§ 19. Склад і будова атмосфери. Нагрівання атмосфери

Склад атмосфери. Наша Земля обкутана повітряною оболон­кою, яку називають атмосферою. Складається вона із суміші газів: азоту — 78% (за об'ємом), кисню — 21%, аргону, гелію, криптону, неону і вуглекислого газу—1%. Процентне співвідношення газів у нижніх шарах атмосфери постійне. Деякі зміни спостерігаються у вмісті вуглекислого газу. Над Аркти­кою і Антарктидою, а також над водами океанів його менше, ніж над густонаселеними областями материків.

Винятково велике значення кисню в життєвих процесах на Землі. За допомогою його здійснюється дихання. Дихають усі організми. Дихає й людина, використовуючи не менше 13 м³ повітря на добу. Кисень входить до складу білків, жирів і вуг­леводів. За рахунок окислення організми одержують енергію, необхідну для життєвих процесів. Основним постачальником кисню є рослини.

Азот в атмосфері відіграє роль розріджувача кисню. Він регулює темп окислення, хід біологічних процесів.

Потрібен рослинам і вуглекислий газ, який вони поглинають. Вуглекислий газ легко розчиняється у воді. Крім того, він один з регуляторів тепла в атмосфері.

В атмосфері в тій чи іншій кількості завжди є домішки: вода в трьох станах і пил. Вміст води в атмосфері залежить від тем­ператури: чим вища температура повітря, тим більше в ньому може вміщуватися водяної пари.

Наявність води в атмосфері визначає багато явищ, які в ній відбуваються: серпанок, туман, хмари, опади, грози тощо.

Багато пилу надходить в атмосферу від вулканічних вивер­жень, з поверхні суші, в результаті діяльності людини.

Будова атмосфери. З фізики відомо, що гази стискаються, тому атмосфера щільніша коло поверхні Землі. З підняттям угору щільність її зменшується. На висоті 5,5 км вона стано­вить половину, на висоті 10—11 км — четверту частину порів­няно з тією, що коло поверхні Землі. Людина може жити до ви­соти 4—5 км.

Вивчення атмосфери показало, що її будова шарувата. Ниж­ній шар атмосфери називають тропосферою. Він поши­рюється до висоти 17 км над екватором і 8 км над полюсами. У цьому шарі зосереджено майже ³/₄ усієї маси атмосфери, в ньому безперервно рухається повітря як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямах. У тропосфері міститься майже вся вода, в ній відбуваються погодні процеси: утворюються хма­ри, тумани, випадають опади, бувають грози. Температура по­вітря в цьому шарі знижується з висотою в середньому на 0,6° на кожні 100 м і на верхній межі досягає — 70° С.

Вище тропосфери розміщений шар стратосфери, верх­ня межа якого знаходиться на висоті 50—60 км. Щільність і тиск у ньому незначні. Розріджене повітря складається з тих самих газів, що і в тропосфері, але в ньому значно більше озону. Найбільша концентрація озону спостерігається на висоті 15— 30 км. Температура в стратосфері підвищується і на її верхній межі досягає плюс 10—30° С. Це пояснюється тим, що озон по­глинає частину сонячної енергії. Вище від стратосфери розміщені дуже розріджені шари повітря.

Значення атмосфери в житті нашої планети дуже велике. Без атмосфери планета була б мертвою. Атмосфера уберігає по­верхню Землі від сильного нагрівання й охолодження. Завдяки атмосфері працюють засоби зв'язку. У ній спостерігаються по­годні явища, з якими пов'язана вся діяльність людини.

Вивчають атмосферу на метеорологічних станціях. І вдень і вночі, в будь-яку погоду метеорологи ведуть спостере­ження за станом нижнього шару атмосфери. Чотири рази на до­бу, а на багатьох станціях щогодини вимірюють температуру, тиск, вологість повітря, спостерігають за хмарністю, напрямом і швидкістю вітру, кількістю опадів, електричними й звуковими явищами в атмосфері. Метеорологічні станції збудовано всюди: на безлюдному материку Антарктиди і у вологих тропічних лісах, на високих горах і просторах тундри. Ведуть спостере­ження і на океанах, на спеціально збудованих кораблях по­годи.

