Атмосфера. Строение и состав атмосферы Земли

Климатические особенности Земли определяются в основном величиной поступающей солнечной радиации на ее поверхность, особенностями атмосферной циркуляции. Количество солнечной радиации, поступающей на Землю, зависит от географической широты. Солнечная радиация Солнечная радиация - вся совокупность солнечного излучения, поступающего на поверхность Земли. Кроме видимого солнечного света, она включает невидимые ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. В атмосфере солнечная радиация частично […]

Представление о климате какой-либо местности можно получить за период 30-40 лет, поскольку за это время здесь случаются все возможные комбинации погодных условий: очень холодные или теплые зимы, жаркие или прохладные лета, дождливые и сухие сезоны, засухи и годы, когда атмосферных осадков выпадает в полтора-два раза больше нормы. На формирование климата влияют многие факторы. Первичным фактором является солнечная энергия. Известно, что Солнце посылает к […]

Атмосфера (от греч. атмос - пар и сфера - шар) - газовая оболочка, окружающая планету Земля и вращающаяся вместе с ней. Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата - климатология. Толщина атмосферы 1500 км от поверхности Земли. […]

Биосфера — живая оболочка Земли Биосфера — уникальная оболочка нашей планеты. Все предыдущие, рассмотренные нами, оболочки в той или иной степени существуют на других планетах Солнечной системы, но только биосферы, по всей видимости, нет ни на одной из них, кроме Земли. Возможно, раз жизнь есть на нашей планете, она существует и в других уголках Вселенной, […]

Атмосферный воздух состоит из азота (77,99%), кислорода (21%), инертных газов (1%) и углекислого газа (0,01%). Доля углекислого газа со временем возрастает из-за того, что в атмосферу выделяются продукты горения топлива, а, кроме того, уменьшается площадь лесов, которые поглощают углекислый газ и выделяют кислород. В атмосфере также находится незначительное количество озона, который сконцентрирован на высоте около […]

Понятие «Глобальный климат» характеризует состояние температурного режима и увлажнения, циркуляцию атмосферы и океана. Это понятие может быть применено для любой планеты. Климатическая система планеты Земля объединяет те элементы географической оболочки (атмосфера, океан, суша, криосфера, биосфера), в которых протекают процессы перераспределения тепла между разными регионами. Особенности климатического режима Земли определяются притоком тепловой энергии от Солнца (приток […]

Африка - единственный из материков земного шара, который, простираясь по обе стороны от экватора, располагается примерно на одинаковом расстоянии в северном и южном полушарии. Такая особенность положения создает в Африке условия для образования одинаковых климатических условий на одних и тех же широтах в обоих полушариях. Почти все климатические пояса повторяются на территории Африки дважды. При […]

Географическая оболочка Атмосфера (от греческого atmos — пар и sphaira – шар) – газовая оболочка Земли, которая удерживается её притяжением и вращается вместе с планетой. Физическое состояние атмосферы определяется климатом, а основными параметрами атмосферы являются состав, плотность, давление и температура воздуха. Плотность воздуха и атмосферное давление с высотой уменьшаются. Атмосферу разделяют на несколько слоёв в […]

Климат - многолетний режим погоды, типичный для данного района Земли, как бы средняя погода за много лет. Термин «климат» был введен в научный оборот 2200 лет назад древнегреческим астрономом Гиппархом и означает по-гречески «наклон» («klimatos»). Ученый имел в виду наклон земной поверхности к солнечным лучам, различие которого от экватора к полюсу уже тогда считалось главной […]

ВВЕДЕНИЕ География: древняя и современная наука География в современном мире РАЗВИТИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ О ЗЕМЛЕ География в древности Географические знания в Древней Европе География в эпоху Средневековья Открытие Нового Света Великие географические открытия Открытие Австралии и Антарктиды Современные географические исследования ИЗОБРАЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Изображения земной поверхности Масштаб Условные знаки Способы изображения неровностей […]

Форма Земли Очевидным доказательством шарообразности нашей планеты всегда была круглая тень Земли, которая видна во время лунных затмений. Точные сведения о форме Земли люди получили благодаря космическим снимкам. С шарообразной формой Земли связано важное географическое явление - закономерное уменьшение угла падения солнечных лучей на поверхность Земли от экватора к полюсам. В результате количество получаемой поверхностью […]

Ну, какой еще город мира настолько известен и знаменит как прекрасные древние Афины - город-столица современной Греции. Афины – это город из числа тех немногих городов, которые могут похвастаться своей историей. А ведь история столицы Греции Афин насчитывает более 5000 лет! Этот город внес огромнейший вклад в развитие западной цивилизации. Такая величайшая ценность народа, как […]

Океан получает от Солнца много тепла - занимая большую площадь, он получает тепла больше, чем суша. Вода обладает большой теплоемкостью, поэтому в океане накапливается огромное количество тепла. Только верхний 10-метровый слой океанической воды содержит тепла больше, чем вся атмосфера. Но солнечные лучи нагревают только верхний слой воды, вниз от этого слоя тепло передается в результате […]

Мировой океан, разделенный материками и островами на отдельные части, представляет собой единое водное пространство. Границы океанов, морей и заливов условны, поскольку между ними происходит постоянный обмен водными массами. Мировому океану в целом присущи единые черты природы и проявления схожих природных процессов. Исследования Мирового океана Первая русская кругосветная экспедиция 1803-1806 гг. под командованием И.Ф. Крузенштерна и […]

