Опубликовав в издании ИА REX несколько текстов о конкретных видах природных катастроф, объединённых общим названием «Ликбез»(ликвидация безграмотности), автор пришёл к выводу, что для лучшего их (текстов) понимания, необходимо дать дополнительные сведения о верхних динамических оболочках нашей планеты. В данной статье речь идёт об атмосфере.
Наша жизнь проходит на дне воздушного океана — атмосферы, чем и определяется главная её функция — среда обитания, поэтому параметры, определяющие химический состав и физические свойства приземной части атмосферы играют исключительную важную роль в нашей жизни. Самым востребованным сообщением любого вида СМИ является прогноз погоды. Действительно, более всего нас интересует температура окружающего воздуха, давление воздушного столба, влажность, скорость перемещения воздуха, т.е, ветра. Медицинская статистика показывает, что резкая смена этих параметров приводит к увеличению смертности среди населения. Экологическая значимость атмосферы легко доказывается. Без пищи человек может прожить 2-3 месяца, без воды (и пищи) до 2-3 недель, без воздуха — 2-3 минуты!
Учитывая сугубую важность атмосферы для жизни человека, мы решили познакомить читателя с основными её характеристиками. Непосредственно стихийным бедствиям в атмосфере мы посвятили две предыдущих статьи об ураганах. В последующих номерах к атмосферным процессам будем возвращаться постоянно, т.к. большинство природных катастроф разного генезиса происходят в нижних слоях атмосферы.
Атмосфера. Воздушная (газовая) оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с Землёй в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли называется атмосферой [9]. Воздух сжимаем, поэтому с высотой плотность его убывает, и атмосфера постепенно без резкой границы переходит в космическое пространство. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти — в нижних 10 км, девять десятых — в нижних 20км. Но присутствие очень разреженного воздуха обнаруживается до очень больших высот. Полярные сияния указывают на присутствие атмосферы на высотах 1000 км и более, ракетные запуски позволили установить, что атмосфера простирается при убывающей плотности до высот более 20 000 км [9].
БУДЬТЕ В КУРСЕ
- 16.11.24 Ликбез по ураганам: внетропические ураганы и смерчи
- 12.11.24 Ликбез по ураганам: Тропические ураганы
- 20.05.23 Блеф Монреальского протокола дезавуировали российские учёные
- 28.02.23 Ликбез по землетрясениям. Часть 4. Прогноз землетрясений и защита от них
Состав и масса атмосферы. Общая масса атмосферы составляет 5,2 х 10^21 г, что обеспечивает давление примерно в 1кг на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. В составе воздушной смеси всегда присутствует водяной пар, концентрация которого может меняться от сотых долей процента до первых процентов, соответственно будет меняться и процентное соотношение других газов. Содержание остальных газов стабильно, поэтому принято характеризовать состав воздуха без примеси газообразной воды (сухой воздух). У земной поверхности он содержит: 78% по объёму (3,9 х 10^21 г) азота и 21 % по объёму (1,2 х 10^21 г) кислорода, т. е. сухой воздух на 99 % состоит из молекул азота и кислорода. Оставшийся один процент почти целиком приходится на аргон. Заметно содержание углекислого газа 0,03–0,04% или 2,6 х 10^18 г [8,9]. Содержание других газов, входящих в состав приземного воздуха, составляет тысячные, миллионные и миллиардные доли процента. Это неон, гелий, метан, криптон, водород, закись азота, ксенон, озон, диоксид азота, диоксид серы, аммиак, угарный газ, иод, радон и др. Все перечисленные компоненты всегда сохраняют газообразное состояние при наблюдающихся в атмосфере температурах и давлении не только у земной поверхности, но и в высоких слоях.
Образование и эволюция атмосферы. Представления об образовании земной атмосферы опираются на космогонические концепции, описывающие тем или иным образом процесс формирования планеты Земля и самой Солнечной системы. Таких концепции много, часто они противоречивы. Однако все сходятся на том, что первичная атмосфера образовалась в результате процесса дегазации глубоких земных недр и состояла из восстановительных газов: метана, аммиака, водорода, угарного газа, соляной кислоты, паров воды и др. Принципиальное значение в химической эволюции атмосферы имело появление в океане растительных микроорганизмов, способных к фотосинтезу. Предполагается, что уже 3 млрд.лет назад свободный кислород стал поступать в атмосферу и окислил метан и водород до воды и углекислого газа, а аммиака до азота [8]. Но прошло ещё 2.5 млрд.лет, прежде чем количество свободного кислорода в атмосфере составило 10% от современного, что позволило сформироваться озоновому слою и подняться ему над земной поверхностью. Защищённая от биологически активного ультрафиолета биота (сообщество живых организмов), смогла освоить сушу. Произошло это примерно 400 млн.лет назад в силурийское время [4]. Значительная часть лёгких газов — водорода и гелия за миллиарды лет улетучилась в межпланетное пространство.
