Лекция 6. 1. Атмосфера: состав, строение, происхождение

Тема: СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ. ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ

Вопросы:

1. Атмосфера: состав, строение, происхождение

2. Солнечная радиация. Альбедо

3. Температура воздуха. Тепловые пояса

4. Вода в атмосфере

5. Давление атмосферы

6. Ветры

7. Циркуляция атмосферы, воздушные массы и фронты

8. Погода

9. Климат. Охрана атмосферы

1.Атмосфера: состав, строение, происхождение

Земля окутана воздушной оболочкой – атмосферой. Благодаря атмосфере Земля защищена от губительных ультрафиолетовых и космических лучей, космической пыли.

Атмосфера – смесь газов: азота (78,1%), кислорода (21%), инертных газов (1%). В нижних слоях атмосферы содержится 0,03 % углекислого газа. В атмосфере содержится водяной пар (от 0,1 % до 4 % в жаркую погоду).

Атмосферу разделяют на пять концентрических слоев (сфер): тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу.

Тропосфера (от греч. tropos – поворот, направление) – нижний слой атмосферы толщиной 10 – 11 км. В ней сосредоточены почти весь воздух и водяной пар. Температура воздуха понижается на 0,6 на каждые 100 м. в тропопаузе – переходном слое между тропосферой и стратосферой температура всегда 45 – 55°С мороза. В этой сфере воздух перемещается, образуются облака, дожди, снегопады, грозы.

Стратосфера – слой атмосферы, расположенный над тропосферой, простирается до высоты 50 – 55 км. В нижней части этой сферы есть струйные течения воздуха со скоростью до 300 км/ч. Здесь нет влаги, нет обычных облаков, появляются лишь перламутровые.

Мезосфера (средняя сфера) расположена на высоте от 40-50 до 90-95 км. От стратосферы она отделена слоем стратопаузой. Температура в этой сфере сначала повышается, а с высотой падает до 107°С . В пределах страто- и мезосфер на высоте около 30 км находится азоносфера, слой максимальной концентрации О3. Азоносфера поглощает вредное для живых организмов ультрафиолетовое излучение. Озон неустойчив, его содержание меняется по сезонам, зевисит от гроз и экологической обстановки в атмосфере. У верхней границы мезосферы на высоте 90 км появляются серебристые облака. Водород, входящий в их воду, солнечного происхождения.

Термосфера простирается от 90-95 до 900 км. До высоты 250 км температура возрастает, а выше остается постоянной. В годы максимума солнечной активности температура колеблется от 2280 °С днем до 1500 °С ночью. Эту температуру называют потенциальной, т.к. воздух сильно разрежен и температура не ощущается живыми организмами. Ионосфера расположена в пределах термосферы на высоте 50-80 км. В ней много ионов, причина их образования – космическое излучение. В ионосфере возникают полярные сияния – свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных, летящих от Солнца частиц.

Экзосфера – внешняя сфера, простирается от 800 до нескольких тысяч километров. Она постепенно переходит к межпланетному пространству, идет непрерывная утечка газов. Величину 2 – 3 тыс. км считают верхней границей атмосферы.

Происхождение атмосферы связано с формированием Земли. Газы выделялись из земной коры и мантии. Под воздействием солнечной радиации молекулы газов расщеплялись. Первичная газовая оболочка состояла из водорода и аммиака, которые Земля захватила из протопланетного облака. На начальном этапе истории Земли в результате интенсивной вулканической деятельности сформировалась углекислая атмосфера. Современный кислород возник в результате фотосинтеза зеленых растений.

2. Солнечная радиация. Альбедо

Важнейший источник тепла и света для Земли – Солнце. Вся совокупность лучистой энергии (тепловой, световой, ультрафиолетовой и др.), посылаемой Солнцем, называется солнечной радиацией. Земля получает лишь одну двухмиллионную часть ее.

Прямая радиация, проходя через атмосферу, частично рассеивается, отражаясь от молекул воздуха, пылинок. Поверхность Земли нагревается в основном прямой солнечной радиацией.

