ЛЕКЦИЯ 6
АТМОСФЕРА,
ЕЁ СОСТАВ И РОЛЬ В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ
БИОСФЕРЫ
Химический состав атмосферы и ее функции
Химический
состав атмосферы и ее функции
Атмосфера – это газовая оболочка нашей планеты с содержащимися в ней аэрозольными
частицами, которая является средой обитания всех живых организмов (исключение –
анаэробные бактерии).
Газовая оболочка движется
вместе с Землей в мировом пространстве
как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли.
Жизнь на Земле возможна до тех пор,
пока существует земная атмосфера, состоящая в естественном состоянии из азота –
(объемная доля 78 %), кислорода (21 %) и других газов (аргона) 1 %. Таким
образом, атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом. Атмосферный
воздух у земной поверхности, как правило, влажный. Кроме этого, в атмосфере
содержится мириады микроскопических твердых частиц (сажа, песок, морская соль,
пепел вулканов, метеоритов и т.д.) (табл.9).
Аэрозоли – это твёрдые частицы
естественного или промышленного происхождения (пыль, почвенные частицы, дым,
морская соль, микроорганизмы, споры растений). Их количество над городом во
много раз превышает их содержание над морем. Газовые примеси – SO2, SO3,, CO, окислы
азота и т.д. Они попадают в воздух в результате извержения вулкана, лесных
пожаров, полётов авиации, работы промышленности, транспорта.
Таблица 9
Состав атмосферного воздуха.
|
5 3 1 N2 Является
источником поступления в почву главного эл-та пит-ия растений. Входит в состав раст-х
и жив-х белков |
О2 20,99% Необходим для живых организмов в процессах Дыхания. Благодаря
процессу окисления в клетках орг-ов выделяется
энергия. |
Ar 0,93% Ne H, Kr 0,01% Инертныекомпоненты, кот. не участ-т в реакциях проис-х в атмо-ре. |
СО2 От 0,03%
до 0,16% Является источ-м воздушного питания раст-й,
который в процессе фотосинтеза создает орг-е в-ва. |
Н2О
От 0,001 до
4% Содержится в виде вод.пара.
Обуслав-т образ-е облаков,
выпадение осадков. Содержание водяного пара в атмос-ре
обозначается как влажность воздуха |
О3
– озон соср-н в стратосфере на высоте 25-30км обр-ся под воздйст-м УФ лучей Солнца.
Защищает землю и все живое от радиации. |
Воздушная оболочка Земли возникла в результате выделения газов при
вулканических извержениях, т.е. тогда, когда планету потрясали природные
катаклизмы. Современная атмосфера и ее состав - продукт живого вещества
биосферы. Живое вещество способствовало превращению ее из углекисло-метановой
(архей, протерозой, кембрий, ордовик, силур) в азотно- кислородную. До высоты 100 км этот химический состав
атмосферы не меняется. Относительно постоянный состав воздуха поддерживается
непрерывно идущим процессом – использование газов живыми организмами и
выделение их в атмосферу. Естественные процессы потребления газов и их
поступление в атмосферу сбалансированы.
Но в настоящее время в атмосферу поступает большое количество газов,
которых не было в ее составе раньше. Выделено три экологические проблемы,
связанные с загрязнением атмосферы: «парниковый
эффект», «кислотные дожди», «озоновые дыры».
Важнейшую же роль в регулировании поступления солнечной радиации на Землю играет
природный озон. Озон О3 (трехатомарный
кислород) образуется в слоях на высотах 14–25 км и, поглощая солнечную
ультрафиолетовую радиацию с длинами волн от 0.15 до 0.29 мкм, защищает живые
организмы на Земле от ее вредного и даже губительного действия.
Согласно современным воззрениям, сама жизнь могла появиться на суше только
после того, как содержание кислорода достигло 1% от современного, и на
некоторой высоте в атмосфере образовался слой озона. В последние годы появилось
опасение, что выбросы в атмосферу различных химических веществ антропогенного
происхождения, в особенности фреонов и оксидов азота, вместе с выбросами
стратосферной авиации могут привести к разрушению слоя озона, а это будет иметь
пагубные биологические последствия.
