(от грен, atmos - шар и sphaira - среда) - газовая оболочка, окружающая земной шар. Масса атмосферы примерно в миллион раз меньше массы Земли.
Газ, который образует атмосферу, называется воздухом. Как всякий газ, воздух занимает все свободное пространство, поэтому на поверхности земли нет места, где бы не было воздуха. У земли воздух удерживается силой тяжести. По мере увеличения высоты воздух становится все более разреженным. На высоте 100 км остается меньше одной миллионной доли общей массы атмосферы, однако полярные сияния, которые наблюдаются на высоте 1000 км, свидетельствуют о наличии там воздуха. Верхней границы у атмосферы нет, она постепенно переходит в космическое пространство.
Воздух представляет собой смесь газов. При температурах, наблюдающихся на Земле, все составляющие воздуха находятся в газообразном состоянии и подчиняются закону идеальных газов. В воздухе всегда присутствует водяной пар - газообразная фаза воды. При различных температурах и давлении водяной пар может находиться в атмосфере или в жидком состоянии (вода), или в твердом (лед). Поступает он в атмосферу главным образом с поверхности океанов и растительного покрова благодаря транспирации (от лат. trans - сквозь, через и spiro — дышу, выдыхаю).
В атмосферном воздухе соотношение газов естественного происхождения, кроме , постоянно. Это относится как к основным газам - азоту, кислороду и аргону, образующим 99,95% массы атмосферы, так и к малым газовым примесям - неону, гелию, метану, криптону, водороду и другим, содержание которых составляет десятитысячные, миллионные и миллиардные доли процента. Напротив, содержание диоксида углерода (СО2 — углекислый газ) и озона (03) меняется в зависимости от сезона и места.
Общая масса этих газов небольшая, но они оказывают влияние на тепловой режим атмосферы и земной поверхности. Диоксид углерода интенсивно потребляется на суше растениями, а в океанах водорослями, которые в процессе фотосинтеза преобразуют его в живое вещество, служащее питанием животному миру.
В до индустриальную эпоху газовый состав атмосферы в течение многих сотен лет не менялся, но с началом индустриальной эпохи сжигание ископаемого топлива - угля, нефти, природного газа — привело к нарушению природного баланса и росту в атмосфере углекислого газа (частей на миллион): в 1890 г. — 295, в 1935 г. — 310, в 1962 г. — 320, в 1973 г. — 324, в 1991 г. — 330, в 1994 г. — 352, в 1996 г. — 363. В химическом отношении углекислый газ пассивен (время жизни молекулы С02 - около 4,5 года), поэтому он может длительно находиться в атмосфере и накапливаться.
В атмосфере во взвешенном состоянии плавают мельчайшие твердые и жидкие частицы, называемые аэрозолями. Размер их составляет 0,001 - 5 мкм (микрометров).
К образованию аэрозолей приводят такие естественные процессы, как ветровое волнение над океанами, разбрызгивающее пену, ветровая эрозия горных пород и поднимаемая при этом пыль, лесные и торфяные пожары, вулканические извержения.
Кроме естественных аэрозолей в атмосфере находится большое количество аэрозолей индустриального происхождения. Это дымы промышленных предприятий, вентиляционные выбросы различных производств (например, цементных заводов), транспорта и т. д. Концентрация аэрозолей весьма неравномерна: во всей атмосфере в целом аэрозолей естественного происхождения содержится во много раз больше, чем техногенных, а в промышленных районах наоборот.
За исключением водяного пара и аэрозолей, газовый состав воздуха постоянен до высоты около 100 км. Постоянство состава обусловлено сильным перемешиванием воздуха как по вертикали, так и по горизонтали.
По мере увеличения высоты преобладают более легкие газы. Кроме этого, под действием ультрафиолетовой происходит расщепление молекул кислорода и малых газовых примесей на атомы. Начиная с высоты 800 км и выше преобладают водород и гелий. Некоторые молекулы и атомы благодаря столкновениям приобретают вторую космическую скорость и улетают в космическое пространство.
Когда мы выходим из дома, нас всегда интересует, какая сегодня погода. Если, занятые своими мыслями, мы не замечаем погоды, она настойчиво напоминает о себе. Погода - наш вечный спутник, капризный и непостоянный!
С далеких времен люди пытались объяснить, почему меняется погода, как возникают грозные ураганы, ливни, метели и какие силы их создают? Ответ на эти вопросы дает метеорология - наука, изучающая явления в воздушной оболочке земного шара (атмосфере). Слово «метеорология» происходит от греческих слов «метеор» — парящий в воздухе и «логос» - слово, учение.
