Состав и строение атмосферы
Состав атмосферы.Воздушная оболочка нашей планеты – атмосферазащищает земную поверхность от губительного воздействия на живые организмы ультрафиолетового излучения Солнца. Предохраняет она Землю и от космических частиц – пыли и метеоритов.
Состоит атмосфера из механической смеси газов: 78 % ее объема составляет азот, 21 % – кислород и менее 1 % – гелий, аргон, криптон и другие инертные газы. Количество кислорода и азота в воздухе практически неизменно, потому что азот почти не вступает в соединения с другими веществами, а кислород, который хотя и очень активен и расходуется на дыхание, окисление и горение, все время пополняется растениями.
До высоты примерно 100 км процентное соотношение этих газов остается практически неизменным. Это обусловлено тем, что воздух постоянно перемешивается.
Кроме названных газов в атмосфере содержится около 0,03 % углекислого газа, который обычно концентрируется вблизи от земной поверхности и размещается неравномерно: в городах, промышленных центрах и районах вулканической активности его количество возрастает.
В атмосфере всегда находится некоторое количество примесей – водяного пара и пыли. Содержание водяного пара зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем больше пара вмещает воздух. Благодаря наличию в воздухе парообразной воды возможны такие атмосферные явления, как радуга, рефракция солнечных лучей и т. п.
Пыль в атмосферу поступает во время вулканических извержений, песчаных и пыльных бурь, при неполном сгорании топлива на ТЭЦ и т. д.
Строение атмосферы.Плотность атмосферы меняется с высотой: у поверхности Земли она наивысшая, с поднятием вверх уменьшается. Так, на высоте 5,5 км плотность атмосферы в 2 раза, а на высоте 11 км – в 4 раза меньше, чем в приземном слое.
В зависимости от плотности, состава и свойств газов атмосферу разделяют на пять концентрических слоев (рис. 34).
Рис. 34.Вертикальный разрез атмосферы (стратификация атмосферы)
1. Нижний слой называют тропосферой.Ее верхняя граница проходит на высоте 8-10 км на полюсах и 16–18 км – на экваторе. В тропосфере содержится до 80 % всей массы атмосферы и почти весь водяной пар.
Температура воздуха в тропосфере с высотой понижается на 0,6 °C через каждые 100 м и у верхней ее границы составляет -45-55 °C.
Воздух в тропосфере постоянно перемешивается, перемещается в разных направлениях. Только здесь наблюдаются туманы, дожди, снегопады, грозы, бури и другие погодные явления.
2. Выше расположена стратосфера,которая простирается до высоты 50–55 км. Плотность воздуха и давление в стратосфере незначительны. Разреженный воздух состоит из тех же газов, что и в тропосфере, но в нем больше озона. Наибольшая концентрация озона наблюдается на высоте 15–30 км. Температура в стратосфере повышается с высотой и на верхней границе ее достигает 0 °C и выше. Это объясняется тем, что озон поглощает коротковолновую часть солнечной энергии, в результате чего воздух нагревается.
3. Над стратосферой лежит мезосфера,простирающаяся до высоты 80 км. В ней температура вновь понижается и достигает -90 °C. Плотность воздуха там в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли.
4. Выше мезосферы располагается термосфера(от 80 до 800 км). Температура в этом слое повышается: на высоте 150 км до 220 °C; на высоте 600 км до 1500 °C. Газы атмосферы (азот и кислород) находятся в ионизированном состоянии. Под действием коротковолновой солнечной радиации отдельные электроны отрываются от оболочек атомов. В результате в данном слое – ионосферевозникают слои заряженных частиц. Самый плотный их слой находится на высоте 300–400 км. В связи с небольшой плотностью солнечные лучи там не рассеиваются, поэтому небо черное, на нем ярко светят звезды и планеты.
В ионосфере возникают полярные сияния,образуются мощные электрические токи, которые вызывают нарушения магнитного поля Земли.
5. Выше 800 км расположена внешняя оболочка – экзосфера.Скорость движения отдельных частиц в экзосфере приближается к критической – 11,2 мм/с, поэтому отдельные частицы могут преодолеть земное притяжение и уйти в мировое пространство.
