Физические свойства атмосферы, от которых в первую очередь зависит развитие географической оболочки: температура, давление, плотность, электро-, теплопроводность и др. Физические свойства меняются как по латерали, так и по высоте.
Температура. Способность атмосферы пропускать коротковолновое излучение Солнца и задерживать длинноволновое излучение Земли называют оранжерейным эффектом. Солнечные лучи, проходя через атмосферу, почти не нагревают ее. Они нагревают поверхность Земли, а уже от нагретой поверхности Земли тепло передастся прилегающим слоям воздуха. Кроме того, некоторые виды лучей (длинноволновые) поглощаются находящимися в атмосфере водяными парами, углекислым газом и частичками пыли. Благодаря оранжерейному эффекту средняя температура земной поверхности на 38°С выше, чем она была бы при отсутствии атмосферы. Наиболее теплый воздух – у поверхности Земли. При поднятии вверх температура воздуха в тропосфере понижается в … среднем на 6°С на каждый километр.
Среднегодовая температуравоздуха у земной поверхности + 14°С. Она варьирует в широких пределах: от + 58°С в тропических пустынях до – 88°С в Антарктиде.
Давление. Если воздух имеет массу, он должен оказывать давление на все предметы, находящиеся на поверхности Земли. Давление, оказываемое атмосферой на земную поверхность, составляет на уровне моря в среднем 1013 мб.Самое высокое давление, приведенное к уровню моря, зарегистрировано в Азии (1080 мб), самое низкое – в Тихом океане (887 мб). С высотой давление убывает, так как мощность вышележащего слоя атмосферы уменьшается. На уровне 5 кмдавление почти вдвое ниже, чем на уровне моря.
Давление изменяется в результате перемещений воздуха – его оттока из одного места и притока в другое. Перемещения эти связаны с различиями в плотности воздуха, возникающими при неравномерном нагревании его от подстилающей поверхности. Плотность воздуха у поверхности земли в среднем равна 1250 г/м3,на высоте 5 км – 735 г/м3, 20 км – 87 г/м3.
Перемещение воздуха в горизонтальном ивертикальном направлениях приводит к обмену тепла и влаги на земной поверхности и в нижнем слое атмосферы. Движение воздуха в горизонтальном направлении называют ветром. Скорость ветра у земной поверхности 5 – 10 м/сек, максимально – более 50 м/сек. В высоких слоях атмосферы наблюдаются скорости 100 м/секи более. Вертикальное перемещение воздуха происходит со скоростью от нескольких метров до 10 – 20 м/сек.
Вода в атмосфере.В земной атмосфере содержится около 14 000 км3 водяного пара. Вода попадает в атмосферу в основном в результате испарения с подстилающей поверхности Мирового океана, морей, рек, озер, болот, ледников и транспирации растений.
В воздухе, насыщенном водяными парами, при понижении его температуры происходит конденсация – вода из газообразного состояния переходит в жидкое, или сублимация – из газообразного состояния в твердое. Когда воздух охлаждается от подстилающей поверхности, то на поверхности оседают роса, иней, гололед и др. Если конденсация водяного пара происходит на высоте, над поверхностью образуются облака. Возникновение облаков связано главным образом с охлаждением поднимающегося воздуха. Воду выпавшую из облаков на поверхность земли в жидком или твердом состоянии (в виде дождя, мороси, крупы, снега или града) называют атмосферными осадками.
Выпадение осадков на земную поверхность очень неравномерно. Больше всего дождей бывает в экваториальном поясе (до 1000 – 2000 мм в год), где господствуют восходящие токи воздуха. К северу и югу от экваториального пояса количество осадков постепенно уменьшается. Во внутренних частях континентов и на западных побережьях в субтропических широтах дожди местами не выпадают в течение нескольких лет.
Осадки, выпавшие на поверхность земли в виде снега, при достаточно низкой температуре образуют снежный покров. Высота снежного покрова в умеренных широтах обычно 30 – 50 см,в горах она может достигать нескольких метров. Снежный покров хорошо предохраняет почву от глубокого промерзания.
Строение атмосферы
В вертикальном направлении атмосферу можно представить состоящей из нескольких концентрических слоев, сравнительно резко отличающихся по своим физическим свойствам (Рисунок 9.4.1).
a) Тропосфера – нижний слой атмосферы от поверхности Земли до 17 км над экватором и 8 км над полюсами. Тропосфера содержит более 80% массы атмосферы, здесь находится почти весь водяной пар атмосферы. Температура в тропосфере понижается с высотой в среднем на 0,6°С на каждые 100 м. В тропосфере происходит непрерывное перемешивание воздуха, образуются облака, выпадают осадки. Процессы, происходящие в тропосфере, непосредственно влияют на погоду и климат. Нижний слой тропосферы, примыкающий к земной поверхности, называют приземным слоем. Здесь особенно резко выражены изменения температуры в течение суток и года.
