Краткое содержание атмосфера и климаты земли. Солнечная радиация

Бухта Провидения

Чукотское море расположено у северовосточных берегов Советского Союза. Его западная граница идет от точки пересечения меридиана 180° с краем материковой отмели (76° с.ш., 180° в.д.) по меридиану 180° до о. Врангеля и далее через пролив Лонга и м. Якан, т.е. по восточной границе Восточно-Сибирского моря. Северная граница проходит от точки с координатами 72° с.ш., 156° в.д. до м. Барроу на Аляске, далее по материковому берегу до южного входного мыса бухты Шишмарева (п-ов Сьюард). Южная граница Чукотского моря идет по северной границе Берингова пролива от южного входного мыса бухты Шишмарева до м. Уникын (Чукотский п-ов) и далее по материковому берегу до м. Якан. К Чукотскому морю относится и пролив Лонга, западная граница которого проходит от м. Блоссом до м. Якан. Восточная граница пролива идет от м. Пиллар (о. Врангеля) до м. Шмидта.

Чукотское море относится к типу материковых окраинных морей. Его площадь - 595 тыс. км 2 , объем - 42 тыс. км 3 , средняя глубина - 71 м, наибольшая глубина - 1 256 м.

В Чукотском море мало островов, впадающие в него реки маловодны, береговая линия слабо изрезана.

Берега Чукотского моря почти на всем протяжении гористы. На восточном побережье о. Врангеля невысокие холмы круто обрываются к морю. Вдоль северного побережья Чукотки и Аляски тянутся невысокие горы, но они, как правило, удалены от уреза воды. Линию берега образуют песчаные косы, отделяющие от моря лагуны, за которыми виднеются горы. Такой ландшафт типичен для берегов Чукотского моря.

Климат

Климат Чукотского моря полярный морской. Его характерные черты - небольшое поступление солнечного тепла и малые годовые колебания температуры воздуха.

В осенне-зимнее время море испытывает влияние нескольких крупномасштабных барических систем. В начале сезона на него распространяются отроги Сибирского и Полярного антициклонов и Алеутский минимум. Вследствие такого распределения барических систем направление ветров над морем весьма неустойчиво. Ветры разных направлений имеют почти одинаковую повторяемость. Скорости ветра в среднем 6- 8 м/с. Температура воздуха осенью быстро понижается и в октябре на м. Шмидта и о. Врангеля достигает –8°. С ноября начинают преобладать северо-западные ветры. В феврале исчезает ложбина низкого давления. Отроги Сибирского и Североамериканского максимумов над морем подходят друг к другу, временами сливаясь и образуя «мост» высокого давления между материками. В связи с этим на севере моря преобладают северные и северо-восточные ветры, на юге - северные и северо-западные. Во второй половине зимы над морем дуют преимущественно ветры южных румбов. Скорость ветра обычно около 5-6 м/с. Температура воздуха самого холодного месяца - февраля - в среднем достигает в Уэллене –28°, на о. Врангеля –25° и на м. Шмидта –28°. Такое распределение температур связано с отепляющим влиянием Тихого океана и охлаждающим - Азиатского материка. Для зимы характерна пасмурная, холодная погода с порывистым ветром, которая иногда изменяется притоками теплого воздуха с Берингова моря.

Берингов пролив

В теплую часть года Сибирский и Североамериканский антициклоны отсутствуют, ослабевает и смещается к северу полярный максимум. Весной южнее Чукотского моря прослеживается полоса пониженного давления, идущая от Исландского минимума на восток и соединяющаяся с ложбиной слабо выраженного Алеутского минимума. Неустойчивые по направлению ветры к концу сезона приобретают преимущественно южное направление. Их скорость обычно не превышает 3-4 м/с. Весной, как правило, стоит облачная, тихая, сухая и прохладная погода. Температура в апреле равна в среднем –12° в Уэллене и –17° на о. Врангеля. Летом к Аляске приближается отрог Тихоокеанского максимума, и над свободными ото льдов пространствами воды давление несколько повышено. В южной части моря преобладают ветры южного и юго-восточного направлений, а в его северных районах - северного и северозападного. Их скорость обычно достигает 4-5 м/с. Температура воздуха самого теплого месяца - июля - в среднем равна в Уэллене 6°, на о. Врангеля 2,5°, на м. Шмидта 3,5°. В укрытых от ветров пунктах на побережье она может достигать 10° и выше. Летом держится пасмурная погода с дождем и снегом. Лето очень короткое, и уже в августе намечается переход к следующему сезону.

Чайки-бургомистры над лежбищем моржей в Чукотском море

Лежбище моржей

Температура воды и солёность

Материковый сток в Чукотское море весьма мал. Сюда поступает всего 72 км 3 речной воды в год, что составляет около 5% общего берегового стока во все арктические моря и доли процента от объема его вод. Из этого количества 54 км 3 /год дают реки Аляски и 18 км 3 /год - реки Чукотки. Столь небольшой береговой сток существенно не влияет на гидрологические условия Чукотского моря в целом, но сказывается на температуре и солености прибрежных вод.

В значительно большей мере на природу Чукотского моря воздействует водообмен с Центральным полярным бассейном и с Тихим океаном через Берингов пролив. Некоторое повышение температуры воды в придонных горизонтах на севере моря связано с проникновением сюда теплых промежуточных атлантических вод.

Погружение тихоокеанских вод (°С), поступающих через Берингов пролив в Чукотское море Чукотка, Анадырский залив

Гидрологическая структура Чукотского моря в основном сходна со структурой вод других сибирских арктических морей, но имеет и свои особенности. В западных и центральных районах моря преимущественно распространены поверхностные арктические воды. В узкой прибрежной зоне, главным образом там, где впадают реки, распространена теплая опресненная вода, образованная смешением морских и речных вод. На северной окраине моря материковый склон прорезает глубокий Чукотский желоб, по которому на горизонтах 400-450 м распространяются глубинные атлантические воды, имеющие максимальную температуру 0,7-0,8°. Эти воды попадают в Чукотское море через пять лет после их входа в Арктический бассейн в районе Шпицбергена. Между поверхностными и атлантическими водами залегает промежуточный слой.

Восточную часть моря занимают относительно теплые и соленые беринговоморские воды. Они обычно продвигаются в виде Аляскинской ветви к северу и востоку, но в отдельные годы значительное развитие получает Лонговская ветвь теплого течения, которая через пролив Лонга проникает в Восточно-Сибирское море. Продвигаясь к Чукотскому морю, тихоокеанские воды смешиваются с местными, охлаждаются и погружаются в подповерхностные слои. В восточной части моря с глубинами до 40-50 м они распространяются от поверхности до дна. В более глубоких северных районах моря тихоокеанские воды образуют прослойку с ядром, расположенным на горизонтах 40-100 м, под которыми располагается глубинная вода. В поверхностных арктических и тихоокеанских водах формируются и разрушаются сезонные слои, связанные с внутригодовой изменчивостью океанологических характеристик.

Температура зимой и в начале весны в подледном слое распределяется довольно равномерно по пространству моря и равна –1,6°-1,8°. В конце весны на поверхности чистой воды она повышается до –0,5-0,7° у кромки льдов и до 2-3° у Берингова пролива. Благодаря летнему прогреву и притоку тихоокеанских вод со среднемесячной температурой 0,2-4° температура поверхности воды повышается. Температура в августе в прикромочной зоне равна –0,1- 0,3°, в западной части у берега ее величины достигают примерно 4°, к востоку от меридиана 168° з.д., где проходит ось тихоокеанского потока, она повышается до 7-8°, а в восточной части Берингова пролива может достигать даже 14°. В целом западная часть моря холоднее, чем восточная.

