атмосфера

Поглощение солнечной радиации в атмосфере

     В атмосфере поглощается сравнительно небольшое количе­ство солнечной радиации, при этом главным образом в инфра­красной части спектра. Это поглощение — избирательное: раз­ные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.

     Азот поглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации в этом участке спектра совершенно ничтожна, и потому погло­щение азотом практически не отражается на интенсивности сол­нечной радиации. В большей степени, но все же очень мало по­глощает солнечную радиацию кислород — в двух узких участках видимой части спектра и в ультрафиолетовой его части. Более сильным поглотителем солнечной радиации является озон. Его содержание в воздухе, даже в стратосфере, очень мало; тем не менее он настолько сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию, что из солнечной постоянной теряется несколько про­центов. В результате поглощения в верхних слоях атмосферы в солнечном спектре у земной поверхности не наблюдаются волны короче 0,29 мк.


Изменения солнечной радиации в атмосфере и на земной поверхности

     Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями к воздуху и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы.

     Нерассеянная и непоглощенная в атмосфере прямая солнеч­ная радиация достигает земной поверхности. Она частично от­ражается от земной поверхности, а в большей степени погло­щается ею и нагревает ее. Часть рассеянной радиации также до­стигает земной поверхности, частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство.


Адиабатические изменения состояния в атмосфере

Очень важную роль в атмосферных процессах играет то об­стоятельство, что температура воздуха может изменяться и ча­сто действительно изменяется адиабатически, т. е. без теплооб­мена с окружающей средой (с окружающей атмосферой, зем­ной поверхностью и мировым пространством). Вполне строго адиабатических процессов в атмосфере не бывает: никакая масса воздуха не может быть полностью изолирована от тепло­вого влияния окружающей среды. Однако если атмосферный процесс протекает достаточно быстро и теплообмен за это время мал, то изменение состояния можно с достаточным приближе­нием считать адиабатическим.


Электрическое поле атмосферы

     Итак, в атмосфере всегда существуют подвижные электри­ческие заряды, связанные с ионами, а также с элементами об­лаков и осадков. Заряды эти — обоих знаков, причем преобла­дают положительные, так что суммарный заряд атмосферы — положительный. При этом с высотой он растет. Сама земная поверхность также обладает электрическим зарядом, притом в сумме отрицательным (порядка -6*105 кулонов).

     В результате атмосфера обладает электростатическим полем, в каждой точке которого есть то или иное значение потенциала. Это значит, что электрический заряд, помещенный в любой точке атмосферы, будет испытывать силу, действующую на него в направлении, нормальном к поверхности равного потенциала, проходящей через эту точку. Эту силу на единицу положитель­ного электрического заряда называют напряженностью атмосферно-электрического поля. Она направлена в отсутствии обла­ков сверху вниз и измеряется изменением потенциала поля на единицу расстояния, т. е. в вольтах на метр (в/м).


Ионы в атмосфере

Часть молекул атмосферных газов и частиц атмосферного аэрозоля — капелек, пылинок, кристаллов — несет электрические заряды. Эти заряженные частички называются ионами.

Молекулы воздуха заряжаются вследствие потери электрона или присоединения свободного электрона. К заряженной моле­куле присоединяются другие молекулы, в которых происходит путем индукции разделение зарядов. Так возникает электри­чески заряженный комплекс молекул, называемый легким ионом. Заряженные молекулы могут также присоединяться к ядрам конденсации или пылинкам, взвешенным в воздухе, вследствие чего возникают более крупные тяжелые ионы с массами в ты­сячи раз большими, чем у легких ионов.

Содержание легких ионов у земной поверхности — несколько сотен на один кубический сантиметр, тяжелых — от нескольких сотен до десятков тысяч на один кубический сантиметр.


Наблюдение и эксперимент в метеорологии

     Фактические сведения об атмосфере, погоде и климате получают из наблюдений. Анализ результатов наблюдений слу­жит в метеорологии и климатологии для выяснения причинных связей в изучаемых явлениях.