Значение атмосферы.Роль атмосферы в жизни нашей планеты исключительно велика. Без нее Земля была бы мертва. Атмосфера предохраняет поверхность Земли от сильного нагревания и охлаждения. Ее влияние можно уподобить роли стекла в парниках: пропускать солнечные лучи и препятствовать отдаче тепла.
Атмосфера предохраняет живые организмы от коротковолновой и корпускулярной радиации Солнца. Атмосфера – среда, где происходят погодные явления, с которыми связана вся человеческая деятельность. Изучение этой оболочки производится на метеорологических станциях. Днем и ночью, в любую погоду метеорологи ведут наблюдения за состоянием нижнего слоя атмосферы. Четыре раза в сутки, а на многих станциях ежечасно измеряют температуру, давление, влажность воздуха, отмечают облачность, направление и скорость ветра, количество осадков, электрические и звуковые явления в атмосфере. Метеорологические станции расположены всюду: в Антарктиде и во влажных тропических лесах, на высоких горах и на необозримых просторах тундры. Ведутся наблюдения и на океанах со специально построенных кораблей.
С 30-х гг. XX в. начались наблюдения в свободной атмосфере. Стали запускать радиозонды, которые поднимаются на высоту 25–35 км, и при помощи радиоаппаратуры передают на Землю сведения о температуре, давлении, влажности воздуха и скорости ветра. В наше время широко используют также метеорологические ракеты и спутники. Последние имеют телевизионные установки, передающие изображение земной поверхности и облаков.
Нагревание атмосферы
Основным источником тепла, нагревающим земную поверхность и атмосферу, служит солнце. Другие источники – луна, звезды, разогретые недра Земли – поставляют столь малое количество тепла, что ими можно пренебречь.
Солнце излучает в мировое пространство колоссальную энергию в виде тепловых, световых, ультрафиолетовых и других лучей. Вся совокупность лучистой энергии Солнца называется солнечной радиацией.Земля получает ничтожную долю этой энергии – одну двухмиллиардную часть, которой, однако, достаточно не только для поддержания жизни, но и для осуществления экзогенных процессов в литосфере, физико-химических явлений в гидросфере и атмосфере.
Различают радиацию прямую, рассеянную и суммарную.
При ясной, безоблачной погоде поверхность Земли нагревается в основном прямой радиацией,которую мы ощущаем как теплые или горячие солнечные лучи.
Проходя через атмосферу, солнечные лучи отражаются от молекул воздуха, капелек воды, пылинок, отклоняются от прямолинейного пути и рассеиваются. Чем пасмурнее погода, тем плотнее облачность и тем большее количество радиации рассеивается в атмосфере. При сильной запыленности воздуха, например во время пыльных бурь или в промышленных центрах, рассеивание ослабляет радиацию на 40–45 %.
Значение рассеянной радиациив жизни Земли очень велико. Благодаря ей освещаются предметы, находящиеся в тени. Она же обусловливает цвет неба.
Интенсивность радиациизависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность. Когда солнце находится высоко над горизонтом, его лучи преодолевают атмосферу более коротким путем, следовательно, меньше рассеиваются и сильнее нагревают поверхность Земли. По этой причине в солнечную погоду утром и вечером всегда прохладнее, чем в полдень.
На распределение радиации на поверхности Земли огромное влияние оказывают ее шарообразность и наклон земной оси к плоскости орбиты. В экваториальных и тропических широтах солнце в течение всего года находится высоко над горизонтом, в средних широтах его высота меняется в зависимости от времени года, а в Арктике и Антарктике высоко над горизонтом оно не поднимается никогда. В результате в тропических широтах солнечные лучи рассеиваются меньше, а на единицу площади земной поверхности приходится их большее количество, чем в средних или высоких широтах. По этой причине количество радиации зависит от широты места: чем дальше от экватора, тем меньше ее поступает на земную поверхность.
Поступление лучистой энергии связано с годичным и суточным движением Земли. Так, в средних и высоких широтах ее количество зависит от времени года. На Северном полюсе, например, летом солнце не заходит за горизонт 186 дней, т. е. 6 месяцев, и количество поступающей радиации даже больше, чем на экваторе. Однако солнечные лучи имеют малый угол падения, и большая часть радиации рассеивается в атмосфере. В результате поверхность Земли нагревается незначительно.
Зимой солнце в Арктике находится за горизонтом, и прямая радиация на поверхность Земли не поступает.
