Атмосфера
Атмосфера Земли - воздушная оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с ней. Масса атмосферы составляет 5,15 • 1015 т. Нижняя граница атмосферы - поверхность Земли; верхняя - высоты 2000-3000 км, хоть она распространяется до 20 000 км и постепенно переходит в межпланетное пространство.
Основными составляющими воздуха (по объему) являются азот и кислород (рис. 12).
Рис. 12. Состав воздуха
Атмосфера играет важную роль в поглощении, рассеивании и отражении солнечной энергии. Она получает тепло от суши и океанов и охлаждается сверху, излучая тепло в межпланетное пространство. Однако преимущественно она задерживает тепло и таким образом играет роль отеплювача Земли.
Атмосфера находится в постоянном движении, в результате чего осуществляется обмен теплом и холодом между различными зонами и участками, которые по-разному нагреваются. Атмосфера является также источником минерального сырья. Из нее добывают азот, кислород, аргон и другие газы для нужд народного хозяйства.
Атмосфера поддерживает различные формы жизни на Земле, регулирует теплообмен планеты с космическим пространством, влияет на ее радиационный и водный балансы, защищает Землю от метеоритов.
Строение атмосферы
Атмосфера имеет пять основных слоев (оболочек): тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу (ионосферу) и экзосферу.
Тропосфера - нижний слой атмосферы, прилегающий к Земле. Поэтому ее физические свойства определяются влиянием Земли. Над полюсами ее высота составляет около 8 км, над умеренными широтами - 11-12 км, над экватором до 17-18 км. В тропосфере сосредоточена почти вся водяной пар и развиваются все явления погоды - образуются облака, выпадают осадки и т.п. В этом заключается одно из важнейших значений тропосферы для процессов, происходящих в ландшафтной оболочке Земли.
Стратосфера - безоблачный или малохмарний слой воздуха, лежащий над тропосферой и простирается в среднем от 11-12 до 55 км. В нижней части стратосферы температура продолжает снижаться и на высоте 25 км составляет примерно -40 °С. Затем она начинает повышаться, потому что именно здесь начинается озоновый слой - часть атмосферы с повышенным содержанием газа озона. Наибольшее его количество - на высоте 27-28 км. Озон поглощает короткие ультрафиолетовые лучи и этим защищает от его пагубного воздействия живые существа. В верхней части стратосферы температура воздуха достигает +10 °С.
Мезосфера - слой воздуха на высоте 55-80 км. Это - самая холодная часть атмосферы. Озона здесь уже нет, и поэтому в верхней ее части температура понижается до -80 °С. При такой низкой температуры остатки водяного пара образуют очень тонкие облака - самые высокие облака атмосферы.
Термосфера (ионосфера) простирается на высоте от 80 до 800-1000 км. Там газы очень разреженные, давление низкое. Под воздействием космической радиации молекулы газов теряют или принимают электроны, т.е. ионизируются. Именно в ионосфере возникает полярное сияние.
Экзосфера расположена на высоте свыше 800-1000 км. Это верхний слой атмосферы, который граничит с межпланетным пространством.
Способность Земли удерживать атмосферу зависит от земного притяжения и скорости движения молекул воздуха. Каждое тело, которое удаляется от Земли со скоростью, меньшей, чем 8 км/с, возвращается на нее под действием силы тяжести. По скорости 8-11 км/с тело попадает на околоземную орбиту, а более 11 км/с - преодолевает земную гравитацию.
Частицы верхних слоев атмосферы, которые имеют высокую энергию, удерживаются благодаря магнитному полю Земли (магнитосфере). Магнитосфера защищает жизнь на Земле от вредного воздействия космического излучения.
Температура воздуха и ее измерение
Одним из важных признаков воздуха являются его
температура. Измеряется она с помощью ртутных или спиртовых термометров.
Солнечные лучи, свободно проходя сквозь слои воздуха, почти не нагревают его. Нагревание тропосферы происходит от поверхности Земли, поэтому с поднятием вверх температура воздуха понижается (на каждый километр подъема на 5-6 °С).
Атмосферное давление и его измерение
Теплый воздух легче холодного, поэтому он поднимается вверх, а его давление на поверхность Земли становится слабее. Так возникают области низкого (пониженного) давления. Тяжелый холодный воздух, наоборот, опускается, и возникают области высокого (повышенного) давления.
Атмосферное давление определяют барометром. Барометры бывают двух типов - ртутные и анероиды. Измеряется атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба или мілібарах.