Вся солнечная радиация, прямая и рассеянная, поступающая на земную поверхность, называется суммарной радиацией, это общее количество тепла в джоулях, поступающего на поверхность суши и океана от Солнца на единицу площади (см) в единицу времени. Интенсивность солнечной радиации падает во влажной и пыльной атмосфере, при малом угле падения солнечных лучей на Землю, оно изменяется в зависимости от времени суток и рельефа земной поверхности. Для научных целей вычислена солнечная постоянная – количество тепла, приходящегося в 1 минуту на 1 см перпендикулярной к солнечным лучам поверхности, которое Земля получала бы при среднем расстоянии от Солнца и отсутствии атмосферы. Солнечная постоянная равна 8,27 Дж.

Отношение количества радиации, отраженной от поверхности, к количеству поступающей на эту поверхность, называется альбедо (от лат. «белизна»). Альбедо земной поверхности зависит от цвета, влажности, шероховатости и т.д. Альбедо исчисляют в процентах отраженной радиации от упавшей на эту поверхность. Наибольшая отражающая способность – у снега (до 0,9); малая – у хвойного леса – (0,06).

Разность между приходом и расходом солнечной радиации – это радиационный баланс.

3. Температура воздуха

Приземный слой воздуха нагревается, становится более легким, поднимается вверх, образуя конвекционные токи. Вверху, при меньшем атмосферном давлении, воздух расширяется и поэтому охлаждается. Высота в метрах, на которую нужно подняться, чтобы температура воздуха понизилась на 1°С, называется термической ступенью.

Явление, при котором воздух на высоте теплее, чем внизу, называется инверсией (от лат. – перестановка). Она бывает при быстром охлаждении земной поверхности.

С суточным и годовым ходом температуры вы познакомитесь самостоятельно.

Чтобы определить среднесуточную температуру, производят измерения четыре раза в сутки: в 1 ч. ночи, в 7 ч. утра, 1 ч. дня и 7 ч. вечера. Средняя арифметическая и будет среднесуточной температурой. Разница между средними температурами самого холодного и самого теплого месяца в году показывает годовую амплитуду температуры. Наибольшие годовые амплитуды наблюдаются ближе к полярному кругу и на континентах, наименьшие – в экваториальных странах и на океанах. Самые высокие температуры отмечаются в июле под Северным тропиком, в Сахаре, где температура поднимается выше 50 °С .Ливайская пустыня – самое жаркое место на Земле. Самая низкая температура – 89, 2 °С отмечена в Антарктиде. В Северном полушарии самые низкие температуры (до –70 °С ) отмечены в Восточной Сибири (Оймякон).

Изотерма – линия, соединяющая пункты с одинаковой температурой. При их анализе выявлено, что:

1. В обоих полушариях температуры понижаются от экватора к полюсам.

2. Термический экватор (линия, соединяющая самые жаркие точки Земли) смещен к северу, особенно на материках.

3. В южном полушарии ход изотерм более плавный, чем в Северном из-за преобладания вод над сушей.

Пояса освещения не совпадают с тепловыми. На Земле выделяют следующие тепловые пояса:

Жаркий – ограниченный в каждом полушарии годовой изотермой. +20 , которая проходит около 30-й северной и 30-й южной параллелей.

Два умеренных – лежащих между годовыми изотермами +20 и +10 самых теплых месяцев (июля и января).

Два холодных – лежащих между изотермами +10 и 0 самого теплого в данном полушарии месяца.

Две области вечного мороза – средняя температура самого теплого месяца ниже 0 .

4. Вода в атмосфере

В атмосфере всегда имеется влага за счет испаряемости – поступления в атмосферу водяного пара с какой-либо поверхности в единицу времени.

Испаряемость – количество воды, которое может испаряться с той или иной поверхности.

Воздух может принимать водяные пары до определенного предела, а затем становится насыщенным. Чем выше температура, тем больше воды воздух может принять. Температура, при которой ненасыщенный воздух переходит к насыщению, называется тачкой росы. Чем влажнее воздух, тем скорее наступит точка росы.

Упругость, или давление, находящегося в воздухе водяного пара, выраженная в миллиметрах ртутного столба, называется абсолютной влажностью.

Относительной влажностью называется процентное отношение количества водяных паров, содержащихся в воздухе, к тому количеству, которое он должен содержать при насыщении.

Вода содержится в атмосфере в жидком, твердом, газообразном состояниях. Конденсация – это переход пара в жидкое состояние, а сублимация – в твердое состояние при низкой температуре.