На количество поступающей солнечной радиации влияет и рельеф земной поверхности. На склонах гор, холмов, оврагов и т. д., обращенных к солнцу, угол падения солнечных лучей увеличивается, и они сильнее нагреваются.
Совокупность всех этих факторов приводит к тому, что на земной поверхности нет места, где интенсивность радиации была бы постоянной.
Неодинаково происходит и нагревание суши и воды. Поверхность суши нагревается и охлаждается быстро. Вода же нагревается медленно, но зато дольше удерживает тепло. Объясняется это тем, что теплоемкость воды больше теплоемкости горных пород, слагающих сушу.
На суше солнечные лучи нагревают только поверхностный слой, а в прозрачной воде тепло проникает на значительную глубину, в результате чего нагревание происходит медленнее. На его скорость влияет и испарение, так как на него нужно много тепла. Вода остывает медленно, в основном потому, что объем прогреваемой воды во много раз больше объема нагревающейся суши; к тому же при ее охлаждении верхние, остывшие слои воды опускаются на дно, как более плотные и тяжелые, а на смену им из глубины водоема поднимается теплая вода.
Накопленное тепло вода расходует более равномерно. В результате море в среднем теплее суши, а колебания температуры воды никогда не бывают такими резкими, как колебания температуры суши.
Температура воздуха
Солнечные лучи, проходя через прозрачные тела, нагревают их очень слабо. По этой причине прямые солнечные лучи почти не нагревают воздух атмосферы, а нагревают поверхность Земли, от которой прилегающим слоям воздуха передается тепло. Нагреваясь, воздух становится более легким и поднимается вверх, где перемешивается с более холодным, в свою очередь нагревая его.
По мере поднятия вверх воздух охлаждается. На высоте 10 км температура постоянно держится на отметке 40–45 °C.
Понижение температуры воздуха с высотой – это общая закономерность. Однако нередко наблюдается и повышение температуры по мере поднятия вверх. Такое явление называют температурной инверсией,т. е. перестановкой температур.
Возникают инверсии либо при быстром охлаждении земной поверхности и прилегающего воздуха, либо, наоборот, при стекании тяжелого холодного воздуха по склонам гор в долины. Там этот воздух застаивается и вытесняет более теплый вверх по склонам.
В течение суток температура воздуха не остается постоянной, а непрерывно изменяется. Днем поверхность Земли нагревается и нагревает прилегающий слой воздуха. Ночью Земля излучает тепло, охлаждается, и происходит охлаждение воздуха. Наиболее низкие температуры наблюдаются не ночью, а перед восходом солнца, когда земная поверхность уже отдала все тепло. Аналогично этому наиболее высокие температуры воздуха устанавливаются не в полдень, а около 15 ч.
На экваторе суточный ход температуроднообразен, днем и ночью они почти одинаковы. Очень незначительны суточные амплитуды на морях и у морских побережий. А вот в пустынях днем поверхность земли часто нагревается до 50–60 °C, а ночью нередко охлаждается до 0 °C. Таким образом, суточные амплитуды превышают здесь 50–60 °C.
В умеренных широтах наибольшее количество солнечной радиации поступает на Землю в дни летних солнцестояний, т. е. 22 июня в Северном полушарии и 21 декабря в Южном. Однако самым жарким месяцем является не июнь (декабрь), а июль (январь), так как в день солнцестояния огромное количество радиации расходуется на нагревание земной поверхности. В июле (январе) радиация уменьшается, но эта убыль компенсируется сильно нагретой земной поверхностью.
Аналогично этому самый холодный месяц не июнь (декабрь), а июль (январь).
На море, в связи с тем что вода более медленно охлаждается и нагревается, смещение температур еще больше. Здесь самый жаркий месяц август, а самый холодный – февраль в Северном полушарии и соответственно самый жаркий – февраль и самый холодный – август в Южном.
Годовая амплитудатемператур в значительной степени зависит от широты места. Так, на экваторе амплитуда в течение года остается почти постоянной и составляет 22–23 °C. Самые высокие годовые амплитуды характерны для территорий, расположенных в средних широтах в глубине континентов.
