big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Общие сведения об атмосфере

Роль атмосферы. Попробуем на одну минуту вообразить себе Землю, лишенную атмосферы. Представим себе, что мы находимся на такой Земле  в пределах хотя бы нашей умеренной зоны.

Днем с черного, усеянного звездами неба на нас светило бы ослепительно яркое Солнце. К полудню земная поверхность имела бы температуру свыше 100°. Ночью температура спускалась бы также до —80, —90°. Всюду мы видели бы необозримые пространства песков, изредка щебня и растрескавшихся камней. Поверхность этих песков была бы покрыта тысячами воронкообразных впадин, размерами от мелких рябинок до крупных котловин. Это следы падавших на Землю метеоритов. Нигде ни рек, ни озер, ни ручьев, ни болот. Даже на глубине пески так же были бы сухи, как и на поверхности. Понятно, что среди этих песков мы не встретили бы ни одной травинки, ни одного представителя животного мира. Короче говоря, перед нами была бы пустыня в самом страшном значении этого слова.

Но Земля имеет атмосферу, а потому земная поверхность имеет совершенно другую, хорошо знакомую нам картину. Атмосфера предохраняет Землю от чрезмерного нагревания днем и охлаждения ночью. Способность воздуха вбирать и снова отдавать влагу делает атмосферу распределителем осадков, обусловливающих наличие подземных вод, рек, ручьев, озер и ледников. А движение вод вместе с движением воздуха определяют бесконечное изменение форм земной поверхности. Составные части атмосферы необходимы для органической жизни на нашей планете. Атмосфера защищает биосферу Земли от разрушительного действия ультрафиолетового излучения Солнца, так как ультрафиолетовые лучи поглощаются озоном атмосферы и к нижним слоям воздуха они почти совершенно не доходят. Если бы все ультрафиолетовые лучи Солнца достигли земной поверхности, то они могли бы уничтожить органическую жизнь нашей планеты. Даже то ничтожное количество ультрафиолетовых лучей, которое доходит до земной поверхности, быстро убивает бактерии, чем и создается дезинфицирующее свойство солнечного света. Воздушная, оболочка Земли играет роль упругого панциря, который все время задерживает бесчисленное количество метеоритов, непрерывно двигающихся к поверхности Земли из межпланетного пространства.

Приведенных данных достаточно для того, чтобы сказать, что роль, атмосферы в жизни Земли колоссальна. А отсюда вывод может быть один: без хорошего знания и понимания процессов, происходящих в атмосфере, изучение географии невозможно.

Взаимосвязь атмосферы с другими геосферами. Между атмосферой и другими оболочками Земли существует тесная связь и сложная взаимозависимость. В результате этого происходит непрерывный взаимный обмен элементами, вследствие чего между оболочками Земли создается подвижное равновесие. Особую роль в этих процессах играют организмы биосферы: бактерии, растения и животные. Благодаря их жизнедеятельности многие элементы из литосферы, гидросферы и биосферы переходят в атмосферу и, наоборот, из атмосферы переходят в другие оболочки Земли. Так, например, большая часть свободного кислорода атмосферы образовалась в результате разложения зелеными растениями воды и углекислого газа на углерод, используемый растениями на построение своего тела, и кислород, выделяемый в атмосферу. Один квадратный километр лесной площади в течение года использует свыше 200 т углекислого газа, расщепляя его на углерод и кислород. Количество же зеленых растений на Земле очень велико.

Углекислый газ поступает в атмосферу из вулканов, многочисленных: минеральных источников, при горении, гниении и дыхании.

Кислород атмосферы необходим для жизни организмов биосферы; он также поглощается водной оболочкой и расходуется на различные окислительные процессы в литосфере.

Молекулярный азот атмосферы в результате жизнедеятельности почвенных азотфиксирующих бактерий переходит в большом количестве из воздушной оболочки в биосферу. На каждом гектаре почвы с азотфиксирующими бактериями ежегодно связывается от 20 до 50 кг атмосферного азота. Подсчитано, что таким путем на всех посевных площадях СССР образуется около 3 млн. т азота в год.

