Лекция: Атмосфера Земли (естествознание)

           Функции и состав атмосферы. Люди, животные и растения на суше живут на дне охватывающего нашу планету воздушного океана, который называется атмосферой (от греческого атмос - пар, сфера – шар). Толщина атмосферы приблизительно составляет 2 тыс. км, хотя ее верхняя граница как таковая отсутствует.

Газовый состав нижних слоев атмосферы, в особенности тропосферы, почти постоянен. Меняется лишь количество водяных паров и взвешенных частиц органического и минерального происхождения (аэрозолей). Главная особенность нижней части стратосферы – повышенное содержание озона (Оз) на высоте 20-30 км. Он образуется из кислорода, который поглощает ультрафиолетовые лучи, тем самым, предохраняя от их вредного влияния живые организмы, обитающие на Земле.  Общее содержание озона во всей атмосфере соответствует слою чистого озона толщиной 2-4 мм. Выше 90 км в результате происходящих под действием света, меняется химический состав атмосферы. Она обогащается легкими газами. Выше 600 км преобладает гелий. Важная часть атмосферы – водяной пар. Его концентрация составляет около 0,16 % объема атмосферы. С высотой количество водяного пара резко уменьшается. В результате конденсации водяного пара образуются капли и возникают облака. Если размеры капель не велики, то вертикальные потоки воздуха поднимают их вверх. Когда капли осаждаются на льдинках или других твердых частицах их вес быстро растет, тогда выпадают осадки – дождь или снег. В процентном соотношении распределение газов в пределах атмосферы выглядит следующим образом: азот – 78%, кислород – 21 % остальное – это водород, аргон, углекислый газ, неон, гелий, метан, криптон, озон и другие газы.

           Строение атмосферы. В пределах атмосферы выделяется несколько слоев, отличающихся друг от друга по температуре и газовому составу. Нижний слой – тропосфера – получает тепло снизу от Земли, которая в свою очередь нагревается солнечными лучами. По мере увеличения высоты температура воздуха понижается в среднем на 6 ^оС на каждый километр. На верхней границе тропосферы температура воздуха – 55 ^оС. Этому способствует то, что воздух поднимаясь вверх расширяется и охлаждается. Выше тропосферы располагается слой воздуха с постоянной низкой температурой – тропопауза. В тропических широтах этот слой расположен в 14-16 км от поверхности, в полярных широтах 8-10 км от поверхности Земли. Слой выше тропопаузы называется стратосферой. По мере подъема воздух в ней вначале медленно, а затем все быстрее нагревается до – 3 ^оС, на высоте примерно 50 км. Здесь же расположен и слой озона. Выше него расположена мезосфера. Температура вновь падает с высотой. Снова воздух нагревается в термосфере. Выше 1000 км в экзосфере частицы газов рассеиваются в околоземной космическом пространстве и навсегда покидают окрестности нашей планеты. Мезосферу и термосферу еще иногда называют ионосферой – здесь происходит формирование северных или полярных сияний. С понятием атмосфера связаны понятия: солнечная радиация, давление, температура воздуха, воздушные массы, ветер, осадки, циклоны и антициклоны, альбедо, погода и климат.

           Солнечная радиация – это количество солнечной энергии поступившей от Солнца и из космического пространства. Нагревание земной поверхности зависит от величины угла падения  солнечных лучей. Все солнечные лучи приходят на поверхность Земли параллельно друг другу, но так как Земля имеет шарообразную форму, то солнечные лучи попадают на Землю под разными углами. Когда Солнце находится в зените, его лучи отвесно падают и Земля нагревается сильнее. При уменьшении угла падения лучей тоже количество лучей рассеивается на большую площадь и температура уменьшается. Поэтому в области экватора и тропиков Земля нагревается сильнее, чем в умеренных и полярных широтах. Количество солнечной радиации можно разделить на три группы: прямая, рассеянная, суммарная. Отношение количества радиации отраженной от поверхности к количеству падающих на эту поверхность энергии называется – альбедо, или отражательная способность. Самая малая отражательная способность у  Мирового океана и у свежевспаханной земли, самая большая полярных и горных льдов и свежевыпавшего снега. Температура тоже важная часть существования атмосферы. Она зависит от географической широты и высоты места. В том случае, когда ниже лежащие слои воздуха имеют более низкую температуру, чем выше лежащие, это явление носит название инверсия температуры. (На примере города Улан-Удэ).

          Атмосферное давление. Воздух имеет вес. Вес его зависит от высоты и температуры. Чем выше температура, тем ниже давление и чем ниже температура, тем выше давление. С высотой давление уменьшается. Распределено давление по поверхности Земли следующим образом.

90 с.ш. – высокое;60 с.ш. – низкое;30 с.ш. – высокое;о – низкое;30 ю.ш. – высокое;60 ю.ш. – низкое

90 ю.ш. - высокое

 Места с одинаковым давлением на Земле показывают линиями, которые называются изобарами. Давление меняется в результате перемещения воздуха – его отток из одного места и притока в другое. Перемещения эти связаны с различиями в плотности воздуха, возникающими при неравномерном нагревании его от подстилающей поверхности. Обычно воздух перемещается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Перемещение воздуха в горизонтальном направлении из области высокого давления в область низкого называется – ветер.

