Каждый из нас с малых лет знает, что он дышит воздухом, что без воздуха и дыхания невозможна жизнь. Глядя на безоблачное синее летнее небо, на вершины гор, каждый спрашивал себя, есть ли там, в вышине, такой же воздух, каким мы дышим на поверхности Земли, как велик «воздушный океан», сколь он глубок, из чего он состоит, везде ли одинаков.
Исследователи-географы и альпинисты побывали на многих самых высоких вершинах гор и убедились, что воздух там есть, хотя чем выше горы, тем труднее дышать.
Стратонавты и летчики поднимались на стратостатах и самолетах с особыми приборами для нормального дыхания выше самых высоких горных вершин, покрытых вечными снегами и льдами. На высоте 5000 м и выше дышать без особого прибора, подающего кислород, человеку уже трудно. На этой высоте свободно могут дышать лишь некоторые птицы.
Самые отдаленные облака, как показывают измерения, плывут на высоте около 80 км. Если бы там не было атмосферы , они не могли бы держаться на этой высоте.
В ясные ночи нередко можно видеть «падающие звезды» - это метеориты, влетающие в атмосферу Земли. Некоторая часть метеоритов падает на поверхность Земли в виде каменных или железных обломков, пролетев всю толщу атмосферы.
Попав в воздушную оболочку Земли, метеорит сталкивается с молекулами воздуха. Впереди него образуется как бы подушка - слой сжатого и сильно нагретого (до 20 тыс. градусов) воздуха, который светится вместе с самим метеоритом. Это свечение начинается на высоте около 120 км. Следовательно, воздух имеется и на этой высоте, хотя он здесь в миллион раз разреженнее, чем у поверхности Земли.
Наконец, верхняя граница полярных сияний достигает высоты 1000-1200 км от поверхности Земли. Если бы там не было газов, полярные сияния не могли бы возникать.
Вблизи земной поверхности содержится азота в сухом воздухе по объему 78,03%, кислорода - 20,99%, аргона - 0,94%, углекислого газа - 0,03%, водорода - 0,01 % и крайне ничтожные доли («следы») других газов - гелия, неона, криптона, ксенона и т. д.
В воздухе всегда имеется некоторое количество водяного пара - от 0,1 до 4%. Кроме газов, в воздухе довольно много мельчайшей пыли. Пылинок в 1 см³ воздуха, даже самого чистого, например в открытом месте после дождя, может насчитываться в нижних слоях атмосферы до 30 000, а при других условиях - сотни тысяч, даже миллионы.
Выше 100 км от поверхности Земли кислород и азот содержатся в воздухе не в таком виде, как в нижних слоях атмосферы. Внизу каждая молекула кислорода состоит из двух атомов (О2), а выше 100 км молекулы его распадаются на отдельные атомы и получается атомный кислород (О1). Выше 200 км на атомы распадается и азот.
Таков состав внешней оболочки Земли - атмосферы.
СФЕРА ЖИЗНИ
Кроме перечисленных выше основных оболочек, или геосфер, образующих Землю, некоторые ученые выделяют в качестве самостоятельной геосферы Земли еще одну - биосферу , т. е. то пространство, в котором существует на нашей планете жизнь (по-гречески «биос» - жизнь).
Это совершенно особая по своим качествам геосфера. Ведь жизнь во всем бесконечном многообразии ее форм распространена в нескольких из перечисленных выше геосфер. Она имеется в нижних слоях атмосферы, во всей толще воды Мирового океана, т. е. в океанах, морях, реках, болотах и т. п., на поверхности почти всей суши и даже на некоторой глубине в коре земного шара.
Биосфера состоит из всех наиболее распространенных в природе химических элементов, но характерными для нее являются элементы, входящие в состав живого вещества,- водород, кислород, азот, сера и особенно углерод.
ПЛОТНОСТЬ ЗЕМЛИ
Среднюю плотность (удельный вес) Земли удалось определить в самом конце XVIII в. при помощи чрезвычайно чувствительного прибора - крутильных весов. Этот прибор позволил сравнить притяжение небольшого свинцового шарика большим свинцовым шаром и Землей. Крутильные весы представляют собой легкий стержень, подвешенный за середину на тонкой металлической нити. По концам стержня укреплены два небольших свинцовых шарика. Два больших свинцовых шара подвешены так, что они находятся по разные стороны от стержня.
