Атмосфера: происхождение, состав, строение. () - реферат

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОГРАФИИ

АТМОСФЕРА:

происхождение, состав, строение.

(реферат)

Выполнил: студент 1 курса географического факультета Волощук Александр Викторович. Руководитель: старший преподаватель Воробьёва Татьяна Фёдоровна.

Владивосток

2000
Содержание.

Введение………………………………………………………….3 Глава 1. Происхождение атмосферы…………………………...5

Глава 2. Состав атмосферы……………………………………...7

Глава 3. Строение атмосферы………………………………….10

3.1. Тропосфера………………………………………….11 3.2. Стратосфера…………………………………………12 3.3. Мезосфера…………………………………………...13 3.4. Термосфера………………………………………….14 3.4.1. Ионосфера…………………………………………15 3.5. Экзосфера……………………………………………18 3.6. Из атмосферы в космическое пространство………18

Заключение……………………………………………………...20 Литература………………………………………………………21

Введение.

Возможность жизни на любой планете зависит, прежде всего, от того, есть ли там атмосфера, т. е. воздушная оболочка. Только благодаря наличию атмосферы возникла и могла развиться жизнь на Земле. Это она словно куполом прикрыла Землю, с её растительным и животным миром, защищая от пагубного дейст­вия ультрафиолетовой и космической радиации, щедро посылае­мых Солнцем и Вселенной, а также от всевозможных заряженных частиц, излучаемых космическим пространством. Пропуская лучи Солнца, атмосфера задерживает часть радиации, отражаемой земной поверхностью, а также излучаемой последней, как всяким нагретым телом. Это предохраняет Землю от охлаждения и рез­ких колебаний температуры в течение суток.

Без атмосферы наша планета была бы такой же мертвой, как и её спутница Луна. Освещённая Солнцем поверхность Земли раскалялась бы до губительного зноя, в то время как на затем­нённой её части господствовал бы леденящий холод. Вместо ве­ликолепной гаммы красок неба, рождаемой солнечным светом, проходящим через атмосферу, Землю окутывал бы бездонный мрак. На черном фоне такого неба Солнце и звезды сверкали бы одновременно немигающим светом. Солнце выглядело бы необы­чайно ярким шаром с резко очерчёнными краями, из которых вздымаются огненные языки протуберанцев.

Не было бы утренних зорь и вечерних закатов, радуги и полярных сияний, как и других многочисленных световых явлений. Великое множество их создаётся лучами Солнца, которые проходят через различные по плотности слои атмосферы и многократно преломляются в плавающих в ней кристаллах льда и водяных капель. Это из них состоят разнообразные по форме облака, вечно меняющиеся, от тонких нежно-белых до мощных мрачных громад, из которых выпадают обильные осадки в виде дождя, снега, крупы и града.

Неравномерное прогревание земной поверхности приводит к возникновению движения воздуха, развитию вихрей большого и малого масштабов, а также сложных атмосферных процессов, определяющих изменения погоды в различных районах Земли.

Атмосфера – воздушная оболочка между земной корой и космосом, является внешней по отношению к главному источнику энергии (солнечной). Атмосфера составляет по массе одну миллионную часть Земли, т. е. масса атмосферы примерно равна 5,15 * 1015т.

Атмосфера представляет собой физическую смесь газов, жидкости (капли воды), твёрдых веществ (пыль, снег, град), аэрозолей.

1. Происхождение атмосферы.

Так как водород и гелий, – наиболее распространённые элементы в космосе, то они, несомненно, входили и в состав протопланетного газово-пылевого облака, из которого возникла Земля. Вследствие очень низкой температуры этого облака (10-20К) самая первая земная атмосфера (если для её удержания масса Земли была достаточна) только и могла состоять из водорода и гелия, так как все другие вещества, из которых слагалось облако, могли быть только в твёрдом состоянии.