При нормальных условиях атмосферное давление на уровне моря составляет 760 мм рт. ст. С высотой он снижается (примерно на 1 мм рт. ст. на 10 м подъема).
Ветер
Вследствие возникновения областей с повышенным и пониженным атмосферным давлением воздуха начинает перемещаться из первых ко вторым (рис. 13). Так возникает ветер - горизонтальное перемещение воздуха.
Рис. 13. Распределение атмосферного давления и перемещения воздушных масс в приземном слое воздуха
Воздух может перемещаться с разной скоростью. Она является тем большей, чем большей является разница давления между участками. Скорость ветра зависит также от близости расположения участков атмосферы с разным давлением.
От скорости ветра зависит его сила. Измеряется она в баллах с помощью специального инструмента - флюгера.
Водяной пар в воздухе
Под действием солнечных лучей нагреваются и водоемы. При этом часть воды испаряется, т.е. переходит в газообразное состояние. Количество водяного пара в некотором объеме воздуха называется
абсолютной влажностью и измеряется в граммах на кубический метр (г/м3).
Воздух может поглощать и удерживать водяной пар лишь до определенного предела. Чем теплее воздух, тем больше водяных паров он может содержать. Так, при температуре +10 °С количество водяного пара в 1 м3 воздуха может достигать 9 г, а при температуре +17 °С - уже 17 г. Но, как правило, в воздухе содержится меньше водяного пара, чем оно может содержать. Отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к максимально возможной ее количества при данной температуре, выраженное в процентах, называется
относительной влажностью. Измеряют ее с помощью гигрометра или психрометра.
Если относительная влажность воздуха достигнет 100 %, то часть водяного пара снова превратится в жидкость. Скопление мелких капель воды или кристалликов льда высоко над поверхностью Земли называется
облаком, а у поверхности Земли -
туманом.
Облака бывают разные - перистые, слоистые, кучевые, дождевые и их разновидности. С некоторых из них (кучево-дождевых и слоисто-дождевых) могут выпадать осадки (так называется влага, которая попала из атмосферы на землю). Они могут быть жидкими (
дождь) и твердыми (
снег, град).
Осадки могут выпадать и не с облаков (роса, иней). Их количество измеряют с помощью осадкомерами в миллиметрах.
Погода и климат
В любой момент над любым участком Земли атмосфера имеет определенные температуры, влажность, давление. Состояние атмосферы в данный момент в определенном месте называется
погодой.
Погода быстро меняется. Однако если проследить за такими изменениями в течение многих лет, то окажется, что они имеют определенные закономерности и режим. Такой многолетний устоявшийся режим погоды называется
климатом. Его особенности зависят от трех факторов:
• количества солнечной радиации (рис. 14), которая уменьшается в направлении от экватора к полюсам (чем дальше от экватора, тем климат более холодный);
Рис. 14. Виды солнечной радиации
• перемещение воздушных масс - крупных подвижных частей тропосферы с определенными свойствами (оно влияет на режим и количество осадков, а также на температуру воздуха);
• характер подстилающей поверхности (суша или океан; удаленность от океана; особенности прибрежных вод океана; рельеф и т.д.).
Распределение солнечного тепла на земной поверхности
Нагревание поверхности Земли зависит от многих обстоятельств: облачности, прозрачности атмосферы, характера местности. Особенно заметно влияет на это высота Солнца над горизонтом. Чем она больше, тем лучше нагревается поверхность Земли.
Наилучшие условия для нагрева земной поверхности существуют между 23°30' северной широты и 23°30' южной широты, где Солнце дважды в год бывает в зените. На параллелях 23°30' широты (их называют тропиками) оно бывает в зените один раз в год над Северным тропиком - 22 июня (этот день называется днем летнего солнцестояния), над Южным - 22 декабря (день зимнего солнцестояния). Часть земной поверхности между тропиками называют жарким поясом.
К северу от 66°30' с. ш. и к югу от 66°30' ю. ш. раз в год Солнце в течение суток или больше может не сходить или не заходить. Эти явления называются полярным днем и полярной ночью, а параллели 66°30' с. ш. и 66°30' ю. ш. - полярными кругами.
Участки Земли внутри полярных кругов нагреваются хуже, ибо часть года Солнце их вообще не освещает. Здесь оно никогда не поднимается высоко над горизонтом. Участки земной поверхности внутри полярных кругов называют холодными поясами.
Части Земли между жарким и холодным поясами нагреваются хуже приэкваториальной районы, но лучше приполярные. Их называют умеренными поясами солнечного освещения.