6

А т м о с ф е р а состав и строение атмосферы

1. Понятие об атмосфере.

2. Газовый состав и аэрозольные примеси.

3. Строение атмосферы.

4. Значение атмосферы в развитии географической оболочки.

1.Атмосфера – воздушная газовая оболочка земли, которая принимает участие во вращении Земли и находится во взаимодействии с остальными оболочками нашей планеты.

Изучение атмосфер Марса, Венеры показали, что атмосфера находится в химическом равновесии с поверхностными породами. Равновесие определяется целым рядом факторов (плотность и температура пород). Если бы на Земле температура была бы как на Венере, то углерод выделился в виде углекислого газа в атмосферу и состав атмосферы был бы близок к составу ее на Венере.

Воздух проникает вглубь Земли и распространяется вверх до высоты 20000 км. Воздух, в отличие от воды сжимаем, поэтому с высотой плотность его убывает и атмосфера постепенно сходит на нет без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних пяти километрах. Атмосферные процессы наиболее изучены в нижних слоях атмосферы (в 10-20 км толще, прилегающей к земной поверхности). Изучением атмосферных процессов в этой толще занимаются науки метеорология и климатология. Изучением атмосферных процессов в высоких слоях атмосферы занимается аэрономия. В последние десятилетия здесь достигнуты определенные успехи (спутники, радиозонды и другие, более совершенные приборы). Сейчас ни у кого не вызывает сомнения, что процессы, происходящие в высоких слоях атмосферы, оказывают влияние на процессы в нижних слоях атмосферы. Но еще не все связи прослежены и потребуется много лет на установление всех закономерностей.

Все атмосферные процессы проходят под воздействием процессов, происходящих в космосе и на земной поверхности. Источником энергии атмосферных процессов в основном является солнечная радиация (солнечное излучение). Но солнечные лучи, проходя через атмосферу, больше нагревают непосредственно земную поверхность, чем воздух. Между земной поверхностью и атмосферой происходит обмен тепла (теплооборот) и воды (влагооборот).

Строение земной поверхности, ее рельеф (горы или равнины), характер растительности имеют значение и для движений воздуха (циркуляции атмосферы).

Наличие атмосферы является важным фактором для жизни на Земле и для разнообразных физических процессов, происходящих на земной поверхности (дефляция, абразия, морские течения).

2. Что же представляет собой качественная характеристика атмосферы?

Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом, в котором находятся во взвешенном состоянии жидкие и твердые частицы (твердых частиц крайне мало, но они играют значительную роль).

У земной поверхности сухой воздух состоит из азота – 78%, кислорода - 21%, аргона – 0,93%,, углекислого газа – 0,03%. На оставшиеся газы приходится 0,04%: криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон, йод, радон, метан, аммиак и др.

Все выше перечисленные газы при наблюдающихся в атмосфере температуре и давлении сохраняют газообразное состояние. Процентный состав сухого воздуха у земной поверхности остается постоянным. Существенно меняется только содержание углекислого газа. Его объемное содержание в воздухе промышленных центров, закрытых помещений в результате процессов горения, дыхания может возрастать до 0,1 –0,2%. Соответственно уменьшается содержание кислорода.

В состав атмосферного воздуха у земной поверхности входит водяной пар, т.е. вода в газообразном состоянии. Содержание водяного пара в воздухе меняется в незначительных пределах (от сотых долей процента до 4 %). Водяной пара непрерывно поступает в атмосферу в результате испарения с водных поверхностей, с влажной почвы, путем транспирации растений. На различных участках суши или океана и в разное время года водяной пар поступает в различных количествах. С водяным паром в воздухе и с его переходами из газообразного состояния в жидкое, твердое, связаны важнейшие процессы формирования погоды и особенности климата.

С высотой процентное содержание водяного пара в воздухе меняется. Поступает водяной пар от земной поверхности, поднимаясь вверх он конденсируется. Содержание водяного пара на высоте в десять раз меньше, чем у земной поверхности, а выше, на высоте 10 – 15 км – ничтожно малые величины. С высотой интересные изменения происходят в газовом составе воздуха.

До 100 км процентное содержание составных частей воздуха почти не меняется. Воздух находится до этой высоты в постоянном движении, хорошо перемешиваются по вертикали. Поэтому атмосферные газы не расслаиваются по плотности, в условиях спокойной атмосферы происходит расслоение.

На высотах 100 – 200 км начинается расслоение, хотя и слабое, но по-прежнему преобладает азот.

На высотах 200 – 1000 км преобладает кислород, причем в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетовой радиации Солнца при столкновении двухатомные молекулы кислорода разлагаются на заряженные атомы и удерживаются уже не притяжением Земли, а притяжением магнитного поля.

На высотах 1000 –2000 км атмосфера состоит из гелия, водорода, но преобладает атомарный водород.