     В общей физике основным методом исследования является эксперимент. Экспериментируя, исследователь вмешивается в ход физических процессов, меняет условия, в которых они про­текают, вводит одни факторы и исключает другие с целью выяснения причинных связей в явлениях. Но атмосферные яв­ления крупного масштаба, такие, как общая циркуляция атмо­сферы или теплооборот на больших пространствах, еще не могут быть существенно изменены вмешательством человека. Даже энергия термоядерных взрывов невелика по сравнению с энергией процессов циркуляции атмосферы, поскольку взрывы при большой их мощности весьма кратковременны. Изменения в физическом состоянии атмосферы, которые создаются термо­ядерными взрывами, оказываются ограниченными по распро­странению их влияния и недолговременными (речь идет о физических процессах, а не о заражении атмосферы радиоактив­ными продуктами распада). Поэтому метеорология, как и дру­гие геофизические науки, должна прибегать к наблюдениям, т. е. к измерениям и качественным оценкам процессов, проте­кающих в природной обстановке. Непрерывно наблюдая за атмосферными процессами, человек является зрителем и реги­стратором тех грандиозных опытов, которые ставит сама при­рода, без его участия.


.

Влагооборот

     Кроме теплооборота, между атмосферой и земной поверхно­стью происходит постоянный оборот воды, или влагооборот. С поверхности океанов и других водоемов, влажной почвы и растительности в атмосферу испаряется вода, на что затрачи­вается большое количество тепла из почвы и верхних слоев воды. Водяной пар — вода в газообразном состоянии — является важ­ной составной частью атмосферного воздуха.

     При существующих в атмосфере условиях водяной пар мо­жет испытывать и обратное преобразование: он конденсируется, сгущается, вследствие чего возникают облака и туманы, В про­цессе конденсации в атмосфере освобождаются большие коли­чества скрытого тепла. Из облаков при определенных условиях выпадают осадки. Возвращаясь на земную поверхность, осадки тем самым уравновешивают испарение в целом для всего Зем­ного шара.


Теплооборот

     Существует три основных цикла атмосферных процессов, определяющих климат. Это так называемые климатообразующие процессы — теплооборот, влагооборот и атмосферная цирку­ляция.

     Теплооборот, создающий тепловой режим атмосферы, со­стоит в следующем.

     Сквозь атмосферу проходит поток солнечной радиации. Ат­мосфера частично поглощает солнечные лучи, преобразуя их энергию в теплоту; частично рассеивает их, меняя по качеству (спектральному составу); частично они отражаются назад об­лаками.

     Радиация, прошедшая сквозь атмосферу (отчасти и рассеян­ная атмосферой), падая на земную поверхность, частично от нее отражается, но в большей части поглощается ею и нагре­вает верхние слои почвы и водоемов. Земная поверхность сама испускает невидимую инфракрасную радиацию, которая в боль­шей части поглощается атмосферой и нагревает ее. Атмосфера, в свою очередь, излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой поглощается земной поверхностью. В то же время земная и атмосферная радиация непрерывно уходит за пределы атмосферы вместе с отраженной солнечной радиацией, уравно­вешивая приток солнечной радиации к Земле.


Связи атмосферы с Солнцем и земной поверхностью

     Атмосферные процессы связаны с влияниями, идущими как сверху, из космоса, так и снизу, от земной поверхности. Источ­ником энергии атмосферных процессов в основном является сол­нечная радиация (солнечное излучение), приходящая к Земле из мирового пространства. Именно лучистая энергия Солнца превращается в атмосфере и на земной поверхности в теплоту, энергию движения и другие виды энергии. Но солнечные лучи больше нагревают земную поверхность, чем непосредственно воздух, а уже между земной поверхностью и атмосферой проис­ходит оживленный обмен тепла, а также и воды. Строение зем­ной поверхности, ее рельеф имеют значение и для движений воздуха. С влияниями земной поверхности (нагревание, запыление) в определенной степени связаны и оптические свойства ат­мосферы, и ее электрическое состояние.

     Наличие атмосферы является, в свою очередь, важным фак­тором для разнообразных физических процессов, развертываю­щихся на земной поверхности — в почве и верхних слоях водо­емов (например, ветровая эрозия, морские течения и ветровое волнение, установление и сход снежного покрова и многое дру­гое), а также для жизни на Земле.


Атмосфера

Земная поверхность окружена газовой, воздушной оболоч­кой — атмосферой, принимающей участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает наша жизнь. Воздух, в отличие от воды, сжимаем. Поэтому, с высотой плотность его убывает, и атмосфера постепенно сходит на нет, без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредо­точена в нижних 5 км, три четверти — в нижних 10 км, девять десятых — в нижних 20 км. Но присутствие воздуха — чем выше, тем все более разреженного — обнаруживается до очень больших высот.

Полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высо­тах до 1000 км и более. Полеты спутников . . . . .


Сторінки