| Головна » Статті » Наукові статті » Загальний каталог | [ Додати статтю ] |
Походження та склад атмосфери
Всю земну кулю огортає невидимим шаром атмосфера - її повітряна оболонка. Відповісти з усією визначеністю на запитання, як вона з'явилася, поки не представляється можливим. Є лише гіпотези, але справа майбутнього встановити, яка з них вірна, а може бути, знайдеться нове, відмінне від них рішення. Час існування атмосфери і точних спостережень над нею абсолютно непорівнянні. Вік повітряної оболонки становить кілька мільярдів років, термін її вивчення - близько 200 років. Досліджуючи склад земної атмосфери, вчені визначили, що її склад відрізняється від ймовірного складу атмосфери, що оточує інші планети Сонячної системи. Робота в цій області ще тільки починається. Так, відомості про атмосферу Венери отримані за допомогою радянських і американських автоматичних станцій. Проводяться спостереження над атмосферою Сатурна. Ці дослідження дозволили встановити, що атмосфери планет земної групи типово окислювальні, в них мало (або зовсім відсутній) водню і багато вуглекислого газу (в атмосфері Венери вуглекислого газу 93-97%).
Хімічний склад земної атмосфери з часом змінюється під впливом поверхні земної кори, біологічних факторів і ультрафіолетової сонячної радіації. У відповідності з теорією освіти Землі академіка О. Ю. Шмідта, частки гігантського хмари космічного пилу, з якого утворилася Земля, виділили поступово основні гази - атмосферу. Пізніше легкі гази зникли. Вважають, що в сучасну епоху гази потрапляють в атмосферу головним чином під час виверження вулканів. А потім знову повертаються па земну поверхню. Як у минулому, так і тепер триває складний процес формування атмосфери планети. А вплив діяльності людей на склад атмосфери з кожним роком збільшується. Людина завжди прагнув зрозуміти явища природи, захистити себе від небезпечних, визначити корисні. Не випадково земляни обожнювали сонце, і місяць, грім і блискавку, вітри і моря. З незапам'ятних часів збереглися відомості про погоду, зміну вітрів, радуге, мусону, про пилових бурях. Ш вже в глибоку давнину ученим доводилося кілька обмежувати владу божественної сили. Так, Піфагор говорив, що «бог надходить завжди за правилами геометрії». У перших записах древніх з метеорології був відзначений річний цикл погоди. Більше чотирьох століть до нашої ери в грецьких містах на загальний огляд виставлялися календарі погоди (їх називали парапегамамі, від грецького слова прикріплювати) з описами спостережень попередніх років. Ц них говорилося про вітрах, бурі, дощі, грози і туманах. Збереглися відомості, що дають можливість скласти уявлення про погоду того часу. За окремими даними (приліт і відліт домашньої ластівки або цвітіння персика) можна встановити, що клімат був теплішим сьогодення. Першою книгою про атмосферні явища була «Метеорологія» Арістотеля. Праця великого вченого складався з чотирьох частин: у першій описувалися явища, що відбуваються у верхніх шарах атмосфери, у другій - моря, в третій - бурі і вихори, а четверта присвячувалася «Теорії чотирьох стихій». Отже, вже тоді були відомі багато метеорологічні явища і робилися спроби встановити взаємозв'язок океанів і атмосфери. Вперше «Метеорологія» була перекладена на італійську мову у 1474 р. До 1600 вийшло 135 її видань з різними коментарями. Середні століття залишили нам літописи, також згадує про явища погоди. У період Великих географічних відкриттів було доведено, що наша планета має форму кулі і клімат на неї дуже різноманітний. Мореплавання зажадало розвитку астрономії, оптики, навігації. У XVII ст. були винайдені термометр, барометр і багато інших прилади. Історія створення термометра до цих пір ще багато в чому неясна. Висловлюється припущення, що над винаходом термометра працювали одночасно кілька вчених. Однак пальма першості належить Г. Галілею. Два з половиною століття пішло на уніфікацію спостережень температури повітря, та й зараз ця робота ще не закінчена. Арістотель ввів помилкове уявлення про абсолютну легкості повітря, яке зміцнилося надзвичайно міцно. Галілей же вивчав тиск повітря. Він вирахував. висоту мідного