Атмосфера
Атмосфера — воздушная оболочка земного шара.
<addc>r</addc>
Строение и состав. С удалением от Земли сила притяжения к ней уменьшается, поэтому чем больше высота, тем разреженнее воздух. Верхнюю границу атмосферы условно проводят на высоте 2000 км.
Атмосфера имеет слоистое строение. До высоты 16—18 км над экватором и 8—10 км над полюсами воздух наиболее плотен, здесь сосредоточено 4/5 всей его массы. Этот слой воздуха называется тропосферой. В сухом виде он состоит (по объему) большей частью из азота (78,08%) и кислорода (20,95%), в малых долях из аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%), а также водорода, неона, гелия, криптона, ксенона, радона, иода, озона, метана. В приземных слоях тропосферы присутствуют пыль и коллоидные частицы, над океанами и морями — соли, попадающие в воздух при испарении. Температура в тропосфере с высотой понижается в среднем на 0,6 °C на каждые 100 м. Эту величину называют вертикальным градиентом температуры.
Над тропосферой находится переходный слой воздуха — тропопауза, выше которой, до высоты 50—55 км, расположена стратосфера. В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой продолжается до высоты 25 км; выше температура начинает возрастать на 1—2 °C на каждый километр. Это вызвано, по‑видимому, тем, что слои озона поглощают и рассеивают ультрафиолетовую (коротковолновую) солнечную радиацию, мешая ей проникать к поверхности Земли. Они подобны экрану, защищающему все живое от губительных ультрафиолетовых лучей. В стратосфере наблюдаются очень сильные горизонтальные и вертикальные движения воздуха. Изучение их имеет большое практическое значение для авиации, метеорологии.
Над стратосферой снова имеется температурная пауза — стратопауза, после которой температура вновь, как в тропосфере, понижается до высоты 80 км, где она достигает −(75-90) °C. Слой атмосферы от 55 до 80 км назвали мезосферой. Над нею также расположен переходный слой — мезопауза.
Далее с удалением от Земли воздух все более разреживается. Температура возрастает и на высоте 150 км достигает +240 °C, а в 500—600 км от Земли — +1500 °C. (Эти температуры не измеряются, а высчитываются с учетом плотности, давления и среднего веса молекул или атомов.) Здесь атомы лишаются своих электронных оболочек, превращаясь в ионизированные слои. Они отражают короткие радиоволны, и это делает возможной дальнюю радиосвязь — вокруг всего земного шара.
Выше 800 км расположена экзосфера («экзо» — «внешний»), где частицы газов очень редки, а температура достигает +2000 °C.
В познании атмосферы огромное значение имеет техника. Сначала люди изучали воздушный океан на Земле, имея возможность только подниматься на горы. В прошлом веке начались исследования атмосферы с помощью воздушных шаров. Только в начале нашего века удалось проникнуть в стратосферу. Отважные аэронавты, рискуя жизнью, поднимались на 20—30 км. Что происходит в атмосфере на более значительных высотах? Это оставалось неизвестным еще 40—50 лет назад.
Но вот начались запуски метеорологических ракет. С их помощью были открыты мезосфера, ионосфера. А что находится выше? Об этом сообщили искусственные спутники Земли. Сравнительно недавно удалось обнаружить пояса радиации.
Давление атмосферы. Мы живем на дне воздушного океана. Атмосферное давление — это вес столба воздуха, которым он давит на единицу площади земной поверхности. На 1 см2 атмосферное давление 1033 кг, а на 1 м2 — 10 333 кг.
Живые организмы у поверхности Земли испытывают давление воздуха со всех сторон, но они не ощущают этого, так как их внутреннее давление соответствует давлению воздуха извне. Например, на человека, поверхность тела которого 12 000—15 000 см2, приходится нагрузка 12—15 т. С подъемом в горы, на стратостате или в открытом самолете, примерно выше 5 км человеку становится трудно дышать, его тошнит, он может потерять сознание.
