Текст книги "География на пальцах"

Глава 7
Атмосфера

Состав и строение атмосферы

Атмосферой называют газовую оболочку нашей планеты. Наука, изучающая атмосферу Земли и происходящие в ней процессы, называется метеорологией.

Атмосфера удерживается около Земли благодаря силе тяжести. Вместе с Землей атмосфера принимает участие в суточном и годовом вращении.

Масса атмосферы составляет одну миллионную долю массы земного шара и примерно равна 5,3 х 10¹⁵ тонн.

Атмосферный воздух представляет собой механическую смесь[28]28
  Компоненты механической смеси не вступают в химические реакции друг с другом с образованием соединений.


[Закрыть] газов, водяного пара и примесей. Состав воздуха изменяется с ростом высоты. По мере удаления от земной поверхности действие силы тяжести ослабевает и концентрация газов в воздухе понижается, атмосфера становится разреженной.

На высоте до 100 км состав воздуха таков: 78,09 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03 % углекислого газа и 0,01 % всех остальных газов: водорода, гелия, водяного пара, озона.

Процентное соотношение количества газов, составляющихе воздух, довольно постоянно. Исключение составляет углекислый газ, содержание которого постоянно возрастает в результате деятельности человека. Такие процессы, как сжигание нефти, газа и угля в сочетании с вырубкой лесов[29]29
  Вспомните из курса ботаники о том, что растения в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород.


[Закрыть], приводят к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере. Углекислый газ вместе с водяным паром, метаном и озоном относится к так называемым парниковым газам, которые обладают способностью задерживать тепловое излучение Земли. Можно сравнить парниковые газы с «утеплителем» нашей планеты. Таким образом, увеличение содержания в атмосфере углекислого газа способствует повышению температуры воздуха на Земле (парниковый эффект).

Вы уже знаете, что основная масса озона (трехатомного кислорода) сосредоточена на высоте 25–35 км, где образуется озоновый экран – слой озона, поглощающий губительную для всего живого на Земле коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. В нижнем слое атмосферы озона очень мало, потому что в обычных условиях озон является нестойким и сразу же распадается на «обычный» двухатомный кислород.

Атмосферная вода находится в воздухе в виде водяного пара, но также может находиться в виде взвешенных продуктов конденсации – капель или ледяных кристаллов. Кроме водяных капель и ледяных кристаллов в нижних слоях атмосферы могут находиться другие примеси в виде жидких и твердых частиц – пыль, сажа, вулканический пепел, кристаллы морской соли и т. п. На количество и качество находящихся в воздухе атмосферных примесей влияют как географические процессы (извержения вулканов, пыльные бури), так и характер земной поверхности и наличие на ней поселений. Над океаном в воздухе будет находиться большое количество водяных капель и кристаллов соли, а над пустынями – большое количество пыли.

Наличие атмосферы имеет большое значение для нашей планеты. Прежде всего атмосфера является условием существования органической жизни. Атмосфера препятствует чрезмерным суточным колебаниям температур уменьшая днем нагревание земной поверхности, а ночью – охлаждение. Атмосфера защищает Землю не только от губительной части солнечного излучения, но и от падения на ее поверхность большинства твердых тел космического происхождения, которые сгорают в плотных слоях атмосферы. Также атмосфера вместе с другими оболочками нашей планеты участвует в перераспределении тепла и влаги на земной поверхности.

Атмосферу Земли разделяют на три основных слоя – тропосферу, стратосферу и ионосферу. Ионосфера, в свою очередь, делится на мезосферу и термосферу. Выше ионосферы находится экзосфера – внешняя часть верхней атмосферы Земли, которая постепенно переходит в космическое пространство (то есть, резко обозначенной верхней границы атмосфера не имеет).

Тропосфера представляет собой нижний слой атмосферы, высота (или как еще говорят – мощность) которой доходит до 8 км над полюсами и примерно до 18 км над экватором.

