Учение об атмосфере

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Географический факультет

Кафедра природопользования и геоэкологи

                                       Учение об атмосфере

                                                         (реферат)

Выполнил:

Студент 5-го курса, 982 гр.

Куц А.В.

________________

(подпись)

Научный руководитель:

асс. Чупиков В.А.

______________________

(подпись)

Работа защищена

________________2012г.

Оценка______________

Барнаул 2012

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………………………………….

Общая характеристика атмосферы……………………………………………………………

Атмосфера земли: ее состав и строение…………………………………………………..

Заключение………………………………………………………………………………………………..

Список литературы…………………………………………………………………………………….

Введение

АТМОСФЕРА, газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава  данного небесного тела, а также  определяются историей его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие - азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1.

На человека оказывает воздействие главным  образом состояние нижних 15-25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая  атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются  сильные ветры, штормы и проявляются  такие удивительные электрические  явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны  с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным  полем Земли. Высокие слои атмосферы - это также и химическая лаборатория, поскольку там,0 в условиях, близких  к вакууму, некоторые атмосферные  газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в  химические реакции. Наука, изучающая  эти взаимосвязанные явления  и процессы, называется физикой высоких  слоев атмосферы.

Общая характеристика атмосферы земли

Размеры. Пока ракеты-зонды и искусственные  спутники не исследовали внешние  слои атмосферы на расстояниях, в  несколько раз превосходящих  радиус Земли, считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера  постепенно становится более разреженной  и плавно переходит в межпланетное пространство. Сейчас установлено, что  потоки энергии из глубоких слоев  Солнца проникают в космическое  пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной  системы. Этот т.н. солнечный ветер  обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную "полость", внутри которой  и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, - с противоположной, ночной стороны. Граница 0магнитного поля Земли называется магнитопаузой. С дневной стороны эта граница проходит на расстоянии около семи земных радиусов от поверхности, но в периоды повышенной солнечной активности оказывается еще ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы, внешняя оболочка которой называется также магнитосферой, так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых обусловлено магнитным полем Земли.

Общий вес  газов атмосферы составляет приблизительно 4,5?1015 т. Таким образом, "вес" атмосферы, приходящийся на единицу площади, или  атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2.

Значение  для жизни. Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое  пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим  излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления.

Самый нижний, приземной слой атмосферы особенно важен для человека, который обитает  в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя  оболочка "твердой" Земли называется литосферой. Около 72% поверхности Земли  покрыто водами океанов, составляющими  бльшую часть гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного. Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов, определяющих состояние атмосферы.

Состав. Нижние слои атмосферы состоят из смеси  газов (см. табл.). Кроме приведенных  в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как  оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак.

Атмосфера Земли: ее состав и строение

Атмосфера это внешняя газовая  оболочка Земли, которая начинается у ее поверхности и простирается в космическое пространство приблизительно на 3000 км. История возникновения  и развития атмосферы довольно сложная  и продолжительная, она насчитывает  близко 3 млрд лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но на протяжении последних 50 млн лет, как считают ученые, они стабилизировались.

Масса современной атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть  массы Земли. С высотой резко  уменьшаются плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно, в том числе  из-за влияния на атмосферу солнечной активности и магнитных бурь. Изменение температуры в границах атмосферы на разных высотах поясняется неодинаковым поглощением солнечной энергии газами. Наиболее интенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши.

Следует отметить, что атмосфера  имеет очень большое экологическое  значение. Она защищает все живые  организмы Земли от губительного влияния космических излучений  и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебание  суточной температуры на Земле достигло бы ±200 °С. Атмосфера есть не только животворным «буфером» между космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии — главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).

Развитие гидросферы также в  значительной мере зависел от атмосферы  из-за того, что водный баланс и режим  поверхностных и подземных бассейнов  и акваторий формировались под  влиянием режима осадков и испарений. Процессы гидросферы и атмосферы  тесно связанные между собою.

