Атмосфера: вертикальное строение, состав, горизонтальная структура тропосферы.

Атмосфера — это внешняя газовая оболочка Земли. Верхняя часть атмосферы, граничащая с космическим пространством, называется экзосферой, или внешней атмосферой. Она простирается до высоты 2—3 тыс. км. В ней происходит рассеивание (диссипация) атомов наиболее легких элементов — водорода и гелия, слагающих этот слой, в космическое пространство. Вертикальное строение атмосферы. Атмосфера обладает ярусным строением (рис. II. 7). Нижнюю ее часть, непосредственно прилегающую к земной поверхности, называют тропосферой. Ее средняя мощность около 11 км (в полярных широтах 8 км, в экваториальных— 17 км). В тропосфере сосредоточено свыше 80 % всей массы атмосферы. Физические свойства воздуха тропосферы тесно связаны с характером земной поверхности (метеорологи, подчеркивая эту связь, называют поверхность подстилающей). От земной поверхности тропосфера получает тепло. Живые организмы и выветривание горных пород, осадкообразование и другие процессы, происходящие на суше и в океане, формируют газовый состав тропосферы, а через нее — и более высоких слоев атмосферы. В тропосфере наблюдается отчетливо выраженное снижение температуры с высотой. В среднем оно составляет 0,6°С на 100 м высоты. Снижение температуры связано в основном с расширением воздуха под воздействием уменьшения с высотой внешнего давления, а также с переносом тепла от земной поверхности.

Для тропосферы характерно интенсивное движение воздуха. В ней происходят вертикальные и

горизонтальные перемещения воздушных масс. Тропосфера содержит основное количество всей атмосферной влаги в виде водяного пара и капель воды (облака, туман), а также кристаллов льда, града и др. В тропосфере зарождаются и развиваются пассаты и муссоны, ураганы и другие явления. На верхней границе тропосфера завершается тонким (около 1 км) переходным слоем — тропопаузой. Выше тропопаузы не поднимаются вертикальные токи воздуха, обусловленные различиями его нагревания и увлажнения от земной поверхности (атмосферная конвекция). Выше тропопаузы находится стратосфера. В стратосфере до высоты около 20 км падения температуры не наблюдается; в изотермическом слое она около —60, —70 °С. Это — нижняя стратосфера. Выше находится слой постепенного повышения температуры, обусловленного преимущественно нагреванием озона за счет коротковолновой радиации (см. гл. I). Этот слой называют верхней стратосферой. Стратосферу также называют озоносферой, так как в ней наблюдается повышенное содержание озона (максимум на высоте около 25 км). Над стратосферой располагается мезосфера, простирающаяся до высоты около 80 км. В мезосфере температура вновь (как и в тропосфере) снижается и достигает —90 °С. Еще выше находится термосфера, или ионосфера, простирающаяся до высот 800—1000 км. В ней температура воздуха повышается: на высоте около 150 км — до 220 °С, на высоте 600 км — до 1500 °С (температура высоких слоев атмосферы определяется по скорости кинетического движения частиц). Термосфера поглощает рентгеновское излучение солнечной короны. Выше 1000 км находится экзосфера (внешняя атмосфера). В ней скорость движения атомов и молекул газов достигает второй космической, т. е. 11,2 км/с. Это позволяет им преодолевать земное притяжение и рассеиваться в космическом пространстве. Наиболее интенсивно уходят атомы водорода, которые образуют вокруг земной атмосферы корону, заканчивающуюся на высоте 2—3 тыс. км.

Состав атмосферы. Воздух состоит из совокупности постоянных и переменных компонентов. К постоянным компонентам относятся газы, образующие основную массу атмосферы: азот — 78 % по объему, 76 % по массе, кислород — соответственно 21 и 23, аргон — 0,93 %, неон, гелий, криптон, ксенон и др. Постоянство количества азота и кислорода определяется равновесием между процессами выделения свободного кислорода и азота (преимущественно живыми организмами) и их поглощением в процессе химических реакций. Это активные компоненты. Аргон и другие газы инертные. Они не участвуют в реакциях, происходящих в атмосфере и других оболочках Земли. Переменными компонентами атмосферного воздуха являются диоксид углерода СО2) водяной пар, озон, аэрозоли. Диоксид углерода занимает всего около 0,03 % объема воздуха. Его содержание колеблется по сезонам года, изменяется в многолетнем разрезе и неодинаково в разных районах земного шара. Содержание диоксида углерода зависит от природных процессов и хозяйственной деятельности человечества.

