Важный элемент окружающей среды для всех биологических форм жизни на Земле. Воздух - это та среда, с которой человек сталкивается с первых минут жизни.
По отношению к человеку воздух выполняет множество разнообразных функций: содержит необходимый для его жизни кислород; растворяет в себе все газообразные продукты обмена и жизнедеятельности человека, в том числе и в сфере производства ; воздействует на процессы терморегуляции организма с внешней средой.
Ясная, безоблачная погода обеспечивает человеку большое количество и хорошее качество солнечной радиации, часто определяя его поведение в эти дни. Солнечная энергия способствовала зарождению жизни на Земле, но вместе с тем она может быть и губительной для растительного и животного мира. Ультрафиолетовое излучение при длительном воздействии убивает все живое. Солнце может высушивать реки, озера и другие водоемы, превраш,ая некогда плодородные земли в пустыню. Однако постоянная облачность, проливные дожди, снег и ветер, формирующиеся в атмосфере Земли, тоже негативно отражаются на живой природе.
Изменения состава и свойств воздушной среды часто неблагоприятно воздействуют на здоровье человека. Вспомним о разнообразных химических веществах, загрязняющих атмосферу, и о большом числе микроорганизмов, многие из которых, попадая в организм человека, вызывают инфекционные заболевания (грипп, дифтерию, скарлатину, корь и др.), передающиеся от человека к человеку по воздуху.
Изменение климата и прозрачности атмосферы . Атмосфера Земли - важный фактор климатообразования (под климатом, как вы знаете, принято понимать многолетний режим погоды, присущий той или иной местности в соответствии с ее географическими условиями).
Хозяйственная деятельность человека влияет на различные компоненты климата, которые, в свою очередь, в большей или меньшей степени влияют на состояние человека и окружающей среды.
Так, полезащитное лесоразведение способствует уменьшению скорости ветра, сокращению испарения, задержанию снега, а это увеличивает влажность нижних слоев атмосферы и почвы . При осушении болот уменьшается влажность и повышается температура в окружающей среде. Водохранилища, наоборот, увеличивают количество воды в грунте и водяного пара в тропосфере, которые аккумулируют тепло, уменьшают годовую и суточную амплитуду температуры. Такое же влияние оказывает искусственное орошение.
В последние десятилетия серьезное опасение вызывает проблема потепления климата, причиной которого стал так называемый парниковый эффект.
Парниковый эффект обусловлен увеличением прозрачности атмосферы для основной части солнечной энергии и усилением поглощения инфракрасной части теплового излучения поверхности Земли. Тепловое излучение поглощают не только диоксид углерода (углекислый газ), но и пары воды, метана, озона, оксидов и хлорфторугле-родов. Поэтому все эти газы называют парниковыми.
Искусственный подогрев планеты связан не только с парниковым эффектом, но и с энергией, расходуемой человеком в различных сферах его деятельности. Теплота, выделяемая в результате его хозяйственной деятельности, составляет 0,02% энергии, получаемой Землей от Солнца. Но она, по мнению ученых, уже вызвала повышение температуры окружающей среды в среднем на 0,1 °С. Если потребление энергии будет расти такими же темпами, как сейчас, через 60 лет температура в приземном слое атмосферы может заметно повыситься.
Еще один важный фактор, влияющий на процесс изменения теплового баланса в атмосфере, - ее загрязнение мелкодисперсной пылью, которая остается в верхних слоях, образуя пылевые облака. Эти облака образуются на высоте 10-20 км и отражают солнечный свет, что ведет к понижению температуры в нижних слоях тропосферы. В настоящее время над северной частью Атлантического океана находятся мощные облака мелкодисперсных частиц, выброшенных индустриальными странами Европы.
В качестве реальных мер по борьбе с изменением климата необходимо рассматривать в первую очередь повышение эффективности использования горючего, разработку и внедрение солнечных и других бестопливных источников энергии, прекращение сведения лесов, особенно тропических, организацию и поддержку мер по расширению лесонасаждений.
Разрушение озонового экрана. Огромное значение для жизни на Земле имеет ультрафиолетовое излучение. Если бы ультрафиолетовое излучение солнечной энергии не ослаблялось атмосферой, оно было бы губительно для всего живого.
Химический состав воздуха в местах, отдаленных от промышленных центров, более или менее постоянен. Он представляет собой механическую смесь газов: 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,03% диоксида углерода. Остальные газы составляют очень незначительную величину, не более 1%, Это водород, гелий, аргон, неон.
Об озоне необходимо сказать отдельно. Слово «озон» произошло от греческого ozon - «пахнуш;ий». Это газ синего цвета, сильный окислитель, при больших концентрациях разлагается со взрывом. Используют его для обеззараживания воды и воздуха.
Озоновый слой атмосферы предохраняет все живое на Земле от действия ультрафиолетового излучения Солнца.
Хозяйственная деятельность человека привела к появлению факторов, разрушающих озоновый слой Земли. В нем были обнаружены оксиды азота, источниками которых являются реактивная авиация, космические ракеты, азотистые удобрения, применяемые в сельском хозяйстве.
Большую опасность для озонового слоя (экрана) представляет поступление в атмосферу хлорсодержащих веществ. К ним относятся в первую очередь хлорфторуг-лероды, так называемые фреоны. Их применяют в холодильниках, кондиционерах, тепловых насосах как хладагенты; в производстве пористых пластмасс; для очистки компьютерных микросхем; как носители в аэрозольных баллонах и стерилизующие растворы в медицине.
Почему же фреоны опасны для окружающей среды? Дело в том, что некоторые из них разрушают озоновый слой Земли и приводят к образованию в атмосфере так называемых озоновых дыр. Если их количество и размеры будут увеличиваться, то это неизбежно приведет к гибели многих живых организмов.
Слова «озоновая дыра» звучат сегодня как сигнал общепланетарной тревоги. Гипотеза о связи хлорфторугле-родов с процессом разрушения озонового экрана появилась в 1970 г. В США и некоторых других странах запретили их производство и использование, в остальных же странах выпуск продукции с содержанием фреонов продолжал расти. Осенью 1985 г. при проведении спутниковых наблюдений была обнаружена «озоновая дыра» над Южным полюсом, площадь которой равнялась примерно территории США.
В 1989 г. ученые обнаружили «озоновую дыру» и над Арктикой. В связи с этим была принята международная Конвенция об охране озонового слоя Земли.
Кислотные осадки. Кислотными называют любые осадки (дожди, туманы, снег), кислотность которых выше нормальной. В настоящее время считают, что кислотные осадки на 2/3 обусловлены выбросами диоксида серы и на 1/3 - выбросами оксидов азота. Диоксид серы поступает в ос-1 новном (примерно 88%) от тепловых электростанций и промышленных энергетических объектов, оставшиеся 12% образуются при производстве серной кислоты, переработке сульфидных руд. Оксиды азота поступают в атмосферу от ТЭС и промышленных энергетических объектов (51%) и с выхлопными газами автомобилей (44%); на остальные источники приходится всего около 5%.
Попадая в атмосферу, эти газы взаимодействуют с влагой, образуя кислоты. Особенно опасны выбросы диокси-I да серы, который растворяется в каплях атмосферной влаги, образуя раствор серной кислоты.
Дальность переноса диоксида серы обычно 300- 400 км. Но ее обнаруживают и в осадках, выпадающих даже на удалении 1000-1500 км от источников выброса.
Кислотные осадки стали серьезной угрозой для существования лесов. В Германии под угрозой гибели находится не менее 20% лесов. В России площадь существенного закисления от дождей и снега достигла 46 млн га. Кислотные осадки увеличивают кислотность почв, вредно влияют на состояние озер, рек и других водоемов. Они служат причиной гибели лесов, в первую очередь елово-пихтовых и дубовых, и разрушения плодородного слоя почвы.
Очень опасным становится подкисление океанических мелководий, ведущее к невозможности размножения многих морских беспозвоночных животных. Это грозит разрывом пищевых цепей и нарушением экологического равновесия в Мировом океане.
Ученые подсчитали, что сокращение кислотных осадков на 50% позволило бы приостановить дальнейшее подкисление окружающей среды. Поскольку большую Часть кислых газов выбрасывают в атмосферу энергетические установки, необходимо сосредоточить внимание на экономии энергии, переходе с угля на другие виды топлива, содержащие меньше серы, на разработке и внедрении эффективных систем очистки газовых выбросов.
Выбросы вредных веществ . Широкое развитие химической промышленности, увеличение объемов авиационных и автомобильных перевозок, выбросов в атмосферу неочищенных газов тепловыми электростанциями, металлургическими предприятиями, небрежное обращение с огнем в лесах, приводящее к возникновению лесных пожаров, наносят непоправимый урон среде обитания человека.
