Атмосфера

Атмосфера, воздушная оболочка Земли, представляет собой слой воздуха, плотность которого постепенно убывает по мере удаления от поверхности Земли. Она простирается до высоты свыше 1000 км. На высоте около 50 км давление воздуха уже в 1000 раз меньше, чем у поверхности Земли, поэтому более высокие слои атмосферы представляют собой чрезвычайно разрежённый газ.
Воздух состоит из азота, кислорода, углекислого газа, аргона, гелия, неона, криптона и ксенона. В атмосфере всегда присутствует водяной пар, попадающий туда при испарении с поверхности морей и материков.
Излучение от Солнца прежде, чем достигнуть поверхности Земли, проходит через атмосферу. В атмосфере солнечные лучи поглощаются и рассеиваются входящими в состав атмосферы газами, частицами пыли, водяным паром, облаками. В верхних слоях атмосферы особенно сильно поглощается ультрафиолетовая часть спектра излучения. Пройдя через атмосферу, лучи достигают поверхности Земли, где часть излучения поглощается растениями и самой поверхностью, другая часть отражается ими. При удалении от поверхности Земли интенсивность радиации от Солнца возрастает и в её составе появляется всё большее количество ультрафиолетовых лучей.
Энергия, поглощённая поверхностью Земли, расходуется на излучение, нагревание воздуха, почвы и водных поверхностей и на испарение. Почва прогревается вглубь очень медленно и не на большую глубину – не больше 25 м. При конденсации паров воды в атмосферу выделяется такое количество энергии, какое было поглощено при её испарении. Это нагревает атмосферу и предохраняет её от резких понижений температуры. Не всегда конденсация водяных паров происходит там же, где образуются пары. Часто пары переносятся на большие расстояния, и конденсация происходит в более холодных районах, чем те, где происходило испарение. Этот процесс, также как и перенос воздушными течениями теплоты, полученной ими от нагретых поверхностей, приводит к смягчению климатических условий в холодных районах.
Солнечное излучение содержит в себе кроме видимого излучения, инфракрасное и ультрафиолетовое. Водяные пары обладают важной особенностью: они гораздо сильнее поглощают инфракрасные лучи, чем видимые. Поэтому земная атмосфера является своеобразной ловушкой для энергии солнечных лучей. Видимые лучи свободно проникают сквозь атмосферу и поглощаются земной поверхностью. За счёт поглощённой энергии земная поверхность излучает инфракрасные лучи, которые поглощаются водяным паром и нагревают атмосферу. Благодаря этому температура поверхности Земли составляет около 15 Со, иначе температура была бы значительно ниже. В этом смысле действие водяных паров сходно с действием стёкол, служащих для закрывания парников.
В атмосфере происходят адиабатические процессы, при которых отсутствует теплообмен с окружающей средой. При адиабатическом расширении газ охлаждается, так как при этом совершается работа против сил внешнего давления, в результате которой внутренняя энергия газа уменьшается. В восходящем потоке воздух расширяется, так как он попадает в области всё меньшего давления, при этом он охлаждается. Этот процесс происходит без теплообмена с окружающими слоями воздуха, тоже поднимающимися и тоже охлаждающимися. Эти процессы проявляются, например, когда воздушный поток на своём пути встречает горный хребет и вынужден подниматься по его склонам вверх. Восходящее движение воздуха сопровождается его охлаждением. Поэтому климат горных стран всегда холоднее климата ближайших равнин и на больших высотах господствует вечный мороз. На горах с некоторой высоты снег уже не успевает растаять за лето и накапливается год за годом в виде снежников и ледников. Когда воздушная масса опускается, она сжимается и при сжатии нагревается. Если воздушный поток, перевалив через горный хребет, спускается вниз, он снова нагревается. Таким образом, возникает тёплый ветер, хорошо известный в горных странах – на Кавказе, в Средней Азии, в Швейцарии и т. д.
