Географія - Великий довідник школяра і студента - 2008

Загальна географія
Атмосфера і клімат Землі
СКЛАД АТМОСФЕРИ

Газ

Вміст у сухому повітрі, %

N2

азот

78,08

о2

кисень

20,95

Аг

аргон

0,93

С02

вуглекислий газ

0,03

Ne

неон

0,0018

Не

гелій

0,0005

Кг

криптон

0,0001

н2

водень

0,00005

X

ксенон

0,000009

У високих шарах атмосфери склад повітря змінюється під впливом випромінювання Сонця, яке призводить до розпаду молекул кисню на атоми. Атомарний кисень є основним компонентом високих шарів атмосфери. Нарешті, в найбільш віддалених від поверхні Землі шарах атмосфери головними компонентами є найлегші гази — водень і гелій.

Оскільки основна маса речовини зосереджена в нижньому шарі (30 км), то зміни складу повітря на висотах понад 100 км помітно не впливають на загальний склад атмосфери.

Енергообмін. Сонце є головним джерелом енергії, що поступає на Землю. Знаходячись на відстані бл. 150 млн км від Сонця, Земля отримує приблизно одну двохмільярдну частину енергії, що випромінюється ним, — головним чином у видимій частині спектра, яку людина називає «світлом». Велика частина цієї енергії поглинається атмосферою і літосферою. Земля також випромінює енергію, в основному у вигляді довгохвильової інфрачервоної радіації. Таким чином, встановлюється рівновага між енергією, що отримується від Сонця, нагріванням Землі й атмосфери і зворотним потоком теплової енергії, що випромінюється в простір. Механізм цієї рівноваги досить складний. Пил і молекули газів розсіюють світло, частково відбиваючи його в світовий простір. Ще більшу частину радіації відбивають хмари.

Частина енергії поглинається безпосередньо молекулами газів, але в основному — гірськими породами, рослинністю і поверхневими водами. Водяна пара і вуглекислий газ, що присутні в атмосфері, пропускають видиме випромінювання, але поглинають інфрачервоне. Теплова енергія накопичується головним чином у нижніх шарах атмосфери. Подібний ефект виникає в теплиці, коли скло пропускає світло всередину і грунт нагрівається. Оскільки скло відносно непрозоре для інфрачервоної радіації, у парнику акумулюється тепло. Нагрівання нижніх шарів атмосфери за рахунок присутності водяної пари і вуглекислого газу часто називають парниковим ефектом. Істотну роль у збереженні тепла в нижніх шарах атмосфери відіграє хмарність. Якщо хмари розсіюються або зростає прозорість повітряної маси, температура неминуче знижується у міру того, як поверхня Землі випромінює теплову енергію в навколишній простір. Вода, що знаходиться на поверхні Землі, поглинає сонячну енергію і випаровується, перетворюючись в газ — водяну пару, яка піднімає багато енергії в нижні шари атмосфери. При конденсації водяної пари й утворенні при цьому хмар або туману ця енергія звільняється у вигляді тепла.

Майже половина сонячної енергії, що досягає земної поверхні, витрачається на випаровування води і поступає в нижні шари атмосфери. Таким чином, внаслідок парникового ефекту і випаровування води атмосфера прогрівається знизу. Крім загального нагрівання атмосфери сонячним «світлом», значне прогрівання деяких її шарів відбувається за рахунок ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання Сонця.

Будова. У порівнянні з рідинами і твердими тілами, в газоподібних речовинах сила тяжіння між молекулами мінімальна. По мірі збільшення відстані між молекулами гази здатні безмежно розширюватися, якщо їм ніщо не перешкоджає. Нижньою межею атмосфери є поверхня Землі.

Цей бар’єр непроникний, оскільки газообмін відбувається між повітрям і водою і навіть між повітрям і гірськими породами. Оскільки атмосфера є сферичною оболонкою, у неї немає бічних меж, а є тільки нижня межа і верхня (зовнішня) межа, відкрита з боку міжпланетного простору. Через зовнішню межу відбувається витік деяких нейтральних газів, а також надходження речовини з навколишнього космічного простору. Велика частина заряджених часток, за винятком космічних променів, що наділені високою енергією, або захоплюється магнітосферою, або відштовхується нею.