Тропосфера, как самый близкий к земной поверхности слой атмосферы, содержит 80–90 % массы всей атмосферы нашей планеты и почти весь водяной пар. Температура тропосферы с увеличением высоты понижается (на 6 °C на на каждый километр подъема). В тропосфере в основном формируется погода, возникают циклоны и антициклоны[30]30
  Циклоном называется восходящий (направленный вверх) атмосферный вихрь, сформированный в области низкого атмосферного давления. Антициклон представляет собой противоположность циклону – это нисходящий атмосферный вихрь. Более подробно о циклонах и антициклонах будет сказано в главе седьмой «Атмосфера».


[Закрыть], образуются облака, осадки, туманы, ветры. Ветры представляют собой горизонтальные перемещения атмосферного воздуха. Вертикальные перемещения воздуха, как уже говорилось выше, называются конвекцией.

Тропосферу можно назвать самым важным слоем атмосферы. Ее изучению географы уделяют особое внимание.

Переходный слой от тропосферы к стратосфере называется тропопаузой. Для тропопаузы характерны высокая разреженность воздуха и низкие температуры – до –60 °C над полюсами и до –80 °C над тропиками. Казалось бы, что должно быть наоборот – более низкая температура воздуха над холодными полюсами, а более высокая над жаркими тропиками. Но этот «парадокс» объясняется более высоким положением тропопаузы над тропиками, а также тем, что мощные потоки воздуха отделяют низкую теплую полярную тропопаузу от холодной высокой тропической. Если бы это разграничение отсутствовало, разница температур не была бы столь резко выражена.

В тропопаузе температура воздуха перестает понижаться с увеличением высоты, а далее, в стратосфере, температура воздуха с увеличением высоты возрастает.

Стратосфера расположена над тропосферой и простирается до высоты 50–55 км. Здесь находится озоновый экран (слой). От границы с тропосферой до озонового слоя, то есть до высоты 25–30 км, температура воздуха изменяется мало. Можно сказать, что она остается постоянной и составляет примерно –80 °C над экватором. Выше 30 км температура стратосферы начинает возрастать с увеличением высоты и на верхней границе ее доходит до +50 – +60 °C.

Современные сверхзвуковые самолеты летают в стратосфере на высотах до 20 км. Высотные метеозонды – беспилотные аэростаты, предназначенные для изучения атмосферы, могут подниматься выше озонового слоя на высоты до 40 км (рекордным был подъем японского метеозонда на высоту 53,7 км в 2013 году).

Ионосфера представляет собой верхний, самый разреженный слой атмосферы Земли, состоящий из ионизированных[31]31
  Ионизация представляет собой процесс образования заряженных частиц – ионов из нейтральных атомов или молекул.


[Закрыть] газов. Из-за высокого содержания свободных электронов ионосфера способна отражать короткие радиоволны. Благодаря этому свойству ионосферы на нашей планете возможна дальняя радиосвязь (в результате многократного отражения от ионосферы и земной поверхности радиоволны распространяются на любые расстояния, несмотря на кривизну земной поверхности).

Ионосферу разделяют на две оболочки. Нижняя оболочка – мезосфера – простирается до высоты 80–85 км. Температура в мезосфере с увеличением высоты понижается и у верхней ее границы равна –70–80 °C. В верхней оболочке – термосфере, которая простирается до высоты примерно в 300 км, температура повышается до +1500 – +2000 °C и остается высокой до экзосферы, внешней части верхней атмосферы Земли, которая начинается на высоте в 500 – 1000 км[32]32
  Высота, на которой начинается экзосфера, зависит от солнечной активности. При высокой солнечной активности пороговая высота экзосферы возрастает потому что увеличивается толщина термосферы.


[Закрыть]. В экзосфере температура снова понижается и постепенно доходит до космической, которая равна примерно –270 °C.

Условно считается, что атмосфера Земли простирается до высоты в 3000 км, а дальше уже простирается космическое пространство.