стовпа, врівноважує тиск повітря, хоча сам ще користувався терміном «сила порожнечі». Так надійшов час появи барометра. Його винайшли учні Галілея - Торічеллі і Вівіані. Приблизно в середині XVII століття з'явилися барометри з написами: «дощ», «сильний дощ», «буря» (з боку низького тиску), «ясно», «дуже ясно», «дуже сухо» (з боку високого). Ці написи існують на барометрах і в наші дні. У XIX ст. виникла одна з гілок метеорології - синоптична. У 1816-1820 рр.. Брандерів у Німеччині склав перший синоптичні карти для Європи. У 1842 р. Луміс зробив їх у США. Для перших карт були використані спостереження 36 станцій, з яких три були в Росії (зараз у нашій країні 10 тис. метеорологічних станцій). Поступове вдосконалення та аналіз синоптичних карт дозволили зробити багато фундаментальних висновки про рух і властивості повітряних мас. Настав час оформлення їх в самостійну дисципліну з конкретної практичної завданням - прогноз погоди. Цьому сприяв винахід телеграфу, який став використовуватися для якнайшвидшої зв'язку віддалених районів з центральними установами в разі наближення бур, а також організації всієї метеорологічної служби. 14 листопада 1854 на Чорному морі сталася жорстока буря. Що стояв у цей час у Балаклавській бухті англо-французький флот був знищений. Це трагічна подія призвело до організації у Франції регулярної служби, яку очолив відомий астроном У. Левер'є. Через три місяці після балаклавскій бурі вийшла перша дослідна карта, для якої були використані спостереження 13 метеорологічних станцій Франції. У наступні роки стали надходити спостереження і з інших країн, складатися і публікуватися карти, організувалася служба штормових попереджень. У 1872 р. виникла служба погоди і в Росії. У Головну фізичну обсерваторію в Петербурзі по телеграфу передавалися відомості з 60 російських і зарубіжних станцій, штормові попередження обмежувалися лише акваторією Балтійського моря і озер. Протягом кількох десятиліть синоптичних прогноз був, по суті, прогнозом змін поля тиску атмосфери. Вважалося, що горизонтальне розподіл тиску це і є умови погоди. Але температура повітря, опади, хмарність пов'язані не тільки з тиском. В атмосфері все значно складніше. Необхідна була перебудова самого методу синоптичної метеорології, його наукових основ і прогностичних можливостей. У 1915 р. в Росії виникло Військово-метеорологічне управління і Головна авіаметеорологіческая станція. Та й сама метеорологічна наука вже була підготовлена до перебудови. Розвиток аерологічних спостережень в кінці XIX ст., Тобто дослідження верхніх шарів атмосфери, призвело до того, що стався поворот до вивчення процесів у трьох вимірах. Суттєву роль у цьому зіграли і успіхи динамічної метеорології, особливо вчення про циркуляції атмосфери і про енергію атмосферних рухів (В. Бьеркнес і М. Маргулес). Завдяки радіозв'язку був встановлений міжнародний обмін метеорологічними зведеннями. Синоптичні карти почали складатися для всього північної півкулі, а потім і для Земної кулі. Якщо під час першої світової війни було декілька десятків станцій, то до 40-х років їх налічувалося вже тисячі. Самі передаються спостереження стали докладніше, охопили велику кількість елементів. Радіо стало основним засобом інформації про майбутню погоду. Таким чином, найбільший технічний переворот в засобах зв'язку призвів до перевороту в синоптичної метеорології. Метеорологічна наука за 20 років (1920-1940 рр.). Зробила більше, ніж за всю свою попередню історію. Значного розвитку набула служба погоди в нашій країні. У 1930 р. був організований Центральний інститут погоди, республіканські та обласні центри служби погоди, синоптична служба в аеропортах цивільної та військової авіації. Винахід радіозонда зробило можливим поява висотних карт погоди і вертикальних розрізів. У нашій країні вони систематично складаються з 1937 р. За допомогою цих карт були відкриті і досліджені струменеві течії - вузькі, але винятково сильні потоки у верхній атмосфері і тропосфері. У 1945 р. перші польоти літаків у тропічних циклони поклали початок їх докладного дослідження. Одночасно з синоптичних розроблявся гідродинамічний метод