В результате этих процессов у поверхности земли образуется роса, иней, изморось, туман, гололедица.

Роса – образование капель при соприкосновении воздуха с холодной поверхностью.

Иней – конденсация влаги на холодных предметах при отрицательной температуре в виде кристаллов льда.

Изморозь – образование кристаллов льда в воздухе при сильных морозах и оседание их на различные предметы.

Гололедица – образование льда на переохлажденных предметах, при выпадении дождя.

Туман – мелкие капельки воды, находящиеся во взвешенном состоянии в приземном слое.

В свободной атмосфере в результате конденсации и сублимации образуются облака. По форме различают слоистые, кучевые, перистые облака. По высоте выделяют облака верхнего яруса (выше 6 км.), среднего (от 2 до 6 км.), нижнего (от 2 км. до 200 м.), облака вертикального развития (от 6 км. до 500 м.).

В облаках образуются и с их помощью перераспределяются осадки жидкие, твердые и смешанные.

Отношение количества выпавших за определенный период атмосферных осадков к величине испаряемости за тот же период называется коэффициентом увлажнения. Это важнейший признак для выделения ландшафтно-географических зонах. Коэффициент увлажнения больше – в лесных зон, меньше – в пустынях.

5. Давление атмосферы

Воздух имеет вес, вес обуславливает атмосферное давление. Столб воздуха от поверхности Земли до пределов атмосферы уравновешивается столбиком ртути высотой 67 см. Давление атмосферы измеряется высотой ртутного столба, выраженной в миллиметрах. Давление 1 мм рт. ст = 133 Па (или 100 Па). Давление атмосферы измеряется с помощью ртутного барометра и барометра-анероида.

Зависимость давления и температура пропорциональна.

С высотой воздух становится более разреженным и давление понижается. Расстояние между двумя точками по вертикали, на котором атмосферное давление изменяется на единицу, называется барометрической ступенью. Высота растет в арифметической прогрессии, а давление убывает в геометрической.

Если между районами имеется разница в атмосферном давлении, то воздух устремляется из района более высокого давления в район более низкого. Его скорость зависит от барического градиента, под которым понимают разницу в давлении на расстоянии одного градуса дуги меридиана (111км) в том направлении, в котором убывает давление.

Изобара – линия на карте, соединяющая пункты с одинаковым давлением. Изобары давления показывают зональное распределение атмосферного давления.

Атмосферное давление нигде не остается постоянным. Есть места с повышенным давлением, которое держится круглый год, они называются барическими максимумами: Азорский, Гавайский, Южно-атлантический, Южно-тихоокеанский, Атлантический.

Места с постоянно пониженным давлением называются барическими минимумами – Исландский, Алеутский.

Существуют обратимые области, в которых низкое давление летом сменяется высоким давлением зимой (Восточно-сибирский, Австралийский, Южно-африканский максимумы). Барометрические максимумы и минимумы называются центрами действия атмосферы, они влияют на климат больших областей Земли.

6. Перемещение воздуха

Воздух перемещается вертикально и горизонтально. Движение воздуха в горизонтальном направлении называется ветром. Его причина – неравномерность давления воздуха в разных областях из-за неравномерности распределения температур. Чем больше барический градиент, тем быстрее дует ветер. Ветер отклоняется от градиента под действием силы Кориолиса. Направление ветра определяется той стороной, откуда он дует. Для точного определения направления ветра стороны горизонта делятся на 16 румбов, которые обозначаются начальными буквами названий сторон горизонта. Для определения направления и скорости ветра служит анемометр.

Скорость, или сила ветра – количество метров, которое пролетает воздух за секунду. Сила ветра оценивается в баллах от 1 до 12 (от штиля до урагана). Обнаружены и большие скорости ветра (выше 200 км/ч.), шкала продлена до 17 баллов. Направление ветра часто меняется. Роза ветров – это векторная диаграмма, изображающая повторяемость направления ветра.

Ветры разнообразны по происхождению и характеру. Основные типы ветров: бризы, муссоны, пассаты, фены, суховеи.

Бризы – периодические ветры побережий тропических и умеренных широт. Днем бризы дуют с моря на сушу, ночью – наоборот, т.к. суша теплее днем, а море – ночью. Это местный ветер.

