Температура верхних слоев атмосферы. §32
Что такое атмосфера. Мы живем на поверхности земной коры и одновременно находимся на дне воздушного океана - атмосферы.
Атмосфера - это воздушная оболочка Земли.
Нижняя граница атмосферы - земная поверхность. Близ нее атмосфера плотная, но с высотой она становится все более разреженной. Поэтому атмосфера не имеет четкой верхней границы. Условно ее проводят на высоте 1000 км.
Состав атмосферы и ее роль в жизни Земли. Атмосфера состоит из смеси газов, которую называют воздухом (рис. 80).
Рис. 80. Состав атмосферного воздуха
Для жизни на Земле наиболее важную роль играют кислород, углекислый газ, водяной пар и озон. Запасы кислорода в атмосфере пополняются растениями. Углекислый газ накапливается в ней в результате извержения вулканов, дыхания живых организмов и сжигания топлива. Водяной пар поступает в воздух вследствие испарения воды. (Вспомните из курса «Природоведение», какую роль играют кислород и углекислый газ в жизни растений и животных.)
Рассмотрите рисунок. Какая доля в составе воздуха принадлежит азоту, кислороду, другим газам?
Углекислый газ вместе с водяным паром «берегут» тепло нашей планеты: атмосфера пропускает от Солнца к земной поверхности больше энергии, чем Земля отдает в окружающее космическое пространство.
Озон (от греч. «озо» - пахнущий) образуется из кислорода под действием солнечных лучей и электрических разрядов. Он имеет запах свежести, такой, какой мы ощущаем после грозы. Этого газа в атмосфере очень мало, однако на высоте 20-30 км существует слой воздуха с более высоким содержанием озона. Его называют озоновым экраном. Он, словно щит, оберегает все живое от губительного излучения Солнца.
Атмосфера появилась на Земле очень давно - более 4 млрд лет назад. Она образовалась из вулканических газов. Современные живые организмы не могли бы дышать в древней атмосфере.
Однако значение атмосферы для Земли не ограничивается этим. Оно более многообразно (рис. 81).
Рис. 81. Значение атмосферы
Кроме газов в воздухе атмосферы имеются и твердые примеси. Эти мелкие частицы образуются в результате разрушения горных пород, извержения вулканов, пыльных бурь, сжигания топлива. С одной стороны, они загрязняют воздух, но, с другой стороны, без них невозможно образование облаков.
Строение атмосферы. Атмосфера неоднородна. В ней выделяются слои, отличающиеся плотностью воздуха, температурой, составом газов. Самый нижний слой - тропосфера (рис. 82).
Тропосфера - это нижний слой атмосферы, простирающийся до высоты 8-10 км над полюсами, 10-12 км в средних широтах и 16-18 км над экватором.
В тропосфере находится более 4/5 всего атмосферного воздуха. Причем более половины его сосредоточено до высоты 5 км. Температура воздуха убывает здесь с высотой и достигает у верхней границы -55°С. В тропосфере содержится почти вся атмосферная влага. В ней формируются облака, приносящие дождь, снег, град. Здесь же происходит постоянное движение воздуха, образуется ветер. В тропосфере протекает жизнь человека, растений.
Рис. 82. Строение атмосферы
Над тропосферой простирается стратосфера (см. рис. 82). Стратосфера - это слой атмосферы, лежащий над тропосферой до высоты 55 км. В стратосфере воздух более разреженный, чем в тропосфере. В ней почти не образуется облаков, так как очень мало водяного пара. Температура воздуха здесь растет с высотой и у верхней границы близка к 0°С.
Выше стратосферы выделяется еще несколько атмосферных слоев, которые постепенно переходят в безвоздушное пространство.
Вопросы и задания
- По рисунку 81 расскажите о значении атмосферы для жизни на Земле.
- Из чего состоит атмосферный воздух? Всегда ли он был таким?
- Как называется слой атмосферы, где протекает жизнь человека?
- Какие явления происходят в тропосфере?
Газовая оболочка, окружающая нашу планету Земля, известная как атмосфера, состоит из пяти основных слоев. Эти слои берут начало на поверхности планеты, от уровня моря (иногда ниже) и поднимаются до космического пространства в следующей последовательности:
- Тропосфера;
- Стратосфера;
- Мезосфера;
- Термосфера;
- Экзосфера.
