Как составить температуру атмосферы?

Сухоадиабатические изменения температуры при вертикальных движениях

В атмосфере расширение воздуха и связанное с ним падение давления и температуры происходят в наибольшей степени при восходящем движении воздуха. Такой подъем воздуха может происходить разными способами: в виде восходящих токов конвекции; над поверхностью фронта – при движении обширных слоев воздушной массы вверх по пологому клину другой, более холодной воздушной массы; при подъеме воздуха по горному склону. Аналогичным образом сжатие воздуха, сопровождающееся повышением давления и температуры, происходит при опускании, при нисходящем движении воздуха. Отсюда важный вывод: восходящий воздух адиабатически охлаждается, нисходящий воздух адиабатически нагревается.

Нетрудно подсчитать, на сколько метров должен подняться или опуститься воздух, чтобы температура в нем понизилась или повысилась на один градус. При адиабатическом подъеме сухого или ненасыщенного воздуха температура на каждые 100 м подъема падает почти точно на один градус, а при адиабатическом опускании на 100 м температура растет на ту же величину. Эта величина 1°/100 м называется сухоадиабатическим градиентом. Еще раз напомним, что речь идет об изменении температуры с высотой в вертикально движущейся индивидуальной частице воздуха. Не следует смешивать термин “градиент” в этом значении с вертикальным градиентом.

Воздух и атмосфера

по С.П. Хромову

Мезопауза

Служит границей между мезосферой и термосферой. В мезопаузе температура доходит до минимума – около -100℃. Примерная высота расположения слоя – 80-90 км. Он также является границей области, в которой происходит активное поглощение ультрафиолетового солнечного излучения. Как и стратопауза, встречается на других планетах.

Слои атмосферы Земли в порядке возрастания

Основные слои атмосферы

Ученые выделяют основные и дополнительные, пограничные слои в составе атмосферы. В порядке возрастания они располагаются следующим образом:

• планетарный пограничный слой;
• тропосфера;
• тропопауза;
• стратосфера;
• стратопауза;
• мезосфера;
• мезопауза;
• линия Кармана;
• термосфера;
• термопауза;
• экзосфера.

Применения барометрической формулы

С помощью барометрической формулы можно решить три задачи:

1) зная давление на одном уровне и среднюю температуру столба воздуха, найти давление на другом уровне;

2) зная давление на обоих уровнях и среднюю температуру столба воздуха, найти разность уровней (барометрическое нивелирование);

3) зная разность уровней и величины давления на них, найти среднюю температуру столба воздуха.

Важным вариантом первой задачи, поставленной выше, является приведение давления к уровню моря. Зная давление на некоторой станции, расположенной на высоте z над уровнем моря, и температуру t на этой станции, вычисляют сначала воображаемую среднюю температуру между рассматриваемой станцией и уровнем моря (в действительности атмосферного столба между станцией и уровнем моря не будет). Для уровня станции берется фактическая температура, а для уровня моря – та же температура, но увеличенная в той мере, в какой в среднем меняется температура воздуха с высотой.

Средний вертикальный градиент температуры в тропосфере принимается равным 0,6° на 100 м. Следовательно, если станция имеет высоту 200 м и температура на ней +16°, то для уровня моря принимается температура +17,2°, а средняя температура столба между станцией и уровнем моря +16,6°. После этого по давлению на станции и по полученной средней температуре определяется давление на уровне моря. Для этого составляют особые таблицы для каждой станции.

Приведение давления к уровню моря является очень важной операцией. На приземные синоптические карты всегда наносится давление, приведенное к уровню моря. Этим исключается влияние различий в высотах станций на величины давления и становится возможным выяснить горизонтальное распределение давления.

Интересное видео об атмосфере Земли

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Влияние увеличивающейся концентрации СО2

Учёные – исследователи продолжают спорить о составе так называемых парниковых газов. Наибольший интерес в этой связи вызывает влияние увеличивающейся концентрации углекислого газа (СО2) на парниковый эффект атмосферы. Высказывается мнение, что известная схема: “рост концентрации углекислого газа усиливает парниковый эффект, что ведёт к потеплению глобального климата” – предельно упрощена и очень далека от действительности, так как наиболее важным “парниковым газом” является вовсе не СО2, а водяной пар. При этом оговорки, что концентрация водяного пара в атмосфере определяется лишь параметрами самой климатической системы, сегодня уже не выдерживает критики, так как антропогенное воздействие на глобальный круговорот воды убедительно доказано.