Вода — одно из самых распространенных веществ на нашей планете, все климатические процессы на Земле так или иначе связаны с водой. Происхождение гидросферы однозначно не установлено. Есть несколько гипотез, но наиболее известными являются две из них. Первая предполагает, что вода на Земле выделилась из её недр в процессе остывания планеты на ранних стадиях её формирования […]

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. Если говорить не только о Земле, то атмосферу можно наблюдать и на других планетах. Так атмосферой, кроме нашей планеты, обладают Венера, Марс, спутник Сатурна Титан, планеты-газовые гиганты. Однако, атмосфера нашей планеты уникальна. Её уникальность заключается в том, что она включает в свой состав кислород. Тонким ореолом голубого цвета атмосфера окружает […]

Окружающий мир предстает пред нами в виде бесконечно разнообразных «картин природы». За каждой из них скрывается элементарная частичка так называемой ландшафтной, или географической оболочки, которая охватывает весь земной шар и в которой, собственно говоря, обитает человек и все остальные живые существа. За этими частицами в науке и в повседневной речи укоренилось название «ландшафт» немецкого происхождения […]

Глобус и карта Заблудиться может каждый Записки юного географа Космический натуралист Путешествие к центру Земли Водный мир Воздушные путешествия Люди и звери Открытие и заселение новых земель Завоевание Америки Источники географической информации — глобус Источники географической информации — План местности Источники географической информации — Географическая карта Методы изучения Земли Земля — планета Солнечной системы Вращение […]

Чтобы правильно оценивать степень нагрева и охлаждения различных земных поверхностей, рассчитывать испарение на водохранилищах, определять изменения влагозапаса в почве, разрабатывать методы по прогнозированию замерзания водоемов, а также оценивать влияние мелиоративных работ на климатические условия приземного слоя воздуха, необходимы данные о тепловом балансе земной поверхности. Земная поверхность непрерывно получает и теряет тепло в результате воздействия разнообразных […]

В настоящее время все более актуальным становится вопрос об изменении климата Земли в результате воздействия хозяйственной деятельности человека. Особую тревогу вызывает увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере, которое приводит к нагреванию поверхности Земли и нижней атмосферы и, возможно, является одной из основных причин наблюдаемого в последние десятилетия потепления климата. Часть солнечной радиации, оставшаяся после отражения, […]

Страница 4 из 81

Атмосфера, погода, климат

Атмосфера – это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает вся жизнь.

Воздух – газ – в отличие от воды, сжимаем. Поэтому с высотой плотность его убывает и атмосфера постепенно сходит на нет (переходит в космическое пространство) без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти – в нижних 10 км, девять десятых – в нижних 20 км. Но присутствие воздуха – чем выше, тем все более разреженного – обнаруживается до очень больших высот.

Полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высотах 1000 км и более. Полеты спутников на высотах в несколько тысяч километров также происходят в атмосфере, хотя и чрезвычайно разреженной.

Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в нижних 30–40 км атмосферы особенно важны с практической точки зрения и наиболее изучены; именно эти процессы будут излагаться в данном курсе. Но и высокие слои атмосферы, отдаленные от земной поверхности на десятки, сотни и тысячи километров, приобрели большое практическое значение.

В высоких слоях происходит поглощение ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения, которое вызывает различные фотохимические реакции разложения нейтральных газовых молекул на электрически заряженные атомы. Поэтому высокие слои сильно ионизированы и обладают очень большой электрической проводимостью. В этих слоях наблюдаются такие явления, как полярные сияния и постоянное свечение воздуха, создающие так называемый ночной свет неба; электрическое состояние высоких слоев определяет условия распространения радиоволн, в них происходят сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением. Методы изучения процессов, происходящих в высоких слоях, существенно отличаются от применяющихся для исследования нижних слоев атмосферы (30–40 км), но тесно связаны с методами изучения земного магнетизма.

В атмосфере происходят многообразные физические процессы, непрерывно изменяющие ее состояние. Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30–40 км 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.). Изменения погоды у земной поверхности влияют на очень многие области хозяйственной деятельности человека и особенно на сельское хозяйство. Погода в более высоких слоях влияет на работу авиации. Атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой, поэтому для понимания причин изменения погоды у земной поверхности необходимо изучать всю толщу атмосферы, по крайней мере до 30–40 км.

В любом месте земли погода в разные годы меняется по-разному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет каждую местность можно характеризовать вполне определенным климатом. Как уже было сказано, локальным климатом называют совокупность атмосферных условий за многолетний период, присущую данной местности в зависимости от ее географической обстановки. Под географической обстановкой подразумевается не только положение местности, т.е. широта, долгота и высота над уровнем моря, но и характер земной поверхности, орография, почвенный покров и др. Атмосферные условия, определяющие климат каждого места, испытывают периодические изменения в годовом ходе – от зимы к лету и от лета к зиме. Кроме периодических изменений совокупность атмосферных условий несколько изменяется от года к году. Это так называемая межгодовая изменчивость атмосферных условий.