Схема основных слоев атмосферы Земли
В промежутке между каждым из этих основных пяти слоев находятся переходные зоны, называемые «паузами», где происходят изменения температуры, состава и плотности воздуха. Вместе с паузами, атмосфера Земли в общей сложности включает 9 слоев.
Тропосфера: где происходит погода
Из всех слоев атмосферы тропосфера является тем, с которым мы больше всего знакомы (осознаете ли вы это или нет), так как мы живем на ее дне - поверхности планеты. Она окутывает поверхность Земли и простирается вверх на несколько километров. Слово тропосфера означает «изменение шара». Очень подходящее название, так как этот слой, где происходит наша повседневная погода.
Начиная с поверхности планеты, тропосфера поднимается на высоту от 6 до 20 км. Нижняя треть слоя, ближайшая к нам, содержит 50% всех атмосферных газов. Это единственная часть всего состава атмосферы, которая дышит. Благодаря тому, что воздух нагревается снизу земной поверхностью, поглощающей тепловую энергию Солнца, с увеличением высоты температура и давление тропосферы понижаются.
На вершине находится тонкий слой, называемый тропопаузой, который является всего лишь буфером между тропосферой и стратосферой.
Стратосфера: дом озона
Стратосфера - следующий слой атмосферы. Он простирается от 6-20 км до 50 км над земной поверхностью Земли. Это слой, в котором летают большинство коммерческих авиалайнеров и путешествуют воздушные шары.
Здесь воздух не течет вверх и вниз, а движется параллельно поверхности в очень быстрых воздушных потоках. По мере того, как вы поднимаетесь, температура увеличивается, благодаря обилию природного озона (O 3) - побочного продукта солнечной радиации и кислорода, который обладает способностью поглощать вредные ультрафиолетовые лучи солнца (любое повышение температуры с высотой в метеорологии, известно как "инверсия").
Поскольку стратосфера имеет более теплые температуры внизу и более прохладные наверху, конвекция (вертикальные перемещения воздушных масс) встречается редко в этой части атмосферы. Фактически, вы можете рассматривать из стратосферы бушующую в тропосфере бурю, поскольку слой действует как «колпачок» для конвекции, через который не проникают штормовые облака.
После стратосферы снова следует буферный слой, на этот раз называемый стратопаузой.
Мезосфера: средняя атмосфера
Мезосфера находится примерно на расстоянии 50-80 км от поверхности Земли. Верхняя область мезосферы является самым холодным естественным местом на Земле, где температура может опускаться ниже -143° C.
Термосфера: верхняя атмосфера
После мезосферы и мезопаузы следует термосфера, расположенная между 80 и 700 км над поверхностью планеты, и содержит менее 0,01% всего воздуха в атмосферной оболочке. Температуры здесь достигают до +2000° C, но из-за сильной разреженности воздуха и нехватки молекул газа для переноса тепла, эти высокие температуры воспринимаются, как очень холодные.
Экзосфера: граница атмосферы и космоса
На высоте около 700-10000 км над земной поверхностью находится экзосфера - внешний край атмосферы, граничащий с космосом. Здесь метеорологические спутники вращаются вокруг Земли.
Как насчет ионосферы?
Ионосфера не является отдельным слоем, а на самом деле этот термин используется для обозначения атмосферы на высоте от 60 до 1000 км. Она включает в себя самые верхние части мезосферы, всю термосферу и часть экзосферы. Ионосфера получила свое название, потому что в этой части атмосферы излучение Солнца ионизируется, когда проходит магнитные поля Земли на и . Это явления наблюдается с земли как северное сияние.
Атмосфера (от греч. atmos — пар и spharia — шар) — воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, протекающими на нашей планете, а также с деятельностью живых организмов.
Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли, так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде.
Верхняя граница на высоте 2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство.
Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.
Если бы не было атмосферы, на Земле была бы такая же тишина, как на Луне. Ведь звук — это колебание частиц воздуха. Голубой цвет неба объясняется тем, что солнечные лучи, проходя сквозь атмосферу, как через линзу, разлагаются на составляющие цвета. При этом рассеиваются больше всего лучи голубого и синего цветов.
Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на живые организмы. Также она удерживает у поверхности Земли тепло, не давая нашей планете охлаждаться.
