3.3. Атмосфера

3.3.1. Состав и строение атмосферы. Нагревание атмосферы

Состав атмосферы. Наша Земля окутана воздушной оболоч­кой, которую называют атмосферой. Состоит она из смеси газов: азота — 78% (по объему), кислорода — 21%, аргона, гелия, криптона, неона и углекислого газа — 1%. Процентное соотноше­ние газов в нижних слоях атмосферы постоянно. Некоторые изме­нения наблюдаются в содержании углекислого газа. Над Арктикой и Антарктидой, а также над водами океанов его меньше, чем над густонаселенными областями материков.

Исключительно велико значение кислорода в жизненных про­цессах на Земле. При помощи его осуществляется дыхание. Дышат все организмы. Дышит и человек, используя не менее 13 куб. м воздуха в сутки. Кислород входит в состав белков, жиров и углеводов. За счет окисления организмы получают энергию, необходимую для жизненных процессов. Основным поставщиком кислорода являются растения.

Азот в атмосфере играет роль разбавителя кислорода. Он регулирует темп окисления, ход биологических процессов.

Нужен для растений и углекислый газ, который они поглоща­ют. Углекислый газ легко растворяется в воде. Кроме того, он один из регуляторов тепла в атмосфере.

В атмосфере всегда находятся в том или ином количестве примеси: вода в трех состояниях и пыль. Содержание воды в атмосфере зависит от температуры: чем выше температура воздуха, тем больше в нем может содержаться водяного пара.

Наличие воды в атмосфере определяет многие явления, на­блюдаемые в ней: дымку, туман, облака, осадки, грозы и др.

Много пыли поступает в атмосферу от вулканических извер­жений, с поверхности суши, в результате деятельности человека.

Строение атмосферы. Из физики известно, что газы сжимае­мы, поэтому атмосфера более уплотнена у поверхности Земли. С поднятием вверх плотность ее уменьшается. На высоте 5,5 км она составляет половину, на высоте 10—11 км — четвертую часть по сравнению с поверхностью Земли. Человек может жить до вы­соты 4—5 км.

Изучение атмосферы показало, что ее строение слоистое. Нижний слой атмосферы называют тропосферой. Он распро­страняется до высоты 17 км над экватором и 8 км над полюсами. В этом слое сосредоточено почти 3/4 всей массы атмосферы, в нем непрерывно движется воздух как в вертикальном, так и в гори­зонтальном направлении. В тропосфере содержится почти вся вода, в ней происходят погодные процессы: облака, туманы, выпадение осадков, грозы. Температура воздуха в этом слое понижается с высотой в среднем на 0,6° на каждые 100 м и на верхней границе достигает — 70° С.

Выше тропосферы расположен слой стратосферы, верх­няя граница которого находится на высоте 50—60 км. Плотность и давление в нем незначительны. Разреженный воздух состоит из тех же газов, что и в тропосфере, но в нем значительно боль­ше озона. Наибольшая концентрация озона наблюдается на вы­соте 15—30 км. Температура в стратосфере повышается и на ее верхней границе достигает плюс 10—30° С. Это объясняется тем, что озон поглощает часть солнечной энергии. Выше стратосферы расположены сильно разреженные слои воздуха.

Значение атмосферы в жизни нашей планеты очень велико. Без атмосферы планета была бы мертва. Атмосфера предохра­няет поверхность Земли от сильного нагревания и охлаждения. Благодаря атмосфере работают средства связи. В ней наблю­даются погодные явления, с которыми связана вся человеческая деятельность.

Изучение атмосферы проводится на метеорологических станциях. И 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 построены всюду: на безлюдном материке Антарктиды и во влажнотропических лесах, на высоких горах и просторах тундры. Ведут наблюдения и на океанах, на специально построенных кораблях погоды.

С 30-х годов нашего столетия начали вести наблюдения в бо­лее высоких слоях атмосферы. Стали запускать радиозонды, которые поднимаются на высоту 20—30 км и при помощи радио­передатчиков посылают на Землю сведения о температуре, давлении, влажности воздуха и скорости ветра.

Ныне широко используют метеорологические ракеты и спут­ники, которые имеют установки для фотографирования земной поверхности и облаков.

1961 г. ознаменовался новыми успехами в изучении верхних слоев атмосферы. 12 апреля 1961 г. первый космонавт мира Юрий Алексеевич Гагарин совершил полет вокруг Земли. С этих пор космические корабли и станции, совершающие полеты на больших высотах, дают картину процессов, происходящих дале­ко от Земли.

Распределение тепла на земной поверхности. Солнце являет­ся основным источником тепла и света на Земле. Этот огромный газовый шар с температурой на поверхности около 6000°С излу­чает большое количество энергии, которую называют солнеч­ной радиацией. Она нагревает нашу Землю, приводит в дви­жение воздух, образует круговорот воды, создает условия для жизни растений и животных.

Проходя через атмосферу, часть солнечной радиации по­глощается, часть рассеивается и отражается. По­этому поток солнечной радиации, приходя к поверхности Земли, постепенно ослабевает.

Солнечная радиация поступает на поверхность Земли прямой и рассеянной. Прямая радиация представляет ноток парал­лельных лучей, идущих непосредственно от диска Солнца. Рас­сеянная радиация поступает со всего небосвода. Считается, что поступление тепла от Солнца на 1 га Земли равнозначно сжиганию почти 143 тыс. т угля.