На высоте более 2000 км преобладает атомарный водород.

Интересные количественные изменения с высотой отмечаются с озоном. У земной поверхности озон содержится в ничтожных количествах. С высотой его содержание возрастает: максимальное – на высоте 22-30 км, затем – опять уменьшается и на высоте около 60 км сходит на нет. Роль озонового экрана для планеты велика:

1.поглощение солнечной радиации и повышение температуры тех слоев атмосферы, в которых он находится;

2.задержка теплового излучения Земли, что предохраняет ее поверхность от охлаждения;

3.поглощение ультрафиолетовой радиации Солнца с длинами волн 0,15 – 0,29 микрон (мкр = 1\1000мм), которая губительно сказывается на живых организмах на Земле.

Кроме перечисленных выше газов в воздух у земной поверхности, в основном в районе больших городов, проникают и другие газы (окислы серы, углерода, фосфора и др.). За последние годы поступление окислов серы составляет более 5 млн тонн в год. Поступление окиси углерода в городах в городах, насыщенных автотранспортом, может достигать критических величин (регулировщики движения в Токио стояли в противогазах, в Лос-Анжелесе нет деревьев и более 20 тыс. долларов израсходовано на пластиковые деревья, В радиусе 30 км от Мончегорского никелевого комбината погибли сосновые леса, но сейчас леса восстанавливаются).

В состав атмосферы входят также аэрозольные (взвешенные) примеси (аэрозоли). К ним относятся: твердые частицы дыма, сажи, пепла, капельки кислот, частички морской соли, микроорганизмы (бактерии), пыльца, споры, космическая пыль (образуется около 1 млн тонн в год из межпланетного пространства и при сгорании метеоров в атмосфере), продукты искусственного радиоактивного распада, заражающие воздух при испытательных взрывах. Радиусы этих частичек колеблются от сотых, тысячных долей микрона до 5 мк. Поэтому они могут длительное время удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Удаляются из атмосферы они главным образом при выпадении осадков, когда присоединяются к капелькам и снежинкам.

Все аэрозольные примеси содержатся в наибольшем количестве в самых нижних слоях атмосферы, вблизи земной поверхности, которая является их источником. Особенно загрязнен аэрозольными примесями воздух больших городов: в 1 см3 воздуха здесь находятся десятки тысяч аэрозольных частиц (в 1 см3 воздуха над открытыми частями океанов – сотни частиц аэрозолей). Аэрозольные примеси способствуют возникновению туманов, смогов, проникают в легкие, отрицательно воздействуют на сердечно-сосудистую систему. В Лондоне велика смертность от воздействия смогов.

Аэрозольные примеси могут легко переноситься воздушными течениями на большие расстояния. Песчаная пыль, попадающая в воздух над Сахарой, выпадала неоднократно в больших количествах на территории Южной и Средней Европы. Дым лесных пожаров в Канаде переносился сильными воздушными течениями на высоте 8 – 13 км к берегам Европы. Дым и пепел больших вулканических извержений неоднократно распространялся в высоких слоях атмосферы на огромные расстояния, окутывая весь земной шар. Запыленность воздуха наблюдалась в течение нескольких месяцев после извержений. Радиоактивные продукты, попадающие в атмосферу при взрывах, распространяются в высоких слоях атмосферы над огромными пространствами земного шара.

3. Атмосфера состоит из нескольких концентрических сфер, отличающихся друг от друга или по температурным условиям, или по составу, или по иным характеристикам. Сферы разделены переходными слоями – паузами.

Тропосфера – это нижняя часть атмосферы до высоты 10 – 15км, в которой сосредоточено 75% всей массы атмосферы (до 5 км – 50%). Самый нижний тонкий слой тропосферы в несколько метров или десятков метров, непосредственно примыкающий к земной поверхности, называется приземным слоем. Здесь резко выражены изменения температуры в течение суток, сезонов, года. Слой от земной поверхности до высоты около 1000 м называется слоем трения. Отличительная особенность тропосферы – падение температуры с высотой в среднем на 0,65⁰С на каждые 100 м. В тропосфере содержится почти весь водяной пар, возникают почти все облака, происходит непрерывное перемешивание воздуха. Верхняя граница тропосферы различная над разными широтами и меняется в течение года и дня. В среднем годовом значении тропосфера простирается над полюсами до высоты 9 км, над умеренными широтами – 10-12 км, над экватором – 15-17 км. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности +26⁰С на экваторе, -23⁰С – над северным полюсом. Температура на верхней границе тропосферы над экватором –70⁰С, над северным полюсом - -55⁰С. Давление воздуха на верхней границе тропосферы в 5 – 6 раз меньше, чем у земной поверхности.

Переходный слой от тропосферы к выше лежащей стратосфере называется тропопаузой, толщина ее 1 – 2 км.

