Тексты (конспекты) лекций по учебной дисциплине «Учение об

атмосфере»

Тема 1. Метеорология, климатология, погода и климат. Воздух и атмосфера.

Метеорологией называется наука об атмосфере, о ее составе, строении, свойствах и протекающих в ней физических и химических процессах. Главными задачами метеорологии являются описание состояния атмосферы в данный физический момент времени и прогноз ее состояния на будущее.

Климатологией называется раздел метеорологии, в котором изучаются закономерности формирования климатов, их распределение по Земному шару и изменений в прошлом и будущем.

Под климатом в узком смысле, или локальным климатом, понимают совокупность атмосферных условий за многолетний период, свойственных тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки. Климатом в широком смысле, или глобальным климатом, называется статистическая совокупность состояний, проходимых системой атмосфера - океан - суша - криосфера - биосфера за периоды времени в несколько десятилетий.

Атмосфера – это внешняя, воздушная оболочка Земли. Значение ее для планеты чрезвычайно велико.

Она защищает живые организмы поверхности от губительного воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, рентгеновских лучей и других жестких космических излучений. Верхние слои атмосферы частично поглощают, частично рассеивают эти лучи.

Атмосфера защищает нас и от «звездных осколков». Предохраняет Землю от метеоритов и космической пыли. Метеориты в подавляющем большинстве не превышающие по величине горошину, под влиянием земного притяжения с огромной скоростью (от 11 до 64 км/час) врезаются в атмосферу планеты, раскаляются там в результате трения о воздух и на высоте около 60 – 70 км по большой части сгорают. Атмосфера защищает Землю и от крупных космических осколков.

Атмосфера служит также «одеждой», не позволяющей осуществляться потерям тепла, излучаемого Землей в пространство. Воздушная оболочка влияет на тепловой баланс Земли, на распределение тепла и влаги на земной поверхности. Защищает Землю от перегрева, отмеряя солнечную энергию в необходимом количестве, нивелирует перепад суточных температур, который мог бы составить примерно 200 К, что неприемлемо для выживания всех земных существ. На верхнюю границу атмосферы ежесекундно обрушивается лавина космических излучений. Если бы они достигли земной поверхности. Мгновенно исчезло бы все живущее на Земле.

Являясь сама важнейшим рельефообразующим фактором, атмосфера во многом определяет интенсивность экзогенных процессов и их воздействие на рельеф Земли.

Основной потребитель воздуха в природе – флора и фауна Земли. Подсчитано, что весь воздушный океан проходит через земные живые организмы, включая человека, примерно за десять лет. Атмосферный воздух – это источник дыхания человека, животных и растительности, сырье для процессов горения и разложения, синтеза химических веществ. Он является материалом, применяемы для охлаждения различных промышленных и транспортных установок, а также средой, в которую выбрасываются отходы жизнедеятельности человека, высших и низших животных и растений, отходы производства и потребления.

Первый научный труд, в котором обобщаются представления об атмосфере, принадлежит Аристотелю, высказавшему предположение, что Земля имеет форму шара и поэтому воздушная оболочка, ее окружающая, должна быть сферической. Это выражается словом «атмосфера» (по-гречески «атмос» - пар, дыхание, а «сфера» - шар). В русскую науку это слово ввел М.В. Ломоносов.

По-видимому, атмосфера нашей планеты состояла вначале из летучих веществ, образовавшихся в земных недрах: H₂, H₂O, CO₂, CH₄, NH₃. Свободный азот если и выходил наружу как продукт вулканической деятельности, то превращался в аммиак. Условия для этого были самые подходящие: избыток водорода, повышенные температуры – поверхность Земли еще не остыла.

Толщина воздушной оболочки океана, которая окружает земной шар, не меньше тысячи километров – почти в четверть земного радиуса. Масса этой оболочки округленно составляет 5х10¹⁵ (пять квадратильонов) тонн. Хотя это эквивалентно менее чем одной миллионной доле массы Земли, без атмосферы жизнь на планете была бы невозможна. Вдыхая каждую минуту от 5 до 100л воздуха, человек в сутки потребляет его 12 – 15 кг, а это значительно превосходит среднесуточное потребление в пище и воде.

Взаимодействие атмосферного воздуха с водой и почвой влечет за собой определенные изменения в биосфере как в целом, так и в отдельных ее составляющих, усиливая и ускоряя нежелательные изменения состава и структуры атмосферного воздуха и климата Земли.