        Ветер характеризуется скоростью, силой и направлением (роза ветров). Скорость ветра измеряется в метрах в секунду или километров в час.        

            Виды ветра:

Пассаты, постоянные ветра, дующие в тропических широтах северного и южного полушарий Земли. Они дуют от тропиков к экватору в северо-восточном направлении в северном полушарии и в юго-восточном в южном полушарии. В основном это сухие ветры, приносящие мало осадков.

Муссоны  постоянные ветра, меняющие свое направление в разные сезоны года. Летом, преобладающим направлением является поток воздуха с моря на сушу, зимой наблюдается обратный процесс (почему это происходит?).

Местные виды ветров характерны для небольших территорий. Например, бризы распространены вблизи водоемов. Они дважды в сутки меняют свое направление. Днем они дуют с воды на сушу, ночью с суши на воду. Фен – это теплый, сухой порывистый ветер, дующий с гор в долины или предгорья. Бора – сильный холодный, порывистый ветер, дующий с низких гор в сторону относительно теплого моря (в Байкале наблюдается разновидность боры – сарма). Суховей – сухой, иссушающий ветер, дующий преимущественно из пустынных и полупустынных областей высокого давления. Является губительным для многих сельскохозяйственных культур.

Прибор, измеряющий направление и скорость ветра называется – флюгер.               

           Вода в атмосфере. Вода, входящая в состав воздуха, находится в нем в трех основных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Большая ее часть попадает в атмосферу из Мирового океана в результате испарения. Поднимаясь вверх водяные пары, охлаждаются и достигают состояния конденсации, т.е. такого процесса, когда вода из газообразного состояния переходит в жидкое. В результате образуются облака, а затем и осадки, выпадающие затем на землю. Облака бывают разных видов: кучевые, слоистые, перистые, в зависимости от высоты различают различные подвиды облаков.  Таким образом, происходит круговорот воды в природе. Основным этапом круговорота является процесс испарения – фактическое количество испарившейся воды. Количество водяного пара в атмосфере зависит от температуры. Чем выше температура воздуха, тем больше удерживается в нем влаги. Поступление в атмосферу водяного пара за единицу времени называют испарением. Скорость испарения  зависит от множества причин, но в первую очередь от температуры и ветра. На испарение также влияют характер рельефа, растительный покров, цвет почвы. Количество воды, которое может испариться с той или иной поверхности называется испаряемостью. Воздух может принимать водяные пары до известного предела, а потом становится насыщенным. Температура, при которой ненасыщенные воздух переходит к насыщению называется точкой росы. Чем влажнее воздух, тем скорее наступит эта точка. Количество водяных паров содержащихся в 1 м³ воздуха называют абсолютной влажностью. Чем больше водяного пара в воздухе, тем больше его давление. Понятие относительная влажность обозначает процентное соотношение количества водяного пара содержащегося в воздухе в данное время. В воздухе, насыщенном водяными парами, при понижении его температуры до точки росы или увеличения в нем количества водяного пара происходит – конденсация – вода из газообразного состояния переходит в жидкое. При температуре ниже 0 градусов вода может, минуя жидкое состояние, перейти в твердое. Это процесс называется сублимацией. (Роса, иней, изморось, туман, дождь, морось, крупа, град, снег, ливень). Самое влажное место на земле – район Гавайских островов – 11 980 мм в год и местность Чирапунджи в Индии - 11 400 мм в год. Самое сухое место на земле пустыня Атакама (осадки совсем не выпадают)

         Воздушные массы и атмосферные фронты. Вследствие неравномерности распределения солнечного тепла, осадков, температуры, воздух тропосферы имеет различные характеристики. Большие объемы воздуха, отличающиеся друг от друга температурой, количеством осадков и давлением называется воздушной массой. Размеры воздушных масс определяются тысячами километров. По температуре выделяют теплые и холодные воздушные массы. Теплая натекающая на холодную поверхность способствует формированию теплого атмосферного фронта, в результате наступает потепление, но сама масса охлаждается, в конце концов, на земле  идут моросящие затяжные дожди. Холодные воздушные массы, наступающие на теплую поверхность способствуют формированию холодного атмосферного фронта. В весенне-осенний период в результате этого процесса наблюдаются заморозки, а летом идут кратковременные ливни (зарисовать схему образования теплого и холодного фронта). По географическому положению выделяют арктические и антарктические воздушные массы, умеренные, тропические и экваториальные воздушные массы. Все они перемещаются по поверхности планеты в различных направлениях под воздействием ветра.

           Циклоны и антициклоны. Вследствие неравномерного распределения температуры, осадков, давления воздух движется в различных направлениях. Основными формами движения воздуха являются циклоны и антициклоны. Места, где наблюдается пониженное давление, являются местом формирования циклона. Циклон – это область низкого давления. Воздух поднимается вверх в виде воронки против часовой стрелки. При подъеме вверх воздух охлаждается, водяные  пары конденсируются в результате выпадают осадки. Антициклон – область высокого давления. Воздух перемещается в противоположном циклону направлении по часовой стрелке. Холодный воздух резко нагревается, иссушается и осадков практически не выпадает. Эти два противоположных процесса являются основными факторами формирования погоды и климата.