В качестве научных гипотез укажем на следующие последствия грядущего парникового эффекта. Во-первых, согласно наиболее распространенным оценкам, к концу XXI века содержание атмосферного СО2 удвоится, что неизбежно приведёт к повышению средней глобальной приземной температуры на 3 – 5 о С. При этом потепление ожидается более засушливым летом в умеренных широтах Северного полушария.

Во-вторых, предполагается, что подобный рост средней глобальной приземной температуры приведёт к повышению уровня Мирового океана на 20 – 165 сантиметров за счёт термического расширения воды. Что касается ледникового щита Антарктиды, то его разрушение не является неизбежным, так как для таяния необходимо более высокие температуры. В любом случае, процесс таяния антарктических льдов займёт весьма продолжительное время.

В-третьих, концентрация атмосферного СО2 может оказать весьма благоприятное воздействие на урожаи сельскохозяйственных культур. Результаты проведённых экспериментов позволяют предполагать, что в условиях прогрессирующего роста содержания СО2 в воздухе природная и культурная растительность достигнут оптимального состояния; возрастёт листовая поверхность растений, повысится удельный вес сухого вещество листьев, увеличатся средний размер плодов и число семян, ускорится созревание зерновых, а их урожайность повысится.

В-четвёртых, в высоких широтах естественные леса, особенно бореальные могут оказаться весьма чувствительными к измениям температуры. Потепление может привести к резкому сокращению площадей бореальных лесов, а также к перемещению их границу на север леса тропиков и субтропиков окажутся, вероятно, более чувствительными к изменению режима осадков, а не температуры.

Световая энергия солнца, проникает сквозь атмосферу, поглощается поверхностью земли и нагревает её. При этом световая энергия переходит в тепловую, которая выделяется в виде инфракрасного или теплового излучения. Вот это инфракрасное излучение, отражённое от поверхности земли, и поглощается углекислым газом, при этом он нагревается сам и нагревает атмосферу. Значит, чем больше в атмосфере углекислого газа, тем сильнее он улавливает климат на планете. То же самое происходит и в парниках, поэтому это явление называется парниковым эффектом.

Если так называемые парниковые газы будут поступать с теперешней скоростью, то в следующем столетии средняя температура Земли повысится на 4 – 5 о С, что может привести к глобальному потеплению планеты.

Жидкие и твердые примеси к атмосферному воздуху

Кроме перечисленных выше атмосферных газов, в воздух местами могут проникать другие газы, особенно соединения, возникающие при сгорании топлива (окислы серы, углерода, фосфора и др.). Наиболее заражается такими примесями воздух больших городов и промышленных районов.

В состав атмосферы входят также твердые и жидкие частички, взвешенные в атмосферном воздухе. Кроме водяных капелек и кристаллов, возникающих в атмосфере при конденсации водяного пара, это пыль почвенного и органического происхождения; твердые частички дыма, сажи, пепла и капельки кислот, попадающие в воздух при лесных пожарах, при сжигании топлива, при вулканических извержениях; частички морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды во время волнения; микроорганизмы (бактерии); пыльца, споры; наконец, космическая пыль, попадающая в атмосферу (около миллиона тонн в год) из межпланетного пространства, а также возникающая при сгорании метеоров в атмосфере. Особое место среди атмосферных примесей занимают продукты искусственного радиоактивного распада, заражающие воздух при испытательных взрывах атомных и термоядерных бомб.

Небольшую часть перечисленных примесей составляет крупная пыль, с частичками радиусом более 5 мк. Почти 95% частичек имеет радиусы менее 5 мк. Вследствие такой малости они могут длительное время удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Удаляются из атмосферы они главным образом при выпадении осадков, присоединяясь к капелькам и снежинкам.

Все эти так называемые, аэрозольные примеси, или аэрозоли, в наибольшем количестве содержатся в самых нижних слоях атмосферы: ведь основной их источник – земная поверхность. Особенно загрязнен ими воздух больших городов. Не говоря о вредных газовых примесях (SO2, CO и др.), на каждый кубический сантиметр воздуха здесь приходятся десятки тысяч аэрозольных частичек, а за год на каждый квадратный километр выпадают из атмосферы сотни тонн аэрозолей. В сельских местностях количество частичек аэрозольных примесей в приземном воздухе исчисляется только тысячами на кубический сантиметр, а над океаном – только сотнями.