Затем последовал разогрев Земли: тепло порождалось гравитационным сжатием планеты и распадом внутри неё радиоактивных элементов. Это послужило стимулом двух процессов: постепенной диссипации водорода и гелия и дегазации мантии Земли. Земля потеряла водородно-гелиевую атмосферу и создала свою собственную первичную атмосферу из газов, выделившихся из её недр. По мнению А.П.Виноградова (1959), в этой атмосфере больше всего было Н2О, затем СО2, СО, НCl, HF, Н2S, N2, NH4Cl и CH4 (примерно таков же состав и современных вулканических газов). В.А.Соколов полагает, что здесь был также Н2 и NH3 (как и прочие соединения водорода, наследие водородной атмосферы самого первого этапа). Кислород отсутствовал. В атмосфере господствовали восстановительные условия.

Следующий этап развития атмосферы был переходным – от абиогенного к биогенному, от востановительных условий к окислительным. Главными составными частями газовой оболочки Земли стали N2, CO2, CO, в качестве побочных примесей – СН4, О2. Кислород возникал, по-видимому, в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей Солнца; мог он выделяться и из тех окислов, из каких состояла земная кора. Но подавляющая часть его уходила вновь на окисление минералов земной коры (в докембрийских отложениях есть окислы железа и сульфатов кальция) или на окисление водорода и его соединений в атмосфере. Оттого свободного кислорода в атмосфере было мало.

Последний этап развития атмосферы связан с появлением жизни на Земле и, стало быть, с возникновением механизма фотосинтеза. Постепенно содержание свободного кислорода – на этот раз биогенного – стало возрастать. Параллельно с этим атмосфера почти полностью потеряла двуокись углерода. Часть последнего вошла в огромные залежи угля и карбонатов; в карбонатных породах содержание СО2 в 15000 раз больше, чем в нынешней атмосфере (Рухин, 1959, с.277); если бы вернуть весь СО2 из карбонатов в атмосферу, то давление воздуха на поверхность Земли повысилось бы примерно в 40 раз.

Таков путь от водородно-гелиевой атмосферы до современной, главную роль в которой играют теперь N2 и О2, а в качестве примесей присутствуют Ar и CO2. Современный азот тоже биогенного происхождения. Возраст образования кислородной атмосферы – 1,5 – 2,0 млрд. лет.

Отсутствие кислорода в первичной атмосфере одно время считали условием, неблагоприятным для возникновения жизни, так как ультрафиолетовые лучи, не поглащаемые молекулами кислорода, беспрепятственно достигали земной поверхности. Но, как теперь выяснилось, именно под действием ультрафиолетовых лучей (опыты А.Н.Теренина и других учёных) мог весьма успешно происходить фотосинтез альдегидов и аминокислот из газов первобытной атмосферы (NH3, H2O, CH4, CO2); в дальнейшем, попав в воду, эти соединения защищались от жёсткой радиации слоем воды.

2. Состав атмосферы.

Воздух – смесь газов, отличающаяся, за исключением водяных паров, постоянством химического состава. В сухом воздухе у земной поверхности содержится (% по объёму): азот – 78,08; кислород – 20,96; аргон – 0,93; углекислый газ – 0,03. Есть в воз- духе и другие газы (криптон, ксенон, неон, гелий, водород, йод, радон, метан и некоторые другие), но их содержание ничтожно – тысячные и миллионные доли процента. Таким образом, хими- ческий состав воздуха, состоящего более чем на 3/4 из азота, резко отличен от земной коры, бедной азотом.

Пять основных компонентов воздушной тропосферы – азот, кислород, аргон, углекислый газ, водяной пар – различны по своим свойствам, а отсюда – и функциональной роли в географической оболочке. Один из них – аргон – принадлежит к группе инертных газов и не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на процессы, протекающие в географической оболочке.

Азот , самый распространённый газ в воздушной тропосфере, химически мало активен. Являясь составной частью белков и их производных, он, тем не менее, усваивается большинством живых организмов не непосредственно из воздуха, а посредством азот-фиксирующих бактерий и водорослей.

Кислород , в отличие от азота, химически очень активный эле- мент. И наличие большой массы свободного (несвязанного) кислорода в современной атмосфере представляется парадоксаль- ным явлением. Парадокс этот находит объяснение в захоронении органического углерода в процессе фотосинтеза растений. Атмосфера питает кислородом воды океанов, озёр и рек. Специфическая функция кислорода – окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокис- лённых газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мёртвого органического вещества.

