Зачем нужно изучать процессы в атмосфере? Дело в том, что атмосферой называется газовая оболочка нашей планеты . Без нее жизнь на была бы невозможна. Благодаря атмосфере растения и животные получают необходимые для жизнедеятельности газы.

Каждому будет интересно узнать, какой слой атмосферы задерживает губительные ультрафиолетовые излучения, которые являются опасными для жизни . Это озоновый слой. Известно, что ультрафиолетовые лучи нарушают рост и развитие растений, а также являются причиной заболеваний у человека. Вот почему атмосферу называют броней Земли .

А благодаря имеющимся в ней парниковым газам, она поглощает длинноволновое, испускаемое Землей, излучение. Это делает климат на нашей планете комфортным для проживания. Чтобы ответить на вопрос — как изучают атмосферу — необходимо разобраться с тем, какие задачи ставит перед собой метеорология.

Вконтакте

Что изучает метеорология

Метеорология — это наука об атмосферных явлениях . Она занимается изучением состояния воздушной оболочки Земли и происходящих в ней процессов. В задачи метеорологии входит:

• наблюдение за погодой;
• климатом;
• химическим составом ;
• температурными характеристиками в толще атмосферы.

Развитие этой науки пришлось на вторую половину 18 века. В этот период появилась и сеть метеостанций, которая со временем постепенно увеличилась.

Исследования атмосферы

Как изучают атмосферу? Наиболее важным звеном метеорологии являются метеостанции . На них осуществляется сбор важнейшей информации : фиксируется температура воздуха, количество выпадающих осадков, направление и скорость ветра, атмосферное давление, облачность и другие явления.

Важно! Метеостанции остаются главным способом изучения воздушной оболочки. На их основе собранных данных делаются выводы о тенденциях в изменении климата. Всего в мире действует свыше 8000 метеорологических станций, включая автоматические.

Помимо метеостанций есть и другие методы исследования атмосферы, например, аэрологические станции .

Таких объектов в мире насчитывается около 800. Они функционируют, начиная с 30-х годов 20 века. Для исследования привлекаются аэростаты и стратостаты . Для изучения наиболее высоких и разреженных слоев газовой оболочки используют радиозонды.

Начиная с 60-х годов 20 века, в исследовании атмосферных процессов принимают участие искусственные спутники . С их помощью изучают температурный фон, расположение облачности и гроз, циклонические и антициклонические образования, состояние полярных льдов и т. д.

Спутники совершают вращение вокруг земного шара на высоте 800 – 1000 км, а геостационарные – на высоте в 36 000 км. Использование летательных аппаратов позволяет расширить наши знания о происходящих в атмосферных слоях процессах, и текущем состоянии газовой оболочки.

Существуют различные методы исследования атмосферы, о которых будет рассказано ниже.

Вся информация, полученная при наблюдении за воздушной оболочкой планеты, стекается во Всемирную метеорологическую организацию .

С помощью чего ученые изучают атмосферу

И взрослым, и детям любопытно будет узнать, как изучают атмосферу с помощью оборудования. Основными приборами являются следующие:

• термометры;
• барометры;
• осадкомеры;
• флюгеры;
• гигрометры;
• радары;
• аэростаты.

Для обработки информации стали применяться компьютеры . Узнав, с помощью чего ученые изучают атмосферу, можно попробовать определить некоторые параметры в домашних условиях с помощью специальных приборов.

Термометр

Термометры были изобретены еще в 17 веке, однако до сих пор являются одними из самых востребованных приборов в метеорологии .

Принцип действия термометра основан на способности жидких веществ расширяться при их нагреве. Повышение температуры воздуха приводит к нагреванию жидкости в колпачке термометра, в результате чего она расширяется, заполняя стеклянную трубку, вдоль которой нанесены градации температуры.

В качестве жидкостей чаще всего применяются спирт или ртуть . Для единиц измерения используются градусы: 0 – начало перехода воды из жидкой фазы в твердую, 100 – закипает, превращаясь в газ.

Помимо обычного термометра, показывающего текущее значение температуры, применяют еще так называемые минимальный и максимальный термометры , а также специальный почвенный термометр. Они позволяют определить минимальную и максимальную суточные температуры и температуру почвы (на выбранной глубине).

Барометр

Барометры показывают величину атмосферного давления . Оно, в свою очередь, зависит от высоты. Но так же оно колеблется под действием, происходящих в атмосфере, процессов.

Низкое давление означает преобладание восходящих движений воздуха, с которыми нередко связано выпадение осадков. Более теплый и влажный воздух, поднимаясь в толщу атмосферы, охлаждается и расширяется, что, в конечном счете, приводит к дождю или снегу .