С высотой число взвешенных частичек быстро убывает; на высотах 5-10 км их всего десятки на кубический сантиметр.

В общем, в атмосферном столбе над каждым квадратным сантиметром земной поверхности содержится 108-109 аэрозольных частичек. Общий их вес в атмосфере не менее 108 т. Это огромное число; но оно мало по сравнению со всей массой атмосферы, которая, как мы увидим дальше, определяется в 5*1015 т.

Бактерии в центральных частях океанов встречаются в количестве нескольких единиц на кубический метр воздуха; в больших городах их уже тысячи и десятки тысяч в том же объеме.

От количества и рода аэрозольных примесей зависят явления поглощения и рассеяния радиации в атмосфере, т. е. ее большая или меньшая прозрачность для радиации. Наличие взвешенных частичек создает в атмосфере также ряд оптических явлений, свойственных коллоидным растворам.

Наиболее крупные аэрозольные частички, обладающие гигроскопическими свойствами, играют в атмосфере роль ядер конденсации, т. е. центров, к которым присоединяются молекулы водяного пара, образуя водяные капельки.

Аэрозольные примеси к воздуху могут легко переноситься воздушными течениями на большие расстояния. Песчаная пыль, попадающая в воздух над пустынями Африки и Передней Азии, неоднократно выпадала в больших количествах на территории Южной и Средней Европы. Дым и пепел больших вулканических извержений неоднократно распространялись в высоких слоях атмосферы на огромные расстояния, окутывая весь Земной шар. Помутнение воздуха и аномально красная окраска зорь наблюдались в течение многих месяцев после извержений.

Состав и границы

Оболочка, исходя из названия, состоит из смеси определенных газов. Стоит отметить, что ее изначальный химический состав определяется свойствами Солнца, когда планета находится на начальной стадии формирования. Затем наличие и количество тех или иных веществ меняется вследствие эволюции.

Химический состав атмосферы

В состав атмосферы Земли входят преимущественно газы, а также разные примеси, например, частицы воды, пыль, лед, продукты горения и др. На 78% оболочка состоит из азота, на 21% – из кислорода. Среди прочих компонентов присутствуют аргон, углекислый газ, гелий, водород и др.

Интересный факт: если содержание большинства компонентов атмосферы Земли не меняется в течение многих лет, то концентрация углекислого газа постепенно растет, начиная с 19-го века. В настоящее время его показатель – около 0,04%.

Несмотря на плавный переход в космическое пространство, ученые утверждают, что заканчиваются границы оболочки в экзосфере (примерная высота – 500-1000 км). В авиации и космонавтике имеются свои представления о том, где заканчивается атмосфера.

Так, Международная авиационная федерация называет пограничной отметкой высоту в 100 км. Самолеты не поднимаются выше данного предела. А космические корабли, шаттлы, достигая высоты 122 км, переключаются на аэродинамическое управление. Поэтому NASA предлагает такую отметку в качестве границы.

Планетарный пограничный слой

Самый нижний шар тропосферы. Его толщина составляет 1-2 км. Состояние атмосферы в этой области и различные ее изменения напрямую зависят от земной поверхности или, как ее еще называют, подстилающей. Данный слой также разделяют на 3 дополнительных (по возрастанию):

• слой шероховатости;
• приземный;
• Экмана.

Значение атмосферы

Без воздушной оболочки на нашей планете не было бы живых организмов. От нее и связанных процессов напрямую зависит органическая жизнь. Наиболее важными компонентами атмосферы являются кислород, водяной пар, азот, озон и углекислый газ.

Кислород является неотъемлемой частью жизни на Земле

Значение атмосферных газов:

• Кислород – обеспечивает существование аэробных организмов за счет окисления органических веществ и образования энергии.
• Углекислый газ – поглощается растениями, которые участвуют в процессе фотосинтеза и продуцируют органические вещества.
• Азот – требуется для питания растений.
• Озон – поглощает ультрафиолетовое излучение и защищает живые организмы от солнечной радиации.
• Водяной пар – конденсируется, превращается в облака, способствует выпадению осадков.