Температура воздуха. Нагрев атмосферы

Температура воздуха – одна из основных характеристик погоды, широко употребляемая и хорошо изученная. Температуру воздуха измеряют в тени на высоте 2 м от земной поверхности. Для измерения температуры используют термометры. Географы оперируют понятиями среднесуточной, среднемесячной и среднегодовой температуры. На географических картах распределение температур изображают изотермами – линиями, соединяющими точки с одинаковой температурой. Обычно используются понятия изотермы июля и изотермы января, то есть изотермы самого жаркого и самого холодного месяцев.

Атмосферный воздух нагревается посредством теплообмена с земной поверхностью, которая, в свою очередь, нагревается электромагнитным излучением Солнца, называемым солнечной радиацией.

Солнце нагревает земную поверхность, а от нее нагревается воздух.

Земля получает всего лишь одну двухмиллиардную часть солнечной радиации.

Различают три типа солнечной радиации – прямую, рассеянную и суммарную.

Прямой радиацией называется солнечное излучение, которое беспрепятственно доходит до поверхности Земли в виде прямых солнечных лучей в ясный день (то есть – при безоблачном небе). На долю прямой радиации приходится до 80 % поступающего к Земле солнечного тепла.

Рассеянной радиацией называется солнечное излучение, которое рассеивается в атмосфере нашей планеты. Воздух отражает и преломляет солнечные лучи. В пасмурную погоду рассеянная солнечная радиация является единственным источником солнечной энергии, поступающей к поверхности Земли.

Совокупность прямой и рассеянной радиации, поступающей на поверхность Земли, называют суммарной радиацией. Величина суммарной солнечной радиации зависит от угла падения солнечных лучей, то есть – от географической широты и от продолжительности освещения. Выше уже говорилось о том, что угол падения солнечных лучей для нагревания земной поверхности важнее продолжительности светового дня.

Также на количество солнечной радиации влияет прозрачность атмосферы. Чем больше в году ясных дней, тем больше прямой солнечной радиации получает земная поверхность и тем сильнее она будет нагреваться.

Обратите внимание! Самыми жаркими территориями на нашей планете являются области тропических пустынь, расположенных выше экватора (например – пустыня Сахара). На первый взгляд это может показаться удивительным. На экваторе должно быть жарче всего, ведь там солнечные лучи падают на земную поверхность под прямым углом. Но дело не только в угле падения солнечных лучей, но и в прозрачности атмосферы. В тропических пустынях климат континентальный, конвекции то есть – облаков практически нет и практически вся получаемая там солнечная радиация является прямой. Вдобавок, поверхность пустынь очень слабо отражает солнечные лучи, то есть – почти вся солнечная радиация, дошедшая до земной поверхности, поглощается ею и нагревает ее. На экваторе же из-за влажного климата высокая облачность, а кроме того, растительный покров экваториальной зоны отражает до 20 % солнечных лучей.

Радиация, отраженная от поверхности земли, воды или облаков, называется отраженной. Отраженная радиация не нагревает поверхность.

Так, например, у полюсов в дни солнцестояний (у Северного – 22 июня, а у Южного – 22 декабря) суммарная солнечная радиация больше, чем на экваторе, но поверхность земли на полюсах в эти дни практически не нагревается, потому что белая поверхность снега и льда отражает до 90 % солнечных лучей.

Отражающая способности объекта называется альбедо. Альбедо представляет собой отношение отраженной радиации к суммарной и выражается в долях или процентах. Альбедо свежевыпавшего снега может превышать 90 %. Альбедо облаков доходит до 80 %. А вот альбедо водной поверхности зависит от угла падения солнечных лучей – чем острее угол, тем больше света отражает вода. Разница получаестя огромной. Если в полдень на экваторе водная поверхность отражает всего 10 %, то в полярных районах – до 90 %. Средняя величина альбедо всей Земли составляет около 40 %.

