Тема 5.1. Будова атмосфери. Температура. Тиск.

План

Склад і будова атмосфери.

Сонце – джерело світла і тепла.

Температура повітря.

Тиск атмосфери.

1. Земна куля з усіх боків оточена повітряною оболон­кою, яка складається з кількох газів. Повітряна оболон­ка Землі зв'язана з земною кулею силою тяжіння і бере участь у її добовому та річному русі. Вона називається атмосферою.

Нижня межа атмосфери збігається з земною по­верхнею.

Верхня межа атмосфери виражена дуже нечітко, бо в міру віддалення від поверхні Землі повітря поступово розріджується, хоч і не зникає остаточно. На висоті близько 3000 км густина його наближається до густини речовини в міжпланетному просторі, який не можна вва­жати абсолютною пустотою.

Чисте сухе повітря складається з механічного поєд­нання кількох газів: азоту (78,09%), кисню (20,95%), аргону (0,93%), вуглекислого газу (0,03%) та інших га­зів (неону, гелію, криптону, ксенону, аміаку, водню, ро-дону і озону), кількість яких дуже незначна. Підр. 3 кл с. 89 – 91.

Винятково велике значення кисню в життєвих процесах на Землі. За допомогою його здійснюється дихання. Людина на добу використовує не менше 13 м³ повітря. Кисень входить до складу білків, жирів, вуглеводів. За рахунок окислення організми одержують енергію, необхідну для життєвих процесів. Основним постачальником кисню є рослини.

Азот в повітрі відіграє роль розріджувача кисню. Він регулює темпи окислення, хід біологічних процесів.

Потрібний рослинам і вуглекислий газ, який вони поглинають. Вуглекислий газ добре розчиняється у воді. Він один із регуляторів тепла в атмосфері.

В атмосфері є й вода в газоподібному стані— во­дяна пара, кількість якої коливається в межах від 0 до 4% за обсягом. Наявність води в атмосфері визначає явища, які відбуваються в ній: серпанок, туман, хмари, опади, грози тощо.

Крім газоподібних складових частин, в атмосфері завжди є в завислому стані дрібнісінькі тверді і рідкі частки (дим, пил, краплини води тощо) — аерозолі. В од­ному кубічному сантиметрі повітря є тисячі пилинок. Спостереження з Космосу виявили існування навколо земної кулі трьох добре виражених зон підвищеної за­пиленості повітря: приземної (7 км), стратосферної (7—33 км) і висотної (над цим рівнем). Пилинки першої і другої зон земного походження; утворення останніх зв'язане з випаданням метеоритної матерії.

Аерозолі впливають на колір атмосфери. Внаслідок розсіювання світлових променів молекулами газів чиста атмосфера має блакитний колір. Якщо в атмосфері бага­то домішок, вона стає мутною, білуватою. Домішки є ядрами конденсації вологи, утворюючи хмари. Підр. 3 кл. с. 86-89

 

Атмосферу поділяють на п'ять повітряних шарів-сфер, які різняться своїми властивостями, зокрема температу­рою.

Нижній шар атмос­фери, в якому міститься близько 80% її маси, на­зивається тропосферою. Шар поширюється до висоти 17 км над екватором і 8 км над полюсами.В тропосфері перебуває майже вся водяна пара атмосфери, у ній чітко спостерігається знижен­ня температури від зем­ної поверхні вгору, в се­редньому на 6,5° на кож­ний кілометр висоти і на верхній межі досягає -70⁰.

В тропосфері відбу­вається безперервний гори­зонтальний і вертикаль­ний рухи повітря, утворен­ня хмар і випадання з них опадів. У приземному ша­рі різко виражені зміни температури протягом до­би і року.

Вищий шар атмосфе­ри — стратосфера, в якій повітря дуже розрідже­не, майже не містить во­дяної пари. Верхня межа якого знаходиться на висоті 50-60 км. На висоті 20— 26 км утворюються то­ненькі хмари, які скла­даються з кристалів льо­ду і крапель переохолод­женої води. Розріджене повітря складається з тих саме газів, що і тропосфера, але в ньому значно більше озону. Найбільша концентрація озону спостерігається на висоті 15 – 30 км.