Газо- и парообразные выбросы чаще всего образуются в процессе горения.
Основные компоненты выбросов на сегодня - твердые взвешенные частицы, диоксид серы, оксид углерода, оксид азота и углеводороды. На них приходится около 98% всех выбросов в атмосферу. Ниже приведены процентные показатели поступления в атмосферу загрязняющих веществ от стационарных источников.
В последние годы в крупных городах России серьезными источниками загрязнения атмосферы стали автомобильный транспорт, химические, нефтеперерабатывающие и металлургические предприятия. Для улучшения экологической обстановки в таких городах целесообразно вывести некоторые вредные производства за их границы, установить на предприятиях оборудование по очистке выбросов, а автомобили обеспечить эффективными нейтрализаторами отработанных А газов. Очень важно расширять экологическое образование и просвещение населения, так как примеров экологической безграмотности очень много. Приведем только один.
Вокруг московской кольцевой дороги горожане разбили свои огороды, где выращивают различные овощи, фрукты, ягоды. Известно, что в течение одного часа в любом месте этой дороги проходит более 2000 автомашин. Выхлопы автомобилей осаждаются на расстоянии 800-900 м с одной и с другой стороны дороги. Исследования показывают, что на земле и в растительности на этом расстоянии содержание вредных для здоровья человека веществ превышает все гигиенические нормы. Можно ли употреблять такую растительность в пищу? Конечно, нельзя. Однако садоводческая деятельность в этих местах не уменьшается, а напротив, увеличивается. Люди по незнанию сами сокращают себе жизнь и наносят ущерб здоровью.
Наиболее подвержена влиянию вредных компонентов атмосферного воздуха дыхательная система. Значительный ущерб наносится также сердечно-сосудистой и иммунной системам организма.
Любая деятельность человека, связанная с возможным загрязнением воздушной среды, должна соответствовать гигиеническим нормативам безопасного труда и быть строго регламентирована. Любые выбросы в атмосферу должны осуществляться только через системы очистки. Для этого необходимо наладить постоянный гигиенический контроль, так называемый мониторинг атмосферы.
Основы безопасности жизнедеятельности. 8 кл. : учебник для общеобразоват. учреждений / С. Н. Вангородский, М. И. Кузнецов, В. Н. Латчук, В. В. Марков. - 5-е изд., перераб. - М. : Дрофа, 2005. - 254, с. : ил.
Сборник конспектов уроков по ОБЖД скачать, календарно-тематическое планирование, учебники по всем предметам онлайн
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиАТМОСФЕРА
газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие - азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1. На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15-25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы - это также и химическая лаборатория, поскольку там в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
Размеры.
Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешние слои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих радиус Земли, считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное пространство. Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоев Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Этот т.н. солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную "полость", внутри которой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, - с противоположной, ночной стороны. Граница магнитного поля Земли называется магнитопаузой. С дневной стороны эта граница проходит на расстоянии около семи земных радиусов от поверхности, но в периоды повышенной солнечной активности оказывается еще ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы, внешняя оболочка которой называется также магнитосферой, так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых обусловлено магнитным полем Земли. Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5*1015 т. Таким образом, "вес" атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2.
Значение для жизни.
Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления. Самый нижний, приземный слой атмосферы особенно важен для человека, который обитает в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя оболочка "твердой" Земли называется литосферой. Около 72% поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющими большую часть гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного. Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов, определяющих состояние атмосферы.
Состав.
Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов (см. табл.). Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак.
СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы - водород и гелий. Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижних 30 км, то изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.
Энергообмен. Солнце является главным источником энергии, поступающей на Землю. Находясь на расстоянии ок. 150 млн. км от Солнца, Земля получает примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человек называет "светом". Большая часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство. Механизм этого равновесия крайне сложен. Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое пространство. Еще большую часть приходящей радиации отражают облака. Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном - горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижних слоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло пропускает свет внутрь и почва нагревается. Поскольку стекло относительно непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев нижних слоев атмосферы за счет присутствия водяного пара и углекислого газа часто называют парниковым эффектом. Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода, находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ - водяной пар, который выносит огромное количество энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде тепла. Около половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы. Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, который прогревается только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы.
См. также МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ . Помимо общего нагревания атмосферы солнечным "светом", значительное прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Строение. По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере увеличения расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Строго говоря, этот барьер непроницаем, так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами, но в данном случае этими факторами можно пренебречь. Поскольку атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только нижняя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая со стороны межпланетного пространства. Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступление вещества из окружающего космического пространства. Большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватывается магнитосферой, либо отталкивается ею. На атмосферу действует также сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью степень сжатия воздуха зависит от массы вышележащего столба воздуха, поэтому с высотой плотность воздуха уменьшается. Давление, равное массе вышележащего столба воздуха, приходящейся на единицу площади, находится в прямой зависимости от плотности и, следовательно, также понижается с высотой. Если бы атмосфера представляла собой "идеальный газ" с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, так как изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхности ок. 3% на каждые 100 км высоты. В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно. Как показано на рис. 1, она убывает приблизительно до высоты 10 км, а затем вновь начинает расти. Это происходит при поглощении ультрафиолетовой солнечной радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (О3). Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается. Выше температура вновь понижается, так как там гораздо меньше молекул газа, и соответственно сокращается поглощение энергии. В еще более высоких слоях температура вновь повышается вследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника. Полагают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000° до 10 000° С. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является "горячим" в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика. Таким образом, атмосфера состоит из отдельных слоев (т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес. На основании осредненного распределения температур метеорологи разработали схему строения идеальной "средней атмосферы" (см. рис. 1).
Тропосфера - нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках - 18-20 км, в умеренных широтах - ок. 10 км) и времени года. Национальная метеорологическая служба США провела зондирование вблизи Южного полюса и выявила сезонные изменения высоты тропопаузы. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее граница на короткий период в августе или сентябре поднимается приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения - 7,5 км, где и остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км. Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека. Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определенного направления. Турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют "турбулентностью ясного неба".
Стратосфера. Вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, где ветры дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха. На основе наблюдений, проведенных с помощью самолетов и шаров-зондов, приспособленных для полетов на постоянной высоте, в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и проявляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты. Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образование озона), оказывает воздействие на процессы в тропосфере. Особенно активное перемешивание связано с атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекался в нижние слои стратосферы. Значительные успехи были достигнуты в изучении вертикальной структуры нижних слоев атмосферы в связи с совершенствованием техники запуска на высоты 25-30 км радиозондов. Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80-85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до -110° С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа. В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока еще недостаточно изучены. Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Вблизи земной поверхности в 1 м3 воздуха содержится ок. 2,5ґ1025 молекул, на высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, - приблизительно 1019, на высоте 200 км, в ионосфере, - 5*10 15 и, по расчетам, на высоте ок. 850 км - примерно 1012 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 10 8-10 9 на 1 м3. На высоте ок. 100 км количество молекул невелико, и они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на 650 км. При определенной температуре скорость движения молекулы зависит от ее массы: более легкие молекулы движутся быстрее тяжелых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме того, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атомарный кислород приобретает все большее значение в составе атмосферы и на высоте ок. 200 км становится ее главным компонентом. Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладают легкие газы - гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы. Такое разделение по весу, называемое диффузным расслоением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги. Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство (рис. 2).
СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫЕ СВЯЗИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА АТМОСФЕРУ
Атмосферные приливы. Притяжение Солнца и Луны вызывает в атмосфере приливы, подобные земным и морским приливам. Но атмосферные приливы имеют существенное отличие: атмосфера сильнее всего реагирует на притяжение Солнца, тогда как земная кора и океан - на притяжение Луны. Это объясняется тем, что атмосфера нагревается Солнцем и в дополнение к гравитационному возникает мощный термальный прилив. В целом механизмы образования атмосферных и морских приливов сходны, за исключением того, что для прогноза реакции воздуха на гравитационные и термические воздействия необходимо учитывать его сжимаемость и распределение температуры. Не до конца понятно, почему полусуточные (12-часовые) солнечные приливы в атмосфере преобладают над суточными солнечными и полусуточными лунными приливами, хотя движущие силы двух последних процессов гораздо мощнее. Раньше считалось, что в атмосфере возникает резонанс, усиливающий именно колебания с 12-часовым периодом. Однако наблюдения, проведенные при помощи геофизических ракет, свидетельствуют об отсутствии температурных причин такого резонанса. При решении этой проблемы, вероятно, следует учитывать все гидродинамические и термические особенности атмосферы. У земной поверхности близ экватора, где влияние приливных колебаний максимально, оно обеспечивает изменение атмосферного давления на 0,1%. Скорость приливных ветров составляет ок. 0,3 км/ч. Благодаря сложной термической структуре атмосферы (особенно наличию минимума температуры в мезопаузе) приливные воздушные течения усиливаются, и, например, на высоте 70 км их скорость примерно в 160 раз выше, чем у земной поверхности, что имеет важные геофизические последствия. Считается, что в нижней части ионосферы (слой Е) приливные колебания перемещают ионизированный газ вертикально в магнитном поле Земли, и следовательно, здесь возникают электрические токи. Эти постоянно возникающие системы токов на поверхности Земли устанавливаются по возмущениям магнитного поля. Суточные вариации магнитного поля достаточно хорошо согласуются с расчетными величинами, что убедительно свидетельствует в пользу теории приливных механизмов "атмосферного динамо". Электрические токи, возникающие в нижней части ионосферы (слой Е), должны куда-то перемещаться, и, следовательно, цепь должна замкнуться. Аналогия с динамо-машиной становится полной, если рассматривать встречное движение как работу двигателя. Предполагается, что обратная циркуляция электрического тока осуществляется в более высоком слое ионосферы (F), и этим встречным потоком могут объясняться некоторые своеобразные черты этого слоя. Наконец, приливный эффект должен порождать также горизонтальные потоки в слое Е и, следовательно, в слое F.