Поглощенная радиация, которая нагревает земную поверхность, рассчитывается как разность суммарной и отраженной радиации.

Поскольку воздух нагревается от земной поверхности, то его температура зависит не только от широты, продолжительности освещения и характера земной поверхности, но и абсолютной высоты над уровнем океана. Вспомните, что в тропосфере температура понижается на 6 °C с каждым километром высоты.

Распределение суши и воды также влияет на температуру воздуха. Поскольку теплоемкость воды намного больше теплоемкости суши (земли, песка, камней и пр.), то суша быстро нагревается и быстро остывает, а вода нагревается медленно, но и сохраняет дольше тепло. Поэтому воздух над сушей днем теплее, чем над водой, а ночью холоднее. По той же причине на прибрежных территориях лето прохладнее, чем на тех же широтах, но вдали от берегов, а зима теплее.

Вода сохраняет высокую теплоемкость в любом агрегатном состоянии. Сухой воздух нагревается и остывает быстрее, чем влажный. Если на территорию, удаленную от берега моря, приходит влажный морской воздух, то резких суточных перепадов температуры не будет. Приход же сухого воздуха из центра материка на побережье приведет к резким перепадам.

Максимальная температура воздуха, зарегистрированная на нашей планете составляет 56,7 °C (Долина Смерти, Калифорния, США), а минимальная —89,2 °C (станция «Восток» в Антарктиде).

Зональное изменение температуры воздуха (изменение по широте) выражется в виде семи широтных тепловых поясов – один жаркий или тропический, два умеренных и два холодных и два морозных или полярных. Широтные пояса сменяются от экватора к полюсам.

Жаркий пояс расположен по обе стороны от экватора и ограничен среднегодовыми изотермами +20 °C. Эта область Земли получает больше всего солнечного тепла. В течение всего года здесь жарко, снег никогда не выпадает на равнинах, среднегодовая температура не опускается ниже +20 °C.

Умеренные пояса отделены от жаркого пояса среднегодовой изотермой +20 °C, а от холодных поясов – летней изотермой +10 °C. Средняя температура самого теплого месяца не опускается здесь ниже +10 °C.

Холодные тепловые пояса расположены между летними изотермами +10 °C и 0 °C. Средняя температура самого теплого месяца здесь ниже +10 °C.

Морозные тепловые пояса расположены в полярных широтах, внутри летней изотермы 0 °C.

Изменения температуры воздуха отмечаются и по долготе, с запада на восток, на одних и тех же широтах. Температуры воздуха внутри одного пояса могут сильно различаться. Так, например, средняя температура января в Братске составляет около –21 °C, а средняя температура января в городе Глазго, расположенном примерно на той же широте, составляет +4º °С. Основной причиной столь неравномерного нагрева воздуха является чередование суши и воды, материков и океанов. Летом над материками, особенно вдали от берегов, воздух прогревается сильнее, а зимой сильнее остывает.

Обратите внимание! Средние значения температур воздуха в Северном полушарии несколько выше, чем в Южном при равном удалении от экватора. Изотерма наибольших среднегодовых температур Земли, называемая термическим экватором, расположена примерно на 10° северной широты, а не над географическим экватором.

Причин тому три.

Во-первых, площадь суши Северного полушария вдвое больше, чем суши Южного полушария.

Во-вторых, весна и лето (вместе) в Северном полушарии на неделю длиннее, чем в Южном. Это вызвано изменениями скорости движения Земли по орбите в течение года, которые обусловлены эллиптическим характером орбиты и законами движения. Земля находится в ближайшей к Солнцу точке орбиты примерно 2 января. В это время Земля движется быстрее, чем в середине года. Поэтому осень и зима в Северном полушарии короче, чем весна и лето, а в Южном, соответственно, длиннее.

В-третьих, в Южном полушарии расположен такой мощный «холодильник», как Антарктида.