Тяжесть воздушного океана
Мы живем на дне воздушного океана. Окружающий нас воздух так прозрачен и легок, что до XVII века в науке господствовало убеждение в его невесомости.
В 1640 г. в Италии герцог Тосканский решил устроить фонтан на террасе своего дворца. Для подачи воды из озера был построен насос большой длины, каких до этого еще не строили. Но оказалось, что насос не работает - вода в нем поднималась только до 10,3 м над уровнем водоема.
Никто не мог объяснить, в чем тут дело, пока ученик Галилея - Э. Торичелли не высказал мысль, что вода в насосе не поднимается под действием тяжести атмосферы, которая давит на поверхность озера. Столб воды высотой в 10,3 м в точности уравновешивает это давление, и поэтому выше вода не поднимается. Торичелли взял стеклянную трубку с одним запаянным концом и другим открытым и заполнил ее ртутью. Потом он зажал отверстие пальцем и, перевернув трубку, опустил ее открытым концом в сосуд, наполненный ртутью. Ртуть не вылилась из трубки, а только немного опустилась.
Столб ртути в трубке установился на высоте 760 мм над поверхностью ртути в сосуде. Вес столба ртути сечением в 1 кв. см. равен 1,033 кГ, т.е. в точности равен весу столба воды такого же сечения высотой 10,3 м. Именно с такой силой атмосфера давит на каждый квадратный сантиметр любой поверхности, в том числе и на поверхность нашего тела.
Ладонь руки взрослого человека испытывает давление атмосферы примерно в 150 кГ, т.е. равное весу двух мужчин.
Так Торичелли создал барометр - первый в мире прибор, измеряющий атмосферное давление (от греческих слов «барос» - тяжесть, вес, «метрео» - измеряю). Долгое время атмосферное давление измеряли в миллиметрах высоты ртутного столба. Среднее давление на уровне моря равно 760 мм. Но такая единица оказалась неудобной для расчетов, и сейчас атмосферное давление выражают в миллибарах. Один миллибар почти точно равен той силе, с которой тело весом в 1 грамм давит на поверхность в 1 кв. см., а среднее давление атмосферы равно 1013 мб. При помощи барометра было установлено, что атмосферное давление все время меняется и неодинаково в разных местах. Было обнаружено, что атмосферное давление понижается с подъемом в горы, так как уменьшается толщина слоя атмосферы над барометром.
Распределение массы атмосферы по слоям
Барометр, поднятый на одинаковую высоту с различных уровней, показывает неодинаковое изменение давления. Ведь самые нижние слои воздуха находятся под давлением всей толщи атмосферы, они особенно сильно сжаты и наиболее плотны. Чем выше, тем давление слабее и тем меньше плотность воздуха.
Так, например, на уровне 5,5 км давление вдвое меньше, чем на уровне моря, т. е. в слое толщиной 5,5 км сосредоточена половина всей массы атмосферы. Но в следующем слое той же толщины, между уровнями 5,5 и 11 км, содержится всего лишь одна четверть массы атмосферы. Выше уменьшение давления с подъемом еще более замедляется. Если подняться до уровня 22 км, то и здесь давление не равно нулю, а составляет 1/25 от приземного давления. На долю вышележащих слоев остается только 1/25, или 4 %, общей массы атмосферы. Еще выше признаки частиц воздуха прослеживаются над земной поверхностью до высот более 1000 км.
Слои воздушного океана
Долгое время люди могли судить о свойствах воздушного океана только по наблюдениям с земли. По-настоящему проникать в его тайны наука стала, когда изобрели средства для подъема измерительных приборов в верхние слои атмосферы.
Из опыта горных восхождений и первых подъемов воздушных шаров стало известно, что температура воздуха понижается с высотой. Именно поэтому даже в разгар лета в жарких тропических странах вершины высоких гор одеты сверкающими вечными снегами. Было установлено, что температура воздуха понижается на каждый километр подъема в среднем на 5-6°. В отдельных слоях атмосферы и в отдельные дни это понижение температуры может быть больше или меньше. Иногда даже встречаются слои, в которых температура повышается с высотой: такое явление назвали инверсией или поворотом хода температуры. Заметили также, что очень редко температура понижается до 10° на 1 км подъема и никогда не превышает этой величины.
Но вот исследователи стали проникать все выше, запуская воздушные шары - зонды, к которым прикреплялись самопишущие приборы. На некоторой высоте шары лопались, и приборы с записями опускались на парашютах. Шары-зонды стали проникать на высоты более 10-11 км, и тут обнаружилось, что выше этого уровня температура с высотой перестает падать. Вначале не поверили приборам: решили, что они нагреваются солнцем. Однако потом пришлось признать, что выше 10-11 км действительно начинается совершенно иной слой атмосферы, в котором с высотой температура не понижается, а остается постоянной.