Подсчёты показывают, что в результате фотосинтеза в атмо- сферу ежегодно поступает 20 * 1016г. кислорода. При общем его содержании в атмосфере 1,2 * 1021 г. время одного оборота массы О2 в атмосфере равно примерно 6 тыс. лет.

Углекислого газа в атмосфере немного, но его роль в функци- онировании географической оболочки исключительно велика. Он представляет основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе:

6СО2 + 6Н2О + Энергия = С6Н12О6 + О2.

В процессе фотосинтеза используется углекислый газ не только атмосферы, но и океана. При деструкции органического вещества большая часть углекислого газа, затраченного на его создание, возвращается обратно в атмосферу и гидросферу. Меньшая часть его захороняется в земной коре в виде каменного угля, нефти, горючих газов и рассеянного органического вещества. Возникаю- щий дисбаланс углекислого газа в атмосфере исправляется выносом его из недр Земли вулканами.

Значение углекислого газа атмосферы для географической обо- лочки не ограничивается его участием в создании органического вещества. Важные последствия имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаёт так на- зываемый парниковый эффект , выраженный в повышении температуры воздуха вблизи поверхности Земли.

В нижних 20 км. содержится водяной пар . В отличие от других газов содержание водяного пара во влажном воздухе не постоянно и зависит от температуры воздуха и характера подстилающей поверхности. Его содержание у земной поверхности колеблется в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% в экваториальных.

При оценке водяного пара следует иметь в виду, что он:

1) поддерживает парниковый эффект, так как задерживает длинно- волновое тепловое излучение земной поверхности;

2) представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги;

3) влияет на климат, повышая температуру воздуха при конденсации водяных паров.

Соотношение газов в сухом воздухе в тропосфере почти не изменяется с высотой. Что касается водяного пара, то его процентное содержание с высотой уменьшается.

На высоте 20 – 30 км. («озоновая завеса») расположен слой озона (О3). Озон образуется под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, и хотя общее количество его незначительно, играет важную роль в атмосфере. Озон обладает способностью поглощать ультрафиолетовую радиацию Солнца и тем самым предохраняет животный и растительный мир от её губительного действия.

В воздухе тропосферы всегда присутствует примесь аэрозолей – мельчайших жидких и твёрдых частиц , находящихся во взвешенном состоянии. Это:

- пыль земного и космического прохождения, микрометеориты,

метеориты и продукты их сгорания – Al, Fe, Ni (14 * 10⁶ т/год);

- твёрдые частицы дыма и пепла от лесных пожаров, сжигания топлива, извержения вулканов – C, S;

- частицы почвы и продукты выветривания горных пород – Si, Al;

- морская соль – NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2;

- частицы органического происхождения – бактерии, микро- организмы (770 – 2200 Мт/год);

- выбросы цементного производства – Са;

- выбросы химических, металлургических производств – S, Pb, фенолы, хлорфторметаны, фреоны, CF2Cl2, CCl4.

В среднем над каждым квадратным сантиметром в воздухе «висит» 10⁸ – 10⁹ аэрозольных частиц. Особенно много их в городах и крупных промышленных центрах, где к аэрозолям добавляются выбросы в атмосферу вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива. Общее их содержание 250 – 450 Мт/год или 1,5 – 2,0 кг/м² год.

Та или иная концентрация аэрозолей в атмосфере определяет её прозрачность, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли – ядра конденсации – способствуют превращению водяного пара в водяные капли.

3. Строение атмосферы.

Атмосфера простирается вверх на много сотен километров. Верхняя её граница, на высоте около 2000 – 3000 км, в известной мере условна, так как газы, её составляющие, постепенно разре- жаясь, переходят в мировое пространство. С высотой меняются химический состав атмосферы, давление, плотность, температура и другие её физические свойства. Химический состав воздуха до высоты 100 км. существенно не меняется. Несколько выше атмосфера также состоит главным образом из азота и кислорода. Но на высотах 100 – 110 км., под действием ультрафиолетовой радиации солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы и появляется атомарный кислород. Выше 110 – 120 км. кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400 – 500 км. газы, составляющие атмосферу, также находится в атомар- ном состоянии.

Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Хотя атмосфера простирается вверх на сотни километров, основная масса её размещается в довольно тонком слое, прилегающем к поверхности земли в самых нижних её частях. Так, в слое между уровнем моря и высотами 5 – 6 км. сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0 – 16 км. – 90%, а в слое 0 – 30 км. – 99%. Такое же быстрое уменьшение массы воздуха происходит выше 30 км. Если вес 1 м³ воздуха у поверхности земли равен 1033 г., то на высоте 20 км. он равен 43 г., а на высоте 40 км. лишь 4 г.

На высоте 300 – 400 км. и выше воздух настолько разрежён, что в течение суток плотность его изменяется во много раз. Иссле-дования показали, что это изменение плотности связано с положе- нием Солнца. Наибольшая плотность воздуха около полудня, наименьшая – ночью. Объясняется это отчасти тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излу- чения Солнца.

Изменение температуры воздуха с высотой происходит также неодинаково. По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на несколько сфер, между которыми располагаются переходные слои, так называемые паузы, где температура с высотой мало изменяется.

В таблице приведены наименования и главные характеристики сфер и переходных слоёв:

3.1.Тропосфера. Физические свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности, которая является её нижней границей. Наибольшая высота тропосферы на- блюдается в экваториальной и тропической зонах. Здесь она достигает 16 – 18 км. и сравнительно мало подвергается суточным и сезонным изменениям. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 8 – 10 км. В средних широтах она колеблется от 6 – 8 до 14 – 16 км.

В тропосфере сосредоточено более ⁴ /₅ массы земной атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Кроме того, от поверхности земли до верхней границы тропосферы температура понижается в среднем на 0,65° на каждые 100 м. Это объясняется тем, что воздух в тропосфере нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности земли.

В соответствии с притоком солнечной энергии температура по- нижается от экватора к полюсам. Так, средняя температура воздуха у поверхности земли на экваторе достигает +26^о , над полярными областями зимой -34°, -36°, а летом около 0°С. Таким образом, разность температур экватор – полюс зимой составляет 60°, а летом лишь 26°.

Энергию атмосферной циркуляции можно определить контра- стами температуры экватор – полюс. Так как зимой величина контрастов температуры больше, то атмосферные процессы протекают более интенсивно, чем летом. Этим же объясняется тот факт, что преобладающие западные ветры зимой в тропосфере имеют большие скорости, чем летом. При этом скорость ветра, как правило, с высотой возрастает, доходя до максимума равному около 100 м/сек. на высоте 60 – 65 км. Горизонтальный перенос сопровождается вертикальными перемещениями воздуха и турбулентным движением. Вследствие подъёма и опускания больших объёмов воздуха образуются и рассеиваются облака, возникают и прекращаются осадки. Переходным слоем между тропосферой и вышележащей сферой является тропопауза. Выше неё лежит стратосфера.

3.2. Стратосфера простирается от высот 8 – 17 до 50 – 55 км. Она была открыта в начале нашего века. По физическим свойствам стратосфера резко отличается от тропосферы уже тем, что темпера- тура воздуха здесь, как правило, повышается в среднем на 1°–2° на километр поднятия и на верхней границе, на высоте 50 – 55 км, становится даже положительной: +10^о . Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием здесь озона (О₃ ), который образуется под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца. Слой озона занимает почти всю стратосферу. Этот слой, границы которого приблизительно соответствуют границам стратосферы, называют озоносферой . Это слой 10 – 60 км, содержащий озон с максимумом на высоте 22- 25 км.

Количество озона неодинаково над различными частями Земли. Озона больше в высоких широтах, меньше в средних и низких широтах и изменяется это количество в зависимости от смены сезонов года. Весной озона больше, осенью меньше. Кроме того, происходят непериодические его колебания в зависимости от горизонтальной и вертикальной циркуляции атмосферы. Многие атмосферные процессы тесно связаны с содержанием озона, так как он оказывает непосредственное влияние на поле температуры.