Проблема загрязнения воздушной среды древняя. Она возникла с первых
поселений людей и до середины 19 века не наносила ущерба окружающей среде.
Природа сама обладала способностью к самоочищению.
Загрязнение и очищение атмосферы – это два взаимопротивоположных
процесса. Всякое техногенное загрязнение вызывает у природы защитную реакцию,
направленную на нейтрализацию его. Этой способностью природы человек долгое
время бездумно злоупотребляет. Например, отходы производства долгое время
выбрасывались в воздух в расчете на то, что будут переработаны самой природой.
Способность атмосферы к самоочищению имеет определенный предел и если он будет
превышен, то самоочищение в атмосфере не приведет к полному рассеиванию и
разложению примесей.
В настоящее время – загрязнение атмосферы – самый острый вопрос со- временной экологической ситуации планеты Земля.
Каковы функции атмосферы относительно Земли?
Атмосфера защищает живые
организмы от вредного воздействия космических ультрафиолетовых лучей, от
метеоритного воздействия и резких колебаний
температур.
Атмосфера обеспечивает человека,
животных и растительность мира земли жизненно необходимыми газовыми элементами,
в частности, кислородом. Когда хотят подчеркнуть значение чего-нибудь, то
говорят, «необходим как воздух». Да, человек может жить без пищи – несколько недель, без воды несколько суток, то смерть от удушья
наступает через 5 – 8 минут. Без оболочки из воздуха и воды Земля бы была необитаемой.
Ресурс атмосферного кислорода очень велик (объем атмосферы около 4 1012 км3) и
возобновим. Но чувствительность живых организмов даже к небольшим изменениям состава воздуха в результате его загрязнения, заставляет рассматривать загрязнение
атмосферы как существенное изъятие важнейшего природного ресурса.
Сколько весит воздух? На плече каждого из нас давит в среднем 1 т воздуха,
но мы не ощущаем, поскольку воздух оказывает на нас давление со всех сторон. На
уровне моря нормальное давление воздуха приблизительно составляет 1 кг/см2. Вся гигантская масса воздуха у нас над головой
весит 5 1015 тонн. Однако, чем выше,
тем атмосферное давление становиться меньше.
Так на уровне 3500 м оно падает уже до 700 г/см2,
а на вершине Эвереста (8848 м) – до 315 г/см2 . Воздух там так
разряжен, что альпинисты берут с собой
запас кислорода.
Почему небо голубое? Цвет неба обусловлен оптическими свойствами молекул
газов, из которых состоит атмосферный воздух. Свет Солнца представляет собой
смесь всех цветов радуги. Каждый цвет имеет определенную длину волны.
Наибольшей длиной волны обладает излучение в красном и желтом диапазоне, а
наименьшей – в сине-фиолетовом. Небо имеет голубой
цвет, так как молекулы газа сильнее отклоняют короткие световые волны,
рассеивающие во все стороны. А вот взвешенные в атмосфере капельки воды рассеивают
любые лучи одинаково, как бы смешивая все цвета. Поэтому облака выглядят белыми
или серыми.
Изучением атмосферы занимается науки климатология и метеорология. Полеты
спутников Земли на высотах в несколько тысяч километров, наблюдения с помощью
ракет и космических станций типа «Венера» и других, которые неоднократно
пронизывали атмосферу и выходили в межпланетное пространство, позволили в
последние годы существенно уточнить сведения о составе и структуре атмосферы,
ее динамике.
Атмосфера весьма четко расслаивается
на концентрические сферы, отличающиеся друг от друга по своим характеристикам.
По составу воздуха в атмосфере выделяется гомосфера
– нижний слой воздуха толщиной 100 км, в котором в результате постоянного
движения и перемешивания атмосферные газы не расслаиваются по плотности. Выше
100 км начинается расслоение газов по плотности, и оно постепенно увеличивается
с высотой: в слое от 100 до 200 км преобладающим газом атмосферы является азот, а выше 1000 км атмосфера состоит
главным образом из гелия и водорода. Вся внешняя часть атмосферы (выше 100 км)
носит название гетеросферы.
Толщина атмосферы равна
приблизительно 2 тыс. км, хотя ее верхняя граница как таковая отсутствует.