Фактические данные показывают, что до XX в. чередование атмосферных условий в конкретных районах в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет меняется лишь в самых ограниченных пределах, причем изменения часто носят характер колебаний. Величина многолетних колебаний оказывается значительно меньше межгодовой изменчивости атмосферных условий.

Таким образом, в естественных условиях в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет локальный климат обладает определенной устойчивостью. Поэтому он и является одной из физико-географических характеристик местности, одной из составляющих географического ландшафта. Климат связан с другими составляющими географического ландшафта благодаря существованию тесных зависимостей между атмосферными процессами и состоянием земной поверхности, включая и Мировой океан. Однако локальный климат устойчив, если географическое распределение климатов на земном шаре, определяемое состоянием глобальной климатической системы, сравнительно мало меняется. Главными задачами климатологии являются изучение глобальной климатической системы и прогноз возможных изменений глобального и локального климатов на ближайшее время и на далекую перспективу.

На высотах 20–25 км достигается максимальная концентрация ничтожного количества озона О3 (до 2?10–7 от содержания кислорода!), который возникает под действием солнечного ультрафиолетового излучения на высотах примерно от 10 до 50 км, защищая планету от ионизующего солнечного излучения. Несмотря на исключительно малое количество молекул озона, они предохраняют все живое на Земле от губительного действия коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца. Если осадить все молекулы к основанию атмосферы, то получится слой, толщиной не более 3–4 мм! На высотах более 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; многие молекулы диссоциируют на отдельные атомы, которые, ионизуясь под действием жесткого излучения Солнца, образуют ионосферу. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу Земли подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. На высоте 20–25 км располагается озонный слой. Озон образуется за счет распада молекул кислорода при поглощении ультрафиолетового излучения Солнца с длинами волн короче 0,1–0,2 мкм. Свободный кислород соединяясь с молекулами О2 и образует озон О3, который жадно поглощает весь ультрафиолет короче 0,29 мкм. Молекулы озона О3 легко разрушаются под действием коротковолнового излучения. Поэтому, несмотря на свою разреженность, озонный слой эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, прошедшее сквозь более высокие и прозрачные атмосферные слои. Благодаря этому живые организмы на Земле защищены от губительного воздействия ультрафиолетового света Солнца.

Все процессы жизнедеятельности живых организмов так или иначе связаны с воздушной средой, воздухом, входящим в состав атмосферы. Благодаря газам, входящим в атмосферу, происходит основной метаболизм, протекают окислительно-восстановительные реакции, связанные с превращением органического вещества в неорганическое и обратно. Атмосферные газы участвуют как в биологическом круговороте веществ на нашей планете, так и в неорганических процессах преобразования одних минеральных веществ в другие. Человек дышит атмосферным воздухом, обменивается с ним энергией и веществами. Человек, растения, здания и сооружения испытывают на себе механическое воздействие во время движения атмосферного воздуха, вступают с атмосферными газами в химические реакции и т.д. Все процессы хозяйственной деятельности человека протекают в атмосфере и зависят от нее. Вот почему атмосфера - это не просто некоторое абстрактное понятие из естествознания, а важная составляющая той среды, в которой происходит градостроительная и архитектурная деятельность. Именно поэтому архитектор должен иметь хотя бы самое общее понятие о том, что же такое атмосфера Земли, из чего она состоит и какими основными свойствами обладает.

Атмосфера является предметом изучения науки метеорологии, и наиболее полное определение этого понятие следующее: атмосфера - это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами , движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли.

Это определение уже многое говорит нам об атмосфере, указывая, во-первых, на ее состав; во-вторых, - на сложное движение, в котором атмосфера принимает участие. То, что метеорологические процессы протекают на движущейся и вращающейся Земле, вызывает появление поворотного ускорения (так называемой силы Кориолиса), которое оказывает непосредственное влияние на формирование типов климата, дифференциацию климатических параметров на различных участках поверхности Земли.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите со средней скоростью 29,8 км/с, одновременно вращаясь вокруг своей оси с запада на восток. Плоскость вращения Земли вокруг Солнца носит название плоскости эклиптики. Земная ось наклонена к плоскости эклиптики под углом 66°34". Благодаря вращению Земли вокруг Солнца и наклону земной оси по отношению к плоскости эклиптики происходит смена времен года.

Основные сведения о состоянии атмосферы получают из метеонаблюдений, являющихся основным методом исследования в метеорологии. Эти наблюдения проводятся на метеорологических станциях, где круглосуточно следят за состоянием атмосферы, восемь раз в сутки (каждые три часа начиная с 00 часов по единому времени нулевого меридиана), проводя синхронные по всей Земле наблюдения однотипными приборами по единой методике (последнее замечание относится к России и странам СНГ). Результаты этих наблюдений немедленно передаются в органы национальных служб погоды и мировые центры данных (МЦД), где по ним составляются синоптические карты и другие материалы, использующиеся для предсказания погоды и иных народно-хозяйственных нужд (прогноза загрязнения воздуха, целей сельского хозяйства, территориального планирования и управления и т.п.). Таким образом, важность метеорологических наблюдений при описании состояния атмосферы трудно переоценить. Даже при математическом моделировании, которое в последние десятилетия наряду с наблюдениями также стало основным инструментом изучения атмосферы, в качестве начальных данных используют результаты фактических наблюдений.

Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом , и как всякий газ воздух характеризуется составом, давлением, температурой и плотностью. Рассмотрим эти основные физические и химические характеристики воздуха.

В смеси газов, составляющих атмосферный воздух, одни имеют постоянную концентрацию, другие - переменную. В табл. 1.1 приводится состав сухого атмосферного воздуха у поверхности Земли, т.е. воздуха, не содержащего водяной пар. В отличие от всех постоянных составных частей воздуха, содержание водяного пара у земной поверхности меняется в очень значительных пределах - от сотых долей до первых нескольких процентов по массе. Поэтому в метеорологии принято отдельно рассматривать состав сухого и влажного воздуха.

Таблица 7.7

Состав сухого воздуха вблизи земной поверхности

Как видно из таблицы, сухой воздух на 99% состоит их двухатомных молекул азота N2 (78% по объему) и кислорода 0 2 (21%), оставшийся 1% почти целиком приходится на аргон (0,93%). Всего 0,03% объема приходится на углекислый газ, содержание же других газов составляет тысячные, миллионные и миллиардные доли процента (в таблице приведены частично), причем все они сохраняют свое газообразное состояние при наблюдающихся в атмосфере температурах и давлении.

Кроме водяного пара существенно меняется содержание в воздухе углекислого газа и озона. Это очень важные составные части атмосферы, значение которых определяется, прежде всего, тем, что они сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают значительное воздействие на температурный режим атмосферы, поверхности Земли и всего, что на ней расположено.

Вода в атмосфере является примером термодинамически активной примеси. Водяной пар ощутимо влияет на плотность воздуха и стратификацию атмосферы. Он способен конденсироваться (или сублимироваться) на имеющихся в атмосфере взвешенных частицах, образуя облака и туманы, выделяя при этом большое количество тепла. При испарении воды, переходе ее из жидкого в газообразное состояние, наоборот, тепло поглощается, затрачиваясь на этот процесс. Как будет показано далее, в основном именно благодаря водяному пару в земной атмосфере создается парниковый эффект - способность атмосферы пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию видимого диапазона и поглощать тепловое (длинноволновое) излучение поверхности и нижележащих слоев атмосферы, вследствие чего температура нижних слоев атмосферы повышается.

Другой важной термодинамически активной примесью является углекислый газ , поступающий в атмосферу в процессе горения, дыхания и медленного («атмосферного») окисления органических веществ. Он также вносит существенный вклад в формирование парникового эффекта, и именно с углекислым газом связывают усиление этого эффекта, происходящее под влиянием антропогенной деятельности.

Озон присутствует в слое атмосферы от поверхности Земли до высоты 60-70 км. Если выразить общее содержание озона в атмосфере толщиной слоя этой примеси при «нормальных условиях» (при температуре 0°С и давлении 1013 гПа), в среднем она составит всего 3 мм. В самом нижнем слое до высоты 10 км его содержание незначительно, затем оно быстро увеличивается и достигает максимума на высоте 20-25 км. Далее содержание озона быстро уменьшается, и на высоте 70 км оно уже в 1000 раз меньше, чем у земной поверхности. Такое вертикальное распределение связано с процессами его образования - в основном озон образуется в результате фотохимических реакций под действием фотонов, несущих высокую энергию и принадлежащих наиболее коротковолновой («жесткой») части солнечного спектра. В результате этих реакций появляется атомарный кислород, который затем соединяется с молекулой кислорода и образует озон. Одновременно происходят реакции распада озона при поглощении им еще более коротковолнового излучения - рентгеновского, очень опасного для всех живых организмов. Таким образом, озон, несмотря на столь малое его количество в атмосфере, защищает все живое на Земле от жесткой части спектра солнечной радиации с длиной волны менее 0,28 мкм, имеющего канцерогенные свойства. При отсутствии этого «озонного щита», по-видимому, жизнь на Земле не могла бы возникнуть, по крайней мере, в известных нам формах.

Первичная атмосфера Земли до появления на ней биологических форм жизни состояла в основном из азота, углекислого газа, водяного пара, водорода и гелия. Кислород в этой «добиотической» атмосфере присутствовал в ничтожных количествах; его накопление началось около 2,5 млрд лет назад и происходило неравномерно. Современный состав воздуха атмосферы Земли установился, по крайней мере, несколько сотен миллионов лет назад. Сформировавшийся в природе круговорот атмосферных газов способствовал тому, что газовый состав атмосферы оставался неизменным до тех пор, пока резко не возросла хозяйственная деятельность человека, в первую очередь добыча и последующее сжигание ископаемых видов органического топлива. В результате этого содержание С0 2 и других газообразных примесей в глобальном масштабе увеличивается (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Некоторые малые газовые составляющие в атмосфере, содержание которых наиболее подвержено антропогенному влиянию

1 В городах России за период с 1996 по 2005 г. концентрация N02 уменьшилась на 13,3%.

За аналогичный период концентрация БО, уменьшилась на 20%.

