Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли, страница 4

Заметим также, что эта реакция может идти лишь при условии, что длина волны солиечиого излучения меньше 240 им (эиергии фотонов с большей длиной волны недостаточно для того, чтобы разбить молекулу О, иа два атома кислорода). Учитывая подогрев земной атмосферы Землей и Солнцем, следовало бы ожидать, что кривая, описывающая взаимосвязь высоты и температуры, будет иметь вид, представпеииый иа рис. 1.4 штриховой линией. Однако в действительности реализуется ие штриховая, а сплошная кривая. Дело в том, что происходит дополнительный подогрев атмосферного воздуха в области стратосферы, который обусловлен поглощением ультрафиолетовой части солнечного излучения в озоновом слое, приходящемся иа интервал высот от поверхиости до почти 80 км (с наибольшей концентрацией озона иа высотах между 1О и 30 км).

Об озоновом слое в атмосфере мы поговорим ниже более подробно. Нмжмме слом атмосферы К нижним слоям атмосферы относят тропосферу и стратосферу. Напомним, что в пределах тропосферы сосредоточено около 80% массы земной атмосферы, а в пределах стратосферы — остальные 20% По существующим оценкам иа долю мезосферы приходится ие более 0,3% массы атмосферы, а на долю термосферы— меиее 0,05 %. Как мы видим, почти вся масса атмосферы находится в 50-километровом слое воздуха, прилегающем к земной поверхности.

Естественно, что этот слой воздуха и, прежде всего, его нижняя часть, т. е. тропосфера, и определяет погоду иа планете. Содержащиеся в тропосфере и стратосфере водяные пары, углекислый газ, озон и ряд других газов (среди иих газы техногенного происхождеиия) задерживают распростраияюшееся от Земли в космос инфракрасное излучение и тем самым обеспечивают на земной поверхности оп- 20 Глава Л Циркуллцил воздушных масс в атмосфере ределенный температурный режим (парниковый эффект). Погода на Земле определяется в существенной мере вертикальными и горизонтальными перемещениями (потоками) воздушных масс, происходящими как в тропосфере, так и в стратосфере. Достаточно хорошо изучена динамика тропосферы: циклоны и антициклоны, тропические циклоны (иначе говоря, ураганы или тайфуны), глобальные ветры у поверхности Земли и вблизи границы тропосферы.

Обо всем этом мы поговорим ниже подробнее. Уникальным свойством стратосферы можно считать наличие в ней озона. Хотя озон можно наблюдать также в тропосфере и даже мезосфере, однако в основном он сосредоточен на высотах между 20 и 55 км, т. е. в стратосфере. Уникальным свойством тропосферы следует признать наличие в ней облаков.

Ведь воздух наиболее влажен вблизи земной поверхности. К тому же в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается. Поэтому естественно, что почти весь облачный покров Земли сосредоточен в пределах тропосферы. В стратосфере облаков практически нет, если не считать тонкие просвечивающие перламутровые облака, возникающие изредка на высоте 20 — 30 км и наблюдаемые на темном небе после захода Солнца и перед его восходом. Кроме того, отметим появляющиеся летом у верхней границы мезосферы на высоте около 80 км (на этой высоте температура воздуха опускается ниже — 100'С) серебристые облако. Эти облака образуют размытые полосы настолько прозрачные, что сквозь них хорошо просвечивают звезды.

Плотность атмосферы очень быстро уменьшается по мере подъема от поверхности Земли. Поэтому для жизни подходит лишь относительно тонкий приповерхностный слой атмосферы, не выходящий за пределы тропосферы. Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека возникает кислородное голодание. По достижении 12 — 15 км дыхание становится невозможным. На высоте около 20 км атмосферное давление снижается до 0,05 атм, т. е.

до 40 мм рт. ст. При таком давлении во внешней среде вода и межтканевая жидкость в организме человека немедленно закипают. Поэтому почти мгновенно наступает смерть, если вдруг произойдет разгерметизация скафандра или космической капсулы. Заметим, что в данном случае человек погибает отнюдь не из-за «космического холода», а вследствие внутреннего закипания, вызванного понижением давления окружающего воздуха. 1.1. Солнечное излучение и атмосфера Земли (общие сведения) Обратим внимание на то, что по мере увеличения высоты постепенно ослабляются, а затем и вовсе исчезают многие физические явления — например, распространение звука в воздухе, возникновение аэродинамической подъемной силы и сопротивления, теплопередача посредством конвекции, т.