Строение атмосферы
В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по и плотности (рис. 1).
Тропосфера
Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км.
Рис. 1. Строение атмосферы Земли
Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Поэтому температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.
В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы, находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.
Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.
Стратосфера
Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.
В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч.
В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.
Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.
Мезосфера
Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С.
На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.
В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризован- ность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.
В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.
Экзосфера
Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.
Состав атмосферы
Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО 2 примерно на 10-12 %.
Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.
Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности
|
Объемная концентрация. % |
Молекулярная масса, ед. |
|
|
Кислород |
||
|
Углекислый газ |
||
|
Закись азота |
||
|
от 0 до 0,00001 |
||
|
Двуокись серы |
от 0 до 0,000007 летом; от 0 до 0,000002 зимой |
|
|
От 0 ло 0,000002 |
46,0055/17,03061 |
|
|
Двуокись азога |
||
|
Окись углерода |
Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.
Кислород , в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода — окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.
Роль углекислого газа в атмосфере исключительно велика. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов, гниения и представляет собой, прежде всего, основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе. Кроме этого, огромное значение имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаст так называемый парниковый эффект, о котором речь пойдет ниже.
Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает и озон. Этот газ служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, а поглощение солнечной радиации ведет к нагреванию воздуха. Средние месячные значения общего содержания озона в атмосфере изменяются в зависимости от широты местности и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.
Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание основных газов (азота, кислорода, аргона) с высотой изменяется незначительно: на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86 %, кислорода — 19, аргона — 0,91, на высоте же 95 км — азота 77, кислорода — 21,3, аргона — 0,82 %. Постоянство состава атмосферного воздуха по вертикали и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.
Кроме газов, в воздухе содержатся водяной пар и твердые частицы. Последние могут иметь как естественное, так и искусственное (антропогенное) происхождение. Это цветочная пыльца, крохотные кристаллики соли, дорожная пыль, аэрозольные примеси. Когда в окно проникают солнечные лучи, их можно увидеть невооруженным глазом.
Особенно много твердых частиц в воздухе городов и крупных промышленных центров, где к аэрозолям добавляются выбросы вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива.
Концентрация аэрозолей в атмосфере определяет прозрачность воздуха, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли — ядра конденсации (от лат.condensatio — уплотнение, сгущение) — способствуют превращению водяного пара в водяные капли.
Значение водяного пара определяется прежде всего тем, что он задерживает длинноволновое тепловое излучение земной поверхности; представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги; повышает температуру воздуха при конденсации водяных наров.
Количество водяного пара в атмосфере изменяется во времени и пространстве. Так, концентрация водяного пара у земной поверхности колеблется от 3 % в тропиках до 2-10 (15) % в Антарктиде.
Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 1,6-1,7 см (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно водяного пара в различных слоях атмосферы противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.
Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, града и снега.
Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере, именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака нередко закрывают около 50 % всей земной поверхности.
Количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры воздуха.
В 1 м 3 воздуха при температуре -20 °С может содержаться не более 1 г воды; при 0 °С — не более 5 г; при +10 °С — не более 9 г; при +30 °С — не более 30 г воды.
Вывод: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нем содержаться.
Воздух может быть насыщенным и не насыщенным водяным паром. Так, если при температуре +30 °С в 1 м 3 воздуха содержится 15 г водяного пара, воздух не насыщен водяным паром; если же 30 г — насыщен.
Абсолютная влажность — это количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха. Оно выражается в граммах. Например, если говорят «абсолютная влажность равна 15», то это значит, что в 1 м Л содержится 15 г водяного пара.
Относительная влажность воздуха — это отношение (в процентах) фактического содержания водяного пара в 1 м 3 воздуха к тому количеству водяного пара, которое может содержаться в 1 м Л при данной температуре. Например, если по радио во время передачи сводки погоды сообщили, что относительная влажность равна 70 %, это значит, что воздух содержит 70 % того водяного пара, которое он может вместить при данной температуре.
Чем больше относительная влажность воздуха, т. с. чем ближе воздух к состоянию насыщения, тем вероятнее выпадение осадков.