Водяной пар поступает в атмосферу от подстилающей поверхности. Его содержание еще более

изменчиво, оно зависит от физико-географических условий подстилающей поверхности, времени года и суток. У земной поверхности содержание водяного пара изменяется от 0,2 % в полярных районах до 2,5 % у экватора, в ряде случаев достигает 4 %. С высотой содержание водяного пара довольно быстро убывает, снижается практически до нуля на верхней границе тропосферы. Диоксид углерода и водяной пар служат атмосферными фильтрами, задерживающими длинноволновое излучение земной поверхности. Таким образом они обусловливают оранжерейный (парниковый, тепличный) эффект атмосферы, имеющий очень большое значение как термодинамический фактор.

Горизонтальная структура тропосферы. Тропосфера делится на воздушные массы, под которыми понимают большие объемы воздуха, соизмеримые со значительными частями материков и океанов, сравнительно однородные по температуре, влажности и другим характеристикам. В тропосфере одновременно существует несколько десятков воздушных масс, которые постоянно перемещаются, изменяют свои физические характеристики—трансформируются и приносят с собой свойственную им погоду: жаркую, сухую, дождливую, холодную и т. д. Смежные воздушные массы контактируют в зонах атмосферных фронтов, под которыми понимают пограничные слои, разделяющие эти массы. Ширина пограничного переходного слоя составляет обычно несколько десятков километров. На атмосферных фронтах происходят наиболее интенсивные движения воздуха, поскольку в них встречаются воздушные массы, обладающие различными физическими свойствами: температурой, влажностью и, следовательно, плотностью и т. д На фронтах зарождаются огромные вихревые движения воздуха — циклоны и антициклоны. В зоне фронтов выпадают, как правило, осадки, наблюдаются резкие смены погоды. Таким образом, атмосферные фронты являются наиболее динамичными частями тропосферы.

 

Билет № 5

Форма и размеры Земли. Эволюция взглядов о форме Земли. Значение шарообразности Земли. Развитие представлений о фигуре Земли: шар, эллипсоид вращения, геоид. Географическое значение фигуры и размеров Земли.

Форма и размеры Земли. Впервые предположение о шарообразной форме Земли высказывали ещё античные мыслители. Они основывались на некоторых наблюдениях и философских представлениях о шаре как идеальной форме. Греческий учёный Эратосфен (273—192 гг. до н.э.) не только установил, что наша планета шарообразная, но и с помощью простых средств измерил её окружность и радиус (по Эратосфену, окружность земного шара равна 252 тыс. аттических стадий, то есть 39 690 км - прим. от geoglobus.ru). Ученый утверждал, что если плыть от Пиренейского полуострова на запад, то можно достичь Индии. В середине XV в. Колумб, отправляясь на поиски западного пути в Индию, руководствовался именно этой идеей. В конце XVII — начале XVIII в. Исаак Ньютон теоретически обосновал, что под воздействием силы тяжести Земля должна быть сплюснута у полюсов и является эллипсоидом вращения.