прогнозу погоди - в першу чергу прогнозу поля тиску. У 1939-1940 рр.. було запропоновано нові прийоми для передбачення нуля тиску та температури, зокрема перенесення, изобар і ізотерм вздовж деяких передвичесленням траєкторій, пізніше розвинутий і вдосконалений. Теоретично вивчена система хвиль, що виникають в загальному західному повітряному потоці. Великий внесок у гідродинамічний метод прогнозів вніс радянський вчений І. А. Кібела. Ще в 1925 р. радянський вчений А. А. Фрідман запропонував рівняння переносу вихору. Воно було широко використано в багатьох країнах - США, Німеччини, Англії та ін Коли через два з гаком десятиріччя почалося широке застосування електронно-обчислювальної техніки, стало можливим швидко вирішувати складні системи рівнянь динаміки атмосфери, враховувати у прогнозах багато додаткові фізичні фактори, наприклад вплив орографії. До цих пір ми говорили лише про короткострокові прогнози погоди. Ведеться також велика робота зі створення та застосування методів довгострокових прогнозів засобами гідродинаміки. В останні роки як у нашій країні, так і за кордоном розвиваються ідеї про вплив сонячної активності на макропроцеси погоди. Загальна тенденція досліджень зараз така, що треба шукати глибокі взаємозалежності між усіма геофізичними явищами. Треба також враховувати і роль космічних факторів. Атмосфера відчуває постійний вплив зверху - космічного простору, знизу - земної поверхні, грунту, снігового покриву і, звичайно, океанів, морів та інших водойм. Основне джерело енергії атмосфери - сонячне випромінювання, постійно йде до Землі. Фізичний стан атмосфери, характеризується величинами, що називаються метеорологічними елементами, - це температура, вологість, тиск повітря, вітер (його напрямок і швидкість), опади, дальність видимості, оптичні, електричні явища. Поєднання декількох метеорологічних елементів породжує грозу, заметіль, туман, смерч, полярні сяйва і ін Вивчати атмосферні явища, знаходити їх взаємозв'язку покликана метеорологія. У наше століття диференціації наук і метеорологія розділилася на ряд окремих галузей, Одна з них - фізика атмосфери, в якій основну увагу приділено фізичній 1 механізму атмосферних процесів і явищ. Конкретно фізика атмосфери вивчає термодинамічні процеси, склад, будову, утворення хмар, туманів та ін Розробкою методів прогнозування погоди займається синоптична метеорологія. Динамічна (теоретична) метеорологія, широко використовуючи математичний апарат, застосовує теоретичний метод дослідження. Наука про клімат - кліматологія. Фізика вільної атмосфери - аерологія - вивчає верхні шари-атмосфери (до висот у кілька десятків кілометрів). В останні роки виникає нова наука - аерономія. Вона зобов'язана своїм походженням тим спостереженнями, які проводяться за допомогою геофізичних і метеорологічних ракет, штучних супутників Землі, пілотованих і автоматичних кораблів і міжпланетних станцій. Тут мова йде вже про висоти в кілька сотень і тисяч кілометрів. Ця наука народжується на наших очах разом з розвитком космічних досліджень, і шлях її ще тільки починається, хоча можна припустити, що він буде стрімким, захоплююче цікавим і принесе нові відкриття. Практичні вимоги суспільства породили ряд важливих прикладних галузей метеорології - таких, як авіаційна метеорологія, агрометеорологія, біометеорологія (вплив атмосферних процесів на людину н інші живі організми), ядерна метеорологія (вивчення природної і штучної радіоактивності, розповсюдження в атмосфері радіоактивних домішок, вплив ядерних вибухів) . Радіометеорологія, яка активно розвивається останнім часом, вивчає поширення радіохвиль в атмосфері. Можна було б назвати ще декілька прикладних аспектів метеорології: лісову (пов'язану з лісовими пожежами), транспортну, будівельну та ін Що ж являє собою атмосфера - предмет вивчення настільки багатьох наук, що використовують різні методи і підходи? Перш за все, про висоту атмосфери. Її чіткої верхньої межі не існує, вона плавно переходить у міжпланетний простір. Щільність складових атмосферу газів наближається до щільності його газів. Умовно прийнято, що кордон проходить на висоті 1000-1200 км, де