По характеру распределения
температуры (Всемирный Метеорологический Конгресс) по высоте (рис.17) атмосфера
неоднородна и делится на 4 отчетливо выраженных сферы:
тропосферу, стратосферу, мезосферу,
термосферу.
Рис. 17. Зависимость температуры воздуха от высоты в
разных слоях
атмосферы
1.
Тропосферой называется нижний слой атмосферы, в котором
температура убывает с высотой (от +140 С на
уровне моря до –550 С на верхней границы тропосферы). В среднем
величина падения температуры с высотой равна 0.60°С на
100 м. Этот слой атмосферы нагревается снизу от Земли, которая в свою очередь
нагревается солнечными лучами. Средняя толщина тропосферы примерно 15 км. Здесь
зарождается большинство бурь и ураганов, а циркуляция воздуха постоянно
приводит в движение облака. Облака обычно закрывают около половины поверхности
Земли. Самый нижний слой тропосферы (50–100 м), непосредственно примыкающий к
земной поверхности, носит название приземного
слоя. В верхней части тропосферы существует слой с постоянной низкой
температурой – тропопауза. В тропиках
толщина этого слоя 14-16 км, на полюсе тоньше – 8–10 км.
2. Выше тропосферы до высоты 50 –53 км лежит стратосфера (второй слой), характеризующаяся тем,
что температура в ней в основном растет с высотой. Средняя толщина стратосферы около
40 км. Наиболее интенсивный рост температуры наблюдается с 36 до 50 км, где
расположена верхняя граница стратосферы, называемая стратопаузой. Здесь стратосфера почти такая же теплая, как воздух у
поверхности Земли. Рост температуры связан с поглощением солнечной радиации
озоном. Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 22–24 км в
высоких широтах иногда наблюдаются очень тонкие, так называемые перламутровые
облака, состоящие из переохлажденных капель воды. Здесь царит почти полное затишье,
поэтому в стратосфере летают реактивные самолеты, избегая турбулентных потоков
нижнего слоя.
3.
Над
стратосферой лежит третий слой – холодная мезосфера. Она простирается до
высоты примерно 80–82 км. Ее мощность около 30 км. В мезосфере температура снова
понижается с высотой, доходя иногда до –80°С в ее
верхней части. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере
сильно развита турбулентность. Здесь происходит сгорание метеорных частиц. В
верхней части мезосферы образуются так называемые серебристые облака,
по-видимому, состоящие из кристаллов воды. Верхней границей мезосферы является
переходный слой, называемый мезопаузой, лежащий на высоте около 82 км. Здесь
давление воздуха примерно в 100 раз меньше, чем у земной поверхности.
Таким образом,
в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе взятых до высоты 80 км заключено
более 99.5% всей массы атмосферы.
Верхняя
часть атмосферы, которая простирается над мезосферой, называется термосферой.
В термосфере температура очень резко возрастает с высотой. В годы активного
Солнца она превышает 1500°С на высоте 200–250 км. На
больших высотах дальнейший рост температуры с высотой уже не наблюдается.
Только в областях ярких полярных сияний температура повышается
до 3000°С. Часть термосферы на высоте 1000 км называется ионосферой, так как воздух здесь сильно
ионизирован: в нем содержится атомарный кислород.
Атмосферный слой выше 1000 км выделяется под названием экзосферы (внешней атмосферы) или сферы ускользания
газов, так как благодаря большой разреженности воздуха на этих высотах скорость
движения отдельных частиц достигает второй космической скорости (около 11 км/с
для незаряженных частиц) и они, покидая атмосферу, улетают в мировое
пространство, двигаясь по параболическим траекториям. Ускользают обычно атомы водорода и гелия.
Поскольку на
движение заряженных частиц здесь оказывает влияние магнитное
поле Земли, эта область называется еще и магнитосферой.
Солнечная
радиация (солнечное излучение), приходящая к Земле от Солнца,
является основным источником атмосферных процессов, так как количество тепла,
получаемое в среднем за год единицей площади земной поверхности от Солнца, в 30
000 раз больше, чем тепло, идущее из недр Земли, и в 30 млн. раз больше, чем
энергия от излучения звезд и планет.
