Воздушная оболочка, которая окружает нашу планету и вращается вместе с ней, называется атмосферой. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, а три четверти массы — в нижних 10 км. Выше воздух значительно разрежен, хотя его частицы обнаруживаются на высоте 2000-3000 км над земной поверхностью. Воздух, которым мы дышим, это смесь газов. Больше всего в нём азота — 78% и кислорода — 21 %. Аргон составляет менее 1 % и 0,03% - углекислый газ. Другие многочисленные газы, например криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон и прочие, составляют тысячные и миллионные доли процента. Воздух содержит также водяной пар, частички различных веществ, бактерии, пыльцу и космическую пыль. Атмосфера состоит из нескольких слоев. Нижний слой до высоты 10—15 км над поверхностью Земли называется тропосфера. Она нагревается от Земли, поэтому температура воздуха здесь с высотой падает на 6 °С на 1 километр подъёма. 8 тропосфере находится почти весь водяной пар и образуются практически все облака. Высота тропосферы над разными широтами планеты неодинакова. Над полюсами она поднимается до 9 км, над умеренными широтами — до 10—12 км, а над экватором — до 15 км. Процессы, происходящие в тропосфере - формирование и перемещение воздушных масс, образование циклонов и антициклонов, появление облаков и выпадение осадков, — определяют погоду и климат у земной поверхности. Выше тропосферы располагается стратосфера, которая простирается до 50—55 км. Тропосферу и стратосферу разделяет переходный слой тропопауза, толщиной 1-2 км. В стратосфере на высоте около 25 км температура воздуха постепенно начинает расти и на 50 км достигает + 10 +30 °С. Такое повышение температуры связано с тем, что в стратосфере на высотах 25-30 км находится слой озона. У поверхности Земли его содержание в воздухе ничтожно мало, а на больших высотах двухатомные молекулы кислорода поглощают ультрафиолетовую солнечную радиацию, образуя трёхатомные молекулы озона. Если бы озон располагался в нижних слоях атмосферы, на высоте с нормальным давлением, толщина его слоя была бы всего 3 мм. Но и в таком небольшом количестве он играет очень важную роль: поглощает вредную для живых организмов часть солнечного излучения. Выше стратосферы примерно до высоты 80 км простирается мезосфера, в которой температура воздуха с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Верхняя часть атмосферы характеризуется очень высокими температурами и называется термосферой. Её разделяют на две части - ионосферу — до высоты около 1000 км, где воздух сильно ионизован, и экзосферу — свыше 1000 км. В ионосфере молекулы атмосферных газов поглощают ультрафиолетовую радиацию Солнца, при этом образуются заряженные атомы и свободные электроны. В ионосфере наблюдаются полярные сияния. Атмосфера играет очень важную роль в жизни нашей планеты. Она предохраняет Землю от сильного нагрева солнечными лучами днём и от переохлаждения ночью. Большая часть метеоритов сгорает в атмосферных слоях, не долетая до поверхности планеты. Атмосфера содержит кислород, необходимый всем организмам, озоновый экран, защищающий жизнь на Земле от губительной части ультрафиолетовой радиации Солнца.
