6 Заказ 34

Рис. 14. Вертикальный разрез атмосферы

,оп„ оасположена стратосфера, верхняя грани- ,1Я KoXoFHaxoteTPcH Рна высоте 50-55 км. Плотность и давле- з есь незначительны. Разреженный воздух состоит из тех жТгазов, что и в тропосфере, но в нем больше озона. Наиболь­шая концентрация озона наблюдается на высоте 15—30 км. Тем­пература в стратосфере повышается с высотой и на верхней гра­нице ее достигает 0°С и выше. 3'to объясняется тем, что озон по­глощает коротковолновую часть солнечной энергии, в результате чего воздух нагревается.

Над стратосферой лежит мезосфера, простирающаяся до вы­соты 80 км. В ней температура вновь понижается и достигает — —90°С. Плотность воздуха там в 200 раз меньше,„чем у поверх­ности Земли.

Выше мезосферы распространяется термосфера (ионосфера) (от 80 до 800 км). Температура в этом слое повышается: на высо­те 150 км —до +220°; 600 км —до +Т500°С. Газы атмосферы (азот и кислород) находятся в ионизированном состоянии. Под действием коротковолновой солнечной радиации отдельные элек­троны отрываются от оболочек атомов. В результате в ионосфере возникают слои заряженных частиц. Самый плотный их слой на­ходится на высоте 300—400 км. В связи с небольшой плотностью солнечные лучи не рассеиваются, поэтому небо черное, на нем ярко светят звезды и планеты.

В ионосфере возникают полярные сияния, образуются мощ­ные электрические токи, которые вызывают нарушения магнит­ного поля Земли.

Выше 800 км расположена внешняя оболочка — экзосфера. Скорость движения отдельных частиц в экзосфере приближает­ся к критической — 11,2 мм/с, поэтому частицы могут преодолеть земное притяжение и уйти в мировое пространство. Ученые пред­полагают наличие в этом слое атомов водорода.

Значение атмосферы в жизни нашей планеты исключительно велико. Без нее Земля была бы мертва. Атмосфера предохраняет поверхность Земли от сильного нагревания и охлаждения. Ее влияние можно уподобить роли стекла в парниках: пропускать солнечные лучи и препятствовать отдаче тепла.

Атмосфера предохраняет живые организмы от коротковолно­вой и корпускулярной радиации Солнца. Атмосфера — среда, где происходят погодные явления, с которыми связана вся человече­ская деятельность. Изучениё этой оболочки производится на ме­теорологических станциях. Днем и ночью, в любую погоду мете-' орологи ведут наблюдения за состоянием нижнего слоя атмос­феры. Четыре раза в сутки, а на многих станциях ежечасно из­меряют температуру, давление, влажность воздуха, отмечают облачность, направление и скорость ветра, количество осадков, электрические и звуковые явления в атмосфере. Метеорологиче­ские станции расположены всюду: в Антарктиде и во влажно- тропических лесах, на высоких горах и на необозримых просто-

pax тундры. Ведутся наблюдения и на океанах на специально по­строенных кораблях.

С 30-х годов текущего века начались наблюдения в свободной атмосфере. Стали запускать радиозонды, которые поднимаются на высоту 25—35 км и при помощи радиоаппаратуры передают на Землю сведения о температуре, давлении, влажности воздуха и скорости ветра. В наше время широко используются метеоро­логические ракеты и спутники. Последние имеют телевизионные установки, передающие изображение земной поверхности и об­лаков.

1961 год ознаменовался новыми успехами в изучении верх­них слоев атмосферы. 12 апреля первый космонавт мира Юрий Алексеевич Гагарин совершил космический полет вокруг Земли. С этих пор космические корабли и станции Дают верную карти­ну, процессов, Происходящих на больших высотах.

Вопросы и задание. 1. Каково значение атмосферы в жизни нашей пла­неты.'! 2. Каково практическое значение изучения атмосферы? 3. Нарисуйте схему строения атмосферы.

Источник тепла и света на Земле.

Нагревание атмосферы.

Распределение тепла на земной поверхности

Солнце является основным источником тепла и света на Зем­ле. Это огромный газовый шар с температурой на поверхности около 6000 К. Солнце излучает в пространство огромное количе­ство электромагнитных волн и корпускул. Одну двухмиллиард­ную долю этой материи получает Земля 5,71 • 1024 Дж в год. Солнечное тепло нагревает Землю, приводит в движение воздух, воду, образуя круговорот воды, создает условия для жизни ра­стений и животных.