Когда влажный воздух достигает при своём постепенном охлаждении точки росы, водяной пар начинает в нём конденсироваться, в результате чего образуются мельчайшие капли воды, из которых состоит туман. Туман может образоваться в приземном слое воздуха, когда воздух охлаждается благодаря соприкосновению с холодной поверхностью Земли или моря. Облака – это тот же туман, только они возникают в более высоких слоях атмосферы. Главная причина образования облаков – в охлаждении воздуха поднимающегося вверх. При конденсации выделяется теплота, которая замедляет дальнейшее охлаждение воздуха. Поэтому поднимающийся поток воздуха будет охлаждаться при конденсации пара медленнее, чем тогда, когда воздух совершенно сухой. В состав облаков также входят ледяные кристаллы, которые образуются при дальнейшем охлаждении капель воды. Капли облаков и туманов столь мелки (имеют диаметр от 3 до 40 микрон), что падают в воздухе чрезвычайно медленно, почти незаметно. Очень часто при морозе эти капли являются переохлаждёнными, т. е. остаются жидкими и не замерзают.
При сильных воздушных потоках, направленных вертикально вверх, образуются особенно плотные, непросвечивающие белые клубящиеся облака – кучевые облака. Иногда они перерастают в высокие, высотой в несколько километров, грозовые облака. Когда восходящее движение в атмосфере очень медленное, но охватывает одновременно огромную массу облака на протяжении многих сотен километров, образуются слоисто-дождевые облака, серые плотные и бесформенные. Слой таких облаков иногда имеет толщину 4 – 5 км.
В атмосфере может возникнуть волнообразное движение воздуха. В гребешках воздушных волн воздух поднимается вверх, и там образуются отдельные облачка или облачные валы, а в промежутках между гребешками остаются просветы. Такие облака в народе называют «барашками».
В облаке более крупные и тяжёлые капли, догоняя при падении мелкие, могут образовывать капли настоящего дождя. Чаще же всего осадки (дождь, снег и пр.) образуются в облаках благодаря различному давлению насыщающего водяного пара над водой и льдом. Если в облако, состоящее из переохлаждённых капель, попадает частица льда, то кристалл начинает расти, а капли испаряться. Таким путём в облаке вырастают большие снежинки. Они постепенно выпадают из облака. Если они внизу попадают в слой более тёплого воздуха с температурой выше 0 Со, то могут растаять в нём и выпасть в виде капель дождя.
В метеорологии снег, дождь, град и т. д. объединяют общим названием «осадки». Количество осадков определяют, вычисляя, какой толщины (в см) слой воды образовался бы на поверхности Земли, если бы вода никуда не стекала и не испарялась.
Искусственное осаждение облаков и образование из них осадков можно осуществить, если разбрасывать с самолёта мелкие частицы твёрдой углекислоты, охлаждённой до – 70 Со. Вокруг них в воздухе образуется благодаря столь низкой температуре огромное число мелких кристалликов льда. Эти кристаллики затем рассеиваются в облаке благодаря движению воздуха. Они служат зародышами, на которых вырастают большие снежинки. Образовавшиеся снежинки могут создавать довольно сильный снегопад.
Над поверхностью Земли  в атмосфере постоянно наблюдаются воздушные движения. Движения воздуха, направленные вдоль поверхности, называются ветрами. Эти движения крайне разнообразны и могут быть как слабыми дуновениями ветерка, так и наводящими ужас тайфунами, разрушающими всё на своём пути.
Движение воздуха вызывается разностью давлений, оно направлено от мест и областей, где давление воздуха больше, к тем местам, где давление меньше. Но, как правило, ветер никогда не дует прямо в направлении от большего давления к меньшему из-за различных препятствий встречающихся на пути потока.