Важным фактором во взаимодействии между атмосферой, литосферой и гидросферой является теплообмен. Нижние слои атмосферы нагреваются не прямо от солнечных лучей, а главным образом от подстилающей поверхности суши или воды.  Если   же  подстилающая   поверхность окажется холоднее нижних слоев атмосферы, то происходит передача тепла от атмосферы к поверхности Земли.

Атмосфера участвует в круговороте воды на Земле. В атмосфере происходит образование облаков и осадков. Выпадение осадков дает начало текучим водам и обеспечивает пополнение грунтовых вод суши; за счет атмосферных осадков пополняется вода морей и океанов. Текучие воды суши производят эрозионную работу и тем самым видоизменяют земную поверхность.

Ветер на суше производит в одних местах разрушительную работу, а в других, наоборот, созидательную работу, образуя эоловые формы рельефа (барханы и др.).  В свою очередь и рельеф суши оказывает влияние на перемещение воздушных масс атмосферы. Так, например, высокие горы препятствуют движению ветра, а равнины способствуют быстрому передвижению воздуха на большие расстояния.

Способ Альгазена

Высота атмосферы. Механическая смесь газов, известная под общим названием «воздух», окутывает сплошной оболочкой весь земной шар. По мере удаления от земной поверхности воздух постепенно разрежается и сходит на нет. Последнее делает понятным, почему нельзя точно определить толщину или, правильнее, высоту атмосферы.

Первые научно обоснованные попытки определить толщину воздушной оболочки Земли относятся к XII в. Они принадлежат арабскому ученому Альгазену, который, основываясь на продолжительности вечерних сумерек, исчислил ее в 70 км.

Известно, что Солнце, скрываясь за горизонтом, еще долгое время продолжает освещать верхние слои атмосферы, вызывая явление зари и сумерек. Зная угол, образуемый лучами Солнца и плоскостью горизонта в момент потухания сумерек, мы получаем возможность вычислить толщину атмосферы (рис. 28). Способ Альгазена в более уточненном виде применяется до настоящего времени, и он дает основание говорить о наличии воздуха уже на высоте около 200 км.

Во второй половине XIX в. впервые в ночном небе стали наблюдать так называемые «светящиеся» облака. Наибольшая высота этих облаков доходит до 80 км.

С того же приблизительно времени стали производить наблюдения над высотой возгорания так называемых «падающих звезд», или метеоритов. Известно, что «падающие звезды» представляют собой небольшие кусочки твердых тел, которые с огромной скоростью (около 50 км/сек) движутся в небесном пространстве. Попадая в атмосферу Земли, они благодаря своей скорости сжимают впереди себя атмосферные газы, в силу чего раскаливаются и начинают светиться. Измерения показывают, что свечение метеоритов начинается на высоте от 100 до 200 км.

Наблюдения над высотой полярных сияний позволяют нам говорить о присутствии атмосферных газов на высоте 500, 750 и даже 1000 км.

Согласно существующим взглядам полярные сияния вызываются катодными лучами, испускаемыми Солнцем. Попадая в земную атмосферу, катодные лучи вызывают свечение верхних слоев воздуха. Подобное свечение возможно  только   в  том случае,

Вертикальный разрез атмосферы

когда газы очень сильно разрежены и имеют давление ниже 0,1 мм ртутного столба. Полярные сияния чаще всего наблюдаются на высоте от 80 до 140 км, но фотографическим путем они обнаруживаются на высотах до 750 и даже 1000 км.

Итак, наблюдения над световыми явлениями атмосферы дают нам основание утверждать, что атмосфера существует на больших высотах, но имеет там  исключительно  малую   плотность.

В какой степени происходит уменьшение плотности воздуха с высотой, можно видеть по следующим данным. На уровне моря давление атмосферы на 1 см2 уравновешивается столбом ртути в 760 мм высотой.

