Какие слои выделяют в атмосфере как изменяются свойства воздуха с высотой



Что такое воздух?

Воздух – смесь газов, которыми мы дышим.

Из каких газов он состоит?

Воздух состоит главным образом из азота и кислорода — 98-99 % в сумме, а также аргона, углекислого газа, воды, водорода.

Вопросы и задания

1. По рисунку 105 расскажите о значении атмосферы для жизни на Земле.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли. Она выполняет ряд важнейших функций. Атмосфера защищает все живое на Земле от губительного космического излучения. Атмосферный воздух нужен для дыхания. Таким образом, атмосфера – обязательное условие существования живых организмов. Благодаря атмосфере земная поверхность не перегревается днем, не выхолаживается ночью. В атмосфере сгорают, падающие на Землю метеориты. В атмосфере образуются осадки. В воздушной оболочке возникает ветер. Осадки и ветер важны для живых организмов и являются условием круговорота веществ.

2. Из чего состоит атмосферный воздух? Всегда ли он был таким?

Атмосферный воздух состоит главным образом из азота (78%), кислорода (21%). 1% приходится на другие газы. В состав атмосферы так же входит водяной пар, пылевые частицы. Атмосферный воздух не всегда был таковым. Первичная атмосфера состояла из вулканических газов.

3. Какие слои выделяются в атмосфере? Как изменяются свойства воздуха с высотой?

Атмосфера неоднородна. В ней выделяются слои, отличающиеся плотностью воздуха, температурой, составом газов. Самый нижний слой — тропосфера. Выше следует стратосфера. Над стратосферой существуют еще несколько слоев атмосферы, которые переходят в безвоздушное пространство. С высотой свойства воздуха меняются. Его плотность уменьшается. Сокращается количество кислорода, водяного пара. Температура воздуха падает.

4. Как называется слой атмосферы, где протекает жизнь человека? Каковы его свойства?

Тропосфера — это нижний слой атмосферы, простирающийся до высоты 8-10 км над полюсами, 10-12 км в средних широтах и 16-18 км над экватором.

В тропосфере находится более 4/5 всего атмосферного воздуха. Причем более половины его сосредоточено до высоты 5 км. Температура воздуха убывает здесь с высотой и достигает у верхней границы -55°С. В тропосфере содержится почти вся атмосферная влага.

5. Какие явления происходят в тропосфере?

В тропосфере формируются облака, приносящие дождь, снег, град. Здесь же происходит постоянное движение воздуха, образуется ветер. В тропосфере протекает жизнь человека, растений

6. Как изучают атмосферу? Используя дополнительную литературу, подготовьте сообщение об одном из способов изучения атмосферы?

Основные сведения о погоде и климате получают на метеорологических станциях по инструментальным и визуальным наблюдениям. Они позволяют изучить физическое состояние атмосферы в определенные промежутки времени и проследить за его изменениями. Инструментальные наблюдения осуществляются с помощью специальных приборов, устанавливаемых у поверхности земли на метеорологических станциях и поднимаемых на высоты — на резиновых шарах, самолетах, аэростатах и других летательных аппаратах. При инструментальных наблюдениях получают количественные характеристики таких метеорологических элементов, как температура, влажность, давление воздуха, скорость и направление ветра у поверхности земли и на высотах, а также данные о нижней и верхней границе облаков, количестве осадков, составе воздуха, распределении лучистой энергии и т. п. При визуальных наблюдениях производится качественная оценка формы и количества облаков, видимости, т. е. прозрачности воздуха, характера и интенсивности выпадающих осадков, метелей, гроз, изморози, тумана, росы, инея, зарницы, пыльных бурь и т. п.

Наблюдения производятся на всех метеорологических станциях в одни и те же сроки четыре раза в сутки, а на многих станциях и ежечасно. Кроме того, метеорологические наблюдения по однотипной методике ведутся на многих торговых и военных судах, а также специальных экспедиционных кораблях.

Метеорологические наблюдения проводятся либо на поверхности Земли и в непосредственной близости к ней, либо на некоторой, иногда довольно значительной высоте. Поэтому принято различать наземные и аэрологические наблюдения.

В настоящее время для изучения высоких слоев атмосферы широко применяются радиозонды. Они поднимаются в атмосферу на небольших резиновых или полиэтиленовых воздушных шарах. Радиозонд снабжен маленьким радиопередатчиком, который передает показания прибора на Землю. Принимая сигналы радиозонда, метеорологи определяют давление, температуру и влажность воздуха на различных высотах. За полетом радиозонда метеорологи непрерывно следят с помощью радиолокатора, измеряя при этом направление и скорость ветра на высотах. Ученые установили, что очень короткие радиоволны отражаются не только от металлических предметов, но и от других объектов, например от облаков. Это позволило использовать радиолокационный метод для наблюдений за грозами, зонами осадков и т. д.