Подчеркнём, что до настоящего времени главным процессом, поставляющим газообразные вещества в атмосферу, является дегазация недр. Различают горячую дегазацию — вулканизм и холодную дегазацию. Резкой границы между ними нет. В природе реализуются все промежуточные стадии. Сказанное можно проиллюстрировать следующими примерами.
При извержении Везувия в 1906г., по описанию Ф.Перре: «взрывы газа происходили всё чаще и чаще, и, наконец, слились в одну непрерывную струю газа, которая выбрасывалась из кратера шириной 500м и достигала высоты 13 км. Скорость газовой струи при выходе из кратера оценивалась в 500 м/сек, а извержение продолжалось 18 часов» [7].
8 сентября 1908 г. на перевале, разделяющем вулканы Эребус и Бэрд в Антарктиде, английские исследователи наблюдали, как «колоссальная струя пара ударила оттуда на высоту, по меньшей мере, дважды превосходившую высоту Эребуса. Несмотря на сильную пургу, дувшую в это время, напор струи был столь могуч, что она держалась совершенно вертикально» [5].
Глубинная дегазация поставляет в атмосферу восстановленные газы: метан, водород, азот, инертный гелий. Основным поставщиком кислорода являются зелёные растения и, в первую очередь, океанский планктон — микроскопические водоросли. На протяжении фанерозойской (последние 650 млн.лет) истории прослеживается общее нарастание количества кислорода в атмосфере, прерываемое периодическими резкими падениями его содержания. Происходит сброс кислорода на так называемых катастрофических рубежах геологической истории, когда резко усиливается вулканизм, гибнет биота на уровне отрядов, семейств и классов [2]. В это время ядро земли выбрасывает восстановленные газы, на окисление которых и расходуется большая часть кислорода [6].
Более чем на порядок менялось в фанерозое и содержание углекислого газа, так в меловое время (70 млн лет назад) его содержание достигало 0,5%. Нынешнее же содержание (0,03–0,04%), следует признать крайне низким и неблагоприятным для развития жизни. На это ещё в 1934 г. указывал В.И. Вернадский [1].
Динамическая стратификация атмосферы. Многочисленные исследования показали, что до высоты в 100 км процентные соотношения основных газов в составе воздуха не меняются, что свидетельствует о постоянном перемешивании основного объёма воздуха на планете. Этот однородный по составу 100 км слой получил название гомосферы. Слой атмосферы выше 100 км называется гетеросферой. Здесь начинается разделение газов по плотности, хотя процесс этот осложняется фотолизом газовых молекул под воздействием солнечного ультрафиолета. В первую очередь, это касается кислорода, который уже на высоте 20–25 км начинает превращаться в смесь молекулярного, атомарного и трёхатомного (озона) кислорода. Кстати именно на этой высоте находится планетарный максимум (до 90%) концентрации озона, который называется озоновым слоем [4]. На высоте 100 км максимума достигает содержание атомарного кислорода, а на высоте 200 км число атомов кислорода сравнивается с числом молекул азота, который является преобладающим газом в слое 100–200км.
В чистом виде гравитационное воздействие влияет на распределение инертных газов. На высоте 200 км аргона уже нет. Выше 1000 км атмосфера состоит из гелия и водорода в атомарном состоянии. С этих высот начинается улетучивание лёгких газов в межпланетное пространство, хотя содержание водорода в околоземном пространстве превышает фоновое межпланетное на порядок до высоты в 20000 км. Интересно, что выше 1500 км в составе атмосферы во время минимума солнечной активности преобладает водород, а во время её максимума — гелий [9].
Температурная стратификация. У земной поверхности температура воздуха меняется в широких пределах: максимальная измеренная температура чуть ниже +60°С (североафриканские пустыни); минимальная — около минус -90°С (советская станция «Восток» в Антарктиде). Температура воздуха закономерно меняется с высотой, что приводит к его явно выраженной температурной стратификации (расслоению).
