Ананьев. Земля - Полная Энциклопедия 2007. Ананьева Е. Г, Мирнова С. С
 Скачать 31.25 Mb.
|
|
Воздух, которым мы дышим, это смесь газов. Больше всего в нём азота — 7 8 % и кислорода — 21 %. Аргон составляет менее 1 % и 0,03% — углекислый газ. Другие многочисленные газы, например криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон и прочие, составляют тысячные и миллионные доли процента. Воздух содержит также водяной парча- стички различных веществ, бактерии, пыльцу и космическую пыль. Атмосфера состоит из нескольких слоев. Нижний слой до высоты 10—15 км над поверхностью Земли называется тропосфера. Она нагревается от Земли, поэтому температура воздуха здесь с высотой падает на 6 Сна километр подъёма. 8 тропосфере находится почти весь водяной пари образуются практически все облака. Высота тропосферы над разными широтами планеты неодинакова. Над полюсами она поднимается до км, над умеренными широтами — до км, а над экватором — до 15 км. Процессы, происходящие в тропосфере — формирование и перемещение воздушных масс, образование циклонов и антициклонов, появление облаков и выпадение осадков, — определяют погоду и климату земной поверхности. Распределение температуры в атмосфере в зависимости от высоты Выше тропосферы располагается стратосфера, которая простирается до 50—55 км. Тропосферу и стратосферу разделяет переходный слой тропопауза, толщиной 1—2 км. В стратосфере на высоте около 25 км температура воздуха постепенно начинает расти и на 50 км достигает+ 10 +30 С. Такое повышение температуры связано стем, что в стратосфере на высотах 25— 30 км находится слой озона. У поверхности Земли его содержание в воздухе ничтожно мало, а на больших высотах двухатомные молекулы кислорода поглощают ультрафиолетовую солнечную радиацию, образуя трёхатомные молекулы озона. Если бы озон располагался в нижних слоях атмосферы, на высоте с нормальным давлением, толщина его слоя была бы всего 3 мм. Но ив таком небольшом количестве он играет очень важную роль поглощает вредную для живых организмов часть солнечного излучения. Выше стратосферы примерно до высоты км простирается мезосфера, в которой температура воздуха с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. СОСТАВ ВОЗДУХА Азот — Кислород — Аргон — менее Углекислый газ и другие газы — Образование кучевых облаков над горными хребтами Памира Верхняя часть атмосферы характеризуется очень высокими температурами и называется тер- мосферой. Её разделяют на две части — ионосферу — до высоты около 1000 км, где воздух сильно ионизован, и экзосферу — свыше 1000 км. В ионосфере молекулы атмосферных газов поглощают ультрафиолетовую радиацию Солнца, при этом образуются заряженные атомы и свободные электроны. В ионосфере наблюдаются полярные сияния. Атмосфера играет очень важную роль в жизни нашей планеты. Она предохраняет Землю от сильного нагрева солнечными лучами днём и от переохлаждения ночью. Большая часть метеоритов сгорает в атмосферных слоях, не долетая до поверхности планеты. Атмосфера содержит кислород, необходимый всем организмам, озоновый экран, защищающий жизнь на Земле от губительной части ультрафиолетовой радиации Солнца. АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Атмосфера Меркурия так сильно разрежена, что, можно сказать, её практически нет. Воздушная оболочка Венеры состоит из углекислого газа (96%) и азота (около 4 % ) , она очень плотная — атмосферное давление у поверхности планеты почтив раз больше, чем на Земле. Марсианская атмосфера тоже состоит преимущественно из углекислого газа) и азота (2,7%), но её плотность меньше земной примерно враз, а давление почтив раз. Видимая поверхность Юпитера на самом деле представляет собой верхний слой водородно-гелиевой атмосферы. Такие же по составу воздушные оболочки Сатурна и Урана. Красивый голубой цвет Урана обусловлен высокой концентрацией метана в верхней части его атмосферы. У Нептуна, окутанного углеводородной дымкой, выделяют два основных слоя облаков один состоит из кристаллов замёрзшего метана, а второй, расположенный ниже, содержит аммиак и сероводород. Строение атмосферы Давление, температура и плотность — важнейшие характеристики любого газа, в том числе и воздуха, составляющего атмосферу. Любой газ, заключённый в сосуд, давит на его стенки. Это происходит потому, что молекулы газа двигаются и создают давление — действуют с определённой силой на стенки сосуда. Когда температура повышается, а объём газа не меняется, скорость движения молекул увеличивается и давление растёт. На стены комнаты, в которой мы находимся, тоже давит воздух. Если комната не очень плотно закрыта и воздух поступает через окна и щели, давление внутри и снаружи легко выравнивается. Поэтому давление внутри