Когда стали приближать большие шары к маленьким, то они притянули к себе маленькие шарики и закрутили нить.
Так как сила сопротивления нити закручиванию была заранее измерена, то по углу, на который повернулся стержень, можно было вычислить силу притяжения большим свинцовым шаром маленького шарика. Притяжение же маленького свинцового шарика Землей - его вес. Значит, легко было узнать, во сколько раз слабее, чем Земля, большой свинцовый шар притягивает маленький шарик крутильных весов.
По закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном, можно было вычислить, во сколько раз масса Земли больше массы большого свинцового шара. Так как радиус Земли известен,то легко было определить ее объем, а разделив массу на объем, найти среднюю плотность Земли; она равна 5,52
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Когда мы выходим из дома, нас всегда интересует, какая сегодня погода. Если, занятые своими мыслями, мы не замечаем погоды, она настойчиво напоминает о себе. Погода - наш вечный спутник, капризный и непостоянный!
С далеких времен люди пытались объяснить, почему меняется погода, как возникают грозные ураганы, ливни, метели и какие силы их создают? Ответ на эти вопросы дает метеорология - наука, изучающая явления в воздушной оболочке земного шара (атмосфере). Слово «метеорология» происходит от греческих слов «метеор» — парящий в воздухе и «логос» - слово, учение.
Тяжесть воздушного океана
Мы живем на дне воздушного океана. Окружающий нас воздух так прозрачен и легок, что до XVII века в науке господствовало убеждение в его невесомости.
В 1640 г. в Италии герцог Тосканский решил устроить фонтан на террасе своего дворца. Для подачи воды из озера был построен насос большой длины, каких до этого еще не строили. Но оказалось, что насос не работает - вода в нем поднималась только до 10,3 м над уровнем водоема.
Никто не мог объяснить, в чем тут дело, пока ученик Галилея - Э. Торичелли не высказал мысль, что вода в насосе не поднимается под действием тяжести атмосферы, которая давит на поверхность озера. Столб воды высотой в 10,3 м в точности уравновешивает это давление, и поэтому выше вода не поднимается. Торичелли взял стеклянную трубку с одним запаянным концом и другим открытым и заполнил ее ртутью. Потом он зажал отверстие пальцем и, перевернув трубку, опустил ее открытым концом в сосуд, наполненный ртутью. Ртуть не вылилась из трубки, а только немного опустилась.
Столб ртути в трубке установился на высоте 760 мм над поверхностью ртути в сосуде. Вес столба ртути сечением в 1 кв. см. равен 1,033 кГ, т.е. в точности равен весу столба воды такого же сечения высотой 10,3 м. Именно с такой силой атмосфера давит на каждый квадратный сантиметр любой поверхности, в том числе и на поверхность нашего тела.
Ладонь руки взрослого человека испытывает давление атмосферы примерно в 150 кГ, т.е. равное весу двух мужчин.
Так Торичелли создал барометр - первый в мире прибор, измеряющий атмосферное давление (от греческих слов «барос» - тяжесть, вес, «метрео» - измеряю). Долгое время атмосферное давление измеряли в миллиметрах высоты ртутного столба. Среднее давление на уровне моря равно 760 мм. Но такая единица оказалась неудобной для расчетов, и сейчас атмосферное давление выражают в миллибарах. Один миллибар почти точно равен той силе, с которой тело весом в 1 грамм давит на поверхность в 1 кв. см., а среднее давление атмосферы равно 1013 мб. При помощи барометра было установлено, что атмосферное давление все время меняется и неодинаково в разных местах. Было обнаружено, что атмосферное давление понижается с подъемом в горы, так как уменьшается толщина слоя атмосферы над барометром.
Распределение массы атмосферы по слоям
Барометр, поднятый на одинаковую высоту с различных уровней, показывает неодинаковое изменение давления. Ведь самые нижние слои воздуха находятся под давлением всей толщи атмосферы, они особенно сильно сжаты и наиболее плотны. Чем выше, тем давление слабее и тем меньше плотность воздуха.