Ионосфера. Пытаясь объяснить механизм возникновения полярных сияний, ученые 19 в. предположили, что в атмосфере существует зона с электрически заряженными частицами. В 20 в. экспериментально были получены убедительные доказательства существования на высотах от 85 до 400 км слоя, отражающего радиоволны. В настоящее время известно, что его электрические свойства являются результатом ионизации атмосферного газа. Поэтому обычно этот слой называют ионосферой. Воздействие на радиоволны происходит главным образом из-за наличия в ионосфере свободных электронов, хотя механизм распространения радиоволн связан с наличием крупных ионов. Последние также представляют интерес при изучении химических свойств атмосферы, поскольку они активнее нейтральных атомов и молекул. Химические реакции, протекающие в ионосфере, играют важную роль в ее энергетическом и электрическом балансе.
Нормальная ионосфера. Наблюдения, проведенные при помощи геофизических ракет и спутников, дали массу новой информации, свидетельствующей, что ионизация атмосферы происходит под воздействием солнечной радиации широкого спектра. Основная ее часть (более 90%) сосредоточена в видимой части спектра. Ультрафиолетовое излучение с меньшей длиной волны и большей энергией, чем у фиолетовых световых лучей, испускается водородом внутренней части атмосферы Солнца (хромосферы), а рентгеновское излучение, обладающее еще более высокой энергией, - газами внешней оболочки Солнца (короны). Нормальное (среднее) состояние ионосферы обусловлено постоянным мощным излучением. Регулярные изменения происходят в нормальной ионосфере под воздействием суточного вращения Земли и сезонных различий угла падения солнечных лучей в полдень, но происходят также непредсказуемые и резкие изменения состояния ионосферы.
Возмущения в ионосфере. Как известно, на Солнце возникают мощные циклически повторяющиеся возмущения, которые достигают максимума каждые 11 лет. Наблюдения по программе Международного геофизического года (МГГ) совпали с периодом наиболее высокой солнечной активности за весь срок систематических метеорологических наблюдений, т.е. с начала 18 в. В периоды высокой активности яркость некоторых областей на Солнце возрастает в несколько раз, и они посылают мощные импульсы ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Такие явления называются вспышками на Солнце. Они продолжаются от нескольких минут до одного-двух часов. Во время вспышки извергается солнечный газ (в основном протоны и электроны), и элементарные частицы устремляются в космическое пространство. Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца в моменты таких вспышек оказывает сильное воздействие на атмосферу Земли. Первоначальная реакция отмечается через 8 мин после вспышки, когда интенсивное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение достигает Земли. В результате резко повышается ионизация; рентгеновские лучи проникают в атмосферу до нижней границы ионосферы; количество электронов в этих слоях возрастает настолько, что радиосигналы почти полностью поглощаются ("гаснут"). Дополнительное поглощение радиации вызывает нагрев газа, что способствует развитию ветров. Ионизированный газ является электрическим проводником, и когда он движется в магнитном поле Земли, проявляется эффект динамо-машины и возникает электрический ток. Такие токи могут в свою очередь вызывать заметные возмущения магнитного поля и проявляться в виде магнитных бурь. Эта начальная фаза занимает лишь короткое время, соответствующее продолжительности солнечной вспышки. Во время мощных вспышек на Солнце в космическое пространство устремляется поток ускоренных частиц. Когда он направлен в сторону Земли, наступает вторая фаза, оказывающая большое влияние на состояние атмосферы. Многие природные явления, среди которых наиболее известны полярные сияния, свидетельствуют о том, что значительное количество заряженных частиц достигает Земли (см. также ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ). Тем не менее процессы отрыва этих частиц от Солнца, их траектории в межпланетном пространстве и механизмы взаимодействия с магнитным полем Земли и магнитосферой пока еще недостаточно изучены. Проблема усложнилась после открытия в 1958 Джеймсом Ван Алленом удерживаемых геомагнитным полем оболочек, состоящих из заряженных частиц. Эти частицы перемещаются из одного полушария в другое, вращаясь по спиралям вокруг силовых линий магнитного поля. Вблизи Земли на высоте, зависящей от формы силовых линий и от энергии частиц, располагаются "точки отражения", в которых частицы меняют направление движения на противоположное (рис. 3). Поскольку напряженность магнитного поля уменьшается с удалением от Земли, орбиты, по которым движутся эти частицы, несколько искажаются: электроны отклоняются к востоку, а протоны - к западу. Поэтому они распределяются в виде поясов вокруг земного шара.
Некоторые последствия нагрева атмосферы Солнцем. Солнечная энергия оказывает влияние на всю атмосферу. Выше уже упоминались пояса, образованные заряженными частицами в магнитном поле Земли и вращающиеся вокруг нее. Эти пояса ближе всего подходят к земной поверхности в приполярных районах (см. рис. 3), где наблюдаются полярные сияния. На рисунке 1 показано, что в районах проявления полярных сияний в Канаде температуры термосферы значительно выше, чем на Юго-Западе США. Вероятно, захваченные частицы отдают часть своей энергии в атмосферу, особенно при столкновении с молекулами газа вблизи точек отражения, и сходят со своих прежних орбит. Так происходит нагрев высоких слоев атмосферы в зоне полярных сияний. Еще одно важное открытие было сделано при изучении орбит искусственных спутников. Луиджи Яккиа, астроном из Смитсоновской астрофизической обсерватории, полагает, что небольшие отклонения этих орбит обусловлены изменениями плотности атмосферы при ее нагреве Солнцем. Он предположил существование на высоте более 200 км в ионосфере максимума концентрации электронов, который не соответствует солнечному полудню, а под воздействием силы трения запаздывает по отношению к нему примерно на два часа. В это время значения плотности атмосферы, обычные для высоты 600 км, наблюдаются на уровне ок. 950 км. Кроме того, максимум концентрации электронов испытывает нерегулярные колебания вследствие кратковременных вспышек ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Л.Яккиа обнаружил также кратковременные колебания плотности воздуха, соответствующие вспышкам на Солнце и возмущениям магнитного поля. Эти явления объясняются вторжением частиц солнечного происхождения в атмосферу Земли и нагревом тех ее слоев, где проходят орбиты спутников.
АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
В приземном слое атмосферы небольшая часть молекул подвергается ионизации под воздействием космических лучей, излучения радиоактивных горных пород и продуктов распада радия (в основном радона) в самом воздухе. В процессе ионизации атом теряет электрон и приобретает положительный заряд. Свободный электрон быстро соединяется с другим атомом, образуя отрицательно заряженный ион. Такие парные положительные и отрицательные ионы имеют молекулярные размеры. Молекулы в атмосфере стремятся группироваться вокруг этих ионов. Несколько молекул, объединившихся с ионом, образуют комплекс, называемый обычно "легким ионом". В атмосфере присутствуют также комплексы молекул, известные в метеорологии под названием ядер конденсации, вокруг которых при насыщении воздуха влагой начинается процесс конденсации. Эти ядра представляют собой частички соли и пыли, а также загрязняющих веществ, поступающих в воздух от промышленных и других источников. Легкие ионы часто присоединяются к таким ядрам, образуя "тяжелые ионы". Под воздействием электрического поля легкие и тяжелые ионы перемещаются из одних областей атмосферы в другие, перенося электрические заряды. Хотя обычно атмосфера не считается электропроводной средой, она все же обладает небольшой проводимостью. Поэтому оставленное на воздухе заряженное тело медленно утрачивает свой заряд. Проводимость атмосферы возрастает с высотой из-за увеличения интенсивности космического излучения, уменьшения потерь ионов в условиях более низкого давления (и, следовательно, при большем среднем свободном пробеге), а также из-за меньшего количества тяжелых ядер. Проводимость атмосферы достигает максимальной величины на высоте ок. 50 км, т.н. "уровне компенсации". Известно, что между поверхностью Земли и "уровнем компенсации" постоянно существует разность потенциалов в несколько сотен киловольт, т.е. постоянное электрическое поле. Выяснилось, что разность потенциалов между некоторой точкой, находящейся в воздухе на высоте нескольких метров, и поверхностью Земли очень велика - более 100 В. Атмосфера имеет положительный заряд, а земная поверхность заряжена отрицательно. Поскольку электрическое поле - область, в каждой точке которой имеется некоторое значение потенциала, можно говорить о градиенте потенциала. В ясную погоду в пределах нижних нескольких метров напряженность электрического поля атмосферы почти постоянна. Из-за различий электропроводности воздуха в приземном слое градиент потенциала подвержен суточным колебаниям, ход которых существенно меняется от места к месту. При отсутствии локальных источников загрязнения воздуха - над океанами, высоко в горах или в полярных районах - суточный ход градиента потенциала в ясную погоду одинаков. Величина градиента зависит от всемирного, или среднего гринвичского, времени (UТ) и достигает максимума в 19 ч. Э. Эплтон предположил, что этот максимум электропроводности, вероятно, совпадает с наибольшей грозовой активностью в планетарном масштабе. Разряды молний во время гроз переносят отрицательный заряд к поверхности Земли, поскольку основания наиболее активных кучево-дождевых грозовых облаков обладают значительным отрицательным зарядом. Верхние части грозовых облаков обладают положительным зарядом, который, по расчетам Хольцера и Саксона, во время гроз стекает с их вершин. Без постоянного пополнения заряд земной поверхности был бы нейтрализован за счет проводимости атмосферы. Предположение о том, что разность потенциалов между земной поверхностью и "уровнем компенсации" поддерживается благодаря грозам, подкрепляется статистическими данными. Например, максимальное число гроз отмечается в долине р. Амазонки. Чаще всего грозы бывают там в конце дня, т.е. ок. 19 ч среднего гринвичского времени, когда градиент потенциала максимален в любой точке земного шара. Более того, сезонные вариации формы кривых суточного хода градиента потенциала тоже находятся в полном соответствии с данными о глобальном распределении гроз. Некоторые исследователи утверждают, что источник электрического поля Земли, возможно, имеет внешнее происхождение, поскольку электрические поля, как полагают, существуют в ионосфере и магнитосфере. Этим обстоятельством, вероятно, объясняется возникновение очень узких удлиненных форм полярных сияний, похожих на кулисы и арки
(см. также ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ). Благодаря наличию градиента потенциала и проводимости атмосферы между "уровнем компенсации" и поверхностью Земли начинают двигаться заряженные частицы: положительно заряженные ионы - по направлению к земной поверхности, а отрицательно заряженные - вверх от нее. Сила этого тока составляет ок. 1800 А. Хотя эта величина кажется большой, необходимо помнить, что она распределяется по всей поверхности Земли. Сила тока в столбе воздуха с площадью основания 1 м2 составляет лишь 4*10 -12 А. С другой стороны, сила тока при разряде молнии может достигать нескольких ампер, хотя, конечно, такой разряд имеет малую продолжительность - от долей секунды до целой секунды или немного больше при повторных разрядах. Молния представляет большой интерес не только как своеобразное явление природы. Она дает возможность наблюдать электрический разряд в газовой среде при напряжении в несколько сотен миллионов вольт и расстоянии между электродами в несколько километров. В 1750 Б. Франклин предложил Лондонскому королевскому обществу поставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующем основании и установленной на высокой башне. Он ожидал, что при приближении грозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штанги сосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем - заряд того же знака, что у основания облака. Если напряженность электрического поля при разряде молнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги будет частично стекать в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что и основание облака. Предложенный Франклином эксперимент не был осуществлен в Англии, однако его поставил в 1752 в Марли под Парижем французский физик Жан д"Аламбер. Он использовал вставленную в стеклянную бутылку (служившую изолятором) железную штангу длиной 12 м, но не помещал ее на башню. 10 мая его ассистент сообщил, что, когда грозовое облако находилось над штангой, при поднесении к ней заземленной проволоки возникали искры. Сам Франклин, не зная об успешном опыте, реализованном во Франции, в июне того же года провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем и наблюдал электрические искры на конце привязанной к нему проволоки. На следующий год, изучая заряды, собранные со штанги, Франклин установил, что основания грозовых облаков обычно заряжены отрицательно. Более детальные исследования молний стали возможны в конце 19 в. благодаря совершенствованию методов фотографии, особенно после изобретения аппарата с вращающимися линзами, что позволило фиксировать быстро развивающиеся процессы. Такой фотоаппарат широко использовался при изучении искровых разрядов. Было установлено, что существует несколько типов молний, причем наиболее распространены линейные, плоские (внутриоблачные) и шаровые (воздушные разряды). Линейные молнии представляют собой искровой разряд между облаком и земной поверхностью, следующий по каналу с направленными вниз ответвлениями. Плоские молнии возникают внутри грозового облака и выглядят как вспышки рассеянного света. Воздушные разряды шаровых молний, начинающиеся от грозового облака, часто направлены горизонтально и не достигают земной поверхности.
Разряд молнии обычно состоит из трех или более повторных разрядов - импульсов, следующих по одному и тому же пути. Интервалы между последовательными импульсами очень коротки, от 1/100 до 1/10 с (этим обусловлено мерцание молнии). В целом вспышка длится около секунды или меньше. Типичный процесс развития молнии можно описать следующим образом. Сначала сверху к земной поверхности устремляется слабо светящийся разряд-лидер. Когда он ее достигнет, ярко светящийся обратный, или главный, разряд проходит от земли вверх по каналу, проложенному лидером. Разряд-лидер, как правило, движется зигзагообразно. Скорость его распространения колеблется от ста до нескольких сотен километров в секунду. На своем пути он ионизирует молекулы воздуха, создавая канал с повышенной проводимостью, по которому обратный разряд движется вверх со скоростью приблизительно в сто раз большей, чем у разряда-лидера. Размер канала определить трудно, однако диаметр разряда-лидера оценивается в 1-10 м, а обратного разряда - в несколько сантиметров. Разряды молнии создают радиопомехи, испуская радиоволны в широком диапазоне - от 30 кГц до сверхнизких частот. Наибольшее излучение радиоволн находится, вероятно, в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи "сосредоточены" в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.
ИЗМЕНЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
Воздействие метеоров и метеоритов. Хотя иногда метеорные дожди производят глубокое впечатление своими световыми эффектами, отдельные метеоры видны довольно редко. Гораздо многочисленнее невидимые метеоры, слишком малые, чтобы быть различимыми в момент их поглощения атмосферой. Некоторые из мельчайших метеоров, вероятно, совершенно не нагреваются, а лишь захватываются атмосферой. Эти мелкие частицы с размерами от нескольких миллиметров до десятитысячных долей миллиметра называются микрометеоритами. Количество ежесуточно поступающего в атмосферу метеорного вещества составляет от 100 до 10 000 т, причем большая часть этого вещества приходится на микрометеориты. Поскольку метеорное вещество частично сгорает в атмосфере, ее газовый состав пополняется следами различных химических элементов. Например, каменные метеоры привносят в атмосферу литий. Сгорание металлических метеоров приводит к образованию мельчайших сферических железных, железоникелевых и других капелек, которые проходят сквозь атмосферу и осаждаются на земной поверхности. Их можно обнаружить в Гренландии и Антарктиде, где почти без изменений годами сохраняются ледниковые покровы. Океанологи находят их в донных океанических отложениях. Большая часть метеорных частиц, поступивших в атмосферу, осаждается примерно в течение 30 суток. Некоторые ученые считают, что эта космическая пыль играет важную роль в формировании таких атмосферных явлений, как дождь, поскольку служит ядрами конденсации водяного пара. Поэтому предполагают, что выпадение осадков статистически связано с крупными метеорными дождями. Однако некоторые специалисты полагают, что, поскольку общее поступление метеорного вещества во много десятков раз превышает его поступление даже с крупнейшим метеорным дождем, изменением в общем количестве этого вещества, происходящим в результате одного такого дождя, можно пренебречь. Однако несомненно, что наиболее крупные микрометеориты и, конечно, видимые метеориты оставляют длинные следы ионизации в высоких слоях атмосферы, главным образом в ионосфере. Такие следы можно использовать для дальней радиосвязи, так как они отражают высокочастотные радиоволны. Энергия поступающих в атмосферу метеоров расходуется главным образом, а может быть и полностью, на ее нагревание. Это одна из второстепенных составляющих теплового баланса атмосферы.