Солнечной радиацией называется вся
совокупность солнечной энергии и материи поступающей на землю, излучение Солнца
имеет двойную природу: с одной стороны это тепловая и световая радиация,
(электромагнитные волны); с другой стороны это поток частиц (корпускулярная
радиация). На Солнце – энергия ядерных реакций переходит в
лучистую, а затем при попадании на земную поверхность опять переходит в
тепловую. Солнечная радиация несёт свет и тепло, является начальным фактором
обеспечения человечества продовольствием.
Строение солнечного спектра выглядит следующим образом; 47% - УФ, 46% - ВС и
7% -УФ
Весь процесс прихода и расхода
солнечного радиационного тепла поверхностью Земли выражается радиационным балансом формула которого выглядит следующим образом: Rs = Qs (1 – A) – I эф, где
Qs – суммарная
солнечная радиация, рассчитывается
Qs = Qпрям + Qрассеян
А – альбедо,
это отражательная способность наземных и водных поверхностей, поглощенную энергию
измерить невозможно, поэтому определяют величину отраженной телом энергии в %-х.
NB. Альбедо вместе с углом падения солнечных лучей и количеством оптических
масс атмосферы, являются важнейшими факторами климатообразования.
На суше альбедо зависит от цвета
природных поверхностей (чёрное тело усваивает всю радиацию, а белая зеркально отражает на все 100%).
I эф – это
разница между собственным излучением и встречным излучением атмосферы,
рассчитывается по формуле: I эф = I3 – Iа
Iа – встречное
излучение атмосферы, оно возникает в результате нагревания земной поверхности
воздухом, который отдает тепло, часть его идёт вверх и теряется в межпланетном
пространстве, другая часть возвращается к земле навстречу земному излучению I3. Величина постоянная – 0,2 кал/см2мин.
Под климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся
для данной местности особенности погоды, создающие типичный режим (период 30–40
лет) температуры, увлажнения, циркуляции атмосферы.
Климат какой-то местности нельзя
рассматривать изолировано. Особенности климата отдельных регионов – это
преломление общих закономерностей в конкретной обстановке.
Глобальный климат определяется
астрономическими факторами (светимость Солнца, положение и движение Земли в
Солнечной системе, наклон оси вращения нашей планеты к плоскости орбиты,
скорость вращения Земли вокруг своей оси), от которых зависит поступление на
Землю солнечной радиации.
В формировании климата определяющую
роль играют три основных цикла атмосферных процессов: теплооборот, влагооборот и атмосферная
циркуляция.
Теплооборот и влагооборот включает в себя сложные процессы
преобразования солнечной энергии и обмена ею между атмосферой и поверхностью
Земли. К теплообороту относится также горизонтальный перенос тепла воздушными
течениями. Если бы планета не вращалась вокруг своей оси, воздух циркулировал
бы замкнутыми потоками – конвективными ячейками. Поднимаясь над экватором,
горячий воздух двигался бы к полюсам, опускался там, охлаждаясь, и возвращался
к низким широтам. Вращение Земли осложняет картину – потоки воздуха отклоняются
в широтном направлении.
Распределение температуры воздуха
по земному шару зависит от следующих основных факторов:
1)
величины притока солнечной радиации по широтам;
2)
от распределения суши и океана,
которые по-разному поглощают солнечную радиацию и по-разному нагреваются;
3)
строения поверхности суши (рельефа);
Континенты Земли по перечисленным
признакам разделены на зоны, различающиеся своим климатом: тундра, тайга, умеренная
зона, континентальная зона, средиземноморская зона, пустыня, дождевой
тропический пояс, саванна. Например, умеренная зона для побережья средней части
Северной Америки. Климат мягкий, зимой осадков много, летом меньше, без морозов
и жары. Типичный континентальный климат в Красноярске – очень холодной зимой и
жарким летом.
Систему крупномасштабных воздушных
течений на Земле называют общей
циркуляцией атмосферы. Основными элементами общей циркуляции атмосферы
являются циклоны и антициклоны, т.е. вихри размером в
несколько тысяч километров, постоянно возникающие в атмосфере.