комнаты почти не отличается от давления под открытым небом. Если вообразить какой-то объём воздуха внутри атмосферы, то и его со всех сторон тоже будут «бомбардировать» молекулы газов, находящиеся вне этого объёма. Получается, что в любой точке атмосферы или наземной поверхности имеется определённая величина атмосферного давления, равная весу вышележащего столба воздуха. А т м ос ф ер но еда в лени е выражают в граммах на см или в килограммах нам. На уровне моря давление воздуха составляет около 1 кг 33 г на см. Представьте, что вы загораете на морском берегу, растянувшись на песке. Если площадь вашего тела примерно равна 1 м, то воздух давит на вас с силой около 10 тонн Но человек, как и любой другой организм, не чувствует этого, поскольку атмосферное давление уравновешивается внутренним. С высотой давление уменьшается. Например, на высоте 5 км оно почтив раза ниже, чем на уровне моря, а на уровне 10 км — почтив раза. Атмосферное давление измеряют с помощью ртутного барометра, в котором давление столба ртути уравновешивается атмосферным давлением. Запаянную с одного конца стеклянную трубочку опускают свободным концом в сосуд с ртутью. Столбик ртути поднимается и опускается в зависимости от изменения давления воздуха на открытую ртуть в сосуде. По специальной шкале определяют величину атмосферного давления. Среднее давление на уровне моря около 760 мм ртутного столба. В барометрах-анероидах давление измеряют, основываясь на деформациях пустой металлической коробочки. Упругие стенки коробочки реагируют на изменения атмосферного давления, а соединённая сними стрелка показывает величину давления. Атмосферное давление измеряют также в миллибарах и гектопаскалях. Воздух находится в постоянном движении, его масса над определённой точкой поверхности непрерывно меняется, давление повышается там, где воздуха становится больше, и понижается там, откуда воздух уходит. Главная причина дви- Барометр- анероид Атмосферный столб давит нам земной поверхности с силой, равной весу тонного груза жения воздуха — изменение его температуры. Нагреваясь от поверхности Земли, воздух расширяется и поднимается вверх, растекаясь в стороны, в результате у поверхности Земли давление понижается. Ртутный барометр Охлаждаясь над холодной поверхностью, воздух уплотняется и опускается вниз в верхних слоях плотность уменьшается, и туда устремляется воздух со стороны. Количество воздуха увеличивается, и давление над холодной поверхностью возрас- тает. В целом наземном шаре формируется несколько поясов атмосферного давления. На экваторе, интенсивно нагреваемом Солнцем, оно постоянно понижено. Здесь нагретый от земной поверхности воздух поднимается и растекается к тропическим широтам. На высоте он охлаждается, опускается вниз, создавая в тропиках области повышенного давления. Над полюсами температура постоянно низкая, здесь холодный воздух опускается и уплотняется, в эти районы поступает воздух из умеренных широт. Над полюсами устанавливается высокое давление, а над умеренными широтами — низкое. Пояса высокого и низкого давления не распределяются над поверхностью Земли ровными полосами, потому что материки и океаны, по-разно- му поглощающие и отдающие солнечное тепло, располагаются наземном шаре неравномерно. К тому же земная ось наклонена к плоскости орбиты нашей планеты и полушария нагреваются неодинаково. Распределение давления наземном шаре в январе- — изобары (линии, соединяющие точки с одинаковым давлением Солнце — самая близкая к Земле звезда — излучает электромагнитные волны разной длины. Одни из них представляют собой свет другие инфракрасные лучи, несущие тепло третьи — целый ряд лучей, невидимых человеческим глазом: гамма-лучи, рентгеновские, ультрафиолетовые и радиоволны. Земная атмосфера лучше всего пропускает видимый свети радиоволны коротковолнового диапазона, а губительные для жизни ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи поглощаются атмосферой. Для нашей планеты Солнце — единственный источник тепла и света, от Луны изв зд поступает ничтожно малое количество радиации. Лучистая энергия Солнца нагревает поверхность Земли, а от неё нагреваются нижние слои атмосферы. Солнечные лучи, проходящие через атмосферные слои, нагревают их значительно меньше. Радиацию, которая доходит до Земли непосредственно от светила, не рассеивается и не поглощается в атмосфере, называют прямой солнечной радиацией. Атмосферный воздух содержит мельчайшие частички жидких и твёрдых примесей пылинки, капельки воды, кристаллы, частички солей. Наталкиваясь на эти препятствия, некоторые солнечные лучи рассеиваются в атмосфере. Эту часть солнечной радиации называют рассеянной. Около энергии от общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную. Вся прямая и рассеянная радиация Солнца, достигшая Земли, составляет суммарную солнечную радиацию. Её количество зависит от угла падения солнечных лучей, продолжительности дня, облачности и прозрачности атмосферы. В тропических широтах годовая величина суммарной солнечной радиации составляет около 200 ккал/ см 2 , а в полярных областях — 50 ккал/см 2 Небольшое количество солнечной радиации поглощается молекулами атмосферных газов и примесями, а та радиация, что всё же достигает поверхности планеты, частично поглощается земной поверхностью, а частично отражается и уходит обратно в атмосферу. Воздушная оболочка Земли поглощает радиации, приходящей от светила. Солнечные лучи, падающие на водную гладь, белый снег или кроны деревьев, нагревают их по- разному, потому что поверхности различного цвета и структуры поглощают лучи неодинаково. Например, тёмная поверхность вспаханной почвы нагревается быстрее, чем све- В ясный день, когда Солнце стоит высоко, интенсивно рассеиваются лучи, голубого и синего цвета жевыпавший белый снег. Отношение количества отражённой радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности. Это отношение выражается в процентах. Для яркого белого снега альбедо составляет, а длят мной пашни — Интересно, что в высоких широтах вовремя полярного дня наземную поверхность приходится больше солнечной радиации, чем в это же время на экваторе. Однако из-за того, что большая часть солнечных лучей отражается белым снегом, полярные области нагреваются очень слабо. На закате солнечные лучи проходят длинный путь в атмосфере, синие и голубые лучи рассеиваются так сильно, что мы их невидим. Небо окрашивают лучи красного и желтого цвета. ПОЧЕМУ НА ЗАКАТЕ НЕБО КРАСНОЕ, А В ЯСНЫЙ ДЕНЬ - ГОЛУБОЕ? Воздух прозрачен и бесцветен, нов мощной толще атмосферы в ясный день он голубого цвета, так как солнечные лучи рассеиваются в воздухе. Светили солнечные лучи, это распространяющиеся электромагнитные волны. Фиолетовые, синие и голубые — лучи с короткой длиной волны. В ясный день они интенсивно рассеиваются молекулами воздуха и становятся доступными глазу, Ау лучей красного и жёлтого цветов длина волны почти вдвое больше, поэтому рассеиваются они молекулами воздуха значительно меньше. В облаках и тумане содержится многоразличных примесей, капелек воды, кристалликов льда, здесь лучи всех длин волн рассеиваются одинаково сильно, поэтому облака и туман белого цвета. На закате небо часто окрашивается в красные и жёлтые цвета. Это происходит потому, что вечером Солнце стоит низко над горизонтом и солнечные лучи проходят очень длинный путь в атмосфере. Они активно рассеиваются, теперь нашему взгляду становятся доступны красные и жёлтые лучи Наша планета имеет шарообразную форму, поэтому солнечные лучи падают наземную поверхность под разными углами и нагревают её неравномерно. На экваторе, где солнечные лучи падают отвесно, поверхность Земли нагревается сильнее. Чем ближе к полюсам, тем меньше угол падения солнечных лучей и тем слабее нагревается поверхность. В полярных областях лучи как будто скользят по планете и почти не нагревают е. К тому же, проходя в атмосфере длинный путь, солнечные лучи сильно рассеиваются и приносят на Землю меньше тепла. Приземный слой воздуха нагревается от подстилающей поверхности, следовательно температура воздуха уменьшается от экватора к полюсам. Известно, что земная ось наклонена к плоскости орбиты, по которой Земля вращается вокруг Солнца, поэтому Северное и Южное полушария нагреваются неравномерно в зависимости от времён года, что тоже влияет на температуру воздуха. В любой точке Земли температура воздуха изменяется в течение суток ив течение года. Она зависит оттого, как высоко стоит Солнце над горизонтом, и от продолжительности дня. В течение суток самая высокая температура наблюдается в часов, а самая низкая — вскоре после восхода Солнца. Изменение температуры от экватора к полюсам зависит не только от географической широты места, но и от планетарного переноса тепла из низких широт в высокие, от распределения на поверхности планеты материков и океанов, которые по- разному нагреваются Солнцем и по-разному отдают тепло, а также от положения горных хребтов и океанических течений. Например, Северное полушарие теплее Южного, потому что в южной полярной области находится крупный материк Антарктида, покрытый ледяным панцирем. На картах температуру воздуха надземной поверхностью показывают с помощью изотерм — линий, соединяющих точки с одинаковой температурой. Изотермы близки к параллелям только там, где пересекают океаны, и сильно изгибаются над мате- риками. Интенсивность нагрева поверхности Земли в зависимости отпадения солнечных лучей области, где