Температура з висотою змінюється дуже повіль­но. На нижній межі вона протягом року дорівнює —45—75°, а на верхній — підвищується до + 50 + 55°.

Значна різниця в тем­пературах зумовлює вели­ку швидкість вітру в стра­тосфері — до 340 км/год.

Мезосфера відзначається великими змінами темпера­тури з висотою. До висоти 60 км температура досягає + 20°, а на висоті 75 км вона знижується до —75°, знову піднімаючись на висоті 75—85 км до -90°, де влітку утворюють­ся блискучі тонкі хмари — сріблясті, які складаються, мабуть, з переохолодженої водяної пари. Рух їх свідчить про мінливість напряму і швидкості руху повітря (від 60 до кількох сотень км/год).

 

Термосфера простягаєтьсяд висоти 500 – 800 км, характерна різким підвищенням темпе­ратури з висотою (на верхній межі вона досягає +1000°) і великою іонізацією розрідженого газу, який розміщує­ться шарами з неоднаковою густиною іонізації. Іонізо­вані шари газів, які утворюються під впливом ультра­фіолетового сонячного проміння, відбивають, поглинають і заломлюють радіохвилі, тому дуже впливають на ра­діозв'язок. Під впливом Сонця в термосфері виникають полярні сяйва. Швидкість вітру досягає 225 км/год.

 

Екзосфера — найвища сфера, з якої гази розсіюються в міжпланетний простір внаслідок колосальної розрід­женості величезною кількістю водяної пари. Ця вторинна атмосфера пізніше, з виникненням життя, збагатилась киснем, який, очевидно, є продуктом діяльності біосфери. Вважають, що температура в екзосфері підвищується до +2000°. На висоті 1000 км екзосфера втрачає атоми легких газів, особливо водню, який утво­рює навколо Землі так звану земну корону.

Як відзначено вище, в процесі диференціації первісної речовини Землі навколо неї утворилась атмосфера. Але великий початковий обертальний момент Землі спричинився до її втрати. Первинна атмосфера майже повністю розсіялась у світовому просторі (головним чи­ном її найлегші елементи). Лише під впливом внутрішніх процесів. Земля виділила вторинну атмосферу

Атмосфера відіграє величезну роль у житті Землі. Вона захищає земну поверхню від надмірного нагрі­вання вдень і охолодження вночі та перерозподіляє во­логу на Землі. Атмосфера — необхідна умова органіч­ного життя на Землі, разом з тим вона оберігає все жи­ве від згубного впливу ультрафіолетового проміння, а також захищає поверхню Землі від численних метеори­тів, абсолютна більшість яких згорає в повітрі.

З атмосферою взаємодіють інші оболонки Землі. Так, між атмосферою і літосферою існує постійний теплооб­мін. В атмосфері утворюються опади, які, випадаючи на поверхню Землі, утворюють ріки, озера, збагачують ґрунтові води, а також поповнюють водою моря і океани. Текучі води разом з вітром видозмінюють земну поверх­ню, руйнуючи гірські породи, переносячи і акумулюючи їх в інших місцях. У свою чергу рельєф суші впливає на переміщення повітряних мас атмосфери, змінюючи їх на­прям і швидкість.

Атмосфера з біосферою тісно зв'язана. Кисень атмо­сфери потрібний для життя всіх тварин, за винятком деяких бактерій, а джерелом надходження його в атмо­сферу є зелені рослини, які в свою чергу засвоюють з атмосфери вуглекислий газ. Значна кількість азоту за­своюється з повітря ґрунтовими азотфіксуючими бакте­ріями.

Отже, між усіма оболонками Землі відбувається без­перервний взаємний обмін елементами; в результаті яко­го між «йми створюється рухома рівновага. Найважли­віша роль у цій взаємодії і обміні речовин належить атмосфері. Без атмосфери Земля була б позбавленою життя пустинею.