Экзосфера

Внешняя часть атмосферы, расположенная на высоте около 500-1000 км. Состоит из разреженного газа (плазмы), который рассеивается в космическом пространстве. Приближаясь к отметке в 2000 км, экзосфера постепенно становится ближнекосмическим вакуумом.

Стратопауза

Пограничный слой между мезосферой и стратосферой. По отношению к уровню моря стратопауза находится на высоте 50-55 км. Температура здесь равна 0℃. Там, где показатель температуры падает, уже начинается мезосфера. Такой пограничный слой имеется и на других планетах с атмосферой.

Водяной пар в воздухе

Процентное содержание водяного пара во влажном воздухе у земной поверхности составляет в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% у экватора, а в отдельных случаях колеблется почти от нуля до 4%. В связи с этим становится переменным и процентное соотношение других газов во влажном воздухе. Чем больше в воздухе водяного пара, тем меньшая часть его объема приходится на постоянные газы при тех же условиях давления и температуры.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путем испарения с водных поверхностей, с влажной почвы и путем транспирации растений, при этом в разных местах и в разное время он поступает в различных количествах. От земной поверхности он распространяется вверх, а воздушными течениями переносится из одних мест Земли в другие.

В атмосфере может возникать состояние насыщения. В таком состоянии водяной пар содержится в воздухе в количестве, предельно возможном при данной температуре. Водяной пар при этом называют насыщающим, а воздух, содержащий его, насыщенным.

Состояние насыщения обычно достигается при понижении температуры воздуха. Когда это состояние достигнуто, то при дальнейшем понижении температуры часть водяного пара становится избыточной и конденсируется, переходит в жидкое или твердое состояние. В воздухе возникают водяные капельки и ледяные кристаллики облаков и туманов. Облака могут снова испаряться; в других случаях капельки и кристаллики облаков, укрупняясь, могут выпадать на земную поверхность в виде осадков. Вследствие всего этого содержание водяного пара в каждом участке атмосферы непрерывно меняется.

С водяным паром в воздухе и с его переходами из газообразного состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы погоды и особенности климата. Наличие водяного пара в атмосфере существенно сказывается на тепловых условиях атмосферы и земной поверхности. Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности. Это уменьшает ночное охлаждение земной поверхности и тем самым также нижних слоев воздуха. На испарение воды с земной поверхности затрачиваются большие количества тепла, а при конденсации водяного пара в атмосфере это тепло отдается воздуху. Облака, возникающие в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную радиацию на ее пути к земной поверхности. Осадки, выпадающие из облаков, являются важнейшим элементом погоды и климата. Наконец, наличие водяного пара в атмосфере имеет важное значение для физиологических процессов.

Физические свойства

Толщина атмосферы — примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)·1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура — −140,7 °C; критическое давление — 3,7 МПа; Cp при 0 °C — 1,0048·103 Дж/(кг·К), Cv — 0,7159·103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %.

За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Ветер и турбулентность

В зависимости от распределения атмосферного давления воздух постоянно перемещается в горизонтальном направлении. Это горизонтальное перемещение называется ветром. Скорость и направление ветра все время меняются. Средние скорости ветра у земной поверхности близки к 5-10 м/сек. Но иногда, в сильных атмосферных вихрях, скорости ветра у земной поверхности могут достигать и превышать 50 м/сек. В высоких
слоях атмосферы, в так называемых струйных течениях, регулярно наблюдаются скорости ветра до 100 м/сек и более.

К горизонтальному переносу воздуха присоединяются и вертикальные составляющие. Они обычно малы по сравнению с горизонтальным переносом, порядка сантиметров или десятых долей сантиметра в секунду. Только в особых условиях, при так называемой конвекции, в небольших участках атмосферы вертикальные составляющие скорости движения воздуха могут достигать нескольких метров в секунду.

Ветер всегда обладает турбулентностью. Это значит, что отдельные количества воздуха в потоке ветра перемещаются не по параллельным путям. В воздухе возникают многочисленные беспорядочно движущиеся вихри и струи разных размеров.