Перечисленные в табл. 1.2 малые газовые составляющие также всегда присутствуют в атмосфере, хотя их количество может варьировать в различных районах земного шара. Часть этих газов оптически активна, т.е. способна поглощать коротковолновую и длинноволновую радиацию, что делает их чрезвычайно важными с точки зрения климатообразования (например, СН 4 , N20, фреоны). Концентрация этих газов контролируется как природными процессами, так и антропогенной деятельностью. Роль архитектуры в этой ситуации сводится к тому, чтобы архитектурными (пассивными) средствами постараться максимально обеспечить биоклиматиче-скую комфортность внутренней среды зданий и прилегающей к ним территории, снизив тем самым энергопотребление на отопление, кондиционирование и освещение, уменьшив за счет этого количество потребляемого органического топлива и связанными с ними выбросы С0 2 и других парниковых газов.

В состав атмосферного воздуха входят также многочисленные твердые и жидкие примеси, находящиеся во взвешенном состоянии - так называемые аэрозоли. Эти частицы тоже имеют естественное и антропогенное происхождение. Несмотря на то, что общая масса аэрозолей незначительна по сравнению со всей массой атмосферы, они также играют важную роль, влияя на потоки лучистой энергии. Частицы аэрозоля стимулируют образование облаков, тем самым увеличивая планетарное альбедо, т.е. долю отраженной и безвозвратно потерянной для климатической системы Земли солнечной энергии (подробно о потоках радиации будет рассказано в подпараграфе 1.4.1). Кроме того, аэрозоль рассеивает значительную часть солнечной радиации, так что направленная в космос часть рассеянных лучей также теряется для климатической системы и «выпадает» из теплового баланса земной поверхности.

В течение долгой истории Земли количество естественного аэрозоля существенно менялось, поскольку существовали периоды повышенной вулканической активности (способствующие выбросу аэрозолей) и, наоборот, периоды относительного затишья. В настоящее время, как и в случае с углекислым газом, все большее значение приобретает аэрозоль техногенного происхождения - продукт хозяйственной деятельности человека.

Многочисленные исследования установили, что состав сухого воздуха остается постоянным до высоты около 100 км. Подчеркнем, что имеется в виду относительный (процентный) состав воздуха, в то время как абсолютное (по массе) содержание всех атмосферных газов с высотой постоянно убывает. Таким образом, несмотря на огромные объемы газовых примесей и аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу в процессе антропогенной деятельности, пока это не сказалось на процентном содержании основных газов - N2, 0 2 и Аг. За счет этого слой атмосферы толщиной около 100 км получил название гомосферы. В этом слое воздух настолько хорошо перемешивается по вертикали и горизонтали, что не происходит гравитационного разделения газов по плотности, как это было бы в неподвижной атмосфере согласно закону Дальтона.

Вся внешняя часть атмосферы (выше 100 км) характеризуется непрерывным изменением газового состава как с высотой, так и по времени, поэтому данная часть атмосферы носит название гетеросфера. Здесь уже начинается расслоение газов по плотности, которое постепенно увеличивается с высотой. Этот процесс сопровождается диссоциацией молекул на атомы под влиянием жесткого излучения Солнца, а в высоких слоях (выше 1000-1500 км) легкие газы - водород и гелий - вследствие огромных скоростей в разреженном воздухе могут покидать атмосферу, рассеиваясь в мировом пространстве.

В отличие от составляющих сухого воздуха, содержание водяного пара начинает уменьшаться с высотой, начиная с самых нижних слоев. Выше 10-15 км его содержание в воздухе ничтожно мало. В непосредственной близости от земной поверхности содержание водяного пара близко к нулю при очень низких температурах и может достигать 4% при высоких температурах. С учетом различного содержания водяного пара в воздухе в нем несколько уменьшается содержание других газов.

Рассмотренная выше смесь газов создает в каждой точке атмосферы и на земной поверхности определенное давление. Атмосферное давление - скалярная величина, представляющая собой силу, приходящуюся на единицу площади: р = //5. Единицей измерения давления в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (Па). Один паскаль - это давление силой в 1 ньютон (Н), приходящееся на площадь в 1 м 2 . В метеорологии чаще используют другую величину - гектопаскаль (гПа): 1 гПа = 100 Па = 1 мб (миллибар). По величине миллибар и гектопаскаль совпадают, но относятся к разным системам единиц. Кроме того, в быту широко используется внесистемная единица давления - 1 мм ртутного столба (мм рт. ст.).

Среднее давление на уровне моря на широте 45° составляет 1013,3 гПа, или 760 мм рт. ст. Эта величина называется нормальным атмосферным давлением. С физической точки зрения на любой высоте давление представляет собой вес вышележащего столба воздуха единичного поперечного сечения. Вот почему давление с высотой убывает: чем выше расположен уровень, тем меньше масса единичного столба воздуха, а следовательно, и его вес. При этом в нижнем 50-километровом слое атмосферы при каждом удвоении высоты давление уменьшается примерно в два раза, т.е. нелинейно. При дальнейшем увеличении высоты давление начинает убывать по совсем другим законам.

Приведенные к общепонятным величинам, эти цифры говорят

• 0 том, что у земной поверхности давление столба атмосферного воздуха составляет примерно 10 т на 1 м 2 , или примерно 1 кг на
• 1 см 2 . Учитывая, что средняя площадь поверхности человека составляет 1,5 м 2 , получаем, что на тело человека воздействует общее атмосферное давление в 15 т (!), хотя, конечно, мы этого обычно не замечаем, поскольку атмосферное давление уравновешивается упругостью поверхности человеческого тела, его внутренних органов и тканей. Более того, живые организмы используют силу внешнего давления для обеспечения дыхания. Вся система кровообращения действует по принципу разности гидростатических давлений.