Зимой, в условиях полярной ночи, в высоких широтах в слое озона происходит излучение и охлаждение воздуха. В результате в стратосфере высоких широт (в Арктике и Антарктике) зимой формируется область холода, стратосферный циклонический вихрь с большими горизонтальными градиентами температуры и давления, обуславливающий западные ветры над средними широтами земного шара.

Летом, в условиях полярного дня, в высоких широтах в слое озона происходит поглощение солнечного тепла и прогревание воздуха. В результате повышения температуры в стратосфере высоких широт формируется область тепла и стратосферный анти- циклонический вихрь. Поэтому над средними широтами земного шара выше 20 км. летом в стратосфере преобладают восточные ветры, с максимальными скоростями до 70 м/с. на высоте 55–60 км.

Стратосфера очень бедна водяным паром. Здесь не происходит бурных процессов облакообразования и не выпадают осадки.

Ещё совсем недавно предполагали, что стратосфера является сравнительно спокойной средой, где не происходит перемешивания воздуха, как в тропосфере. Поэтому считали, что газы в стратосфере разделены по слоям, в соответствии со своими удельными весами. Отсюда и название стратосферы («стратус» – слоистый). Полагали также, что температура в стратосфере формируется под действием лучистого равновесия, т.е. при равенстве поглощённой и отражённой радиации.

Новые данные, полученные с помощью радиозондов и метео-рологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха с большими изменениями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, воздух испытывает значительные вертикальные перемешивания, турбулентные движения при сильных горизонталь- ных воздушных течениях. Всё это – результат неоднородного распределения температуры.

Переходным слоем между стратосферой и вышележащей сферой является стратопауза.

3.3. Мезосфера. Наблюдениями с помощью метеорологических ра-кет и другими способами установлено, что общее повышение тем­пературы, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высо­тах 50 – 55 км. Выше этого слоя температура вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км.) достигает -75°,-90°. Давление воздуха вверху мезосферы примерно в 200 раз меньше, чем у земной поверхности. На уровне 80 км. от поверхности Земли заключено свыше 99,5% всей массы атмосферы. Далее вновь происходит повышение температуры с высотой.

Интересно отметить, что характерное для мезосферы пониже- ние температуры с высотой происходит неодинаково на различ- ных широтах и в течение года. В низких широтах падение темпе- ратуры происходит более медленно, чем в высоких: средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен соответст- венно 0,23°— 0,31° на 100 м. или 2,3°— 3,1° на 1 км. Летом он зна­чительно больше, чем зимой. Как показали новейшие исследова­ния в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой.

В верхней мезосфере на высоте около 80 км. в слое мезопаузы понижение температуры с высотой прекращается и начинается её повышение. Здесь под инверсионным слоем в сумерки или перед восходом солнца при ясной погоде наблюдаются блестящие тон­кие облака, освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. На темном фоне неба они светятся серебристо-синим светом. По­этому эти облака названы серебристыми.

Природа серебристых облаков ещё недостаточно изучена. Долгое время полагали, что они состоят из вулканической пыли. Однако отсутствие оптических явлений, свойственных настоящим вулканическим облакам, привело к отказу от этой гипотезы. За­тем было высказано предположение, что, серебристые облака состоят из космической пыли. В последние годы предложена гипотеза, согласно которой эти облака состоят из ледяных кристаллов, подобно обычным перистым облакам. Уровень расположения се- ребристых облаков определяется задерживающим слоем в связи с инверсией температуры ¹ при переходе из мезосферы в термо- сферу на высоте около 80 км. Так как в подынверсионном слое температура достигает -80° и ниже, то здесь создаются наиболее благоприятные условия для конденсации водяного пара, который попадает сюда из стратосферы в результате вертикального дви­жения или путём турбулентной диффузии. Серебристые облака обычно наблюдаются в летний период, иногда в очень большом количестве и в течение нескольких месяцев.

Наблюдениями за серебристыми облаками установлено, что летом на их уровне ветры обладают большой изменчивостью. Ско- рости ветра колеблются в больших пределах: от 50—100 до не-скольких сотен километров в час.

¹ Инверсией температуры в атмосфере называется слой воздуха, где тем­пература с высотой повышается вместо обычного понижения.