Всегда высокая (до 90 %) относительная влажность воздуха наблюдается в экваториальной зоне, так как там в течение всего года держится высокая температура воздуха и происходит большое испарение с поверхности океанов. Такая же высокая относительная влажность и в полярных районах, но уже потому, что при низких температурах даже небольшое количество водяного пара делает воздух насыщенным или близким к насыщению. В умеренных широтах относительная влажность меняется по сезонам — зимой она выше, летом — ниже.
Особенно низкая относительная влажность воздуха в пустынях: 1 м 1 воздуха там содержит в два-три раза меньше возможного при данной температуре количество водяного пара.
Для измерения относительной влажности пользуются гигрометром (от греч. hygros — влажный и metreco — измеряю).
При охлаждении насыщенный воздух не может удержать в себе прежнего количества водяного пара, он сгущается (конденсируется), превращаясь в капельки тумана. Туман можно наблюдать летом в ясную прохладную ночь.
Облака — это тог же туман, только образуется он не у земной поверхности, а на некоторой высоте. Поднимаясь вверх, воздух охлаждается, и находящийся в нем водяной пар конденсируется. Образовавшиеся мельчайшие капельки воды и составляют облака.
В образовании облаков участвуют и твердые частицы , находящиеся в тропосфере во взвешенном состоянии.
Облака могут иметь различную форму, которая зависит от условий их образования (табл. 14).
Самые низкие и тяжелые облака — слоистые. Они располагаются на высоте 2 км от земной поверхности. На высоте от 2 до8 км можно наблюдать более живописные кучевые облака. Самые высокие и легкие — перистые облака. Они располагаются на высоте от 8 до 18 км над земной поверхностью.
|
Семейства |
Роды облаков |
Внешний облик |
|
А. Облака верхнего яруса — выше 6 км |
I. Перистые |
Нитевидные, волокнистые, белые |
|
II. Перисто-кучевые |
Слои и гряды из мелких хлопьев и завитков, белые |
|
|
III. Перисто-слоистые |
Прозрачная белесая вуаль |
|
|
Б. Облака среднего яруса — выше 2 км |
IV. Высококучевые |
Пласты и гряды белого и серою цвета |
|
V. Высокослоистые |
Ровная пелена молочно-серого цвета |
|
|
В. Облака нижнего яруса — до 2 км |
VI. Слоисто-дождевые |
Сплошной бесформенный серый слой |
|
VII. Слоисто-кучевые |
Непросвечиваемые слои и гряды серого цвета |
|
|
VIII. Слоистые |
Непросвечиваемая пелена серого цвета |
|
|
Г. Облака вертикального развития — от нижнего до верхнего яруса |
IX. Кучевые |
Клубы и купола ярко-бе- лого цвета, при ветре с разорванными краями |
|
X. Кучево-дождевые |
Мощные кучевообразные массы темно-свинцового цвета |
Охрана атмосферы
Главным источником являются промышленные предприятия и автомобили. В больших городах проблема загазованности главных транспортных магистралей стоит очень остро. Именно поэтому во многих крупных городах мира, в том числе и в нашей стране, введен экологический контроль токсичности выхлопных газов автомобилей. Поданным специалистов, задымленность и запыленность воздуха может наполовину сократить поступление солнечной энергии к земной поверхности, что приведет к изменению природных условий.
Атмосфера - это воздушная оболочка Земли высотой 1300 км, представляющая собой смесь различных газов. Условно атмосферу делят на несколько слоев. Ближайший к Земле слой - тропосфера. В нем протекает жизнь человека и животных, интенсивно осуществляются естественные процессы, связанные с деятельностью Солнца, тепловым и водным обменом между атмосферой и Землей, движением воздушных масс, изменениями климата и погоды. За этим слоем последовательно идут стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Начиная с высоты 80 км, земная оболочка называется ионосферой, так как в этом слое находятся сильно диссоциированные молекулы и ионы газов.
Основными газами атмосферы являются (78,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), (0,03%) и ряд инертных газов, на долю которых приходится не более тысячной доли процента. Кроме того, в атмосфере присутствуют различные примеси - окись углерода, метан, различные производные азота, а также , поступающие в нижние слои атмосферы с выбросами промышленных предприятий, топок, с автотранспорта.
В атмосфере происходит рассеивание солнечной радиации, обусловленное как молекулами воздуха, так и находящимися в атмосфере более крупными частицами (пылью, туманом, дымом и т. д.), что способствует ослаблению ее интенсивности.