С изменением атмосферного давления связаны крупномасштабные изменения погоды, поэтому давление - очень важная метеорологическая величина. Измеряют его в помещении, а не на открытом воздухе (как все прочие метеорологические элементы), поскольку разница между атмосферным давлением в помещении и на том же уровне под открытым небом обычно совершенно незначительна.

Наибольшее атмосферное давление у земной поверхности, приведенное к уровню моря, было зарегистрировано 19 декабря 2001 г. в Монголии и составило 1085,6 гПа. Наименьшее значение составило 850 гПа и было зарегистрировано в США в центре торнадо категории ?-4 24 июня 2003 г. Таким образом, полный размах колебаний атмосферного давления на уровне моря превышает 200 гПа.

Из всех метеорологических элементов давление измеряется точнее всего. Основным прибором для измерения давления на метеорологических станциях служит ртутный барометр , в котором атмосферное давление уравновешивается давлением столба ртути. В этом случае об изменениях давления судят по изменениям высоты ртутного столба.

Знание атмосферного давления по всему земному шару позволяет рассчитать общую массу атмосферы. Если среднее атмосферное давление на уровне моря близко к 1013 гПа, а площадь поверхности суши равна 5,101 10 14 м 2 , то, с учетом рельефа Земли, масса атмосферы М атм = 5,15- 10 15 т, т.е. составляет примерно одну миллионную массы Земли (5,98 10 21 т).

Другой важнейшей характеристикой атмосферы является ее температура (подробно описание температуры воздуха приведено в подпараграфе 1.4.2). У земной поверхности она меняется в широких пределах - размах колебаний приземной температуры воздуха составляет около 150°С. Таким образом, атмосфера по своим физическим свойствам, в том числе температуре, неоднородна как по горизонтали, так и по вертикали, причем наиболее резкие изменения ее физических характеристик происходят как раз в вертикальном направлении. Сильнее всего эти изменения проявляются в изменении температуры воздуха с высотой. По этому признаку в атмосфере четко выделяется четыре слоя: тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера (рис. 1.1).

Температура воздуха

Рис. 1.1. Вертикальное строение атмосферы и изменение температуры воздуха с высотой

Характерной особенностью тропосферы является падение температуры с высотой со средним градиентом 0,65°С/100 м. Она простирается от земной поверхности до высоты 15-17 км в тропиках, 10-12 км - в умеренных широтах и 8-9 км - над полюсами. В ней сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, содержится почти весь водяной пар и возникают почти все облака. В тропосфере развиваются интенсивные вертикальные движения, что приводит к энергичному перемешиванию воздуха. Тропосфера испытывает непосредственное влияние подстилающей поверхности, в наибольшей степени ощутимое в приземном слое воздуха - нижних 50-100 м. Именно здесь особенно резко выражены суточные изменения температуры и наиболее сильно возрастает с высотой скорость ветра. Кроме приземного слоя в тропосфере также выделяется планетарный пограничный слой, или слой трения, который охватывает нижние 1000-1500 м. Движение воздуха в этом слое находится под влиянием трения о земную поверхность, что учитывается при математическом описании этого движения в моделях общей циркуляции атмосферы, используемых для прогнозирования погоды.

Верхняя граница тропосферы, представляющая тонкий переходный слой толщиной 1-2 км, в котором падение температуры с высотой сменяется ее постоянством (или слабым ростом), называется тропопаузой.

Выше тропопаузы до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой, особенно быстро с высоты 35-40 км. Поэтому вблизи своей верхней границы - стратопаузы - стратосфера почти такая же теплая, как воздух у поверхности Земли. Вертикальные движения в стратосфере отсутствуют, поэтому активного перемешивания воздуха не происходит. Водяного пара здесь ничтожно мало, однако на высотах 22-24 км в высоких широтах иногда наблюдаются очень тонкие перламутровые облака, состоящие из переохлажденных капель. Состав воздуха отличается от тропосферного только примесью озона. Как было отмечено, озон эффективно поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца, именно с этим и связан наблюдающийся в стратосфере рост температуры воздуха.

Над стратосферой лежит слой мезосферы, который простирается от стратопаузы до высоты 80-82 км. Здесь температура снова понижается с высотой, иногда до - 110°С в ее верхней части. Как ни удивительно, но даже на таких высотах иногда образуются серебристые облака, по-видимому, состоящие из ледяных кристаллов. Верхней границей мезосферы является переходный слой - мезо-пауза, на уровне которой давление воздуха примерно в 1000 раз меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в нижних 80 км заключается более 99,5% всей массы атмосферы.

Итак, хотя толщина всей атмосферы сравнима с размерами Земли, ее большая часть сосредоточена в тонком (по сравнению с радиусом Земли) слое, прилегающем к земной поверхности. Незначительная толщина основного по массе слоя атмосферы по сравнению с ее горизонтальной протяженностью приводит к тому, что и вертикальные масштабы наблюдаемых в атмосфере явлений и процессов оказываются значительно меньше их горизонтальных размеров. Воздушные массы, циклоны и антициклоны, фронтальные поверхности по горизонтали занимают области в сотни и тысячи километров, а по вертикали распространяются лишь на несколько километров.