Вихри с низким давлением в центре
и вращением воздуха (в Северном полушарии) против часовой стрелки (циклоны)
поднимают вверх теплый воздух, который поступает со стороны. Это наступление
холодного фронта. Отступающему теплому воздуху приходится резко подниматься
вверх. Воздух охлаждается, а влага, содержащая в нем, высвобождается и образует
облака. На горизонте в летний период скапливаются мощные кучево-дождевые
облака. Ветер начинает дуть порывами, обрушивается стена проливного дождя,
молнии, гром. После грозы, которая длится не более 2-х часов, становится
холоднее. С голубого неба над головой снова воссияет умытое солнышко. Циклон
удаляется. В этом случае холодный фронт надвинулся резко. На смену ему идет
область повышенного давления воздуха – антициклон.
Возможен второй сценарий перехода
циклона в антициклон (зимний, осенний периоды), когда холодный фронт
надвигается медленно. Облачная полоса вдоль фронта значительно шире, а ненастье
продолжительнее (моросящие обложные дожди или снегопад).
Вихри с высоким давлением воздуха
в центре и вращением (в Северном полушарии) по часовой стрелке (антициклоны)
делают обратное – опускают теплый воздух,
который затем растекается к периферии. В области высокого давления воздух не
поднимается, а опускается вниз, а, потому, как правило, достаточно сухой.
Отличительные черты погоды при антициклоне – мало облаков и осадков, слабый или
умеренный ветер. Зато в антициклоне заметны колебания температуры на материках
в течение суток. В Сибири эта разница может достигать 20–25 градусов, а в
Сахаре после 40-градусной дневной жары возможны ночные заморозки.
Действительно, нет на Земле стихии более подвижной, разнообразной и капризной, чем воздушный
океан. Его сиюминутное настроение мы и называем погодой. Состояние атмосферы в
данном месте земного шара в данный момент времени называется погодой.
Погода характеризуется следующими
показателями: температурой, давлением и
влажностью окружающего воздуха.
Для жителя умеренных широт лучше
всего, чтобы температура воздуха была
от + 180 С до +250 С. Максимальная температура наблюдается почти +600 С в Северной
Африке, а минимальная – почти –900 С на станции «Восток» в Антарктиде. Средняя величина
температуры приземного слоя воздуха равна 17.7 о С.
Атмосферное давление на уровне моря
– это вес столба воздуха единичного сечения. Если разделить этот вес на
ускорение силы тяжести, то получим массу столба равную 1 кг. На уровне моря амтосферное давление равно давлению, которое производит 760
мм рт. столба при температуре ноль градусов Цельсия.
Прямым следствием изменения давления атмосферы является ветер.
Отчего дует ветер? Движущей силой всех процессов на Земле является энергия
Солнца. При нагревании под действием солнечных лучей воздух расширяется и
поднимается вверх. Какой силы ветер благоприятен для человека? На- пример, 1–3
м/сек – легкое дуновение, при скорости более 20 м/сек
начинается шторм, более 30 м/сек – ураган.
Влажность воздуха обычно
характеризуется относительной влажностью (%), под которой понимают отношение
абсолютной влажности (фактическое количество паров воды при данной температуре)
к максимальной, насыщающей воздух. Человек чувствует
себя хорошо при относительной влажности от 40 до 75%.
Другими характеристиками погоды
могут быть облачность и осадки.
Климатообразующее значение имеют и
циркуляции значительно меньшего масштаба (бризы, климаты города, горно-долинные
ветры, и др.), носящие название местной
атмосферной циркуляции.
Бризы – ветры у
берегов морей и океанов, которые меняют свое направление в течение суток. Днем
морской бриз дует с моря на берег, а ночью – с берега на море. Почему?
В пределах больших городов формируются особые климатические условия. Связано
это с тем, что территория города всегда прогревается больше на 4–70 С его окрестностей. На окраине города возникает местный
атмосферный фронт с более сильными ветрами. К особенностям климата крупных
городов относят смог – скопление ядовитого дыма и газа вблизи земной поверхности.
Смог висит над городом грязным туманным облаком, причиняя болезни и даже
смерть.