Атмосферное давление

Воздух имеет массу, пусть и небольшую. Масса 1 л воздуха на уровне моря равна 1,3 г. Но огромный объем земной атмосферы приводит к тому, что на каждый квадратный сантиметр земной поверхности атмосфера давит с силой, равной 1 кг! Это среднее давление воздуха над уровнем океана у широты 45° при температуре 0 °C принято за нормальное давление. Оно соответствует весу ртутного столбика высотой 760 мм и сечением 1 см². Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) является внесистемной единицей измерения давления.

С увеличением высоты атмосферное давление уменьшается потому что чем выше расположена точка, тем меньшей высоты воздушный столб давит на нее. Кроме этого с увеличением высоты воздух разрежается, становится легче и его давление понижается.

Воздух также разрежается и с повышением температуры. Чем сильнее нагрет воздух, тем ниже атмосферное давление.

Географическая широта также влияет на величину атмосферного давления, поскольку она определяет толщину, а следовательно и массу тропосферы. Чем больше масса воздуха, тем выше атмосферное давление. Давайте вспомним, что тропосфера толще всего над экватором. Казалось бы, что на экваторе атмосферное давление должно быть выше, чем на полюсах. Но, с другой стороны, воздух на экваторе сильно нагревается, становится разреженным, относительно легким, а это способствует понижению давления. Также на величину атмосферного давления влияет направление вертикального движения воздуха. При опускании воздуха атмосферное давление у земной поверхности возрастает, а при подъеме воздуха – понижается. На экваторе преобладают восходящие потоки теплого воздуха, нагревшиеся от земной поверхности. В верхней тропосфере эти потоки оттекают в сторону полюсов (полярных широт), где опускаются и образуют области повышенного давления.

В результате возле экватора находится пояс (область) постоянно низкого атмосферного давления, а в районах полюсов – постоянно высокого.

Подобно температуре атмосферное давление изменяется по широте и высоте. По широте оно изменяется зонально и азонально, то есть – вне связи с широтой, неравномерно.

По широтам земная поверхность делится на семь широтных поясов атмосферного давления, которые называются барическими[33]33
  «Барический» означает «относящийся к атмосферному давлению». Это слово происходит от греческого «барос» – «тяжесть».


[Закрыть] поясами – один экваториальный, два тропических, два умеренных и два полярных.

Экваториальный пояс низкого атмосферного давления расположен по обе стороны экватора между 10° северной и 10° южной широты.

Тропические пояса высокого атмосферного давления расположены между 10° и 30° -40° северной и южной широты.

Умеренные пояса низкого атмосферного давления расположены между 30° – 40° и 60° – 70° северной и южной широты.

Полярные пояса высокого атмосферного давления лежат выше 60° – 70° северной и южной широты, то есть практически внутри полярных кругов.

Границы поясов атмосферного давления очерчены нечетко, поскольку в зависимости от времени года они несколько смещаются к северу или к югу.

Почему пояса высокого и низкого атмосферного давления чередуются? Почему не происходит постепенного повышения атмосферного давления при движении от экватора к полюсам?

Дело в особенностях движения воздуха.

На экваторе земная поверхность сильно нагревается и передает много тепла воздуху. Воздух расширяется и поднимается вверх, ввиду чего атмосферное давление понижается и образуется экваториальный пояс низкого давления.

По мере подъема, теплый воздух остывает. У верхней границы тропосферы экваториальные воздушные массы движутся на север и на юг. В области 30-ых параллелей они опускаются вниз, образуя тропические пояса высокого атмосферного давления.

Опустившийся воздух быстро нагревается. Благодаря этому в тропиках наблюдается «парадоксальное» сочетание высоких температур с высоким атмосферным давлением.

На полюсах, в зонах низких температур, холодный воздух опускается к земной поверхности, образуя полярные пояса высокого давления. Отсюда воздух движется к более теплым умеренным широтам, причем движение это происходит близ земной поверхности, в нижней части тропосферы.