Турбулентность возникает вследствие различия скоростей ветра в смежных слоях воздуха. Особенно велика она в нижних слоях атмосферы, где скорость ветра быстро растет с высотой. Отдельные количества воздуха поднимаются вверх, если их температура выше, а, стало быть, плотность меньше, чем температура и плотность окружающего воздуха. Напротив, количества воздуха более холодные и плотные, чем окружающий воздух, опускаются вниз. Такое перемешивание воздуха за счет различий плотности происходит тем интенсивнее, чем быстрее падает температура с высотой, т. е. чем больше вертикальный градиент температуры. Поэтому можно условно говорить о динамической турбулентности, возникающей независимо от температурных условий, и о термической турбулентности, определяемой температурными условиями.

С такой упорядоченной конвекцией связано образование мощных облаков вертикального развития – кучевых и кучево-дождевых (ливневых). Для возникновения конвекции такого рода необходимо, чтобы вертикальный градиент температуры был очень велик, а именно близок к 1°/100 м или еще больше, по крайней мере до того уровня, начиная с которого возникают облака.

Какие природные явления происходят в атмосфере?

Все природные явления, происходящие в атмосфере, можно разделить на 5 категорий:

• осадки (гидрометеоры);
• оптические явления;
• литометеоры;
• электрические явления;
• остальные явления.

Все виды выпадающих осадков называются гидрометеорами. Дожди, снегопады, град возникают из-за того, что в воздухе может находиться ограниченное количество водяного пара.

При этом охлаждение ненасыщенного воздуха становится причиной его перенасыщения. В результате частицы воды конденсируются и выпадают на поверхность. В эту же группу относят осадки, конденсирующиеся на поверхности (туман, гололед, иней, роса и др.).

К оптическим атмосферным явлениям относится радуга, мираж, заря, зеленый луч и др. Полярное сияние не входит в данную категорию, так как имеет другую природу происхождения.

Самым известным явлением считается радуга. Она возникает вследствие преломления солнечного света атмосферой. Белый свет состоит из множества волн, а из-за преломления он раскладывается на несколько разноцветных лучей.

Зеленый луч возникает в момент восхода или захода солнца при условии открытого горизонта и отсутствия облаков. Причина явления также кроется в преломлении солнечных лучей. Но, в отличие от радуги, здесь лучи накладываются друг на друга и в течение нескольких секунд можно увидеть зеленый луч или верхнюю часть солнечного диска.

Разные виды миражей происходят, когда свет преломляется на границе между воздушными слоями с разной температурой и плотностью. При этом можно увидеть реальный объект, расположенный вдали, и его отражение в атмосфере.

Мираж в пустыне

Заря бывает утренней и вечерней. Так называют свечение неба, когда солнце восходит и заходит за горизонт. Возникает заря из-за отражения лучей света от атмосферных слоев. Она постепенно меняет цвета в зависимости от положения солнца.

Третья категория литометеоров представлена явлениями, которые связаны с мелкими частицами, например, песком, пылью. Сюда относятся песчаные бури, пыльные бури, пыльная мгла и др. Данные явления свойственны пустынным территориям.

К электрическим явлениям относятся молнии, грозы, полярное сияние. Грозы сопровождаются молниями и громом. При этом электрические разряды возникают внутри облаков либо между землей и облаками. Сюда же относится шаровая молния, природа которой все еще не изучена.

Полярное сияние (северное и южное) образуется в верхних слоях атмосферы, расположенных в зонах вокруг магнитных полюсов Земли. Мы видим свечение вследствие взаимодействия слоев атмосферы с ионизированными частицами солнечного ветра.

Стив – разновидность полярного сияния в виде фиолетового луча. Открыта в 2017 году

Интересный факт: полярное сияние бывает и на других планетах. Оно было обнаружено на Венере, Марсе, Сатурне, Юпитере, Уране, Нептуне. Ученые фиксируют эти явления при помощи внеатмосферных телескопов (например «Хаббл»).

В пятую категорию входят все те явления, которые невозможно отнести в четыре предыдущие. В частности речь идет об ураганах, шквалах, смерчах – то есть ветровых явлениях.

Мезосфера

Начинается выше 50 км и заканчивается на высоте примерно 80-90 км. Чем выше, тем сильнее опускается температура. Холоднее всего рядом со следующим пограничным слоем – около -80℃.

Мезосфера состоит на 80% из азота и на 20% из кислорода. Метеорные тела, попадая в это пространство, светятся и сгорают. Также здесь иногда формируются серебристые облака. Это очень редкое явление, возникающее в летний период из-за низких температур.