Солнечная радиация измеряется в джоулях, на границе ат­мосферы 1 см2 поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, получает в 1 мин около 8 Дж. Эту величину назвали солнечной постоянной. Проходя через атмосферу, солнечная радиация ча­стично поглощается, частично рассеивается и отражается, умень­шается на 15—20%- Максимальная же интенсивность наблюда­ется при отвесном падении солнечных лучей. Если бы атмосферы не было, то каждый квадратный сантиметр Земли получал бы в год более 4,2-106 Дж от отвесно падающих солнечных лучей. Ввиду шарообразности Земли солнечные лучи падают на по­верхность ее под разными углами, поэтому каждый квадратный сантиметр земной поверхности в среднем получает по 1,092• • 106 Дж.

Зависимость интенсивности солнечной радиации от угла па­дения лучей выражается формулой 7i = /0-sin h, где /о—.интен­сивность солнечной радиации при отвесном падении лучей; /)—

0*

83

тропик

.Мурманск

Салехард'

Москва;

(Ташкент;

Члжир

Белен

Экватор

1уэнос-

СантьягЧ

та^яре«а£

Те

зем

мпература воздуха на уровне iofi поверхности, в градусах С -8- Изотермы выше 0° -8- Изотермы ниже 0Э 9 Абсолютные максимальные и з минимальные температуры

1

Рис. 15. Карта январских изотерм

■интенсивность радиации при падении солнечных лучей иод уг­лом h.

Итак, чем меньше угол падения лучей, тем меньше поступает солнечной энергии на поверхность Земли. Кроме того, поступление солнечной энергии зависит от продолжительности освещения и прозрачности воздуха. Общее количество солнечной энергии в летние месяцы у полярного круга примерно равно количеству ее на побережье Крыма.

Солнечная радиация может быть прямой и рассеянной. Пря­мая радиация представляет поток параллельных лучей, идущих непосредственно от Солнца. Рассеянная радиация поступает со всего небосвода. В умеренных широтах приходится примерно 50%'на рассеянную, в полярных доля ее увеличивается до 80%.

Прямая и рассеянная солнечная радиация вмес­те составляют суммарную (Q+«7=S). Систематиче­ские измерения потока суммарной радиации по­казали, что ее количество зависит прежде всего от широты места, т. е. от уг­ла падения солнечных лу­чей на поверхность Зем­ли. Так, Крайний Север нашей страны ^получает ежегодно 2,52 ■ 105 Дж/с.м2, лесная зона — 3,8-105 Дж/см2, степная — 5,ОХ Х105 Дж/см2, а пусты­ня — 6,7-105 Дж/см2. Мно­го ли это?

Рассмотрим для при­мера солнечную радиа­цию в лесостепной зоне, где 1 см2 получает в тече­ние года 4,2-105 Дж, т. е. 1 м2 —4,2-109 Дж. Соот­ветственно, 1 га в течение года получает 4,2-1013 Дж. Как видим, величина астрономическая. Сколь­ко же нужно затратить угля, чтобы получить столько энергии? При сжигании 1 т угля полу­чают 2,9-107 Дж. 4,2Х X1013 : 2,9 -107= 1 448 200 т. Значит, чтобы получать на 1 га столько тепла, сколько дает Солнце, нужно сжигать в год почти 1 450 ООО т угля.

От чего зависит распределение температуры воздуха над по­верхностью Земли?

Как уже отмечалось, поступление солнечной радиации зави­сит от широты места. Экваториальные и тропические области получают от Солнца тепла больше, чем умеренные" и полярные. Очевидно, распределение температуры воздуха зависит прежде всего от широты места. Больше всего тепла получает экватори­альная область.

г

Вторым важным фактором является распределение суши и воды. Вода — теплоемкое тело. Для нагревания' ее требуется в два раза больше тепла, чем для такого же объема горной поро-

'рманск

'Салехард.

оМосква

Париж-'

Белек

тропик

Экватор

Лима'

Кейптаун

Сантъято!