Солнечные лучи, проходя через атмосферу, мало ее нагревают. Нагревание атмосферы происходит от поверхности Земли, кото­рая, поглощая солнечную энергию, превращает ее в тепловую. Частицы воздуха, соприкасаясь с нагретой поверхностью, полу­чают тепло и уносят его в атмосферу. Так нагреваются нижние слои атмосферы. Очевидно, чем больше получает поверхность Земли солнечной радиации, тем сильнее она нагревается, тем сильнее нагревается от нее воздух.

Температуру воздуха измеряют термометрами (ртутными и спиртовыми). Спиртовые термометры применяют, когда тем­пература воздуха бывает ниже — 38° С. На метеорологических станциях термометры помещают в особой будке, построенной из отдельных, расположенных под определенным углом пластинок (жалюзи), между которыми свободно циркулирует воздух. Пря­мые солнечные лучи не попадают на термометры, таким образом, температуру воздуха измеряют в тени. Сама будка находится на высоте 2 м от земной поверхности.

Многочисленные наблюдения за температурой воздуха пока­зали, что самая высокая температура наблюдалась в г. Триполи (Африка) (+ 58° С), самая низкая — на станции Восток в Ан­тарктиде (—87,4° С).

Поступление солнечного тепла, и распределение температуры воздуха зависит от широты места. Тропическая область получает больше тепла от Солнца, чем умеренные и полярные ши­роты. Больше всего тепла получают экваториальные области.

Второй важный фактор — распределение суши и воды. Вода — теплоемкое тело. Теплоемкость воды в два раза больше теплоемкости пород, слагающих сушу. Поэтому вода значитель­но медленнее нагревается и медленнее остывает. Океаны в тропических широтах представляют собой своеобразные накопители тепла на Земле. Суша быстрее нагревается и быстрее остывает. Над океанами наблюдается плавный ход как суточных, так и го­довых температур, на суше наблюдаются их резкие изменения.

Влияние океана и суши можно проиллюстрировать следующи­ми данными: разница в температуре (амплитуда) между самым теплым и холодным месяцами для Лондона — 14°, Москвы — 28°, Свердловска — 33°, Якутска — 62°.

Большое влияние на распределение тепла оказывают мор­ские течения. Теплые течения способствуют повышению тем­пературы, холодные — понижению. Так, воды северной части Атлантического океана у берегов Европы, где проходит теплое течение Гольфстрим, никогда не замерзают, на берегах Сканди­навского полуострова растут леса, тогда как на этих же широтах у берегов Северной Америки Атлантический океан замерзает, а полуостров Лабрадор покрыт тундрой.

Кроме того, температура воздуха зависит от высоты ме­ста над уровнем моря. На каждые 100 м температура в среднем понижается на 0,6°. Вот почему на высоких горах снег не стаивает даже летом, образуя огромные площади ледников.

Итак, распределение температуры воздуха над поверхностью Земли зависит от широты места, распределения суши и воды, морских течений, от высоты места над уровнем моря и удален­ности от моря.

Наглядно распределение тепла на земной поверхности можно проследить по картам изотерм. Изотермы — линии, соединяю­щие места с одинаковой средней температурой. В учебной прак­тике чаще пользуются изотермами июля (самого теплого месяца для северного полушария) и января (самого холодного).

Если бы распределение тепла зависело только от широты места, то изотермы были бы параллельны экватору. Посмотрев на карту январских изотерм, можно увидеть изгибы, а в отдельных местах замкнутые кривые. Так, в пределах Восточ­ной Сибири замкнутые изотермы —50°, —40°, —30°. Это самые холодные места в северном полушарии. Изгибы изотерм есть и над океанами (северная часть Атлантического и Тихого океанов). Океаны зимой теплее, чем материки, так как они зимой меньше охлаждаются и температура воздуха над ними выше.

В южном полушарии ход изотерм более плавный, это связано с тем, что подстилающая поверхность здесь более однородна — вода океанов. Самые высокие температуры (+ 30°) наблюдаются на материках: в Австралии, Южной Америке. Это самые теплые места в январе.

Июльские изотермы показывают распределение тепла в самый теплый месяц для северного полушария и холод­ный — для южного.

Замкнутые изотермы +30°, +32° (самые высокие температу­ры) ограничивают Северную Африку, Аравию, Центральную Азию, на территории нашей страны Среднюю Азию. По средней части России проходит изотерма +20°. Примечатель­на изотерма +10°, ее ход совпадает с южной границей тундры. Океаны в июле холоднее, чем материки.

Вопросы и задания.

1. Каков состав атмосферы?

2. Какова роль отдельных газов в атмосфере?

3. Почему атмосфера не «улетает» от земной поверхности?

4. Каково строение атмосферы?

5. Как изучают атмосферу?

6. Как нагревается атмосфера?

7. Как распределяется тепло на земной поверхности?

Упражнения.

1. Проведите в течение дня (в ясную и пасмурную погоду) ежечасные наблюдения за температурой воздуха. Составьте графики хода температур, сделайте анализ хода температур в ясную и пасмурную погоду.

2. Самолет летит на высоте 10 км, температура воздуха на аэродроме +20°С. Какова температура воздуха на высоте полета самолета?

3. По климатической карте мира начертите график изменения годовой амплитуды, по 50° с.ш. на материке Евразия.

4. По картам изотерм июля и января определите самые теплые и холодные места на Земле. Попытайтесь объяснить, почему именно в этих местах наблюдаются самые низкие и самые высокие температуры.

5. Проследите ход изотермы 0° в январе, объясните ее ход.