Муссоны – аналогичны бризам, но более продолжительны, они меняют направление два раза в год, от зимы к лету, от лета к зиме, охватывают огромные площади.

Тропические муссоны возникают из-за различного нагревания полушарий по сезонам. В январе холодные массы воздуха стремятся в южное полушарие, а в июле – из южного в Северное. Зимой эти муссоны совпадают с пассатами.

Пассаты - постоянные ветры, дующие от субтропических широт к экватору.

Внетропические муссоны образуются из-за термического контраста между сушей и морем и взаимодействия барических минимумов и максимумов. Зимой ветер дует с суши на море, а летом наоборот.

Фен – горный ветер, дующий сверху вниз по склону. Он образуется если на противоположных склонах гор разное атмосферное давление. Из-за адиабатического нагрева фены сухие и теплые. Это местный ветер.

Бора – образуется, когда на пути холодных масс лежат горы, которые заграждают им путь. Скопившийся воздух с силой переваливается через понижения хребта. Это местный ветер.

Суховей – сухие и жаркие ветры, возникающие в засушливых районах земного шара, в том числе летом на юге и юго-востоке Европейской части России. Под действием падает относительная влажность до 10%, растения погибают, возникают пыльные бури.

7. Циркуляция атмосферы, воздушные массы и фронты

Тропосфера неоднородна. В ней образуются воздушные массы, различающиеся по температуре, влажности и т.д. В зависимости от места формирования и свойств воздуха различают 4 типа воздушных масс: арктические (антарктические), умеренных широт, тропические и экваториальные.

Арктические (антарктические) - воздушная масса формируется над снегами и льдами полярных стран. Это холодный, сухой, прозрачный воздух, он приносит похолодания с порывистым ветром и переменную облачность, бывает морским и континентальным.

Воздушная масса умеренных широт бывает континентальной и морской. Континентальный воздух – сухой, с ним связаны высокие температуры летом и низкие – зимой. Морской воздух – зимой приносит оттепели, летом – похолодания.

Тропический – морской – богат влагой, жаркий, сухой, запыленный.

Экваториальный – теплый и влажный, формируется над океанами и экваториальными лесами. За пределы тропиков не распространяется.

Границы поверхности раздела между разными воздушными массами называются воздушными фронтами. Линии пересечения воздушных фронтов с земной поверхностью – линиями воздушных фронтов.

Вблизи экватора северный и южный пассаты разделяет тропический фронт. Умеренный фронт – разделяет тропические и умеренные воздушные массы на 40-50-й параллелях. Арктический фронт – разделяет умеренные и арктические массы на 70-75-й параллелях. Фронты бывают теплые и холодные. Теплый фронт – когда теплый воздух оттесняет холодный, холодный фронт – наоборот. Теплый воздух при этом поднимается вверх, расширяется, водяные пары конденсируются, выпадают осадки.

Общая циркуляция атмосферы – система воздушных течений в атмосфере, в результате которых происходит обмен больших масс воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Причина циркуляции – неравномерный нагрев земной поверхности солнечными лучами, и, следовательно, различие давлений. Кроме этого, под действием силы Кориолиса воздушные массы в Северном полушарии отклоняются вправо, в Южном, - влево.

Западный перенос преобладает в умеренных широтах – во всей тропосфере, в полярных и тропических широтах – в верхней части тропосферы. Восточный перенос преобладает в нижней тропосфере полярных и тропических зон и всей тропосфере экваториальных широт.

Экваториальной и тропическим зонам свойственна пассатная циркуляция.

В умеренных широтах западный перенос воздушных масс осложняется деятельностью циклонов и антициклонов. Волнообразные возмущения линий фронтов могут приводить к возникновению замкнутых барических систем. Циклон – крупномасштабное атмосферное вихревое возмущение с пониженным давлением в центре. Циклоны зарождаются в тех районах, где на небольшом расстоянии наблюдаются значительные перепады температур воздуха – в районах барических минимумов. Циклоны перемещаются обычно с запада на восток. Изобары в циклоне замкнутые, ветры дуют от периферии к центру, криволинейно под влиянием силы Кориолиса.