Если давление высокое, то воздух опускается, прижимаясь к земле. А поскольку на высотах он содержит мало влаги, то и осадков обычно не бывает. Но одного лишь атмосферного давления не достаточно для их прогнозирования.

Осадкомер

Как изучают атмосферу с помощью этого прибора? Осадкомер представляет собой емкость для сбора выпадающей из атмосферы воды . Единицей измерения был принят миллиметр водяного слоя. То есть, если было, допустим, 10 мм, то это значит, что именно такой слой жидкости и выпал из атмосферы . Однако после попадания на землю вода начинает течь, скапливаясь в углублениях и образуя лужи. У осадкомера же ровное дно, поэтому подобных искажений не возникает.

Если осадки твердые (снег, град), то они занимают больший объем, поэтому перед измерением их растапливают. При среднем дожде выпадает 10 – 20 мм влаги . Если в течение короткого времени было больше 20 мм, то образуются большие лужи, а если больше 40, то уже возможны подтопления. Иногда за раз впадает 50 – 100 мм, а в исключительных случаях и до 500 – 1000 мм, что всегда (даже если дождь затяжной) вызывает различные наводнения .

Флюгер и анемометр

Для изучения атмосферы применяются флюгер и анемометр. Эти приборы измеряют скорость и направление ветра . Они должны быть подняты на достаточную высоту, поскольку у земли потоки воздуха могут искажаться местными препятствиями.

Ветер до 15 м/с считается умеренным, а если его скорость больше 20 м/с, то очень сильным.

Наиболее сильные порывы отмечается при грозовых шквалах, торнадо, тропических циклонах и при большом барическом градиенте (граница между глубоким циклоном и мощным антициклоном). Такие ветра способны производить сильные разрушения . От того, как человек изучает атмосферу, зависит жизнь целых городов, которые могут быть стерты с лица Земли катаклизмами.

Радар

Радаром называется техническое сооружение, применяемое для сканирования атмосферы. Они активно используются при картографировании атмосферных процессов .

Действие радара основано на отражении, испускаемого устройством электромагнитного излучения, от облаков и осадков. Различные виды препятствий по-разному отражают это излучение, что позволяет определить их особенности.

Радары активно используются в современной метеорологии.

Аэростаты запускаются на большие высоты, что дает возможность измерять метеопараметры в толще атмосферы . Такие сведения дополняют информацию, полученную от наземных станций.

Значение атмосферы очень велико, поэтому для ее исследования применяются новейшее оборудование и технологии.

Биосферные станции

Это особая группа метеорологических станций, которые применяются для изучения атмосферы. Они ведут замеры уровня запыленности и содержания в воздухе различных газовых примесей . Благодаря работе таких исследовательских центров, удалось выявить устойчивую тенденцию к росту содержания парниковых газов в атмосфере, разрушение озонового слоя и увеличение запыленности тропосферы в прошлом веке.

К биосферным станциям предъявляют повышенные требования . Например, персонал должен состоять только из профессионалов, а расположение объекта должно исключать действие локальных загрязнений. Какие специалисты потребуются для работы на объекте, зависит от его расположения . Некоторые из таких станций находятся на маленьких островах посреди , а также в Антарктиде. По мере того, как изучают атмосферу на предмет загрязнения, придумывают и новые методы борьбы с ним.

Атмосфера, её строение

Роль атмосферы в жизни Земли

Итог

Огромное значение атмосферы в жизни людей объясняется тем, что без нее невозможна жизнь на Земле . Поэтому газовую оболочку планеты нужно не только исследовать, но и беречь от разрушения . Различные способы изучения помогают ученым сохранить озоновый слой.

Атмосфера

Атмосфера - смесь различных газов, окружающих Землю. Эти газы обеспечивают жизнь всем живым организмам.
Атмосфера дает нам воздух и защищает от вредного воздействия солнечных лучей. Благодаря своей массе и земному притяжению она удерживается вокруг планеты. Кроме того, слой атмосферы (толщиной около 480 км) служит щитом от бомбардировки странствующими в космосе метеорами.

Что такое атмосфера?
Атмосфера состоит из смеси 10 различных газов, преимущественно азота (около 78%) и кислорода (21%). Оставшийся один процент приходится в основном на аргон плюс небольшие количества углекислого газа, гелия и неона. Данные газы являются инертными (они не вступают в химические реакции с другими веществами). Крошечную долю атмосферы составляют также двуокись серы, аммиак, угарный газ, озон (родственный кислороду газ) и водяные пары. И, наконец, в атмосфере содержатся загрязняющие вещества, такие как газообразные загрязнения, частицы дыма, соль, пыль и вулканический пепел.