Одной из главнейших составных атмосферы  есть водный пар, который имеет большую пространственно-временную изменяемость и сосредоточенный преимущественно в тропосфере. Важной изменчивой составной атмосферы есть также углекислый газ, изменчивость содержания которого связанна с жизнедеятельностью растений, его растворимостью в морской воде и деятельностью человека (промышленные и транспортные выбросы). В последнее время все более большую роль в атмосфере сыграют аэрозольные пылеватые частицы - продукты человеческой деятельности, которые можно обнаружить не только в тропосфере, но и на больших высотах (щоправда, в мизерных концентрациях). Физические процессы, которые происходят в тропосфере, оказывают большое влияние на климатические условия разных районов Земли.

СЛОИ АТМОСФЕРЫ

Атмосфера имеет слоистую структуру. 
От поверхности Земли вверх эти слои:

Тропосфера 
Стратосфера 
Мезосфера 
Термосфера 
Экзосфера

Границы между слоями не резкие и  их высота зависит от широты и времени  года. Слоистая структура - результат  температурных изменений на разных высотах. Погода формируется в тропосфере ( нижние примерно 10 км:  
около 6 км над полюсами и более 16 км над экватором). И верхняя граница тропософеры выше летом, чем зимой.

ТРОПОСФЕРА

Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит  название тропосферы. Для нее характерно, что температура здесь с высотой  падает в среднем на 0.6°/100 м (в  отдельных случаях распределение  температуры по вертикали варьирует  в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар  атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. 
Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом Земли меняется изо дня в день. Кроме того, даже в среднем она различна под разными широтами и в разные сезоны года. В среднем годовом тропосфера простирается над полюсами до высоты около 9 км, над умеренными широтами до 10-12 км и над экватором до 15-17 км. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около -23° на северном полюсе. На верхней границе тропосферы над экватором средняя температура около -70°, над северным полюсом зимой около -65°, а летом около -45°. 
Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.

В тропосфере сосредоточен весь водяной  пар и именно поэтому все облака образуются в пределах тропосферы. Температура уменьшается с высотой. 
Солнечные лучи легко проходят через тропосферу, а тепло, которое излучает нагретая солнечными лучами Земля, накапливается в тропосфере: такие газы, как углекислый газ, метан а также пары воды удерживают тепло. Такой механизм прогревания атмосферы от Земли, нагретой солнечной радиацией, называется парниковый эффект ( greenhouse effect). Именно потому, что источником тепла для атмосферы является Земля, температура воздуха с высотой уменьшается >>>

Граница между турбулентной тропосферой  и спокойной стратосферой называется тропопауза. Здесь образуются быстро движущиеся ветры, называемые "реактивные потоки" ( jet streams)

Когда-то предполагали, что температура  атмосферы падает и выше тропософеры, однако измерения в высоких слоях атмосферы показали, что это не так : сразу выше тропопаузы температура почти постоянна, а затем начинает увеличиваться Сильные горизонтальные ветры дуют в стратосфере не образуя турбулентности. Воздух стратосферы очень сухой и поэтому облака редки. Образуются так называемые перламутровые облака ( nacreous or mother-of-perl). 
Стратосфера очень важна для жизни на Земле, так именно в этом слое находится небольшое количество озона, которое поглощает сильное ультафиолетовое излучение, вредное для жизни. Поглощая ульрафиолетовое излучение озон нагревает стратосферу.

СТРАТОСФЕРА

Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит  стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в  среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы. 
Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом. 
Нижняя стратосфера более или менее изотермична. Но, начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой, достигая на высоте около 50 км максимальных, притом положительных значений (от +10 до +30°). Вследствие возрастания температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала. 
Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше

МЕЗОСФЕРА

Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура  с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля . Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов. 
На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха

На высоте около 50 км над Землей температура снова начинает падать, обозначая верхнюю границу стратосферы  и начало следующего слоя - мезосферы. Мезосфера имеет самую холодную температуру в атмосфере: от -2 до - 138 градусов Цельсия. Здесь же находятся  самые высокие облака : в ясную погоду их можно видеть при закате. Они называются noctilucent ( светящиеся ночью).