Углекислый газ промышленного происхождения. В каменноугольном периоде на Земле была широко распространена древесная растительность. Большая часть диоксида углерода, поглощенного в то время растениями, накопилась в залежах угля и в нефтеносных отложениях. Огромные запасы этих полезных ископаемых человек научился использовать в качестве источника энергии и сейчас быстрыми темпами возвращает углекислый газ в круговорот веществ. В ископаемом состоянии находится, вероятно, ок. 4*10 13 т углерода. За последнее столетие человечество сожгло столько ископаемого топлива, что примерно 4*10 11 т углерода вновь поступило в атмосферу. В настоящее время в атмосфере присутствует ок. 2*10 12 т углерода, а в ближайшие сто лет за счет сжигания ископаемого топлива эта цифра, возможно, удвоится. Однако не весь углерод останется в атмосфере: часть его растворится в водах океана, часть будет поглощена растениями, а часть - связана в процессе выветривания горных пород. Пока нельзя предсказать, сколько углекислого газа будет содержаться в атмосфере или какое именно воздействие он окажет на климат земного шара. Тем не менее считается, что любое увеличение его содержания вызовет потепление, хотя вовсе не обязательно, что любое потепление существенно повлияет на климат. Концентрация углекислого газа в атмосфере, по результатам измерений, заметно увеличивается, хотя и небыстрыми темпами. Климатические данные по Шпицбергену и станции Литтл-Америка на шельфовом леднике Росса в Антарктиде свидетельствуют о повышении средних годовых температур примерно за 50-летний период соответственно на 5° и 2,5° С.
Воздействие космического излучения. При взаимодействии обладающих высокой энергией космических лучей с отдельными составляющими атмосферы образуются радиоактивные изотопы. Среди них выделяется изотоп углерода 14С, накапливающийся в растительных и животных тканях. Путем измерения радиоактивности органических веществ, которые давно не обмениваются углеродом с окружающей средой, можно определить их возраст. Радиоуглеродный метод зарекомендовал себя как наиболее надежный способ датирования ископаемых организмов и предметов материальной культуры, возраст которых не превышает 50 тыс. лет. Для датирования материалов, имеющих возраст в сотни тысяч лет, можно будет использовать другие радиоактивные изотопы с большими периодами полураспада, если будет решена принципиальная задача измерения крайне низких уровней радиоактивности
(см. также РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ).
ПРОИСХОЖДЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
Историю образования атмосферы пока не удалось восстановить абсолютно достоверно. Тем не менее выявлены некоторые вероятные изменения ее состава. Становление атмосферы началось сразу после формирования Земли. Имеются довольно веские основания полагать, что в процессе эволюции Праземли и обретения ею близких к современным размеров и массы она практически полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Считается, что на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и ок. 4,5 млрд. лет назад оформилась в твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени происходила и медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, как, например, излияния лавы при извержениях вулканов, сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав, вероятно, входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид и диоксид углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода с образованием углекислого газа. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным ее компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в ходе химических реакций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, вероятно присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. Следовательно, жизнь могла зародиться в атмосфере, принципиально отличной от современной. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза (см. также ФОТОСИНТЕЗ), сопровождавшийся выделением свободного кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. По оценкам, наличие всего 0,00004 современного объема кислорода могло привести к формированию слоя с вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией озона, что тем не менее обеспечивало весьма существенную защиту от ультрафиолетовых лучей. Вероятно также, что в первичной атмосфере содержалось много углекислого газа. Он расходовался в ходе фотосинтеза, и его концентрация должна была уменьшаться по мере эволюции мира растений, а также из-за поглощения в ходе некоторых геологических процессов. Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, некоторые ученые полагают, что колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как ледниковые периоды. Присутствующий в современной атмосфере гелий, вероятно, большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают альфа-частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, на каждую альфа-частицу приходится два электрона. В итоге она соединяется с ними, образуя нейтральные атомы гелия. Радиоактивные элементы содержатся в минералах, рассеянных в толще горных пород, поэтому значительная часть гелия, образовавшегося в результате радиоактивного распада, сохраняется в них, очень медленно улетучиваясь в атмосферу. Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в экзосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности объем этого газа в атмосфере неизменен. На основании спектрального анализа света звезд и изучения метеоритов можно оценить относительное содержание различных химических элементов во Вселенной. Концентрация неона в космосе примерно в десять миллиардов раз выше, чем на Земле, криптона - в десять миллионов раз, а ксенона - в миллион раз. Отсюда следует, что концентрация этих инертных газов, изначально присутствовавших в земной атмосфере и не пополнявшихся в процессе химических реакций, сильно снизилась, вероятно, еще на этапе утраты Землей своей первичной атмосферы. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа 40Ar он и сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.
ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Многообразие оптических явлений в атмосфере обусловлено различными причинами. К наиболее распространенным феноменам относятся молния (см. выше) и весьма живописные северное и южное полярные сияния (см. также ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ). Кроме того, особенно интересны радуга, гал, паргелий (ложное солнце) и дуги, корона, нимбы и призраки Броккена, миражи, огни святого Эльма, светящиеся облака, зеленые и сумеречные лучи. Радуга - самое красивое атмосферное явление. Обычно это огромная арка, состоящая из разноцветных полос, наблюдаемая, когда Солнце освещает лишь часть небосвода, а воздух насыщен капельками воды, например во время дождя. Разноцветные дуги располагаются в последовательности спектра (красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя, фиолетовая), однако цвета почти никогда не бывают чистыми, поскольку полосы взаимно перекрываются. Как правило, физические характеристики радуг существенно различаются, поэтому и по внешнему виду они весьма разнообразны. Их общей чертой является то, что центр дуги всегда располагается на прямой, проведенной от Солнца к наблюдателю. Главная радуга представляет собой дугу, состоящую из наиболее ярких цветов - красного на внешней стороне и фиолетового - на внутренней. Иногда видна только одна дуга, но часто с внешней стороны основной радуги появляется побочная. Она имеет не столь яркие цвета, как первая, а красная и фиолетовая полосы в ней меняются местами: красная располагается с внутренней стороны. Образование главной радуги объясняется двойным преломлением (см. также ОПТИКА) и однократным внутренним отражением лучей солнечного света (см. рис. 5). Проникая внутрь капли воды (А), луч света преломляется и разлагается, как при прохождении сквозь призму. Затем он достигает противоположной поверхности капли (В), отражается от нее и выходит из капли наружу (С). При этом луч света прежде, чем достичь наблюдателя, преломляется вторично. Исходный белый луч разлагается на лучи разных цветов с углом расхождения 2°. При образовании побочной радуги происходит двойное преломление и двойное отражение солнечных лучей (см. рис. 6). В этом случае свет преломляется, проникая внутрь капли через ее нижнюю часть (А), и отражается от внутренней поверхности капли сначала в точке В, затем в точке С. В точке D свет преломляется, выходя из капли в сторону наблюдателя.
На восходе и закате Солнца наблюдатель видит радугу в виде дуги, равной половине окружности, так как ось радуги параллельна горизонту. Если Солнце располагается выше над горизонтом, дуга радуги меньше половины окружности. Когда Солнце поднимается выше 42° над горизонтом, радуга исчезает. Везде, кроме высоких широт, радуга не может появиться в полдень, когда Солнце стоит слишком высоко. Интересно оценить расстояние до радуги. Хотя кажется, что разноцветная дуга расположена в одной плоскости, это - иллюзия. На самом деле радуга имеет огромную глубину, и ее можно представить в виде поверхности пустотелого конуса, в вершине которого находится наблюдатель. Ось конуса соединяет Солнце, наблюдателя и центр радуги. Наблюдатель смотрит как бы вдоль поверхности этого конуса. Два человека никогда не могут увидеть совершенно одинаковую радугу. Конечно, можно наблюдать в целом один и тот же эффект, но две радуги занимают различное положение и образованы разными капельками воды. Когда дождь или водяная пыль образуют радугу, полный оптический эффект достигается за счет суммарного воздействия всех капелек воды, пересекающих поверхность конуса радуги с наблюдателем в вершине. Роль каждой капли мимолетна. Поверхность конуса радуги состоит из нескольких слоев. Быстро пересекая их и проходя при этом через серию критических точек, каждая капля мгновенно разлагает солнечный луч на весь спектр в строго определенной последовательности - от красного до фиолетового цвета. Множество капель таким же образом пересекает поверхность конуса, так что радуга представляется наблюдателю непрерывной как вдоль, так и поперек ее дуги. Гало - белые или радужные световые дуги и окружности вокруг диска Солнца или Луны. Они возникают вследствие преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега. Кристаллы, формирующие гало, располагаются на поверхности воображаемого конуса с осью, направленной от наблюдателя (из вершины конуса) к Солнцу. При некоторых условиях атмосфера бывает насыщена мелкими кристаллами, многие грани которых образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, наблюдателя и эти кристаллы. Такие грани отражают поступающие лучи света с отклонением на 22°, образуя красноватое с внутренней стороны гало, но оно может состоять и из всех цветов спектра. Реже встречается гало с угловым радиусом 46°, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае на образующих прямые углы гранях кристаллов. Ширина кольца такого гало превышает 2,5°. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен (рис. 7).