Все выше и выше
Эта смесь газов и мельчайших твердых частиц состоит из четырех основных слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы. Первый слой - тропосфера - является самым тонким, заканчиваясь на высоте около 12 км над землей. Но даже этот потолок непреодолим для самолетов, которые летают, как правило, на высоте 9-11 км. Это самый теплый слой, поскольку солнечные лучи отражаются от земной поверхности и нагревают воздух. По мере удаления от земли температура воздуха падает до -55°С в верхней части тропосферы.
Далее идет стратосфера, которая простирается до высоты около 50 км над поверхностью. В верхней части тропосферы находится озоновый слой. Здесь температура выше, чем в тропосфере, так как озон задерживает значительную часть губительного ультрафиолетового излучения. Однако экологи обеспокоены тем, что загрязняющие вещества разрушают этот слой.
Над стратосферой (50-70 км) находится мезосфера. В пределах мезосферы, при температуре около -225°С, имеется мезопауза - самая холодная область атмосферы. Здесь так холодно, что образуются облака изо льда, которые можно наблюдать поздно вечером, когда заходящее солнце подсвечивает их снизу.
Метеоры, летящие к Земле, обычно сгорают в мезосфере. Несмотря на то, что воздух здесь очень разрежен, трение, возникающее при столкновении метеора с молекулами кислорода, создает сверхвысокую температуру.

На краю космоса
Последний основной слой атмосферы, отделяющий Землю от космоса, называется термосферой. Он находится на высоте примерно 100 км от земной поверхности и состоит из ионосферы и магнитосферы.
В ионосфере солнечная радиация вызывает ионизацию. Именно здесь частицы получают электрический заряд. Когда они проносятся через атмосферу, можно наблюдать находящееся на большой высоте полярное сияние. Кроме того, ионосфера отражает радиоволны, обеспечивая возможность дальней радиосвязи.
Выше расположена магнитосфера, которая представляет собой наружный край магнитного поля Земли. Она действует как гигантский магнит и защищает Землю, улавливая частицы большой энергии.
Термосфера имеет наименьшую плотность среди всех слоев, атмосфера постепенно исчезает и сливается с космическим пространством.

Ветер и погода
Системы формирования погоды всего мира находятся в тропосфере. Они возникают в результате совместного воздействия на атмосферу солнечной радиации и вращения Земли. Движение воздуха, известное как ветер, происходит, когда теплые воздушные массы поднимаются вверх, вытесняемые холодными. Воздух больше всего прогревается на экваторе, где солнце находится в зените, и становится холоднее по мере приближения к полюсам.
Часть атмосферы, наполненная жизнью, называется биосферой. Она простирается от высоты птичьего полета до поверхности и в глубь земли и океана. В границах биосферы происходит тонкий процесс обеспечения баланса между растительной и животной жизнью.
Животные потребляют кислород и выдыхают углекислый газ, который "впитывают" зеленые растения в результате фотосинтеза, используя энергию солнечного света для выделения кислорода в воздух. Так обеспечивается замкнутый цикл, от которого зависит выживание всех животных и растений.

Угроза для атмосферы
Атмосфера позволяла сохранять это естественное равновесие в течение сотен тысяч лет, однако теперь этому источнику жизни и защиты серьезно угрожают последствия деятельности человека: парниковый эффект, глобальное потепление климата, загрязнение воздуха, разрушение озонового слоя и кислотные дожди.
В результате всемирной индустриализации за последние 200 лет нарушился газовый баланс атмосферы. Сжигание ископаемых видов топлива (угля, нефти, природного газа) привело к колоссальным выбросам двуокиси углерода и других газов, особенно после появления автомобилей в конце XIX века. Прогресс в области агротехники также повлек за собой увеличение количества метана и оксидов азота, поступающих в атмосферу.

Парниковый эффект
Эти газы, уже присутствующие в атмосфере, задерживают тепло солнечных лучей, отражающихся от поверхности. Если бы их не было, на Земле царил бы такой холод, что океаны бы замерзли, а все живые организмы погибли бы.
Однако, когда содержание "парниковых газов" увеличивается из-за загрязнения воздуха, слишком большое количество тепла удерживается в атмосфере, что приводит к потеплению климата во всем мире. В результате, только за последнее столетие средняя температура на планете увеличилась на полградуса Цельсия. Сегодня ученые прогнозируют дальнейшее потепление примерно на 1,5-4,5°С к середине нынешнего века.
По оценкам, более миллиарда людей (около одной пятой населения Земли) дышат сегодня воздухом, сильно зараженным вредными газами. В основном речь идет об угарном газе и сернистом ангидриде. Это стало причиной резкого увеличения количества заболеваний грудной клетки и легких, особенно среди детей и пожилых людей.
Тревогу вызывает и возросшее количество людей, страдающих от рака кожи. Это результат воздействия ультрафиолетовых лучей, проникающих через разрушенный озоновый слой.