b) Стратосфера – расположена над тропосферой до высоты порядка 55 км. Стратосфера отличается от тропосферы большей разреженностью воздуха, почти полным отсутствием водяного пара, сравнительно большим содержанием озона. Озон – неустойчивый газ и сильный окислитель. У земной поверхности его количество ничтожно; оно увеличивается после грозы. Главная масса его сосредоточена на высотах от 10 до 60 км с максимумом в пределах 25 – 30 км, где он создает озоновый экран. Но и там его количество невелико: при плотности воздуха, свойственной приземной атмосфере, он образовал бы слой всего в 2,5 – 5,2 мм. Температура на нижней границе стратосферы над экватором весь год около – 74°С, над полюсами выше. С высотой температура повышается.
c) Мезосфера – расположена на высоте от 50 – 55 до 80 км. Мезосферахарактеризуется значительным падением температуры с высотой: от 0° С на нижней границе до – 75°С и ниже на высоте 75 – 80 км, где понижение температуры сменяется ее повышением. Летом здесь возникают тонкие, блестящие, серебристые облака, состоящие из кристалликов льда (а возможно, из мельчайших скоплений космической пыли). Их перемещение свидетельствует о большой изменчивости направления и скорости ветра на этой высоте (от 50 до нескольких сотен километров в час).
d) Термосфера (ионосфера) – расположена над мезосферой до высоты от 80 км до 600 – 1000 км. Температура в ней с высотой повышается до 1000°С, а возможно и более. Под действием ультрафиолетовой и электрической радиации Солнца нарушается строение молекул и атомов газов: от электронных оболочек отрываются некоторые электроны, в пространстве находятся как целые атомы, так и атомы, потерявшие электроны, и отдельные электроны. Такое состояние вещества называется сверхгазовым, или плазмой, а процесс расщепления атомов и образования заряженных электронов – ионизацией. Поэтому термосфера называется еще и ионосферой. Главный максимум ионизации приурочен к высотам 300 – 400 км. Ионизация делает термосферу электропроводящей, в ней текут мощные электрические токи со скоростью сотен километров в час. С деятельностью Солнца связано возникновение в термосфере полярных сияний. По отношению к биосфере термосфера выполняет защитную роль: поглощая рентгеновское излучение, она защищает жизнь от вредного воздействия солнечной короны.
e) Экзосфера – свыше 1000 км начинается внешняя атмосфера, или экзосфера, простирающаяся до 2000 – 3000 км. Здесь скорость движения газов приближается к критической – 11,2 км/с и они рассеиваются в межпланетное пространство. Находящиеся далеко друг от друга быстродвижущиеся частицы при температуре свыше 2000°С почти не сталкиваются друг с другом. «Уходят» из экзосферы преимущественно атомы водорода, господствующего в верхних (выше 2000 км) ее слоях. Этот водород образует земную корону. Атмосферные газы вверху покидают Землю, а недра Земли в результате дегазации мантии пополняют воздушную оболочку, поставляя приблизительно 1 млн. т газов в год.
Рисунок 9.4.1 – Строение атмосферы (Никонова, Данилов, 2000)
Значение атмосферы для Земли огромно. Она предохраняет Землю от падающих на нее метеоров, с помощью магнитосферы, ионосферы и озонового экрана изолирует биосферу от космоса и защищает все живое от губительного излучения Солнца. Вместе с тем атмосфера задерживает длинноволновое тепловое излучение Земли, создавая благоприятные для жизни тепловые условия на земной поверхности. В атмосфере переносится влага, образуются облака и осадки. Без атмосферы жизнь не существовала бы на Земле в привычных для нас формах.
refac.ru
Физические свойства атмосферы, от которых в первую очередь зависит развитие географической оболочки: температура, давление, плотность, электро-, теплопроводность и др. Физические свойства меняются как по латерали, так и по высоте.
Температура. Способность атмосферы пропускать коротковолновое излучение Солнца и задерживать длинноволновое излучение Земли называют оранжерейным эффектом. Солнечные лучи, проходя через атмосферу, почти не нагревают ее. Они нагревают поверхность Земли, а уже от нагретой поверхности Земли тепло передастся прилегающим слоям воздуха. Кроме того, некоторые виды лучей (длинноволновые) поглощаются находящимися в атмосфере водяными парами, углекислым газом и частичками пыли. Благодаря оранжерейному эффекту средняя температура земной поверхности на 38°С выше, чем она была бы при отсутствии атмосферы. Наиболее теплый воздух – у поверхности Земли. При поднятии вверх температура воздуха в тропосфере понижается в среднем на 6°С на каждый километр.
