Атмосфера

Подписаться на эту рубрику по RSS

03
фев 10

Изменение состава атмосферы

Атмосферу можно разделить на слои и по изменению ее газового состава. Это изменение вызвано тем, что поле земного тяготения удерживает атомы и молекулы тяжелых атмосферных газов ближе к земной поверхности, чем атомы и молекулы более легких газов.

Гомосфера. До высоты примерно 80 км состав атмосферы сравнительно однороден. Эта часть атмосферы получила название "гомосфера" ("гомо" означает "то же самое").

Гетеросфера. Сразу над гомосферой находится слой, состоящий из двухатомных молекул азота (N2) и некоторого количества таких же молекул кислорода (02). Этот слой простирается до высоты примерно 240 км. Выше него молекулярный азот и молекулярный кислород встречаются редко. Последний содержится здесь лишь в атомарном состоянии (О), а не в обычном, характерном для низких слоев атмосферы. Слой атомарного кислорода простирается примерно до 960 км.

Еще выше, непосредственно над слоем атомарного кислорода, расположен третий газовый слой. Он состоит из атомов гелия (Не) и тянется до высоты 2400 км. Наконец, выше гелиевого слоя обнаруживается слой водорода (Н).

Все эти слои объединяют названием "гетеросфера" ("гетеро" значит "различный"). Газы следующих друг за другом слоев имеют все меньший и меньший атомный вес. Толщина каждого слоя зависит от интенсивности поля земного тяготения на соответствующих высотах и его способности удерживать газы вблизи Земли. Водород и гелий в ничтожно малом количестве обнаруживаются в самых верхних слоях атмосферы, тогда как более тяжелые атомы и особенно молекулы кислорода и азота легко удерживаются на меньшем расстоянии от земной поверхности.

03
фев 10

Общие свойства атмосферы

Мы остановимся в первую очередь на явлениях, происходящих в тропосфере. В этом слое источником энергии атмосферных движений служит поглощенная солнечная радиация. Чтобы яснее представить себе это, рассмотрим, каким образом атмосфера реагирует на изменения прихода этой радиации. Атмосферу можно рассматривать как гигантскую тепловую машину, которую в действие приводит лучистая энергия (радиация), излучаемая Солнцем и достигающая Земли. Поскольку разные участки Земли нагреваются неодинаково, между ними возникают, перепады атмосферного давления. Эти перепады давления заставляют воздух перемещаться из одних районов в другие и тем самым служат причиной возникновения ветра, шквалов и в конечном счете всей циркуляции атмосферы на нашей планете.

Известно, что любой газ как физическое тело не имеет формы, если он не заключен в сосуд. Газ представляет собой в высшей степени подвижную и легко сжимаемую среду, ограниченную стенками сосуда, в котором он находится. В атмосфере он всегда находится под давлением молекул воздуха, содержащегося в вышележащих слоях.

Молекулы газа непрерывно движутся под действием тепла, подводимого к газу. Движущиеся молекулы газа сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, в котором находятся. Поведение молекул воздуха обычно описывают законы Бойля—Мариотта и Гей-Люссака.

Атмосфера реагирует на изменения температуры, давления и объема совершенно так же, как и все другие газы. Поэтому метеорологи изучают атмосферу, используя общие газовые законы, известные из физики.

Атмосферу и все содержащиеся в ней примеси удерживает вблизи Земли сила тяжести. Земное тяготение обусловливает вес воздуха, т. е. создает атмосферное давление на поверхности планеты. Это давление испытывает каждый квадратный сантиметр земной поверхности, общая площадь которой составляет 510 миллионов кв км. Так как полный вес атмосферы равен примерно 5 000 000 000 миллионов тонн, то она действует на каждый квадратный сантиметр земной поверхности с силою около 1 кг.

Плотность воздуха на уровне моря составляет округленно 1,3 кг/м3, с высотой она, как и давление, быстро уменьшается.

Воздух представляет собой легко сжимаемую и, как правило, химически устойчивую среду. Вследствие определенного веса молекул и сжимаемости газовой среды большинство молекул, образующих атмосферу, находится в нижнем слое, равном нескольким километрам. Поэтому не меньше половины общей массы атмосферы располагается на высотах до 6 км, хотя в целом она и простирается до высоты нескольких тысяч километров. Вес газовых молекул, находящихся в вертикальном столбе атмосферы, как бы прижимает большинство наземных предметов к земной поверхности. Однако, несмотря на то, что выше 6 км число газовых молекул сравнительно с нижними слоями уменьшается, все же и здесь их еще тоже находится довольно много.

02
фев 10

Закон Бойля—Мариотта

Этот закон, открытый английским физиком Р. Бойлем (1627—1691)*, является одним из самых фундаментальных газовых законов, используемых исследователями при изучении реакции газов на изменение физических условий.

Закон Бойля—Мариотта гласит, что у заданной массы газа, находящегося при постоянной температуре, произведение давления на объем также есть постоянная величина. В алгебраической форме закон выглядит так:

PV= К.

Это уравнение обозначает, что если объем газа (V) уменьшается в несколько раз, то для поддержания постоянного значения К давление этого газа (Р) должно увеличиться во столько же раз. Другими словами, если поддерживается постоянная температура газа, то его объем обратно - пропорционален давлению.

02
фев 10

Закон Шарля и Гей-Люссака

Этот закон, связывающий объем газа с его температурой, независимо друг от друга открыли Ж. Шарль (1746—1823) и Ж. Гей-Люссак (1778—1850). Оба французских физика произвели одинаковые опыты для исследования поведения газов при разных условиях. Закон Шарля и Гей-Люссака гласит, что если объем газа остается постоянным, то при повышении температуры этого газа на один градус давление газа увеличится на 1/273 часть величины, которую газ имел при температуре 0°С.

Наоборот, если поддерживается постоянное давление газа, то увеличение его объема будет прямо пропорциональным возрастанию его температуры. При увеличении температуры на 1^С объем газа будет возрастать на 1/273 часть величины, которую он имел при температуре 0°С.

Соотношения между тремя характеристиками газа — объемом, давлением и температурой — имеют важное значение для метеорологии. Объем, давление и температура массы воздуха при перемещении ее из одной местности в другую могут изменяться. Это особенно заметно в том случае, когда масса воздуха поднимается или, наоборот, совершает' нисходящее движение из более высоких слоев атмосферы в направлении "к земной поверхности.