Необычные явления
ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ. Наша планета вращается в потоке заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Солнечный ветер словно бы обдувает Землю, а магнитное поле планеты отклоняет его частицы. И только в полярных областях, у магнитных полюсов, где линии магнитного поля направлены к поверхности Земли, заряженные частицы проникают в верхние слои атмосферы — в ионосферу, вызывая её свечение. Яркими разноцветными дугами, лентами и занавесями украшает полярное сияние ночное небо. Оно наблюдается в высоких широтах обоих полушарий и поэтому называется полярным. Особенно интенсивно полярное сияние в периоды солнечной активности. ГАЛО. Иногда вокруг Солнца и Луны можно увидеть яркие светлые кольца, слабо окрашенные в радужные цвета, — гало (от греч. halos — круг, диск). Они появляются, когда Солнце или Луну закрывают тонкие лёгкие перистые облака, состоящие из ледяных кристаллов. Лучи света преломляются в шестигранных призмах кристаллов, образуя светлые круги вокруг диска светила. Яркий малый круг гало имеет радиус 22°, а большой круг, радиус которого равен 46°, светится слабее и наблюдается реже. В некоторых случаях можно увидеть гало, отдельные участки которого светятся ярче других, они располагаются на одной линии с Солнцем и образуют «ложные солнца». МИРАЖ. Выбившимся из сил путникам, бредущим по пустыне, порой видятся прохладные озёра, пейзажи городов и оазисов или караваны верблюдов. Это не плод воображения, а миражи (от франц. mirer - рассматривать) - мнимые изображения отдалённых объектов. Они появляются, потому что над пустыней нередко образуются неравномерно нагретые слои воздуха, обладающие разной плотностью. На границе таких слоев лучи света, идущие от предметов, отклоняются от первоначального пути, описывают подобие дуги и возвращаются к земле за десятки и даже сотни километров. Поэтому в безлюдной пустыне иногда можно увидеть изображения объектов, находящихся далеко за горизонтом. Когда в сильно нагретых от поверхности слоях воздуха отражается ярко-голубое небо, путнику кажется, что перед ним раскинулась сверкающая гладь озера. Сложный движущийся мираж называется «фата-моргана», он образуется, когда солнечные лучи искривляются, проходя сквозь чередующиеся слои воздуха различной плотности и температуры. Их можно увидеть не только в пустыне, но и над морем. «Фата-морганой» итальянцы называли внезапно возникающие причудливые замки над водой в Мессинском проливе (между островом Сицилия и Апеннинским полуостровом).
Облака
Облака бывают самые разные. В хмурый дождливый день их плотные серые слои низко висят над Землёй, мешая пробиться солнечным лучам. Летом по голубому небу друг за другом бегут причудливые белые «барашки», а иногда высоко-высоко, где серебристой звёздочкой летит самолёт, можно увидеть белоснежные прозрачные «перышки» и «коготки». Всё это облака - скопление в атмосфере капелек воды, кристаллов льда, а чаще тех и других одновременно. Несмотря на всё разнообразие форм и видов облаков, причина их формирования одна. Облако образуется, потому что воздух, нагретый у поверхности Земли, поднимается вверх и постепенно охлаждается. На определённой высоте из него начинают конденсироваться (от лат. condensatio - сгущение) мельчайшие капельки воды, водяной пар переходит из газообразного состояния в жидкое. Это происходит оттого, что холодный воздух содержит меньше водяного пара, чем тёплый. Для начала процесса конденсации необходимо , чтобы в воздухе присутствовали ядра конденсации — мельчайшие твёрдые частицы (пыль, соли и другие вещества), к которым могут прилипнуть молекулы воды. Большая часть облаков образуется в тропосфере, но изредка они встречаются и в более высоких атмосферных слоях. Облака тропосферы условно разделяют на три яруса: нижний — до 2 км, средний - от 2 до 8 км и верхний ярус -от 8 до 18 км. По форме различают перистые, слоистые и кучевые облака, но их вид и строение настолько многообразны, что метеорологи выделяют типы, виды и отдельные разновидности облаков. Каждой форме облака соответствует специально утверждённое латинское название. Например, высококучевые чечевицеобразные облака называются Altocumulus Lenticularis. Длянижнегоярусахарактерны слоистые, слоисто-кучевые и слоисто-дождевые облака. Они почти всегда непроницаемы для солнечных лучей и дают обложные и длительные осадки. В нижнем ярусе могут образовываться кучевые и ку-чево-дождевые облака. Они нередко имеют вид башен или куполов, растущих вверх до 5—8 км и выше. Нижняя часть этих облаков - серая, а иногда иссиня-чёрная - состоит из воды, а верхняя — ярко-белая — из ледяных кристаллов. С кучевыми облаками связаны ливни, грозы и град. Для среднего яруса характерны высокослоистые и высококучевые облака, состоящие из смеси капель, кристалликов льда и снежинок. В верхнем ярусе образуются перистые, перисто-слоистые и перисто-кучевые облака. Через эти ледяные полупрозрачные облака хорошо видны Луна и Солнце. Перистые облака не несут осадков, но часто являются предвестниками перемены погоды. Изредка на высоте 20-25 км формируются особые, очень лёгкие перламутровые облака, состоящие из переохлаждённых водяных капель. А ещё выше - на высоте 75-90 км - серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов. Днём эти облака увидеть невозможно, а ночью их освещает Солнце, находящееся под горизонтом, и они слабо блестят. Степень покрытия неба облаками называется облачностью. Она измеряется в баллах по десятибалльной шкале (полная облачность -10 баллов) или в процентах. Днём облака предохраняют поверхность планеты от чрезмерного нагрева солнечными лучами, а ночью препятствуют выхолаживанию. Облака покрывают почти половину земного шара, их больше в областях пониженного давления (там, где воздух поднимается) и особенного много над океанами, где в воздухе содержится больше влаги, чем над материками.