Этот слой ученые назвали стратосферой, в отличие от нижнего слоя - тропосферы.
До высоты 11 км, т. е. в тропосфере, содержится 3/4 всей массы атмосферы. Здесь образуются также почти все облака, отсюда выпадают дожди и снег. Явления, которые мы называем погодой, развиваются именно в тропосфере.
Со временем совершенствовались старые и появлялись новые приборы для изучения атмосферы. Вместо шаров-зондов стали применять радиозонды - поднимающиеся на шарах автоматические радиостанции, которые передают показания измерительных приборов на землю. Выяснилось, что толщина тропосферы все время изменяется и неодинакова в разных местах земного шара. Чем меньше приходит тепла от солнца, чем холоднее тропосфера, тем она тоньше. В наших умеренных широтах толщина тропосферы колеблется от 8 до 13 км, иногда уменьшаясь до 6 км или увеличиваясь до 15 км.
Над Южным и Северным полюсами толщина в среднем равна 8 км, а над экватором достигает 17 км. Чем толще тропосфера, тем холоднее стратосфера: ведь в тропосфере температура с высотой понижается. Поэтому средняя температура в стратосфере над Арктикой равна минус 45°, над нашими широтами - минус 55°, над экватором - минус 80°. Таким образом, оказывается, что над более теплой толстой тропосферой лежит более холодная стратосфера, и, наоборот, над холодной тонкой тропосферой - теплая стратосфера.
Вначале, после открытия стратосферы, предполагали, что она простирается до верхней границы атмосферы и постепенно переходит в космическое безвоздушное пространство. Затем появилось новое средство метеорологических наблюдений - ракета, которая стала достигать высот в сотни километров.
Очень интересные данные удалось получить с помощью искусственных спутников. Все эти наблюдения показали, что в стратосфере температура с высотой остается постоянной только до 40 км. Здесь стратосфера кончается. Выше до уровня 80 км простирается мезосфера, где температура падает, и на верхней границе мезосферы понижается до минус 90°. Выше 80 километров располагается ионосфера.
Температура ионосферы возрастает с высотой и достигает на некоторых уровнях очень больших величин, порядка сотен градусов. Но это не значит, что попавший туда человек заживо зажарится: плотность воздуха там так мала, что невозможно ощутить разницу с безвоздушным космическим пространством, имеющим температуру абсолютного нуля (минус 273°). Температуру мы ощущаем по той интенсивности, с какой молекулы вещества бомбардируют поверхность нашего тела. Скорость движения молекул и представляет физическую сущность температуры вещества; вот эта скорость и возрастает в ионосфере до весьма больших пределов, которые могли бы соответствовать очень высокой температуре воздуха в обычном понимании этого слова.
Выше 800 км над Землей кончается ионосфера и начинается зона рассеяния. Отсюда частицы воздуха ускользают в мировое пространство, покидая навсегда нашу планету. В этой зоне воздух настолько разрежен, что его частица может пролететь сотни километров, не столкнувшись с другой.
Чтобы представить себе это, достаточно сказать, что на высоте 100 км от одного столкновения до другого частица воздуха может пролететь расстояние в 1-2 см, тогда как у поверхности Земли - не более одной стотысячной доли сантиметра! По некоторым признакам частицы газов, составляющих воздух, встречаются до высот 1500-2000 км. Этот уровень можно считать верхней границей атмосферы.
Чем объясняется расслоение атмосферы
Почему же атмосфера делится на такие слои? Объясняется это рядом причин. Во-первых, плотность воздуха уменьшается с высотой. Во-вторых, солнечные лучи, несущие тепло, почти беспрепятственно проникают через атмосферу, нагревают земную поверхность и уже от нее тепло распространяется вверх на всю атмосферу. В-третьих, атмосфера все же поглощает часть солнечного излучения, особенно поток летящих от Солнца частиц, и поэтому верхние части атмосферы находятся под воздействием этого излучения, а нижние - защищены от них. И наконец, тепло в атмосфере распространяется двумя различными способами: перемешиванием воздуха и тепловым излучением его частиц. Причем в плотном воздухе преобладает первый способ, а в разреженном - второй.
Тропосфера непосредственно соприкасается с нагревателем - земной поверхностью. Плотность воздуха в ней наибольшая, и тепло распространяется преимущественно перемешиванием воздуха, опусканием и подъемом его частиц. Когда воздух поднимается, он попадает в слои с меньшим атмосферным давлением и расширяется. Теоретически при расширении воздуха его температура понижается на 10° на 1 км подъема. При опускании воздуха его температура, наоборот, повышается на ту же величину: 10° на 1 км. Значит, уже за от таких подъемов и опусканий воздуха в тропосфере температура с высотой должна падать. Но более теплые частицы легче холодных, они чаще поднимаются, а более холодные - ниже опускаются. Поэтому оказывается, что температура в тропосфере падает с высотой на 10° на каждый километр, а в среднем — на 5-6°.
В стратосфере, где плотность воздуха невелика, его потоки не могут переносить много тепла. Здесь тепло переносится излучением - невидимыми тепловыми лучами. Каждое тело излучает тепло, и тем сильнее, чем выше его температура. Мы ощущаем такие лучи, идущие от стенки нагретой печки. Если поставить друг перед другом нагретый и холодный предметы, то нагретый будет охлаждаться, а холодный - нагреваться, пока их температура не сравняется. То же самое происходит в стратосфере, где все слои излучают тепло вниз и вверх и тем самым поддерживают одинаковую температуру. В ионосферу, где воздух очень разрежен, проникают несущиеся от Солнца с огромной скоростью электрически заряженные частицы, которые бомбардируют и электризуют частицы воздуха. Наэлектризованный слой оказывается способным проводить электричество и сильно влияет на распространение коротких радиоволн - он отражает их вниз к Земле. Отражаясь попеременно, то от ионосферы, то от земной поверхности, короткие радиоволны обегают весь земной шар - в этом секрет их поразительно дальнего действия.
На этом уроке мы узнаем, что такое атмосфера, познакомимся с ее свойствами и характеристиками. А также узнаем, как она взаимодействует с другими частями планеты.
Тема: Земля
Урок: Воздушный океан Земли
Атмосфера — газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология. 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.
Воздух — естественная смесь газов, образующая земную атмосферу. Воздух необходим для нормального существования подавляющего числа наземных живых организмов.
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 и углекислого газа.
Рис. 1. Состав атмосферы Земли ()
Воздушным океаном атмосферу можно назвать из-за огромных размеров, циркуляции и схожих с гидросферой процессов.
Загрязнение воздуха является изменчивым процессом; множество различных загрязнителей участвует в этом. После выброса загрязняющих веществ в воздух они взаимодействуют друг с другом и окружающей средой, вступая в сложные реакции в зависимости от температуры, влажности и прочих условий внешней среды. Загрязняющие вещества можно разбить на две группы:
Первичные загрязняющие вещества - вещества, образующиеся в ходе деятельности человека;
Вторичные загрязняющие вещества - вещества, образующиеся в результате взаимодействия первичных загрязняющих веществ с атмосферой. Воздух загрязняют машины, заводы.
Рис. 2. Загрязнение воздуха ()
Толщина атмосферы — примерно 120 км от поверхности Земли.
Атмосфера имеет следующее строение:
Рис. 3. Строение атмосферы ()
Чем выше от поверхности Земли, тем ниже становится температура.
Облака - скопления взвешенных в атмосфере водяных капель и ледяных кристаллов. Облака образуются главным образом в тропосфере.
Облака бывают трех типов:
Рис. 4. Перистые облака ()
Рис. 5. Кучевые облака ()
Рис. 6. Слоистые облака ()
Кучевые и слоистые облака участвуют в выпадении осадков.
К характеристикам атмосферы относятся: температура, давление, скорость ветра.
Погода - это состояние нижнего слоя атмосферы, в определенном месте и в определенное время.
Климат - многолетний режим погоды. На формирование климата оказывают влияние ряд причин, которые называются климатообразующими факторами: количество солнечной энергии, рельеф, Мировой океан, географическое положение, морские течения.
Основной характеристикой погоды является температура воздуха.
В атмосфере происходит постоянная циркуляция воздуха: холодный опускается вниз, а горячий поднимается вверх. Таким образом, происходит вертикальное перемещение воздуха.
Ветер - это горизонтальный поток воздуха. Основными его характеристиками являются скорость и направление.
Молния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране и др. Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение — миллионов вольт (иногда достигает 50 млн. вольт), тем не менее, погибает после удара молнией лишь 47,3 % людей.
Гроза — атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаком и земной поверхностью возникают электрические разряды — молнии, сопровождаемые громом. Как правило, гроза образуется в мощных кучево-дождевых облаках и связана с ливневым дождём, градом и шквальным усилением ветром.
1. Мельчаков Л.Ф., Скатник М.Н. Природоведение: учеб. для 3,5 кл. сред. шк. - 8-е изд. - М.: Просвещение, 1992. - 240 с.: ил.
2. Бахчиева О.А., Ключникова Н.М., Пятунина С.К. и др. Природоведение 5. - М.: Учебная литература.
3. Еськов К.Ю. и др. Природоведение 5 / Под ред. Вахрушева А.А. - М.: Баласс.
1. Мельчаков Л.Ф., Скатник М.Н. Природоведение: учеб. для 3,5 кл. сред. шк. - 8-е изд. - М.: Просвещение, 1992. - с. 173, задания и вопрос. 1, 2, 5.
2. Какие бывают облака?
3. Что такое погода и климат?
4. * Подготовьте небольшое сообщение о крупной грозе. Какой ущерб она нанесла?
На этом уроке мы узнаем, что такое атмосфера, познакомимся с ее свойствами и характеристиками. А также узнаем, как она взаимодействует с другими частями планеты.
Тема: Земля
Урок: Воздушный океан Земли
Атмосфера — газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология. 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.
Воздух — естественная смесь газов, образующая земную атмосферу. Воздух необходим для нормального существования подавляющего числа наземных живых организмов.
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 и углекислого газа.
Рис. 1. Состав атмосферы Земли ()
Воздушным океаном атмосферу можно назвать из-за огромных размеров, циркуляции и схожих с гидросферой процессов.
Загрязнение воздуха является изменчивым процессом; множество различных загрязнителей участвует в этом. После выброса загрязняющих веществ в воздух они взаимодействуют друг с другом и окружающей средой, вступая в сложные реакции в зависимости от температуры, влажности и прочих условий внешней среды. Загрязняющие вещества можно разбить на две группы:
Первичные загрязняющие вещества - вещества, образующиеся в ходе деятельности человека;
Вторичные загрязняющие вещества - вещества, образующиеся в результате взаимодействия первичных загрязняющих веществ с атмосферой. Воздух загрязняют машины, заводы.
Рис. 2. Загрязнение воздуха ()
Толщина атмосферы — примерно 120 км от поверхности Земли.
Атмосфера имеет следующее строение:
Рис. 3. Строение атмосферы ()
Чем выше от поверхности Земли, тем ниже становится температура.
Облака - скопления взвешенных в атмосфере водяных капель и ледяных кристаллов. Облака образуются главным образом в тропосфере.
Облака бывают трех типов:
Рис. 4. Перистые облака ()
Рис. 5. Кучевые облака ()
Рис. 6. Слоистые облака ()
Кучевые и слоистые облака участвуют в выпадении осадков.
К характеристикам атмосферы относятся: температура, давление, скорость ветра.
Погода - это состояние нижнего слоя атмосферы, в определенном месте и в определенное время.
Климат - многолетний режим погоды. На формирование климата оказывают влияние ряд причин, которые называются климатообразующими факторами: количество солнечной энергии, рельеф, Мировой океан, географическое положение, морские течения.
Основной характеристикой погоды является температура воздуха.
В атмосфере происходит постоянная циркуляция воздуха: холодный опускается вниз, а горячий поднимается вверх. Таким образом, происходит вертикальное перемещение воздуха.
Ветер - это горизонтальный поток воздуха. Основными его характеристиками являются скорость и направление.
Молния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране и др. Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение — миллионов вольт (иногда достигает 50 млн. вольт), тем не менее, погибает после удара молнией лишь 47,3 % людей.
Гроза — атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаком и земной поверхностью возникают электрические разряды — молнии, сопровождаемые громом. Как правило, гроза образуется в мощных кучево-дождевых облаках и связана с ливневым дождём, градом и шквальным усилением ветром.
1. Мельчаков Л.Ф., Скатник М.Н. Природоведение: учеб. для 3,5 кл. сред. шк. - 8-е изд. - М.: Просвещение, 1992. - 240 с.: ил.
2. Бахчиева О.А., Ключникова Н.М., Пятунина С.К. и др. Природоведение 5. - М.: Учебная литература.
3. Еськов К.Ю. и др. Природоведение 5 / Под ред. Вахрушева А.А. - М.: Баласс.
1. Мельчаков Л.Ф., Скатник М.Н. Природоведение: учеб. для 3,5 кл. сред. шк. - 8-е изд. - М.: Просвещение, 1992. - с. 173, задания и вопрос. 1, 2, 5.
2. Какие бывают облака?
3. Что такое погода и климат?
4. * Подготовьте небольшое сообщение о крупной грозе. Какой ущерб она нанесла?