Тропопауза

Служит промежуточным слоем между тропосферой и стратосферой. В данной области понижение температуры прекращается. Наличие переходного шара было установлено французским метеорологом Леоном де Бором в 1902 г.

Толщина тропопаузы варьируется от нескольких сотен метров до пары километров. Встречаются ее разрывы в некоторых областях, а также повторные переходные слои.

Атмосферное давление

Всякий газ производит давление на ограничивающие его стенки, т. е. действует на эти стенки с какой-то силой давления, направленной перпендикулярно (нормально) к стенке. Числовую величину этой силы давления, отнесенную к единице площади, и называют давлением. Давление газа объясняется движениями его молекул, той “бомбардировкой”, которой они подвергают стенки. При возрастании температуры и при сохранении объема газа скорости молекулярных движений увеличиваются и, следовательно, давление растет.

В каждой точке атмосферы имеется определенная величина атмосферного давления, или давления воздуха.

Атмосферное давление можно выразить, например, в граммах или килограммах веса на один квадратный сантиметр или метр. На уровне моря оно близко к одному килограмму на квадратный сантиметр. В метеорологии его выражают, однако, в других единицах.

С давних пор принято выражать атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба. Это значит, что давление атмосферы сравнивают с эквивалентным ему давлением столба ртути. Когда говорят, например, что атмосферное давление на земной поверхности в данном месте равно 750 мм, это значит, что столб ртути высотою 750 мм давил бы на земную поверхность так же, как давит воздух.

Выражение давления в миллиметрах ртутного столба появилось в метеорологии не случайно. Оно связано с устройством основного прибора для измерения атмосферного давления – ртутного барометра. В этом приборе, известном из элементарного курса физики, атмосферное давление как раз уравновешивается давлением столба ртути; по изменениям высоты ртутного столба можно судить об изменениях атмосферного давления.
На уровне моря среднее атмосферное давление близко к 760 мм рт. ст.

В отдельных случаях давление может меняться на уровне моря в пределах 150 мм рт. ст. С высотой атмосферное давление быстро убывает.

В настоящее время в метеорологии давление выражают в абсолютных единицах – миллибарах (мб). Один миллибар есть давление, которое сила в 1000 дин производит на площадь в один квадратный сантиметр. Среднее атмосферное давление на уровне моря – 760 мм рт. ст. – близко к 1013 мб, а 750 мм рт. ст. эквивалентны 1000 мб. Таким образом, для перехода от величины давления в миллиметрах ртутного столба к величине в миллибарах нужно давление в миллиметрах ртутного столба умножить на 4/3.

Термосфера

Начинается на высоте около 90 км и заканчивается ближе к 800 км. Характеризуется интенсивным возрастанием температуры с высотой (до 300 км, затем остается стабильно высокой). Но ввиду неоднородной солнечной активности, поглощения УФ излучения, ее показатель колеблется в пределах 200-2000 К.

“Спутник-1” – первый в мире искусственный спутник (СССР, 1957)

Здесь летают беспилотные спутники, пилотируемые космические аппараты. Так как воздух в термосфере сильно разрежен, высокая температура не наносит летательным аппаратам вреда. Также на данной высоте наблюдается полярное сияние.

Физиологические и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100—130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.

Опасность избытка кислорода и окисление

Избыток кислорода так же опасен, как и его недостаток. Большое количество кислорода в газовой смеси и большая концентрация его в крови могут разрушить клетки тканей глаз ребенка и стать причиной потери зрения. Этот факт подчеркивает двойственную природу кислорода. Чтобы жить, мы должны вдыхать кислород, но и сам кислород — яд для живых организмов. Когда кислород воздуха взаимодействует с другими элементами, такими, как водород и углерод, происходит реакция, называемая окислением. Окисление разрушает органические молекулы, которые составляют основу жизни. При обычной температуре кислород медленно реагирует с другими элементами, и выделяющееся при этом тепло столь незначительно, что мы его не ощущаем.