Среднегодовая температуравоздуха у земной поверхности + 14°С. Она варьирует в широких пределах: от + 58°С в тропических пустынях до – 88°С в Антарктиде.
Давление. Если воздух имеет массу, он должен оказывать давление на все предметы, находящиеся на поверхности Земли. Давление, оказываемое атмосферой на земную поверхность, составляет на уровне моря в среднем 1013 мб.Самое высокое давление, приведенное к уровню моря, зарегистрировано в Азии (1080 мб), самое низкое – в Тихом океане (887 мб). С высотой давление убывает, так как мощность вышележащего слоя атмосферы уменьшается. На уровне 5 кмдавление почти вдвое ниже, чем на уровне моря.
Давление изменяется в результате перемещений воздуха – его оттока из одного места и притока в другое. Перемещения эти связаны с различиями в плотности воздуха, возникающими при неравномерном нагревании его от подстилающей поверхности. Плотность воздуха у поверхности земли в среднем равна 1250 г/м3,на высоте 5 км – 735 г/м3, 20 км – 87 г/м3.
Перемещение воздуха в горизонтальном ивертикальном направлениях приводит к обмену тепла и влаги на земной поверхности и в нижнем слое атмосферы. Движение воздуха в горизонтальном направлении называют ветром. Скорость ветра у земной поверхности 5 – 10 м/сек, максимально – более 50 м/сек. В высоких слоях атмосферы наблюдаются скорости 100 м/секи более. Вертикальное перемещение воздуха происходит со скоростью от нескольких метров до 10 – 20 м/сек.
Вода в атмосфере.В земной атмосфере содержится около 14 000 км3 водяного пара. Вода попадает в атмосферу в основном в результате испарения с подстилающей поверхности Мирового океана, морей, рек, озер, болот, ледников и транспирации растений.
В воздухе, насыщенном водяными парами, при понижении его температуры происходит конденсация – вода из газообразного состояния переходит в жидкое, или сублимация – из газообразного состояния в твердое. Когда воздух охлаждается от подстилающей поверхности, то на поверхности оседают роса, иней, гололед и др. Если конденсация водяного пара происходит на высоте, над поверхностью образуются облака. Возникновение облаков связано главным образом с охлаждением поднимающегося воздуха. Воду выпавшую из облаков на поверхность земли в жидком или твердом состоянии (в виде дождя, мороси, крупы, снега или града) называют атмосферными осадками.
Выпадение осадков на земную поверхность очень неравномерно. Больше всего дождей бывает в экваториальном поясе (до 1000 – 2000 мм в год), где господствуют восходящие токи воздуха. К северу и югу от экваториального пояса количество осадков постепенно уменьшается. Во внутренних частях континентов и на западных побережьях в субтропических широтах дожди местами не выпадают в течение нескольких лет.
Осадки, выпавшие на поверхность земли в виде снега, при достаточно низкой температуре образуют снежный покров. Высота снежного покрова в умеренных широтах обычно 30 – 50 см,в горах она может достигать нескольких метров. Снежный покров хорошо предохраняет почву от глубокого промерзания.
Строение атмосферы
В вертикальном направлении атмосферу можно представить состоящей из нескольких концентрических слоев, сравнительно резко отличающихся по своим физическим свойствам (Рисунок 9.4.1).
a) Тропосфера – нижний слой атмосферы от поверхности Земли до 17 км над экватором и 8 км над полюсами. Тропосфера содержит более 80% массы атмосферы, здесь находится почти весь водяной пар атмосферы. Температура в тропосфере понижается с высотой в среднем на 0,6°С на каждые 100 м. В тропосфере происходит непрерывное перемешивание воздуха, образуются облака, выпадают осадки. Процессы, происходящие в тропосфере, непосредственно влияют на погоду и климат. Нижний слой тропосферы, примыкающий к земной поверхности, называют приземным слоем. Здесь особенно резко выражены изменения температуры в течение суток и года.
b) Стратосфера – расположена над тропосферой до высоты порядка 55 км. Стратосфера отличается от тропосферы большей разреженностью воздуха, почти полным отсутствием водяного пара, сравнительно большим содержанием озона. Озон – неустойчивый газ и сильный окислитель. У земной поверхности его количество ничтожно; оно увеличивается после грозы. Главная масса его сосредоточена на высотах от 10 до 60 км с максимумом в пределах 25 – 30 км, где он создает озоновый экран. Но и там его количество невелико: при плотности воздуха, свойственной приземной атмосфере, он образовал бы слой всего в 2,5 – 5,2 мм. Температура на нижней границе стратосферы над экватором весь год около – 74°С, над полюсами выше. С высотой температура повышается.