Так, например, на уровне 5,5 км давление вдвое меньше, чем на уровне моря, т. е. в слое толщиной 5,5 км сосредоточена половина всей массы атмосферы. Но в следующем слое той же толщины, между уровнями 5,5 и 11 км, содержится всего лишь одна четверть массы атмосферы. Выше уменьшение давления с подъемом еще более замедляется. Если подняться до уровня 22 км, то и здесь давление не равно нулю, а составляет 1/25 от приземного давления. На долю вышележащих слоев остается только 1/25, или 4 %, общей массы атмосферы. Еще выше признаки частиц воздуха прослеживаются над земной поверхностью до высот более 1000 км.
Слои воздушного океана
Долгое время люди могли судить о свойствах воздушного океана только по наблюдениям с земли. По-настоящему проникать в его тайны наука стала, когда изобрели средства для подъема измерительных приборов в верхние слои атмосферы.
Из опыта горных восхождений и первых подъемов воздушных шаров стало известно, что температура воздуха понижается с высотой. Именно поэтому даже в разгар лета в жарких тропических странах вершины высоких гор одеты сверкающими вечными снегами. Было установлено, что температура воздуха понижается на каждый километр подъема в среднем на 5-6°. В отдельных слоях атмосферы и в отдельные дни это понижение температуры может быть больше или меньше. Иногда даже встречаются слои, в которых температура повышается с высотой: такое явление назвали инверсией или поворотом хода температуры. Заметили также, что очень редко температура понижается до 10° на 1 км подъема и никогда не превышает этой величины.
Но вот исследователи стали проникать все выше, запуская воздушные шары - зонды, к которым прикреплялись самопишущие приборы. На некоторой высоте шары лопались, и приборы с записями опускались на парашютах. Шары-зонды стали проникать на высоты более 10-11 км, и тут обнаружилось, что выше этого уровня температура с высотой перестает падать. Вначале не поверили приборам: решили, что они нагреваются солнцем. Однако потом пришлось признать, что выше 10-11 км действительно начинается совершенно иной слой атмосферы, в котором с высотой температура не понижается, а остается постоянной.
Этот слой ученые назвали стратосферой, в отличие от нижнего слоя - тропосферы.
До высоты 11 км, т. е. в тропосфере, содержится 3/4 всей массы атмосферы. Здесь образуются также почти все облака, отсюда выпадают дожди и снег. Явления, которые мы называем погодой, развиваются именно в тропосфере.
Со временем совершенствовались старые и появлялись новые приборы для изучения атмосферы. Вместо шаров-зондов стали применять радиозонды - поднимающиеся на шарах автоматические радиостанции, которые передают показания измерительных приборов на землю. Выяснилось, что толщина тропосферы все время изменяется и неодинакова в разных местах земного шара. Чем меньше приходит тепла от солнца, чем холоднее тропосфера, тем она тоньше. В наших умеренных широтах толщина тропосферы колеблется от 8 до 13 км, иногда уменьшаясь до 6 км или увеличиваясь до 15 км.
Над Южным и Северным полюсами толщина в среднем равна 8 км, а над экватором достигает 17 км. Чем толще тропосфера, тем холоднее стратосфера: ведь в тропосфере температура с высотой понижается. Поэтому средняя температура в стратосфере над Арктикой равна минус 45°, над нашими широтами - минус 55°, над экватором - минус 80°. Таким образом, оказывается, что над более теплой толстой тропосферой лежит более холодная стратосфера, и, наоборот, над холодной тонкой тропосферой - теплая стратосфера.
Вначале, после открытия стратосферы, предполагали, что она простирается до верхней границы атмосферы и постепенно переходит в космическое безвоздушное пространство. Затем появилось новое средство метеорологических наблюдений - ракета, которая стала достигать высот в сотни километров.
Очень интересные данные удалось получить с помощью искусственных спутников. Все эти наблюдения показали, что в стратосфере температура с высотой остается постоянной только до 40 км. Здесь стратосфера кончается. Выше до уровня 80 км простирается мезосфера, где температура падает, и на верхней границе мезосферы понижается до минус 90°. Выше 80 километров располагается ионосфера.
