Состав и строение атмосферы. Лекция 2

1.

Лекция №2
Состав и строение атмосферы

2.

Атмосфера Земли (от греч. atmos – пар и sphaira – шар)
– газовая оболочка, окружающая Землю, движущаяся
вместе с Землёй в мировом пространстве как единое целое
и одновременно принимающая участие во вращении Земли,
массой примерно 5,15×1015т (в миллион раз меньше, чем
масса самого Земного шара).

3.

Таблица 1
Газовый состав атмосферы Земли
(по Г.В. Войткевич, 1983)
Компонен Содержание
Общая масса,
т
объемное, %
1020г
N2
78.0900
38.648
О2
20.9500
11.841
Ar
0.9300
0.655
СО2
0.0300
0.233
Ne
0.0018
0.000636
He
0.00052
0.000037
СН4
0.00015
0.000043
Современная атмосфера Земли по химическому составу
относится к азотно-кислородному типу

4.

Рис. 1. Состав сухого воздуха у земной поверхности

5.

Рис.2. Мощный фреатомагматический взрыв извержения в
Крымском озере. Эндогенный источник газов (Фото Я.Д. Муравьева
из Глобальные изменения природной среды, 1998).

6.

Рис.3. Вулкан Крымский. Эндогенный источник газов
включаемых в биогеохимический круговорот.

7.

Гейзеры
Камчатки

8.

9.

10.

В состав атмосферы кроме газов входят жидкие и
твердые частички:
• жидкие частицы:
водяной пар (0,2%),
капельки кислот;
• Водяной пар
непрерывно
поступает в
атмосферу путем
испарения с водных
поверхностей, с
влажной почвы и
путем транспирации
растений.
Озеро Большое Шавлинское, Алтай

11.

Основная масса водяного пара сосредоточена в
приземном слое воздуха мощностью до 6-7 км. Его
концентрация быстро убывает с высотой. Среднее
содержание водяного пара в вертикальном столбе
атмосферы в умеренных широтах – около 1,6-1,7 см
«слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь
слой сконденсированного водяного пара).
Водяной пар, как и всякий газ, создает собственное
давление (упругость, е, гПа). Упругость водяного пара
возрастает с увеличением его плотности (а, г/м3).
Наибольшее (предельное) количество пара в воздухе
называется влажностью насыщения, а соответствующая
ей упругость
–
упругостью насыщения или
максимальной упругостью водяного пара.

12.

Максимальное содержание пара выражается либо в виде
собственного (парциального) давления в гПа (Е), либо в г/м3 (А).
Количество насыщающего пара увеличивается с ростом
температуры воздуха.

13.

Фактическое содержание пара обозначается а – абсолютная
влажность (плотность пара, г/м3) или е (упругость
водяного пара, гПа), а влажность насыщения – А (г/м3) или
Е (гПа). Связь между а (г/м3) и е (гПа) выражается
формулой
а=220 (е/Т),
где Т= t+273 –температура в абсолютной шкале или a =
0,8е / (1+αT), где е – в гПа, T – в градусах Цельсия, α
=1/273).
Максимальная упругость водяного пара в воздухе
toС
-30 -20
Е, гПа 0,51 1,25
А,
0,45 1,0
г/м3
-10
2,86
2,36
-5
4,21
3,4
0
6,11
4,85
+5
8,72
6,80
+10 +15 +25 +30
12,27 17,04 31,67 42,43
9,44 12,82 23,03 30,34

14.

Относительная влажность воздуха (r, в процентах), равна
отношению массы пара, реально содержащегося в воздухе,
к максимальной упругости. Например: если температура
воздуха равна 30°С, а реальное содержание пара 28 г/м3, то
относительная влажность воздуха равна r = (е/Е)*100%
(28/30.34) 100= 92,3%.
Во время выпадения дождя и при наличии тумана
относительная влажность воздуха приближается к 100%. В
сухую погоду она снижается до 20-30% и ниже.
Максимальная упругость водяного пара в воздухе
toС
-30 -20
Е, гПа 0,51 1,25
А,
0,45 1,0
г/м3
-10
2,86
2,36
-5
4,21
3,4
0
6,11
4,85
+5
8,72
6,80
+10 +15 +25 +30
12,27 17,04 31,67 42,43
9,44 12,82 23,03 30,34

15.