Иными словами это можно выразить так: слой воздуха от уровня моря и до высоты 5 км заключает в себе около половины всей   массы    атмосферы, слой воздуха в 10 км — три четверти, а 20 км — девять десятых. Таким образом, наибольшая часть массы всей атмосферы сосредоточена в нижних слоях до высоты 10 км. В этих наиболее плотных слоях как раз и происходят все важнейшие метеорологические процессы, обусловливающие изменения погоды и характеры климатов.

Состав воздуха в нижних слоях атмосферы. Основными газами, составляющими воздух в нижних слоях атмосферы, являются азот (78,08% по объему), кислород (20,95%), аргон (0,93%) и углекислый газ (0,03%). Кроме основных газов, в составе воздуха всегда находятся в очень небольших количествах гелий, неон, ксенон, криптон, водород, озон, аммиак, йод и др. Вместе взятые, они составляют 0,01%. Состав газов в чистом и сухом воздухе в нижнем слое атмосферы является постоянным. При этом наибольшим постоянством отличается соотношение в атмосфере между количеством кислорода и азота. На первый взгляд это обстоятельство может показаться непонятным, так как кислород считается очень активным элементом, он все время расходуется на окисление различных веществ, используется для дыхания живых организмов, горения и т. д. Казалось бы, что количество его должно меняться. Однако этого почти не происходит.

Не   происходит    потому,   что   убыль    кислорода   в   воздухе   все  время восполняется растениями за счет разложения ими воды и углекислого таза атмосферы.

Несколько более изменчиво содержание углекислого газа. В районах сильно действующих вулканов, в районах широкого распространения углекислых источников, в заводских районах, где идет усиленное сжигание угля, количество углекислого газа в атмосфере увеличивается. Так, например, в городах содержание углекислого газа не 0,03%, а 0,04% и даже больше. Огромную роль в регулировании содержания углекислого газа в атмосфере играет поверхность морей и океанов. При избытке углекислого газа в воде он переходит в воздух, при избытке же его в воздухе он переходит в воду.

В реальных условиях воздух не является сухим и чистым, в нем всегда содержится примесь водяного пара, капелек воды, кристалликов льда и :пыли неорганического и органического происхождения.

Водяные пары поступают в воздух путем испарения с поверхности океанов, морей, озер, рек и других водных объектов, а также с увлажненной поверхности суши. Водяного пара в воздухе содержится, в зависимости от ряда условий, от 0,01 до 4%   (по объему).

Выделяется водяной пар в атмосфере путем конденсации и образования капелек воды и кристалликов льда, которые образуют различные типы облаков и туманов. Процессы испарения и конденсации водяного пара имеют огромное значение в жизни атмосферы и будут подробно рассмотрены позже.

Главнейшими источниками пыли являются засушливые районы (пустыни, степи). Ветер уносит отсюда огромное количество мельчайшей пыли на тысячи километров. Так, например, пыль из пустыни Сахары достигает иногда не только северного побережья Африки, но и Италии. Много в воздухе и органической пыли, состоящей из пыльцы растений, бактерий, вирусов и т. д. Значительное количество пыли попадает в верхние слои атмосферы в результате извержений и особенно взрывов вулканов. При взрыве вулкана Кракатау (один из островов Зондского пролива) в 1883 г. огромное количество мельчайшей пыли было выброшено до высоты 40—50 км. Эта пыль, разнесенная воздушными течениями, обусловила необычайные красные зори, наблюдавшиеся в 1883 и 1884 гг. в Европе. При извержении одного из вулканов Гватемалы тучи вулканической пыли затмили Солнце, пыль переносилась на расстояние 2 тыс. км. При извержении вулкана Катмай на Аляске (1912 г.) пыль распространилась по всему северному полушарию.

Кроме наземной и вулканической пыли, в атмосфере преимущественно в верхних ее частях наблюдается еще космическая пыль, образующаяся при сгорании метеоритов и попадающая в земную атмосферу из межзвездного пространства.

В промышленных районах, где дымят трубы заводов и фабрик, в воздух непрерывно поступает большое количество сажи. В засушливые периоды «поставщиками» сажи в атмосферу являются лесные и степные пожары. Огромное количество пыли и сажи поступает в воздух в период крупных войн.