Температура ионосферы возрастает с высотой и достигает на некоторых уровнях очень больших величин, порядка сотен градусов. Но это не значит, что попавший туда человек заживо зажарится: плотность воздуха там так мала, что невозможно ощутить разницу с безвоздушным космическим пространством, имеющим температуру абсолютного нуля (минус 273°). Температуру мы ощущаем по той интенсивности, с какой молекулы вещества бомбардируют поверхность нашего тела. Скорость движения молекул и представляет физическую сущность температуры вещества; вот эта скорость и возрастает в ионосфере до весьма больших пределов, которые могли бы соответствовать очень высокой температуре воздуха в обычном понимании этого слова.
Выше 800 км над Землей кончается ионосфера и начинается зона рассеяния. Отсюда частицы воздуха ускользают в мировое пространство, покидая навсегда нашу планету. В этой зоне воздух настолько разрежен, что его частица может пролететь сотни километров, не столкнувшись с другой.
Чтобы представить себе это, достаточно сказать, что на высоте 100 км от одного столкновения до другого частица воздуха может пролететь расстояние в 1-2 см, тогда как у поверхности Земли - не более одной стотысячной доли сантиметра! По некоторым признакам частицы газов, составляющих воздух, встречаются до высот 1500-2000 км. Этот уровень можно считать верхней границей атмосферы.
Чем объясняется расслоение атмосферы
Почему же атмосфера делится на такие слои? Объясняется это рядом причин. Во-первых, плотность воздуха уменьшается с высотой. Во-вторых, солнечные лучи, несущие тепло, почти беспрепятственно проникают через атмосферу, нагревают земную поверхность и уже от нее тепло распространяется вверх на всю атмосферу. В-третьих, атмосфера все же поглощает часть солнечного излучения, особенно поток летящих от Солнца частиц, и поэтому верхние части атмосферы находятся под воздействием этого излучения, а нижние - защищены от них. И наконец, тепло в атмосфере распространяется двумя различными способами: перемешиванием воздуха и тепловым излучением его частиц. Причем в плотном воздухе преобладает первый способ, а в разреженном - второй.
Тропосфера непосредственно соприкасается с нагревателем - земной поверхностью. Плотность воздуха в ней наибольшая, и тепло распространяется преимущественно перемешиванием воздуха, опусканием и подъемом его частиц. Когда воздух поднимается, он попадает в слои с меньшим атмосферным давлением и расширяется. Теоретически при расширении воздуха его температура понижается на 10° на 1 км подъема. При опускании воздуха его температура, наоборот, повышается на ту же величину: 10° на 1 км. Значит, уже за от таких подъемов и опусканий воздуха в тропосфере температура с высотой должна падать. Но более теплые частицы легче холодных, они чаще поднимаются, а более холодные - ниже опускаются. Поэтому оказывается, что температура в тропосфере падает с высотой на 10° на каждый километр, а в среднем — на 5-6°.
В стратосфере, где плотность воздуха невелика, его потоки не могут переносить много тепла. Здесь тепло переносится излучением - невидимыми тепловыми лучами. Каждое тело излучает тепло, и тем сильнее, чем выше его температура. Мы ощущаем такие лучи, идущие от стенки нагретой печки. Если поставить друг перед другом нагретый и холодный предметы, то нагретый будет охлаждаться, а холодный - нагреваться, пока их температура не сравняется. То же самое происходит в стратосфере, где все слои излучают тепло вниз и вверх и тем самым поддерживают одинаковую температуру. В ионосферу, где воздух очень разрежен, проникают несущиеся от Солнца с огромной скоростью электрически заряженные частицы, которые бомбардируют и электризуют частицы воздуха. Наэлектризованный слой оказывается способным проводить электричество и сильно влияет на распространение коротких радиоволн - он отражает их вниз к Земле. Отражаясь попеременно, то от ионосферы, то от земной поверхности, короткие радиоволны обегают весь земной шар - в этом секрет их поразительно дальнего действия.