Тропосфера — нижний слой атмосферы, в котором температура в среднем убывает с высотой. В тропиках этот слой простирается от земной поверхности до высоты 15–17 км, в умеренных широтах обоих полушарий — до высоты 10–12 км и над полюсами до 8–9км. На экваторе температура убывает с высотой от +26°С у земной поверхности до -80°С на вершине тропосферы, в умеренных широтах от +3 до -58° С и над Северным полюсом от -23° С до -60°С зимой и -48°С летом.
Самый нижний тонкий слой тропосферы (50–100 м), непосредственно примыкающий к земной поверхности, называется приземным слоем. В этом слое особенно резко выражены изменения температуры в течение суток. Слой от земной поверхности до высот 1000–1500 м называют планетарным пограничным слоем или слоем трения. В этом слое заметно задерживающее влияние трения о земную поверхность на ветер. Верхняя граница тропосферы, т.е. тонкий переходный слой толщиной 1 -2 км с постоянной температурой (изотермией), называется тропопаузой.
Стратосфера расположена выше тропопаузы. В нижней части стратосферы температура почти постоянна, но, начиная с 34-36 км, происходит её быстрый рост, который продолжается до высоты 50 км, где она (температура) достигает 0 или даже плюс 10°С. Выше расположена верхняя граница стратосферы, называемая стратопаузой.
Возрастание температуры с высотой приводит к большой устойчивости стратосферы: здесь нет интенсивного конвективного перемешивания, свойственного тропосфере. Наблюдаются, однако, вертикальные движения типа медленного оседания или подъёма, захватывающие огромные пространства. Кроме того, в низких широтах в стратосфере присутствуют струйные воздушные течения, скорость их достигает 200ёкм/час. Примечательной, ещё необъяснённой особенностью их, является квазидвухлетняя смена направления. Примерно два года стратосферный ветер дует вдоль экватора по направлению вращения Земли, два года — обратно.
Мезосфера. Над стратосферой до высоты 80–85 (90?) км лежит слой мезосферы. Температура здесь с высотой понижается, в её верхней части иногда до -110°С. Вследствие быстрого падения температуры развивается турбулентность. Верхняя граница — мезопауза, Давление воздуха здесь в 1000 раз меньше, чем у земной поверхности.
Термосфера (ионосфера). Высотный интервал от 90 км до 800–1000 км называется термосферой. Температура очень резко возрастает с высотой. В годы активного Солнца на высотах 200–250 км она превышает +1500°С. Выше рост температуры уже не наблюдается. Высокие температуры термосферы означают, что молекулы и атомы движутся с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в термосфере так мала, что теплосодержание газов ничтожно. Сами газы сильно ионизированы под воздействием солнечного ультрафиолета, поэтому этот же высотный интервал носит и другое название — ионосфера.
Экзосфера. Атмосферные слои выше 800–1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). В составе господствуют атомы водорода и гелия. Скорости их вследствие чрезвычайной разреженности воздуха могут достигать второй космической (около 11000 м/с) и они улетают в межпланетное пространство, покидая Землю. Поэтому экзосферу называют также сферой ускользания газов.
Магнитосфера. Водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем на 20 000 км. Плотность газа здесь ничтожно мала, но на порядок всё-таки превышает плотность в межпланетном пространстве. Водородный газ ионизирован, на его движение оказывает влияние магнитное поле Земли, поэтому земную корону называют также магнитосферой.
Радиационный пояс. С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Пояс состоит из протонов и электронов, движущихся с очень большими скоростями (порядка 400 км/с) и захваченными магнитным полем Земли. Радиационный пояс постоянно теряет частицы из земной атмосферы, но пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации (солнечный ветер) [9].
Сильно ионизированные высокие слои обладают высокой электропроводностью. В них наблюдаются интереснейшие атмосферные явления, такие как полярные сияния или постоянное свечение воздуха, создающие так называемый ночной свет неба. Изучением высоких слоев атмосферы занимается особая научная дисциплина — аэрономия.
Водяной пар в воздухе. Атмосферный воздух сухим бывает очень редко. Обычно он содержит пары воды, количество которых зависит от температуры. Для каждого значения температуры существует предельно возможное количество водяного пара. Когда такое количество достигнуто, то водяной пар называют насыщающим, а воздух его содержащий — насыщенным. Состояние насыщения обычно достигается при понижении температуры воздуха. Водяной пар при этом конденсируется, переходит в жидкое или твёрдое состояние и выпадает в виде осадков. Это, так волнующие нас, погодные процессы и явления (дожди, ливни, иней, снегопады, град, снежные бури и ураганы, метели, гололёд, радуга, гало и др.).