Вертикальное распределение температуры воды зимой и в начале весны повсюду почти однородное. От поверхности до дна она равна –1,7-1,8°, только в районе Берингова пролива на горизонте 30 м отмечается ее повышение до –1,5°. Весной температура на поверхности воды повышается, но на горизонтах 5-10 м она довольно резко, а глубже - более плавно понижается к дну. Летом на юге и востоке моря радиационный прогрев распространяется довольно глубоко, а на небольших глубинах - вплоть до дна. Поверхностная температура 6-7° наблюдается и на горизонтах 10-12 м, откуда она понижается с глубиной и даже у дна имеет значения 2-2,5°. В центральной части моря влияние беринговоморских вод проявляется меньше. Поверхностная температура (около 5°) охватывает слой толщиной 5-7 м, затем она довольно быстро понижается до дна. В северной части моря в области Чукотского желоба в верхнем слое около 20 м температура равна 2-3°, затем идет ее понижение до 1,6° на горизонте 100 м, далее она повышается и в придонном слое близка к нулю. Это вызвано влиянием теплых атлантических вод, поступающих из Центрального арктического бассейна. Осенью охлаждение распространяется от поверхности вглубь, что приводит к выравниванию температуры по вертикали. Зимняя вертикальная циркуляция доходит до дна, и зимой температура всей воды моря равна температуре замерзания.

На величины и распределение солености на поверхности Чукотского моря влияют различный по сезонам приток тихоокеанских, а в прибрежной зоне - и речных вод. Для зимы и начала весны характерна повышенная соленость подледного слоя. На западе она равна около 31‰, в центральной и северо-восточной частях близка к 32‰ и наиболее высокая - в районе Берингова пролива. С конца весны и в течение лета, когда усиливается приток вод через Берингов пролив и увеличивается материковый сток, картина распределения солености на поверхности моря становится довольно пестрой. В общем соленость увеличивается с запада на восток примерно от 28 до 30-32‰. У кромки льдов она становится меньше и равна 24‰, а вблизи устьев рек ее значения падают до 3-5‰

В районе Берингова пролива соленость остается наибольшей - 32,5‰. Осенью с началом льдообразования начинается общее увеличение солености и происходит ее выравнивание по поверхности моря.

Зимой и в начале весны соленость, как правило, очень мало изменяется в толще воды почти по всему морю. Лишь к северо-западу от Берингова пролива в сфере влияния тихоокеанских вод соленость довольно значительно увеличивается от 31,5 до 32,5‰ между горизонтами 20 и 30 м. По мере удаления от зоны воздействия этих вод повышение солености с глубиной не так велико и происходит более плавно. В результате весеннего таяния льда вблизи кромки она резко повышается в слое 5-10 м от 30 до 31-32‰. Ниже она возрастает очень медленно и у дна приближается к 33‰. Подобный ход солености по вертикали наблюдается и в прибрежной полосе моря, однако поверхностный слой здесь опреснен гораздо сильнее и подстилается водами с соленостью 30- 31‰. Летом опресненный поверхностный слой моря в результате поступления тихоокеанских вод уменьшается и к осени исчезает совсем. В центральной части моря, где ощущается влияние беринговоморских вод, соленость довольно плавно увеличивается от 32‰ на поверхности до 33‰ у дна. В районе дрейфующих льдов и вдоль Чукотского побережья соленость в поверхностном слое толщиной 5-10 м пониженная, затем происходит ее резкое увеличение (до 31-31,5‰) в слое 10-20 м, и далее она плавно повышается к дну, где достигает 33-33,5‰. Осенью и особенно зимой соленость повышается за счет осолонения при льдообразовании. В одних районах соленость выравнивается осенью, а в других только к концу зимы. В соответствии с распределением и сезонными изменениями солености и температуры изменяется плотность воды. В осенне-зимнее время, когда соленость повышена и вода сильно охлаждена, ее плотность довольно высока. Подобно распределению солености высокая плотность на поверхности отмечается в южной и восточной частях моря, а к северо-западу плотность несколько уменьшается. В теплую половину года поверхностные воды опресняются, прогреваются, и их плотность уменьшается. В связи с интенсивным поступлением относительно соленой воды из Берингова моря в это время года более плотные воды располагаются в южной и восточной частях моря. На севере и западе плотность на поверхности понижена, потому что верхний слой моря опреснен вследствие таяния льдов, притока вод низкой солености из Восточно-Сибирского моря и речного стока.

Зимой плотность увеличивается от поверхности к дну довольно равномерно по всей толще вод. Весной и летом у кромки льдов и в прибрежной полосе верхний слой воды толщиной 10-20 м резко отличается по плотности от подстилающего слоя, ниже которого плотность равномерно увеличивается к дну. В центральной части моря плотность более плавно изменяется по вертикали. Осенью вследствие охлаждения поверхности моря плотность начинает увеличиваться.

Изменчивые во времени и в пространстве ветры, различное вертикальное распределение плотности во многом определяют условия и возможности развития перемешивания в море. В весенне-летнее время на свободных ото льдов пространствах моря воды заметно расслоены по плотности, и относительно слабые ветры перемешивают лишь самые верхние слои до горизонтов 5- 7 м. Такая же глубина ветрового перемешивания в приустьевых районах. Осенью вертикальная стратификация вод ослабляется, а ветры усиливаются, поэтому ветровое перемешивание проникает до горизонтов 10-15 м. Глубже его распространению препятствуют значительные вертикальные градиенты плотности. Эта картина особенно характерна для западной части моря. Устойчивую структуру вод начинает разрушать осеннее конвективное перемешивание, которое проникает лишь на 3-5 м ниже ветрового перемешивания. Сравнительно немного (до 5 м) увеличивается толщина верхнего однородного слоя за счет осенней термической конвекции. Только к концу зимы на глубинах 40-50 м (которые занимают около 90% площади Чукотского моря) зимняя вертикальная циркуляция распространяется до дна. На более значительных глубинах вентиляция нижних слоев происходит при сползании вод вниз по склонам дна.

Рельеф дна

Рельеф дна Чукотского моря довольно ровный. Преобладают глубины около 50 м, а максимальные (они лежат на севере) не превышают 1 300 м. Изобаты 10 и 25 м подходят близко к материку.

Рельеф дна и течения Чукотского моря

Течения

Общая циркуляция вод Чукотского моря помимо основных факторов, под влиянием которых формируются течения в арктических морях, в значительной мере определяется течениями, поступающими через проливы Беринга и Лонга. Поверхностные течения моря в целом образуют слабо выраженный циклонический круговорот. Выходя из Берингова пролива, тихоокеанские воды распространяются веерообразно. Их основной поток направлен почти на север. На широтах залива Коцебу к ним присоединяются опресненные материковым стоком воды из этого залива. Двигаясь дальше на север, воды Беринговоморского течения возле м. Хоп разделяются на два потока. Один из них продолжает двигаться к северу и за м. Лисбурн поворачивает на северо-восток к м. Барроу. Второй от м. Хоп отклоняется на северо-запад. Встречая на пути банку Геральд, этот поток разбивается на две ветви. Одна из них - Лонговская ветвь - идет на запад, к южным берегам о. Врангеля, где сливается с течением, огибающим этот остров с восточной стороны. Другая - Геральдовская ветвь, - продолжая распространяться в северо-западном направлении, через ложбину Геральд проникает до 73-74° с.ш. Здесь она встречается с местными холодными водами и поворачивает на восток. Поток вод, вносимых в Чукотское море через пролив Лонга, течет вдоль побережья на юго-восток. При достаточно сильном развитии Чукотского течения оно заходит в Берингов пролив и распространяется вблизи его западного берега. При слабом развитии этого течения воды Беринговоморского потока отжимают его к северо-востоку.