При помощи радиозондов изучают атмосферу до высоты 35—40 км. Более высокие слои, до 80— 100 км, исследуются с помощью специальных метеорологических ракет. В головной части метеорологической ракеты помещены приборы для измерения температуры, давления и плотности воздуха. На заданной высоте головная часть ракеты отделяется от ее корпуса и спускается на парашюте. Показания приборов передаются на наземные приемные пункты с помощью особых радиосигналов.

Выдающимся достижением современной науки явились запуски искусственных спутников Земли. С их помощью изучаются верхние слои атмосферы и космическое пространство. В широком комплексе исследований, которые проводятся при помощи спутников, важное место занимают наблюдения за давлением, плотностью и составом воздуха в верхних слоях атмосферы, за лучистой энергией Солнца и т. д.

Метеорологические спутники оборудованы телевизионной, инфракрасной и актинометрической аппаратурой, которая передает на Землю изображения облаков, сведения о приходе и расходе тепла на нашей планете и т. д. Чтобы получить более полную информацию о метеорологических условиях на всей планете сразу, создаются системы из нескольких метеорологических спутников, работающих одновременно.

Изучение верхних слоев атмосферы — одна из наиболее важных проблем метеорологии. Однако первостепенное значение имеет исследование нижнего слоя воздуха, в котором живет и работает человек. Физические явления и процессы, происходящие в слое атмосферы, прилегающем к земной поверхности, изучаются главным образом по данным наблюдений метеорологических станций во многих пунктах земного шара. Сеть таких станций раскинулась и по всей нашей стране. Высоко в горах и в таежных дебрях, среди полей и зыбучих песков, на берегах рек, озер, морей и водохранилищ советские метеорологи ведут наблюдения за многочисленными сложными и порой грозными явлениями природы. Эти наблюдения не прекращаются ни днем, ни ночью, ни в летний зной, ни в зимнюю стужу. Даже на дрейфующих льдах Арктики и среди вечных снегов Антарктиды несут непрерывную вахту разведчики погоды. В своей работе они пользуются не только обычными метеорологическими приборами — термометрами, барометрами, анемометрами, различными самописцами и т. д., но и специальными радиолокаторами, самолетами, морскими кораблями.

Атмосфера Земли представляет собой внешнюю оболочку, которая состоит преимущественно из газов. Атмосфера планеты  — это газовая масса движется вместе с Землей. Можно также выразиться, что атмосфера постепенно, плавно перетекает в космическое пространство.

Кстати, в нашей Солнечной системе атмосфера есть у всех основных планет, кроме Меркурия.

Атмосфера Земли вместе с планетой вращается против часовой стрелки – с запада на восток. Из-за вращения она, как и Земля, приобретает форму эллипсоида, то есть у экватора её толщина больше, чем у полюсов. Источником энергии для процессов, происходящих в воздушной оболочке является электромагнитное излучение Солнца.

Значение атмосферы для жизни на земле велико, так как она предохраняет планету от столкновения с космическими телами, обеспечивает оптимальные показатели для формирования и развития жизни.

Состав защитной оболочки:

• Азот – 78%.
• Кислород – 20,9%.
• Смесь прочих газов – 1,1% (озон, аргон, неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон, углекислый газ, водяные пары).

Газовая смесь выполняет важную функцию – поглощение излишнего количества солнечной энергии. Состав атмосферы изменяются в зависимости от высоты. Так на высоте 65 км от поверхности Земли азота в ней будет содержаться уже 86%, кислорода – всего 19%.

Атмосфера Земли имеет условные границы

Разные науки и службы по-своему классифицируют границы воздушной оболочки Земли.

• По предложению Международной авиационной федерации земная атмосфера и космос должны граничить на уровне слоя на расстоянии 100 км. Выше этой отметки самолёты летать не могут.
• В географии и других науках верхняя граница атмосферы принята условно на расстоянии в 1000-1200 км от поверхности Земли. Именно эта часть атмосферы Земли вращается вместе с планетой вокруг своей оси и вокруг Солнца, плавно переходя в космическое пространство на уровне экзосферы. Нижняя граница находится на поверхности планеты. Атмосфера связана с другими геосферами тепловлагообменном, её газы есть в почве, воде, в живых организмах.
• Для человека космос начинается уже на высоте в 19-20 км. Из-за низкого давления на этом уровне температура кипения воды сравнивается с температурой тела человека (36,6°С), что приводит к закипанию внутренней среды организма.

Cлои атмосферы Земли

Из-за различных характеристик, которыми обладают газы, слои атмосферы имеют свои особенности и определённую роль во взаимодействиях с Землёй.

Пять слоёв, которые составляют атмосферу Земли:

1. Тропосфера
2. Стратосфера
3. Мезосфера
4. Термосфера
5. Экзосфера

Тропосфера

Это самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах  10-12 км, а над экватором  16-18 км.

Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.