Позднейшие геодезические и астрономические исследования позволили определить истинную форму и размеры Земли. Известно, что планета сформировалась под действием двух сил — силы взаимного притяжения её частиц и центробежной силы, возникающей из-за вращения планеты вокруг своей оси. Сила тяжести представляет собой равнодействующую этих двух сил. Степень сжатия зависит от угловой скорости вращения: чем быстрее вращается тело, тем больше оно сплющивается у полюсов. Расстояние от центра планеты до экватора называется экваториальным радиусом и составляет 6378,2 км, а расстояние до полюса — полярным радиусом и равно 6356,8 км. Разница полярного и экваториального радиусов составляет примерно 21 км. Следовательно, наша планета действительно не похожа на ровный шар, а сплющена у полюсов и является эллипсоидом. Детальные измерения с помощью искусственных спутников показали, что Земля сжата не только на полюсах, но и по экватору (наибольший и наименьший радиусы по экватору отличаются на 210 м - прим. от geoglobus.ru), а значит, является трехосным эллипсоидом. Согласно последним расчётам, этот эллипсоид несимметричен и по отношению к экватору — южный полюс расположен к экватору немного ближе, чем северный. Истинную геометрическую форму Земли назвали геоидом — телом с воображаемой поверхностью, совпадающей с поверхностью спокойного океана, которая на суше мысленно продолжается под материками и островами. Рельеф нашей планеты неровен — низменные равнины чередуются с высокими горными хребтами, а на дне океана обнаружены глубоководные впадины. Высочайшая точка на Земле — гора Джомолунгма в Гималаях — достигает высоты 8848 м. Самая глубокая впадина Мирового океана — 11 022 м — обнаружена в Марианском жёлобе Тихого океана. Таким образом, наибольшая амплитуда рельефа земной поверхности составляет примерно 20 км. Определением размеров и формы Земли, измерениями на земной поверхности и их отображением на планах и картах занимается наука геодезия (от греч. geodaisia — землеразделение, где ge — Земля и daio — делю, разделяю - прим. от geoglobus.ru). Данные о размерах и гравитационном поле Земли имеют большое значение для изучения космического пространства и запуска космических летательных аппаратов. Составленные геодезистами планы и карты необходимы для военных, строителей, геологов и многих других специалистов.

Эволюция взглядов о форме Земли. Хотя даже в эпоху Христофора Колумба многие полагали, что Земля плоская (и сегодня кое кто все еще придерживается этого мнения), современная астрономия уходит корнями во времена древних греков. Около 340 г. до н. э. древнегреческий философ Аристотель написал сочинение «О небе», где привел веские аргументы в пользу того, что Земля скорее является сферой, а не плоской плитой. Одним из аргументов стали затмения Луны. Аристотель понял, что их вызывает Земля, которая, проходя между Солнцем и Луной, отбрасывает тень на Луну. Аристотель заметил, что тень Земли всегда круглая. Так и должно быть, если Земля — сфера, а не плоский диск. Имей Земля форму диска, ее тень была бы круглой не всегда, но только в те моменты, когда Солнце оказывается точно над центром диска. В остальных случаях тень удлинялась бы, принимая форму эллипса (эллипс — это вытянутая окружность). Свое убеждение в том, что Земля круглая, древние греки подкрепляли и другим доводом. Будь она плоской, идущее к нам судно сначала казалось бы крошечной, невыразительной точкой на горизонте. По мере его приближения проступали бы детали — паруса, корпус. Однако все происходит иначе. Когда судно появляется на горизонте, первое, что вы видите, — это паруса. Только потом вашему взгляду открывается корпус. То обстоятельство, что мачты, возвышающиеся над корпусом, первыми появляются из за горизонта, свидетельствует о том, что Земля имеет форму шара (рис. 1).

Древние греки много внимания уделяли наблюдениям за ночным небом. Ко времени Аристотеля вот уже несколько столетий велись записи, отмечающие перемещение небесных светил. Благодаря тому, что Земля имеет форму шара, мачты и паруса судна появляются из за горизонта раньше, чем корпус. Было замечено, что среди тысяч видимых звезд, которые двигались все вместе, пять (не считая Луны) перемещались своим, особым манером. Иногда они отклонялись от обычного направления с востока на запад и пятились назад. Эти светила назвали планетами, что в переводе с греческого означает «блуждающий». Древние греки наблюдали только пять планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, потому что только их можно увидеть невооруженным глазом. Сегодня мы знаем, почему планеты движутся по таким странным траекториям. Если звезды почти не перемещаются по отношению к Солнечной системе, планеты обращаются вокруг Солнца, поэтому их путь по ночному небу выглядит гораздо сложнее движения далеких звезд. Аристотель считал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он верил в это, полагая, в силу мистических причин, что Земля — центр Вселенной, а круговое движение — самое совершенное. Во втором веке нашей эры другой греческий ученый, Птолемей, развил эту идею, построив всеобъемлющую модель небесных сфер. Птолемей был увлеченным исследователем. «Когда я изучаю спирали движения звезд, — писал он, — я уже не касаюсь ногами земли».