З 30-х років нашого століття ведуть спостереження у більш високих шарах атмосфери. Почали запускати радіозонди, які піднімаються на висоту 20—30 км і за допомогою радіопередатчиків посилають на Землю відомості про температуру, тиск, во­логість повітря і швидкість вітру.

Тепер широко використовують метеорологічні ракети і супут­ники, на яких є установки для фотографування земної поверхні та хмар.

1961 р. ознаменувався новими успіхами у вивченні верхніх шарів атмосфери. 12 квітня 1961 р. перший космонавт світу Юрій Олексійович Гагарін здійснив політ навколо Землі. З цих пір космічні кораблі і станції, які літають на великих висотах, дають нам уявлення про процеси, що відбуваються далеко від Землі.

Розподіл тепла на земний поверхні. Сонце — основне джерело тепла й світла на Землі. Ця велетенська газова куля з темпера­турою на поверхні майже 6000° С випромінює велику кількість енергії, яку називають сонячною радіацією. Вона на­гріває нашу Землю, приводить у рух повітря, утворює кругово­рот води, створює умови для життя рослин і тварин.

Проходячи через атмосферу, частина сонячної радіації поглинається, частина розсіюється і відбиваєть­ся. Тому потік сонячної радіації, приходячи до поверхні Землі, поступово слабшає.

Сонячна радіація надходить на поверхню Землі прямою і роз­сіяною. Пряма радіація — це потік паралельного промін­ня, яке йде безпосередньо від диску Сонця. Розсіяна ра­діація надходить з усього небозводу. Вважається, що надхо­дження тепла від Сонця на 1 га Землі рівнозначне спалюванню майже 143 тис. т вугілля.

Сонячне проміння, проходячи через атмосферу, мало її нагрі­ває. Нагрівається атмосфера від поверхні Землі, яка, погли­наючи сонячну енергію, перетворює її на теплову. Частинки по­вітря, стикаючись із нагрітою поверхнею, одержують тепло й відносять його в атмосферу. Так нагріваються нижні шари атмосфери. Очевидно, чим більше одержує поверхня Землі со­нячної радіації, тим сильніше вона нагрівається, тим сильніше нагрівається від неї повітря.

Температуру повітря вимірюють термометрами (ртут­ними і спиртовими). Спиртові термометри застосовують, коли температура повітря буває нижчою за —38° С. На метеорологіч­них станціях термометри вміщують в особливій будці, збудова­ній з окремих, розміщених під певним кутом пластинок (жалюзей), між якими вільно циркулює повітря. Пряме сонячне про­міння не потрапляє на термометри; таким чином, температуру повітря вимірюють у тіні. Сама будка знаходиться на висоті 2 м від земної поверхні.

Численні спостереження за температурою повітря показали, що найвища температура спостерігалася в м. Тріполі (Африка; + 58° С), найнижча — на станції Восток в Антарктиді (—87,4° С).

Надходження сонячного тепла і розподіл температури повіт­ря залежить від широти місця. У тропічну область по­трапляє більше тепла від Сонця, ніж у помірні й полярні широ­ти. Найбільше тепла одержують екваторіальні області.

Другий важливий фактор — розподіл суші і води. Вода — теплоємне тіло. Теплоємність води в два рази більша від теплоємності порід, з яких складається суша. Тому вода значно повільніше нагрівається і повільніше остигає.

Океани в тропічних широтах являють собою своєрідні нагромаджувачі тепла на Землі. Суша швидше нагрівається і швидше остигає. Над океанами спостерігається плавний хід як добових, так і річних температур, на суші спостерігаються їх різкі зміни.