Водяной пар имеет огромное климатическое значение, т.к. является парниковым газом. Он способен поглощать инфракрасное излучение, идущее от земной поверхности в космос. При этом на долю водяного пара приходится более 80% удержанного земного тепла. Температурные градиенты у земной поверхности и в тропосфере определяют планетарное распределение водяного пара. В теплом воздухе тропиков его содержится в среднем 2,5% (редко до 4%), в полярных широтах на порядок меньше (0,2%). Также резко уменьшается влажность воздуха (вслед за температурой) с высотой. На высоте 1,5–2 км плотность водяного пара убывает вдвое, на высоте 5–6км его меньше, чем у поверхности на порядок, а на высоте 10–12 км уже в 100 раз. Содержание водяного пара в воздухе определяет развитие атмосферных электрических явлений.
Перламутровые и серебристые облака. Выше 12–15 км содержание водяного пара ничтожно мало. Поэтому удивителен феномен так называемых перламутровых облаков, которые иногда наблюдаются в стратосфере на высотах 22–24 км. Они состоят из переохлаждённых капель или кристаллов льда, видны ночью, когда подсвечиваются солнцем, находящимся под горизонтом. Чаще наблюдаются в высоких широтах, поэтому имеют ещё одно название — полярные стратосферные облака (ПСО). Название это уже устарело, т.к. появились сообщения о наблюдении ПСО и в низких широтах, например, над Гавайскими островами. Автор видел их в Крыму и в Москве во время сильного разрушения здесь озонового слоя. Их приуроченность к озоновым аномалиям — это закономерность. Еще более загадочным кажется появление так называемые серебристых ледяных облаков в верхней части мезосферы, т.е. на высотах 80–85 км. Вопрос, требующий ответа — откуда на таких высотах появляется вода? По нашим представлениям [6] и ПСО, и серебристые облака фиксируют прохождение глубинного водорода, который, вступая в реакцию с атмосферным озоном, даёт воду, превращающуюся на больших высотах в кристаллы льда.
Нижняя граница атмосферы. Естественно, что для 30% поверхности планеты это — суша, где по трещинам и порам атмосферный воздух под собственным весом может проникать на глубины первых метров или первых десятков метров. Особую роль воздух играет в жизни почвы — уникального образования, пограничного между атмосферой и литосферой.
На 70% площади Земли атмосфера подстилается океаном. Здесь при волнении моря пузырьки воздуха попадают в морскую воду. В открытых частях океана процесс этот проникает до глубины 200 м, так называемый базис волновой эрозии. Следует учитывать, что при попадании воздуха в океанскую воду его компонентный состав сохраняется, но объёмные пропорции газов существенно меняются. За счёт снижения до 62,6% содержания азота возрастают до 34,9% содержание кислорода и до 2,5% содержание С02.
Вообще, взаимодействие в системе атмосфера — океан играет колоссальную роль в жизни обеих оболочек нашей планеты [3]. В первую очередь, речь идёт о газовом обмене. Океан при понижении температуры воды поглощает огромное количество атмосферных газов (кислорода, углекислого газа), а при нагреве отдаёт их обратно, регулируя тем самым газовый состав атмосферы.
Литература:
1. Вернадский В.И. Биосфера. -М.: Мысль, 1967. — 367 с.
2. Будыко М.И., Ронов А.Б., Яншин А.Л. История атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985. -208с.
3. Пери А.Х., Уокер Дж.М. Система океан-атмосфера. -Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -195с.
4. Перов С.П., ХргианА.Х. Современные проблемы атмосферного озона. — Л.: Гидрометеоиздат, 1980. — 287 с.
5. Ритман А. Вулканы и их деятельность. — М.: Мир, 1964. — 437с.
6. Сывороткин В.Л. Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы. — М.: ООО «Геоинформцентр», 2002. — 250с.
7. Тазиев Г. На вулканах Суфриер, Эребус, Этна. — М.: Мир, 1987.-263с.
8. Тугаринов А.И. Общая геохимия. -М.: Атомиздат, 1973. -288с.
9. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. -М.: Изд-во МГУ, 1994. -520с.
Владимир Сывороткин,
доктор геолого-минералогических наук
Комментарии читателей (0):