Атмосфера

Вспомните! Что такое атмосфера Земли? Какова ее мощность? На какие слои и по каким признакам подразделяют атмосферу? Каков газовый состав атмосферы? Охарактеризуйте значение атмосферы для природы Земли, Какие методы изучении атмосферы вам известны? Почему необходимо охранять атмосферу от загрязнения? Какие процессы и явления, происходящие в атмосфере, вам известны?

Понятие об атмосфере. Ее границы, состав, строение, значение и охрана

Атмосфера — воздушная оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с ней вокруг оси. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли, так что мы живем на дне воздушного океана. Верхняя граница условно проводится на высоте около 1000 км, хотя атмосфера простирается гораздо выше — до 20 000 км, но на такой высоте она крайне разрежена.

Воздух атмосферы — смесь газов, в которой находятся во взвешенном состоянии жидкие и твердые частицы. В воздухе до высоты примерно 100 км содержится 78 % азота, 21 % кислорода, около 1 % инертных газов (по объему). Каждый газ в атмосфере выполняет свои функции. Огромна роль свободного кислорода: без него невозможны дыхание, горение, окислительные процессы. Азот — важный биогенный элемент. Он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, его соединения обеспечивают минеральное питание растений. Диоксид углерода (углекислый газ) — «уте­плитель» Земли: он пропускает солнечную энергию, но задержива­ет тепловое излучение Земли. Диоксид углерода используется зелеными растениями для построения органического вещества. Кислород, азот и диоксид углерода активно участвуют также в геохимических процессах, в частности в химическом выветривании горных пород. Очень важна роль озона О₃, хотя его в атмосфере мало. Он концентрируется на высоте 20—25 км (озоновый экран) я поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое в больших дозах губительно действует на живые организмы. В воздухе, особенно городском, много мелких твердых частиц. Их количество увеличивается после извержения вулканов, массовых лесных пожаров, пыльных бурь и т.д. Твердые частицы служат ядрами конденсации, вокруг которых образуются капли воды и снежинки. Составной частью воздуха является также невидимый водяной пар, который при определенных условиях Конденсируется или сублимируется и дает осадки. Как и углекислый газ, он тоже играет роль утеплителя Земли.

Воздух в тонком слое бесцветен. Цвет же неба изменяется в зависимости от интенсивности солнечных лучей, которая, в свою очередь, определяется длиной волны: интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени их длины. В первую очередь рассеиваются коротковолновые лучи — фиолетовые, синие, голубые, в последнюю — красные. Поэтому на больших высотах цвет неба фиолетовый, а в нижней части — голубой.

Масса атмосферы составляет одну миллионную долю массы земного шара. Половина ее находится в нижнем слое толщиной 5 км, на следующие 5 км приходится одна четвертая часть массы атмосферы. Следовательно, с подъемом вверх масса воздуха и давление существенно уменьшаются. В вертикальном направлении атмосфера неоднородна. По характеру изменения температуры воздуха с высотой и другим физическим свойствам она делится на несколько концентрических оболочек.

Тропосфера — самый нижний и плотный слой атмосферы. Его верхняя граница расположена на высоте 18 км над экватором и 1 8—9 км над полюсами. Температура воздуха убывает с высотой в среднем на 0,6° на каждые 100 м и достигает у верхней границы — 55 °С. В тропосфере происходит интенсивное вертикальное движение воздуха — конвекция — и горизонтальное перемещение — ветры. Здесь сосредоточен почти весь воздух, водяной пар, образуются туманы, облака, осадки. Вообще погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера простирается в среднем до высоты 50 км.

Температура воздуха в ней возрастает за счет поглощения солнечной энергии озоном и у верхней границы приближается к 0*РС. В стратосфере почти нет водяного пара, поэтому практически нет и облаков. Раньше предполагали, что стратосфера является спокойной средой. На самом деле оказалось, что в ней дуют ураганные ветры со скоростью до 300—400 км/ч.

Несколько концентрических оболочек выделяют в атмосфере и выше. Верхние слои атмосферы в отличие от нижних ионизированы. В них наблюдаются полярные сияния и магнитные бури.

Атмосфера имеет большое значение для Земли. Она защищает все живое на Земле от пагубного воздействия ультрафиолетовой солнечной радиации, а также от корпускулярных потоков — электрически заряженных частиц, летящих от Солнца, и космических лучей. Без атмосферы Земля была бы такой же безжизненной, как Луна. Атмосфера предохраняет Землю от чрезмерного перегревания днем и охлаждения ночью. На Луне, где нет атмосферы, суточная амплитуда температур достигает 300 °С. Атмосфера служит «броней» против метеоритов — железокаменных «пришельцев» из Космоса, большая часть которых, попадая в плотные слои атмосферы, сгорает.