В результате встречи Беринговоморского и Чукотского течений в южной и средней частях моря образуется несколько круговоротов циклонического типа. Центр одного из таких круговоротов находится у м. Дежнева, центр другого лежит на пересечении меридиана м. Сердце-Камень и параллели 68° с.ш. В большинстве случаев скорость постоянных течений в море бывает от 30 до 50 см/с, но в Беринговом проливе при попутных ветрах она достигает 150 см/с. Наиболее развиты постоянные течения летом. В это время года заметно проявляются и кратковременные ветровые течения. Приливные течения имеют скорости 10-20 см/с, а в некоторых местах (бухта Роджерса) скорость их увеличивается до 70-80 см/с. Направление течений меняется обычно по часовой стрелке.

Приливы в Чукотском море возбуждаются тремя приливными волнами. Одна приходит с севера - из Центрального арктического бассейна, другая проникает с запада через пролив Лонга и третья вступает с юга через Берингов пролив. Линия встречи их проходит примерно от м. Сердце-Камень к м. Хоп. Встречаясь, эти волны интерферируют, что усложняет приливные явления в Чукотском море. По своему характеру приливы здесь полусуточные, но отличаются по скорости и высотам подъема уровня в разных районах моря.

Величина прилива незначительна по всему побережью Чукотки. В некоторых пунктах она равна всего 10-15 см. На о. Врангеля приливы значительно больше. В бухте Роджерса уровень в полную воду поднимается над уровнем малой воды на 150 см, так как сюда приходит волна, образованная от сложения волн, поступающих с севера и запада. Такая же величина прилива наблюдается и в вершине залива Коцебу, но здесь большие приливы обусловлены конфигурацией берегов и рельефом дна залива.

Сгонно-нагонные колебания уровня в Чукотском море относительно невелики. В отдельных пунктах Чукотского п-ова они достигают 60 см. На берегах о. Врангеля сгонно-нагонные явления затушевываются приливными колебаниями уровня.

В Чукотском море сравнительно редко возникает сильное волнение. Наиболее бурным море бывает осенью, когда штормовые ветры вызывают волнение 5-7 баллов. Однако вследствие небольших глубин и ограниченности свободных ото льда пространств воды здесь очень крупные волны не развиваются. Лишь на обширных, свободных ото льда пространствах юго-восточной части моря при сильных ветрах высота волн может достигать 4-5 м. В единичных случаях волны имеют высоту 7 м.

Ледовитость

Льды в Чукотском море существуют круглый год. Зимой с ноября - декабря по май - июнь море сплошь покрыто льдом - неподвижным у самого берега и плавучим вдали от него. Припай здесь развит незначительно. Он окаймляет узкую прибрежную полосу и врезанные в берег бухты и заливы. Ширина его в разных местах различна, но не превышает 10-20 км. За припаем располагаются дрейфующие льды. Большей частью это одно- и двухлетние ледовые образования толщиной 150-180 см. На севере моря встречаются многолетние тяжелые льды. При затяжных ветрах, отжимающих дрейфующий лед от материкового побережья Аляски, между ним и припаем образуется стационарная Аляскинская полынья. Одновременно в западной части моря формируется Врангелевский ледяной массив. Вдоль побережья Чукотки за припаем иногда открывается узкая, но очень протяженная (до многих сотен километров) Чукотская заприпайная прогалина.

Летом кромка льда отступает на север. В море образуются Чукотский и Врангелевский ледяные массивы. Первый из них состоит из тяжелых льдов. Минимальное количество льда в море обычно бывает со второй половины августа до первой половины октября. В отдельные годы лед скапливается в проливе Лонга и в виде языка тянется вдоль Чукотского берега. В такие годы плавание судов здесь крайне затруднительно. В другие годы льды, напротив, отступают далеко от берегов Чукотского полуострова, что весьма благоприятно для навигации. В конце сентября начинается образование молодого льда, который с течением времени продолжает нарастать и к зиме покрывает все море.

Хозяйственное значение

Чукотское море небогато рыбой. В нем обнаружено 37 видов рыб. Местное промысловое значение имеют корюшка, полярная камбала, сайка и некоторые другие.

Страница 4 из 81

Атмосфера, погода, климат

Атмосфера – это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает вся жизнь.

Воздух – газ – в отличие от воды, сжимаем. Поэтому с высотой плотность его убывает и атмосфера постепенно сходит на нет (переходит в космическое пространство) 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 1000 км и более. Полеты спутников на высотах в несколько тысяч километров также происходят в атмосфере, хотя и чрезвычайно разреженной.

Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в нижних 30–40 км атмосферы особенно важны с практической точки зрения и наиболее изучены; именно эти процессы будут излагаться в данном курсе. Но и высокие слои атмосферы, отдаленные от земной поверхности на десятки, сотни и тысячи километров, приобрели большое практическое значение.

В высоких слоях происходит поглощение ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения, которое вызывает различные фотохимические реакции разложения нейтральных газовых молекул на электрически заряженные атомы. Поэтому высокие слои сильно ионизированы и обладают очень большой электрической проводимостью. В этих слоях наблюдаются такие явления, как полярные сияния и постоянное свечение воздуха, создающие так называемый ночной свет неба; электрическое состояние высоких слоев определяет условия распространения радиоволн, в них происходят сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением. Методы изучения процессов, происходящих в высоких слоях, существенно отличаются от применяющихся для исследования нижних слоев атмосферы (30–40 км), но тесно связаны с методами изучения земного магнетизма.

В атмосфере происходят многообразные физические процессы, непрерывно изменяющие ее состояние. Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30–40 км в данный момент времени называется погодой . Погода характеризуется метеорологическими величинами (температура, давление, влажность воздуха, ветер, облачность, атмосферные осадки) и атмосферными явлениями (гроза, туман, пыльная буря, метель и др.). Изменения погоды у земной поверхности влияют на очень многие области хозяйственной деятельности человека и особенно на сельское хозяйство. Погода в более высоких слоях влияет на работу авиации. Атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой, поэтому для понимания причин изменения погоды у земной поверхности необходимо изучать всю толщу атмосферы, по крайней мере до 30–40 км.

В любом месте земли погода в разные годы меняется по-разному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет каждую местность можно характеризовать вполне определенным климатом. Как уже было сказано, локальным климатом называют совокупность атмосферных условий за многолетний период, присущую данной местности в зависимости от ее географической обстановки. Под географической обстановкой подразумевается не только положение местности, т.е. широта, долгота и высота над уровнем моря, но и характер земной поверхности, орография, почвенный покров и др. Атмосферные условия, определяющие климат каждого места, испытывают периодические изменения в годовом ходе – от зимы к лету и от лета к зиме. Кроме периодических изменений совокупность атмосферных условий несколько изменяется от года к году. Это так называемая межгодовая изменчивость атмосферных условий.