Любая местность характеризуется также абсолютными и средними температурами. Абсолютные температурыустанавливают путем многолетних наблюдений на метеостанциях. Так, самое жаркое (+58 °C) место на Земле находится в Ливийской пустыне; самое холодное (-89,2 °C) – в Антарктиде на станции «Восток». В Северном полушарии самая низкая (-70,2 °C) температура отмечена в поселке Оймякон в Восточной Сибири.
Средние температурыопределяют как среднеарифметическое нескольких показателей термометра. Так, чтобы определить среднесуточную температуру, производят измерения в 1; 7; 13 и 19 ч, т. е. 4 раза в сутки. Из полученных цифр находят среднеарифметическую величину, которая и будет среднесуточной температурой данной местности. Затем находят среднемесячные и среднегодовые температуры как среднеарифметическое среднесуточных и среднемесячных.
На карте можно обозначить точки с одинаковыми значениями температур и провести линии, соединяющие их. Эти линии называют изотермами. Наиболее показательны изотермы января и июля, т. е. самого холодного и самого теплого месяца в году. По изотермам можно определить, как распределяется тепло на Земле. При этом прослеживаются отчетливо выраженные закономерности.
1. Самые высокие температуры наблюдаются не на экваторе, а в тропических и субтропических пустынях, где преобладает прямая радиация.
2. В обоих полушариях температуры понижаются от тропических широт к полюсам.
3. В связи с преобладанием моря над сушей ход изотерм в Южном полушарии более плавный, а амплитуды температур между самым жарким и самым холодным месяцем меньше, чем в Северном.
Расположение изотерм позволяет выделить 7 тепловых поясов:
1 жаркий,расположенный между годовыми изотермами 20 °C в Северном и Южном полушариях;
2 умеренных,заключенных между изотермами 20 и 10 °C самых теплых месяцев, т. е. июня и января;
2 холодных,расположенных между изотермами 10 и 0 °C также самых теплых месяцев;
2 области вечного мороза,в которых температура самого теплого месяца ниже 0 °C.
Границы поясов освещенности, проходящие по тропикам и полярным кругам, не совпадают с границами тепловых поясов.
Вода в атмосфере
В воздухе атмосферы всегда содержится некоторое количество водяного пара, который образуется в результате испаренияс поверхности суши и океана. Скорость испарения зависит прежде всего от температуры и ветра. Чем выше температура и больше емкость пара, там сильнее испарение.
Количество воды, которое может испариться с той или иной поверхности, называется испаряемостью.Испаряемость зависит от температуры воздуха и количества в нем водяного пара. Чем выше температура воздуха и чем меньше он содержит водяного пара, тем выше испаряемость.
В полярных странах при низкой температуре воздуха она ничтожна. Невелика она и на экваторе, где воздух содержит ограниченное количество водяного пара. Максимальна испаряемость в тропических пустынях, где она достигает 3000 м.
Воздух может принимать водяной пар до известного предела, пока не станет насыщенным.Если насыщенный воздух нагреть, он вновь приобретет способность принимать водяной пар, т. е. опять станет ненасыщенным.При охлаждении ненасыщенного воздуха он приближается к насыщению. Таким образом, способность воздуха содержать в себе большее или меньшее количество водяного пара зависит от температуры (рис. 35).
Количество водяного пара, которое содержится в воздухе в данный момент (в г на 1 м3), называют абсолютной влажностью.
Отношение количества водяных паров, содержащихся в воздухе в данный момент к тому их количеству, которое он может вместить при данной температуре, называется относительной влажностью и измеряется в процентах.
Момент перехода воздуха от ненасыщенного состояния к насыщенному называют точкой росы.Чем ниже температура воздуха, тем меньше он может содержать водяного пара и тем выше относительная влажность. Это означает, что при холодном воздухе быстрее наступает точка росы.
Рис. 35.Зависимость количества водяного пара в насыщенном воздухе от его температуры
При наступлении точки росы, т. е. при полном насыщении воздуха водяным паром, когда относительная влажность приближается к 100 %, происходит конденсация водяных паров – переход воды из газообразного состояния в жидкое.
Таким образом, процесс конденсации водяных паров происходит либо при сильном испарении влаги и насыщении воздуха водяным паром, либо при понижении температуры воздуха и относительной влажности. При отрицательных температурах водяной пар, минуя жидкое состояние, превращается в твердые кристаллики льда и снега. Этот процесс называется сублимацией водяных паров.
Конденсация и сублимация водяного пара определяют образование осадков.