Буэнос-Айрес^

-Аре нас

Температура воздуха на уровне - земной поверхности,в градусах С ——8— Изотермы выше 0° ——в— Изотермы ниже 0° . 46 Абсолютные максимальные и -21 минимальные температуры

Рис. 16. Карта июльских изотерм

ды. Вода медленно нагревается, но так же медленно остывает, поэтому океаны экваториальных и тропических широт являют­ся как-бы природными аккумуляторами тепла на Земле. В проти­воположность воде суша быстро нагревается и быстро осты­вает. Над океанами наблюдается более плавный ход как суточ­ных, так и годовых температур, а над сушей — более резкий.

Влияние океана и суши можно иллюстрировать следующими данными: разница (амплитуда) между самым теплым и холод­ным месяцами для Лондона составляет 14°, Москвы — 28°, Свер­дловска — 33°, Якутска — 62°. , ~

Большое влияние на распределение тепла оказывают морские течения.

Теплые течения способствуют повышению температуры, хо­лодные — понижению ее. Так, воды северной части Атланти-

полярнь^

86

ческого океана у берегов Европы никогда не за­мерзают и на берегах Скандинавского полуост­рова растут леса, тогда как в этих же широтах на полуострове Лабрадор простирается тундра.

«Холодильниками» Зе­мли являются Арктика и Антарктика. Здесь скап­ливается холодный воз­дух и затем стекает в умеренные широты, при­нося похолодания.

Кроме того, темпера­тура воздуха зависит от высоты места над уров­нем моря. На каждые 100 м подъема темпера­тура в среднем понижает­ся на 0,6°, вот почему на высоких горах снег не стаивает даже летом и здесь образуются ледни­ки. 'Средняя температура июля в тундре и на крайнем юге нашей стра­ны — на Памире, возвы­шающемся на 4—5 км над уровнем моря, при­мерно одинакова.

Итак, распределение температуры воздуха над поверхностью Земли за­висит от широты места, распределения суши и воды, морских течений, скопления льдов и от высоты места над уровнем моря. Наглядно распределение тепла на земной поверхности можно проследить по картам изотерм. Изотермы — линии, соединяю­щие места с одинаковой средней температурой. В учебной прак­тике пользуются картами изотерм июля — самого теплого ме­сяца для северного полушария и картами изотерм января — самого холодного месяца (см. карты изотерм, рис. 15, 16).

Если бы распределение тепла зависело только от широты ме­ста, то направления изотерм были бы параллельны экватору.

На карте январских изотерм изгибы их в отдельных местах имеют форму замкнутых кривых. Так, в пределах Восточной Си­бири изображены замкнутые изотермы: в центре —48°С, а далее

'рманск

оМосква

Париж-'

(Ташкент^

тропик

Экватор

Лима11

^Претория

Кейптаун

Сантьяго!

^Буэнос-Лйрес

Аренас

Температура воздуха на уровне . земной поверхности, в градусах С —8— Изотермы выше 0° ——8— Изотермы ниже О' . 46 Абсолютные максимальные и

Рис. 16. Карта июльских изотерм

ды. Вода медленно нагревается, но так же медленно остывает, поэтому океаны экваториальных и тропических широт являют­ся как бы природными аккумуляторами тепла на Земле. В проти­воположность воде суша быстро нагревается -и быстро осты­вает. Над океанами наблюдается более плавный ход как суточ­ных, так и годовых температур, а над сушей — более резкий.

Влияние океана и суши можно иллюстрировать следующими данными: разница (амплитуда) между самым теплым и холод­ным месяцами для Лондона составляет 14°, Москвы — 28°, Свер­дловска — 33°, Якутска — 62°.

Большое влияние На распределение тепла оказывают морские течения.

Теплые течения способствуют повышению температуры, хо­лодные — понижению ее. Так, воды северной части Атланти-

попяри

86

ческого океана у берегов Европы никогда не за­мерзают и на берегах Скандинавского полуост­рова растут леса, тогда как в этих же широтах на полуострове Лабрадор простирается тундра.

«Холодильниками» Зе­мли являются Арктика и Антарктика. Здесь скап­ливается холодный воз­дух и затем стекает в умеренные широты, при­нося похолодания.

Кроме того, темпера­тура воздуха зависит от высоты места над уров­нем моря. На каждые 100 м подъема темпера­тура в среднем понижает­ся на 0,6°, вот почему на высоких горах снег не стаивает даже летом и здесь образуются ледни­ки. Средняя температура июля в тундре и на крайнем юге нашей стра­ны — на Памире, возвы­шающемся на 4—5 км

над уровнем моря, при-

~ ~ мерно одинакова.