Температура и окисление

Однако реакции окисления стремительно ускоряются при повышении температуры. Чиркните спичкой о коробок. Трение между спичечной головкой и абразивной полоской на коробке нагревает головку спички. Реакция окисления в этом случае протекает быстро, и спичка стремительно вспыхивает пламенем. Вы видите свет и ощущаете тепло, выделившееся в ходе реакции окисления. В наших организмах окисление протекает не столь драматично. Красные кровяные клетки поглощают кислород из воздуха в легких и разносят его по всему организму. Кислород в живых клетках в строго контролируемых условиях намного медленнее и не так жарко, как в случае сгоревшей спички, окисляет пищу, которую мы едим. При таком окислении пища расщепляется, в результате освобождается энергия, и образуются вода и углекислый газ. Углекислый газ с кровью приносится в легкие и из них улетучивается в атмосферу с выдыхаемым воздухом.

Слои атмосферы Земли

Интересный факт: страницы книг желтеют, потому что они окисляются, то есть медленно сгорают.

Дышать достаточным количеством кислорода — безусловная жизненная необходимость. Огонь можно загасить толстым одеялом, перекрыв доступ кислорода к огню. Мы можем задохнуться, если по какой – то причине не будем вдыхать кислород больше пяти минут. Идеальный уровень кислорода во вдыхаемой газовой смеси — 21 процент, то есть тот, который мы имеем в атмосфере. Но даже и тогда кислород часто обнаруживает свой свирепый нрав. Например, сухая трава может вспыхнуть от одной искры. Равновесие кислорода и других газов поддерживается в природе жизненными циклами растений и животных. Животные при дыхании выдыхают углекислый газ, а растения поглощают его и взамен выделяют кислород.

Тропосфера

Тропосфера – первый из базовых слоев. Располагается на высоте от 6 до 20 км (зависит от широты: ниже в полярных, выше – в тропических широтах). В целом летом тропосфера находится выше, чем зимой.

Тропосфера – область образования облаков

С этим шаром мы знакомы лучше всего, поскольку именно здесь формируются погодные условия: атмосферные фронты, облака, циклоны, антициклоны и др. Состав тропосферы неоднородный. В ней содержится около 80% атмосферного воздуха, 90% водяного пара. Также здесь возникают такие явления, как конвекция и турбулентность.

Интересный факт: при подъеме на каждые 100 метров температура в тропосфере понижается приблизительно на 0,65 градуса.

Распределение озона в атмосфере

Изменение с высотой содержания озона в воздухе особенно интересно. У земной поверхности озон содержится в ничтожных количествах. С высотой содержание его возрастает, причем не только в процентном отношении, но и по абсолютным значениям. Максимальное содержание озона наблюдается на высотах 25-30 км; выше оно убывает и на высотах около 60 км сходит на нет.

Процесс образования озона из кислорода происходит в слоях от 60 до 15 км при поглощении кислородом ультрафиолетовой солнечной радиации. Часть двухатомных молекул кислорода разлагается на атомы, а атомы присоединяются к сохранившимся молекулам, образуя трехатомные молекулы озона. Одновременно происходит обратный процесс превращения озона в кислород. В слои ниже 15 км озон заносится из вышележащих слоев при перемешивании воздуха.

Если бы можно было сосредоточить весь атмосферный озон под нормальным давлением, он образовал бы слой только около 3 мм толщиной (приведенная толщина слоя озона). Но и в таком ничтожном количестве озон важен потому, что, сильно поглощая солнечную радиацию, он повышает температуру тех слоев атмосферы, в которых он находится. Ультрафиолетовую радиацию Солнца с длинами волн от 0,15 до 0,29 мк (один микрон – тысячная доля миллиметра) он поглощает целиком. Эта радиация производит физиологически вредное действие, и озон, поглощая ее, предохраняет от нее живые организмы на земной поверхности.

Явление парникового эффекта атмосферы

В последние годы стало отчётливо понятно, что аналогия между обычным парником и парниковым эффектом атмосферы не вполне корректна. Ещё в конце прошлого века известный американский физик Вуд, заменив в лабораторной модели парника обычное стекло на кварцевое и не обнаружив при этом никаких изменений в функционировании парника, показал, что дело не в задержке теплового излучения почвы стеклом, пропускающим солнечную радиацию, роль стекла в данном случае состоит лишь в “отсечении” турбулентного теплообмена между поверхностью почвы и атмосферой.

Парниковый (оранжерейный) эффект атмосферы – это её свойство пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение способствуя аккумуляции тепла землёй. Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью. Нагреваясь за счёт поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового, излучения, часть которого уходит в космическое пространство.