Фактические данные показывают, что до XX в. чередование атмосферных условий в конкретных районах в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет меняется лишь в самых ограниченных пределах, причем изменения часто носят характер колебаний. Величина многолетних колебаний оказывается значительно меньше межгодовой изменчивости атмосферных условий.

Таким образом, в естественных условиях в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет локальный климат обладает определенной устойчивостью. Поэтому он и является одной из физико-географических характеристик местности, одной из составляющих географического ландшафта. Климат связан с другими составляющими географического ландшафта благодаря существованию тесных зависимостей между атмосферными процессами и состоянием земной поверхности, включая и Мировой океан. Однако локальный климат устойчив, если географическое распределение климатов на земном шаре, определяемое состоянием глобальной климатической системы, сравнительно мало меняется. Главными задачами климатологии являются изучение глобальной климатической системы и прогноз возможных изменений глобального и локального климатов на ближайшее время и на далекую перспективу.

Урок №17 Из чего состоит атмосфера и как она устроена. Человек и атмосфера
Цели: формирование знаний об : атмосфере, ее составе, строении, значении атмосферы для жизни на планете;

умений применять полученные знания на практике

Тип урока: урок изучения нового материала

ХОД УРОКА

I . Оргмомент. Добрый день, ребята! Сегодня мы вместе с вами приступаем к изучению воздушного океана, который обволакивает всю нашу планету, делая ее единственной и неповторимой во всей Солнечной системе. Когда наша планета только образовалась, она более всего походила на гигантскую лабораторию, в которой происходила кипучая ра­бота по распределению вещества. Самые тяжелые химические эле­менты опускались к центру Земли, а самые легкие поднимались к ее поверхности. Постепенно Земля приобрела слоистое строение. Из тяжелых химических элементов сформировался собственно зем­ной шар, а из легких газов - воздушная оболочка Земли.

- Итак, сформулируйте и запишите определение понятия «атмосфера»

II . Изучение нового материала

Человек может недели обходиться без пищи, несколько дней без воды, но без воздуха - лишь считанные минуты. Воздух - это смесь газов, примерно на 4/5 состоящая из азота и на 1/5 из кислорода. Оставшуюся небольшую часть образуют углекислый газ и другие газы. Из всех газов, входящих в состав воздуха, наиболее важным для большинства живых организмов является кислород.

Воздух никогда не бывает абсолютно сухим. В нем обязательно присутствует невидимый водяной пар. Еще в воздухе «плавает» бес­численное множество микроскопических твердых частиц: сажа, песок, пыль, соль от морских брызг, пыльца и споры растений, вул­канический пепел. Твердые частицы присутствуют в воздухе повсе­местно, но особенно много их в городах и над оживленными авто­трассами.

Входящие в состав воздуха газы, в том числе водяной пар , и твердые частицы удерживаются силой притяжения Земли и вра­щаются вместе с земным шаром. Воздушную пленку нашей плане­ты ученые Древней Греции назвали атмосферой (греч. «атмос» - пар и «сфера» - шар).

Как изменяются свойства воздуха с высотой?

Человек в привычных для него условиях дышит без усилий. Аль­пинистам на вершинах - восьмитысячниках каждый вдох дается с большим трудом, а космонавты в открытом космосе и вовсе не мо­гут обходиться без кислородных баллонов. С увеличением высо­ты воздух атмосферы становится все более и более разреженным.

Различаются ли свойства воздуха в разных районах земного шара?

Свойства атмосферного воздуха изменяют­ся не только с увеличением высоты. Они также неодинаковы в разных точках зем­ного шара. Раскаленный и запыленный воздух над пустыней Сахарой сильно от­личается от морозного и сухого воздуха Ан­тарктиды. Обычно свойства воздуха зави­сят от географической широты и поверх­ности (суша или вода), над которой он долгое время находился. Большие объемы примерно одинакового по свойствам воз­духа тропосферы называются воздушны­ми массами.

Главными отличительными признака­ми воздушных масс являются температура и влажность. В зависимости от географи­ческой широты, а, следовательно , и темпе­ратуры выделяют экваториальные, тропи­ческие, умеренные и арктические (в Юж­ном полушарии - антарктические) воз­душные массы.

В самой нижней части атмосферы сосредоточен почти весь водяной пар. Здесь возникают облака, зарождаются грозы. Ближайший к земной повер­хности слой атмосферы называют тропосферой. Его толщина составляет около 15 км. Следующий слой, называемый стратосферой, простирается примерно до высоты 50-55 км. В нижней части стратосферы находится озоновый слой, который поглощает опасное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца, Верхние слои атмосферы служат экраном, кото­рый защищает нашу планету от вредного кос­мического излучения, космической пыли. При­летевшие к Земле космические частицы, взаимодействуя с воздухом верхних слоев атмосферы, вызывают полярные сияния. В верхних слоях атмосферы происходит сгорание метеорных тел, которые видел каждый, кто следил за «падающими звездами». Воздух в верхней части атмосферы очень разрежен и наэлектризован.

Что значит атмосфера для человека?

Недаром говорят, что атмосфера - голубой щит планеты. Атмосфера состав­ляет всего одну миллионную долю от массы земного тара, но ее значение огромно! Она защищает Землю от большинства метеоритов и ультрафиолетовых лучей, чрезмерного охлаждения и перегревания. Кислород, содержащийся в воздухе, обеспечивает жизнь. В нижнем слое атмосферы формируется погода. В атмосфере распространяются запахи и звуки.

В наше время хозяйственная деятельность человека приобрела огромные масштабы. Транспорт и промышленные предприятия особенно сильно загрязня­ют воздух в давно освоенных и густо заселенных районах планеты. Люди ста­раются придумать новые технологии, сокращающие вредные отходы производств. Инженеры разрабатывают все более совершенные модели автомобилей, которые

выделяют меньше ядовитых отработанных газов. В больших городах уделяют много внимания посадке деревьев, особенно вдоль магистралей.

На Земле природа пока поддерживает равно­весие (баланс): кислорода производится пример­но столько же, сколько и потребляется. Но не­которые страны потребляют больше , чем произ­водят. Например, население США составляет только 6% населения мира, но эта страна про­изводит более 20% мировых товаров и потреб­ляет более четверти всех природных ресурсов. На ее территории производится значительно меньше кислорода, чем сжигается. А Россия, наоборот, выполняет важную роль в поддержа­нии мирового экологического равновесия. Терри­тория России - самая большая в мире, около 1/6 части всей суши. У нас огромные площади лесов, и кислорода производится гораздо боль­ше, чем сжигается. Охрана атмосферы так же важна, как и охрана недр и вод.
III . Закрепление

1. Найдите на карте крупные города, в которых воздух сильно загрязнен; Нью-Йорк, Пекин, Москва, Токио.

2. Что такое атмосфера и каков ее газовый состав?

3. Каково строение атмосферы?

4. Каково значение атмосферы для жизни на планете?

5. Объясните зависимость: растения - атмосферный воздух - здоровье людей.

6. Почему необходимо охранять атмосферу?

7. Распределите газы по мере уменьшения их доли в составе атмосферного воздуха: а) углекислый газ; б) кислород; в) азот.

8. Постройте круговую диаграмму «Состав атмосферы», указав долю основ­ных газов в процентах.