Итак, распределение температуры воздуха над поверхностью Земли за­висит от широты места, распределения суши и воды, морских течений, скопления льдов и от высоты места над уровнем моря. Наглядно распределение тепла на земной поверхности можно проследить по картам изотерм. Изотермы — линии, соединяю­щие места с одинаковой средней температурой. В учебной прак­тике пользуются картами изотерм июля — самого теплого ме­сяца для северного полушария и картами изотерм января — самого холодного месяца (см. карты изотерм, рис. 15, 16).

Если бы распределение тепла зависело только от широты ме­ста, то направления изотерм были бы параллельны экватору.

На карте январских изотерм изгибы их в отдельных местах имеют форму замкнутых кривых. Так, в пределах Восточной Си­бири изображены замкнутые изотермы: в центре —48°С, а далее

—40°, —32°С. Это самые холодные места в северном полушарии. Далее обратите внимание на изгибы изотерм над океанами (се­вер Атлантического и Тихого океанов), обращенные в сторону Северного полюса. А над материками их изгибы направлены в сторону экватора. Океаны зимой теплее, чем материки, поэтому изгибы изотерм направлены над океанами к полюсу. Материки же зимой сильнее охлаждаются, температуры воздуха над ними ниже, поэтому изгибы материковых изотерм направлены к эк­ватору.

В южном полушарии ход изотерм более плавный, так как под­стилающая поверхность здесь однородна. Это в основном океан. Самые высокие температуры наблюдаются в январе на матери­ках в Австралии, Южной Африке (изотерма +3р°). Это самые теплые места для южного полушария.

Июльские изотермы показывают распределение тепла для самого теплого месяца в северном полушарии и холодного — для южного полушария. Замкнутые изотермы +30 и +32°С ограни­чивают Северную Африку, Аравийский полуостров и Централь­ную Азию. На территории нашей страны самые высокие темпе­ратуры наблюдаются в Средней Азии. Здесь проходят изотермы июля +30 и +32°С. По средней части СССР проходит изотерма + 20ЬС. Изотерма +10°С совпадает с южной границей тундры.

Июльские изотермы имеют обратные изгибы по сравнению с январскими. Океаны в июле холоднее, чем материки, поэтому изгибы июльских изотерм над океанами направлены к экватору, а над более теплыми материками — к полюсу.

Вопрос и задания. 1. Проведите через каждый час наблюдения за тем­пературой воздуха днем в ясную и пасмурную погоду. Составьте графики хода температуры, сделайте их анализ. 2. Температура воздуха на аэродроме +20°С. Самолет летит на высоте 10 ООО м. Какова температура воздуха на этой высоте? 3. Объясните зависимость температуры воздуха от высоты Сол­нца над линией горизонта в теченне суток и в течение года. 4. Вычислите го­довую амплитуду температуры для вашей местности. 5. По климатической карте мира вычертите график изменения годовой амплитуды температур по 50° с. ш. на материке Евразия. 6. По картам изотерм июля и января опре­делите самые жаркие и самые холодные места на Земле. Объясните, почему именно в этих местах наблюдаются самые низкие и самые высокие темпера­туры. 7. Проследите ход изотермы 0°С в январе. Объясните, как вы это пони­маете.

Давление воздуха

Долгое время считали воздух невесомым. Такой взгляд под­держивала религия. И только в начале XVII в. итальянский уче­ный Галилей доказал, что воздух имеет вес. Он проделал про­стой опыт. Взвесил пустую бутылку, а затем нагр'ел ее и вновь взвесил. После нагревания бутылка стала легче. Это явление Галилей объяснил тем, что при нагревании бутылки воздух рас­ширился и часть его вышла, поэтому вес бутылки уменьшился.

Но если воздух имеет вес," он должен оказывать давление на

все предметы, находящиеся на поверхности Земли. Оказалось, что на уровне моря 1 м3 воздуха весит 1,3 кг. Из этого сделали вывод, что атмосфера давит на 1 м⁵ с силой 9,8-104 Н.

