big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Данные о составе атмосферы

Атмосфера Земли состоит из механической смеси газов. Если удалить из воздуха влагу и частицы пыли, то сухой воздух вблизи земной поверхности по объему содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. Количество остальных газов в воздухе ничтожно мало. К этим газам относятся: водород, неон, гелий, криптон, ксенон, радон, закись азота, йод, водяной пар, озон, метан и др.

Впервые пробы воздуха на больших высотах были взяты в 30-х годах при подъеме стратостатов. Позднее это выполнялось с помощью автоматических приборов и запусков ракет. Оказалось, что до высоты около 100 км состав атмосферы существенно не меняется. Выше она также состоит преимущественно из азота и кислорода. Почти постоянный газовый состав атмосферы в первой сотне километров объясняется тем, что в ней постоянно происходит беспорядочное вихревое (турбулентное) движение, вызывающее перемешивание газов не только в нижних слоях, но и на больших высотах. Так, по данным ракетного зондирования, по наблюдениям за светящимися облаками и движением метеорных следов установлено, что в высоких слоях атмосферы преобладают сильные ветры, сопровождающиеся турбулентными движениями. Непрерывное движение воздуха препятствует разделению газов в соответствии с их удельным весом, и процесс медленного диффузного проникновения одних газов в другие практически становится невозможным.

Количество углекислого газа в атмосфере непостоянно. В промышленных районах его несколько больше, чем вдали от них. Например, над Антарктикой в воздухе находится около 0,02% углекислого газа, т. е. почти на 1/3 меньше обычного количества. В приземном слое воздуха количество углекислого газа претерпевает и суточные изменения. Ночью его несколько больше, чем днем. Объясняется это тем, что углекислый газ поглощается растениями лишь в светлое время суток, а ночью поглощение прекращается, в то время как промышленные объекты и животный мир выделяют его непрерывно.

Измерения показывают, что общее количество углекислого газа в воздухе в связи со сжиганием угля на протяжении последнего столетия постепенно возрастало. За 35 лет (1900—1935) оно увеличилось с 0,029 до 0,032. Содержание углекислого газа в воздухе с высотой медленно убывает.

Наиболее важной для жизни и изменчивой составной частью атмосферы является водяной пар. В отличие от других газов, количество водяного пара с высотой очень быстро уменьшается, и большая часть его сосредоточена в самых нижних слоях атмосферы. Вместе с тем водяной пар обладает одним замечательным свойством — его количество зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем больше влагосодержание воздуха, чем холоднее воздух, тем меньше его влагосодержание. Водяной пар насыщает пространство, когда его количество при данной температуре достигает максимума. Так, при температуре 30° выше нуля в 1 м3 воздуха содержится максимум 30 г водяного пара, при температуре 10° выше нуля — 8 г, а при 30° ниже нуля всего лишь 0,3 г пара. Поэтому первоначально ненасыщенный водяным паром воздух может стать насыщенным, если его охладить. Как только количество водяного пара в воздухе достигает максимума, он при дальнейшем охлаждении начинает превращаться в мельчайшие капельки воды, т. е. конденсироваться.

При низкой температуре капельки воды обычно замерзают и превращаются в ледяные кристаллы. Но, как показывают наблюдения, даже при температуре 10—15° ниже нуля, а иногда и ниже мельчайшие водяные капельки могут оставаться незамерзшими, т. е. находиться в переохлажденном состоянии. При очень низкой температуре (ниже —40°) и большом перенасыщении воздуха водяной пар превращается в ледяные кристаллы, минуя фазу воды. Этот процесс называется сублимацией водяного пара.

Так как в нижнем слое атмосферы температура воздуха с высотой, как правило, понижается, то количество водяного пара быстро убывает. Достаточно сказать, что в первом пятикилометровом слое воздуха находится около 90% всего количества водяного пара, а остальная часть его содержится в пределах до 12—15 км. Зависимость влагосодержания воздуха от его температуры играет существенную роль в органической жизни нашей планеты, поскольку этим обусловлено образование облаков и осадков.

В атмосфере всегда содержится значительное количество пыли, поступающей с поверхности земли и из космического пространства. Она состоит из мельчайших твердых и жидких частиц, чрезвычайно разнообразных по своему происхождению. Это разрушения и выветривание почвы, горных пород, соли, продукты горения, минералы и различные химические соединения.

Главным источником пыли в нижних слоях атмосферы являются безводные пустыни и степи. Массы воздуха, проходящие над засушливыми районами материков, содержат значительное количество пыли, крупные частицы которой быстро выпадают, а мелкие во взвешенном состоянии переносятся ветром на громадные расстояния и вызывают помутнение воздуха.

Больше всего загрязнены нижние слои атмосферы. Даже после дождя в 1 см3 содержится около 30 тыс. пылинок, а в сухую погоду их число возрастает в 4—5 раз. При суховеях, сопровождающихся пыльными бурями, ветром переносятся миллионы тонн поверхностного слоя почвы. От морей и океанов воздух обогащается солевыми примесями. При волнении брызги воды, содержащие соли, уносятся ветром, капельки воды быстро испаряются, а мельчайшие частицы соли остаются в воздухе во взвешенном состоянии и переносятся на материки.