Вивчають атмосферу на метеорологічних станціях. І вдень і вночі, в будь-яку погоду метеорологи ведуть спостере­ження за станом нижнього шару атмосфери. Чотири рази на до­бу, а на багатьох станціях щогодини вимірюють температуру, тиск, вологість повітря, спостерігають за хмарністю, напрямом і швидкістю вітру, кількістю опадів, електричними й звуковими явищами в атмосфері. Метеорологічні станції збудовано всюди: на безлюдному материку Антарктиди і у вологих тропічних лісах, на високих горах і просторах тундри. Ведуть спостере­ження і на океанах, на спеціально збудованих кораблях по­годи.

З 30-х років нашого століття ведуть спостереження у більш високих шарах атмосфери. Почали запускати радіозонди, які піднімаються на висоту 20—30 км і за допомогою радіопередатчиків посилають на Землю відомості про температуру, тиск, вологість повітря і швидкість вітру.

Тепер широко використовують метеорологічні ракети і супут­ники, на яких є установки для фотографування земної поверхні та хмар.

1961 р. ознаменувався новими успіхами у вивченні верхніх шарів атмосфери. 12 квітня 1961 р. перший космонавт світу Юрій Олексійович Гагарін здійснив політ навколо Землі. З цих пір космічні кораблі і станції, які літають на великих висотах, дають нам уявлення про процеси, що відбуваються далеко від Землі.

 

 

2. Основні процеси в атмосфері відбуваються під впли­вом випромінювання Сонця — сонячної радіації. Сонце — основне джерело тепла й світла на Землі. Ця велетенська газова куля з темпера­турою на поверхні майже 6000° С випромінює велику кількість енергії, яку називають сонячною радіацією. Вона на­гріває нашу Землю, приводить у рух повітря, утворює кругово­рот води, створює умови для життя рослин і тварин.

Кількість сонячної радіації, яку дістає поверхня, залежить від кута падіння променя: чим менший кут падіння променя тим менша інтенсивність сонячної радіації, а також від тривалості освітлення поверхні сонячним промінням.

Проходячи через атмосферу, частина сонячної радіації поглинається, частина розсіюється і відбивається. Тому потік сонячної радіації, приходячи до поверхні Землі, поступово слабшає.

Сонячна радіація надходить на поверхню Землі прямою і роз­сіяною. Пряма радіація — це потік паралельного промін­ня, яке йде безпосередньо від диску Сонця. Розсіяна ра­діація надходить з усього небозводу. Вважається, що надхо­дження тепла від Сонця на 1 га Землі рівнозначне спалюванню майже 143 тис. т вугілля. Сукупність прямої і розсіяної радіації становить с у м а р н у радіацію. Величина її зменшується від екватора до полюсів.

Сонячне проміння, проходячи через атмосферу, мало її нагрі­ває. Нагрівається атмосфера від поверхні Землі, яка, погли­наючи сонячну енергію, перетворює її на теплову. Частинки по­вітря, стикаючись із нагрітою поверхнею, одержують тепло й відносять його в атмосферу. Так нагріваються нижні шари атмосфери. Очевидно, чим більше одержує поверхня Землі со­нячної радіації, тим сильніше вона нагрівається, тим сильніше нагрівається від неї повітря.

 

3. Температуру повітря вимірюють термометрами (ртут­ними і спиртовими). Підр. 3 кл. с. 83-84. Робота термометра грунтується на розширенні об’єму ртуті, спирту, газу. Спиртові термометри застосовують, коли температура повітря буває нижчою за

-38°С. На метеорологічних станціях термометри вміщують в особливій будці, збудова­ній з окремих, розміщених під певним кутом пластинок (жалюзей), між якими вільно циркулює повітря. Пряме сонячне проміння не потрапляє на термометри; таким чином, температуру повітря вимірюють у тіні. Сама будка знаходиться на висоті 2 м від земної поверхні.