ТЕРМОСФЕРА

Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит  название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка  тысячи километров, и лежащая над  нею внешняя часть - экзосфера, переходящая  в земную корону. 
Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен. Мы уже указывали , что на высотах 300-750 км его средняя плотность порядка 10-8-10-10 г/м3. Но и при такой малой плотности каждый кубический сантиметр воздуха на высоте 300 км еще содержит около одного миллиарда (109) молекул или атомов, а на высоте 600 км - свыше 10 миллионов (107). Это на несколько порядков больше, чем содержание газов в межпланетном пространстве. 
Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха - содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км - порядка 1015-106 на кубический сантиметр. 
В ионосфере выделяется несколько слоев, или областей, с максимальной ионизацией, в особенности на высотах 100- 120 км (слой Е) и 200-400 км (слой F). Но и в промежутках между этими слоями степень ионизации атмосферы остается очень высокой. Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией носят название электронных облаков. 
От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха в общем в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы (на высотах 70- 80 км). Средние и короткие волны отражаются вышележащими ионосферными слоями. 
Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно распространяться на большие расстояния, огибая поверхность Земного шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн. Поэтому для надежной радиосвязи необходимо непрерывное изучение состояния ионосферы. Наблюдения над распространением радиоволн как раз являются средством для такого исследования. 
В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по~ природе свечение ночного неба - постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля - ионосферные магнитные бури. 
Ионизация в ионосфере обязана своим существованием действию ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и свободных электронов, о чем говорилось выше. Колебания магнитного поля в ионосфере и полярные сияния зависят от колебаний солнечной активности . С изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке корпускулярной радиации, идущей от Солнца в земную атмосферу. А именно корпускулярная радиация имеет основное значение для указанных ионосферных явлений. 
Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°. 
Говоря о высоких температурах ионосферы, имеют в виду то, что частицы атмосферных газов движутся там с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в ионосфере так мала, что тело, находящееся в ионосфере, например летящий спутник, не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им солнечной радиации и от отдачи его собственного излучения в окружающее пространство. Термосфера находится выше мезосферы на высоте от 90 до 500 км над поверхностью Земли. Молекулы газа здесь сильно рассеянны, поглощают рентгеновское излучение ( X rays) и коротковолновую часть ультрафиолетового излучения. Из-за этого температура может достигать 1000 градусов Цельсия. 
термосфера в основном соответствует ионосфере, где ионизированный газ отражает радиоволны обратно к Земле - это явление дает возможным устанавливать радиосвязь.

ЭКЗОСФЕРА

Выше 800-1000 км атмосфера переходит  в экзосферу и постепенно в  межпланетное пространство. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха  на этих высотах частицы могут  облетать Землю по эллиптическим  орбитам, не сталкиваясь между собою. Отдельные частицы могут при  этом иметь скорости, достаточные  для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической  скоростью будет 11,2 км/сек. Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, "ускользать", рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния. 
Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы. 
Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше. 
С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия - порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На пороге III тысячелетия нет необходимости  доказывать остроту и масштабность, а значит, и опасность сложившейся  в мире экологической ситуации. Виновником экологического кризиса на Земле  стал человек. Он же является как субъектом, так и объектом последнего. Никакому иному биологическому виду не удалось  уничтожить столь большое число  других видов, необратимо изменить экологическую  ситуацию на планете. Но нельзя остановить продвижение человечества вперед, вряд ли возможен отказ от создаваемой  им искусственной биосферы, от созданных  им условий жизни. Что делать? Какими путями двигаться человечеству дальше? Какие приоритеты считать основными? Что важнее экология или научно –  технический прогресс? Проблема выживания, проблема сохранения естественной биосферы может быть решена только путем компромиссов и поисков оптимальных решений, выход в коэволюции (совместной, взаимосвязанной эволюции биосферы и человеческого общества). Выживание человека в условиях глобального экологического кризиса, несомненно, зависит от научных знаний, внедрения в практику новых технических достижений. Но эти достижения не смогут принести ожидаемых результатов без опоры на нравственное воспитание и определенные культурные традиции. К сожалению, осознание важности экологического образования и воспитания пришло лишь в последние годы. В тоже время технократические установки настолько сильны, что выход из экологического кризиса по-прежнему ищется в привычных путях: создание «экологически чистых» производств, принятие природоохранных законов, контроль за производством и т. п., - иными словами, коль скоро экологический кризис порожден техническим прогрессом, то надо просто внести соответствующие коррективы в направление этого прогресса. Экологический кризис мыслится как нечто внешнее по отношению к человеку, а не как-то, что заключено в нем самом. 

Список литературы

1.    Хабутдинов Ю.Г., Шанталинский К.М. Метеорология и климатология. Учение об атмосфере. – Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2000.

2.    Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. – 4-е изд. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994.