На атмосферу діє також сила земного тяжіння, яка втримує повітряну оболонку біля поверхні Землі. Атмосферні гази стискуються під дією власної ваги. Це стиснення максимальне біля нижньої межі атмосфери, тому і густина повітря тут найбільша. На будь-якій висоті над земною поверхнею ступінь стиснення повітря залежить від маси стовпа повітря, що знаходиться вище, тому з висотою густина повітря зменшується. Тиск, рівний масі цього стовпа повітря, що приходиться на одиницю площі, знаходиться в прямій залежності від густини і, отже, з висотою також знижується. Якби атмосфера являла собою «ідеальний газ» з постійним складом, що не залежить від висоти, з незмінною температурою і на неї діяла б постійна сила тяжіння, то тиск зменшувався б у 10 разів на кожні 20 км висоти. Реальна атмосфера трохи відрізняється від ідеального газу приблизно до висоти 100 км, а потім тиск з висотою починає зменшуватися повільніше, оскільки змінюється склад повітря. Невеликі зміни в цю модель вносить і зменшення сили тяжіння з віддаленням від центра Землі; це зменшення поблизу земної поверхні дорівнює приблизно 3% на кожні 100 км висоти. На відміну від атмосферного тиску температура з висотою не знижується безперервно. Вона убуває приблизно до висоти 10 км, а потім знову починає зростати. Це відбувається при поглинанні киснем ультрафіолетової сонячної радіації. При цьому утворюється газ озон, молекули якого складаються з трьох атомів кисню (03). Він також поглинає ультрафіолетове випромінювання, і тому цей шар атмосфери, що називається озоносферою, нагрівається. Вище температура знову знижується, оскільки там набагато менше молекул газу, і відповідно скорочується поглинання енергії.

У ще більш високих шарах температура знову підвищується внаслідок поглинання» атмосферою короткохвильового ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання Сонця. Під впливом цього могутнього випромінювання відбувається іонізація атмосфери, тобто молекула газу втрачає електрон і отримує позитивний електричний заряд. Такі молекули стають позитивно зарядженими іонами. Завдяки наявності вільних електронів та іонів цей шар атмосфери набуває властивостей електропровідника.

Вважають, що температура продовжує підвищуватися до висот, де розріджена атмосфера переходить у міжпланетний простір. На відстані декількох тисяч кілометрів від поверхні Землі, ймовірно, переважають температури від 5000° до 10 000 °С. На основі середнього розподілу температур була розроблена схема будови ідеальної «середньої атмосфери».

Тропосфера — нижній шар атмосфери, що простягається до першого термічного мінімуму (т. зв. тропопаузи). Верхня межа тропосфери залежить від географічної широти (в тропіках — 18—20 км, у помірних широтах — бл. 10 км) і пори року. У березні тропопауза знаходиться на висоті бл. 7,5 км. З березня до серпня або вересня відбувається неухильне охолоджування тропосфери, і її межа на короткий період в серпні або вересні підіймається приблизно до висоти 11,5 км. Потім з вересня по грудень вона швидко знижується і досягає свого найнижчого положення — 7,5 км, де і залишається до березня, відчуваючи коливання в межах 0,5 км. Саме в тропосфері в основному формується погода, яка визначає умови існування людини.

Велика частина атмосферної водяної пари зосереджена в тропосфері, і тому тут головним чином і формуються хмари, хоч деякі з них, які складаються з крижаних кристалів, зустрічаються і в більш високих шарах. Для тропосфери характерні турбулентність і могутні повітряні течії (вітри) і шторми. У верхній частині тропосфери існують сильні повітряні течії певного напряму. Турбулентні вихори утворюються під впливом тертя і динамічної взаємодії між повільно і швидко рухомою повітряною масою. Оскільки в цих високих шарах хмарності зазвичай немає, таку турбулентність називають «турбулентністю ясного неба».