Численні спостереження за температурою повітря показали, що найвища температура спостерігалася в м. Тріполі, яке називають полюс спеки (Африка; + 58°С), найнижча — на станції Восток в Антарктиді, яка знаходиться на відстані 1260 км від берега. 21 липня 1983 р. була зафіксована температура -89,2⁰С. Станція стоїть на висоті 3488 м над рівнем моря, атмосферний тиск 440 мм рт. ст. (норма 760 мм рт. Ст.), вода кипить при t^о =86^о (шматок м’яса варять у скороварці півдня, хліб випікати неможливо).

Надходження сонячного тепла і розподіл температури повіт­ря залежить від:

· широти місця. У тропічну область потрапляє більше тепла від Сонця, ніж у помірні й полярні широти. Найбільше тепла одержують екваторіальні області.

· Розподілу суші і води. Вода — теплоємне тіло. Теплоємність води в два рази більша від теплоємності порід, з яких складається суша. Тому вода значно повільніше нагрівається і повільніше остигає. Океани в тропічних широтах являють собою своєрідні нагромаджувачі тепла на Землі. Суша швидше нагрівається і швидше остигає. Над океанами спостерігається плавний хід як добових, так і річних температур, на суші спостерігаються їх різкі зміни. Вплив океану і суші можна проілюструвати такими даними: різниця в температурі (амплітуда) між найтеплішим і найхолоднішим місяцями для Лондона—14°C, Москви — 28°C, Свердловська — 33°C, Якутська — 62°C. Найбільша температура у м. Верхоянськ – 1096,7° (-70° С; +36,7°С).

· Великий вплив на розподіл тепла мають морські течії. Теплі течії сприяють підвищенню температури, холодні — зниженню. Так, води північної частини Атлантичного океану коло берегів Європи, де проходить тепла Північно-Атлантична течія, ніколи не замерзають, на берегах Скандинавського півострова ростуть ліси, тоді як на цих самих широтах коло берегів Північної Америки Атлантичний океан замерзає, а півострів Лабрадор вкритий тундрою. Найбільш рівний клімат на Маріанських островах: найнижча в 1934 р. +19°С, найвища 9 вересня 1934 р. +31,4°C (амплітуда 11,8).

· Температура повітря залежить від висоти місцевості над рівнем моря. На кожні 100 м температура в середньому знижується на 0,6°. Ось чому на високих горах сніг не тане навіть влітку, утворюючи величезні площі льодовиків.

Розподіл температури повітря над поверхнею Землі залежить від широти місця, розподілу суші й води, морських течій, від висоти місця над рівнем моря і віддаленості від моря. Розподіл тепла на земній поверхні можна добре простежити за картами ізотерм. Ізотерми—лінії, які сполучають місця з однаковою середньою температурою. У навчальній практиці частіше користуються ізотермами липня (найтеплішого місяця в північній півкулі) і січня (найхолоднішого).

4. Довгий час вважали повітря невагомим тілом. Такий погляд підтримувала релігія. І тільки на початку XVII ст. італійський учений Галілей довів вагомість повітря. Він зробив простий дослід — зважив порожню пляшку, а потім цю саму пляшку зважив після нагрівання. Виявилося, що вага пляшки після нагрівання стала меншою. Галілей пояснив це явище так: повітря як усяке матеріальне тіло, при нагріванні розширює­ться, отже, частина його вийшла з пляшки, тому вона стала легшою.

Але якщо повітря має вагу, воно повинне тиснути на всі предмети, які знаходяться на поверхні Землі. Цим питанням займався учень Галілея — Торрічеллі. Взявши запаяну з одного кінця метрову трубку, він заповнив її ртуттю. Потім перевернув її і відкритим кінцем опустив у чашку з ртуттю. При цьому трохи ртуті вилилося з трубки, але більша частина її залиши­лась приблизно на рівні 76 см. Що ж перешкодило всій ртуті вилитися з трубки? Торрічеллі дав правильне пояснення: причи­ною є тиск повітря на поверхню ртуті. Цей тиск урівноважується вагою ртуті, яка залишилася в трубці.