солнечные лучи сильно нагревают поверхность Земли области, где солнечные лучи нагревают поверхность Земли слабее области, где солнечные лучи почти не нагревают Землю На основе карт изотерм на планете выделяют тепловые пояса. Жаркий пояс расположен в экваториальных широтах между среднегодовыми изотермами +20 С. Умеренные пояса находятся к северу и югу от жаркого и ограничены изотермами+ 10 С. Два холодных пояса лежат между изотермами Си С, ау Северного и Южного полюсов находятся пояса мороза. С высотой температура воздуха убывает в среднем на 6 С при подъёме на 1 км. Осенью и весной нередко случаются заморозки — понижение температуры воздуха ночью ниже Св то время как среднесуточные температуры держатся выше нуля. Заморозки чаще всего происходят в ясные тихие ночи, когда на данную территорию поступают достаточно холодные воздушные массы, например, из Арктики. При заморозках воздух значительно охлаждается у земной поверхности, над холодным слоем воздуха оказывается тёплый, и происходит температурная инверсия — повышение температуры с высотой. Она часто наблюдается в полярных областях, где в ночные часы земная поверхность сильно охлаждается. Ночные заморозки Тепловые пояса Земли В атмосфере вода находится в трех агрегатных состояниях — газообразном (водяной пар, жидком (капли дождя) и твердом (кристаллики снега и льда. По сравнению со всей массой воды на планете, в атмосфере её совсем немного — около, но её значение огромно. Облака и водяные пары поглощают и отражают избыток солнечной радиации, а также регулируют ее поступление на Землю. Одновременно они задерживают встречное тепловое излучение, идущее от поверхности Земли в межпланетное пространство. Содержание воды в атмосфере определяет погоду и климат местности. От него зависит, какая установится температура, образуются ли облака над данной территорией, пойдёт ли из облаков дождь, выпадет ли роса. В од я ной пар непрерывно поступает в атмосферу, испаряясь с поверхности водоёмов и почвы. Его выделяют и растения — этот процесс называется транспирацией. Молекулы воды сильно притягиваются друг к другу благодаря силам межмолекулярного притяжения, и Солнцу приходится тратить очень много энергии, чтобы разделить их и превратить в пар. На создание одного грамма водяного пара затрачивается 537 калорий солнечной энергии. Нет ни одного вещества, у которого удельная теплота испарения была бы больше, чему воды. Подсчитано, что за одну минуту Солнце испаряет на Земле миллиард тонн воды. Водяной пар поднимается в атмосферу вместе с восходящими потоками воздуха. Охлаждаясь, он конденсируется, образуются облака, и при этом выделяется огромное количество энергии, которую водяной пар возвращает атмосфере. Именно эта энергия заставляет дуть ветры, переносит сотни миллиардов тонн воды в облаках и увлажняет дождями поверхность Земли. Испарение состоит в том, что молекулы воды, отрываясь отводной поверхности или влажной почвы, переходят в воздух и превращаются в молекулы водяного пара. В воздухе они двигаются самостоятельно и переносятся ветром, а их место занимают новые испарившиеся молекулы. Одновременно с испарением с поверхности почвы и водоёмов происходит и обратный процесс — молекулы воды из воздуха переходят вводу или почву. Воздух, в котором количество испаряющихся молекул водяного пара равно количеству возвратившихся молекул, называется насыщенным асам процесс — насыщением. Чем больше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нём содержаться. Так, в м возду- Три состояния воды АЭРОПЛАНКТОН Американский микробиолог Паркер установил, что воздух содержит большое количество органических веществ и множество микроорганизмов, в том числе водоросли, часть из которых находится в активном состоянии. Временным местопребыванием этих организмов могут быть, например, кучевые облака. Приемлемая для протекания жизненных процессов температура, вода, микроэлементы, лучистая энергия — всё это создает благоприятные условия для фотосинтеза, обмена веществ и роста клеток. По мнению Паркера, облака представляют собой живые экологические системы, дающие многоклеточным микроорганизмам возможность жить и размножаться. ха при температуре +20 Сможет содержаться г водяного пара, а при температуре -20 Столько г водяного пара. При малейшем понижении температуры насыщенный водяным паром воздух уже неспособен больше вместить влагу и из него выпадают атмосферные осадки, например, образуется туманили выпадает роса. Водяной пар при этом конденсируется переходит из газообразного состояния в жидкое. Температура, при которой находящийся в воздухе водяной пар насытит его и начнётся конденсация, называется точка росы. Влажность воздуха характеризуется несколькими показателями. |