3.4. Термосфера . Выше мезосферы расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По полученным данным, преимущественно с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км. температура воздуха достигает 220°—240°, а на уровне 200 км. более 500°. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500—600 км. превышает 1500°. На основе данных, полученных при запусках искусственных спутников Земли, найдено, что в верхней термо-сфере температура достигает около 2000° и в течение суток значительно колеблется. Возникает вопрос, чем объяснить такую высокую температуру в высоких слоях атмосферы. Напомним, что температура газа - это мера средней скорости движения молекул. В нижней, наибо­лее плотной части атмосферы молекулы газов, составляющих воздух, при движении часто сталкиваются между собой и мгно­венно передают друг другу кинетическую энергию. Поэтому ки­нетическая энергия в плотной среде в среднем одна и та же. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энергии скорость молекул в промежутке между столкновениями сильно изменяется; к тому же молекулы более легких газов движутся с большей скоростью, чем молекулы тяжелых газов. Вследствие этого температура газов может быть различной.

В разреженных газах сравнительно немного молекул весьма малых размеров (лёгких газов). Если они движутся с большими скоростями, то и температура в данном объеме воздуха будет ве­лика. В термосфере в каждом кубическом сантиметре воздуха со- держатся десятки и сотни тысяч молекул различных газов, в то время как у поверхности земли их около сотни миллионов милли- ардов. Поэтому чрезмерно высокие значения температуры в высо- ких слоях атмосферы, показывая скорость перемещения молекул в этой весьма неплотной среде, не могут вызвать даже неболышого нагревания находящегося здесь тела. Подобно тому, как человек не чувствует высокой температуры при ослепительном освещении электрических ламп, хотя нити накала в разрежен­ной среде мгновенно раскаляются до нескольких тысяч градусов.

В нижней термосфере и мезосфере сгорает, не долетая до по-верхности земли, основная часть метеорных потоков.

Имеющиеся сведения о слоях атмосферы выше 60— 80 км. еще недостаточны для окончательных выводов о строении, режиме и процессах, развивающихся в них. Однако известно, что в верхней мезосфере и нижней термосфере режим температуры создаётся в результате превращения молекулярного кислорода (О₂ ) в атомар- ный (О), которое происходит под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. В термосфере на режим температуры боль- шое влияние оказывает корпускулярная, рентгеновская и ультра- фиолетовая радиация Солнца. Здесь даже в течение суток проис- ходят резкие изменения температуры и ветра.

3.4.1. Ионизация атмосферы . Наиболее интересной особенностью атмосферы выше 60—80 км. является её ионизация , т. е. процесс образования огромного количества электрически заряжённых частиц — ионов. Так как ионизация газов является характерной для нижней термосферы, то её называют также и ионосфе рой.

Газы в ионосфере находятся большей частью в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, обладающих большой энергией, происхо­дит процесс отщепления электронов от нейтральных атомов и молекул воздуха. Такие атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительно заряженными, а свободный электрон может присоединиться снова к нейтральному атому или молекуле и наделить их своим отрицательным зарядом. Такие положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами , а газы — ионизированными , т.е. полу-чившими электрический заряд. При большей концентрации ионов газы становятся электропроводными.

Процесс ионизации наиболее интенсивно происходит в мощных слоях, ограниченных высотами 60—80 и 220—400 км. В этих слоях существуют оптимальные условия для ионизации. Здесь плотность воздуха заметно больше, чем в верхней атмосфере, а поступление ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца достаточно для процесса ионизации.

Открытие ионосферы является одним из важных и блестящих достижений науки. Ведь отличительной особенностью ионосферы является её влияние на распространение радиоволн. В ионизи-рованных слоях радиоволны отражаются, и поэтому становится возможной дальняя радиосвязь. Заряженные ато­мы-ионы отражают короткие радиоволны, и они вновь возвра­щаются на земную поверхность, но уже в значительном отдале­нии от места радиопередачи. Очевидно, этот путь короткие радиоволны совершают несколько раз, и таким образом обеспе­чивается дальняя радиосвязь. Если бы не ионосфера, то для передач сигналов радиостанций на большие расстояния было бы необходимо строить дорогостоящие радиорелейные линии.