Велико значение атмосферы и в распределении света. Воздух атмосферы разбивает солнечные лучи на миллион мелких лучей, рассеивает их и создает то равномерное освещение, к которому мы привыкли. Наличие воздушной оболочки придает нашему небу голубой цвет, так как молекулы основных элементов воздуха и различные примеси, содержащиеся в нем, рассеивают главным образом лучи с короткой длиной волны, т.е. фиолетовые, синие и голубые. По мере удаленности от Земли, а следовательно, уменьшения плотности и засоренности воздуха цвет неба становится темнее, воздушная оболочка приобретает густо-синюю, а в стратосфере черно-фиолетовую окраску.

Атмосфера является средой, в которой распространяются звуки. Без воздуха царила бы тишина, невозможна была бы человеческая речь.

Воздух необходим всему живому на Земле. Известно, что без пищи человек может прожить 5 недель, без воды – около 5 суток, а без воздуха не проживет и 5 минут. Но нормальная жизнедеятельность людей требует не только наличия воздуха, но и определенной его чистоты, от качества воздуха зависят здоровье людей, состояние растительности и животного мира, прочность и долговечность любых конструкций зданий, сооружений. Потребность человека в чистом воздухе (под чистым понимается воздух, пригодный для дыхания и без негативных последствий для человеческого организма) составляет от 5 до 10 л/мин или 12-15 кг/сут. Загрязненный воздух губителен для вод, суши, морей, почв. Из этого ясно, как велика значимость атмосферы в решении экологических проблем.

Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30-40 километрах в данный момент времени называется погодой. Погода характеризуется метеорологическими величинами (температура, давление, влажность воздуха, ветер, облачность, атмосферные осадки) и атмосферными явлениями (гроза, туман, пыльная буря, метель и др.).

Существуют три основных цикла атмосферных процессов, участвующих в формировании погоды и определяющих климат. Это так называемые климатообразующие процессы - теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция.

Термин «теплооборот» описывает сложные процессы получения, передачи, переноса и потери тепла в системе земля - атмосфера.

Кроме теплооборота между земною поверхностью и атмосферой происходит постоянный оборот воды, или влагооборот, который включает в себя испарение, конденсацию и выпадение осадков.

Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, от распределения давления зависит движение воздуха, т.е. воздушные течения.

Систему крупномасштабных воздушных течений на Земле называют общей циркуляцией атмосферы. Основными элементами общей циркуляции атмосферы являются циклоны и антициклоны, т.е. волны и вихри размером в несколько тысяч километров, постоянно возникающие и разрушающиеся в атмосфере.

Кроме воздушных течений общей циркуляции атмосферы климатообразующее значение имеют и циркуляции значительно меньшего масштаба (бризы, горно-долинные ветры и др.), носящие название местных циркуляций.

Строение атмосферы.

Человечество обитает на дне Великого воздушного океана, который является оболочкой непрерывно, полностью окружающей земной шар. Наиболее изученный участок атмосферы простирается от уровня моря до высоты 100 км. В целом атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение и состоит из пяти концентрических сфер:

• Тропосферы,

• Стратосферы,

• Мезосферы,

• Термосферы (ионосфера),

• Экзосферы

Границы между сферами называют паузами (рис 1). Нижней границей атмосферы считается поверхность литосферы и гидросферы. Верхняя граница четко не просматривается, так как плотность воздуха постепенно уменьшается, и атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство.

Тропосфера – нижняя приземная часть атмосферы, т.е. зона где обитает большинство живых организмов, в том числе человек. В этой сфере сосредоточено более 80 % массы всей атмосферы. Здесь наблюдается интенсивное турбулентное перемещение воздуха. В этом слое с поднятием вверх на 1 км температура воздуха понижается в среднем на 6⁰С. У верхней ее границы она снижается до минус 60 – 70⁰С. В тропосфере сосредоточена почти вся влага, имеющаяся в атмосфере, здесь образуются облака и все осадки, выпадающие на Земле. Таким образом, в тропосфере формируются в основном погода и климат планеты. Ее мощность (высота на земной поверхности) определяется интенсивностью вертикальных (восходящих и нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности. Вследствие этого на экваторе она простирается до высоты 16 – 18 км, в средних (умеренных) широтах – до 10 – 11 км, а на полюсах – до 8 - 9 км. Отмечено закономерное понижение воздуха с высотой в среднем на 0,6⁰С на каждые 100 м.