Если в воздухе присутствуют примеси, например оксиды серы, азота
или углерода, то в случае конденсации паров с образованием
мельчайших капель воды на Землю могут выпадать кислотные
дожди – атмосферные осадки, с рН < 5,5, которые могут вызывать
губительные последствия в географической оболочке.

16.

В состав атмосферы кроме газов входят жидкие и
твердые частички:
• твердые частички : пыль, сажа, пепел, частички
морской соли, пыльца, споры; космическая пыль,
попадающая в атмосферу (около миллиона тонн в год) из
межпланетного пространства, продукты искусственного
радиоактивного распада, заражающие воздух при
испытательных взрывах атомных и термоядерных бомб;
микроорганизмы (бактерии)
• Взвешенные в воздухе жидкие и твердые частицы
размером от нескольких нм до нескольких десятков мкм –
один из наиболее оптически активных компонентов
атмосферы – это атмосферный аэрозоль

17.

Подорожник большой
Дуб черешчатый
Сосна обыкновенная

18.

аэрозольные примеси или аэрозоли в наибольшем
количестве содержатся в самых нижних слоях атмосферы
В городах на каждый см3 воздуха приходятся десятки
тысяч аэрозольных частичек.
• В сельской местности на каждый см3 воздуха –тысячи
частиц
• Над океаном - сотни.
С высотой число взвешенных частичек быстро убывает;
на высотах 5-10 км их всего десятки на кубический
сантиметр.

19.

Уравнение состояния газов
• Основными характеристиками физического
состояния газа являются его давление,
температура и плотность. Связь между
давлением, температурой и плотностью для
идеальных газов дается уравнением состояния
газов, известным из физики. Оно пишется РV=
RТ
• где Р - давление, V- удельный объем газа, Т температура по абсолютной шкале (в
Кельвинах) и R - газовая постоянная,
зависящая от природы газа.

20.

Атмосферное давление
• В СИ (Международная система единиц) давление
измеряется в паскалях (Па). Среднюю величину
атмосферного давления в Паскалях можно рассчитать,
определив силу тяжести (G) столба ртути высотой h= 0.76
м и сечением w=1 см2: G= (w h) ρрт g =101322 (Па), где
g – ускорение силы тяжести.
• В метеорологии используется единица давления –
миллибар (мб), или гектопаскаль(гПа) (1 гектопаскаль = 1
миллибар =100 паскаль). Давление в 1 гПа эквивалентно
давлению 0.75 мм ртутного столба. Среднее атмосферное
давление у поверхности Земли на уровне моря равно 1013
гПа (колеблется от 919 – до 1106 гПа). С высотой
давление быстро падает, и на отметке 50 км уже
составляет около 1.0 гПа, а на высоте 100 км – менее 0.001
гПа.

21.

Для перехода от величины давления,
выраженной в миллиметрах ртутного столба, к
величине в миллибарах нужно ввести
сомножитель 4/3; для обратного перехода – ¾.
В многолетнем среднем для Европы давление
на уровне моря равно 1014 мб, на высоте 5 км
- 538 мб, 10 км - 262 мб, 15 км - 120 мб и 20 км
- 56 мб.
Давление убывает примерно в геометрической
прогрессии, когда высота возрастает в
арифметической прогрессии.

22.

23.

