В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Из равенства этих сил получаем выражение для массы атмосферы: т = 4лЯ® р /Я вЂ” — 5,3 10 кг. г . 1З Так как масса Земли т® = б . 10 кг, то масса атмосферы пример- 24 но в 10 раз меньше массы Земли. Сравним ее с массой Мирового океана, равной т = 1,4 * 10 кг. г1 Получим, что масса атмосферы примерно в 300 раз меньше массы Мирового океана. КАК УДЕРЖИВАЕТСЯ АТМОСФЕРА ПЛАНЕТ? Гравитационное притяжение Земли не только создает давление атмосферы, но и препятствует расширению газа в космос. Скорость молекулы газа при температуре Т = 300 К может быть оценена ив вмражении тот/2 = йТ или и = ~ТТ1 т, где й — постоиннаи Больцмана, т — масса молекулы.
Если скорость молекул газа будет сравнима со второй космической скоростью Земли еь — — 'т' 2ай~ = 11,2 км/с, то тогда гравитационное поле Земли не сможет удерживать атмосферу. Тепловая скорость молекулы водорода равна 1,1 км/с, гелия — 0,8 км/с, а средняя скорость молекул азота и кислорода равна примерно 0,3 км/с. Это означает, что Земля может удержать свою атмосферу. На самом деле малая часть молекул газов воздуха покидает Землю.
Это происходит из-за того, что в верхней атмосфере (в термосфере) температура достигает 1200 К. ВЕРТИКАЛЬНАЯ СТРУКТУРА АТМОСФЕРЫ Первые 90 км высоты атмосферы характеризуются однородностью состава. Этот слой называется гомосферой, и воздух в нем хорошо перемешан (рис. 1.3). 108 Выше лежит гетеросфера— часть земной атмосферы с переменным составом, где относительная концентрация гелия и водорода увеличивается с высотой. Практически покидают атмосферу Земли только эти два газа. Между тем их концентрация не уменьшается в гетеросфере. Это объясняется тем, что гелий выделяется в земной коре в результате процессов радиоактивного распада, а водород поступает, как продукт распада водяного пара после разложения воды под воздействием ультрафиолетовой части солнечной радиации в верхней атмосфере (на высоте 30-50 км).
Поскольку секундный расход водорода составляет 1 кг, а такое количество его содержится в 9 кг воды, то запасы воды можно считать "неисчерпаемыми" (ее хватит на 5. 10~2 лет). Рис. 1.3. Слои атмосферы: гетеросфера и гомосфера СЛОИ АТМОСФЕРБ1 109 Слоистое строение атмосферы было установлено только в начале ХХ в.
В наше время в результате вертикального зондирования атмосферы высотными шарами — зондами и ракетами — установлено, что с высотой сложным образом изменяется температура и некоторые физические и химические свойства атмосферы. На рис. 1.4 приведены слои атмосферы, выделенные на основании физических свойств. Самый нижний слой — тропосфера — имеет высоту 17 км над тропиками и 10 км над полюсом. Температура в ней падает от нормальной (примерно 300 К или = 30 С) до — 75 и — 55'С на экваторе и полюсе соответственно.
Этот слой сильно турбулизирован. Нужно отметить, что все перемены погоды и климата являютея результатом физических процессов, имеющих место в тропосфере. Это выдвигает проблему исследования тропосферы на первый план. Выше расположена стратосфера, которая достигает 50 км. Особенность ее состоит в резком повышении температуры с высотой. 1го 0 температура, ос 110 З десь повышение Ф температуры происходит в результате реакции образования озона (Оз).
Это одна из терм осфера ОСНОВНЫХ, ХИМИ- ческих реакций маеолаум атмосферы. Озон появляется в рев мезосфера зультате взаимодействия лучис-  — стратоиауза той энергии с кислородом. Основная масса озона сосредоточе- ~ на на высоте 25 км. Но в целом слой Оз распространен тропосфера до более высоких 0 -100 -оо 50 слоев. Он охватывает почти всю стратосферу. ВзаРис.
!.4. Слои атмосферы, выделенные на основании физи- ИМОДЕЙСТВИЕ КИС- ческих свойств лорода с ультрафиолетом ведет к ослаблению ультрафиолета и тем самым способствует поддержанию жизни на Земле. В озоносфере устанавливается градиент температуры, равный 0,62'С на 100 м. На высоте 55 км в стратопаузе температура повышается до 0 С. Выше 55 и до 80 км температура падает до -85'С, это мезосфера (мезо — средний).