За давлением воздуха и его изменением ведутся системати­ческие наблюдения. Прибор, при помощи которого определяют давление, называется ртутным барометром; кроме ртутного, ис­пользуют другой барометр — пружинный, который называется анероидом. Кроме этих приборов, имеется барограф, который за­писывает изменения давления. Давление измеряется в паскалях (Па) Вес ртутного столба высотой 760 мм при поперечном се­чении 1 см2 равен 1013 гПа. Нормальным считают давление на уровне моря на широте 45°, равное 1013 гПа, или 760 мм ртутно­го столба, или 1 атм.

В связи с тем что столб атмосферы с высотой уменьшается, уменьшается и давление. В среднем на каждые 8 м подъема дав­ление понижается на 1 гПа (эту величину называют баромет­рической ступенью). Человек в своей практической деятельности широко использует эти данные. Например, если нужно опреде­лить высоту горы, то можно взять отсчеты давления по баромет­ру у подошвы и на вершине горы, затем вычислить разницу в по- ■ казаниях барометра и умножить ее на 8 м. Полученный резуль­тат — приблизительная высота горы. Например, давление у по­дошвы горы 1000 гПа, на вершине 800 гПа. Разница 200 гПа, следовательно, высота горы 1600 м.

Итак, с высотой давление уменьшается. А изменяется ли оно в пределах одной высоты? Наблюдения на метеорологических станциях показывают, что давление постоянно изменяется: то повышается, то понижается. Эти изменения регистрирует баро­граф на ленте. Причиной непериодических изменений давления является плотность воздушной массы, приходящей в данное ме­сто. Более плотная воздушная масса вызывает повышение дав- ' ления, менее плотная — понижение.

Неравномерное распределение давления на поверхности Земли приводит к движению воздуха, т. е. к образованию ветра. Чем больше разница в давлении на единицу расстояния, тем сильнее ветер.

Как же распределяется атмосферное давление на поверхности Земли?

Известно, что метеорологические станции находятся на раз­ной высоте, поэтому показания их приводят к уровню моря. Все данные наносят на карту, а затем места с одинаковым давлением соединяют линиями, которые называют изобарами. В результа­те образуются замкнутые кривые, изображающие области повы­шенного и пониженного давления. Для установления закономер-

Ы'пиЪ

Экватор

южно-->

ти»мкин««»

J МАКСИМУМ^

Юж^гропик

ЮЖНО-АТЛАНТИЧЕШИ

I Максимум'

I i г, 5 4—1 J

Рис. 17. Карта июльских изобар

Изобары

юоо Давление на уровне моря,в гек Направление преобладающего

Шш

йР'МсййСи

M

A

сГ -^w

SstjpoЯ.

ESEPO^

f ^ШНТИЧЕСКИЙ!

/ C(#> J/

«о-яндийский МАКСИМУМ Ъ

ностей в распределении давления- составляют- карты июльских и январских изобар (рис. 17, 18).

На картах изобар можно заметить, что в области экватора в январе и в июле наблюдается пониженное давление (меньше 1013 гПа), а в тропических областях, особенно над океанами,— повышенное давление; в умеренных широтах давление понижа­ется, а в полярных — повышается. Это основная закономерность в распределении давления на поверхности.

Карта позволяет обнаружить и'другую закономерность: над материками в январе (в северном полушарии) наблюдается по­вышенное давление, а в июле — пониженное. Такое изменение давления над материками объясняется тем, что зимой материк сильно охлаждается, охлаждается it воздух, который при этом

уплотняется. Уплотне­ние вызывает приток воздуха извне из верх­них слоев атмосферы над океаном. Это при­водит к увеличению массы воздуха над ма­териком — давление -по­вышается. В июле (ле­том) картина обратная. Материк сильно нагре­вается, прогревается и воздух над ним. Про­гретый воздух подни­мается вверх, а там растекается к океанам. Масса воздуха над ма­териком становится меньше, давление по­нижается. Области по­вышенного и понижен­ного давления называ­ют центрами действия атмосферы. Они подра­зделяются на постоян­ные и сезонные. К по­стоянным центрам дей­ствия атмосферы отно­сятся экваториальная область пониженного давления, субтропиче­ские максимумы (Се­веро-Атлантический — Азорский, Северо-Тихо- океанский — Гавай­ский, Южно-Атлантический, Южно-Индийский, Южно-Тихооке­анский), субполярные области над океаном (Исландский мини­мум), полярные максимумы. К сезонным относятся зимние мак­симумы (Азиатский и Северо-Американский) и летние минимумы (Южно-Азиатский, Северо-Американский) над материками.