Вопрос 4 Воздушная оболочка Земли( Атмосфера Земли)

Атмосфера — это воздушная оболочка Земли, которая состоит из смеси газов (воздуха), водяного пара и примесей (аэрозолей). Воздух у земной поверхности содержит (по объему) более 78% азота N2, около 21% кислорода 02 и менее 1% остальных газов, в том числе 0,93% аргона Ar и 0,03% диоксида углерода CÜ2 [11, 19, 32]. Состав его почти везде одинаков и благодаря перемешиванию сохраняется до высоты 90-100 км, а выше преобладают более легкие газы. Вследствие фотохимических реакций на высоте 20-30 км образуется слой повышенного содержания озона О3-озоновый экран, который задерживает губительную для живых организмов ультрафиолетовую радиацию. Количество водяного пара с удалением от поверхности быстро падает. На высоте 2 км его в 2 раза меньше, чем у поверхности, а выше 70-80 км он практически отсутствует. В атмосфере присутствуют твердые и жидкие примеси (пыль, сажа, пепел, кристаллики льда и морской соли, капельки воды, микроорганизмы, пыльца растений и пр.).  В соответствии с изменением температуры с высотой выделяют: тропосферу (до 15-17 км в тропиках и до 8-9 км над полюсами), стратосферу (до 50-55 км), мезосферу (до 80—82 км) итермосферу, постепенно переходящую в межпланетное пространство. В тропосфере и мезосфере температура с высотой понижается, а в стратосфере и термосфере, наоборот, повышается (рис. 8.3). По степени ионизации в атмосфере выделяют нейтросферу (до высоты 80-100 км) и сильно ионизированный слой -ионосферу (выше 80-100 км).  Тропосфера содержит 4/5 всей массы атмосферного воздуха. Здесь образуются облака и выпадают осадки. Атмосфера получает наибольшее количество теплоты от отраженной земной поверхностью солнечной радиации. Поэтому в тропосфере температура воздуха с высотой обычно понижается. Но если земная поверхность отдает воздуху больше теплоты, чем за то же время получает, она охлаждается, от нее охлаждается и воздух над ней, и в этом случае температура воздуха с высотой повышается. Это можно наблюдать летом в ночное время, зимой - над снежной поверхностью.  Средняя температура воздуха в нижнем двухметровом слое для всей Земли составляет +14 °С. Температура воздуха изменяется в течение суток и в течение года. В суточном ее ходе наблюдаются один максимум (после полудня) и один минимум (после восхода Солнца). От экватора к полюсам суточные амплитуды колебания температуры убывают; над сушей они всегда больше, чем над океаном. Амплитуды годовых колебаний температуры воздуха возрастают с увеличением широты; на экваторе они меньше суточных (1—2 °С над океаном и до 5 °С над сушей), в умеренных широтах от 10—15 °С над океаном до 60 °С и более над сушей; в полярных широтах годовые колебания температуры достигают 30-40 °С.  На Земле выделяют тепловые пояса, границы которых зависят от высоты Солнца, продолжительности дня, характера земной поверхности, переноса теплоты воздушными и океаническими течениями. Границы жаркого пояса экваториальных широт, где средняя годовая температура не опускается ниже +20 °С, совпадают с границами распространения пальм на суше и кораллов в океане. К жаркому поясу с севера и юга примыкают умеренные пояса, где средняя температура самых теплых месяцев - июля в Северном полушарии и января в Южном - составляет +10 °С. Это граница распространения лесов. В двух холодных поясах средняя температура самого теплого месяца колеблется между +10 °С и О °С. Это граница распространения тундры. За ней располагаются лежащие у полюсов пояса мороза, где средняя температура самого теплого месяца ниже 0 °С.  Давление атмосферы на подстилающую поверхность составляет в среднем 1,033 кг на 1 см2 (больше 10 т на 1 м2). Давление измеряется в миллиметрах ртутного столба, миллибарах и гектопаскалях (0,75 мм рт. ст. = 1 мб = 1 гПа). Максимальное атмосферное давление 816 мм рт. ст. зарегистрировано зимой в Туруханске, а минимальное - 641 мм рт. ст. — в урагане «Нэнси» над Тихим океаном. С высотой давление понижается: на высоте 5 км оно в 2 раза ниже нормального, на высоте 20 км - в 18 раз. Изменение давления объясняется перемещением воздуха вследствие его нагревания и охлаждения. Нагреваясь от поверхности, воздух расширяется и устремляется вверх. Достигнув высоты, на которой его плотность оказывается больше плотности окружающего воздуха, он растекается в стороны. Поэтому давление на теплую поверхность понижается, а на соседние участки - увеличивается.  В экваториальных широтах давление всегда пониженное, так как нагревающийся от поверхности воздух поднимается и уходит в сторону тропических широт, создавая там область повышенного давления. Над холодной поверхностью в Арктике и Антарктиде давление повышенное. Его создает воздух, приходящий из умеренных широт на место уплотнившегося холодного воздуха. Отток воздуха в полярные широты - причина понижения давления в умеренных широтах. В результате формируются пояса пониженного (экваториальный и умеренные) и повышенного (тропические и полярные) давления.  