Теплый воздух вытесняется вверх, охлаждается, влага конденсируется, выпадают осадки. По мере прохождения циклона погода будет меняться:

1. ясная погода холодного фронта;

2. ненастная погода теплого фронта, длительные обложные дожди, морось из сложных облаков теплого воздуха;

3. прояснение;

4. приближение холодного фронта, грозы, ливни;

5. ясная погода в холодной массе.

Циклон держится 6-7 дней.

В области пассатной циркуляции атмосферы циклоны реже, имеют ураганную скорость ветра – до 40-60 м/с. Тропические циклоны формируются главным образом над океанами, у берегов юга – востока, Азии называются тайфунами. Смерч – вращательный вихрь малого диаметра, образующийся при большом барическом градиенте на малой территории.

Антициклон – область повышенного атмосферного давления в центре с барическим градиентом, направленным от центра к периферии. Питание его происходит за счет опускания воздушных масс. При этом происходит адиабатическое нагревание и воздух удаляется от точки росы. Поэтому в антициклоне преобладает ясная сухая погода: теплая летом и холодная зимой.

7. Погода

Погода – совокупность атмосферных явлений на данной местности в определенный отрезок времени.

Она характеризуется элементами: температурой воздуха, влажностью, давлением, ветром, облачностью, осадками и др. Погода меняется. Периодические изменения погоды зависят от хода лучистой энергии в течение суток, сезонов года. Непериодические изменения вызваны перемещением воздуха.

Различают три типа погоды: безморозные периоды, погоды с переходом через 0°С и морозные погоды. Всего выделяют 15 классов погоды: малооблачная, облачная ночью, пасмурная с осадками и т.д.

Погода важна для хозяйственной деятельности человека. Важно знать погоду заранее, чтобы подготовиться к неблагоприятным метеорологическим явлениям. Эту работу осуществляет служба погоды, опираясь на сеть метеорологических станций. По их сведениям и космическим данным составляют синоптические карты. На их основе делаются краткосрочные прогнозы, т.е. предсказания погоды. Долгосрочные прогнозы (на месяц и более) основывается на анализе влияния центров действия атмосферы и статическом методе подбора аналогичных ситуаций из прошлого.

8. Климат

Климат – многолетний режим погоды, характеризующийся осредненными показателями. Климатообразующие факторы:

теплооборот;

влагооборот;

циркуляция атмосферы;

географические факторы:

географическая широта, с которой связана солнечная радиация;

распределение суши и моря, т.к. различна их теплоемкость;

океанические течения;

рельеф земной поверхности;

почвенно-растительный покров влияет на местный климат.

Существует много классификаций климатов. В России широко признана классификация Б.П.Алисова. по ней на земном шаре выделяется 13 климатических поясов.

Климаты экваториального пояса:

-субэкваториальных поясов

-тропических поясов

-средиземноморских

-субтропического пояса

-умеренных поясов – континентальный и морской

-муссонный

-субарктическ

-полярных поясов.

Климат играет важную роль в жизни географической оболочки. Он влияет на формирование почвенного покрова и растительности, животного мира, хозяйственную деятельность человека, определяет режим рек, озер, болот, на формирование рельефа.

Климат менялся на протяжении всей истории Земли. Человек воздействует на климат, изменяя растительность, строя водохранилища, меняя подстилающую поверхность. В результате хозяйственной деятельности человека в атмосфере увеличивается содержание углекислого газа, что ведет к усилению “парникового эффекта” – солнечная радиация нагревает Землю, а остывает она медленно, в результате теплеет климат. Это может привести к таянью ледников, затоплению низменностей и целых стран.

Охрана атмосферы необходима для сохранения жизни человека и всего живого.

Источники антропогенного загрязнения:

-промышленные предприятия;

-транспорт;

-теплоэлектростанции.

Загрязнители: дым

сажа

сернистый ангидриз

оксиды азота

угарный газ

метан

пыль (цементные и пр.).

Законодательство России предусматривает меры по охране атмосферы и наказание за ее загрязнение.

Меры оздоровления атмосферы:

строительство пыле – и газоуловителей,

создание зеленых зон,

газификация, электрификация,

использование экологически чистых источников энергии (солнце, ветер, волны и пр.);

разработка безотходных технологий по замкнутому циклу.

Дата добавления: 2014-10-17; просмотров: 504; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!