пересекать горные хребты или плато, поскольку орографический подъем приводит к потере влаги. Регион Такла-Макан-Гоби в Китае, расположенный на плато Алашань к югу от монгольской степи, и пустыня Каракумы в Западной Азии являются примерами этой категории. Гоби представляет собой самую северную пустыню в мире, для которой характерны песчаные дюны высотой до 1000 футов (305 м), сложенные более крупным, чем обычно, песком и гравием, переносимыми ветром. Этот исторически значимый регион был свидетелем завоеваний Чингисхана, воинов династии Мин и Китайской народной армии; в песках сохранились остатки сражений, например заброшенный город Хара-Хото.

Пустыни дождевой тени. Третий тип пустынь развивается на подветренных склонах крупных горных хребтов, примером чему служат субандийские районы Патагонии, Гран-Чако и Пампасы Аргентины, Парагвая и Боливии, а также аналогичные процессы в пустынях Мохаве и Сонора. Когда насыщенные влагой воздушные массы встречают горное препятствие, они вынуждены подниматься, охлаждаться и терять влагоудерживающую способность. Следовательно, осадки выпадают на наветренных склонах, создавая исключительно влажные условия в таких районах, как западные Каскадные горы, западная Сьерра-Невада и западные Анды. На подветренных же склонах опускающийся воздух адиабатически прогревается, его влагоемкость возрастает, но влага не конденсируется, что и приводит к засушливым условиям. Этот орографический механизм объясняет выраженную сухость восточного Субандийского региона и пустынь юго-запада США.

Пустыни дождевой тени, как правило, имеют горный рельеф, обусловленный процессами их формирования, и связаны с опасностями массового разрушения, включая оползни, селевые потоки и лавины. Случайные штормовые системы, преодолевающие барьер дождевой тени, могут приносить осадки в высокогорные районы, вызывая внезапные наводнения, которые стремительно выходят из горных каньонов на прилегающие равнины и межгорные котловины.

Прибрежные пустыни. Некоторые пустыни расположены непосредственно на побережье, где близость океана, на первый взгляд, предполагает большую доступность влаги. Пустыня Атакама, протянувшаяся вдоль побережья Перу и Чили, считается самым засушливым неполярным местом на Земле. Пустыня Намиб на юге Африки, исторически известная как Берег скелетов, представляет собой еще одну прибрежную пустыню, где экстремальная засушливость приводит к гибели представителей фауны, мигрирующих из более влажных внутренних районов, а их скелетные останки сохраняются в зыбучих песках.

Эти прибрежные пустыни образуются, несмотря на соседство с океаном, из-за холодных океанских течений, которые поднимаются из морских глубин (апвеллинг), охлаждая вышележащую атмосферу. Это охлаждение снижает способность воздуха удерживать влагу, создавая условия, аналогичные пустыням дождевой тени, и эффективно подавляя выпадение осадков.

Муссонные пустыни. В некоторых регионах сезонные изменения ветровой системы приводят к чередованию влажных и сухих периодов. Муссонная система Индийского океана обеспечивает значительное количество осадков летом благодаря юго-восточным пассатам, переносящим влагу на сушу. Однако, когда эти облачные системы пересекают Индию, они истощают запасы влаги и вынуждены подниматься по горному хребту Аравалли. Пустыни Тар в Пакистане и Раджастхан в Индии расположены с подветренной стороны этого барьера, где сезонная влажность минимальна.

Полярные пустыни. Окончательная классификация включает полярные пустыни, которые преимущественно встречаются в Сухих долинах Антарктиды, некоторых частях Гренландии и северной Канады, занимая площадь около 3 миллионов квадратных миль (7,8 млн км²). В этих условиях господствуют холодные нисходящие воздушные массы с минимальным содержанием влаги, где потенциал испарения и сублимации значительно превышает количество осадков. Максимальные температуры в самые теплые месяцы не превышают 10°C, а годовое количество осадков составляет менее одного дюйма (2,5 см). Некоторые районы Сухих долин Антарктиды оставались свободными ото льда на протяжении тысячелетий.

В полярных пустынях отсутствуют обширные поля песчаных дюн; вместо них распространены гравийные равнины и бесплодные выходы коренных пород. В формировании рельефа преобладает морозное заклинивание — процесс, при котором циклы замораживания-оттаивания позволяют воде проникать в трещины горных пород; последующее замерзание вызывает расширение воды, расклинивание трещин и отрыв фрагментов породы. Этот процесс приводит к образованию обширных осыпных склонов, прилегающих к горным фронтам, которые остаются уязвимыми для частых камнепадов.

Лесс. Лесс, состоящий из переносимых ветром частиц алеврита и глины, формирует однородные слои на различных высотах, что отличает его от речных отложений. Сильные ветры, дующие в пустынных районах, увлекают мелкие частицы алеврита и глины, транспортируя их на тысячи миль от источника. Свидетельством такого дальнего переноса служит китайская пыль, оседающая на Гавайях, и пыль из Сахары, достигающая Европы. Эта эоловая пыль влияет на глобальные климатические условия, а во время экстремальных явлений, таких как Пыльный котел 1930-х годов, достигает плотности, достаточной для существенного снижения солнечной радиации.

Современные исследования показывают, что переносимая ветром пыль играет важную роль в регуляции глобального климата. Пыльные бури в Сахаре могут распространяться по всему земному шару, частично ослабляя поступающую солнечную радиацию. Частицы пыли также служат ядрами конденсации для образования дождевых капель, выступая в качестве естественного механизма облакообразования. Поскольку глобальное потепление увеличивает интенсивность и частоту штормов, способствуя распространению пустынь, пыльные бури могут создавать саморегулирующийся цикл обратной связи, потенциально снижая глобальные температуры и увеличивая количество осадков.

Формы рельефа пустыни. Пустынные ландшафты отличаются удивительной красотой благодаря рельефным горам, каньонам с крутыми стенами и обширным гравийным равнинам, однако они также относятся к числу наиболее опасных местностей на Земле. Реголит, или выветрелый горный покров и почвенный слой, в пустынях остается тонким, неоднородным и заметно более крупнозернистым, чем во влажной среде, что является результатом преимущественно механического выветривания. Химическое выветривание ограничено из-за недостатка влаги. Крупнозернистые частицы, образующиеся при механическом выветривании, способствуют формированию крутых склонов, созданных эрозией скальных обнажений и откосов.

Большая часть пустынного реголита покрыта темным налетом оксидов марганца и железа, известным как пустынный лак. Этот налет образуется в результате совместной деятельности микроорганизмов и химических реакций с участием тонкой марганцевой пыли, переносимой и осаждаемой ветром.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.