Воздух перемещается в горизонтальном направлении (ветер). Средняя многолетняя скорость ветра у земной поверхности 4— 9 м/с. Максимальная наблюдается у побережья Антарктиды -22 м/с с порывами до 100 м/с. С высотой скорость ветра возрастает, достигая сотен метров в секунду. Направление ветра определяется той стороной горизонта, с которой он дует, и зависит от распределения давления и отклоняющего действия вращения Земли. Воздух стремится перемещаться от большего давления к меньшему по кратчайшему пути, отклоняясь влево в Южном полушарии и вправо - в Северном (рис. 8.4). Схема поясов господствующих ветров осложняется влиянием материков и океанов, формированием сезонных минимумов и максимумов давления над сушей. На границе материков и океанов ветры зимой дуют с материка на океан, летом - с океана на материк (муссонные ветры). В зависимости от характера рельефа, растительности, водоемов возникают местные ветры (бризы, фен, бора и т.д.).  В тропосфере постоянно образуются вихри из-за различного атмосферного давления и отклоняющего действия вращения Земли. В замкнутой области пониженного давления воздух устремляется к центру, отклоняясь вправо в Северном полушарии и влево - в Южном. В центре он поднимается и растекается в стороны, тоже отклоняясь. Образуется восходящий вихрь - циклон, а у поверхности формируется область пониженного давления с циклической системой ветров (от периферии к центру). В замкнутой области повышенного давления формируется нисходящий вихрь - антициклон, а у поверхности - область повышенного давления с антициклической системой ветров (от центра к периферии). Циклоны и антициклоны особенно часто возникают в умеренных широтах. Диаметр их достигает 3—4 тыс. км при высоте до 18-20 км. Циклоны, возникающие в тропических широтах (тайфуны, ураганы), отличаются большей скоростью ветра. Разрушительной силой обладают сравнительно небольшие вихри (смерчи и торнадо).  Вода в атмосфере содержится в виде пара, капелек и кристалликов. Процентное отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к тому количеству, которое может содержаться при данной температуре, именуется относительной влажностью. Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может содержать. Водяной пар поступает в атмосферу в результате испарения с поверхности. При понижении температуры в атмосфере может начаться конденсация, которая проявляется в виде росы, инея, тумана, облаков. Различают облака перистые (облака верхнего яруса — выше 6000 м; они полупрозрачные, ледяные; осадки из них не выпадают); слоистые (среднего яруса - от 2000 до 6000 м и нижнего - менее 2000 м), которые в основном и дают осадки, обычно длительные, обложные; кучевые (могут образовываться в нижнем ярусе и достигать очень большой высоты; с ними связаны ливни, град, грозы). Наибольшая облачность наблюдается в областях пониженного давления; наименьшая - в областях повышенного давления. Над океаном она больше, чем над сушей, так как здесь в воздухе больше влаги. Абсолютный максимум облачности - над Северной Атлантикой, абсолютный минимум - над Антарктидой и тропическими пустынями. Облака задерживают солнечную радиацию, идущую к земной поверхности, отражают и рассеивают ее, а также задерживают тепловое излучение земной поверхности.  Выпадающие осадки могут быть жидкими (дождь) и твердыми (снег, крупа, град). Осадки измеряются слоем воды (в миллиметрах), который образуется, если выпавшая вода не стекает и не испаряется. В среднем за год на Землю выпадает 1130 мм осадков, из них почти половина - в экваториальных широтах. В направлении от экваториальных широт к тропическим количество осадков убывает. В умеренных широтах их количество снова увеличивается, в полярных - убывает. Над океаном осадков выпадает больше, чем над сушей, над холодными течениями осадков меньше, чем над теплыми. На характер распределения осадков на суше влияют удаленность от океана и рельеф земной поверхности. Больше всего осадков на наветренных склонах гор, с высотой их количество убывает, причем выше снеговой линии твердые осадки не успевают таять и накапливаются в виде снежников и ледников. Благодаря малой теплопроводности снег предохраняет почву от промерзания, растения — от гибели; в нем накапливаются запасы воды, расходуемые летом. Талые воды пополняют запасы грунтовых вод, озер и рек. Абсолютный максимум осадков зарегистрирован в Черапунджи (Индия) - 26 461 мм/год, абсолютный минимум - в пустынях Атакама и Ливийская, где осадки выпадают не каждый год. Но только по количеству выпадающих осадков нельзя судить об обеспеченности территории влагой - увлажнении. Необходимо учитывать возможное испарение (испаряемость), которое зависит от количества солнечной радиации: чем радиации больше, тем больше может испариться влаги. По степени увлажнения выделяются влажные (гумидные) и сухие (аридные) области.  