Паргелии и дуги. Паргелический круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Причиной его образования служит отражение солнечного света от граней поверхностей кристаллов льда. Если кристаллы достаточно равномерно распределены в воздухе, становится видимым полный круг. Паргелии, или ложные солнца, - это ярко светящиеся пятна, напоминающие Солнце, которые образуются в точках пересечения паргелического круга с гало, имеющими угловые радиусы 22°, 46° и 90°. Наиболее часто образующийся и самый яркий паргелий формируется на пересечении с 22-градусным гало, обычно окрашенный почти во все цвета радуги. Ложные солнца на пересечениях с 46- и 90-градусными гало наблюдаются гораздо реже. Паргелии, возникающие на пересечениях с 90-градусными гало, называются парантелиями, или ложными противосолнцами. Иногда виден также антелий (противосолнце) - яркое пятно, расположенное на кольце паргелия точно напротив Солнца. Предполагается, что причиной возникновения этого явления служит двойное внутреннее отражение солнечного света. Отраженный луч проходит по тому же пути, что и падающий луч, но в обратном направлении. Околозенитная дуга, иногда неверно называемая верхней касательной дугой 46-градусного гало, - это дуга в 90° или меньше с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она бывает видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, причем красный цвет приурочен к внешней стороне дуги. Околозенитная дуга примечательна своей расцветкой, яркостью и четкими очертаниями. Еще один любопытный и очень редкий оптический эффект типа гало - дуги Ловица. Они возникают как продолжение паргелиев на пересечении с 22-градусным гало, проходят с внешней стороны гало и слегка вогнуты в сторону Солнца. Столбы беловатого света, как и разнообразные кресты, иногда видны на рассвете или на закате, особенно в полярных регионах, и могут сопутствовать как Солнцу, так и Луне. Временами наблюдаются лунные гало и другие эффекты, подобные описанным выше, причем наиболее обычное лунное гало (кольцо вокруг Луны) имеет угловой радиус 22°. Подобно ложным солнцам, могут возникать ложные луны. Короны, или венцы, - небольшие концентрические цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками. Радиус короны меньше радиуса гало и составляет ок. 1-5°, ближайшим к Солнцу оказывается голубое или фиолетовое кольцо. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. В других случаях за пределами ореола видно не менее двух концентрических колец большего диаметра, очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается радужными облаками. Иногда края очень высоко расположенных облаков окрашены в яркие цвета.
Глории (нимбы). В особых условиях возникают необычные атмосферные явления. Если Солнце находится за спиной наблюдателя, а его тень проецируется на близрасположенные облака или завесу тумана, при определенном состоянии атмосферы вокруг тени головы человека можно увидеть цветной светящийся круг - нимб. Обычно такой нимб образуется из-за отражения света капельками росы на травяном газоне. Глории также довольно часто можно обнаружить вокруг тени, которую отбрасывает самолет на нижележащие облака.
Призраки Броккена. В некоторых районах земного шара, когда тень находящегося на возвышенности наблюдателя при восходе или заходе Солнца сзади него падает на облака, расположенные на небольшом расстоянии, обнаруживается поразительный эффект: тень приобретает колоссальные размеры. Это происходит из-за отражения и преломления света мельчайшими капельками воды в тумане. Описанное явление носит название "призрак Броккена" по имени вершины в горах Гарц в Германии.
Миражи - оптический эффект, обусловленный преломлением света при прохождении через слои воздуха разной плотности и выражающийся в возникновении мнимого изображения. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут быть искажены и приобрести неправильные, фантастические формы. Миражи часто наблюдаются в условиях жаркого климата, например над песчаными равнинами. Обычны нижние миражи, когда отдаленная, почти ровная поверхность пустыни приобретает вид открытой воды, особенно если смотреть с небольшого возвышения или просто находиться выше слоя нагретого воздуха. Подобная иллюзия обычно возникает на нагретой асфальтированной дороге, которая далеко впереди выглядит как водная поверхность. В действительности эта поверхность является отражением неба. Ниже уровня глаз в этой "воде" могут появиться объекты, обычно перевернутые. Над нагретой поверхностью суши формируется "воздушный слоеный пирог", причем ближайший к земле слой - самый нагретый и настолько разрежен, что световые волны, проходя через него, искажаются, так как скорость их распространения меняется в зависимости от плотности среды. Верхние миражи менее распространены и более живописны по сравнению с нижними. Удаленные объекты (часто находящиеся за морским горизонтом) вырисовываются на небе в перевернутом положении, а иногда выше появляется еще и прямое изображение того же объекта. Это явление типично для холодных регионов, особенно при значительной температурной инверсии, когда над более холодным слоем находится более теплый слой воздуха. Данный оптический эффект проявляется в результате сложных закономерностей распространения фронта световых волн в слоях воздуха с неоднородной плотностью. Время от времени возникают очень необычные миражи, особенно в полярных регионах. Когда миражи возникают на суше, деревья и другие компоненты ландшафта перевернуты. Во всех случаях в верхних миражах объекты видны более отчетливо, чем в нижних. Когда границей двух воздушных масс является вертикальная плоскость, порой наблюдаются боковые миражи.
Огни святого Эльма. Некоторые оптические явления в атмосфере (например, свечение и самое распространенное метеорологическое явление - молния) имеют электрическую природу. Гораздо реже встречаются огни святого Эльма - светящиеся бледно-голубые или фиолетовые кисти длиной от 30 см до 1 м и более, обычно на верхушках мачт или концах рей находящихся в море судов. Иногда кажется, что весь такелаж судна покрыт фосфором и светится. Огни святого Эльма порой возникают на горных вершинах, а также на шпилях и острых углах высоких зданий. Это явление представляет собой кистевые электрические разряды на концах электропроводников, когда в атмосфере вокруг них сильно повышается напряженность электрического поля. Блуждающие огоньки - слабое свечение голубоватого или зеленоватого цвета, которое иногда наблюдается на болотах, кладбищах и в склепах. Они часто выглядят как приподнятое примерно на 30 см над землей спокойно горящее, не дающее тепла, пламя свечи, на мгновение зависающее над объектом. Огонек кажется совершенно неуловимым и при приближении наблюдателя как бы перемещается в другое место. Причиной этого явления служит разложение органических остатков и самовозгорание болотного газа метана (СН4) или фосфина (РН3). Блуждающие огоньки имеют разную форму, иногда даже шаровидную. Зеленый луч - вспышка солнечного света изумрудно-зеленого цвета в тот момент, когда последний луч Солнца скрывается за горизонтом. Красная составляющая солнечного света исчезает первой, все прочие - по порядку вслед за ней, и последней остается изумрудно-зеленая. Это явление возникает, лишь когда над горизонтом остается только самый краешек солнечного диска, а иначе происходит смешение цветов. Сумеречные лучи - расходящиеся пучки солнечного света, которые становятся видимыми благодаря освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы. Тени от облаков образуют темные полосы, а между ними распространяются лучи. Этот эффект наблюдается, когда Солнце находится низко над горизонтом перед рассветом или после заката.
Атмосфера - это то, что обеспечивает возможность жизни на Земле. Самые первые сведения и факты об атмосфере мы получаем ещё в начальной школе. В старших классах мы уже подробнее знакомимся с этим понятием на уроках географии.
Понятие земной атмосферы
Атмосфера имеется не только у Земли, но и у других небесных тел. Так называют газовую оболочку, окружающую планеты. Состав этого газового слоя разных планет значительно отличается. Давайте рассмотрим основные сведения и факты об иначе называемой воздухом.
Самой важной её составляющей частью является кислород. Некоторые ошибочно думают, что земная атмосфера состоит полностью из кислорода, но на самом деле воздух - это смесь газов. В его составе 78% азота и 21% кислорода. Остальной один процент включает в себя озон, аргон, углекислый газ, водяные пары. Пусть процентное соотношение этих газов мало, но они выполняют важную функцию - поглощают значительную часть солнечной лучистой энергии, тем самым не дают светилу превратить всё живое на нашей планете в пепел. Свойства атмосферы изменяются в зависимости от высоты. Например, на высоте 65 км азот составляет 86%, а кислород - 19%.