Стратосфера располагается до высоты 50 – 55 км. Температура в ней в среднем растет с высотой. Начиная с высоты 22 – 25 км температура резко возрастает и достигает величин +10⁰С - +30⁰С, т.к. на этих высотах располагается озоновый горизонт. Водяного пара в стратосфере крайне мало. Однако на высоте 20 – 25 км в высоких широтах наблюдаются перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью видны, так как освещаются Солнцем, находящимся за горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера отделяется от вышележащей сферы стратопаузой.

Мезосфера простирается приблизительно до высоты 80 км. Здесь температура с высотой падает от положительных значений у основания до отрицательных (несколько десятков градусов ниже нуля) на верхней границе. В результате быстрого падения температуры с высотой частицы движутся с большой скоростью (от 60км\час до нескольких сотен км\час), часто меняют направление своего движения. На высоте 75 – 80 км падение температуры сменяется новым повышением. Здесь наблюдаются летом серебристые облака, освещаемые Солнцем в ночные часы и состоящие из переохлажденного водяного пара. На верхней границе мезосферы давление воздуха в 200 раз меньше, чем у земной поверхности.

Таким образом, до высоты 80 км заключается 99,5% всей массы атмосферы.

Термосфера характеризуется высокими температурами. В пределах термосферы выделяют ионосферу до высоты 1000 км, выше располагается экзосфера, переходящая в земную корону.

В ионосфере воздух чрезвычайно разрежен, она характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. Содержание заряженных частиц здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную разреженность воздуха. Процесс ионизации воздуха заключается в том, что под действием ультрафиолетовой радиации Солнца при столкновении, из нейтральных молекул и атомов происходит выбивание электронов, в результате чего нейтральные молекулы и атомы преобразуются в заряженные частицы.

В ионосфере выделяются слои с максимальной ионизацией (слой Е на высоте 100 – 120 км, слой F на высоте 200 – 400 км). Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняется. Спорадические (временные) скопления электронов с особенно большой концентрацией носят название электронных облаков.

В прямой зависимости от степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. В ионосфере электропроводность воздуха в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы. Средние и короткие волны отражаются вышележащими слоями. Отражение волн в пределах ионосферы способствует установлению дальней связи на коротких волнах, которые неоднократно отражаются от слоев ионосферы, от земной поверхности и зигзагообразно распространяются на большие расстояния. В ионосфере наблюдаются полярные сияния и магнитные бури.

Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высоте 800 км температура равна 1000⁰С. При высокой температуре частицы движутся с большой скоростью, но плотность воздуха так мала, что летящий спутник не нагревается путем теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им солнечной радиации и отдачи его собственного излучения в окружающее пространство.

Между нижней границей ионосферы и земной поверхностью постоянно существует огромная разность потенциалов – около 400000 вольт (сеть – 220 вольт). Мы живем внутри огромного конденсатора, заряженными пластинами которого являются земная поверхность (отрицательный потенциал) и верхние слои атмосферы (положительный потенциал). Так как во всей толще атмосферы всегда присутствуют ионы, от верхних слоев атмосферы к Земле все время течет ток мощностью 7 х 108 ватт. При таком токе конденсатор земля – ионосфера разрядился бы за несколько минут. Вероятно, постоянно существующая разность потенциалов поддерживается грозами. Они разделяют отрицательные и положительные заряды. Отрицательные – при ударах молнии стекают к Земле, а положительные – уносятся вверх и растекаются по ионосфере.

Экзосфера располагается выше 1000 км, до высоты около 3000 км, а выше выделяют земную корону с нечетко выраженной границей. Скорости движения частиц в экзосфере большие, значительная разреженность воздуха. Отдельные частицы достигают скорости 11,2 км\сек, преодолевают силу притяжения Земли и “ускользают» в мировое пространство. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния.

Водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, которая простирается до высоты 20000 км. Плотность газа в короне ничтожно мала: в 1 см3 около 1000 частиц, а в межпланетном пространстве, за пределами короны – около 100 частиц.

Значение атмосферы в развитии географической оболочки

1.Атмосфера сохраняет тепло, которое Земля получает от Солнца, при смене дня и ночи не бывает резких переходов в температурах, как на Луне.

2.Атмосфера предохраняет Землю от бомбардировки метеоритами, космическими частицами, спасает от ультрафиолетовой радиации все организмы на планете.

3.В атмосфере образуются облака, осадки, ветер. Рассеиваются солнечные лучи, в результате чего создается постепенный переход от света к тени (сумерки).

4.Атмосфера является средой развития и обитания организмов на планете и продуктом их жизнедеятельности. В течение года атмосфера проходит через живые организмы в процессе дыхания, фотосинтеза.

5.Благодаря способности воздуха распространять звук, существует радиосвязь