Физические свойства атмосферы- атмосферное давление, температура и влажность воздуха (см. , ), скорость ветра - оказывают большое влияние на условия жизни и человека. Атмосферное давление создается воздушной оболочкой на поверхности Земли. Это давление на уровне моря в среднем составляет 1,033 кг/см 2 , или равно давлению ртутного столба высотой 760 мм. При подъеме над поверхностью Земли атмосферное давление падает приблизительно на 1 мм рт. ст. на каждые 10-11 м подъема. На высотах выше 3000 м у неадаптированного к высоте человека развивается . Здоровый человек обычно не ощущает атмосферного давления, так же как и незначительные его колебания (до 10-30 мм рт. ст.); более резкие перепады давления могут вызвать заболевания (см. Баротравма, Декомпрессионные заболевания).
Атмосфера почти не нагревается солнечными лучами, температура воздуха зависит от температуры поверхности Земли, поэтому ближайшие к Земле слои имеют более высокую температуру; по мере подъема температура снижается примерно на 0,6° на 100 м подъема. У верхней границы тропосферы температура падает до -56°. Процессы, происходящие в атмосфере, имеют большое значение для формирования погоды и климата (см.).
При измерении давления используют единицу измерения атмосфера.
Атмосфера (от греч. atmos - пар, дыхание и sphaira - шар) - это воздушная оболочка, окружающая земной шар. Жизнь человека, животных и растений протекает в условиях внешней естественной среды - в биосфере. Граница атмосферы проходит на высоте около 1000 км. Газовый состав атмосферы до 80-100 км почти тот же, что и у поверхности Земли, но выше кислород, а еще выше и азот находятся только в диссоциированном атомном состоянии. До высоты 1000 км атмосфера состоит из атомов азота и кислорода, зона ионосферы простирается значительно выше (К. Е. Федоров).
В плоскости экватора обнаружены две области радиации: первая на высоте около тысячи, а вторая - двух тысяч километров, образованные в силу захвата земным магнитным полем электронов и протонов.
Главнейшие физические элементы атмосферы: давление, температура (таблица), количество водяных паров, движение воздуха. Химический состав атмосферы: кислород, азот, двуокись углерода и другие газы. Вследствие интенсивного перемешивания воздуха атмосферы химический состав его остается довольно постоянным в пределах весьма больших высот.
Атмосферное давление и температура воздуха на разных высотах (Международная стандартная атмосфера)
| Высота над ур. моря в м | Атмосферное давление в мм рт. ст. (цифры округлены) | Температура воздуха в °С |
| 0 | 760,0 | 15,0 |
| 1 000 | 674,1 | 8,5 |
| 2 000 | 596,2 | 2,0 |
| 3 000 | 525,8 | -4,5 |
| 4 000 | 462,3 | -11,0 |
| 5 000 | 405,1 | -17,5 |
| 6 000 | 353,8 | -24,0 |
| 7 000 | 307,9 | -30,5 |
| 8 000 | 266,9 | -37,0 |
| 9 000 | 230,4 | -43,5 |
| 10 000 | 198,2 | -50,0 |
| 11 000 | 169,4 | -56,5 |
| 12 000 | 144,6 | |
| 13 000 | 123,7 | |
| 14 000 | 105,6 | |
| 15 000 | 90,1 | |
| 16 000 | 77,0 | |
| 17 000 | 65,8 | |
| 18 000 | 56,0 | |
| 19 000 | 48,0 | |
| 20 000 | 41,0 | |
| 21 000 | 35,0 | |
| 22 000 | 30,0 | |
| 23 000 | 25,5 | |
| 24 000 | 21,8 | |
| 25 000 | 18,6 | |
| 26 000 | 16,0 | |
| 27 000 | 13,6 | |
| 28 000 | 11,6 | |
| 29 000 | 10,0 | |
| 30 000 | 8,6 |
Атмосферу условно делят на тропосферу и стратосферу. Границей между ними принято считать ту высоту, на которой прекращается понижение температуры (таблица). Тропосфера - нижний слой атмосферы - вместе с тропопаузой (слой 2-8 км) простирается до высоты 10-15 км. Особенно большое биологическое значение имеет слой атмосферы, непосредственно прилегающий к Земле, высотой около 2 км. К естественным процессам, протекающим в тропосфере, относят все процессы, связанные с деятельностью Солнца, климатом (см.), движением воздушных масс, погодой, колебаниями метеорологических факторов (температура, влажность и т. д.). Эти колебания постепенно уменьшаются по мере подъема в высоту (в горах, в полетах на самолетах) и почти исчезают на границе со стратосферой (таблица) вследствие удаления от земной поверхности, получающей и отражающей значительную долю солнечной радиации.