В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы. В ней находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

Слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому облаков и осадков почти не образуется. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает аж 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон. Тот самый озон, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера

Собственно, она берёт своё начало на уровне 50 км. А верхняя граница её располагается на 80-90 км. По научным данным, температура в мезосфере снижается с повышением высоты. Однако здесь преобладает лучистый теплообмен. Кроме того, сложные фотохимические процессы порождают свечение атмосферы Земли.

Доля мезосферы относительно общей массы составляет не больше 0,3%.

Термосфера

Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана несоизмеримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.

С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!

Горячо! При температуре в 1538°C начинает плавиться железо. Но космические аппараты остаются целыми в термосфере. Как? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока — но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.

А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.

Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь.

Облака

Вода на Земле существует не только в необъятном океане и многочисленных реках. Около 5,2 ×10^15 килограмм воды находится в атмосфере. Она присутствует практически везде — доля пара в воздухе колеблется от 0,1% до 2,5% объема в зависимости от температуры и местоположения. Однако больше всего воды собрано в облаках, где она хранится не только в виде газа, но и в маленьких капельках и ледяных кристаллах. Концентрация воды в тучах достигает 10г/м3.  Объем некоторых облаков достигает несколько кубических километров, а масса воды в них соответственно исчисляется десятками и сотнями тонн.

Тут — отдельная статья про основные типы облаков.

Значение атмосферы Земли

Атмосфера является наиболее легкой геосферой Земли, тем не менее ее влияние на многие земные процессы очень велико.

Начнем с того, что именно благодаря атмосфере стало возможно зарождение и существование жизни на планете. Современные животные не могут обходиться без кислорода, а большинство растений, водорослей и цианобактерий — без углекислого газа. Кислород используется животными для дыхания, углекислый газ — растениями в процессе фотосинтеза, благодаря чему создаются необходимые растениям для жизнедеятельности сложные органические вещества, такие как, разнообразные соединения углерода, углеводы, аминокислоты, жирные кислоты.

Подъемом в высоту парциальное давление кислорода начинает снижаться. Значит это, что атомов кислорода в каждой единице объёма становится все меньше и меньше. Начиная с высоты 3 км над уровнем моря у большинства людей начинается кислородное голодание или гипоксия. У человека наблюдается одышка, усиленное сердцебиение, головокружение, шум в ушах, головная боль, тошнота, мышечная слабость, потливость, нарушение остроты зрения, сонливость. Резко снижается работоспособность. На высотах свыше 9 километров дыхание человека становится невозможным и потому находиться без специальных дыхательных аппаратов строго запрещено.

Важной для нормальной жизнедеятельности организмов на Земле является роль атмосферы как защитника нашей планеты от ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, космических лучей, метеоров. Подавляющую часть излучения задерживают верхние слои атмосферы — стратосфера и мезосфера. В результате этого проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Остальная, меньшая часть излучения, рассеивается. Здесь же, в верхних слоях атмосферы, сгорают и метеоры, которые мы можем наблюдать в виде маленьких «падающих звёзд».

Атмосфера служит регулятором сезонных колебаний температур и сглаживания суточных, предотвращая Землю от чрезмерного нагревания днём и охлаждения ночью. Атмосфера, благодаря наличию в её составе водяного пара, углекислого газа, метана и озона, легко пропускает солнечные лучи, нагревающие её нижние слои и подстилающую поверхность, но задерживает обратное тепловое излучение от земной поверхности в виде длинноволновой радиации. Эта особенность атмосферы называется парниковым эффектом. Без него суточные колебания температур нижних слоёв атмосферы достигали бы колоссальных величин: до 200° С и естественно сделали бы невозможным существование жизни в том виде, в котором мы её знаем.

Разные участки на Земле нагреваются неравномерно. Низкие широты нашей планеты, т.е. области с субтропическим и тропическим климатом, получают тепла от Солнца гораздо больше чем средние и высокие — области с умеренным и арктическим (антарктическим) типом климата. По-разному нагреваются материки и океаны. Если первые и нагреваются и охлаждаются гораздо быстрее, то вторые долго поглощают тепло, но в тоже время и также долго его отдают. Как известно теплый воздух является более легким чем холодный, а потому поднимается вверх. Его место у поверхности занимает холодный, более тяжелый воздух. Так образуется ветер и формируется погода. А ветер в свою очередь приводит к процессам физического и химического выветривания, последние из которых формируют экзогенные формы рельефа.

С подъёмом в высоту климатические различия между разными регионами земного шара начинают стираться. А начиная с высоты 100 км. атмосферный воздух лишается возможности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции. Единственным способом передачи тепла становится тепловое излучение, т.е. нагревание воздуха космическими и солнечными лучами.

И только при наличии атмосферы на планете возможен круговорот воды в природе, выпадение осадков и образование облаков.

Использованные источники:

• https://www.sites.google.com/view/geoatmosphera
• https://spacegid.com/atmosfera-zemli.html