Однако известно, что иногда радиосвязь на коротких волнах нарушается. Это происходит в результате хромосферных вспы­шек на Солнце, благодаря которым резко усиливается ультра­фиолетовое излучение Солнца, приводящее к сильным возму­щениям ионосферы и магнитного поля Земли — магнитным бурям. При магнитных бурях нарушается радиосвязь, так как движение заряженных частиц зависит от магнитного поля. Во время магнитных бурь ионосфера хуже отражает радиоволны или пропускает их в космос. Главным образом с изменением солнечной активности, сопровождающейся усилением ультрафио­летового излучения, увеличивается электронная плотность ионо­сферы и поглощение радиоволн в дневные часы, приводящее к нарушению работы радиосвязи на коротких волнах.

Согласно новым исследованиям в мощном ионизированном слое имеются зоны, где концентрация свободных электронов до­стигает несколько большей концентрации, чем в соседних сло­ях. Известны четыре такие зоны, которые располагаются на вы­сотах около 60—80, 100—120, 180—200 и 300—400 км. и обозна­чаются буквами D, Е, F₁ и F₂ . При усиливающемся излучении Солнца заряженные частицы (корпускулы) под влиянием маг­нитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается их свечение. Так возникают поляр­ные сияния — в виде красивых многокрасочных дуг, загораю­щихся в ночном небе преиму-щественно в высоких широтах Зем­ли. Полярные сияния сопровождаются сильными магнитными бурями. В таких случаях полярные сияния становятся видимы­ми в средних широтах, а в редких случаях даже в тропической зоне. Так, например, интенсивное сияние, наблюдавшееся 21— 22 января 1957г., было видно почти во всех южных районах на­шей страны.

С помощью фотографирования полярных сияний из двух пунктов, находящихся на расстоянии нескольких десятков ки­лометров, с большой точностью определяется высота сияния. Обычно полярные сияния располагаются на высоте около 100 км. , нередко они обнаруживаются на высоте нескольких со­тен километров, а иногда на уровне около 1000 км. Хотя природа полярных сияний выяснена, однако остается ещё много нере­шённых вопросов, связанных с этим явлением. До сих пор не­известны причины многообразия форм полярных сияний.

По данным третьего советского спутника, между высота­ми 200 и 1000 км. днём преобладают положительные ионы рас­щеплённого молекулярного кислорода, т.е. атомарного кисло­рода (О). Советские учёные исследуют ионосферу с помощью искус-ственных спутников серии «Космос». Американские учё­ные изучают ионосферу также с помощью спутников.

Поверхность, разделяющая термосферу от экзосферы, испы­тывает колебания в зависимости от изменения солнечной актив­ности и других факторов. По вертикали эти колебания дости­гают 100—200 км. и более.

3.5. Экзосфера (сфера рассеяния)—самая верхняя часть атмо­сферы, расположена выше 800 км. Она мало изучена. По дан­ным наблюдений и теоретических расчетов температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. В от­личие от нижней ионосферы, в экзосфере газы настолько разре­жены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.

Еще сравнительно недавно предполагали, что условная гра­ница атмосферы находится на высоте около 1000 км. Однако на основе торможения искусственных спутников Земли установле­но, что на высотах 700—800 км. в 1 см³ содержится до 160 тыс. положи-тельных ионов атомного кислорода и азота. Это дает основание предполагать, что заряженные слои атмосферы про­стираются в космос на значительно большее расстояние.

При высоких температурах на условной границе атмосферы скорости частиц газов достигают приблизительно 12 км/сек. При данных скоростях газы постепенно уходят из области дей­ствия земного притяжения в межпланетное пространство. Это происходит в течение длительного времени. Например, частицы водорода и гелия удаляются в межпланетное пространство в течение нескольких лет.

В исследовании высоких слоев атмосферы богатые данные получены как со спутников серии «Космос» и «Электрон», так и геофизических ракет и космических станций «Марс-1», «Луна-4» и др. Ценными оказались и непосредственные наблюдения кос­монавтов. Так, по фотографиям, сделанным в космосе В. Нико­лаевой-Терешковой, было установлено, что на высоте 19 км. от Земли существует пылевой слой. Это подтвердилось и данными, полученными экипажем космического корабля «Восход». По-ви­димому, существует тесная связь между пылевым слоем и так называемыми перламутровыми облаками , иногда наблюдаемы­ми на высотах около 20—30 км.