Атмосферное давление - это давление воздуха, находящегося над данным местом, в результате влияния земного притяжения на частицы воздуха. На уровне моря оно составляет в среднем 1,033 кг/см 2 , что соответствует давлению ртутного столба высотой 760 мм. По мере падения атмосферного давления понижается и парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе. В результате этого на высотах выше 3000 м в человеческом организме развиваются явления, получившие название высотной (или горной) болезни (см. Высотная болезнь). Для изучения распределения атмосферного давления в данный отрезок времени пункты с одинаковым давлением соединяют на географической карте сетью изобар, которые отличаются одна от другой, например, на 5 мбар давления. Степень изменения атмосферного давления характеризуется барометрическим градиентом, который определяется разностью давления на один градус меридиана (или 111 км). Временные (например, суточные) колебания атмосферного давления в данном пункте земной поверхности в одно и то же время года невелики. Колебания давления оказывают воздействие на людей, страдающих ревматизмом, сердечно-сосудистыми расстройствами и т. п.
Температура воздуха в разное время года и суток в разных пунктах поверхности Земли бывает различной. Этим определяется годовой и суточный ход температуры в данном пункте; на географической карте его показывают изотермы - линии, соединяющие точки одинаковой суточной, месячной или годовой температуры. Максимальная официально зарегистрированная температура на поверхности Земли +58° (Долина Смерти, Калифорния), минимальная -68°, в Антарктиде -80°. По мере удаления от земной поверхности температура воздуха постепенно снижается (таблица) в среднем на 0,6° на каждые 100 м подъема. На границе тропосферы и стратосферы в наших широтах она достигает -56°. Разностью температур воздуха по горизонтали и вертикали, а также в разное время дня и года объясняется возникновение и направление движения воздушных масс - ветров. Чем выше температура воздуха, тем больше (при прочих равных условиях) водяных паров находится в атмосфере, и наоборот. Большое значение имеют близость водных пространств, степень влажности почвы и количество атмосферных осадков, так как они в основном являются источниками водяных паров в атмосфере. По мере подъема вверх количество водяных паров в воздухе убывает, что объясняется главным образом понижением его температуры.
При очень низких и при высоких температурах воздуха, особенно при высокой его влажности, наступают местные и общие расстройства теплорегуляции организма человека, следствием чего могут быть ознобления и отморожения (при низких температурах) или явления перегревания вплоть до теплового удара (при высоких температурах). Высокая влажность при низких температурах вызывает усиленную отдачу тепла организмом, его переохлаждение, при высокой же температуре - полное расстройство теплообмена организма с окружающей средой, так как в этих условиях затруднена теплоотдача организма не только путем проведения и излучения, но, главное, и путем испарения влаги с поверхности тела. В связи с этим снижается работоспособность и возможны тепловые удары.
Движение воздуха (ветер) в атмосфере, происходящее непрерывно вследствие разницы атмосферного давления в различных пунктах земной поверхности, характеризуется направлением и скоростью. Преобладающее направление ветра учитывается при планировке новых промышленных предприятий, городов, поселков и при расположении отдельных зданий (санатория, жилища и т. п.). Последнее, например, очень важно в полярных районах, где во избежание снежных заносов здания стремятся располагать вдоль линии направления господствующих в зимнее время ветров. Большое гигиеническое значение имеет также скорость ветра. Ветер увеличивает теплопотери с поверхности кожи человека тем сильнее, чем больше его скорость. В результате этого возможны местные расстройства теплорегуляции и появление в холодное время года простудных заболеваний и даже отморожений у работающих на открытом воздухе. У некоторых людей ветер может вызвать ряд вегетативных расстройств. С другой стороны, достаточной скорости ветер смягчает действие жаркого климата и погоды, способствует испарению влаги с поверхности кожи, что значительно улучшает самочувствие человека и может существенно влиять на работоспособность в этих условиях.