Верхняя часть атмосферы, которая простирается над мезосферой, называется термосферой. Здесь температура резко возрастает с высотой до высот 200-250 км, где в годы активного Солнца превышает 1500°С. Столь высокие температуры термосферы отражают тот факт, что молекулы и атомы атмосферных газов движутся здесь с очень большими скоростями, ведь температура и является мерой кинетической энергии. Однако плотность воздуха на этих высотах так мала, что теплосодержание газов здесь ничтожно.

Атмосферные слои, расположенные выше 800-1000 км, выделяются под названием экзосферы - внешней атмосферы. Именно здесь скорости движения частиц газов (особенно легких) настолько велики, что некоторые наиболее быстрые частицы покидают атмосферу и улетают в мировое пространство.

Еще одна очень важная характеристика атмосферного воздуха - его плотность. Плотность (р) представляет собой массу в единице объема и является важной физической характеристикой любого вещества. Плотность вещества выражается в кг/м 3 и, в отличие от других метеорологических величин, не измеряется, а вычисляется. Газы сжимаемы, следовательно, их плотность меняется в широких пределах, в зависимости от температуры и давления. Связь между этими величинами для идеальных газов (каковыми можно считать и сухой, и влажный воздух) устанавливается уравнением состояния газов. Опуская алгоритм преобразований, приведем итоговое выражение для вычисления плотности сухого воздуха:

р = р/Я с,Т,

где р - плотность сухого воздуха (кг/м 3); р - давление (гПа), Т - температура (К), ^ - удельная газовая постоянная сухого воздуха. Эта величина составляет среднюю взвешенную величину удельных постоянных смеси газов, содержащихся в воздухе, и численно равняется: Я с,= 287 м 2 /(с 2 К) = 287 Дж/(кг К).

Если в состав воздуха входит водяной пар, то плотность влажного воздуха уменьшается, поскольку плотность водяного пара меньше плотности сухого воздуха. Эта разница невелика и может измеряться в тысячных долях единицы. Например, при 0°С и давлении 1000 гПа плотность сухого воздуха равняется 1,276 кг/м 3 , а влажного - 1,273 кг/м 3 . При более высоких температурах эта разница может увеличиться на порядок.

Плотность воздуха в каждом месте атмосферы непрерывно меняется во времени, так же, как давление и температура воздуха. Кроме того, она сильно меняется и с высотой. Давление воздуха с высотой всегда уменьшается, а вместе с ним убывает и плотность. Температура с высотой ведет себя сложным образом, но в нижних 10-15 км чаще всего понижается, что должно приводить к повышению плотности. Итогом такого разнонаправленного влияния давления и температуры является понижение плотности с высотой в атмосфере, хотя и не такое сильное, как в случае атмосферного давления. Если бы плотность воздуха не менялась с высотой, оставаясь на всех уровнях такой же, как у земной поверхности, то вся атмосфера сосредоточилась бы в нижних 8000 м.

Итак, как мы увидели из приведенных выше общих сведений об атмосфере и ее составе, практически вся тропосфера охвачена хозяйственной деятельностью человека, поэтому является областью деятельности архитекторов или, по крайней мере, дизайнеров. У земли это городская застройка, состоящая из зданий и сооружений, в настоящее время уже преодолевающих высоту 1000 м. Даже самая низкая застройка может находиться высоко в горах, таким образом достигая половины высоты тропосферы. Выше - это отдельные радиотехнические сооружения и эшелоны полетов самолетов, интерьеры которых являются объектом дизайнерской деятельности. Отсюда можно сделать вывод, что деятельность архитекторов и дизайнеров охватывает всю толщу тропосферы!

Атмосфера -представляет собой воздушную оболочку вокруг Земли, которая состоит из смеси азота, кислорода, незначительного количества других газов, а также паров воды и пыли. Эта оболочка помогает людям выжить на Земле, защищая от испепеляющих лучей Солнца днем и ледяного холода ночью.

Строение атмосферы - невидимое море газов, не имеющее цвета и запаха. У нее сложная структура, состоящая из пяти отдельных слоев.

Если сравнивать, то по отношению к размерам Земли атмосфера не толще кожуры на яблоке. Атмосфера находится высоко над Землей.

Экзосфера - это внешний слой атмосферы, воздух там разряжается до тех пор, пока окончательно не пропадет в космосе. Начинается экзосфера с высоты приблизительно 900 км.

Термосфера - включает достаточно газа, для того чтобы поглощать ультрафиолетовые лучи Солнца. Поэтому температура становится выше и достигает 2000 °С. Термосфера располагается на высоте 80-450 км.

Мезосфера - чрезвычайно тонкая, для того чтобы поглощать солнечные лучи. При столкновении метеоритов с газами мезосферы, они сгорают, оставляя после себя огненный хвост в ночном небе. Располагается мезосфера на высоте 50-80 км над землей.

Стратосфера - располагается на 20-50 км выше мезосферы и содержит 19% атмосферных газов, однако в ней отсутствуют водяные пары. Вследствие этого воздух здесь чистый и спокойный, и в нем могут летать самолеты. Температура в этом слое колеблется от –60 °С до 0 °С. Стратосфера имеет озоновый слой, поглощающий большую часть вредных ультрафиолетовых лучей Солнца.