В модели Птолемея Землю окружали восемь вращающихся сфер. Каждая следующая сфера больше предыдущей — подобно русским матрешкам. Земля помещается в центре. Что именно лежит за границей последней сферы, никогда не уточнялось, но это определенно было недоступно человеческому наблюдению. Так что самую дальнюю сферу считали своего рода границей, вместилищем Вселенной. Предполагалось, что звезды занимают на ней фиксированные места, так что при вращении этой сферы они движутся по небу все вместе, сохраняя взаиморасположение, — что мы и наблюдаем. На внутренних сферах размещаются планеты. В отличие от звезд, они не закреплены жестко, а движутся относительно своих сфер по небольшим окружностям, называемым эпициклами. Это вращение вкупе с вращением планетных сфер и делает движение планет относительно Земли таким сложным (рис. 2). Этим построением Птолемей сумел объяснить, почему наблюдаемые пути планет по звездному небу гораздо сложнее круговых. Модель Птолемея позволяла с достаточной точностью предсказывать положения светил на небе. Но ради этого Птолемей вынужден был допустить, что в некоторые моменты Луна, следуя по своему пути, подходит к Земле вдвое ближе, чем в иное время. А это значит, что в такие моменты Луна должна казаться вдвое крупнее! Птолемей знал этот недостаток своей системы, и все же она получила широкое, хотя и не всеобщее признание. Христианская церковь сочла эту картину мира соответствующей Священному Писанию, поскольку она оставляла достаточно места для рая и ада за пределами сферы неподвижных звезд — немалое преимущество. В модели Птолемея Земля является центром Вселенной, заключенным внутри восьми сфер, на которых размещаются все небесные тела.
Однако в 1514 г. польский каноник Николай Коперник предложил другую модель мира. (Сначала, возможно из страха прослыть еретиком, Коперник распространял свою теорию анонимно.) Революционная идея Коперника состояла в том, что не все небесные тела должны вращаться вокруг Земли. Он утверждал, что Земля и планеты обращаются по круговым орбитам вокруг неподвижного Солнца, покоящегося в центре Солнечной системы. Подобно модели Птолемея, теория Коперника работала хорошо, но все же не полностью соответствовала наблюдениям. Ее относительная простота — в сравнении моделью Птолемея, — казалось бы, сулила быстрый успех. Однако прошло почти столетие, прежде чем ее приняли всерьез. Два астронома — немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей — открыто встали на сторону теории Коперника. В 1609 г. Галилей начал наблюдать ночное небо при помощи изобретенного им телескопа. Посмотрев на Юпитер, он обнаружил, что эту планету сопровождают несколько маленьких спутников, обращающихся вокруг нее. Это указывало, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли, как считали Аристотель и Птолемей. В то же самое время Кеплер усовершенствовал теорию Коперника, предположив, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам. С учетом этой поправки предсказания теории неожиданно в точности совпали с наблюдениями. Открытия Галилея и Кеплера стали смертельными ударами для птолемеевской модели. Хотя предположение об эллиптической форме орбит позволило усовершенствовать модель Коперника, сам Кеплер считал его лишь средством подгонки теории под наблюдения. Умом его владели предвзятые, умозрительные идеи об устройстве природы. Подобно Аристотелю, Кеплер считал эллипсы менее совершенными фигурами, чем окружности. Мысль о том, что планеты движутся по таким несовершенным орбитам, настолько претила ему, что он не признавал ее окончательной истиной. Беспокоило Кеплера и другое: представление об эллиптических орбитах было несовместимо с его идеей о том, что планеты обращаются вокруг Солнца под действием магнитных сил. И хотя тезис Кеплера о том, что магнитные силы обусловливают вращение планет, оказался ошибочным, нельзя не признать прозрением ту его мысль, что некая сила ответственна за движение небесных тел.