Выше 100 км начинается термосфера, здесь идет повышение температуры, и на высоте 400 км она достигает 1200'С. Выше термосферы расположена экзосфера, которая является внешней оболочкой атмосферы. Хотя температура в экзосфере высокая, однако давление здесь очень низкое: — 10 8 мм рт. ст. Молекулы водорода и гелия не сталкиваются, но их кинетическая энергия соответствует температуре 1000-1200'С. ИоносФера.
Если по изменению температуры можно различить 5 слоев, то по степени ионизации газов воздуха атмосфера подразделяется на 4 слоя: О, .Е, Р и Г2. Ионизация вызвана поглощением солнечной радиации. Ультрафиолет ионизирует молекулы 02 и Х2. Это изменяет электрические свойства ионосферы. Самый нижний слой В в ос- новном поглощает радиоволны и мешает дальнейшему их распространению. Лучше всего изучен слой Е, расположенный на высоте 100 км (слой Хивисайда). Этот слой подобен гигантскому зеркалу, от которого отражаются радиоволны. При этом Ьни могут распространяться дальше, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись без отражения (рис.
1.5). Рис. 1.5. Влияние слоя Е ионосферы на распространение радиоволн МАЛЫЕ ГАЗБ1 Углекислый газ от общего объема атмосферы занимает всего 0,03%. Однако в климатологических процессах он играет одну из главных ролей, так как сильно поглощает длинноволновую радиацию. Расчеты показывают, что повышение его объема, например, до 0,06% может повысить земную температуру на 3 С, что приведет к коренному изменению климата Земли, т.е. к экологической катастрофе. Это так называемый "парниковый" эффект, который связывается с промышленной революцией и ростом выброса в атмосферу углекислого газа и других вредных веществ. В атмосферу поступает большое количество водного аэрозоля, пыли, частиц дыма и пепла от вулканов, растительной пыльцы и др. Все эти твердые и жидкие частицы изменяют оптические характеристики атмосферы и влияют на радиационные процессы, следовательно, на погоду и климат Земли.
Поступающий в атмосферу с поверхности Мирового океана водяной пар является переменной составной частью воздуха. Его количество изменяется в атмосфере от ничтожного значения в пустынях до 4% от объема воздуха в тропической зоне. Водяной пар, как и углекислый газ, является оптически активным, Он имеет широкие линии поглощения в области ближнего и среднего инфракрасного (ИК) излучения. В отличие от углекислого газа водяной пар не только влияет на оптические характеристики атмосферы, но и играет определяющую роль в переносе тепла и вещества (испарение, конденсация) в процессах тепломассообмена между океаном и атмосферой. --ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ-- В АТМОСФЕРЕ Земля, как планета, постоянно обменивается энергией с Солнцем и Космосом, а три ее оболочки — атмосфера, гидросфера и литосфера — обмениваются между собой еще и импульсом и веществом.
Следовательно, все оболочки Земли являются открытыми термодинамическими системами, где идут неравновесные процессы переноса тепла и трансформация одного вида энергии в другой. Все процессы на Земле, сопровождающиеся тепловыми явлениями, описываются физической наукой — термодинамикой. В основе термодинамики лежат два начала: первое начало, представляющее собой закон сохранения энергии, и второе начало, которое может быть определено как закон о нацравлении физических процессов (закон об энтропии). УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ рк=~ кт, (1.1) где р — давление,,и — молярная масса, Я = 8,31 Дж/(моль К)— универсальная (молярная) газовая постоянная, т — абсолютная тем- пература. Так как т/У = р = 1/е, где р — плотность, а ю — удельный объем, то из (1.1) получим р =р — т. Я (1.2) ф Эта форма записи уравнения удобна при решении задач физики атмосферы, так как плотность легко определяется экспериментально.
Отношение Я/,и — удельная газовая постоянная. Для воздуха она равная =Яр =8,31/29 10 ~=2,87 10 Дж/(кг К). В соответствии с (1.2) плотность сухого воздуха при нормальных условиях (р = 0,101 МПа, т = 273 К) равна р = 1,29 кг/м~. Из кинетической теории газов известно, что теплота есть кинетическая энергия хаотического движения большого числа молекул вещества. Это находит свое выражение в законе Джоуля, устанавливающем принцип эквивалентности теплоты и механической работы 112 Из эксперимента известно, что сухой воздух и водяной пар в области температур и давлений, близких к нормальным, ведут себя как идеальный газ. Средняя молекулярная масса воздуха равна ,и = 29 10 кг/моль, а водяного пара —,и = 18 10 кг/моль.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
