Физические свойства атмосферы

Физические свойства атмосферы, от которых в первую очередь зависит развитие географической оболочки: температура, давление, плотность, электро-, теплопроводность и др. Физические свойства меняются как по латерали, так и по высоте.

Температура. Способность атмосферы пропускать коротковолновое излучение Солнца и задерживать длинноволновое излучение Земли называют оранжерейным эффектом. Солнечные лучи, проходя через атмосферу, почти не нагревают ее. Они нагревают поверхность Земли, а уже от нагретой поверхнос­ти Земли тепло передастся прилегающим слоям воздуха. Кроме того, некоторые виды лучей (длинноволновые) поглощаются находящимися в атмосфере водяными парами, углекислым газом и частичками пыли. Благодаря оранжерейному эффекту сред­няя температура земной поверхности на 38°С выше, чем она была бы при отсутствии атмосферы. Наиболее теплый воздух – у поверхности Земли. При поднятии вверх температура воздуха в тропосфере пони­жается в среднем на 6°С на каждый километр.

Среднегодовая температуравоздуха у земной поверхности + 14°С. Она варьирует в широких пределах: от + 58°С в тропических пустынях до – 88°С в Антарктиде.

Давление. Если воздух имеет массу, он должен оказывать давление на все предметы, находящиеся на поверхности Земли. Давление, оказываемое атмосферой на земную поверхность, составляет на уровне моря в среднем 1013 мб.Самое высокое давление, приведенное к уровню моря, зарегистрировано в Азии (1080 мб), самое низкое – в Тихом океане (887 мб). С высотой да­вление убывает, так как мощность вышележащего слоя атмосферы уменьшается. На уровне 5 кмдавление почти вдвое ниже, чем на уровне моря.

Давление изменяется в результате перемещений воздуха – его от­тока из одного места и притока в другое. Перемещения эти связаны с различиями в плотности воздуха, возникающими при неравномер­ном нагревании его от подстилающей поверхности. Плотность воздуха у поверхности земли в среднем равна 1250 г/м³,на высоте 5 км – 735 г/м³, 20 км – 87 г/м³.

Перемещение воздуха в горизонтальном ивертикальном направлениях приводит к обмену тепла и влаги на земной поверхности и в нижнем слое атмосферы. Движение воздуха в горизонтальном направлении называют ветром. Скорость ветра у земной поверхности 5 – 10 м/сек, максимально – более 50 м/сек. В высоких слоях атмосферы наблюдаются скорости 100 м/секи более. Вертикальное перемещение воздуха происходит со скоростью от нескольких метров до 10 – 20 м/сек.

Вода в атмосфере.В земной атмосфере содержится около 14 000 км³ водяного пара. Вода попадает в атмосферу в основном в результате испарения с подстилающей поверхности Мирового океана, морей, рек, озер, болот, ледников и транспирации растений.

В воздухе, насыщенном водяными парами, при понижении его тем­пературы происходит конденсация – вода из газообразного состояния пе­реходит в жидкое, или сублимация – из газообразного состояния в твердое. Когда воздух охлаждается от подстилающей поверхности, то на поверхности оседают роса, иней, гололед и др. Если конденсация водяного пара про­исходит на высоте, над поверхностью образуются облака. Возникновение облаков связано главным образом с охлаждени­ем поднимающегося воздуха. Воду выпавшую из облаков на поверхность земли в жидком или твердом состоянии (в виде дождя, мороси, крупы, снега или града) называют атмосферными осадками.

Выпадение осадков на земную поверхность очень неравномер­но. Больше всего дождей бывает в экваториальном поясе (до 1000 – 2000 мм в год), где гос­подствуют восходящие токи воздуха. К северу и югу от экваториального пояса количество осадков постепенно уменьшается. Во внутренних частях континентов и на западных побережьях в субтропических широтах дожди местами не выпадают в течение нескольких лет.

Осадки, выпавшие на поверхность земли в виде снега, при доста­точно низкой температуре образуют снежный покров. Высота снеж­ного покрова в умеренных широтах обычно 30 – 50 см,в горах она может достигать нескольких метров. Снежный покров хорошо предохраняет почву от глубокого промерзания.