c) Мезосфера – расположена на высоте от 50 – 55 до 80 км. Мезосферахарактеризуется значительным падением температуры с высотой: от 0° С на нижней границе до – 75°С и ниже на высоте 75 – 80 км, где понижение температуры сменяется ее повышением. Летом здесь возникают тонкие, блестящие, серебристые облака, состоящие из кристалликов льда (а возможно, из мельчайших скоплений космической пыли). Их перемещение свидетельствует о большой изменчивости направления и скорости ветра на этой высоте (от 50 до нескольких сотен километров в час).
d) Термосфера (ионосфера) – расположена над мезосферой до высоты от 80 км до 600 – 1000 км. Температура в ней с высотой повышается до 1000°С, а возможно и более. Под действием ультрафиолетовой и электрической радиации Солнца нарушается строение молекул и атомов газов: от электронных оболочек отрываются некоторые электроны, в пространстве находятся как целые атомы, так и атомы, потерявшие электроны, и отдельные электроны. Такое состояние вещества называется сверхгазовым, или плазмой, а процесс расщепления атомов и образования заряженных электронов – ионизацией. Поэтому термосфера называется еще и ионосферой. Главный максимум ионизации приурочен к высотам 300 – 400 км. Ионизация делает термосферу электропроводящей, в ней текут мощные электрические токи со скоростью сотен километров в час. С деятельностью Солнца связано возникновение в термосфере полярных сияний. По отношению к биосфере термосфера выполняет защитную роль: поглощая рентгеновское излучение, она защищает жизнь от вредного воздействия солнечной короны.
e) Экзосфера – свыше 1000 км начинается внешняя атмосфера, или экзосфера, простирающаяся до 2000 – 3000 км. Здесь скорость движения газов приближается к критической – 11,2 км/с и они рассеиваются в межпланетное пространство. Находящиеся далеко друг от друга быстродвижущиеся частицы при температуре свыше 2000°С почти не сталкиваются друг с другом. «Уходят» из экзосферы преимущественно атомы водорода, господствующего в верхних (выше 2000 км) ее слоях. Этот водород образует земную корону. Атмосферные газы вверху покидают Землю, а недра Земли в результате дегазации мантии пополняют воздушную оболочку, поставляя приблизительно 1 млн. т газов в год.
Рисунок 9.4.1 – Строение атмосферы (Никонова, Данилов, 2000)
Значение атмосферы для Земли огромно. Она предохраняет Землю от падающих на нее метеоров, с помощью магнитосферы, ионосферы и озонового экрана изолирует биосферу от космоса и защищает все живое от губительного излучения Солнца. Вместе с тем атмосфера задерживает длинноволновое тепловое излучение Земли, создавая благоприятные для жизни тепловые условия на земной поверхности. В атмосфере переносится влага, образуются облака и осадки. Без атмосферы жизнь не существовала бы на Земле в привычных для нас формах.
megaobuchalka.ru
Атмосфе́ра (от. ατμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка Земли. Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосферные процессы определяют погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.
Физические свойства
Толщина атмосферы 1500 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха — (5,1—5,3)×1015 т. Молекулярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966. Давление при 0°С на уровне моря 1013,25 гПа; критическая температура −140,7°С; критическое давление 3,7 МПа; Cp 10,045×103 Дж/(кг*К)(в интервале температур от 0—100°С), Cv 8,3710*103 Дж/(кг*К) (0—1500°С). Растворимость воздуха в воде при 0°С 0,036%, при 25°С — 0,22%.
Состав атмосферы
АтмосфераЗемли— воздушная оболочка Земли, состоящая в основном изгазови различных примесей (пыль, капли воды, кристаллыльда, морские соли, продукты горения), количество которых непостоянно.
Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (h3O) и углекислого газа (CO2).
| Состав воздуха | ||
| Газ | Содержание по объёму, % | Содержание по массе, % |
| Азот | 78,084 | 75,50 |
| Кислород | 20,946 | 23,10 |
| Аргон | 0,932 | 1,286 |
| Вода | 0,5—4 | — |
| Углекислый газ | 0,032 | 0,046 |
| Неон | 1,818×10−3 | 1,3×10−3 |
| Гелий | 4,6×10−4 | 7,2×10−5 |
| Метан | 1,7×10−4 | — |
| Криптон | 1,14×10−4 | 2,9×10−4 |
| Водород | 5×10−5 | 7,6×10−5 |
| Ксенон | 8,7×10−6 | — |
| Закись азота | 5×10−5 | 7,7×10−5 |
Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SО2, СН4, NН3, СО,углеводороды,НСl,НF, парыНg, I2, а такжеNOи многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).
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 15 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 все 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, хотя при больших скоростях полёта там ещё можно применить аэродинамическое крыло.
На высотах же 180—200 км начинается сфера чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы. Если при таком полёте развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной высоте, то летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.
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 радиационное излучение.
studfiles.net