Величина барической ступени, м
tºС
Барическая ступень –
величина, означающая
превышение по высоте,
при котором
атмосферное давление
падает на единицу.
Барическая ступень
обратно
пропорциональна
величине давления и
прямо пропорциональна
абсолютной температуре
воздуха. Чем больше
высота (и чем,
следовательно, ниже
давление), тем больше
барическая ступень.
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
960
12,43
12,35
12,26
12,17
12,08
11,99
11,90
11,81
11,72
11,63
11,56
11,46
11,37
11,28
11,19
11,10
11,01
10,92
11,83
10,74
10,74
Давление воздуха, гПа
973
987 1000 1013 1027
12,25 12,10 11,94 11,78 11,63
12,17 12,01 11,85 11,70 11,55
12,08 11,93 11,77 11,61 11,46
11,99 11,84 11,68 11,53 11,38
11,90 11,75 11,60 11,44 11,29
11,82 11,67 11,51 11,36 11,21
11,73 11,58 11,43 11,27 11,12
11,64 11,49 11,34 11,19 11,04
11,55 11,41 11,25 11,11 10,96
11,47 11,32 11,17 11,02 10,88
11,38 11,23 11,08 10,93 10,80
11,29 11,15 11,00 10,85 10,71
11,20 11,06 10,91 10,77 10,63
11,12 10,97 10,83 10,69 10,55
11,03 10,89 10,74 10,60 10,46
10,94 10,80 10,66 10,52 10,38
10,85 10,71 10,58 10,44 10,30
10,76 10,63 10,49 10,35 10,21
10,68 10,54 10,41 10,28 10,13
10,59 10,45 10,32 10,20 10,05
10,50 10,37 10,24 10,11 9,96
1040
11,48
11,40
11,31
11,23
11,14
11,06
10,97
10,89
10,82
10,74
10,66
10,57
10,49
10,41
10,32
10,24
10,16
10,07
9,99
9,91
9,82

24.

Температура воздуха
• Температура воздуха, а также почвы и воды в
большинстве стран выражается в градусах
международной температурной шкалы, или шкалы
Цельсия (t°С), общепринятой в физических измерениях.
• Нуль этой шкалы приходится на температуру, при которой
тает лед, а +100° - на температуру кипения воды (то и
другое при давлении 760 мм рт. ст., близком к фактически
существующим на уровне моря условиям).

25.

Температура воздуха
• в США, Англии и некоторых странах Британской
империи используется шкала Фаренгейта (F).
• За 0° F принята температура смеси снега и нашатыря
(-17,8° С), за 100° F - нормальная температура
человеческого тела
• 0 ° С соответствует +32°F
• 100 ° С соответствует +212°F
• Интервал между точками таяния льда и кипения воды
разделен на 180°
• t°C = 5/9(t°F -32)
t° F = (9/5)t°С +32)

26.

• Абсолютная шкала температуры (шкала Кельвина, К).
Нуль этой шкалы отвечает полному прекращению
теплового движения молекул, т.е. самой низкой возможной
температуре.
• По шкале Цельсия это будет -273,18±0,03°. Но на
практике за абсолютный нуль принимается в точности 273° С.
• Величина градуса абсолютной шкалы равна величине
градуса шкалы Цельсия. Поэтому нуль шкалы Цельсия
соответствует 273 К
• t°К = T = t°C + 273
• t°C = T – 273

27.

• Температура, плотность воздуха и давление - величины
переменные, являющиеся функцией высоты.
• Вертикальный градиент температуры может меняться в
довольно широких пределах. В нижних 10 км в умеренных
широтах и в нижних 15 км в тропиках он в среднем равен
0,6°/100 м.
• В нижних сотнях метров над нагретой подстилающей
поверхностью он может повышаться до 1o/100 м или немного больше, а в тонком приземном слое над перегретой
почвой может быть во много раз больше.

28.

• Если температура воздуха с высотой не падает, а растет, то
такое распределение температуры называют инверсией
температуры.
• Если температура в воздушном слое не меняется с
высотой, такое состояние слоя называют изотермией.

29.