Атмосфера Земли представляет собой взаимосвязанную систему движущихся объемов воздуха. Большие объемы воздуха в тропосфере, обладающие примерно одинаковыми свойствами, называются воздушной массой. Для нее характерно общее направление перемещения. Свои свойства (температуру, влажность, запыленность) воздушная масса приобретает, соприкасаясь с подстилающей поверхностью, над которой задерживается. Выделяются главные (зональные) типы воздушных масс, формирующиеся в широтных поясах с разным атмосферным давлением: экваториальная - теплая и влажная; две тропические - теплые и над материками сухие; две воздушные массы умеренных широт - менее теплые и более влажные, чем тропические, но более теплые и влажные, чем арктическая и антарктическая; арктическая и антарктическая - холодные и сухие. Кроме поясов постоянного пребывания воздушных масс возникают пояса, в которых зимой господствует одна воздушная масса, летом - другая. Например, умеренный воздух формируется из тропического и арктического (антарктического).  Все воздушные массы связаны между собой общей циркуляцией в тропосфере. Внутри главных (зональных) типов воздушных масс существуют континентальный (материковый) и океанический (морской) подтипы. Главными факторами циркуляции выступают лучистая энергия Солнца, вращение Земли вокруг оси и характер земной поверхности.  Для анализа процессов и явлений разного пространственно-временного масштаба, происходящих в атмосфере, существенны такие понятия, как погода и климат. Погода — состояние атмосферы в данной местности в данный момент или за какой-то промежуток времени (сутки, неделю, месяц).Погода характеризуется элементами (температура воздуха, влажность, давление) и явлениями (ветер, облака, атмосферные осадки). Иногда явления погоды носят необычайный или катастрофический характер: ураганы, грозы, ливни, засухи. Главные причины изменения погоды - изменение количества солнечного тепла, перемещение воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов.  Климат — это многолетний режим погоды, характерный для какой-либо местности. Он проявляется в закономерной смене всех наблюдаемых в этой местности погод. Как и погода, климат зависит от количества солнечной радиации, от перемещения воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов и от свойств подстилающей поверхности. Основные показатели климата: температура воздуха (средняя годовая, января и июля), преобладающее направление ветров, годовое количество и режим осадков.  В соответствии с тепловыми поясами и поясами господства зональных типов воздушных масс выделяют климатические пояса. Основных климатических поясов семь: экваториальный, два тропических, два умеренных, два полярных (арктический и антарктический). Между основными расположены переходные климатические пояса: два субэкваториальных, два субтропических и два субполярных. Они различаются сменой воздушных масс: зимой господствует воздушная масса основного пояса, соседнего со стороны полюса, летом — соседнего со стороны экватора. Выделяют материковые и морские климаты: они различаются годовыми амплитудами колебания температуры и количеством осадков. На границе материков и океанов, там, где ветры по сезонам изменяют направление почти на противоположное (зимой - с суши, летом - с океана), господствует муссонный климат, характеризуемый теплым, дождливым летом и холодной, сухой зимой (на востоке Евразии, на границе с Тихим океаном). На материках на климат влияет рельеф. В горах чем выше, тем холоднее, даже на экваторе вершины гор покрыты снегом. В поднимающемся по склонам воздухе количество осадков сначала увеличивается, а затем начинает убывать, т.е. для гор характерна высотная поясность климата. Однако на любой высоте климат зависит от широты местности, поскольку продолжительность дня (солнечная радиация) остается такой же, как в климатическом поясе у подножия.  Климат изменяется с течением времени [2, 17, 29, 32], и на то существует много причин. Так, изменение угла наклона земной оси к орбите вызывает изменение положения границ тепловых, а значит, и климатических поясов. Изменение площадей, расположения материков и океанов влечет за собой значительные изменения климатов на всей Земле. На климат влияют сильные извержения вулканов, выбрасывающие в атмосферу огромное количество газов, пыли, пепла и водяного пара. В последние десятилетия растет антропогенное воздействие на климат, связанное с деятельностью людей: увеличение содержания СО2, запыленность, выбросы теплоты и т.д. влияют на состояние атмосферы; сведение лесов, создание водохранилищ, орошение и осушение территорий, сокращение площадей, покрытых льдом, как на суше, так и в океане, изменяя земную поверхность, также вызывают изменения климата.