9. Прочитайте раздел параграфа «Строение атмосферы» по­пробуйте поставить к тексту как можно больше вопросов. Дайте на них ответы.

10. В городах России быстро растет число автомобилей. Как это влияет на состояние воздуха? Что, на ваш взгляд, следует предпринять?
IV . Домашнее задание: § 23
Урок №18 Нагревание воздуха и его температура. Зависимость температуры от географической широты
Цели: ученики должны знать Изменение температуры и давления воздуха с высотой. Распределение тепла на поверхности Земли, средняя суточная температура. амплитуда колебаний температуры (суточная, годовая).
Ученики должны уметь : определять температуру воздуха, находить зависимость между показателями температуры и широтами земной поверхности, находить среднюю температуру, строить графики хода температур

Оборудование: термометр
(Предварительное задание: дается в начале учебного года)

1. В календаре ежедневно фиксировать показатели изменений в погоде.

ХОД УРОКА

I . Оргмомент. Ребята, что мы знаем о температуре воздуха? Почему утром и вечером холоднее, чем днем, почему в тропиках теплее, чем на полюсе? Почему воздух возле поверхности Земли теплее, чем на высоте? На все эти вопросы мы с вами и ответим в ходе изучения нового материала.

II . Изучение нового материала.

В 1862 году, два англичанина, Глешер и Коксвель, решили подняться на воздушном шаре выше облаков.

Шар полетел вверх очень быстро, и, чем выше он поднимался, тем становилось холоднее. На высоте 3 км англичане достигли облаков.

Когда шар летел сквозь облака, исследователи дрожали от холода и сырости. То, что мы называем облаками, есть густой, холодный туман, в котором ничего не видно.

Кончились облака, стало светло, показалось голубое небо и солнце. Облака казались сверху белым, волнистым полем, словно его покрывал снег. Через разрывы облаков кое-где можно было видеть землю – поля, леса, города, море.

Выше облаков было еще холоднее. На высоте 5 км замерзла вода. Дышать стало трудно, в ушах шумело, сердце сильно билось. Но исследователи решили терпеть до последней возможности и не хотели опускаться. Напротив, они высыпали весь песок из корзинки , так что шар стремительно пошел вверх.

На высоте 8 км один из них почувствовал сильную слабость, он упал без памяти: воздуха стало недостаточно для дыхания.

А шар все поднимался.

Обоим смельчакам угрожала смерть. На высоте 11 км было –24 градуса мороза, а на земле в это время деревья, были покрыты зеленью и трава, пестрела цветами.

Потерявший сознание весь посинел и лежал, как мертвец. Его товарищ, едва дыша, собрал, наконец, последние силы и хотел поднять руки, чтобы взять шнурок от клапана, но они не действовали. Тогда он зубами схватил и потянул шнурок. Клапан открылся – и шар начал спускаться. Через некоторое время оба англичанина спустились на землю.

Вспомните, как был удивлен любимый детский герой Незнайка, узнав, что при подъеме на воздушном шаре становится все холоднее. Должно же быть на­оборот: ведь к Солнцу - ближе?!

1. Почему на такой большой высоте низкие температуры воздуха?

2. Почему на высоте людям, находящимся на воздушном шаре, трудно было дышать?

3. На сколько изменяется температура воздуха и давления с высотой?

Вывод: Значит не только на поверхности суши, но и в горах происходят изменения температуры. Солнечные лучи, проходя через атмосферу, почти не нагревают ее. Нагреваются лишь поверхность Земли и твердые и жидкие тела, до которых доходят солнечные лу­чи. Если бы не было атмосферы, поверхность Земли очень быстро бы отдавала тепло, полученное от Солнца. Так происходит на плане­тах, лишенных атмосферы: на сол­нечной стороне там страшная жа­ра, а на теневой - жуткий холод. А нашу Землю защищает ее воз­душная оболочка. Воздух задержи­вает часть тепла, уходящего от по­верхности Земли, и сам при этом нагревается. А если мы начнем подниматься вверх?

Чем дальше от поверхности Земли, тем меньше тепла туда до­ходит, тем тоньше становится слой атмосферы, и он задержива­ет меньше тепла. Поэтому в гор­ных районах холоднее. Правда, ле­том днем на солнце жарко, но в тени прохладно, а ночью, например , может замерзнуть вода во флягах.

1. Какие изменения с температурой происходят на суше?

2. Почему разные температуры в разных частях Земли? От чего это зависит?

3. А как в течение суток меняются температуры воздуха и почему?

4. Как меняется температура в течение года и почему?

5. Что такое амплитуда температур? Как ее найти?

6 . Как найти среднегодовую температуру воздуха?

Вывод: Температура воздуха на поверхности Земли зависит от угла падения солнечных лучей

Суша разогревается и остывает быстрее, чем водная поверхность.

Какую долю земного тепла задерживает воздух? Это зависит, прежде всего, от его свойств. Влажный воздух задерживает больше идущего от Земли тепла, чем сухой. Если на небе облака, то тепло еще больше задерживается, воздух ос­тывает медленно. Если небо ясное, то остывание идет быстро

Температура воздуха в тропосфере с высотой понижается примерно на 6 °С на каждый километр высоты.

Все мы каждый день интересуемся температурой воздуха, потому что для людей это очень важно. Вы из своего опыта знаете, что температура воздуха ме­няется в течение суток. Почти на всем земном шаре она меняется и по мере смены времен года.

Наиболее точные сведения об изменениях температуры в течение суток получают на метеорологических станциях. Температуру воздуха определяют с помощью термометра, помещенного в метеорологическую будку (рассматриваем термометр). Через определенные промежутки времени (через 3 ч) проводят измерение температуры (в °С), а затем из собранных показателей находят среднее арифметичес­кое значение. Это и есть средняя суточная темпера­тура. Точно так же находят средние значения за ме­сяц или за год.

Кроме того, значения температур в разное время суток используют для составления графиков суточно­го хода температуры. Графики годового хода темпера­туры строят па основе среднемесячных значений.

Определим среднюю суточную температуру воздуха

Измерение температуры на метеорологических станциях производят в строго определенное время и записывают в журнал.

1. Для примера рассмотрим готовую таблицу суточного хода температур.

3. Разделим полученную сумму температур на число измерений: +99 °С:8 = +12 °С. Это средняя суточная температура воздуха.

4. Если в течение суток наблюдались как положительные, так и отрицательные температуры, следует сложить их отдельно и из большего числа вычесть меньшее. Полученную сумму температур делим на число измерений, сохраняя знак делимо­го. Рассчитайте среднесуточную температуру. У вас должно получиться -2 °С.

Посмотрим ваши дневники наблюдения за погодой. Возьмем самый первый месяц, когда вы только начали вести наблюдения – сентябрь.

Выпишем все значения температур этого месяца с положительным знаком (+17 0 , +18 0 , +15 0 , +13 0 , +12 0 , +10 0 , +8 0 , +9 0 , +5 0 , +7 0 , +8 0 , +10 0 , +6 0 , +6 0 , +4 0 , +4 0 , +6 0 , +4 0 , +6 0 , +4 0 , +3 0 , 0 0). Сложим их между собой (+175 0).

Теперь выпишем отрицательные значения температур (-1 0 , -1 0 , -2 0 , -4 0 , -2 0 , -3 0 , -3 0 , -5 0), сложим их между собой (-21 0)

Теперь сложим положительные и отрицательные значения (+175 0 + -21 0 = +154 0)

Разделим получившуюся цифру на количество дней измерений (154 0: 30 =5,1 0)

Таким образом, мы высчитали среднюю температуру воздуха для сентября.