Вода в атмосфере
В атмосфере вода находится в трех агрегатных состояниях - газообразном (водяной пар), жидком (капли дождя) и твердом (кристаллики снега и льда). По сравнению со всей массой воды на планете, в атмосфере её совсем немного — около 0,001%, но её значение огромно. Облака и водяные пары поглощают и отражают избыток солнечной радиации, а также регулируют ее поступление на Землю. Одновременно они задерживают встречное тепловое излучение, идущее от поверхности Земли в межпланетное пространство. Содержание воды в атмосфере определяет погоду и климат местности. От него зависит, какая установится температура, образуются ли облака над данной территорией, пойдёт ли из облаков дождь, выпадет ли роса. восходящими потоками воздуха. Охлаждаясь, он конденсируется, образуются облака, и при этом выделяется огромное количество энергии, которую водяной пар возвращает атмосфере. Именно эта энергия заставляет дуть ветры, переносит сотни миллиардов тонн воды в облаках и увлажняет дождями поверхность Земли. Испарение состоит в том, что молекулы воды, отрываясь от водной поверхности или влажной почвы, переходят в воздух и превращаются в молекулы водяного пара. В воздухе они двигаются самостоятельно и переносятся ветром, а их место занимают новые испарившиеся молекулы. Одновременно с испарением с поверхности почвы и водоёмов происходит и обратный процесс - молекулы воды из воздуха переходят в воду или почву. Воздух, в котором количество испаряющихся молекул водяного пара равно количеству возвратившихся молекул, называется насыщенным, а сам процесс — насыщением. Чем больше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нём содержаться. Так, в 1м3 воздуха при температуре +20 °С может содержаться 17 г водяного пара, а при температуре -20 °С только 1 г водяного пара. При малейшем понижении температуры насыщенный водяным паром воздух уже не способен больше вместить влагу и из него выпадают атмосферные осадки, например, образуется туман или выпадает роса. Водяной пар при этом конденсируется — переходит из газообразного состояния в жидкое. Температура, при которой находящийся в воздухе водяной пар насытит его и начнётся конденсация, называется точка росы. Влажность воздуха характеризуется несколькими показателями. Абсолютная влажность воздуха — количество водяного пара, содержащегося в воздухе, выраженное в граммах на кубический метр, иногда ещё называется упругостью или плотностью водяного пара. При температуре 0 °С абсолютная влажность насыщенного воздуха — 4,9 г/м3. В экваториальных широтах абсолютная влажность воздуха составляет около 30 г/м3, а в приполярных областях - 0,1 г/м3. Процентное отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к количеству водяного пара, которое может содержаться в воздухе при данной температуре, называется относительной влажностью воздуха. Она показывает степень насыщения воздуха водяным паром. Если, например, относительная влажность равна 50%, это значит, что воздух содержит только половину водяного пара из того количества, которое он мог бы вместить при данной температуре. В экваториальных широтах и в полярных районах относительная влажность воздуха всегда высока. На экваторе при большой облачности температура воздуха не слишком высока, а содержание влаги в нём значительно. В высоких широтах влагосодержание воздуха низкое, но и температура не большая, особенно зимой. Очень низкая относительная влажность воздуха характерна для тропических пустынь — 50% и ниже.
Почему на закате небо красное, а в ясный день - голубое?
Воздух прозрачен и бесцветен, но в мощной толще атмосферы в ясный день он голубого цвета, так как солнечные лучи рассеиваются в воздухе. Свет, или солнечные лучи, — это распространяющиеся электромагнитные волны. Фиолетовые, синие и голубые - лучи с короткой длиной волны. В ясный день они интенсивно рассеиваются молекулами воздуха и становятся доступными глазу, А у лучей красного и жёлтого цветов длина волны почти вдвое больше, поэтому рассеиваются они молекулами воздуха значительно меньше. В облаках и тумане содержится много различных примесей, капелек воды, кристалликов льда, здесь лучи всех длин волн рассеиваются одинаково сильно, поэтому облака и туман белого цвета. На закате небо часто окрашивается в красные и жёлтые цвета. Это происходит потому, что вечером Солнце стоит низко над горизонтом и солнечные лучи проходят очень длинный путь в атмосфере. Они активно рассеиваются, теперь нашему взгляду становятся доступны красные и жёлтые лучи.
Солнечная радиация
Солнце - самая близкая к Земле звезда - излучает электромагнитные волны разной длины. Одни из них представляют собой свет; другие — инфракрасные лучи, несущие тепло; третьи — целый ряд лучей, невидимых человеческим глазом: гамма-лучи, рентгеновские, ультрафиолетовые и радиоволны. Земная атмосфера лучше всего пропускает видимый свет и радиоволны коротковолнового диапазона, а губительные для жизни ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи поглощаются атмосферой. Для нашей планеты Солнце - единственный источник тепла и света, от Луны и звёзд поступает ничтожно малое количество радиации. Лучистая энергия Солнца нагревает поверхность Земли, а от неё нагреваются нижние слои атмосферы. Солнечные лучи, проходящие через атмосферные слои, нагревают их значительно меньше. Радиацию, которая доходит до Земли непосредственно от светила, не рассеивается и не поглощается в атмосфере, называют прямой солнечной радиацией. Атмосферный воздух содержит мельчайшие частички жидких и твёрдых примесей — пылинки, капельки воды, кристаллы, частички солей. Наталкиваясь на эти препятствия, некоторые солнечные лучи рассеиваются в атмосфере. Эту часть солнечной радиации называют рассеянной. Около 25% энергии от общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную. Вся прямая и рассеянная радиация Солнца, достигшая Земли, составляет суммарную солнечную радиацию. Её количество зависит от угла падения солнечных лучей, продолжительности дня, облачности и прозрачности атмосферы. В тропических широтах годовая величина суммарной солнечной радиации составляет около 200 ккал/ см2, а в полярных областях - 50 ккал/см2. Небольшое количество солнечной радиации поглощается молекулами атмосферных газов и примесями, а та радиация, что всё же достигает поверхности планеты, частично поглощается земной поверхностью, а частично отражается и уходит обратно в атмосферу. Воздушная оболочка Земли поглощает 15-20% радиации, приходящей от светила. Солнечные лучи, падающие на водную гладь, белый снег или кроны деревьев, нагревают их по-разному, потому что поверхности различного цвета и структуры поглощают лучи неодинаково. Например, тёмная поверхность вспаханной почвы нагревается быстрее, чем свежевыпавший белый снег. Отношение количества отражённой радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности. Это отношение выражается в процентах. Для яркого белого снега альбедо составляет 80-90%, а для тёмной пашни - 5-10%. Интересно, что в высоких широтах во время полярного дня на земную поверхность приходится больше солнечной радиации, чем в это же время на экваторе. Однако из-за того, что большая часть солнечных лучей отражается белым снегом, полярные области нагреваются очень слабо.
