Лекция №2 - Климат и жизнь | Climate and life
реклама
Лесная метеорология Тема №2 • Атмосфера Земли. • Состав и строение атмосферы • Атмосфера и лес (для самостоятельного изучения) Атмосферой называется газовая оболочка, окружающая земной шар. Газ, составляющий эту оболочку, называется воздухом Атмосфе́ра – термин происходит от греческого атмос- пар и сфера- шар). Внутренняя её поверхность покрывает земную поверхность(гидросферу и сушу). Внешняя- граничит с околоземной частью космического пространства. • Высота газовой оболочки Земли составляет более 2000 км. • Точно определить границу атмосферы трудно, так как переход от земной атмосферы к межпланетному пространству совершается плавно и на больших высотах плотность воздуха очень мала. У Земной поверхности плотность воздуха равна 2,7 х 10 19 мол/см3 . В пределах околоземного пространства до высоты 30 км находится около 99% всей массы атмосферного воздуха • до высоты 20 км находится около 95% всей массы атмосферного воздуха • до высоты 10 км находится около 75% всей массы атмосферного воздуха • до высоты 5 км находится около 50% всей массы атмосферного воздуха Масса атмосферы оценивается примерно в 5,15х1018 кг - это в миллион раз меньше массы Земли Воздух – это механическая смесь газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). Эти примеси называются аэрозолями. Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением водяного пара (H2O) и углекислого газа (CO2) Состав сухого воздуха Содержание газов в воздухе выражают в % от объема Постоянные Азот Кислород Аргон газ 78,08 20,94 0,932 Переменные Водяной пар Углекислый газ чистого сухого воздуха. 0,5-4 0,032 Неон 1,818×10−3 Гелий 4,6×10−4 Метан 1,7×10−4 Криптон 1,14×10−4 Водород 5×10−5 Ксенон 8,7×10−6 Закись азота 5×10−5 • Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO2 (диоксид серы), NH3 (Аммиак, нитрит водорода), СО (оксид углерода), озон, углеводороды, а также многие другие газы в незначительных количествах. Основные газы атмосферы Азот. 78% Образование большого количества азота обусловлено окислением аммиачноводородной атмосферы молекулярным кислородом, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. • Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы. • Азот в метеорологических процессах инертен. Основные газы атмосферы Кислород. 21% Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле растений, результате процесса фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. • По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Кислород обеспечивает дыхание, процессы горения, окисления и разложения органического вещества. • Источники инертных газов — аргона, гелия и криптона — вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом и атмосфера в частности обеднены инертными газами по сравнению с космосом. Считается, что причина этого заключена в непрерывной утечке газов в межпланетное пространство. • Углекислый газ 0,032% - поступает в атмосферу при дыхании живых организмов, в процессе биосинтеза и разложения органики. Содержание в атмосфере зависит также от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках. - Практически вся биомасса планеты (около 2,4×1012 тонн) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. - Регулирует содержание СО2 – океан: хорошо растворяется в воде. водяной пар 0,5-4 % • Кроме указанных газов в тропосфере сосредоточен почти весь водяной пар, находящийся в непрерывном кругообороте (испарение - конденсация и кристаллизация и облакообразование - осадки). • Содержание водяного пара изменяется от 0,5% до 4% при высоких температурах. • Большая часть его содержится в нижних слоях атмосферы и выше 15 км становиться ничтожно малым. В нижних слоях тропосферы множество различных примесей в виде мельчайших твердых и жидких частиц -АЭРОЗОЛЕЙ. • Аэрозольное загрязнение атмосферы обусловлено, как естественными причинами (извержение вулканов, пыльные бури, вынос капель морской воды и пыльцы растений и др.), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и т. п.). • Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу — одна из возможных причин изменений климата планеты. Строение атмосферы. Атмосфера разделяется по вертикали на слои. Такое разделение основано на физических свойствах атмосферы и характере их изменения по высоте. Давление и плотность воздуха с увеличением высоты во всех слоях атмосферы уменьшается. Слои в атмосфере выделяют по нескольким признакам, по 1. характеру изменения температуры с высотой 2. по признаку рассеяния газов 3. по степени ионизации воздуха 4. по характеру взаимодействия с земной поверхностью Т.е. есть 4 классификации атмосферы 1. Температурная по изменению с высотой: 1. тропосфера 2. стратосфер 3. мезосфера 4. термосфера Тропосфера Нижний, основной слой атмосферы. • • • • Основной признак – температура воздуха убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м Верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты процессы перемешивания, тепло и влагооборота. Средняя годовая температура на уровне тропопаузы -56 град. Цельсия Стратосфера • • • • Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное уменьшение температуры в слое выше тропопаузы с 11—15 км (нижний слой стратосферы) или (изотермия) в Стратосфере температура растет её в слое 20—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К ( 0° С), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. Озоновый слой 20 км-25 км прекращение падения температуры и повышение ее с высотой связано с возрастанием содержания озона, который поглощает ультрафиолетовую радиацию – и нагревает атмосферу и защищает все живое на Земле от губительных УФ излучений. О3 • Содержание озона в нижних слоях атмосферы (до высоты 10 км) ничтожно. • Набольшее содержание приходится на высоты 20 – 25 км. • Молекулы озона не встречаются на высотах более 60 км. • Максимум содержания озона приходится на весну, минимум - на осень, причем годовая амплитуда возрастает с широтой. • Слой озона (озоновый экран) задерживает большую часть космического излучения. Мезосфера • начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. • Мезопауза • Переходный слой между мезосферой и термосферой. • В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C). Термосфера • Верхний предел — около 800 км. Температура растёт до высот 200— 300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») 2 классификация: по признаку рассеяния газов Экзосфера (сфера рассеяния) • внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство. • На высоте около 2000—3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. • температура как и в термосфере очень высокая. 3. - по степени ионизации воздуха- ионосфера • На основании электрических свойств в атмосфере выделяют ионосферу. • - это часть термосферы, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца (УФР и рентгеновские лучи). • Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота и кислорода) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). • Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли. • простирается от 50-60 км до высоты 2000—3000 км. 4. - по характеру взаимодействия с земной поверхностью Пограничный слой атмосферы • слой трения, планетарный пограничный слой • прилегающий к земной поверхности слой воздуха, свойства которого из-за интенсивного турбулентного перемешивания определяются в основном термическим и динамическим воздействием подстилающей поверхности. • Толщина пограничного слоя от 300—400 м до 1—2 км; • она тем больше, чем больше шероховатость подстилающей поверхности и чем интенсивнее развита турбулентность, и поэтому увеличивается с усилением ветра и уменьшением термической устойчивости атмосферы. • Через пограничный слой осуществляется теплообмен и влагообмен между земной поверхностью и расположенной над ним свободной атмосферой. Приземный слой атмосферы ПРИЗЕМНЫЙ СЛОЙ АТМОСФЕРЫ – это нижняя часть пограничного слоя атмосферы от земной поверхности до высоты в несколько десятков метров. В приземном слое атмосферы наблюдается резкое изменение метеорологических элементов с высотой: вертикальные градиенты скорости ветра, температуры и влажности в десятки и сотни раз превышают соответствующие величины в вышележащих слоях, но уменьшаются по абсолютной величине с увеличением высоты. В нем обычно возникают приземные инверсии температуры, туманы, заморозки, скапливаются