Озоновые дыры
Озоновый слой в стратосфере защищает нас путем поглощения ультрафиолетовых солнечных лучей. Однако широкое применение во всем мире хлор- и фторсодержащих углеводородов (ХФУ), используемых в аэрозольных баллончиках и холодильниках, а также многих видов бытовой химии и полистирола привело к тому, что по мере подъема вверх эти газы распадаются и образуют хлор, который, в свою очередь, разрушает озон.
Исследователи Антарктиды впервые сообщили об этом явлении в 1985 году, когда над частью южного полушария образовалась дыра в озоновом слое. Если это произойдет и в других местах планеты, мы будем подвергаться более интенсивному воздействию вредного излучения. В 1995 году ученые сообщили тревожную весть о появлении озоновой дыры над Арктикой и частью Северной Европы.

Кислотные дожди
Кислотный дождь (включающий серную и азотную кислоту) образуется в результате реакции сернистого ангидрида и окислов азота (промышленных загрязняющих веществ) с водяными парами в атмосфере. В местах выпадения кислотных дождей погибают растения и животные. Известны случаи, когда кислотные дожди уничтожали целые леса. Более того, кислотные дожди попадают в озера и реки, распространяя свое пагубное воздействие на большие площади и убивая даже мельчайшие формы жизни.
Нарушения естественного баланса атмосферы чреваты крайне негативными последствиями. Предполагается, что уровень Мирового океана повысится в результате глобального потепления, это приведет к затоплению низин суши. Такие города, как Лондон и Нью-Йорк, могут пострадать от наводнений. Это повлечет многочисленные жертвы, возникновение эпидемий в связи с заражением водных ресурсов. Изменится карта выпадения дождей, и огромные территории будут испытывать засуху, что вызовет повсеместный голод. За все это придется расплачиваться огромным количеством человеческих жизней.

Что еще можно сделать?
Сегодня все больше людей задумываются над проблемами окружающей среды, и правительства многих стран мира уделяют пристальное внимание вопросам экологии. Такие проблемы, как рациональное использование энергии, решаются в глобальном масштабе. Если мы будем потреблять меньше электроэнергии и ездить на несколько километров меньше, нам удастся сократить количество ископаемых видов топлива, используемого для производства электричества, бензина и дизельного топлива. Во многих странах работают над использованием альтернативных источников энергии, включая энергию ветра и солнечную энергию. Однако они еще не скоро смогут заменить ископаемое топливо в широком масштабе.
Деревья, как и другие растения, преобразуют углекислый газ в кислород и играют жизненно важную роль в регулировании содержания парниковых газов в атмосфере. В Южной Америке вырубаются колоссальные количества тропического леса. Уничтожение миллионов квадратных километров леса означает поступление меньшего количества кислорода в атмосферу и скопление большего количества углекислого газа, создающего эффект тепловой ловушки.

Всемирные кампании
Во всем мире проходят кампании с целью убедить правительства соответствующих стран прекратить уничтожение тропических лесов. В некоторых странах предпринимаются попытки восстановить природный баланс путем поощрения и субсидирования посадки деревьев.
Однако мы больше не можем быть уверены в чистоте воздуха, которым дышим. Благодаря давлению со стороны общественности, постепенно сокращается применение ХФУ, а вместо них используются альтернативные химические вещества. И тем не менее, атмосфера по-прежнему в опасности. Необходимо обеспечить жесткий контроль над действиями человека, чтобы гарантировать "безоблачное" будущее нашей атмосферы.

Стратосфера - слой атмосферы, расположенный на высоте от 11 до 50 км. Основной особенностью стратосферы является повышенное содержание в ней озона (O3). До высоты 10 км и более 60 км озон почти отсутствует, а наибольшая концентрация его содержится на высоте 20 – 30 км, который называется озоновым слоем. Озоновый слой в разных широтах расположен на разных высотах, а именно: в тропических широтах на высоте 25 - 30 км, в умеренных – 20 - 25 км, в полярных - 15 - 20 км. Озоновый слой образовался и удерживается сочетанным взаимодействием ультрафиолетового солнечного излучения с молекулами кислорода (O2), которые диссоциируют на атомы, а затем снова соединяются с другими молекулами O2, образуя озон (O3).