Состав атмосферы Земли
- Углекислый газ необходим для питания растений. В атмосфере он появляется в результате процесса дыхания живых организмов, гниения, горения. Отсутствие его в составе атмосферы сделало бы невозможным существование любых растений.
- Кислород - жизненно важный для человека компонент атмосферы. Его наличие является условием для существования всех живых организмов. Он составляет около 20% от общего объёма атмосферных газов.
- Озон - это естественный поглотитель солнечного ультрафиолетового излучения, которое пагубно влияет на живые организмы. Большая его часть формирует отдельный слой атмосферы - озоновый экран. В последнее время деятельность человека приводит к тому, что начинает постепенно разрушаться, но так как он имеет большую важность, то ведётся активная работа по его сохранению и восстановлению.
- Водяной пар определяет влажность воздуха. Его содержание может быть разным в зависимости от различных факторов: температуры воздуха, территориального расположения, сезона. При низкой температуре водяного пара в воздухе совсем мало, может быть меньше одного процента, а при высокой его количество достигает 4%.
- Кроме всего вышеперечисленного, в составе земной атмосферы всегда присутствует определённый процент твёрдых и жидких примесей . Это сажа, пепел, морская соль, пыль, капли воды, микроорганизмы. Попадать в воздух они могут как естественным, так и антропогенным путём.
Слои атмосферы
И температура, и плотность, и качественный состав воздуха неодинаковый на разной высоте. Из-за этого принято выделять разные слои атмосферы. Каждый из них имеет свою характеристику. Давайте узнаем, какие слои атмосферы различают:
- Тропосфера - этот слой атмосферы находится ближе всего к поверхности Земли. Высота его - 8-10 км над полюсами и 16-18 км - в тропиках. Здесь находится 90% всего водяного пара, который имеется в атмосфере, поэтому происходит активное образование облаков. Также в этом слое наблюдаются такие процессы, как движение воздуха (ветра), турбулентность, конвекция. Температура колеблется от +45 градусов в полдень в тёплое время года в тропиках до -65 градусов на полюсах.
- Стратосфера - второй по отдалённости от слой атмосферы. Находится на высоте от 11 до 50 км. В нижнем слое стратосферы температура приблизительно -55, в сторону удаления от Земли она повышается до +1˚С. Эта область называется инверсией и является границей стратосферы и мезосферы.
- Мезосфера располагается на высоте от 50 до 90 км. Температура на её нижней границе - около 0, на верхней достигает -80...-90 ˚С. Метеориты, попадающие в атмосферу Земли, полностью сгорают в мезосфере, из-за этого здесь происходят свечения воздуха.
- Термосфера имеет толщину приблизительно 700 км. В этом слое атмосферы возникают северные сияния. Появляются они за счёт под действием космического излучения и радиации, исходящей от Солнца.
- Экзосфера - это зона рассеивания воздуха. Здесь концентрация газов небольшая и происходит их постепенный уход в межпланетное пространство.
Границей между земной атмосферой и космическими просторами принято считать рубеж в 100 км. Эту черту называют линией Кармана.
Давление атмосферы
Слушая прогноз погоды, мы часто слышим показатели атмосферного давления. Но что означает давление атмосферы, и как на нас это может повлиять?
Мы разобрались, что воздух состоит из газов и примесей. Каждая из этих составляющих имеет свой вес, а значит, и атмосфера не невесома, как считали до XVII века. Атмосферное давление - это сила, с которой все слои атмосферы давят на поверхность Земли и на все предметы.
Учёные провели сложные подсчёты и доказали, что на один квадратный метр площади атмосфера давит с силой 10 333 кг. Значит, человеческое тело подвержено давлению воздуха, вес которого равен 12-15 тонн. Почему же мы не ощущаем этого? Спасает нас своё внутреннее давление, которое и уравновешивает внешнее. Можно ощутить давление атмосферы, находясь в самолёте или высоко в горах, так как атмосферное давление на высоте значительно меньше. При этом возможен физический дискомфорт, закладывание ушей, головокружение.
Об атмосфере, окружающей можно сказать много всего. Мы знаем о ней множество интересных фактов, и некоторые из них могут казаться удивительными:
- Вес земной атмосферы составляет 5 300 000 000 000 000 тонн.
- Она способствует передаче звука. На высоте больше 100 км это свойство исчезает из-за изменения состава атмосферы.
- Движение атмосферы спровоцировано неравномерным нагревом поверхности Земли.
- Для определения температуры воздуха используют термометр, а для того, чтобы узнать силу давления атмосферы, - барометр.
- Наличие атмосферы спасает нашу планету от 100 тонн метеоритов ежедневно.
- Состав воздуха был фиксированным несколько сотен миллионов лет, но стал изменяться с началом бурной производственной деятельности.
- Считается, что атмосфера простирается вверх на высоту 3000 км.
Значение атмосферы для человека
Физиологическая зона атмосферы составляет 5 км. На высоте 5000 м над уровнем моря у человека начинает проявляться кислородное голодание, что выражается в снижении его работоспособности и ухудшении самочувствия. Это показывает то, что человек не сможет выжить в пространстве, где нет этой удивительной смеси газов.
Все сведения и факты об атмосфере только подтверждают её важность для людей. Благодаря её наличию и появилась возможность развития жизни на Земле. Уже сегодня, оценив масштабы вреда, который человечество способно своими действиями наносить дающему жизнь воздуху, нам следует задуматься о дальнейших мерах сохранения и восстановления атмосферы.
Изменение состава атмосферы приводит к воздействию на радиационный режим атмосферы - это основной механизм антропогенного влияния на глобальную климатическую систему на современном и предполагаемом в ближайшие десятилетия уровне развития промышленности.
Вклад парниковых газов атмосферы (см. парниковый эффект) составляет основную часть этого воздействия. Влияние концентрации парниковых газов на температуру определяется поглощением длинноволнового излучения, идущего от Земли, и, следовательно, уменьшением эффективного излучения у земной поверхности. При этом предельные температуры возрастают, а температура более высоких слоев атмосферы убывает за счет больших потерь на излучение. Этот эффект усиливается двумя обстоятельствами:
1) возрастанием количества водяного пара в атмосфере при потеплениях, также перекрывающего длинноволновую радиацию;
2) отступанием полярных льдов при потеплениях, что уменьшает альбедо Земли в относительно высоких широтах.
Все долгоживущие парниковые газы и озон дают положительное радиационное воздействие (2,9 ± 0,3 Вт/м 2). Суммарное радиационное воздействие антропогенных факторов, связанных с изменением концентрации всех парниковых газов и аэрозолей, составляет 1,6 (от 0,6 до 2,4) Вт/м 2 . Все типы аэрозолей создают радиационный эффект прямого действия и опосредованно путем изменения альбедо облаков. Суммарное аэрозольное воздействие является отрицательным (–1,3 ± 0,8 Вт/м 2). Однако достоверность этих оценок намного ниже полученных для парниковых газов (Оценочный доклад, 2008).
Парниковые газы в атмосфере, на которые оказывает существенное влияние хозяйственная деятельность:
– диоксид углерода (СО 2) является наиболее важным по влиянию на климат парниковым газом. За последние 250 лет наблюдалось беспрецедентное по скорости увеличение его концентрации в атмосфере на 35%. В 2005 г. она составила 379 млн –1 ;
– метан (СН 4) является вторым по значимости парниковым газом после СО 2 ; его концентрация увеличилась в 2,5 раза по сравнению с доиндустриальным периодом и составила 1774 млрд –1 в 2005 г.;
– закись азота (N 2 O) , ее концентрация увеличилась на 18% к 2005 г. по сравнению с доиндустриальным периодом и составила 319 млрд –1 ; в настоящее время примерно 40% количества N 2 O, поступающего в атмосферу, обусловлено хозяйственной деятельностью (удобрения, животноводство, химическая промышленность).
На рис. 4.7 представлены временной ход концентрации диоксида углерода (а ), метана (б ) и закиси азота (в ) в атмосфере и их изменения за последние 10 000 лет и начиная с 1750 г. Временной ход получен по результатам измерений в ледовых отложениях по результатам различных исследователей и измерений в атмосфере. На рисунке отчетливо прослеживается прогрессирующее увеличение СО 2 и других газов за индустриальную эпоху.
Согласно данным Четвертого оценочного доклада МГЭИК (2007), в течение индустриальной эпохи происходит существенный рост атмосферных концентраций климатически активных газов. Так, в течение последних 250 лет атмосферные концентрации двуокиси углерода (СО 2) возросли с 280 до 379 ррm (миллионные доли на единицу объема). Современная концентрация парниковых данных в атмосфере, как это следует из анализа пузырьков воздуха из ледниковых кернов, сохранивших состав древней атмосферы Антарктиды, намного выше, чем когда-либо за последние 10 тыс. лет. Глобальная атмосферная концентрация метана возросла с 715 до 1774 ррв (миллиардные доли на единицу объема) за период индустриальной эпохи. Наиболее сильный рост концентрации парниковых газов наблюдается в последние десятилетия, в результате чего происходит нагрев атмосферы.