В тропосфере находится большая часть космической и антропогенной пыли, водяного пара, азота, кислорода и инертных газов. Она практически прозрачна для проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации. Вместе с тем содержащиеся в ней пары воды, озон и углекислый газ достаточно сильно поглощают тепловое (длинноволновое) излучение нашей планеты, в результате чего происходит некоторое нагревание тропосферы. Это приводит к вертикальному перемещению потоков воздуха, конденсации водяного пара, образованию и выпадении осадков.

Стратосфера располагается выше тропосферы до высоты 50 – 55 км. В стратосфере сосредоточено около 20 % массы атмосферы. В стратосфере почти полностью отсутствует водяной пар. Лишь на высоте 22 – 27 км изредка наблюдаются тонкие перламутровые облака, состоящие из кристалликов льда и капелек воды. Температура у ее верхней границы растет в связи и с наличием озона. В стратосфере находится сравнительно много озона, причем небольшая его концентрация приходится на высоты 25 – 27 мк. В нижней части стратосферы температура составляет минус 60 – 74⁰С, а затем постепенно повышается и на верхней границе ее равняется 0 +/- 10⁰С. В стратосфере дуют сильные ветры, однако конвекция воздуха развита слабо.

Мезосфера – верхняя граница этого слоя фиксируется на высотах около 80 км. В ней температура понижается от 0⁰С до -90⁰С у верхней ее границы. Главная особенность этого слоя – резкое понижение температуры (минус 75 – 90⁰С) у верхней границы. Здесь наблюдаются так называемые серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.

Ионосфера (термосфера) располагается до высоты 800 - 1000 км, и для нее характерно значительное повышение температуры (более 1000⁰С). Температура быстро повышается, достигая на высоте 150 км порядка +230⁰С, на высоте 600 км около +1500⁰С. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца газы атмосферы находятся в ионизированном состоянии, т.е. под действием солнечной радиации происходит ионизация воздуха: от атомов отрывается часть электронов. Максимум ионизации соответствует высотам 300 – 400 км. Поэтому термосферу называют также ионосферой. С этим состоянием связано возникновение полярного сияния, как свечения газов, вызываемое усилением солнечной активности. Ионосфера обладает способностью многократного отражения радиоволн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле. Термосфера поглощает рентгеновское излучение, защищая от него живые организмы на Земле. В нижней части термосферы преобладают азот и кислород, а выше 600 км – гелий.

Экзосфера распространяется от высоты 800 - 1000 км до высот 2000 – 3000 км. В этом диапазоне высот температуры растут до 2000⁰С. Весьма важным является тот факт, что скорость движения газов приближается к критическому значению - 11,2 км/сек. В составе преобладают атомы водорода и гелия, которые преодолевая земное притяжение, формируют вокруг нашей планеты так называемую корону, простирающуюся до высот 20 тыс. км от земной поверхности. Отдельные атомы водорода размещаются очень редко в пространстве. Они движутся с огромной скоростью и постепенно рассеиваются в межпланетное пространство.

Температура в атмосфере меняется весьма сложным образом (см. рис. 1) и в паузах имеет максимальное или минимальное значение. Чем больше высота подъема над земной поверхностью, тем меньше атмосферное давление. Вследствие большой сжимаемости атмосферы ее давление уменьшается от среднего значения 760 мм рт. ст. (101 325 Па) на уровне моря до 2,3 х 10^-3 мм рт.ст. (0, 305 Па) на высоте 100 км и лишь до 1 х 10^-6 мм рт.ст (1,3 х 10^-4 Па) на высоте 200 км.

Условия жизни на поверхности Земли в части атмосферного ее «обеспечения» резко отличаются на больших высотах, т.е. на высотах стратосферы большинство жизненных форм Земли существовать без средств защиты не могут.

Рисунок 1.

		Вертикальный разрез атмосферы.
				Э к з о с ф е р а
800
700			Полярные сияния
600			в верхней ионосфере
500																		1,9*10-8
400	В ы с о т а , км															Д а в л е н и е , мм рт. ст.		3,8*10-8
300																		1,4+10-7
250																		2,2*10-7
200				Т е р м о с ф е р а														3*10-7
180																		1*10-6
160				Полярные сияния														2*10-6
140				в нижней ионосфере														7*10-6
120																		4*10-5
100																		0,0004
80				М е з о п а у з а														0,01
						Серебристые облака												0,06
60				М е з о с ф е р а											Слой озона			0,2
																		0,8
40																		2,4
				С т р а т о с ф е р а														9,5
20																		42
					Тропопауза													210
0				Т р о п о с ф е р а														760
				У р о в е н ь м о р я
-10
							Температура, град. С