Правильное объяснение того, почему планеты обращаются вокруг Солнца, появилось намного позже, в 1687 г., когда Исаак Ньютон опубликовал свои «Математические начала натуральной философии», вероятно самый значительный из когда либо изданных физических трудов. В «Началах» Ньютон сформулировал закон, согласно которому всякое неподвижное тело остается в покое, пока это состояние не нарушит какая либо сила, и описал, как под воздействием силы тело движется или меняет свое движение.

Итак, почему же планеты движутся по эллипсам вокруг Солнца? Ньютон заявил, что за это ответственна специфическая сила, и утверждал, что это та же самая сила, что вынуждает предметы падать на Землю, а не оставаться в покое, когда мы их отпускаем. Он назвал эту силу гравитацией. (Прежде, до Ньютона, английское слово gravity означало серьезное настроение, а также свойство предметов быть тяжелыми.) Ньютон также разработал математический аппарат, позволяющий количественно описать, как реагируют тела на действие сил, подобных гравитации, и решил получившиеся уравнения. Таким образом, Ньютон сумел доказать, что притяжение Солнца вынуждает Землю и другие планеты двигаться по эллиптическим орбитам — в точном соответствии с предсказанием Кеплера!

Ньютон провозгласил, что его законы применимы ко всему во Вселенной, от падающего яблока до звезд и планет. Впервые в истории движение планет объяснялось действием тех же законов, что определяют движение на Земле, и этим было положено начало современной физике и астрономии. После отказа от Птолемеевых сфер не оставалось никаких причин думать, что Вселенная имеет естественные границы (очерченные самой дальней сферой). И поскольку положения звезд казались неизменными, если не считать их суточного движения по небу, вызванного вращением Земли вокруг своей оси, естественно было предположить, что звезды — это объекты, подобные нашему Солнцу, только очень очень далекие. И теперь уже не только Земля, но и Солнце не могло больше претендовать на роль центра мира. Вся наша Солнечная система оказывалась, по всей видимости, не более чем рядовым образованием во Вселенной.

Географическое значение фигуры и размеров Земли. Географическое значение формы и размеров Земли чрезвычайно велико. Вследствие ее шарообразной формы угол падения солнечных лучей на земную поверхность уменьшается от экватора к полюсам, формируются пояса освещенности, тепловые пояса и вообще все природные процессы и явления закономерно изменяются по направлению от экватора к полюсам. Масса и размеры Земли определяют силу земного притяжения, способную удерживать атмосферу определенного состава и гидросферу, без которых невозможна жизнь.

 

Циркуляция вод в океанах.

Циркуляция океана — система замкнутых морских течений, проявляющихся в масштабах океанов или всего земного шара. Подобные течения приводят к переносу вещества и энергии как в широтном, так и в меридиональном направлениях, из-за чего являются важнейшим климатообразующим процессом, влияя на погоду в любом месте планеты.

Основная причина циркуляции океана — вращение Земли вокруг своей оси и обусловленная этим вращением сила Кориолиса, в соответствии с которой основные циклы океанских течений во всех мировых океанах имеют антициклоническое направление. По часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном полушарии.

Кроме того, на поверхностные океанические течения значительное влияние оказывают устойчивые ветра, преимущественно определяющиеся неравномерностью распределения солнечной энергии на поверхности планеты. Течения, вызванные ветрами, называются ветровыми и являются поверхностными, что делает их очевидно наблюдаемыми.

Есть множество и других факторов, влияющих на морские течения, как то: воздействие Луны (приливы), рельеф и очертание материков, рельеф дна, слив материковых вод, химико-физический состав морских вод (Термохалинная циркуляция) и др.

 

Билет № 6