Плотность воздуха
• Плотность воздуха непосредственно не измеряется: она
вычисляется с помощью уравнения состояния газов.
• Для сухого воздуха следует ввести числовое значение
газовой постоянной Rd равное 2,87*106,
• Плотность сухого воздуха при температуре 0° и давлении
1000 мб (при так называемых стандартных условиях)
равна 1276 г/м3. При давлении 760 мм рт. ст. плотность
сухого воздуха равна 1293 г/м3.
• В среднем для Европы плотность равна у земной
поверхности 1250 г/м3, на высоте 5 км - 735 г/м3, 10 км 411 г/м3, 20 км - 87 г/м3, 300 км - 10-8 г/м3, 750 км -10-10
г/м3

30.

Временное пребывание живых организмов
в толще атмосферы на высотах примерно до
10-11 км (птица вида белоголовый сип,
насекомые,
заносимые
восходящими
воздушными течениями бактерии, споры,
простейшие и некоторые другие мелкие
организмы).
С высотой изменяется не только состав
атмосферы, но и её свойства. В нижней части
атмосферы (до высоты 10-15 км) температура с
высотой падает в среднем на 0,6°/100 м, общая
плотность воздуха уменьшается, понижается
давление.
Процесс фотосинтеза зависит от парциального
давления, это свойство атмосферы, оказывает
лимитирующее воздействие на распространение
растений в горах. Известно, например, что в
Гималаях распространение зеленой растительности
ограничено высотой 6200 м – пониженное
парциальное давление СО2 закрывает возможность
дальнейшего
продвижения
растенийфотосинтетиков. Животные (насекомые, пауки)
отмечены и выше – они питаются заносимой сюда
пыльцой и другой органикой.
Поэтому жизнь в воздушной среде сосредоточена
вблизи поверхности земли, проникая в толщу
атмосферы на высоту не более 50-70 м. Поскольку
процесс газообмена прямо зависит от величины
парциального
давления
кислорода,
то
и
распространение аэробных организмов также
лимитируется.

31.

32.

• Тропосфера - нижняя часть атмосферы, простирается
над полюсами до высоты около 6-8 км, над умеренными
широтами до 10-12 км и над экватором до 15-17 км. В
тропосфере
сосредоточена
основная
масса
атмосферного воздуха.
Плотность воздуха в тропосфере от 1293 г/м3 –
нижняя граница – до 400 г/м3 - верхняя граница
Атмосферное давление от 1013 мб. – нижняя граница
– до 300мб. – верхняя граница. Средняя температура у
поверхности Земли
+15°С на верхней границе
тропосферы = -50;-53°С
В тропосфере сосредоточено 4/5 всей массы
атмосферного воздуха. Для нее характерно, уменьшение
температуры с высотой в среднем на 0,6°/100 м. Здесь
содержится почти весь водяной пар атмосферы и
возникают почти все облака. Сильно развита и
турбулентность.

33.

Выше тропосферы находится переходный слой – тропопауза, мощностью 1-2
км, этот слой изотермичен, т.е. температура в нем постоянна (-50-53)

34.

35.

Концентрические слои атмосферы:
• Стратосфера
Располагается над
тропопаузой до
высоты 50-55 км,
характеризуется
увеличением
температуры с
высотой, наличием
озонового слоя в
интервале высот 2530 км.

36.

Озо́новый слой - часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км
(в тропических широтах 25-30 км, в умеренных 20-25, в
полярных 15-20), в которой под воздействием
ультрафиолетового излучения Солнца молекулярный
кислород (О2) диссоциирует на атомы, которые затем
соединяются с другими молекулами О2, образуя озон (О3).
О2→О+О
О2+О→О3
О3→О2+О
Озоновый слой целиком
поглощает
ультрафиолетовую
радиацию Солнца с длинами
волн от 0,15 до 0,29 мк
(один микрон - тысячная
доля миллиметра)

37.