Вплив океану і суші можна проілюструвати такими даними: різниця в температурі (амплітуда) між найтеплішим і найхолоднішим місяцями для Лондона — 14°, Москви — 28°, Свердловська — 33°, Якутська — 62°.

Великий вплив на розподіл тепла мають морські течії. Теплі течії сприяють підвищенню температури, холодні — зни­женню. Так, води північної частини Антлантичного океану коло берегів Європи, де проходить тепла Північно-Атлантична течія, ніколи не замерзають, на берегах Скандінавського півострова ростуть ліси, тоді як на цих самих широтах коло берегів Північ­ної Америки Атлантичний океан замерзає, а півострів Лабрадор вкритий тундрою.

Крім того, температура повітря залежить від висоти міс­цевості над рівнем моря. На кожні 100 м температура в середньому знижується на 0,6°. Ось чому на високих горах сніг не тане навіть влітку, утворюючи величезні площі льодовиків.

ызотерми сычня рис 16

Отже, розподіл температури повітря над поверхнею Землі залежить від широти місця, розподілу суші й води, морських течій, від висоти місця над рівнем моря і віддаленості від моря.

Розподіл тепла на земній поверхні можна добре простежити за картами ізотерм. Ізотерми — лінії, які сполучають місця з однаковою середньою температурою. У навчальній практиці частіше користуються ізотермами липня (найтеплішого місяця в північній півкулі) і січня (найхолоднішого).

Якби розподіл температури залежав тільки від широти місця, то ізотерми були б паралельні екватору. На карті січневих ізотерм (рис. 16) можна помітити вигини, а в окремих місцях — замкнуті криві. Так, у межах Східного Сибіру замкнуті ізотер­ми —50°, —40°, —30°. Це найхолодніші місця в північній пів­кулі. Вигини ізотерм є й над океанами (північна частина Атлан­тичного і Тихого океанів). Океани взимку тепліші, ніж матери­ки, тому, що вони взимку менше охолоджуються і температура повітря над ними вища.

У південній півкулі хід ізотерм плавніший. Це пов'язано з тим, що підстилаюча поверхня тут більш однорідна — вода океанів. Найвищі температури (+30 ) спостерігаються на мате­риках: в Австралії, Південній Америці. Це найтепліші місця в січні

Липневі ізотерми (рис. 17) показують розподіл тепла в найтепліший місяць для північної півкулі і в найхолодніший — для південної.

Замкнуті ізотерми +30°, +32° (найвищі температури) обме­жовують Північну Африку, Аравію, Центральну Азію, Середню Азію. По середній частині Евразії проходить ізотерма +20°. Примітна ізотерма + 10°, її хід збігається з південною межею тундри. Океани в лип­ні холодніші, ніж материки.

Запитання. 1. Який склад атмосфери? 2. Яка роль окремих газів в атмо­сфері? 3. Чому атмосфера не «відлітає» від земної поверхні? 4. Яка будова атмосфери? 5. Як вивчають атмосферу? 6. Як нагрівається атмосфера? 7. Як розподіляється тепло на земній поверхні?

Вправи. 1. Проведіть протягом дня (в ясну й похмуру погоду) щогодинні спостереження за температурою повітря. Складіть графіки ходу температур, проаналізуйте хід температур у ясну й похмуру погоду.

2. Літак летить на висоті 10 км, температура повітря на аеродромі +20° С. Яка температура повітря на висоті польоту літака?

3. За кліматичною картою світу накресліть графік змін річної амплітуди температури по 50° пн. ш. на материку Євразія.

4. За картами ізотерм липня і січня визначте найтепліші і найхолодніші місця на Землі. Спробуйте пояснити, чому якраз у цих місцях спостерігаються най­нижчі і найвищі температури.

5. Простежте хід ізотерми 0° у січні, поясніть її хід. У південній півкулі в цей час літо.