big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Состав, физическое состояние и строение атмосферы

Состав атмосферы. Атмосфера состоит из смеси нескольких газов, называемой воздухом, в котором находятся во взвешенном состоянии жидкие и твердые частички. Основными газами сухого воздуха являются азот (более 78% по объему) и кислород (около 21%), заметная доля принадлежит аргону (около 1%) и углекислому газу (около 0,03%). Кроме того, в атмосфере содержатся в ничтожных количествах криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон, йод, радон, метан, аммиак, перекись водорода, закись азота и другие газы. В атмосфере имеется переменное количество водяного пара в пределах от почти 0 до 4%.

Процентное содержание составных частей сухого воздуха до высоты примерно 100 км мало меняется. На высотах от 10—20 до 50—60 км при поглощении кислородом ультрафиолетовой радиации Солнца образуется озон. Выше 80 км под действием ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца в атмосфере преобладают заряженные атомы кислорода и азота, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Выше 1000 км атмосфера состоит в основном из гелия, а выше 2000 км — из водорода. Количество водяного пара сильно уменьшается с высотой. На высоте 5 км его количество в 10 раз меньше, чем у земной поверхности, а на высоте 8 км — в 100 раз меньше.

Первичная атмосфера Земли состояла главным образом из водяных паров, водорода и аммиака. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца водяные пары разлагались на водород и кислород. Водород в значительной части уходил в космическое пространство, кислород вступал в реакцию с аммиаком и образовывались азот и вода. На раннем этапе геологической истории Земли в атмосфере преобладал углекислый газ, который поступал из недр при интенсивных вулканических извержениях. С появлением в конце палеозоя зеленых растений кислород стал поступать в атмосферу в результате разложения углекислого газа при фотосинтезе, и состав атмосферы принял современный вид.

Взвешенные частички в атмосфере называются аэрозолями. К ним относятся водяные капли и кристаллы, пыль минерального и органического происхождения, дым и пепел от лесных пожаров, сгорания топлива и вулканических извержений, частички морской соли, микроорганизмы, космическая пыль и продукты радиоактивного распада, возникающие при испытательных взрывах атомных и термоядерных бомб. Аэрозоли содержатся главным образом в самых нижних слоях атмосферы. Многие из них служат ядрами, на которых начинается конденсация водяного пара при образовании облаков и тумана.

Физическое состояние атмосферы. Рассмотрим основные характеристики физического состояния атмосферы, от которых в первую очередь зависит ее строение и роль в развитии географической оболочки. К этим характеристикам относятся температура, давление и плотность воздуха и производное от них движение воздуха.

Давление, плотность и температура связаны между собой уравнением состояния газов

где Р — давление, ρ — плотность, Т — температура по абсолютной шкале, R — газовая постоянная, зависящая от природы газа. С достаточным приближением это уравнение применимо и для атмосферы. Из уравнения следует, что плотность и температура пропорциональны давлению. Следовательно, если с высотой давление уменьшается, то должны уменьшаться плотность и температура.

Среднегодовая температура воздуха у земной поверхности 14°. Она варьирует в широких пределах: ее крайние значения от +58° (в тропических пустынях) до —88° (в Антарктиде). С высотой температура, как правило, понижается по сложному закону.

Давление, оказываемое атмосферой на земную поверхность, составляет на уровне моря в среднем 1013 мб. Самое высокое давление, приведенное к уровню моря, зарегистрировано в Азии (1080 мб), самое низкое — в Тихом океане (887 мб). С высотой давление убывает примерно в геометрической прогрессии, когда высота возрастает в арифметической прогрессии. На уровне 5 км давление почти вдвое ниже, чем на уровне моря, на уровне 10 км — в 4 раза, на уровне 20 км — в 18 раз ниже.

Плотность воздуха уменьшается с высотой меньше, чем давление. У поверхности земли плотность в среднем равна 1250 г/ж3, на высоте 5 км — 735 г/м3, 10 км — 411 г/м3, 20 км — 87 г/м3.