В верхние слои атмосферы пыль поступает из мирового межпланетного пространства. Это так называемая космическая пыль. Она обычно образуется при сгорании бесчисленного количества метеоров, которые, вспыхивая от трения в атмосфере оставляют за собой пепел и пыль. Загрязняется воздух и продуктами горения: от действующих вулканов, лесных пожаров, промышленных городов. Так, при извержении вулкана Кракатау (Индонезия) в атмосферу до высоты 32 км было выброшено 150 млрд. т пыли и пепла, которые в течение ряда лет продержались в воздухе. То же случилось при извержении вулкана Катмай (Аляска) в 1912 г., когда в воздух до высоты 50 км было выброшено около 20 млрд. м3 пыли, которая также продержалась несколько лет. Пыль в атмосферу попадает и при взрыве водородных бомб. При взрыве одной бомбы с суши в воздух выбрасывается несколько миллионов тонн пыли.

С помощью ракет и искусственных спутников Земли в атмосфере обнаружены зоны пыли между высотами 100—150 км. По приближенным расчетам ежедневно на Землю выпадает около 1000 т космической пыли.

Значительное количество пыли поступает в атмосферу от крупных промышленных предприятий. Заводские трубы выбрасывают в атмосферу вместе с дымом вредные для здоровья газы (окиси углерода, сернистый ангидрид, окислы азота и др.). Их вредное действие распространяется не только на животный мир, но и на растительность. В больших городах много копоти дают автомобили. Два-три миллиона автомобилей в одном городе ежедневно выбрасывают сотни тонн копоти, загрязняя воздух.

В то же время все эти мельчайшие частицы пыли, гари, солей и т. п. являются, как уже говорилось, ядрами конденсации, т. е. ядрами, на которых при насыщении воздуха осаждаются молекулы водяного пара, что приводит к образованию облаков, осадков и других гидрометеоров.

Цвет неба. Посторонние примеси, содержащиеся в воздухе, оказывают влияние на цвет неба днем. Молекулы газов, составляющих воздух, пыль, капельки воды и кристаллики льда частично рассеивают солнечные лучи. При этом молекулы газов сильнее рассеивают радиацию наиболее коротких волн видимой части спектра солнца (фиолетовый и синий участок) по сравнению с видимым красным участком спектра.

Согласно закону Рэлея, молекулярное рассеяние света обратно пропорционально четвертой степени длины волны светового луча. Вследствие этого крайние фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз больше, чем крайние красные. Содержащиеся в воздухе примеси, будучи значительно крупнее молекул газов, рассеивают лучи с интенсивностью, также обратно пропорциональной длине волны, но уже не в четвертой степени, а значительно меньше. Однако и они коротковолновую радиацию рассеивают больше, чем длинноволновую. Поэтому воспринимаемый человеческим глазом рассеянный свет, посылаемый небесным сводом при безоблачной погоде, представляется голубым и синим. При этом степень синевы неба наибольшая в зените, где масса воздуха, проходимая лучами, наименьшая.

С увеличением высоты над уровнем моря насыщенность цвета неба возрастает: оно постепенно из голубого переходит в фиолетовый. В стратосфере и выше цвет неба становится черно-серым, а затем черно-фиолетовым. При большой запыленности воздуха или наличии большою количества водяного пара рассеяние света отклоняется от закона Рэлея и небо приобретает белесоватый оттенок, а при сплошной облачности выглядит серым.

Гомосфера и гетеросфера. По химическому составу атмосферу по вертикали делят на два слоя: гомосферу (однородную) — от поверхности земли до 100—110 км и гетеросферу (неоднородную) — выше 100—110 км.

В гомосфере состав атмосферы, в смысле процентного соотношения газов, ее составляющих, за исключением водяного пара, озона и углекислого газа, мало меняется с высотой. В гетеросфере состав атмосферы с высотой претерпевает значительные изменения вследствие разложения молекул газов, а также из-за стремления газов к диффузному равновесию под действием силы тяжести. Гетеросфера отделяется от гомосферы слоем гомопаузы, который расположен над мезопаузой.

Гомопауза в зависимости от адвекции, турбулентности, диффузии и, по-видимому, от изменения солнечной активности колеблется в пределах 10—20 км.

Выше 100 км под действием ультрафиолетовой радиации Солнца молекулы газов расщепляются на атомы. На высотах 100— 200 км кислород (О2) частично уже находится в атомарном (атомном) состоянии, а в слое 200—1000 км атомы кислорода (О) преобладают. Выше 500 км большая часть азота (N2) также находится в атомарном состоянии (N).

Расщепление молекулярного кислорода (С2) на атомы (О) — процесс довольно медленный. Поэтому, судя по данным проб воздуха с высот 100—120 км, на этих высотах количество молекулярного и атомарного кислорода в течение дневного и ночного времени суток не подвергается существенным изменениям.

На высотах 500—1000 км, а при максимуме солнечной активности на высотах 1000—2000 км преобладает газ гелий.

 

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

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.