Измеряется атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба или в миллибарах (мбар) — тысячных долях бара. Давление в 750 мм ртутного столба соответствует 1000 мбар. Для перевода в миллибары нужно умножить число миллиметров ртутного столба на 3/4. Если среднее давление на уровне моря 1013,3 мбар, то на высоте 30 км оно равно 10 мбар, на высоте 40 км — всего лишь 2,4 мбар. Расстояние по вертикали (в м), на котором давление изменяется на 1 мбар, называют барометрической ступенью. При давлении на уровне моря в 1000 мбар и температуре 0 °C эта ступень близка к 8 м (т. е. на каждые 8 м вверх давление уменьшается на 1 мбар). С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, барометрическая ступень увеличивается. На высоте 5 км, где давление примерно в 2 раза меньше, барометрическая ступень около 15 м. Измерив давление в какой-либо точке и зная барометрическую ступень, можно определить высоту данной точки над уровнем моря. А зная высоту точки и барометрическую ступень, нетрудно рассчитать величину давления воздуха в этой точке. Например, высота точки над уровнем моря — 400 м. Давление на уровне моря — 1000 мбар, барометрическая ступень — 8 м, разница в давление будет равна 400:8=50 мбар, а давление — 1000−50=950 мбар.
Каждый день в одни и те же часы на всех метеостанциях мира измеряется давление воздуха. Полученные сведения наносят на карты. Соединяя линией точки с одинаковым давлением, получают изобары, отображающие распределение давления на земной поверхности, положение областей высокого и низкого давления воздуха.
В экваториальной полосе среднее за год давление на уровне моря пониженное (1010 мбар — 758 мм), в широтах 30—35° — повышенное (1020 мбар — 765 мм), на 45—60‑й параллели—относительно пониженное, к полюсам Земли оно возрастает. Есть области устойчивого пониженного давления (например, исландский и алеутский минимумы) и повышенного (азорский максимум). Над материками давление резко меняется в различные времена года в связи с изменениями температуры и веса воздуха.
Горизонтальные перемещения воздуха (ветер) направлены от областей повышенного давления в сторону пониженного. Изменение давления на единицу расстояния (за неё принимают 100 км) называется барическим градиентом. Чем он больше, тем сильнее ветер. Скорость ветра измеряется в метрах в секунду (м/с) и в километрах в час (км/ч), а сила ветра выражается в баллах от штиля до урагана (0—12 баллов). Направления и скорости ветра наблюдают на метеостанциях и изображают стрелками-векторами. По средним многолетним показателям за месяц, сезон, год строится для места наблюдения «роза ветров», наглядно показывающая направление ветра по румбам, повторяемость ветров или скорость движения воздуха по определенному румбу.
Температура воздуха. Солнце — основной источник тепловой энергии, поступающей на Землю. Солнечные лучи достигают земной атмосферы и на верхней ее границе отдают каждому квадратному сантиметру горизонтальной поверхности в минуту около 2 калорий тепла. Эту величину тепла называют солнечной постоянной. Но сквозь атмосферу до поверхности Земли, как уже говорилось, доходит далеко не все тепло.
На разных широтах до поверхности Земли доходит неодинаковое количество тепла. В приэкваториальной зоне солнечные лучи кратчайшим путем проходят сквозь атмосферу, принося много тепла. К полюсам, где лучи падают под все уменьшающимся углом к горизонту, они проходят через большую толщу воздуха и тепла приносят мало — рассеяние и поглощение их атмосферой к полюсам возрастают.
За год среднее количество радиации на полюсах в 2,4 раза меньше, чем на экваторе. Атмосфера поглощает около 15% солнечной энергии. При этом рассеиваются главным образом лучи коротковолновые, поглощаются же длинноволновые (тепловые). Воздух нагревается не столько из‑за пронизывающих его лучей Солнца, сколько из‑за теплового излучения поверхности суши или океана, которые поглощают солнечную энергию.
Температура воздуха, как и давление его, замеряется всеми метеостанциями мира, наносится на карту, и одинаковые значения ее соединяются линиями — изотермами. На карте изотерм июля видно, что температура на материках в северном полушарии выше, чем на тех же широтах на море. В январе в северном полушарии температура на суше гораздо ниже, чем на море, особенно в Евразии, где замкнутые изотермы −(40—48) °C окружают полюс холода северного полушария в Восточной Сибири — −(68—70) °C. На карте годовых изотерм видно, что самые теплые места (изотерма +20°С) не совпадают с экватором, а смещены к тропикам.