Строение атмосферы

В вертикальном направлении атмосферу можно представить состоящей из нескольких концентрических слоев, сравнительно резко отличающихся по своим физическим свойствам (Рисунок 9.4.1).

a) Тропосфера – нижний слой атмосферы от поверхности Земли до 17 км над экватором и 8 км над полюсами. Тропосфера содержит более 80% массы атмосферы, здесь находится почти весь водяной пар атмосферы. Температура в тропосфере понижается с высотой в среднем на 0,6°С на каждые 100 м. В тропо­сфере происходит непрерывное перемешивание воздуха, образуются облака, выпадают осадки. Процессы, происходящие в тропосфере, непосредственно влияют на погоду и климат. Нижний слой тропосферы, примыкающий к земной поверхности, называют приземным слоем. Здесь особенно резко выражены изменения температуры в течение суток и года.

b) Стратосфера – расположена над тропосферой до высоты порядка 55 км. Стратосфера отличается от тропосферы большей разрежен­ностью воздуха, почти полным отсутствием водяного пара, срав­нительно большим содержанием озона. Озон – неустойчивый газ и сильный окислитель. У земной по­верхности его количество ничтожно; оно увеличивается после грозы. Главная масса его сосредоточена на высотах от 10 до 60 км с максимумом в пределах 25 – 30 км, где он создает озоновый экран. Но и там его количество невелико: при плотности воздуха, свойственной приземной атмосфере, он образовал бы слой всего в 2,5 – 5,2 мм. Температура на нижней границе страто­сферы над экватором весь год около – 74°С, над полюсами вы­ше. С высотой температура повышается.

c) Мезосфера – расположена на высоте от 50 – 55 до 80 км. Мезосферахарактеризуется значительным падением темпе­ратуры с высотой: от 0° С на нижней границе до – 75°С и ниже на высоте 75 – 80 км, где понижение температуры сменяется ее по­вышением. Летом здесь возникают тонкие, блестящие, серебристые облака, состоящие из кристалликов льда (а возможно, из мельчайших скоплений космической пыли). Их перемещение свидетельствует о большой изменчивости направления и скоро­сти ветра на этой высоте (от 50 до нескольких сотен километров в час).

d) Термосфера (ионосфера) – расположена над мезосферой до высоты от 80 км до 600 – 1000 км. Температура в ней с высотой повышается до 1000°С, а возможно и более. Под действием ультрафиолетовой и электрической радиации Солнца нарушается строение молекул и атомов газов: от элек­тронных оболочек отрываются некоторые электроны, в простран­стве находятся как целые атомы, так и атомы, потерявшие электроны, и отдельные электроны. Такое состояние вещества называется сверхгазовым, или плазмой, а процесс расщепления атомов и об­разования заряженных электронов – ионизацией. Поэтому термосфера называется еще и ионосферой. Главный максимум иониза­ции приурочен к высотам 300 – 400 км. Ионизация делает термосферу электропроводящей, в ней текут мощные электрические токи со скоростью сотен километров в час. С деятельностью Солнца связано возникновение в термосфере полярных сияний. По отношению к биосфере термосфера выполняет защитную роль: поглощая рентгеновское излучение, она защи­щает жизнь от вредного воздействия солнечной короны.

e) Экзосфера – свыше 1000 км начинается внешняя атмосфера, или экзосфера, простирающаяся до 2000 – 3000 км. Здесь скорость движения газов приближается к критической – 11,2 км/с и они рассеива­ются в межпланетное пространство. Находящиеся далеко друг от друга быстродвижущиеся частицы при температуре свыше 2000°С почти не сталкиваются друг с другом. «Уходят» из экзосферы преимущественно атомы водорода, господствующего в верхних (выше 2000 км) ее слоях. Этот водород образует земную корону. Атмосферные газы вверху покидают Землю, а недра Земли в результате дегазации мантии пополняют воздушную оболочку, поставляя приблизительно 1 млн. т газов в год.

Рисунок 9.4.1 – Строение атмосферы (Никонова, Данилов, 2000)

Значение атмосферы для Земли огромно. Она предохраняет Землю от падающих на нее метеоров, с помощью магнитосферы, ионосферы и озонового экрана изолирует биосферу от космоса и защищает все живое от губительного излучения Солнца. Вместе с тем атмосфера задерживает длинноволновое тепловое излучение Земли, создавая благоприятные для жизни тепловые условия на земной поверхности. В атмосфере переносится влага, образуются облака и осадки. Без атмосферы жизнь не существовала бы на Земле в привычных для нас формах.