Для того чтобы найти среднюю температуру года необходимо сложить все среднемесячные температуры и разделить на 12 месяцев.

Например:

15 0 +(-10 0) + (-8 0) + 0 0 +10 0 +15 0 +20 0 +15 0 +10 0 +0 0 + (-5 0) + (-10 0) = 23 0

23 0:12= +2 0 С - среднегодовая температура воздуха.

Используя эти статические данные, мы можем построить график, на котором наглядно видно изменение температуры в течение года:

При графическом изображении годового хода температуры воздуха по вертикали откладываем среднемесячные температуры, а по горизонтали названия месяцев. Затем, при помощи перпендикуляров находим точки и соединяем плавной линией – это и будет график изменения температуры воздуха в течение года.

На картах распределение средних температур отражают при помощи изотерм.

Изотермы - это линии, соединяющие точки с одинаковой средней температурой воздуха за определенный промежуток времени.

Обычно показывают изотермы самого теплого и самого холодного месяцев года, т. е. июля и января.

- По климатической карте определите среднюю температуру января и июля для городов: Москва, Санкт-Петербург , Новосибирск, Верхоянск, Волгоград и заполните таблицу.

Также по дневнику наблюдения мы выяснили, что температура в течение суток ме­няется. Разность между самой высокой и самой низ­кой температурой в течение суток называют суточной амплитудой температуры.

Определяя изменение температуры, обычно отмечают ее са­мые высокие и самые низкие показатели. Разница между максимальной и минимальной сред­немесячной температурой за год называется сезонной (или годовой) амплитудой температур. (А 0)

Амплитуду можно определять для суток (суточная амплиту­да), месяца, года. Например, если наибольшая температура за сутки равна +20 °С, а наименьшая - +8 °С, то суточная амплиту­да составит 12 °С (рис. 86).

Определите, на сколько градусов годовая амплитуда в Красноярске больше, чем в Санкт-Петербурге, если средняя температура июля в Красноярске +19°С, а января- -17°С; в Санкт-Петербурге +18 °С и -8 "С соответственно.

Самая высокая температура воздуха зафиксирована в Ливии, в районе г. Триполи (Африка): +58 °С; самая низкая - на российской станции «Восток» в Антарктиде: -89 °С (а также на северо-востоке Сиби­ри - около -71 °С).

- Найдем эти значения на климатической карте.

Самые высокие и самые низкие показатели температур на климатических картах обозначаются парой цифр, стоящих друг над другом: +45 0

Самую высокую температуру отмечают цифрой красного цвета, а самую низкую – цифрой черного цвета.

- Почему утром и вечером холоднее, чем днем?

Каждый день Солнце всходит, поднимается до максимальной высоты, затем снижается и, нако­нец, скрывается за горизонтом. Утром, днем и вечером солнечные лучи падают па по­верхность Земли под разными углами. Поэтому одно и то же количество тепла приходится на разную площадь поверхности. Максимальный нагрев поверхности происходит в солнечный день - когда Солнце достигает наибольшей высоты над горизон­том. Однако па нагревание возду­ха от поверхности Земли нужно время, поэтому наибольшие тем­пературы в течение суток отмеча­ются обычно через два часа пос­ле полудня.

Разница между температурами воздуха в течение суток может сильно меняться. Над океанами и морями она невелика - всего 1-2 °С. Над засушливыми степями и пустыня­ми достигает 20 °С и более. Наличие понижений в рельефе (котловины, горные долины) увеличивает величину суточных колебаний температуры, а раститель­ность (особенно лесная) и облачность уменьшают. Вспомните, что иногда в прог­нозе погоды вы слышите: «В течение дня температура воздуха существенно не изменится». Так бывает в облачные пасмурные дни, потому что облака задержи­вают излучение тепла от поверхности Земли - воздух охлаждается значительно медленнее.

Над морями и океанами разница между утренними, дневными и вечерними температурами невелика.

- Почему в тропиках теплее, чем на полюсе?

Вы уже знаете достаточно, чтобы самим ответить на этот вопрос.

Рассмотрим рисунок 84 на стр. 92 вашего учебника. Вспомните, как Солнце освещает нашу планету: его лучи «упираются» в эква­тор и «скользят» у полюсов. Рассуждаем последовательно.

Все процессы жизнедеятельности живых организмов так или иначе связаны с воздушной средой, воздухом, входящим в состав атмосферы. Благодаря газам, входящим в атмосферу, происходит основной метаболизм, протекают окислительно-восстановительные реакции, связанные с превращением органического вещества в неорганическое и обратно. Атмосферные газы участвуют как в биологическом круговороте веществ на нашей планете, так и в неорганических процессах преобразования одних минеральных веществ в другие. Человек дышит атмосферным воздухом, обменивается с ним энергией и веществами. Человек, растения, здания и сооружения испытывают на себе механическое воздействие во время движения атмосферного воздуха, вступают с атмосферными газами в химические реакции и т.д. Все процессы хозяйственной деятельности человека протекают в атмосфере и зависят от нее. Вот почему атмосфера - это не просто некоторое абстрактное понятие из естествознания, а важная составляющая той среды, в которой происходит градостроительная и архитектурная деятельность. Именно поэтому архитектор должен иметь хотя бы самое общее понятие о том, что же такое атмосфера Земли, из чего она состоит и какими основными свойствами обладает.

Атмосфера является предметом изучения науки метеорологии, и наиболее полное определение этого понятие следующее: атмосфера - это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами , движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли.

Это определение уже многое говорит нам об атмосфере, указывая, во-первых, на ее состав; во-вторых, - на сложное движение, в котором атмосфера принимает участие. То, что метеорологические процессы протекают на движущейся и вращающейся Земле, вызывает появление поворотного ускорения (так называемой силы Кориолиса), которое оказывает непосредственное влияние на формирование типов климата, дифференциацию климатических параметров на различных участках поверхности Земли.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите со средней скоростью 29,8 км/с, одновременно вращаясь вокруг своей оси с запада на восток. Плоскость вращения Земли вокруг Солнца носит название плоскости эклиптики. Земная ось наклонена к плоскости эклиптики под углом 66°34". Благодаря вращению Земли вокруг Солнца и наклону земной оси по отношению к плоскости эклиптики происходит смена времен года.

Основные сведения о состоянии атмосферы получают из метеонаблюдений, являющихся основным методом исследования в метеорологии. Эти наблюдения проводятся на метеорологических станциях, где круглосуточно следят за состоянием атмосферы, восемь раз в сутки (каждые три часа начиная с 00 часов по единому времени нулевого меридиана), проводя синхронные по всей Земле наблюдения однотипными приборами по единой методике (последнее замечание относится к России и странам СНГ). Результаты этих наблюдений немедленно передаются в органы национальных служб погоды и мировые центры данных (МЦД), где по ним составляются синоптические карты и другие материалы, использующиеся для предсказания погоды и иных народно-хозяйственных нужд (прогноза загрязнения воздуха, целей сельского хозяйства, территориального планирования и управления и т.п.). Таким образом, важность метеорологических наблюдений при описании состояния атмосферы трудно переоценить. Даже при математическом моделировании, которое в последние десятилетия наряду с наблюдениями также стало основным инструментом изучения атмосферы, в качестве начальных данных используют результаты фактических наблюдений.

Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом , и как всякий газ воздух характеризуется составом, давлением, температурой и плотностью. Рассмотрим эти основные физические и химические характеристики воздуха.

В смеси газов, составляющих атмосферный воздух, одни имеют постоянную концентрацию, другие - переменную. В табл. 1.1 приводится состав сухого атмосферного воздуха у поверхности Земли, т.е. воздуха, не содержащего водяной пар. В отличие от всех постоянных составных частей воздуха, содержание водяного пара у земной поверхности меняется в очень значительных пределах - от сотых долей до первых нескольких процентов по массе. Поэтому в метеорологии принято отдельно рассматривать состав сухого и влажного воздуха.

Таблица 7.7

Состав сухого воздуха вблизи земной поверхности

Как видно из таблицы, сухой воздух на 99% состоит их двухатомных молекул азота N2 (78% по объему) и кислорода 0 2 (21%), оставшийся 1% почти целиком приходится на аргон (0,93%). Всего 0,03% объема приходится на углекислый газ, содержание же других газов составляет тысячные, миллионные и миллиардные доли процента (в таблице приведены частично), причем все они сохраняют свое газообразное состояние при наблюдающихся в атмосфере температурах и давлении.

Кроме водяного пара существенно меняется содержание в воздухе углекислого газа и озона. Это очень важные составные части атмосферы, значение которых определяется, прежде всего, тем, что они сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают значительное воздействие на температурный режим атмосферы, поверхности Земли и всего, что на ней расположено.

Вода в атмосфере является примером термодинамически активной примеси. Водяной пар ощутимо влияет на плотность воздуха и стратификацию атмосферы. Он способен конденсироваться (или сублимироваться) на имеющихся в атмосфере взвешенных частицах, образуя облака и туманы, выделяя при этом большое количество тепла. При испарении воды, переходе ее из жидкого в газообразное состояние, наоборот, тепло поглощается, затрачиваясь на этот процесс. Как будет показано далее, в основном именно благодаря водяному пару в земной атмосфере создается парниковый эффект - способность атмосферы пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию видимого диапазона и поглощать тепловое (длинноволновое) излучение поверхности и нижележащих слоев атмосферы, вследствие чего температура нижних слоев атмосферы повышается.

Другой важной термодинамически активной примесью является углекислый газ , поступающий в атмосферу в процессе горения, дыхания и медленного («атмосферного») окисления органических веществ. Он также вносит существенный вклад в формирование парникового эффекта, и именно с углекислым газом связывают усиление этого эффекта, происходящее под влиянием антропогенной деятельности.

Озон присутствует в слое атмосферы от поверхности Земли до высоты 60-70 км. Если выразить общее содержание озона в атмосфере толщиной слоя этой примеси при «нормальных условиях» (при температуре 0°С и давлении 1013 гПа), в среднем она составит всего 3 мм. В самом нижнем слое до высоты 10 км его содержание незначительно, затем оно быстро увеличивается и достигает максимума на высоте 20-25 км. Далее содержание озона быстро уменьшается, и на высоте 70 км оно уже в 1000 раз меньше, чем у земной поверхности. Такое вертикальное распределение связано с процессами его образования - в основном озон образуется в результате фотохимических реакций под действием фотонов, несущих высокую энергию и принадлежащих наиболее коротковолновой («жесткой») части солнечного спектра. В результате этих реакций появляется атомарный кислород, который затем соединяется с молекулой кислорода и образует озон. Одновременно происходят реакции распада озона при поглощении им еще более коротковолнового излучения - рентгеновского, очень опасного для всех живых организмов. Таким образом, озон, несмотря на столь малое его количество в атмосфере, защищает все живое на Земле от жесткой части спектра солнечной радиации с длиной волны менее 0,28 мкм, имеющего канцерогенные свойства. При отсутствии этого «озонного щита», по-видимому, жизнь на Земле не могла бы возникнуть, по крайней мере, в известных нам формах.

Первичная атмосфера Земли до появления на ней биологических форм жизни состояла в основном из азота, углекислого газа, водяного пара, водорода и гелия. Кислород в этой «добиотической» атмосфере присутствовал в ничтожных количествах; его накопление началось около 2,5 млрд лет назад и происходило неравномерно. Современный состав воздуха атмосферы Земли установился, по крайней мере, несколько сотен миллионов лет назад. Сформировавшийся в природе круговорот атмосферных газов способствовал тому, что газовый состав атмосферы оставался неизменным до тех пор, пока резко не возросла хозяйственная деятельность человека, в первую очередь добыча и последующее сжигание ископаемых видов органического топлива. В результате этого содержание С0 2 и других газообразных примесей в глобальном масштабе увеличивается (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Некоторые малые газовые составляющие в атмосфере, содержание которых наиболее подвержено антропогенному влиянию

1 В городах России за период с 1996 по 2005 г. концентрация N02 уменьшилась на 13,3%.

За аналогичный период концентрация БО, уменьшилась на 20%.

Перечисленные в табл. 1.2 малые газовые составляющие также всегда присутствуют в атмосфере, хотя их количество может варьировать в различных районах земного шара. Часть этих газов оптически активна, т.е. способна поглощать коротковолновую и длинноволновую радиацию, что делает их чрезвычайно важными с точки зрения климатообразования (например, СН 4 , N20, фреоны). Концентрация этих газов контролируется как природными процессами, так и антропогенной деятельностью. Роль архитектуры в этой ситуации сводится к тому, чтобы архитектурными (пассивными) средствами постараться максимально обеспечить биоклиматиче-скую комфортность внутренней среды зданий и прилегающей к ним территории, снизив тем самым энергопотребление на отопление, кондиционирование и освещение, уменьшив за счет этого количество потребляемого органического топлива и связанными с ними выбросы С0 2 и других парниковых газов.

В состав атмосферного воздуха входят также многочисленные твердые и жидкие примеси, находящиеся во взвешенном состоянии - так называемые аэрозоли. Эти частицы тоже имеют естественное и антропогенное происхождение. Несмотря на то, что общая масса аэрозолей незначительна по сравнению со всей массой атмосферы, они также играют важную роль, влияя на потоки лучистой энергии. Частицы аэрозоля стимулируют образование облаков, тем самым увеличивая планетарное альбедо, т.е. долю отраженной и безвозвратно потерянной для климатической системы Земли солнечной энергии (подробно о потоках радиации будет рассказано в подпараграфе 1.4.1). Кроме того, аэрозоль рассеивает значительную часть солнечной радиации, так что направленная в космос часть рассеянных лучей также теряется для климатической системы и «выпадает» из теплового баланса земной поверхности.

В течение долгой истории Земли количество естественного аэрозоля существенно менялось, поскольку существовали периоды повышенной вулканической активности (способствующие выбросу аэрозолей) и, наоборот, периоды относительного затишья. В настоящее время, как и в случае с углекислым газом, все большее значение приобретает аэрозоль техногенного происхождения - продукт хозяйственной деятельности человека.

Многочисленные исследования установили, что состав сухого воздуха остается постоянным до высоты около 100 км. Подчеркнем, что имеется в виду относительный (процентный) состав воздуха, в то время как абсолютное (по массе) содержание всех атмосферных газов с высотой постоянно убывает. Таким образом, несмотря на огромные объемы газовых примесей и аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу в процессе антропогенной деятельности, пока это не сказалось на процентном содержании основных газов - N2, 0 2 и Аг. За счет этого слой атмосферы толщиной около 100 км получил название гомосферы. В этом слое воздух настолько хорошо перемешивается по вертикали и горизонтали, что не происходит гравитационного разделения газов по плотности, как это было бы в неподвижной атмосфере согласно закону Дальтона.