е. посредством перемещивания воздуха. На высотах за пределами стратосферы практически невозможен управляемый аэродинамический полет. Озон в атмосфере О,+О+М- О,+М. (1.8) Процессу образования озона в реакции противостоят процессу унич- тожения молекулы О„представляемые реакциями О, + у-ч О, + О; О + О, -ч О, + О,. (1.9) (1.!0) Если химический элемент образует несколько простых веществ, то такие вещества называют а»лотра»»ыми модификациями данного элемента, а само явление — аллотро»ией. В земной атмосфере присутствуют три аллотропных модификации элемента кислорода: молекулярный кислород О,, атомарный кислород О и озон Ог Максимальная концентрация молекулярного кислорода наблюдается в приповерхностных слоях атмосферы и составляет 1О" м-'. Максимальная концентрация атомарного кислорода существует на высотах около 150 км и равна приблизительно 1О" м-'.

Максимальная концентрация озона реализуется на высотах 15 — 25 км и составляет около 3 1О'е м з. Напомним, что атомарный кислород образуется в атмосфере в результате фотодиссоциации молекул О, под действием ультрафиолетового солнечного излучения с длиной волны не более 240 нм. Находясь в атмосфере в больших количествах, молекулярный кислород практически полностью поглощает падающее на Землю ультрафиолетовое излучение с длинами волн до 240 нм. Атомарный кислород взаимодействует с молекулярным, в результате чего в атмосфере появляется озо».

Молекула озона О, образуется при соединении молекулы О, и атома О в присутствии третьей частицы М (например молекулы Х ), которая забирает энергию, выделяющуюся в данном рекомбинационном процессе: 22 Глава 1. Циркрлацил волдушиыл масс в атмосфере Наибольшая допустимая энергия фотона в реакции (1.9) (она равна порогу фотодиссоциации молекулы озона) составляет 3,9 эВ, что соответствует длине волны излучения Л = 320 нм. Вероятность процесса, представляемого реакцией (1.9), достаточно высока, если длина волны излучения удовлетворяет неравенствам 200 < Л < 320 нм.

Процессы образования и уничтожения молекул озона, представляемые реакциями (1.8) — (1.1О), обеспечивают существование в атмосфере озонового слоя. Он охватывает весь земной шар и геометрически похож на сферическую оболочку (полый шар) с внутренним радиусом, соответствующим высоте над земной поверхностью около 1О км, и внешним, соответствующим высоте около 30 км. Иными словами, озоновый слой находится в интервале высот от 1О до 30 км, т.

е. в пределах стратосферы. Строго говоря, молекулы озона рассеяны в относительно малых количествах во всем слое атмосферы от поверхности Земли примерно до высот 80 км, так что наряду со стратосферным озоном существуют также мезосферный озон и тропосферный озон. Большая толщина озонового слоя (все 80 км или, по крайней мере, стратосферные 20 км) не должна вводить в забл)скдение.

В сущности озоновый слой весьма тонок. Если привести его к нормальным условиям, т. е. мысленно собрать молекулы озона таким образом, чтобы парциальное давление озонового газа равнялось 760 мм рт. ст., то получится слой толщиной всего лишь около 3 мм. Осно зная масса озона — это, конечно, стратосферный озон. В тропосфере и, в частности, в приповерхностном слое совсем немного озона.

Но именно здесь мы встречаемся с ним непосредственно и можем ощутить на себе его свойства. Всем известен характерный запах озона при его образовании во время грозовых разрядов. Озонированный воздух весьма свеж и не содержит микроорганизмов; озон их убивает. Существуют специальные технические устройства — озонаторы, в которых образуется озон при тихом (без искр) электрическом разряде в стеклянной трубке, сквозь которую пропускается поток молекулярного кислорода. Озонирование питьевой воды с целью ее обеззараживания широко применяется на практике. Озонированная вода чище и вкуснее хлорированной.