Атмосфера взаимодействует со всеми оболочками Земли. Между земной поверхностью (сушей и водой) и атмосферой осуществляется постоянный обмен теплом и влагой. Без атмосферы не было бы ни ветра, ни звука, ни осадков. Воздух (кислород, азот, диоксид углерода и другие газы) — необходимое условие органической жизни на нашей планете, он нужен людям, животным, растениям.

Изучением атмосферы и снабжением практических организаций информацией о погоде и климате занимается метеослужба, которая объединяет научные метеорологические учреждения и сеть метеостанций. Существует Всемирная служба погоды в рамках Всемирной метеорологической организации при ООН. Она включает три мировых метеорологических центра — в Москве, Вашингтоне и Мельбурне — и двадцать шесть региональ­ных. Функции мирового и регионального метеорологических центров в Москве выполняет Гидрометцентр страны.

Для познания процессов, происходящих в атмосфере, недоста­точно исследования лишь нижних ее слоев. Высокие слои атмосферы изучают с помощью радиозондов, геофизических ракет, искусственных спутников Земли и т.д.

Большое влияние на состав воздуха нижних слоев атмосферы оказывает человек. Изменение состава воздуха атмосферы, вызванное хозяйственной деятельностью людей, приводит к нежелательным последствиям. Например, увеличение содержания оксида серы в воздухе приводит к кислотным дождям. От автотранспорта и предприятий цветной металлургии в воздух поступают тяжелые металлы. Вредны выбросы химических и нефтехимических предприятий. Особенно загрязнен воздух городов.

К глобальным изменениям климата может привести концен­трация в атмосфере фреонов и диоксида углерода. Фреоны, широко применяемые в быту и промышленности, а также оксиды азота, выбрасываемые двигателями самолетов, могут до опасных пределов уменьшить концентрацию озона. Основная часть антропогенного диоксида углерода образуется в результате сжигания органического топлива. Диоксид углерода усиливает «тепличный эффект» Атмосферы. При этом возможно повышение средней температуры воздуха у земной поверхности, что неизбежно приведет к v серьезным нарушениям природных процессов в географической I оболочке.

В настоящее время принимаются меры к строительству очистных сооружений и внедрению безотходного производства, что приведет к снижению выбросов вредных веществ в атмосферу.

На охрану воздуха в нашем государстве и других странах тратятся большие средства. За соблюдением норм предельно допустимых концентраций вредных веществ наблюдает санитарная служба.

Принципиально новой информационной системой является Мониторинг, основная задача которого не только наблюдение за состоянием окружающей среды в связи с антропогенными воздействиями, но и оценка и прогноз его для охраны природы.

Нагревание атмосферы

Основным источником жизни и многих природных процессов на Земле является лучистая энергия Солнца, или энергия солнечной радиации. На Землю поступает лишь одна двухмиллиардная часть электромагнитной солнечной радиации, основная же ее часть рассеивается в Мировом пространстве. Путь от Солнца до Земли солнечные лучи проходят за 8,3 мин.

Радиация бывает прямая и рассеянная. Прямая радиация непосредственно достигает земной поверхности в виде прямых лучей, исходящих от солнечного диска в ясный день. Проходя Сквозь земную атмосферу, солнечная радиация изменяется и по интенсивности, и по спектральному составу вследствие ее поглощения и рассеяния атмосферными газами и взвешенными в воздухе жидкими и твердыми частицами. В результате у земной поверхности поток прямой солнечной радиации, поступающей от Солнца, колеблется в широких пределах в зависимости от физических свойств атмосферы и длины пути, проходимого солнечными лучами. Часть солнечной радиации, рассеянной в атмосфере, доходит до поверхности Земли от всего небесного свода и называется рассеянной солнечной радиацией.

Совокупность прямой и рассеянной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, называют суммарной радиацией. Величина годовой суммарной радиации зависит прежде всего от угла падения на земную поверхность солнечных лучей (который определяется географической широтой), а также от прозрачности атмосферы и продолжительности освещения. В целом суммарная радиация уменьшается от экваториально-тропических широт к полюсам. Она максимальна — около 850 кДж/см² в год (200 ккал/см² в год)— в тропических пустынях, где прямая солнечная радиация из-за большой высоты Солнца и безоблачного неба наиболее интенсивная. В летнее полугодие различия в поступлении суммарной солнечной радиации между низкими и высокими широтами сглаживаются за счет большей продолжительности освещения в полярных районах (полярный день), в зимнее полугодие они достигают максимума (полярная ночь).

Суммарная солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, частично отражается ею и теряется (отраженная радиация). Однако большая ее часть поглощается земной повер­хностью и превращается в теплоту. Воздух нагревается от земной поверхности за счет длинноволнового теплового излучения Земли, так называемой земной радиации. Вот почему с подъемом вверх в тропосфере температура понижается. Часть земной радиации теряется в виде теплового излучения. Однако большая «е доля задерживается атмосферой. Свойство атмосферы пропускать сол­нечную радиацию к земной поверхности, но задерживать ее тепловое излучение (главным образом благодаря водяному пару и диоксиду углерода) называется парниковым эффектом.

Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения от земной поверхности, называется радиационным балансом (остаточной радиацией). В целом за год всюду на Земле он положительный, за исключением высоких ледяных пустынь Антарктиды и Гренландии. Радиационный баланс закономерно уменьшается от экватора (350 кДж/см² в год) к полюсам, где он близок к нулю. От экватора до субтропиков (сороковые широты) радиационный баланс в течение всего года положительный, а начиная с умеренных широт летом — положительный, зимой — отрицательный.

Соответственно и температура воздуха тоже зональна и убывает от экватора к полюсам. Эта закономерность наглядно отображена на климатических картах мира, где показаны годовые изотермы или изотермы самого теплого и холодного месяцев (июля или января). Изотермы — это линии на картах, соединяющие точки с одинаковой температурой воздуха за определенный промежуток времени. Анализ карты годовых изотерм позволяет сделать следующие выводы.

1, В экваториально-тропических широтах понижение температуры воздуха по мере удаления от экватора происходит медленно, в умеренных — довольно быстро, в приполярных широтах — вновь медленно. Это связано с тем, что величина поступающей солнечной радиации зависит не просто от географической широты, а от синуса угла падения солнечных лучей, подверженного наибольшим изменениям в пределах 40—50° широты.

2. Все параллели северного полушария теплее аналогичных параллелей южного полушария. Самые высокие среднегодовые температуры (26—27 °С) наблюдаются не на экваторе, а на 10° с.ш. — термическом экваторе Земли. Такое явление объясняется тем, что в северном полушарии в низких широтах значительную площадь занимают материки, нагретые в течение всего года, а в южном полушарии большую площадь занимают океаны, следова­тельно, больше теплоты затрачивается на испарение. Кроме того, охлаждающее влияние на южное полушарие оказывает материк Антарктида, покрытый льдами.

3. Изотермы не совпадают с параллелями, хотя солнечная радиация распределяется зонально. Это особенно заметно в Северном полушарии, где наблюдается чередование материков и океанов. Отклонение изотерм от широтного направления лучше выражено на картах январских изотерм. Например, изотерма 0°С над сушей достигает широты 40°, образуя «волны холода», а над океанами заходит за полярный круг, образуя «волны тепла». Такое отклонение изотерм от параллелей почти до меридионального направления вдоль побережий вызвано неодинаковыми условиями нагревания и охлаждения суши и моря, влиянием теплых и холодных течений в сочетании с господствующими западными ветрами.

Разность среднемесячных температур самого теплого и самого Холодного месяцев называется годовой амплитудой температур, разность между самой высокой и самой низкой температурой воздуха в течение суток — суточной амплитудой температур. И та и другая амплитуды температур меньше на побережьях в морском климате и больше во внутренних частях материков в континентальном и особенно резко континентальном климате. По времени наступления максимальных и минимальных Среднемесячных температур воздуха в течение года различают Четыре основных типа годового хода температур (рис. 8). Первый — экваториальный тип: температуры весь год ровные с двумя небольшими максимумами (27-28°С) после дней равноденствия (апрель, октябрь) и двумя небольшими минимумами (24-25°С) после дней солнцестояния (июль, январь). Второй — Тропический тип; для него характерны один максимум (более 30°С) и один минимум (около 20°С) температур воздуха, третий — тип умеренных широт; характерны один максимум и

один минимум температур в течение года, причем температуры изменяются таким образом, что год разбивается на четыре сезона. Четвертый — полярный тип; один максимум и один минимум температур, причем весь год или почти весь год температуры отрицательные.

Самые высокие температуры воздуха на Земле наблюдаются в тропических пустынях; на севере Африки, близ Триполи, зарегистрирована температура +58,1 °С. Самые низкие темпера­туры приземного слоя воздуха (-89,2 °С) отмечены в 1982 г. в Антарктиде на внутриконтинентальной станции «Восток», распо­ложенной на высоте 3488 м над уровнем моря, а в северном полушарии — в Восточной Сибири в поселке Оймякон (-71°С), расположенном в котловине среди гор, в верховьях реки Индигирки.

На Земле выделяется семь тепловых поясов - жаркий, два умеренных, два холодных и два вечного мороза.

Границами тепловых поясов являются изотермы. Жаркий пояс ограничен с обеих сторон годовыми изотермами +20°С. Эти изотермы оконтуривают на суше ареал распространения дикора­стущих плодоносящих пальм, в океанах — коралловых построек. Два умеренных пояса ограничены со стороны экватора годовой изотермой +20°С, со стороны полюсов — +10°С самого теплого месяца, которая совпадает примерно с границей тундры и леса.

Два холодных пояса лежат между изотермами +10 и 0°С самого теплого месяца. На суше это зоны тундры..Две области вечного роза оконтуриваются изотермой О °С самого теплого месяца, царство вечных снегов и льдов.

Дата добавления: 2014-12-27