ще іноді спостерігаються полярні сяйва. Неможливо поки-точно встановити глибину (або висоту) проникнення атмосфери в космос. Спостереження супутників над зміною щільності повітря ^ доводять, що щільність, атмосфери наближається до щільності міжпланетної середовища з висот 2-3 тис. км. Непрямі дані дозволяють вважати, що зовнішня частина атмосфери проникає в сильно розріджену, з температурою близько 100 тис. ° С сонячну атмосферу і взаємодіють з нею. Сліди атмосфери виявлені автоматичними міжпланетними станціями на висоті більше 20 тис. км. Вчені вважають, що земна атмосфера переходить в сонячну на висоті 60-100 тис. км. Існує явище, зване вислизання атмосфери. Воно полягає в тому, що молекули й атоми газів, які перебувають у постійному русі, піднімаючись високо вгору, рідше стикаються один з одним (їх стає все менше в одиниці об'єму) і можуть піти в міжпланетний простір. Маса земної атмосфери дорівнює приблизно 5,27 * 1018 кг. Основна її частина зосереджена у відносно тонкому приземному шарі. Вага метеорологічні елементи змінюються в просторі і найбільш сильно - по вертикалі. Наприклад, температура повітря змінюється по вертикалі в кілька сотень разів більше, ніж по горизонталі. Атмосферу можна розділити на ряд шарів, або сфер. У 1962 р. Всесвітня метеорологічна організація, проаналізувавши всі наявні до цього часу дані, прийшли до висновку, що за характером розподілу температури виділяється п'ять сфер: тропосфера (до 11 км), стратосфера (від 11 до 50-55 км), мезосфера (від 50-55 до 80 - 85 км), термосферу (від 80-85 до 800 км), екзосфера (вище 800 км). Назва самого нижнього шару атмосфери, що починається в земної поверхні, походить від грецького слова «тропос», що означає «обертатися, перемішуватись». Висота тропосфери непостійна і залежить від географічної широти місця, пори року, циркуляції. Межа атмосфери на одній і тій же широті вище влітку і нижчі взимку. У помірних широтах потужність атмосфери 9-12 км, близько до полюсів вона менша, близько 8-10 км, до екватора більше -16-18 км. Повітря в тропосфері рухається не тільки в горизонтальному й вертикальному напрямку, але й постійно перемішується. Саме в тропосфері утворюються хмари, тому що тут зосереджена основна маса водяної пари, випадають опади і відбуваються інші метеорологічні явища. З висотою в тропосфері зменшується температура - на кожні 100 м більше ніж на півградуса. На верхній межі тропосфери середня річна температура в помірних широтах - 50-60 °, над екватором - близько 70е, над Північним полюсом зимою-65 °, влітку +47 °. Тропосферу і стратосферу поділяє шар товщиною від декількох метрів до 1-2 км, який прийнято називати тропопаузою. У цій області утворюються дуже потужні вузькі повітряні потоки зі швидкостями 150 - 300 км / ч, так звані струменеві течії. Що лежить вище стратосфера характеризується спочатку (до висоти 35 км) дуже повільним ростом температури, а потім значно швидшим, і на верхній межі досягає середньорічного значення близько 0 °. Тут залежно від сезону і висоти коливання дуже значні. У стратосфері водяної пари. вже майже немає, хмари не утворюються. І лише дуже рідко на висоті 20-25 км виникають перламутрові хмари. Довго вважалося, що на відміну від тропосфери в стратосфері повітря не перемішується, що це - дуже спокійна середу. Але радіометричні прилади та метеорологічні ракети принесли нові відомості - виявляється і тут, в стратосфері, існує інтенсивна циркуляція повітря і вертикальні його переміщення. Наступний за стратосферою шар - мезосфера - також відокремлений проміжним - стратопаузой, який ще недостатньо повно вивчений. У мезосфері температура з висотою падає до - 70-80 °. Є дані, що швидкість вітру досягає тут 150 м / с. Можна припускати, що в мезосфері існують інтенсивні турбулентні руху. Вище знаходиться проміжний шар - мезопауза. У цій області спостерігаються сріблясті хмари. Ракетні спостереження показують, що на висоті 150 км температура дорівнює приблизно 220-240 ° К, на висоті 200 км 500 ° К, а на верхній межі термосферу перевищує 1000 ° К (К - кінетична температура газу (повітря), що визначається рухом його молекул і доступна для