Общая циркуляция атмосферы имеет сложный и постоянно меняющийся характер. На громадных пространствах формируются и передвигаются воздушные массы, горизонтальная протяженность которых иногда достигает тысячи километров. Между соседними воздушными массами, имеющими различные метеорологические свойства, образуются многокилометровые промежуточные слои воздуха - фронты, которые все время перемещаются и изменяются. Прохождение того или иного фронта через ту или иную область вызывает резкую смену погод. Наиболее влажные фронты, по-видимому, могут способствовать развитию простудных заболеваний.
См. также Атмосферное электричество.
Атмосфера - газовая оболочка нашей планеты, которая вращается вместе с Землей. Газ, находящийся в атмосфере, называют воздухом. Атмосфера соприкасается с гидросферой и частично покрывает литосферу. А вот верхние границы определить трудно. Условно принято считать, что атмосфера простирается вверх приблизительно на три тысячи километров. Там она плавно перетекает в безвоздушное пространство.
Химический состав атмосферы Земли
Формирование химического состава атмосферы началось около четырех миллиардов лет назад. Изначально атмосфера состояла лишь из легких газов - гелия и водорода. По мнению ученых исходными предпосылками создания газовой оболочки вокруг Земли стали извержения вулканов, которые вместе с лавой выбрасывали огромное количество газов. В дальнейшем начался газообмен с водными пространствами, с живыми организмами, с продуктами их деятельности. Состав воздуха постепенно менялся и в современном виде зафиксировался несколько миллионов лет назад.
Главные же составляющие атмосферы это азот (около 79%) и кислород (20%). Оставшийся процент (1%) приходится на следующие газы: аргон, неон, гелий, метан, углекислый газ, водород, криптон, ксенон, озон, аммиак, двуокиси серы и азота, закись азота и окись углерода, входящих в этот один процент.
Кроме того, в воздухе содержится водяной пар и твердые частицы (пыльца растений, пыль, кристаллики соли, примеси аэрозолей).
В последнее время ученые отмечают не качественное, а количественное изменение некоторых ингредиентов воздуха. И причина тому - человек и его деятельность. Только за последние 100 лет содержание углекислого газа значительно возросло! Это чревато многими проблемами, самая глобальная из которых - изменение климата.
Формирование погоды и климата
Атмосфера играет важнейшую роль в формировании климата и погоды на Земле. Очень многое зависит от количества солнечных лучей, от характера подстилающей поверхности и атмосферной циркуляции.
Рассмотрим факторы по порядку.
1. Атмосфера пропускает тепло солнечных лучей и поглощает вредную радиацию. О том, что лучи Солнца падают на разные участки Земли под разными углами, знали еще древние греки. Само слово "климат" в переводе с древнегреческого означает "наклон". Так, на экваторе солнечные лучи падают практически отвесно, потому здесь очень жарко. Чем ближе к полюсам, тем больше угол наклона. И температура понижается.
2. Из-за неравномерного нагревания Земли в атмосфере формируются воздушные течения. Они классифицируются по своим размерам. Самые маленькие (десятки и сотни метров) - это местные ветра. Далее следуют муссоны и пассаты, циклоны и антициклоны, планетарные фронтальные зоны.
Все эти воздушные массы постоянно перемещаются. Некоторые из них довольно статичны. Например, пассаты, которые дуют от субтропиков по направлению к экватору. Движение других во многом зависит от атмосферного давления.
3. Атмосферное давление - еще один фактор, влияющий на формирование климата. Это давление воздуха на поверхность земли. Как известно, воздушные массы перемещаются с области с повышенным атмосферным давлением в сторону области, где это давление ниже.
Всего выделено 7 зон. Экватор - зона низкого давления. Далее, по обе стороны от экватора вплоть до тридцатых широт - область высокого давления. От 30° до 60° - опять низкое давление. А от 60° до полюсов - зона высокого давления. Между этими зонами и циркулируют воздушные массы. Те, что идут с моря на сушу, несут дожди и ненастье, а те, что дуют с континентов - ясную и сухую погоду. В местах, где воздушные течения сталкиваются, образуются зоны атмосферного фронта, которые характеризуются осадками и ненастной, ветреной погодой.