Озоновый слой с концентрацией озона (около 8 мл/м³) поглощает вредные ультрафиолетовые лучи Солнца и служит надежным щитом от этого излучения, которое губительно для всего живого на Земле. Следовательно, благодаря озоновому слою, возникла жизнь на Земле. Если бы весь слой озона, находящийся в атмосфере, сжать под давлением, и сосредоточить у поверхности Земли, то образовалась бы пленка всего в 3 мм толщиной. Однако пленка озона такой мизерной толщины надежно защищает Землю, поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. При поглощении солнечной энергии озоновым слоем, температура атмосферы повышается, а значит, слой озона является своеобразным резервуаром тепловой энергии в атмосфере. Кроме этого, озон задерживает около 20% излучения Земли, утепляя атмосферу.

Космическое излучение

Озон осуществляет регулирование жесткости космического излучения, и если хотя бы небольшое количество озона уничтожается, то резко возрастает жесткость излучения, а это приводит к изменениям в живом мире Земли.

Озон является активным газом, который действует неблагоприятно на человеческий организм. В нижней части атмосферы у поверхности Земли концентрация озона незначительная, поэтому он не приносит вред человеку. Однако в крупных городах, где осуществляется интенсивное автотранспортное движение, образуется большое количество озона в результате фотохимических превращений выхлопных газов автомашин. Доказано, что малая концентрация озона или его отсутствие, отрицательно отражается на человечестве, приводит к раковым заболеваниям.

Научная теория

Согласно научной теории, в последнее время в атмосфере происходит разрушение озонового слоя, вследствие чего возникают озоновые дыры, т.е. падает концентрация озона в озоновом слое нашей планеты. Утончение озонового слоя происходит из-за разрушения молекул озона в реакциях с различными соединениями антропогенного и природного происхождения, а именно при соединении с хлор- и бромсодержащими фреонами, а также с простыми веществами (водород, атомы хлора, кислорода, брома).

В 1985 году на Южном полюсе учеными была обнаружена озоновая дыра, т.е. уровень озона в атмосфере был значительно ниже нормы во время антарктической весны. Такие изменения повторялись каждый год в одно и то же время, но с потеплением дыра затягивалась. Подобные дыры появлялись и на Северном полюсе - во время арктической весны.

Похожие материалы:

Атмосфера (от греч. atmos — пар и spharia — шар) — воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, протекающими на нашей планете, а также с деятельностью живых организмов.

Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли, так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде.

Верхняя граница на высоте 2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство.

Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.

Если бы не было атмосферы, на Земле была бы такая же тишина, как на Луне. Ведь звук — это колебание частиц воздуха. Голубой цвет неба объясняется тем, что солнечные лучи, проходя сквозь атмосферу, как через линзу, разлагаются на составляющие цвета. При этом рассеиваются больше всего лучи голубого и синего цветов.

Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на живые организмы. Также она удерживает у поверхности Земли тепло, не давая нашей планете охлаждаться.

Строение атмосферы

В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по и плотности (рис. 1).

Тропосфера

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км.

Рис. 1. Строение атмосферы Земли

Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Поэтому температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.

В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы, находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С.

На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.

В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризован- ность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.

В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Состав атмосферы

Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО 2 примерно на 10-12 %.

Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.

Кислород , в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода — окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.

Роль углекислого газа в атмосфере исключительно велика. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов, гниения и представляет собой, прежде всего, основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе. Кроме этого, огромное значение имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаст так называемый парниковый эффект, о котором речь пойдет ниже.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает и озон. Этот газ служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, а поглощение солнечной радиации ведет к нагреванию воздуха. Средние месячные значения общего содержания озона в атмосфере изменяются в зависимости от широты местности и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание основных газов (азота, кислорода, аргона) с высотой изменяется незначительно: на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86 %, кислорода — 19, аргона — 0,91, на высоте же 95 км — азота 77, кислорода — 21,3, аргона — 0,82 %. Постоянство состава атмосферного воздуха по вертикали и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Кроме газов, в воздухе содержатся водяной пар и твердые частицы. Последние могут иметь как естественное, так и искусственное (антропогенное) происхождение. Это цветочная пыльца, крохотные кристаллики соли, дорожная пыль, аэрозольные примеси. Когда в окно проникают солнечные лучи, их можно увидеть невооруженным глазом.

Особенно много твердых частиц в воздухе городов и крупных промышленных центров, где к аэрозолям добавляются выбросы вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива.