Таким образом, процесс современного потепления климата происходит на фоне устойчивого роста концентрации парниковых газов , и в первую очередь, углекислого газа (СO 2). Так, по данным на 1999 г., эмиссия СO 2 в результате человеческой деятельности, от сжигания ископаемых видов горючего, достигла в 1996 г. 6,2 млрд т, что больше, чем в 1950 г. почти в 4 раза. С 1750 по 2000 г. произошло увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере на 31% (Переведенцев Ю.П., 2009).
Временной ход концентрации СО 2 на российской станции Териберка (рисунок 4.8) показывает, что средняя за 20 лет скорость роста СО 2 составила 1,7 млн –1 в год при значительных сезонных колебаниях, равных 15÷20 млн –1 .
Рис. 2.8. Временной ход концентрации СО 2 в атмосфере на станции Териберка (Кольский полуостров) за период наблюдений с 1988 г. Точками и линиями показаны единичные измерения (1 ), сглаженный сезонный ход (2 ) и многолетний тренд (3 ) СО 2 Концентрация СО 2 , млн –1 (ОД, 2008)
Механизм парникового эффекта объясняется различием поглотительной способности атмосферы для приходящего к Земле излучения Солнца и излучения, уходящего от Земли. Земля получает излучение Солнца в широкой полосе спектра со средней длиной волны около 0,5 мкм, и это коротковолновое излучение почти проходит атмосферу. Земля отдает полученную энергию почти как абсолютно черное тело в длинноволновом, инфракрасном диапазоне, со средней длиной волны около 10 мкм. В этом диапазоне у многих газов (СO 2 , СН 4 , Н 2 О и др.) есть многочисленные полосы поглощения, эти газы поглощают излучение, в результате выделяют тепло и большей частью разогревают атмосферу. Углекислый газ интенсивно поглощает идущее от Земли излучение в диапазоне 12–18 мкм и является одним из основных факторов, обеспечивающих парниковый эффект (Переведенцев Ю.П., 2009).
Современное потепление климата. Факт того, что современный климат изменяется, признают все, так как и инструментальные измерения, и природные индикаторы свидетельствуют об одном: в последние десятилетия наблюдается значительное потепление климата планеты. В последнее столетие (1906–2005 гг.) с помощью наземной метеорологической сети зафиксировано достоверное повышение средней глобальной температуры у поверхности Земли на 0,74 °С. Разночтения возникают при обсуждении причины потепления. В Четвертом оценочном докладе эксперты МГЭИК (2007) делают выводы относительно причин наблюдаемого потепления: вероятность того, что изменения климата за последние 50 лет происходили без внешнего (антропогенного) воздействия, оценивается как крайне низкая (<5%). С высокой степенью вероятности (>90%) утверждается, что наблюдавшиеся за последние 50 лет изменения вызваны не только естественным, но и внешним воздействием. С вероятностью >90% в докладе утверждается, что рост концентраций антропогенных парниковых газов ответствен за большую часть глобального потепления начиная с середины XX в.
Существуют и другие взгляды на причиныпотепления - внутренний фактор, естественная изменчивость, обусловливающая колебания температуры, как в сторону потепления, так и похолодания. Так, в работе (Даценко Н.М., Монин А.С, Сонечкин Д.М., 2004) сторонники указанной концепции указывают, что период наиболее интенсивного роста глобальной температуры XX столетия (90-е годы) приходится на восходящую ветвь 60-летнего колебания, выявленного ими в индексах, характеризующих термическое и циркуляционное состояние атмосферы. При этом высказывается предположение, что современные колебания климата являются следствием нелинейных реакций климатической системы на квазипериодические внешние воздействия (циклы лунно-солнечных приливов и солнечной активности, циклы обращения наиболее крупных планет Солнечной системы вокруг общего центра и т.п.) (Переведенцев Ю.П., 2009).
Впервые рост индустриальных выбросов СO 2 в атмосферу установил Х.Е. Зюсс в начале 50-х годов XX в. По изменению отношения углерода в древесных кольцах Зюсс сделал вывод о том, что атмосферная двуокись углерода уже со второй половины XIX века пополняется выбросами СO 2 от сжигания ископаемого топлива. Он обнаружил, что отношение радиоактивного С 14 , постоянно образующегося в атмосфере благодаря действию космических частиц, к стабильному С 12 уменьшается в течение последних ста лет в результате «разбавления» атмосферного СO 2 потоком СO 2 из ископаемых топлив, практически не содержащих С (период полураспада С 14 равен 5730 лет). Таким образом, рост индустриальных выбросов СO 2 в атмосферу был обнаружен на основе измерений в древесных кольцах деревьев. Лишь в 1958 г. началась регистрация атмосферной концентрации СO 2 на станции Мауна Лоа в Тихом океане.
Рис. 4.7. Временной ход концентрации диоксида углерода (а ), метана (б ) и закиси азота (в ) в атмосфере и их изменения за последние 10 000 лет (крупная панель) и начиная с 1750 г. (вставленная в нее панель меньшего размера). Результаты измерений в ледовых отложениях (символы разного цвета и конфигурации) по результатам различных исследователей и измерений в атмосфере (красная кривая). Шкала оценок, соответствующих измеренным концентрациям радиационных воздействий приведена на больших панелях с правой стороны (Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации (ОД), 2008)
Атмосфера (от. др.-греч. ἀτμός - пар и σφαῖρα - шар) - газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата - климатология.
Физические свойства
Толщина атмосферы - примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере - (5,1-5,3)·1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352 ±0,0003)·1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг.
Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура - −140,7 °C (~132,4 К); критическое давление - 3,7 МПа; Cp при 0 °C - 1,0048·103 Дж/(кг·К), Cv - 0,7159·103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C - 0,0036 %, при 25 °C - 0,0023 %.
За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.
Химический состав
Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.
В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).
Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого газа (CO2).
Состав сухого воздуха
| Азот | ||
| Кислород | ||
| Аргон | ||
| Вода | ||
| Углекислый газ | ||
| Неон | ||
| Гелий | ||
| Метан | ||
| Криптон | ||
| Водород | ||
| Ксенон | ||
| Закись азота |
Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO2, NH3, СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I2, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).
Строение атмосферы
Тропосфера
Её верхняя граница находится на высоте 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м
Тропопауза
Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.
Стратосфера
Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.
Стратопауза
Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).
Мезосфера
Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80-90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.
Мезопауза
Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 °C).
Линия Кармана
Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.
Граница атмосферы Земли
Термосфера
Верхний предел - около 800 км. Температура растёт до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») - основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности - например, в 2008-2009 гг - происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.
Термопауза
Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.
Экзосфера (сфера рассеяния)
Экзосфера - зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).
До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.
На высоте около 2000-3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разрежёнными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20 %; масса мезосферы - не более 0,3 %, термосферы - менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000-3000 км.
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера - это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.
Другие свойства атмосферы и воздействие на человеческий организм
Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.
Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.
В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа - 40 мм рт. ст., а паров воды - 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным - около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.
На высоте около 19-20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15-19 км.
Плотные слои воздуха - тропосфера и стратосфера - защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация - первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.
По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.
В разреженных слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60-90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100-130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.
На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства - способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, - с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.
История образования атмосферы
Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:
- утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство;
- химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.
Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим - азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).
Азот
Образование большого количества азота N2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О2, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.
Азот N2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.
Кислород
Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений - аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.
В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.
Углекислый газ
Содержание в атмосфере СО2 зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего - от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4·1012 тонн) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.
Благородные газы
Источник инертных газов - аргона, гелия и криптона - вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом и атмосфера в частности обеднены инертными газами по сравнению с космосом. Считается, что причина этого заключена в непрерывной утечке газов в межпланетное пространство.
Загрязнение атмосферы
В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом его деятельности стал постоянный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО2 потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО2 в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200-300 лет количество СО2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.
Сжигание топлива - основной источник и загрязняющих газов (СО, NO, SO2). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO3, а оксид азота до NO2 в верхних слоях атмосферы, которые в свою очередь взаимодействуют с парами воды, а образующиеся при этом серная кислота Н2SO4 и азотная кислота НNO3 выпадают на поверхность Земли в виде т. н. кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец) Pb(CH3CH2)4.
Аэрозольное загрязнение атмосферы обусловлено как естественными причинами (извержение вулканов, пыльные бури, унос капель морской воды и пыльцы растений и др.), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и т. п.). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу - одна из возможных причин изменений климата планеты.
(Visited 548 times, 1 visits today)