В связи с изменением давления воздух постоянно перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях, что приводит к обмену тепла и влаги на земной поверхности и в нижнем слое атмосферы. Горизонтальное перемещение воздуха происходит со средней скоростью у земной поверхности 5—10 м/сек, максимальной более 50 м/сек. В высоких слоях атмосферы наблюдаются скорости 100 м/сек и более. Вертикальное перемещение воздуха происходит со скоростью от нескольких метров до 10—20 м/сек.

Строение атмосферы. В вертикальном направлении атмосферу можно представить состоящей из нескольких концентрических слоев, сравнительно резко отличающихся по своим физическим свойствам. Давление и плотность атмосферы понижаются с высотой постепенно и не могут являться причиной скачкообразного изменения свойств атмосферы. Изменение же температуры, связанное с давлением и плотностью уравнением состояния газов, понижается постепенно лишь до определенной высоты. Далее в ход температуры вмешивается ультрафиолетовое и корпускулярное

Схема распределения температуры воздуха с высотой в атмосфере

излучение Солнца, где давление и плотность уже малы. Ультрафиолетовое излучение приводит к образованию слоя озона, в связи с чем понижение температуры с высотой сначала уравновешивается, а затем температура повышается. На высотах, где влияние озона перестает сказываться, температура вновь начинает понижаться. На высотах более 80 км под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца происходит образование ионов в атмосфере, что опять приводит к повышению температуры (рис. 10). Таким образом, основной причиной концентрического строения атмосферы является ультрафиолетовое и корпускулярное излучение Солнца.

Нижний слой атмосферы высотой до 17 км над экватором и 8 км над полюсами называется тропосферой. Температура в тропосфере понижается с высотой в среднем на 0°, 6 на каждые 100 м. В тропосфере происходит непрерывное перемешивание воздуха, образуются облака, выпадают осадки. В ней сосредоточено до 4/5 всей массы атмосферы и почти весь водяной пар. Процессы, происходящие в тропосфере, непосредственно влияют на погоду и климат. Нижний слой тропосферы, примыкающий к земной поверхности, называют приземным слоем. Здесь особенно резко выражены изменения температуры в течение суток и года. Слой от земной поверхности до высоты порядка 1000 м называется слоем трения, в котором уменьшается скорость ветра и меняется его направление. Слой трения оказывает большое влияние на общую циркуляцию атмосферы. В процессе последней тропосфера расчленяется на отдельные воздушные массы, которые более или менее длительное время сохраняют индивидуальные физические свойства (температуру, влажность, содержание пыли). Горизонтальное распространение воздушных масс измеряется тысячами километров.

Над тропосферой до высоты порядка 55 км расположена стратосфера. В ней выделяется слой озона с максимальной концентрацией его на высоте от 25 до 30 км. Нижняя стратосфера имеет более или менее постоянную температуру около —70° над экватором и от —45 до —65° над северным полюсом. С высоты 25 км температура начинает расти и у верхнего предела стратосферы достигает 10—30°. Распределение температуры в стратосфере является причиной господства горизонтального переноса воздуха, что приводит, в частности, к обмену воздушных масс между широтами.

На высотах порядка от 55 до 80 км расположена мезосфера. Здесь температура падает с высотой до нескольких десятков градусов у верхней границы и поэтому преобладает вертикальное движение воздуха.

Над мезосферой до высоты порядка 1200 км расположена ионосфера (термосфера). Температура в ней с высотой повышается до 1000°, а возможно и более. Физические свойства ионосферы зависят главным образом от магнитосферы Земли, солнечной активности и их колебаний. Это приводит, в частности, к образованию постоянных и временных слоев и облаков с повышенной плотностью ионизированного газа. Сильная изменчивость свойств ионосферы косвенно влияет и на состояние нижних слоев атмосферы, а следовательно, на погоду и климат.

Над ионосферой расположена протоносфера, состоящая в основном из ионов водорода (протонов). Она распространяется до верхней границы магнитосферы.

 

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

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.