Концентрация аэрозолей в атмосфере определяет прозрачность воздуха, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли — ядра конденсации (от лат.condensatio — уплотнение, сгущение) — способствуют превращению водяного пара в водяные капли.

Значение водяного пара определяется прежде всего тем, что он задерживает длинноволновое тепловое излучение земной поверхности; представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги; повышает температуру воздуха при конденсации водяных наров.

Количество водяного пара в атмосфере изменяется во времени и пространстве. Так, концентрация водяного пара у земной поверхности колеблется от 3 % в тропиках до 2-10 (15) % в Антарктиде.

Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 1,6-1,7 см (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно водяного пара в различных слоях атмосферы противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, града и снега.

Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере, именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака нередко закрывают около 50 % всей земной поверхности.

Количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры воздуха.

В 1 м 3 воздуха при температуре -20 °С может содержаться не более 1 г воды; при 0 °С — не более 5 г; при +10 °С — не более 9 г; при +30 °С — не более 30 г воды.

Вывод: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нем содержаться.

Воздух может быть насыщенным и не насыщенным водяным паром. Так, если при температуре +30 °С в 1 м 3 воздуха содержится 15 г водяного пара, воздух не насыщен водяным паром; если же 30 г — насыщен.

Абсолютная влажность — это количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха. Оно выражается в граммах. Например, если говорят «абсолютная влажность равна 15», то это значит, что в 1 м Л содержится 15 г водяного пара.

Относительная влажность воздуха — это отношение (в процентах) фактического содержания водяного пара в 1 м 3 воздуха к тому количеству водяного пара, которое может содержаться в 1 м Л при данной температуре. Например, если по радио во время передачи сводки погоды сообщили, что относительная влажность равна 70 %, это значит, что воздух содержит 70 % того водяного пара, которое он может вместить при данной температуре.

Чем больше относительная влажность воздуха, т. с. чем ближе воздух к состоянию насыщения, тем вероятнее выпадение осадков.

Всегда высокая (до 90 %) относительная влажность воздуха наблюдается в экваториальной зоне, так как там в течение всего года держится высокая температура воздуха и происходит большое испарение с поверхности океанов. Такая же высокая относительная влажность и в полярных районах, но уже потому, что при низких температурах даже небольшое количество водяного пара делает воздух насыщенным или близким к насыщению. В умеренных широтах относительная влажность меняется по сезонам — зимой она выше, летом — ниже.

Особенно низкая относительная влажность воздуха в пустынях: 1 м 1 воздуха там содержит в два-три раза меньше возможного при данной температуре количество водяного пара.

Для измерения относительной влажности пользуются гигрометром (от греч. hygros — влажный и metreco — измеряю).

При охлаждении насыщенный воздух не может удержать в себе прежнего количества водяного пара, он сгущается (конденсируется), превращаясь в капельки тумана. Туман можно наблюдать летом в ясную прохладную ночь.

Облака — это тог же туман, только образуется он не у земной поверхности, а на некоторой высоте. Поднимаясь вверх, воздух охлаждается, и находящийся в нем водяной пар конденсируется. Образовавшиеся мельчайшие капельки воды и составляют облака.

В образовании облаков участвуют и твердые частицы , находящиеся в тропосфере во взвешенном состоянии.

Облака могут иметь различную форму, которая зависит от условий их образования (табл. 14).

Самые низкие и тяжелые облака — слоистые. Они располагаются на высоте 2 км от земной поверхности. На высоте от 2 до8 км можно наблюдать более живописные кучевые облака. Самые высокие и легкие — перистые облака. Они располагаются на высоте от 8 до 18 км над земной поверхностью.

Охрана атмосферы

Главным источником являются промышленные предприятия и автомобили. В больших городах проблема загазованности главных транспортных магистралей стоит очень остро. Именно поэтому во многих крупных городах мира, в том числе и в нашей стране, введен экологический контроль токсичности выхлопных газов автомобилей. Поданным специалистов, задымленность и запыленность воздуха может наполовину сократить поступление солнечной энергии к земной поверхности, что приведет к изменению природных условий.