безпосереднього вимірювання). У термосферу, розташованої над мезопауза, температура з висотою зростає. Екзосфера - сфера розсіювання - являє собою зовнішній шар, що поступово переходить у міжпланетний простір. Температура тут ще більш підвищується, приблизно вона дорівнює 2000 К, гази перебувають у вельми розрідженому стані, їх частки рухаються-з величезними швидкостями, майже не стикаючись одна з одною. Життя і діяльність людини розвивається в самій нижній частині атмосфери. Тому особливо важливо знати, як взаємодіє атмосфера з земною поверхнею. З цієї точки зору атмосферу прийнято ділити на нижній, прикордонний шар, в межах 1-1,5 км, і верхній, що лежить вище, званий вільної атмосферою. У нервом існують добові зміни метеорологічних елементів, на рух повітря впливає тертя об земну поверхню. У цьому шарі може бути виділений ще один, самий нижній, висотою 50-100 м. Його називають приземному шаром, потоки тепла і водяної пари в ньому мало змінюються з висотою. У горизонтальному напрямку атмосфера також неоднорідна. Вся тропосфера ділиться на великі обсяги з відносно однорідними умовами, вузькими смугами, де метеорологічні зміни дуже різкі. Великі обсяги повітря, що переміщаються в одному з течій, називаються повітряними масами. Залежно від того, де формувалася та чи інша повітряна маса, як довго вона перебувала над певною підстилаючої поверхнею, залежать її властивості. Природно, що одні властивості народжуються в повітрі, підстилаються льодами Арктики, н зовсім інші - у тропіках. Таким чином, виникла наступна класифікація повітряних мас, заснована на географічних особливостях їх формування: Арктичний, повітря, що утворився над Полярним колом, в Арктичному басейні і над прилеглими частинами материка (АВ). Помірний повітря, що формується в помірних широтах (УВ). Тропічний повітря, що утворюється в тропічних і субтропічних шпротах (ТБ). Це повітря формується іноді в літній час над континентами в південних районах помірних широт. Екваторіальний повітря - повітря екваторіальній зони, іноді переходить з однієї півкулі в іншу (ЕВ). Всередині однієї і тієї ж повітряної маси метеорологічні елементи змінюються мало, а при переході з однієї маси в іншу - різко, стрибком. Перехідні зони, де метеорологічні елементи в горизонтальному напрямі змінюються швидко, прийнято називати фронтом (іноді фронтальними зонами, або фронтальними поверхнями). Коли насувається холодне повітря і клином підтікає під відступає і витісняється вгору тепле повітря, фронт називається холодним. Коли насувається тепле повітря і поступово натекает на відступає холодний, мова йде про тепле фронті. Розрізняють три головні фронти: арктичний (між арктичним і помірним повітрям), помірних широт (між помірним і тропічним), тропічний (між тропічним і екваторіальним повітрям). Переміщення, зміни та взаємодію повітряних мас і фронтів обумовлюють зміна погоди, тому їх вивчення особливо важливо при складанні прогнозів. Рух атмосфери різних масштабів і природи, фізичні явища і процеси, що відбуваються в атмосфері (випромінювання, нагрівання та охолодження, взаємні перетворення пари, води і льоду), становлять сутність сучасної науки про повітряну оболонці Землі .. Але відтворити всі найскладніші явища в заздалегідь заданою обстановці неможливо. Тому в останні роки організуються великомасштабні натурні експерименти. У 1972-1974. рр.. було проведено Міжнародний тропічний експеримент з вивчення динаміки та енергетики тропічної зони планети, використовувалися сучасні методи спостережень атмосфери і океану. До складу атмосфери входять різні групи речовин. Перша - головні постійні гази: азот, кисень, аргон. Сюди може бути віднесений і водяна пара, хоча кількість його не постійно і помітно змінюється від часу і місця. Далі йдуть малі постійні гази: вуглекислота, окис вуглецю, метан і ін Вони хімічно стійкі, але існують в атмосфері в невеликих. кількостях. Зараховують до цієї групи озон атмосфери і нижньої стратосфери - ненасичені і. Нестійкі молекули, нечисленні і хімічно дуже активні, озон верхньої атмосфери. В останню групу входять аерозолі - тверді і рідкі частини, які плавають в повітрі. Азот повітря