Пізніше зважили повітря. Виявилося, що на рівні моря 1л його важить 1,3г. На кожний см² земної поверхні атмосфера тисне з силою 1,033 кг. Тиск вимірюють у міліметрах (мм) ртутного стовпа і в мілі­барах (скорочено мб). Маса ртутного стовпа висотою 760 мм при поперечному перерізі 1 см² становить 1033 мб. Нормальним тиском на рівні моря вважається 1013 мб або 760 мм ртутного стовпа (1 атмосфера).

За тиском повітря та його зміною ведуть систематичні спо­стереження. Основним приладом, за допомогою якого визна­чають тиск на метеорологічних станціях, є ртутний баро­метр. У деяких випадках (особливо в подорожах) користують­ся металевим барометром — анероїдом. Крім цих приладів є барограф. Він записує зміну тиску.

У зв'язку з тим, що стовп атмосфери з висотою зменшується, зменшується й тиск. На кожні 10,5м підняття тиск знижується на 1 мм (цю величину називають барометричним сту­пенем). Людина у своїй практичній діяльності широко вико­ристовує ці дані. Наприклад, треба визначити висоту гори: для цього беруть відліки показань тиску по барометру біля підошви і на вершині. Вираховують різницю в показаннях барометра, множать її на 10,5 м і одержують приблизно висоту гори.

Спостереження на метеорологічних станціях показують, що тиск у будь-якому місці постійно змінюється — то підвищується, то знижується. Ці зміни показує барограф, на стрічці якого видно запис змін тиску.

Тиск повітря залежить також і від його темпе­ратури. Підр. 3 кл. с. 88.

Від нагрівання повітря розширяється, піднімається вгору і розтікається в усіх напрямах. Від охолодження воно стискується, опускається вниз, внаслідок чого у верхніх шарах до охолодженого місця звідусіль ринуть нові маси повітря. Тому тиск теплого повітря менший, ніж холодного, тобто із зміною температури повітря мі­няється його тиск.

Для графічного зображення на картах розподілу тис­ку по Землі використовують ізобари — лінії, які сполу­чають місця з однаковим тиском, зведеним до рівня океану.

У зв'язку з нерівномірним нагріванням земної поверх­ні, величина тиску навіть на однакових висотах різна протягом року і відмінна в різних районах земної кулі. Зміни тиску мають переважно неперіодичний характер. Проте на їх фоні виявляються і періодичні добові та річ­ні коливання.

Добовий хід тиску має два максимуми (о 10 і 22 год за місцевим часом) і два мінімуми (о 4 і 16 год).

Річні амплітуди коливань тиску збільшуються в на­прямі від низьких до високих широт. Залежно від різних умов в атмосфері створюються, в певні періоди, області з типовим розподілом атмосфер­ного тиску. Так, у січні всю Азію, Європу і Північну Америку, тобто материки, що взимку охолоджуються і охолоджують повітря, яке поступово ущільнюється, охоплює пояс високого тиску. Ущільнення повітря над материками зумовлює приток повітря ззовні, зокрема повітря надходить з океанів із верхніх шарів тропосфери; це призводить до збільшення маси повітря над материком, тому тиск підвищується. В південній півкулі, де в цей час літо (в Австралії, Африці і Південній Америці), тиск невисокий.

У липні навпаки: на суші північної півкулі, яка дуже нагрівається, тиск низький, тому що повітря прогрівається, піднімається вгору і розтікається в бік океанів, а на суші південної півку­лі— високий. На океанах зміна тиску за порами року менша.

В деяких районах є області майже незмінного тиску протягом року. Так, по обидва боки екватора (до 25° широти) існують екваторіальний пояс зниженого тиску (барометричний мінімум) і субтропічні пояси високого тиску (між 25—35° широти) — субтропічні барометричні максимуми. Області підвищеного й зниженого тиску протягом ро­ку мігрують з одного місця на інше, залежно від умов нагрівання земної поверхні в різні пори року.

Атмосферний тиск є основною причиною горизонталь­ного руху повітря.