Северное полушарие во всех широтах несколько теплее южного, так же как западные окраины материков средних и высоких широт теплее восточных.
Нагретый у земли воздух становится легким и устремляется вверх, неся с собой тепло: происходит конвекция. Поднимаясь, воздух попадает в условия меньшего давления и, если он сухой, остывает на 1—2 °C через каждые 100 м подъема. Воздух, содержащий влагу, при этом охлаждается на меньшую величину: при температуре 0 °C — на 0,6 °C, при 10 °C — на 0,54 °C и т. д. Изменение температуры на 100 м по вертикали называется термической ступенью. Зная её, можно приблизительно вычислить температуру воздуха на той или иной высоте. Например, на уровне моря температура +20 °C, на вершине горы высотой в 2000 м при термической ступени 0,5 °C будет +10 °C, на высоте 5000 м −5 °C, на высоте 10 000 м −30 °C, на высоте 12 000 м −40 °C и т. д.
Нередко в нижних слоях воздуха наблюдается обратный ход температуры: не падение, а повышение ее с высотой. Это явление называется инверсией температуры. Она возникает, например, от того, что холодный воздух в горах стекает в котловины, а теплый оказывается над ним. Иногда и на равнинах под теплую массу воздуха подтекает сравнительно холодная воздушная масса. Инверсия возникает и без притока холодного воздуха со стороны, на месте, если поверхность земли сильно охлаждается (например, зимой в Восточной Сибири).
Водяной пар поступает в атмосферу вследствие испарения преимущественно с поверхности Мирового океана, меньше — с озер, рек и суши.
Интенсивность испарения зависит главным образом от температуры и ветра. В тропиках с поверхности океанов испаряется за год слой воды до 3 м толщиной, в полярных областях испарение влаги ничтожно. Ветер увеличивает испарение в несколько раз. Большую роль при испарении с суши играет растительность, особенно лес. Растения как бы «перекачивают» влагу из почвы и грунтовых вод в воздух. Насыщенность воздуха водяным паром увеличивается с повышением температуры.
Количество пара в воздухе при данной температуре называется абсолютной влажностью. Выражается она или в граммах на 1 м3, или по давлению пара — в миллиметрах ртутного столба. В полярных областях она в среднем всего 2—3 мм, в средних широтах северного полушария в июле — 10—12 мм, в январе — 5—6 мм, в тропиках — 20 мм, у экватора — 25 мм; днем она больше, чем ночью, летом больше по сравнению с зимой.
В тропосфере абсолютная влажность с высотой уменьшается. Например, в Европе средняя годовая абсолютная влажность у земной поверхности — 6,66 мм; на высоте 500 м — 6,09 мм; 1000 м — 4,77 мм; 2000 м — 2,62 мм; 5000 м — 0,52 мм; 10 000 мм — 0,02 мм.
Во всей тропосфере содержится огромное количество водяного пара. В 1 м3 воздуха может быть следующее наибольшее количество водяного пара: при температуре −30 °C — не более 0,38 г; при 0 °C — 4,57 г; при +10 °C — 9,14 г; при 30 °C — 31,5 г. Температура, при которой наступает насыщение воздуха водяным паром, превращение его в капли росы или кристаллики льда, называется точкой росы.
Отношение фактического содержания пара к максимально возможному, насыщающему воздух при данной температуре, принято называть относительной влажностью. Когда теплый воздух, поднимаясь вверх, охлаждается, относительная влажность его возрастает, наступает точка росы, конденсируются излишки пара, образуются облака.
Воздух тропосферы — водонос. В одну секунду он переносит около 15 млн. т воды в виде пара, капель, снега. Вся атмосферная вода возобновляется примерно через 9 дней. Значит, над нашими головами то и дело проплывают многие тонны воды.
Небольшое летнее кучевое облако содержит около 1 тыс. т воды. Грозовое кучево-дождевое облако, простирающееся до высоты 6—8 км и занимающее площадь несколько квадратных километров, может содержать 50—350 тыс. т воды (в зависимости от температуры воздуха). Вот только сбрасывают облака на землю свой груз воды очень неравномерно: где охотно и обильно, а где чрезвычайно редко и скупо. Зависит это, в частности, от характера земной поверхности (горы, плоскогорья, равнины), рельефа местности, растительности.