становить за обсягом 78,08%. Він майже не бере участь у поглинанні енергії та перетворення речовини в атмосфері. Виняток становлять, ножа * дуй, лише деякі види бактерій у грунті, які засвоюють азот і виділяють в атмосферу дуже невелика кількість його окису. Перевага азоту в атмосфері пояснюють його інертністю. Виділився в початковій стадії утворення атмосфери він зберігся в ній в більшій кількості, ніж інші гази. Друга за обсягом (20,95%) складова частина атмосферного повітря - кисень. Він необхідний для дихання майже всіх живих організмів, горіння, бере участь у ре-акціях з багатьма іншими газами. Ракетні спостереження показали, що на великих висотах (близько 200 км) кисень повинен переважати над азотом. Про кисні у верхній атмосфері можна судити за спектрами в полярних сяйвах. Тут під дією проникаючих в атмосферу протонів і електронів, що випускаються активними областями (наприклад, спалахами на Сонці), світяться зріджені гази і найбільше атомарний кисень. Ці частки, стикаючись, збуджують атоми і молекули, які потім висвічуються. Нижній край кисневих полярних сяйв розташований на висоті близько 100 км, а верхній - до 700 км. 8 березня 1970 в Москві спостерігалася велика полярне сяйво, в якому видно було зелене і червоне свічення з фіолетовими відтінками. Аргон як важкий газ, мабуть, в термосферу відсутній. Аргон атмосфери пасивний. Вуглекислий газ приймає велику участь у процесах поглинання п випромінювання тепла. Середня його концентрація за об'ємом в 1973 р. становила 0,0324%. Треба зауважити, що вона безперервно зростає через спалювання палива,-лісових пожеж і випалу цементу. Так, за час з 1890 р. ці джерела давали в рік близько 1,4 • 109 т, а в 1971 р. вже майже 2 • 1010 т С02. Річне збільшення вуглекислоти в атмосфері становить лише половину цієї величини, а отже, інша половина повинна поглинатися океаном. Але останній процес йде повільно, і ще повільніше відбувається передача вуглекислоти в глибинні шари, в яких вже-розчинено вуглекислоти в 50 разів більше, ніж в атмосфері. Вуглекислота енергійно споживається рослинами як на земній поверхні, так і в океані. За оцінками деяких вчених, через накопичення вуглекислоти повинно відбутися підвищення середньої температури повітря приблизно на 3 ° С, Більша потепління (до 11 °) має охопити полярні країни і менше (до 2 °) - тропічні, в першу чергу в південній півкулі, де площа поглинаючої поверхні океану більше. Це, однак, процес тривалий. В атмосфері є також у невеликій кількості окис вуглецю, Концентрація якої особливо велика в промислових районах. Над океаном вона менше. Водень знаходиться в нижній атмосфері, куди потрапляє під час промислового забруднення повітря і виверження, вулканів. У земній атмосфері дуже мало водню і порівняно мало гелію, хоча він і виділяється при радіоактивному розпаді. Прихід і відхід гелію врівноважується надходженням його з земної кори і вислизання вгору. Вважають, що водень, який брав участь в освіті нашої планети, вже майже весь втрачений. Присутність в атмосфері озону має дуже велике значення - він захищає живі організми від шкідливої, а часом і згубного впливу надлишку ультрафіолетових променів Сонця. У далекі геологічні епохи, коли в атмосфері Землі не було кисню й озону, життя розвивалася в океані, захищеному шаром води. Водорості потроху виділяли кисень в атмосферу. На початку палеозойської ери його кількість становила соту частку від сучасного, над земною поверхнею виник шар озону. Сотні мільйонів років на Землі переважали лише водорості і гриби, потім почався бурхливий розквіт життя на суші у всіх її формах. Захисна роль озону велика і в наші дні. Більше 1% сонячної енергії поглинається у верхній частині озону, саме тому такий тепле повітря (вище 0 °) спостерігається в шарі 40-55 км. Озон хімічно активний, реагує з1 іншими малими газами атмосфери. Озон - сильно розшарування в атмосфері газ. Висота, потужність і змішання його сильно залежать від динамічних процесів атмосфери. Спостереження над озоном дають можливість детально вивчати циркуляцію атмосфери, руху фронтів.
Переглядів: 9532
| Теги:
| Рейтинг: 2.0/5 | | |||||
| Матеріали по темі: |