В настоящее время общепринято мнение, что все живое на Земле от губительного воздействия жесткого, биологически опасного ультрафиолетового излучения защищает озоновый слой. Поэтому немалую тревогу во всем мире вызвало сообщение о том, что в этом слое обнаружены "дыры" - области, где толщина озонового слоя существенно уменьшена. После ряда исследований был сделан вывод, что разрушению озона способствуют фреоны - фторхлорпроизводные предельных углеводородов (C n H 2n+2), имеющие химические формулы типа CFCl 3 , CHFCl 2 , C 3 H 2 F 4 Cl 2 и другие. Фреоны к тому времени уже находили широчайшее применение: они служили рабочим веществом в домашних и промышленных холодильниках, ими в качестве пропеллента (выталкивающего газа) заряжались аэрозольные баллончики с парфюмерией и бытовой химией, их использовали для проявки некоторых технических фотоматериалов. И поскольку утечки фреонов при этом колоссальны, в 1985 году была принята Венская конвенция по защите озонового слоя, а 1 января 1989 года составлен Международный (Монреальский) протокол о запрещении производства фреонов. Тем не менее у старшего научного сотрудника одного из московских институтов Н. И. Чугунова, специалиста в области физической химии, участника советско-американских переговоров о запрещении химического оружия (Женева, 1976 год), возникли серьезные сомнения как в "заслугах" озона в защите от ультрафиолета, так и в "вине" фреонов в разрушении озонового слоя.

Суть предлагаемой гипотезы заключается в том, что все живое на Земле от биологически опасного ультрафиолета защищает не озон, а кислород атмосферы. Именно кислород, поглощая это коротковолновое излучение, преобразуется в озон. Рассмотрим гипотезу с точки зрения основного закона природы - закона сохранения энергии.

Если, как сейчас принято считать, озоновый слой задерживает ультрафиолетовое излучение, то он поглощает его энергию. Но энергия не может исчезнуть бесследно, и поэтому с озоновым слоем что-то должно произойти. Есть несколько вариантов.

Переход энергии излучения в тепловую. Следствием этого должно быть нагревание озонового слоя. Однако он расположен на высоте устойчиво холодной атмосферы. А первая область повышенной температуры (так называемый мезопик) находится в два с лишним раза выше озонового слоя.

Энергия ультрафиолета расходуется на разрушение озона. Если это так, рушится не только основной тезис о защитных свойствах озонового слоя, но и обвинения в адрес "коварных" промышленных выбросов, которые якобы разрушают его.

Накопление энергии излучения в озоновом слое. Оно не может происходить бесконечно. В какой-то момент будет достигнут предел насыщения озонового слоя энергией, и тогда, скорее всего, пойдет химическая реакция взрывного типа. Однако в природе никто и никогда не наблюдал взрывов озонового слоя.

Несоответствие закону сохранения энергии свидетельствует о том, что мнение о поглощении озоновым слоем жесткого ультрафиолета не обосновано.

Известно, что на высоте 20-25 километров над Землей озон образует слой повышенной концентрации. Возникает вопрос - откуда он там появился? Если рассматривать озон как дар природы, то на эту роль он не пригоден - слишком легко разлагается. Причем процесс разложения имеет ту особенность, что при малом содержании озона в атмосфере скорость разложения невелика, а с ростом концентрации она резко увеличива ется, и при 20-40% содержания озона в кислороде разложение идет уже со взрывом. А чтобы в воздухе появился озон, необходимо воздействие какого-то источника энергии на атмосферный кислород. Им может быть электрический разряд (особая "свежесть" воздуха после грозы - следствие появления озона), а также коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Именно облучение воздуха ультрафиолетом длиной волны около 200 нанометров (нм) - один из способов получения озона в лабораторных и промышленных условиях.

Ультрафиолетовое излучение Солнца лежит в диапазоне длин волн от 10 до 400 нм. Чем короче длина волны, тем больше энергии несет излучение. Энергия излучения расходуется на возбуждение (переход на более высокий энергетический уровень), диссоциацию (разъединение) и ионизацию (превращение в ионы) молекул газов атмосферы. Расходуя энергию, излучение ослабевает, или, иначе, поглощается. Это явление количественно характеризуют коэффициентом поглощения. С уменьшением длины волны коэффициент поглощения увеличива ется - излучение воздействует на вещество сильнее.

Принято подразделять ультрафиолетовое излучение на два диапазона - ближний ультрафиолет (длина волны 200-400 нм) и дальний, или вакуумный (10-200 нм). Судьба вакуумного ультрафиолета нас не волнует - он поглощается в высоких слоях атмосферы. Именно ему принадлежит заслуга в создании ионосферы. Следует обратить внимание на отсутствие логики при рассмотрении процессов поглощения энергии в атмосфере - дальний ультрафиолет создает ионосферу, а ближний ничего не создает, энергия исчезает без последствий. Так получается по гипотезе о его поглощении озоновым слоем.Предлагаемая гипотеза устраняет эту нелогичность.