Солнце неравномерно нагревает земную поверхность из-за её неоднородности (моря, суша, горы, степи, леса). Это и является основной причиной местных воздушных течений. Более нагретый воздух, расположенный над обнажённой землёй, сухими степями, песком и скалами, расширяется и поднимается вверх. Наверху начинается движение в сторону холодного воздуха, находящегося над лесами, болотами, водными пространствами и т. д. А в нижнем слое менее нагретый воздух поднимается в сторону тёплого. Кроме того, мощные воздушные течения возникают вследствие большого нагрева земного шара у экватора по сравнению с полярными областями.
Различия в давлении вызывает, например, дневные и ночные бризы. Также возникают ветры, меняющиеся от лета к зиме, их называют муссонами. В Азии летом температура воздуха может превышать 50 Со, а давление понижается. В результате мощный поток более холодного воздуха с грозами и ливнями вторгается с моря в конце мая или начале июня в Индию.
Воздух и все тела, движущиеся по поверхности Земли, вследствие её вращения получают ускорение вправо в северном полушарии и влево в южном.
Ветры вызывают образование волн на поверхности морей и океанов. Их энергия применяется в ветряных мельницах, в ветроэнергетических установках, с её помощью движутся парусные суда.
Воздушные течения бывают горизонтальными и вертикальными, их направление и скорость часто меняется, особенно при обтекании всевозможных препятствий. При этом движение становится беспорядочным, и поток насыщается вихрями больших или малых размеров. Наблюдать вихревое движение приходится часто, например, при движении воды за устоями мостов, в бурлящей воде за гребным винтом моторной лодки. В чистом воздухе вихри невидимы, тем не менее, их можно наблюдать, когда они кружат дорожную пыль, сухие листья или пушинки тополей.
Встречающиеся в природе циклоны также являются вихрями, только колоссальных размеров.
Иногда в месте встречи двух различных по температуре и скорости воздушных масс возникают вращающиеся столбы воздуха, поперечник которых достигает десятки и сотни метров. Одновременно столб несётся вперёд. Воздух в нём вращается вокруг вертикальной оси и при этом перемещается вверх. Скорость движения внутри него может достигать около 100 м/с. При столь быстром вращении воздуха внутри вихря возникают центробежные силы, благодаря чему воздух там разрежён и давление понижено. Когда такой столб приближается к воде, то засасывает её в себя, образую колоннообразную вращающуюся массу воды. Такой вихрь носит название водяного смерча, а вихрь, проносящийся над сушей, – тромба. Водяные смерчи образуются на морях, озёрах и реках. Особенно эффектны, но вместе с тем и опасны громады водяных смерчей на море. Вместе с водой смерч втягивает в себя все достаточно лёгкие предметы: рыб, медуз, раков, лягушек и другие мелкие существа, и водяные растения. В старину при приближении водяного смерча к парусному судну полагалось расстреливать его из пушек.
Когда смерчь выходит на сушу, он превращается в воздушный смерчь, часть же втянутых и высоко поднятых предметов и воды продолжает под действием вихря оставаться на высоте. Позднее, когда смерчь пройдёт некоторое расстояние и интенсивность его ослабеет, они падают на землю вместе с дождём. Иногда это происходит в большом отдалении от воды.
Аналогично водяному смерчу искусственно можно создать и песчаный смерч.
Предсказание погоды очень важно для человечества. Но, используя только местные приметы, невозможно точно её предсказать, необходимо знать состояние атмосферы на больших территориях в течение длительного времени. Сопоставляя результаты огромного числа систематических наблюдений свойств атмосферы, выполняемых в разных точках Земли на метеорологических станциях, можно спрогнозировать погоду. На таких станциях постоянно определяют давление воздуха, температуру, влажность, количество осадков, скорость и направление ветра и т. д. Также необходимо знать общий вид облачности над всей Землёй, его определяют с помощью искусственных спутников Земли. Все эти данные используют для количественного просчёта и прогноза погоды на электронно-вычислительных машинах.


Рецензии