Стратосфера. Шар атмосфери, який знаходиться вище, часто помилково описують як шар з порівняно постійними температурами, де вітри дують більш-менш стійко і де метеорологічні елементи мало змінюються. Верхні шари стратосфери нагріваються при поглинанні киснем і озоном сонячного ультрафіолетового випромінювання. Верхня межа стратосфери (стратопауза) проводиться там, де температура дещо підвищується, досягаючи проміжного максимуму, який нерідко можна зіставити з температурою приземного шару повітря. У стратосфері відбуваються турбулентні збурення і сильні вітри, що дують у різних напрямах. Як і в тропосфері, тут відмічаються могутні повітряні вихори, які особливо небезпечні для високошвидкісних літальних апаратів. Сильні вітри, звані струмінними течіями, дують у вузьких зонах уздовж меж помірних широт, звернених до полюсів. Струмінні течії проникають у тропопаузу і спостерігаються у верхніх шарах тропосфери, але їх швидкість з пониженням висоти зменшується. Ймовірно, частина енергії, що поступає в стратосферу, впливає на процеси в тропосфері. Особливо активне перемішування пов’язане з атмосферними фронтами, де великі потоки стратосферного повітря були зареєстровані істотно нижче тропопаузи, а тропосферне повітря залучалося до нижніх шарів стратосфери.

Мезосфера, розташована вище за стратосферу, являє собою оболон ку, в якій до висоти 80—85 км відбувається пониження температури до мінімальних показників для атмосфери загалом. Рекордно низькі температури до - 110 °С були зареєстровані метеорологічними ракетами, запущеними з американо-канадської установки в Канаді. Верхня межа мезосфери (мезопауза) приблизно збігається з нижньою межею області активного поглинання рентгенівського і найбільш короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця, що супроводиться нагріванням та іонізацією газу. У полярних регіонах літом у мезопаузі часто з’являються хмарні системи, які займають велику площу, але мають незначний вертикальний розвиток. Такі хмари, що світяться ночами, часто дозволяють виявляти крупномасштабні хвилеподібні рухи повітря в мезосфері.

Термосфера являє собою шар атмосфери, у якому безперервно підвищується температура. Його потужність може досягати 600 км. Тиск і, отже, густина газу з висотою постійно зменшуються. Поблизу земної поверхні в 1 м3 повітря міститься бл. 2,5∙1025 молекул, на висоті бл. 100 км, в нижніх шарах термосфери, приблизно 1019 на висоті 200 км, в іоносфері, — 5∙1015 і, за розрахунками, на висоті бл. 850 км — приблизно 1012 молекул. У міжпланетному просторі концентрація молекул становить 108— 109 на 1 м3. На висоті бл. 100 км кількість молекул невелика, і вони рідко стикаються між собою. Середня відстань, яку долає молекула, що хаотично рухається, до зіткнення з іншою такою ж молекулою, називається її середнім вільним пробігом. Шар, у якому ця величина настільки збільшується, що імовірністю міжмолекулярних або міжатомних зіткнень можна нехтувати, знаходиться на межі між термосферою і оболонкою, що знаходиться вище (тобто екзосферою) і називається термопаузою.

Термопауза знаходиться від земної поверхні приблизно на 650 км. За певної температури швидкість руху молекули залежить від її маси: більш легкі молекули рухаються швидше, ніж важкі. У нижній атмосфері, де вільний пробіг дуже короткий, не спостерігається помітного розділення газів за їхньою молекулярною вагою, але воно виражене вище за 100 км. Крім того, під впливом ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання Сонця молекули кисню розпадаються на атоми, маса яких становить половину маси молекули. Тому з віддаленням від поверхні Землі атомарний кисень набуває усе більшого значення в складі атмосфери і на висоті бл. 200 км стає її головним компонентом. Вище, приблизно на відстані 1200 км від поверхні Землі, переважають легкі гази — гелій і водень. З них і складається зовнішня оболонка атмосфери. Таке розділення за вагою, зване дифузним розшаруванням, нагадує розділення сумішей за допомогою центрифуги.

Екзосферою називається зовнішній шар атмосфери, що виділяється на основі зміни температур і властивостей нейтрального газу. Молеку ли і атоми в екзосфері обертаються навколо Землі по балістичних орбітах під впливом сили тяжіння. Деякі з цих орбіт параболічні і схожі на траєкторії метальних снарядів. Молекули можуть обертатися навколо Землі і по еліптичних орбітах, як супутники. Деякі молекули, в основному водню і гелію, мають розімкнені траєкторії і розсіюються у космічному просторі.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити