ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.09.2020
Просмотров: 4655
Скачиваний: 7
период полярного дня. К тому же озон легче уничтожается при низких температурах. Эти колебания
значительнее над Антарктидой, где количество озона зимой резко сокращается (так называемая
озоновая дыра над Антарктидой). Метеорологическая гипотеза связывает это явление со спецификой
динамического режима стратосферы в Антарктиде: образованием там зимой устойчивого высотного
циклонического вихря и выносом вверх озона из антарктической стратосферы. В последние годы
замечено глобальное сокращение озона, что некоторые исследователи связывают с выбросом в
атмосферу фреонов и окислов азота. Уменьшение толщины озонового слоя вредно для всего живого.
Поэтому нужна коллективная мудрость человечества для его сохранения.
Важной составной частью воздуха является невидимый газ – водяной пар. Это весьма
переменный компонент атмосферы: его содержание в воздухе над земной поверхностью колеблется
от 0,2% в ледяных пустынях до 3 – 4% вб влажных экваториальных лесах (по объему). Поскольку
водяной пар поступает в воздух за счет испарения с водной поверхности, почвы и транспирации
растений, его количество зависит от температуры: чем она выше, тем его больше. С высотой
количество водяного пара уменьшается, около 90% его заключено в нижнем пятикилометровом слое
воздуха. Значение водяного пара исключительно велико. Он представляет собой важное звено
влагооборота, так как при определенных условиях происходит его конденсация или сублимация,
образуются облака и осадки. Велика роль водяного пара (наряду с диоксидом углерода) и в создании
парникового эффекта, так как именно он задерживает основную часть теплового излучения земной
поверхности. В свою очередь, водяной пар сам излучает инфракрасную радиацию, большая часть
которой идет к земной поверхности, являясь для нее дополнительным источником тепла. В то же
время облака, возникающие в результате конденсации и сублимации водяного пара, отражают и
поглощают солнечную энергию на ее пути к земной поверхности. Надо учитывать и фазовые
превращения водяного пара и воды, сопровождающиеся поглощением тепла (при испарении и таянии
снега и льда) или выделением тепла (при конденсации и сублимации), что отражается на температуре
окружающего воздуха. Такова роль водяного пара в тепло- и влагообороте на Земле. Он выполняет
определенные функции и в жизнедеятельности организмов, влияя, например, на скорость
транспирации, которая возрастает при понижении влажности воздуха.
В воздухе много твердых частиц, причем большинство их не видимо простым глазом.
Мельчайшие твердые и жидкие частицы естественного и антропогенного происхождения,
находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии, называют аэрозолями. Это космическая,
вулканическая и минеральная пыль, дым, пыльца растений, микроорганизмы, частицы морской соли
и т. д. Особо опасны среди аэрозолей продукты искусственного радиоактивного распада. Твердые
частицы выполняют в атмосфере роль ядер конденсации и сублимации, их обилие ускоряет
образование туманов и облаков. Аэрозоли уменьшают прозрачность атмосферы, ослабляя солнечную
радиацию и ухудшая видимость. Аэрозоли обычно не задерживаются долго в тропосфере, где
выпадают осадки. В стратосфере, куда иногда попадает вулканическая пыль, она остается там
годами. Недаром после извержений вулканов, особенно таких интенсивных, как Кракатау в 1883 г.
или Катмая в 1912 г., на протяжении нескольких лет отмечалось помутнение атмосферы и
уменьшение солнечного тепла, особенно ощутимое летом. Самым катастрофическим взрывным
извержением за последние 500 лет было извержение вулкана Тамбора (остров Сумбава в Зондском
архипелаге) 10–11 апреля 1815 г. Выбросы вулканического материала при взрыве вулкана, в
результате чего его высота уменьшилась с 4000 м до 2820 м, создали завесу в воздухе, ставшую
экраном для солнечного излучения. Это привело к охлаждению атмосферы в течение нескольких
последующих лет. В северном полушарии в тот и следующий годы сезонный снег лежал до середины
июня, а в августе в Западной Европе были отмечены заморозки.
Газы, входящие в состав атмосферы, обладают определенной плотностью, а воздух – массой.
Общая масса атмосферы достигает 5,27 x 10
15
т, что составляет одну миллионную часть массы
земного шара. При этом половина всей массы атмосферы находится в нижних 5 км, 75% – в нижних
10 км, 95% – в нижних 20 км.
5.2. Строение атмосферы
По характеру изменения температуры в вертикальном направлении и другим физическим
свойствам атмосферу делят на пять концентрических оболочек: тропосферу, стратосферу, мезосферу,
термосферу и экзосферу, которые разделены тонкими (1–2 км) переходными слоями: тропо-, страто-,
мезо- и термопаузами (рис. 21).
Тропосфера (греч. tropos – поворот) простирается от земной поверхности до высоты 16–18 км в
экваториально-тропических широтах и до 8–9 км над полюсами. В ней заключено почти 80% воздуха
атмосферы. Физические свойства воздуха тропосферы и происходящие в ней процессы находятся в
большой зависимости от земной поверхности. От нее воздух получает тепло, поэтому с подъемом
вверх температура его понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м и достигает близ тропопаузы в
умеренных широтах около – 55 °С (она неодинакова на разных широтах и в разные сезоны года).
Величина 0,6 °С/100 м называется вертикальным температурным градиентом. Для тропосферы
характерны интенсивные вертикальные и горизонтальные движения воздуха и его перемешивание. В
тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы (99%), количество которого быстро
убывает с высотой. Здесь происходит образование облаков, выпадают осадки, наблюдаются
оптические, световые и звуковые метеорологические явления.
Рис. 21. Строение атмосферы:
1 –
уровень моря; 2 – перистые облака; 3 – кучевые облака: 4 –
слоистые облака; 5 – свободный аэростат; 6 – стратостат; 7 – радиозонд; 8 – перламутровые облака; 9
–
отражение звуковых волн; 10 – метеорологическая ракета; 11 – серебристые облака; 12 – отражение
средних радиоволн; 13 – метеоры; 14 и 15 – полярные сияния; 16 – отражение коротких радиоволн;
17 –
геофизическая ракета; 18 – искусственные спутники Земли; 19 – пилотируемые космические
корабли
Стратосфера (лат. stratus – слоистый) простирается от тропопаузы до 50–55 км. Здесь
сосредоточено около 20% воздуха, в котором много озона. В нижней стратосфере температура более
или менее постоянна, но выше 30 км она быстро растет за счет поглощения озоном ультрафиолетовой
солнечной радиации и достигает близ стратопаузы среднегодового значения около О °С с
отклонением ±20 °С в зависимости от широты и времени года. Возрастание температуры с высотой
приводит к большой устойчивости стратосферы. Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. На
высоте 22 – 25 км наблюдаются капельно-жидкие перламутровые облака. Раньше стратосферу
считали спокойной средой, но оказалось, что в ней происходит интенсивная горизонтальная
циркуляция и наблюдаются небольшие вертикальные перемещения типа подъема и оседания,
захватывающие большие пространства.
Мезосфера (греч. mesos – средний) простирается от стратопаузы до 80 км. В ней температура
понижается до – 80 °С... –85 °С, с чем связана турбулентность. Здесь образуются тонкие ледяные
серебристые облака.
В целом в трех нижних слоях заключено 99,5% всей массы атмосферы.
Термосфера (греч. therme – тепло) – слой от мезопаузы до 800 км. Температура в нем возрастает
до 1500°С, но в разреженном воздухе она характеризует лишь кинетическую энергию движения
частиц и не ощущается, поэтому летающие здесь искусственные спутники от воздуха не нагреваются
и не сгорают. В нижней термосфере сгорают метеоры.
Экзосфера (греч. ехо – снаружи) – внешний (800–1000 км) крайне разреженный слой атмосферы с
температурой около 2000 °С. Здесь скорость движения атомов водорода и гелия более 11,2 км/с и они
частично ускользают в межпланетное пространство, за что этот слой называют сферой рассеяния.
С точки зрения ионизации, т. е. по электрическому составу, атмосфера делится на нейтросферу
(три нижних слоя) и ионосферу (два верхних слоя). В ионосфере наблюдаются полярные сияния,
магнитные бури. Благодаря ей обеспечивается дальняя радиосвязь.
5.3. Происхождение и эволюция атмосферы
Состав атмосферы не всегда был таким, как сейчас. Предполагают, что первичная атмосфера
состояла из водорода и гелия, которые были самыми распространенными газами в Космосе и входили
в состав протопланетного газово-пылевого облака.
Результаты исследований М. И. Будыко с количественными оценками изменения массы кислорода
и углекислого газа на протяжении жизни Земли дают основание считать, что историю вторичной
атмосферы можно разделить на два главных этапа: бескислородной атмосферы и кислородной
атмосферы – на рубеже примерно 2 млрд лет тому назад.
Первый этап начался после завершения образования планеты, когда началось разделение
первичного земного вещества на тяжелые (преимущественно железо) и относительно легкие (в
основном кремний) элементы. Первые образовали земное ядро, вторые – мантию. Эта реакция
сопровождалась выделением тепла, в результате чего стала происходить дегазация мантии – из нее
стали выделяться различные газы. Сила тяготения Земли оказалась способной удержать их возле
планеты, где они стали скапливаться и образовали атмосферу Земли.
Состав этой начальной атмосферы существенно отличался от современного состава воздуха (табл.
1)
Таблица 1
Состав воздуха при образовании атмосферы Земли в сравнении с современным составом атмосферы
(по В. А. Вронскому и Г. В. Войткевичу)
Газ
Его состав Состав атмосферы Земли
при образовании современный
Азот
N
2
1,5
78
Кислород
О
2
0
21
Озон
О
3
–
10
-5
Углекислый газ СО
2
98
0,03
Оксид углерода СО
–
10
-4
Водяной пар Н
2
О
0,4
0,1
Аргон
Аг
0,19
0,93
Кроме этих газов, в атмосфере присутствовали метан (СН
4
), аммиак (NH
3
), водород (Н
2
) и др.
Характерной чертой этого этапа было убывание углекислого газа и накопление азота, который к
концу эпохи бескислородной атмосферы стал основным компонентом воздуха.
Согласно исследованиям В. И. Бгатова, тогда же появился в качестве микропримеси и эндогенный
кислород, возникший при дегазации базальтовых лав. Кислород возникал и в результате диссоциации
молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей. Однако весь
кислород уходил на окисление минералов земной коры, и его не хватало на накопление в атмосфере.
Более 3 млрд лет назад появились фотосинтезирующие синезеленые водоросли (цианобактерии),
которые для синтеза органического вещества начали использовать световую энергию Солнца. В
реакции фотосинтеза участвует углекислый газ, а выделяется свободный кислород. Вначале он
расходовался на окисление железосодержащих элементов литосферы, но около 2 млрд лет назад этот
процесс завершился, и свободный кислород начал накапливаться в атмосфере. Начался второй этап
развития атмосферы – кислородный.
Сначала рост содержания кислорода в атмосфере был медленным: около 1 млрд лет назад оно
достигло 1% от современного (точка Пастера), но этого оказалось достаточным для появления
вторичных гетеротрофных организмов (животных), потребляющих кислород для дыхания. С
появлением растительного покрова на континентах во второй половине палеозоя прирост кислорода в
атмосфере ускорился, поскольку резко повысилась глобальная продуктивность фотосинтеза. Так, в
середине палеозоя количество кислорода в атмосфере составляло только 10% от современного, а уже
в карбоне кислорода было столько же, сколько и сейчас. Фотосинтетический кислород вызвал
большие изменения и в атмосфере, и в живых организмах планеты. Содержание углекислого газа в
процессе эволюции атмосферы существенно снизилось, так как значительная его часть вошла в
состав углей и карбонатов.
5.4. Значение атмосферы. Охрана воздуха
Значение атмосферы исключительно велико и многообразно, поскольку она, с одной стороны,
является посредником между Землей и Космосом, с другой – тесно взаимодействует со всеми
земными оболочками – гидросферой (особенно океаносферой), литосферой, биосферой.
Атмосфера защищает органический мир Земли от пагубного воздействия ультрафиолетовой
солнечной радиации, корпускулярных потоков, космических лучей различного происхождения. Она
служит броней для железокаменных метеорных потоков. Атмосфера создает благоприятные
тепловые условия для жизни на земной поверхности, предохраняя ее от губительного зноя и
леденящего холода, а также огромных суточных и годовых колебаний температур. Без атмосферы не
было бы ни осадков, ни ветра, ни звука, ни сумерек, ни полярных сияний и никаких других
метеорологических явлений, а небо было бы абсолютно черным. Воздух атмосферы современного
состава, будучи сам в значительной степени продуктом жизнедеятельности организмов, нужен всему
живому, а кислород поддерживает жизнь на Земле.
Между атмосферой, с одной стороны, и гидросферой и литосферой – с другой, происходит
непрерывный обмен теплом и влагой, т. е. это своеобразная термодинамическая система. Причем
основным аккумулятором тепла и поставщиком влаги является Мировой океан. Кроме того, Мировой
океан, наряду с зеленым покровом суши, выполняет функции легких нашей планеты: он активный
поглотитель
диоксида углерода, содержащегося в воздухе, и в то же время место обитания водорослей, вносящих
большой вклад в снабжение атмосферы кислородом. Тем самым Океан поддерживает постоянный
состав воздуха. Эти взаимосвязи столь значительны и многогранны, что атмосфера и Океан сейчас
рассматриваются как единая сложная взаимодействующая система. К тому же эта связь обусловлена
генетически, ибо эволюция атмосферы и гидросферы, по существу, представляет собой единый
процесс.
Атмосфера в своем развитии тесно связана и с литосферой. Благодаря геологическим и
геохимическим процессам она получила и продолжает получать из недр Земли значительную часть
газов. В то же время и атмосфера всегда оказывала влияние на литосферу, развитие которой
совершалось под мощным влиянием физического и химического выветривания. Колебания
температур, ветер, осадки, кислород и другие газы существенно видоизменяли и переотлагали
горные породы, являясь экзогенным фактором рельефообразования.
Атмосфера играет важную роль в жизни человека и его хозяйственной деятельности, но
испытывает серьезное антропогенное воздействие, особенно в последние десятилетия. Оно чаще
всего отрицательное. Тому много примеров глобального масштаба. Загрязняющие вещества
попадают в атмосферу в виде аэрозолей и газов. Аэрозоли поступают в воздух при открытой добыче
угля и руд, при производстве цемента и стройматериалов, от предприятий черной металлургии и т. д.
Общее количество аэрозолей составляет около 60 млн т.
На долю газов приходится до 80–90% всех антропогенных выбросов. Загрязнение атмосферы
диоксидом углерода и другими газами способствует поглощению земного излучения и повышению
температуры воздуха. Соединения таких ядовитых газов, как сера (сернистый газ) и азот (окись и
перекись), образуют в атмосфере кислотные дожди, т. е. фактически на землю выпадают осадки в
виде разбавленной серной и азотной кислот. Такие осадки представляют угрозу жизни и здоровью
людей и животных, способствуют высыханию лесов, увеличивают кислотность почв, угнетающе
действуют на флору и фауну водоемов, разрушают различные постройки и т. д. Общее количество
поступлений сернистого газа в атмосферу достигает, по разным оценкам, 100–150 млн т в год.
Поэтому актуальной задачей является запрет использования высокосернистых угля, нефти и газа,
утилизация отходов при производстве серной кислоты.
Рост концентраций аэрозолей и газов, разрушение озонового слоя, уничтожение лесов,
особенно экваториальных, поставляющих в атмосферу кислород, изменения в характере поверхности
суши (распашка земель, мелиорация и др.) и Океана (нефтяная пленка и др.), военные действия – все
это влияет на атмосферу и климат и может вызвать цепную реакцию ряда нежелательных природных
явлений.
Но самыми страшными климатическими (и не только климатическими!) последствиями могут
обернуться ядерные войны, которые способны вызвать загрязнение атмосферы пылью и дымом
пожарищ, т. е. аэрозольную климатическую катастрофу. Климатическим эффектом станет быстрое (за
несколько дней), глубокое (на несколько десятков градусов) и длительное (до нескольких месяцев)
похолодание суши до минусовых значений даже в экваториальных широтах. На планете может
наступить «ядерная зима» – таковы расчеты группы ученых под руководством академика Н. Н.
Моисеева. Все это свидетельствует о необходимости разумного сочетания хозяйственной и
политической деятельности с тщательной охраной атмосферы в международном масштабе.
5.5. Изучение атмосферы
Метеорология (греч. meteora – небесные явления и logos – учение) как наука об атмосфере, о ее
составе, строении, свойствах и происходящих в ней процессах сформировалась во второй половине
XVIII
в. С тех пор начались систематические наблюдения за отдельными метеорологическими
элементами.
Основные сведения о физическом состоянии приземных слоев атмосферы, о погоде и климате
получают на метеорологических станциях с помощью инструментальных и визуальных наблюдений.
В мире более 8000 метеостанций и 800 аэрологических станций. Есть и автоматические
метеостанции в труднодоступных районах (во льдах Арктики, высоко в горах).
С 30-х гг. нашего столетия начали осуществляться аэрологические наблюдения за состоянием
свободной атмосферы с помощью воздухоплавательных аппаратов – аэростатов и стратостатов.
Стратосфера была первой трудной ступенькой на дороге в Космос. Одновременно стали применяться
шары-зонды, поднимающиеся до высоты 15–16 км, и радиозонды – до высоты 40–50 км. После
Второй мировой войны появились метеорологические ракеты, поднимающиеся до 100–120 км с
весом научной аппаратуры до 1,5 т. Для исследования ионосферы начали применяться геофизические
ракеты (в том числе с подопытными животными), достигшие высоты почти 500 км с весом научной
аппаратуры более 1,5 т. Первый в истории человечества искусственный спутник Земли (ИСЗ) был
запущен в СССР 4 октября 1957 г. на высоту 947 км (в апогее), а 12 апреля 1961 г. – первый
космический аппарат «Восток», пилотируемый Ю. А. Гагариным. Начиная с 60-х гг. высокие слои
атмосферы исследуются ИСЗ серии «Космос», систематически запускаются метеорологические
спутники и др.
С конца 90-х гг. XX столетия постоянные наблюдения из Космоса осуществляют четыре полярно-
орбитальных спутника, движущиеся вокруг Земли на высоте от 800 до 1000 км, и пять
геостационарных спутников – на высоте около 36 000 км. Орбита последних совпадает с плоскостью
экватора, они движутся с той же угловой скоростью, что и Земля, на меридианах 0° в. д., 74° в. д.,
140° в. д., 75° з. д. и 135° з. д. Они как бы подвешены над одной и той же точкой Земли и своими
наблюдениями охватывают широтный пояс от 50° с. ш. до 50° ю. ш. и передают из Космоса на Землю
непрерывную информацию о температуре земной и морской поверхности, облачности, ведут
наблюдения за снежным и ледовым покровом и т. д. Исключительно ценную и разностороннюю
информацию, в том числе и об атмосфере Земли, дают долговременные научные экспедиции на
автоматических космических станциях, в частности до 2001 г. на станции «Мир». Исследования
верхних слоев атмосферы существенно уточнили наши знания о строении воздушной оболочки
Земли, а космонавтика открыла огромные перспективы в ее изучении. В России руководство
метеослужбой осуществляет Федеральная служба РФ по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей среды (Росгидромет).