3.6. Из атмосферы в космическое пространство. На высоте порядка 2000 – 3000 км. экзосфера переходит в земную корону , прослеживающуюся до высоты более 20 000 км. и образованную «ускользнувшими» из экзосферы частицами водорода. Прежние предпо­ложения, что за пределами атмосферы Земли, в межпланетном пространстве, газы очень разрежены и концентрация частиц не превышает нескольких единиц в 1 см³ , не оправдались. Исследования показали, что околоземное пространство заполнено заряженными частицами. На этой основе была выдвинута гипотеза о существовании зон вокруг Земли с заметно повышенным содержанием заряжённых частиц, т.е. поясов радиации — внут­реннего и внешнего. Новые данные помогли внести уточнения. Оказалось, что между внутренним и внешним поясами радиации также имеются заряженные частицы. Число их меняется в зависимости от геомагнитной и солнечной активности. Таким образом, по новому предположению вместо поясов радиации существуют зоны радиации без четко выраженных границ. Границы радиационных зон изменяются в зависимости от солнечной ак­тивности. При её усилении, т.е. когда на Солнце появляются пятна и струи газа, выбрасывающиеся на сотни тысяч километ­ров, возрастает поток космических частиц, которые и питают радиационные зоны Земли.

Радиационные зоны опасны для людей, совершающих полёты на космических кораблях. Поэтому перед полетом в космос определяется состояние и положение радиационных зон, а орби­та космического корабля выбирается с таким расчетом, чтобы она проходила вне областей повышенной радиации. Однако высокие слои атмосферы, как и близкое к Земле космическое пространство, ещё мало исследованы.

В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются богатые данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций.

Высокие слои атмосферы менее всего изучены. Однако со- временные методы её исследования позволяют надеяться, что в ближайшие годы человек будет знать многие детали строения атмосферы, на дне которой он живет.

Заключение.

Погода и климат оказывают непосредственное влияние на жизнь и деятельность человека. Неисчислимы бедствия, наносимые разбушевавшейся стихией. Снежные заносы, метели, ураган­ные ветры, ливни, грозы, градобития, засухи, суховеи, пыльные бури и много других опасных явлении погоды порой надолго вы­водят из строя большие хозяйственные объекты, нарушают уста­новившийся порядок и ритм жизни целых городов и сёл.

Поэтому понятен тот возрастающий интерес и внимание, кото-рое уделяется изучению и познанию причин, определяющих раз­витие различных атмосферных процессов, и особенно опасных явлений погоды. При этом человек стремится не только познать, но и научиться правильно предвидеть ожидаемый характер пого­ды в течение различных промежутков времени и с различной за-благовременностью.

Изучение и правильное объяснение развивающихся в атмо- сфере процессов потребовало длительных и напряжённых усилий человечества. Прошло много времени с тех пор, как люди, изба­вившись от суеверного страха, перестали видеть в грозных явле­ниях погоды проявление могущества сверхъестественных сил и начали пытливо следить за её изменениями. Постепенно овладе­вая тайнами природы и выявляя зависимости между различными явлениями погоды, они стремились определить причины, по­рождающие эти явления, и установить связь их с физическими законами, т.е. создать науку об атмосфере и процессах, в ней происходящих. Эта наука получила название метеорология или физика атмосферы.

Литература.

1. Калесник С.В. «Проблемы физической географии». Л.,1984.

2. Марков К.К., Добродеев О.П., Симонов Ю.Г., Суетова И.А. «Введение в физическую географию». М., 1973.

3. Мильков Ф.Н. «Общее землеведение». М., 1990.

4. Погосян Х.П., Туркетти З.Л. «Атмосфера Земли». М.,1970.

5. Рухин Л.Б. «Основы общей палеографии». Л., 1959.

6. Соколов В.А. «Возникновение жизни на Земле». М.,1959.