Тропосфера - включает 75% атмосферных газов и колоссальное количество воды и пыли. В этом слое облака и турбулентное движение газов формируют погоду. Тропосфера занимает 20 км над поверхностью Земли.

Изменение климата - климат на планете постоянно меняется.

Пока ученые не могут с уверенностью ответить, почему это происходит. Например, результаты наблюдений за температурой воздуха свидетельствуют о том, что за последнее столетие на планете стало теплее более, чем на половину градуса. Некоторые ученые прогнозируют, что в результате потепления температура воздуха на Земле к 2050 г. может повыситься на 2-4 °С.

В далеком прошлом на планете также происходили значительные похолодания и потепления. Об этом ученые узнали, исследуя сохранившиеся останки ископаемых животных и растений.

Так было время в истории Земли, когда в Гренландии, сейчас полностью покрытой огромной толщей льда, росли дубы, клены, вязы, лавры, цвели магнолии. В Антарктиде также была разнообразная и богатая растительность, из которой сформировались залежи каменного угля. В Поволжье, например, в это же время росли пальмы.

Климат - определенный тип погоды, который преобладает в данной местности на протяжении многих лет. В отдельных местах целый год тепло, а в других постоянно очень холодно. Во многих районах Земли температура воздуха изменяется в зависимости от времени года.

Климат определяют метеорологические условия - температура, влажность, облачность, сила и направление ветра и т. д. - за длительный период.

3. Озоновые дыры .

Озоновой дырой считается локальное падение в озоновом слое Земли концентрации озона. Изначально специалисты предположили, что концентрация озона имеет свойство меняться из-за частиц, которые выбрасываются при любом атомном взрыве. Виновниками длительное время считали высотные самолеты и полеты космических кораблей.

Однако в ходе многочисленных исследований и опытов было доказано, что содержание озона может качественно варьироваться также из-за определенных естественных загрязнителей воздушной среды, содержащих азот.

Основные причины появления озоновых дыр

Давно уже установлено, что основное количество природного озона содержится на высоте от 15 до 50 километров над поверхностью Земли – в стратосфере. Наибольшую пользу озон приносит, поглощая значительное количество ультрафиолетового солнечного излучения, которое иначе оказалось бы губительным для живых организмов на нашей планете. Снижение концентрации озона в определенном месте может быть обусловлено загрязнениями воздушной среды двух типов. К ним можно отнести:

Естественные процессы, при которых происходит загрязнение воздуха.

Антропогенные загрязнения атмосферы Земли.

В мантии Земли постоянно осуществляются процессы дегазации, вследствие которых выделяются самые разные органические соединения. Порождать такие виды газов могут грязевые вулканы и гидротермальные источники.

4. Загрязнение атмосферы и его источники .

Загрязнение атмосферы Земли - принесение ватмосферныйвоздухновых нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение их естественной концентрации.

Согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) за 2014 год, ежегодно в мире примерно 3,7 миллионов человек умирает из-за загрязнения атмосферного воздуха. Общее количество смертей, связанных с воздействием загрязненного воздуха как в помещениях, так и в атмосфере, достигает 7 миллионов в год. По данным Международного агентства по изучению рака ВОЗ, загрязнение воздуха является главной причиной возникновения онкологических заболеваний

Виды загрязнений:

1) По источникам загрязнения:

─ естественное

─ антропогенное

2) По характеру загрязнения атмосферы:

Физическое - механическое (пыль, твердые частицы), радиоактивное (радиоактивное излучение и изотопы), электромагнитное (различные виды электромагнитных волн, в том числе радиоволны), шумовое (различные громкие звуки и низкочастотные колебания) и тепловое загрязнение (например, выбросы тёплого воздуха и т. п.)

Химическое - загрязнение газообразными веществами и аэрозолями. На сегодняшний день основные химические загрязнители атмосферного воздуха это: оксид углерода (IV), оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, альдегиды, тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, пыль и радиоактивные изотопы

Биологическое - в основном загрязнение микробной природы. Например, загрязнение воздуха вегетативными формами и спорами бактерий и грибов, вирусами, а также их токсинами и продуктами жизнедеятельности

Основными источниками загрязнения атмосферы являются:

Природные (естественные загрязнители минерального, растительного или микробиологического происхождения, к которым относят извержения вулканов, лесные и степные пожары, пыль, пыльцу растений, выделения животных и др.)

Искусственные (антропогенные), которые можно разделить на несколько групп:

Транспортные - загрязнители, образующиеся при работе автомобильного, железнодорожного, воздушного, морского и речного транспорта;

Производственные - загрязнители, образующиеся как выбросы при технологических процессах, отоплении;

Бытовые - загрязнители, обусловленные сжиганием топлива в жилище и переработкой бытовых отходов.

По составу антропогенные источники загрязнения атмосферы также можно разделить на несколько групп:

Механические загрязнители - пыль цементных заводов, пыль от сгорания угля в котельных, топках и печах, сажа от сгорания нефти и мазута, истирающиеся автопокрышки и т. д.;

Химические загрязнители - пылевидные или газообразные вещества, способные вступать в химические реакции;

Радиоактивные загрязнители

Используемые источники :

http://www.medical-enc.ru/

http://xn----7sbfhivhrke5c.xn--p1ai/

http://www.sciencedebate2008.com/

Главная » Артикли » Атмосфера. Строение и состав атмосферы Земли