Ученые доказали, что от атмосферного давления зависит даже самочувствие человека. По международным стандартам нормальное атмосферное давление - 760 мм рт. столба при температуре 0°C. Этот показатель рассчитан на те участки суши, которые находятся практически вровень с уровнем моря. С высотой давление понижается. Поэтому, например, для Санкт-Петербурга 760 мм рт.ст. - это норма. А вот для Москвы, которая расположена выше, нормальное давление - 748 мм рт.ст.
Давление меняется не только по вертикали, но и по горизонтали. Особенно это чувствуется при прохождении циклонов.
Строение атмосферы
Атмосфера напоминает слоеный пирог. И каждый слой имеет свои особенности.
. Тропосфера - самый близкий к Земле слой. "Толщина" этого слоя изменяется по мере удаления от экватора. Над экватором слой простирается ввысь на 16-18 км, в умеренных зонах - на 10-12км, на полюсах - на 8-10 км.
Именно здесь содержится 80% всей массы воздуха и 90% водяного пара. Здесь образуются облака, возникают циклоны и антициклоны. Температура воздуха зависит от высоты местности. В среднем она понижается на 0,65° C на каждые 100 метров.
. Тропопауза - переходный слой атмосферы. Его высота - от нескольких сотен метров до 1-2 км. Температура воздуха летом выше, чем зимой. Так, например, над полюсами зимой -65° C. А над экватором в любое время года держится -70° C.
. Стратосфера - это слой, верхняя граница которого проходит на высоте 50-55 километров. Турбулентность здесь низкая, содержание водяного пара в воздухе - ничтожное. Зато очень много озона. Максимальная его концентрация - на высоте 20-25 км. В стратосфере температура воздуха начинает повышаться и достигает отметки +0,8° C. Это обусловлено тем, что озоновый слой взаимодействует с ультрафиолетовым излучением.
. Стратопауза - невысокий промежуточный слой между стратосферой и следующей за ней мезосферой.
. Мезосфера - верхняя граница этого слоя - 80-85 километров. Здесь происходят сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов. Именно они обеспечивают то нежное голубое сияние нашей планеты, которое видится из космоса.
В мезосфере сгорает большинство комет и метеоритов.
. Мезопауза - следующий промежуточный слой, температура воздуха в котором минимум -90°.
. Термосфера - нижняя граница начинается на высоте 80 - 90 км, а верхняя граница слоя проходит приблизительно по отметке 800 км. Температура воздуха возрастает. Она может варьироваться от +500° C до +1000° C. В течение суток температурные колебания составляют сотни градусов! Но воздух здесь настолько разрежен, что понимание термина "температура" как мы его представляем, здесь не уместно.
. Ионосфера - объединяет мезосферу, мезопаузу и термосферу. Воздух здесь состоит в основном из молекул кислорода и азота, а также из квазинейтральной плазмы. Солнечные лучи, попадая в ионосферу сильно ионизируют молекулы воздуха. В нижнем слое (до 90 км) степень ионизация низкая. Чем выше, тем больше ионизация. Так, на высоте 100-110 км электроны концентрируются. Это способствует отражению коротких и средних радиоволн.
Самый важный слой ионосферы - верхний, который находится на высоте 150-400 км. Его особенность в том, что он отражает радиоволны, а это способствует передаче радиосигналов на значительные расстояния.
Именно в ионосфере происходят такое явление, как полярное сияние.
. Экзосфера - состоит из атомов кислорода, гелия и водорода. Газ в этом слое очень разрежен и нередко атомы водорода ускользают в космическое пространство. Поэтому этот слой и называют "зоной рассеивания".
Первым ученым, который предположил, что наша атмосфера имеет вес, был итальянец Э. Торричелли. Остап Бендер, например, в романе "Золотой теленок" сокрушался, что на каждого человека давит воздушный столб весом в 14 кг! Но великий комбинатор немного ошибался. Взрослый человек испытывает на себя давление в 13-15 тонн! Но мы не чувствуем этой тяжести, потому что атмосферное давление уравновешивается внутренним давлением человека. Вес нашей атмосферы составляет 5 300 000 000 000 000 тонн. Цифра колоссальная, хотя это всего лишь миллионная часть веса нашей планеты.