Вместе с тем нельзя забывать, что озон — сильнейший окислитель и что он ядовит (даже в большей степени, чем, например, угарный газ). Если относительная концентрация озона в воздухе повысится всего до 0,00005 %, у людей возникнет головная боль и появятся Л Х Солнечное излучение и атмосфера Земли <общие сведении) 23 Две глобальные роли стратосферного озона Из рис. !.5 становится ясно, где происходит поглощение ультрафиолетового солнечного излучения (с длинами волн 2 от 1О до 400 нм), приходящего к Земле. Прямоугольником условно изображена атмосфера, внутри которой штриховкой выделен озоновый слой. Излучение в интервале длин волн от 200 до 320 нм, обозначенном УФ-Б, поглощается стратосферным озоном в реакции (1.9).

Ультрафиолетовое излучение с 1 < 200 нм поглощается во всей атмосфере за счет фотодиссоциации молекулярного кислорода в реакции (!.7). Этот процесс, напомним, начинается уже при уменьшении длины волны до значения 240 нм, соответствующего порогу фотодиссоциации молекулы О,. Ультрафиолетовое излучение в интервале длин волн от 320 до 400 нм, обозначенном как УФ-А, достигает поверхности Земли. Именно этому излучению мы обязаны своим загаром. В малых дозах оно полезно, но при передозировке вызывает ожоги и даже временную слепоту. 1 Поверхность Земли 1 1 1 0 УФ-А УФ-Б 10 нм 100 нм 200 нм 300 нм 400 нм 2 Рис.

1.Б другие признаки химического отравления. К счастью, в приповерхностном слое атмосферы концентрация озона в настоящее время не превышает 5 1О" м-', что соответствует относительной концентрации 0,000003 %. Однако в настоящее время происходит возрастающее загрязнение атмосферы озоном техногенного происхождения, поэтому существует потенциальная угроза озонового отравления атмосферы. 24 Глава й циркуляиия воздушвык масс в атмос4ере А вот излучение с длинами волн меньше 320 нм не просто вредно, но более того, может оказаться губительным для всего живого на Земле.

У человека оно может вызвать рак кожи, катаракту, имунную недостаточность. Особенно губительно действует жесткое ультрафиолетовое излучение на микроорганизмы. Как показали эксперименты, планктон в приповерхностных водах океанов погибает под воздействием излучения УФ-Б. А ведь планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем. Излучение УФ-Б может губительно повлиять также на фотосинтез растений.

Все это говорит о глобальной роли стратосферного озона — он является своеобразным щитом, защищающим земную биосферу от губительного для нее ультрафиолетового излучения в интервале длин волн 200 < л < 320 нм. Без озонового слоя жизнь на Земле, повидимому, была бы невозможна. Другая глобальная роль стратосферного озона заключается в том, что поглощение излучения УФ-Б обусловливает нагревание воздуха в стратосфере, в результате чего температура воздуха увеличивается с высотой, и возникает «слоеный пирог» атмосферы. В отсутствие озонового слоя существенно изменилось бы высотное распределение температуры во всей атмосфере, а ведь это распределение контролирует динамические процессы, т.

е. перемещение в пространстве воздушных масс. В результате могли бы наблюдаться катастрофические явления, связанные с резким изменением климата на планете. Предположим, что произойдет не исчезновение озонового слоя, а только повсеместное изменение концентрации озона. Последствия практически весьма интересны, поскольку изменение концентрации озона может реально оказаться плодом современной цивилизации. Допустим, концентрация озона в атмосфере уменьшилась в два раза. Как показали расчеты, в этом случае должно произойти охлаждение воздуха в мезосфере на 20 — 30 'С, а в стратосфере примерно на 10 'С, в результате чего вся вертикальная структура стратосферы и тропосферы может стать в значительной мере неустойчивой. Что же касается последствий неизбежного в данном случае усиления облучения биосферы ультрафиолетовым солнечным излучением, то они трудно предсказуемы, но нет сомнения в том, что эти последствия будут ужасны для живых организмов.