В умеренных широтах холодный полярный воздух нагревается, расширяется и поднимается вверх, образуя пояса низкого атмосферного давления. Поднявшись до верхней границы тропосферы, воздушные массы возвращаются к полюсам, где остывают и опускаются к земной поверхности.

Обратите внимание! Пояс низкого атмосферного давления Северного полушария существует только летом! Зимой вследствие резкого понижения температуры воздуха атмосферное давление над материками Северного полушария сильно повышается и пояс низкого давления сохраняется только над океанами в виде двух замкнутых областей пониженного давления – Исландского и Алеутского минимумов. Центр Исландского минимума находится вблизи острова Исландия, а центр Алеутского – близ Алеутских островов Тихого океана. Над материками Северного полушария, напротив, формируются зимние максимумы (области повышенного давления) – Азиатский и Северо-Американский.

Летом пояс пониженного атмосферного давления в умеренных широтах Северного полушария восстанавливается. Над Азией формируется огромная область пониженного атмосферного давления с центром в тропических широтах – Азиатский минимум или Азиатский антициклон.

Над океанами в тропических широтах в течение всего года существуют максимумы, также называемые циклонами – Северо-Атлантический (Азорский), Северо-Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Южно-Индийский. Это обусловлено тем, что океаны в тропиках всегда нагреты слабее, чем, материки и давление над ними выше.

Существование максимумов и минимумов на одних и тех же широтах является примером азонального изменения атмосферного давления. Наличие поясов и областей разного атмосферного давления оказывает значительное влияние на воздушные течения, погоду и климат.

На картах распределение атмосферного давления по земной поверхности показывают линиями, соединяющими точки с одинаковым давлением. Эти линии называются изобарами. Чаще всего на картах указывают изобары января и июля, месяцев с максимальным и минимальным атмосферным давлением.

Атмосферное давление непрерывно изменяется и основной причиной этих изменений является изменение температуры воздуха. Измеряют атмосферное давление при помощи специальных приборов – барометров. Первые барометры были ртутными и представляли собой открытую емкость с ртутью (тарелку) в которую отверстием вниз была опущена пробирка. Когда атмосферное давление повышалось и сильнее давило на ртуть в тарелке, уровень ртути в пробирке поднимался, когда же давление понижалось, то уровень ртути в пробирке опускался.

Ртутные барометры были неудобными в использовании. Со временем их заменили барометры-анероиды[34]34
  «Анероид» переводится с греческого как «безводный», то есть в данном узком значении – «безжидкостный».


[Закрыть]. Барометр-анероид состоит из герметически замкнутой полой тонкостенной коробки, внутри которой создано отрицательное давление воздуха (то есть – воздух разрежен). При изменении атмосферного давления стенки коробки вдавливаются или выпячиваются. Эти колебания передаются на связанную с коробкой стрелку, которая перемещается по шкале.

Как уже было сказано, атмосферное давление понижается с увеличением высоты. Расстояние по вертикали, на котором атмосферное давление уменьшается на 1 мм рт. ст., называется барической ступенью. В нижних слоях тропосферы до высоты в 1 км барическая ступень равна 10 м. Выше 1 км барическая ступень удлиняется, поскольку по мере увеличения высоты скорость понижения атмосферного давления замедляется.

Атмосферное давление изменяется не только в вертикальном, но и горизонтальном направлении. Существует показатель, характеризующий изменение атмосферного давления в пространстве (по вертикали и горизонтали), который называется барическим градиентом.

Барический градиент представляет собой вектор, то есть математическую величину, характеризующаяся численным значением и направлением. В метеорологии для изображения на картах обычно пользуются горизонтальной составляющей барического градиента на уровне моря или на каком-то другом уровне, которая называется горизонтальным барическим градиентом. Барический градиент направлен по нормали к изобаре в сторону убывания атмосферного давления.

Вместо вертикального барического градиента, отражающего изменение атмосферного давления по высоте, часто пользуются обратной величиной – барической ступенью.