Стратосферный озон является естественным фильтром,
препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы
жесткого космического излучения-ультрафиолета-В.
Озон имеет важное значение для существования жизни на Земле,
так как поглощаемая им ультрафиолетовая радиация губительна для
всего живого.
Максимальная концентрация озона
наблюдается в интервале высот 15 –
20 км в полярных областях, 20 – 25
км в умеренных широтах, и от 25 –
до 30 км в тропиках и субтропиках.
В слои ниже 15 км озон заносится из
вышележащих слоев при
перемешивании воздуха. Также
известны случаи образования
тропосферного озона под влиянием
фотохимических реакций,
происходящих в загрязненном
автомобильными выхлопными
газами воздухе при интенсивной
солнечной радиации.

38.

Средние месячные значения общего содержания озона изменяются
в зависимости от географической широты и времени года от 0,23 –
до 0,52 см (толщина слоя озона при наземных давлении и
температуре). Увеличение содержания озона наблюдается в
направлении от экватора к полюсам, а в годовом ходе максимальная
концентрация отмечается весной, минимальная – осенью.
Озон поглощает некоторую часть инфракрасного излучения
Земли. Благодаря этому он задерживает около 20% излучения
Земли, повышая отепляющее действие атмосферы.

39.

С конца 70-х годов ученые
стали отмечать неуклонное
истощение озонового слоя.
Причиной тому стало
проникновение в верхние слои
стратосферы
озонразрушающих веществ
(ОРВ), используемых в
промышленности, молекулы
которых содержат хлор или
бром. Хлорфторуглеводороды
или другие ОРВ, выпущенные
человеком в атмосферу,
достигают стратосферы, где
под действием
коротковолнового
ультрафиолетового излучения
Солнца их молекулы теряют
атом хлора.
Агрессивный хлор начинает разбивать одну за другой молекулы озона, сам при
этом не претерпевая никаких изменений. Срок существования различных ХФУ в
атмосфере от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано, что за это время один атом
хлора способен превратить в кислород 100 000 молекул озона.

40.

Причины ослабления озонового щита:
• Запуски космических ракет. Сгорающее топливо снижает
концентрацию озона
• Самолеты. Особенно, летящие на высотах в 12-15 км. Выбрасываемый
ими пар и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время
самолеты, летающие ниже 12 км. Дают прибавку озона. В городах он –
один из составляющих фотохимического смога.
• Окислы азота, больше всего их выделяется с поверхности почвы,
особенно при разложении азотных удобрений.
• Хлор и его соединения с кислородом, до 700 тысяч тонн этого газа
поступает в атмосферу, прежде всего от разложения фреонов. Фреоны –
это не вступающие у поверхности Земли ни в какие химические
реакции газы, кипящие при комнатной температуре, а потому резко
увеличивающие свой объем, что делает их хорошими распылителями.
Поскольку при их расширении снижается их температура, фреоны
широко используют в холодильной промышленности.
• Фреоны постепенно поднимаются наверх, в стратосферу и под
воздействием солнечных лучей становятся активными – вступают в
фотохимические реакции выделяя атомарный хлор. Каждая частица
хлора способна разрушить сотни и тысячи молекул озона.

41.

«Озоновые дыры» (правильнее • Так называемые «озоновые дыры» – снижение концентрации озона в
сезонное уменьшение толщины
атмосфере)
озонового слоя над Антарктидой и
другими областями земной
поверхности. Предполагается, что к
уменьшению концентрации озона в
атмосфере ведёт совокупность
факторов антропогенного и
природного происхождения.
Озоновая дыра диаметром свыше
1000 км впервые была обнаружена
в1985 году, на Южном полушарии,
над Антарктидой, группой
британских учёных:
Дж. Шанклин (англ.), Дж. Фармен (англ.), Б. Гардинер (англ.),
опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature.
Каждый август она появлялась, а в декабре - январе прекращала
своё существование. Над Северным полушарием в Арктике
образовывалась другая дыра, но меньших размеров.