Кроме частичек пыли и сажи, в воздухе очень часто обнаруживается некоторое количество соли. Мелкие брызги волн морей и океанов уносятся ветром, вода быстро испаряется, а мельчайшие частички соли остаются в воздухе.

В результате загрязнения воздуха пылью уменьшается его прозрачность, ухудшается  видимость, изменяется цвет  неба и цвет предметов.

Частички пыли, обладающие гигроскопичностью, играют значительную роль при образовании капель атмосферных осадков, являясь ядрами конденсации. Содержание пыли при обычных условиях довольно быстро убывает с высотой.

Состав воздуха в высоких слоях атмосферы. Исследования верхних слоев атмосферы в настоящее время производятся как при помощи поднятия на большие высоты на воздушных шарах, радиозондах и ракетах самопишущих или автоматически радиосигнализирующих метеорографов,— так и косвенными методами на основании исследования солнечной радиации, метеоров, полярных сияний, распространения радиоволн и звука и т. д. В результате всех этих исследований определены основные физические свойства и состав воздуха в верхних слоях атмосферы.

Анализ проб воздуха, взятых непосредственно на больших высотах при подъемах на аэростатах, дал возможность установить, что до высоты 20—25 км химический состав воздуха почти одинаков. Наблюдается лишь небольшое увеличение количества гелия и незначительное уменьшение кислорода. На основании ряда косвенных методов определено, что и выше 20—25 км (до высоты 100 и более километров) в результате вертикальных и горизонтальных движений сохраняется примерно тот же состав воздуха, что и в нижних слоях атмосферы. Убывает только количество углекислого газа и несколько уменьшается количество кислорода по сравнению с азотом. Количество озона с высотой возрастает. Максимальная концентрация озона наблюдается на высоте 22—25 км. А вообще озон обнаруживается примерно до высоты 60 км. Образуется озон в результате диссоциации (расщепления) части молекул кислорода О2 под действием ультрафиолетовых лучей Солнца на атомы кислорода О—О и последующего соединения этих атомов с другими молекулами кислорода (О3).

Значение озона в распределении температуры воздуха в атмосфере очень велико. Он сильно поглощает солнечную радиацию и земное излучение. Обладая большой способностью к поглощению солнечной радиации, озон совершенно не пропускает в нижние слои атмосферы ультрафиолетовое излучение Солнца.

Изучение спектров полярных сияний, сумеречного и ночного неба показало, что и на очень больших высотах в несколько сот километров в составе воздуха преобладают азот и кислород, а легких газов — водорода и гелия — очень мало. Но кислород под влиянием ультрафиолетовых лучей Солнца на высоте более 100 км находится уже не в молекулярном состоянии (О2), а в виде отдельных атомов (О). Полагают, что и азот на высоте более 200—300 км находится в расщепленном на атомы состоянии.

В верхних слоях атмосферы обнаружено наличие атомов натрия и некоторых других металлов. Это объясняется тем, что происходит постоянное вторжение метеоров в воздушную оболочку Земли.

Ионы в атмосфере. В атмосферном воздухе на различных высотах всегда содержится большое количество ионов. Это мельчайшие частички воздуха, заряженные положительным или отрицательным электричеством.

Ионы делятся на легкие и тяжелые. Легкие ионы представляют собой электрически заряженные молекулы или атомы газов. Такие ионы образуются преимущественно в результате воздействия на молекулы или атомы воздуха ультрафиолетового (корпускулярного) излучения Солнца, радиоактивного излучения и космических лучей. Тяжелые ионы возникают при объединении группы легких ионов на отдельных пылинках или капельках воды.

Вблизи земной поверхности в 1 см3 воздуха находится около 700 положительных и 600 отрицательных легких и более 1000 тяжелых ионов. С высотой увеличивается количество легких и уменьшается количество тяжелых ионов.

Процессы образования и уничтожения ионов путем воссоединения и нейтрализации происходят непрерывно. Средняя продолжительность существования легких ионов менее 20 минут, тяжелых — около часа и более.