Нас интересует ближний ультрафиолет, который пронизывает нижележащие слои атмосферы, в том числе - стратосферу, тропосферу, и облучает Землю. На своем пути излучение продолжает изменять спектральный состав за счет поглощения коротких волн. На высоте 34 километра излучений с длиной волн короче 280 нм не обнаружено. Наиболее же биологически опасным считается излучение с длинами волн от 255 до 266 нм. Из этого следует, что губительный ультрафиолет поглощается, не достигнув озонового слоя, то есть высот 20-25 километров. А до поверхности Земли доходит излучение с минимальной длиной волны 293 нм, опасности не
представляющее. Таким образом озоновый слой не принимает участия в поглощении биологически опасного излучения.

Рассмотрим наиболее вероятный процесс образования озона в атмосфере. При поглощении энергии коротковолнового ультрафиолетового излучения часть молекул ионизуется, теряя электрон и приобретая положительный заряд, а часть диссоциирует на два нейтральных атома. Свободный электрон, образовавшийся при ионизации, соединяется с одним из атомов, образуя отрицательный ион кислорода. Разноименно заряженные ионы соединяются, образуя нейтральную молекулу озона. Одновременно атомы и молекулы, поглощая энергию, переходят на верхний энергетический уровень, в возбужденное состояние. Для молекулы кислорода величина энергии возбуждения равна 5,1 эВ. В возбужденном состоянии молекулы находятся около 10 -8 секунды, после чего, испуская квант излучения, распадаются (диссоциируют) на атомы.

В процессе ионизации кислород имеет преимущество: он требует для этого наименьшей энергии среди всех составляющих атмосферу газов - 12,5 эВ (у водяного пара - 13,2; углекислого газа - 14,5; водорода - 15,4; азота - 15,8 эВ).

Таким образом, при поглощении ультрафиолета в атмосфере образуется своего рода смесь, в которой преобладают свободные электроны, нейтральные атомы кислорода, положительные ионы молекул кислорода, при их взимодействии образуется озон.

Взаимодействие ультрафиолетового излучения с кислородом происходит по всей высоте атмосферы - есть сведения, что в мезосфере, на высоте от 50 до 80 километров, уже наблюдается процесс образования озона, который продолжается в стратосфере (от 15 до 50 км) и в тропосфере (до 15 км). Вместе с тем верхние слои атмосферы, в частности мезосфера, подвержены такому сильному воздействию коротковолнового ультрафиолета, что ионизуются и распадаются молекулы всех составляющих атмосферу газов. Не может не разлагаться и только что образовавшийся там озон, тем более, что для этого требуется почти такая же энергия, как и для молекул кислорода. И тем не менее разрушается он не полностью - часть озона, который в 1,62 раза тяжелей воздуха, опускается в нижние слои атмосферы до высоты 20-25 километров, где плотность атмосферы (примерно 100 г/м 3) позволяет ему находиться как бы в равновесном состоянии. Там молекулы озона создают слой повышенной концентрации. При нормальном атмосферном давлении толщина озонового слоя составляла бы 3-4 миллиметра. Практически невозможно представить, до каких сверхвысоких температур должен был разогреться столь маломощный слой, если бы он действительно поглощал почти всю энергию ультрафиолетового излучения.

На высотах ниже 20-25 километров продолжается синтез озона, о чем свидетельствует изменение длины волн ультрафиолетового излучения с 280 нм на высоте 34 километра до 293 нм у поверхности Земли. Образовавшийся озон, будучи не в состоянии подняться вверх, остается в тропосфере. Это определяет постоянное содержание озона в воздухе приземного слоя зимой на уровне до 2. 10 -6 %. Летом концентрация озона в 3-4 раза выше, по-видимому, за счет дополнительного образования озона при грозовых разрядах.

Таким образом, от жесткого ультрафиолетового излучения все живое на Земле защищает кислород атмосферы, озон же оказывается всего лишь побочным продуктом этого процесса.

Когда было обнаружено появление "дыр" в озоновом слое над Антарктикой в сентябре-октябре и над Арктикой - ориентировочно в январе-марте, возникли сомнения в достоверности гипотезы о защитных свойствах озона и о разрушении его промышленными выбросами, так как ни в Антарктиде, ни на Северном полюсе никакого производства нет.

С позиции же предлагаемой гипотезы сезонность появления "дыр" в озоновом слое объясняется тем, что летом и осенью над Антарктидой и зимой и весной над Северным полюсом атмосфера Земли практически не подвергается воздействию ультрафиолета. Полюса Земли в эти периоды находятся в "тени", над ними нет источника энергии, необходимой для образования озона.

ЛИТЕРАТУРА

Митра С. К. Верхняя атмосфера. - М., 1955.
Прокофьева И. А. Атмосферный озон . - М.; Л., 1951.