42.

Гипотеза антропогенного воздействия на
озоновый слой базируется на идее
разложения озона химическими
веществами, выделяющимися в результате
хозяйственной деятельности человека.
Другие ученые предполагают, что процесс
образования «озоновых дыр» может быть в
значительной мере естественным, и связан с
усилением глубинной дегазации нашей
планеты.
Интересный факт: каждой весной
над Антарктидой в озоновом слое
появляется «дыра» площадью с
Соединенные Штаты Америки.

43.

Влияние на климат:
Еще более тревожит то, что истощение озонового слоя может
непредсказуемо изменить климат Земли. Озоновый слой задерживает
тепло, рассеивающееся с поверхности Земли. По мере уменьшения
количества озона в атмосфере температура воздуха снижается,
изменяется направление господствующих ветров и меняется погода.
Результатом могут стать засухи, неурожаи, нехватка продовольствия и
голод. Некоторые ученые подсчитали, что даже если будут приняты меры
и прекратится всякая деятельность, разрушающая озоновый слой, то на
восстановление его в полном объеме уйдет 100 лет.

44.

Стратосфера
• Водяной пар содержится в ничтожном количестве. На
высоте 22-24 км в высоких широтах иногда наблюдаются
перламутровые облака, которые состоят из
переохлажденных капель

45.

Мезосфера
• Слой атмосферы располагающийся на высоте от 55 (над
стратопаузой) - до 80-82 км
• Температура с высотой падает до -95 - 110°С.
• Плотность воздуха от 1г/м3 до 0,02 г/м3
• Здесь образуются серебристые облака, состоящие из
кристаллов, форма которых свидетельствует о
существовании в мезосфере волн и вихрей
• Верхней границей мезосферы является мезопауза (верхние
1-2 км), давление здесь в 1000 раз меньше, чем у земной
поверхности
В тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до
высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы
атмосферы, около 2,578×1013т

46.

Серебристые
облака

47.

Ионосфера (термосфера)
• Простирается от мезопаузы до высоты 1000 км
• Характеризуется очень высокими температурами, в годы
активного Солнца до 1500°С на высоте 200-250 км.
• Воздух чрезвычайно разрежен, на высотах 300-500 км
его средняя плотность порядка 10-8-10-10 г/м3.
• Характеризуется сильной степенью ионизации воздуха.
Ионы представляют собой заряженные атомы
кислорода, заряженные молекулы окиси азота и
свободные электроны. Их содержание на высотах 100400 км — порядка 1015-1016 на кубический сантиметр.
• электропроводность воздуха в 1012 раз больше, чем у
земной поверхности. Радиоволны испытывают в
ионосфере поглощение, преломление и отражение.
Вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя
связь на коротких волнах.
• В ионосфере наблюдаются полярные сияния.

48.

49.

Экзосфера
Атмосферные слои выше 1000 км выделяются под названием
экзосферы (внешней атмосферы).
• Воздух разрежен, скорости движения частиц газов – до
11,2 км/сек,
• некоторые частицы (преимущественно атомы водорода)
могут преодолеть силу тяжести, и вылететь из
атмосферы в мировое пространство, «ускользать»,
рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой
рассеяния.
• Водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг
Земли так называемую ЗЕМНУЮ КОРОНУ,
простирающуюся более чем до 20 000 км. Плотность
газа в земной короне ничтожно мала. На каждый
кубический сантиметр здесь приходится в среднем
всего около тысячи частиц.

50.

1. Определите относительную высоту холма, если
известно, что у подножия склона давление 1013,0
гПа, а на вершине 990,5 гПа, температура воздуха
16,4ºС.
2.Выполните приведение давления к уровню
моря, если известно, что давление в пункте А,
расположенном на высоте 400м над уровнем
моря, составляет 977 гПа, а температура 12,4 ºС.