С наличием в воздухе ионов связаны все электрические процессы в атмосфере. Легкие ионы обусловливают электропроводимость атмосферы и влияют на распределение радиоволн в ее высоких слоях. Тяжелые ионы определяют заряд облаков и грозовые явления.

Атмосфера как коллоид. Коллоидами в химии называют такие системы, в которых одно вещество является растворяющей средой, а другое находится в нем во взвешенном состоянии в виде твердых или жидких частичек. Растворяющей средой может быть как жидкость, так и газообразное вещество. В первом случае коллоидный раствор называется гидрозоль, во втором — аэрозоль. Исходя из этих положений, можно считать, что влажный и запыленный атмосферный воздух является коллоидным раствором типа аэрозоля. Растворяющей средой является смесь различных газов воздуха, а во взвешенном состоянии в воздухе находятся пылинки, капельки воды и кристаллики льда.

Представляя атмосферу как коллоид, можно для объяснения некоторых явлений в атмосфере применять положения, разработанные в химии для коллоидных растворов.

Строение атмосферы. На основании всех имеющихся исследований атмосферы установлено, что воздушная оболочка Земли имеет слоистое строение. Воздушные слои отличаются один от другого по своим физическим свойствам и по метеорологическим процессам, в них происходящим. В настоящее время толщу атмосферы делят на три основных слоя или; как говорят, сферы: тропосферу стратосферу, ионосферу.

Тропосфера — самая нижняя часть атмосферы, прилегающая к земной поверхности. Толщина этого воздушного слоя невелика и неодинакова на различных широтах. На экваторе тропосфера простирается до высоты 16—17 км, в средних широтах до 10—11 км и на полюсах до 7—8 км. Несмотря на относительно малую высоту тропосферы, в ней сосредоточено 3/4 всей воздушной массы атмосферы и почти весь ее запас водяных паров.

Для тропосферы характерно наличие различных форм облаков, вертикальные и горизонтальные передвижения масс воздуха и понижение температуры с высотой. В среднем на каждые 100 м высоты температура воздуха понижается на 0°,6. В результате этого у верхней границы тропосферы температура бывает около минус 50—60°.

Физическое состояние тропосферы и происходящие в ней метеорологические процессы определяют условия погоды на поверхности Земли.

Стратосферой называется второй по высоте слой атмосферы, простирающийся от верхней границы тропосферы до высоты 80—85 им.

Стратосфера отличается большой сухостью воздуха и почтя полным отсутствием облаков. По сравнению с тропосферой в стратосфере слабо развиты вертикальные воздушные токи и в связи с этим менее значительное перемешивание воздуха.

На основании акустических и сумеречных наблюдений и наблюдений: за метеоритами установлено, что температура воздуха в разных частях, стратосферы неодинакова. В нижнем слое до высоты 30—35 км температура низкая, около —55°. Выше этого уровня температура сильно повышается, достигая на высоте 55—60 км значения +50—75°. Далее с высотой происходит понижение температуры, у верхней границы стратосферы она равна около—50—75°. Высокая температура в средних слоях стратосферы, по-видимому, связана с наличием там в большом количестве озона и его способностью к поглощению ультрафиолетовых лучей Солнца.

Ионосфера представляет собой верхнюю, наиболее разреженную часть атмосферы, лежащую выше 80—85 км. Характерной особенностью этой воздушной сферы является одноатомное состояние кислорода и большое количество ионов, создающих значительную электропроводность воздуха,, особенно на высоте от 90 до 130 и от 250 до 400 км. К интересным явлениям ионосферы откосятся полярные сияния. Ионосфера отражает радиоволны, это дает возможность радиоволнам распространяться на огромные расстояния. Температура в ионосфере с высотой повышается. На основании косвенных расчетов и по измерениям при подъемах ракет температура на высоте 120 км определяется величиной около +150°. Как изменяется температура на еще больших высотах — точно не выявлено.

Верхняя граница ионосферы пока еще не установлена, В последнее время некоторые наши ученые предлагают выделить еще два слоя атмосферы выше ионосферы, а именно вакуумсферу (от 600 до 1000 км) и сферу диссипации, или рассеяния (от 1000 до 1200 км).

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.