Вся внешняя часть атмосферы (выше 100 км) характеризуется непрерывным изменением газового состава как с высотой, так и по времени, поэтому данная часть атмосферы носит название гетеросфера. Здесь уже начинается расслоение газов по плотности, которое постепенно увеличивается с высотой. Этот процесс сопровождается диссоциацией молекул на атомы под влиянием жесткого излучения Солнца, а в высоких слоях (выше 1000-1500 км) легкие газы - водород и гелий - вследствие огромных скоростей в разреженном воздухе могут покидать атмосферу, рассеиваясь в мировом пространстве.

В отличие от составляющих сухого воздуха, содержание водяного пара начинает уменьшаться с высотой, начиная с самых нижних слоев. Выше 10-15 км его содержание в воздухе ничтожно мало. В непосредственной близости от земной поверхности содержание водяного пара близко к нулю при очень низких температурах и может достигать 4% при высоких температурах. С учетом различного содержания водяного пара в воздухе в нем несколько уменьшается содержание других газов.

Рассмотренная выше смесь газов создает в каждой точке атмосферы и на земной поверхности определенное давление. Атмосферное давление - скалярная величина, представляющая собой силу, приходящуюся на единицу площади: р = //5. Единицей измерения давления в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (Па). Один паскаль - это давление силой в 1 ньютон (Н), приходящееся на площадь в 1 м 2 . В метеорологии чаще используют другую величину - гектопаскаль (гПа): 1 гПа = 100 Па = 1 мб (миллибар). По величине миллибар и гектопаскаль совпадают, но относятся к разным системам единиц. Кроме того, в быту широко используется внесистемная единица давления - 1 мм ртутного столба (мм рт. ст.).

Среднее давление на уровне моря на широте 45° составляет 1013,3 гПа, или 760 мм рт. ст. Эта величина называется нормальным атмосферным давлением. С физической точки зрения на любой высоте давление представляет собой вес вышележащего столба воздуха единичного поперечного сечения. Вот почему давление с высотой убывает: чем выше расположен уровень, тем меньше масса единичного столба воздуха, а следовательно, и его вес. При этом в нижнем 50-километровом слое атмосферы при каждом удвоении высоты давление уменьшается примерно в два раза, т.е. нелинейно. При дальнейшем увеличении высоты давление начинает убывать по совсем другим законам.

Приведенные к общепонятным величинам, эти цифры говорят

• 0 том, что у земной поверхности давление столба атмосферного воздуха составляет примерно 10 т на 1 м 2 , или примерно 1 кг на
• 1 см 2 . Учитывая, что средняя площадь поверхности человека составляет 1,5 м 2 , получаем, что на тело человека воздействует общее атмосферное давление в 15 т (!), хотя, конечно, мы этого обычно не замечаем, поскольку атмосферное давление уравновешивается упругостью поверхности человеческого тела, его внутренних органов и тканей. Более того, живые организмы используют силу внешнего давления для обеспечения дыхания. Вся система кровообращения действует по принципу разности гидростатических давлений.

С изменением атмосферного давления связаны крупномасштабные изменения погоды, поэтому давление - очень важная метеорологическая величина. Измеряют его в помещении, а не на открытом воздухе (как все прочие метеорологические элементы), поскольку разница между атмосферным давлением в помещении и на том же уровне под открытым небом обычно совершенно незначительна.

Наибольшее атмосферное давление у земной поверхности, приведенное к уровню моря, было зарегистрировано 19 декабря 2001 г. в Монголии и составило 1085,6 гПа. Наименьшее значение составило 850 гПа и было зарегистрировано в США в центре торнадо категории ?-4 24 июня 2003 г. Таким образом, полный размах колебаний атмосферного давления на уровне моря превышает 200 гПа.

Из всех метеорологических элементов давление измеряется точнее всего. Основным прибором для измерения давления на метеорологических станциях служит ртутный барометр , в котором атмосферное давление уравновешивается давлением столба ртути. В этом случае об изменениях давления судят по изменениям высоты ртутного столба.

Знание атмосферного давления по всему земному шару позволяет рассчитать общую массу атмосферы. Если среднее атмосферное давление на уровне моря близко к 1013 гПа, а площадь поверхности суши равна 5,101 10 14 м 2 , то, с учетом рельефа Земли, масса атмосферы М атм = 5,15- 10 15 т, т.е. составляет примерно одну миллионную массы Земли (5,98 10 21 т).

Другой важнейшей характеристикой атмосферы является ее температура (подробно описание температуры воздуха приведено в подпараграфе 1.4.2). У земной поверхности она меняется в широких пределах - размах колебаний приземной температуры воздуха составляет около 150°С. Таким образом, атмосфера по своим физическим свойствам, в том числе температуре, неоднородна как по горизонтали, так и по вертикали, причем наиболее резкие изменения ее физических характеристик происходят как раз в вертикальном направлении. Сильнее всего эти изменения проявляются в изменении температуры воздуха с высотой. По этому признаку в атмосфере четко выделяется четыре слоя: тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера (рис. 1.1).

Температура воздуха

Рис. 1.1. Вертикальное строение атмосферы и изменение температуры воздуха с высотой

Характерной особенностью тропосферы является падение температуры с высотой со средним градиентом 0,65°С/100 м. Она простирается от земной поверхности до высоты 15-17 км в тропиках, 10-12 км - в умеренных широтах и 8-9 км - над полюсами. В ней сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, содержится почти весь водяной пар и возникают почти все облака. В тропосфере развиваются интенсивные вертикальные движения, что приводит к энергичному перемешиванию воздуха. Тропосфера испытывает непосредственное влияние подстилающей поверхности, в наибольшей степени ощутимое в приземном слое воздуха - нижних 50-100 м. Именно здесь особенно резко выражены суточные изменения температуры и наиболее сильно возрастает с высотой скорость ветра. Кроме приземного слоя в тропосфере также выделяется планетарный пограничный слой, или слой трения, который охватывает нижние 1000-1500 м. Движение воздуха в этом слое находится под влиянием трения о земную поверхность, что учитывается при математическом описании этого движения в моделях общей циркуляции атмосферы, используемых для прогнозирования погоды.

Верхняя граница тропосферы, представляющая тонкий переходный слой толщиной 1-2 км, в котором падение температуры с высотой сменяется ее постоянством (или слабым ростом), называется тропопаузой.

Выше тропопаузы до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой, особенно быстро с высоты 35-40 км. Поэтому вблизи своей верхней границы - стратопаузы - стратосфера почти такая же теплая, как воздух у поверхности Земли. Вертикальные движения в стратосфере отсутствуют, поэтому активного перемешивания воздуха не происходит. Водяного пара здесь ничтожно мало, однако на высотах 22-24 км в высоких широтах иногда наблюдаются очень тонкие перламутровые облака, состоящие из переохлажденных капель. Состав воздуха отличается от тропосферного только примесью озона. Как было отмечено, озон эффективно поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца, именно с этим и связан наблюдающийся в стратосфере рост температуры воздуха.

Над стратосферой лежит слой мезосферы, который простирается от стратопаузы до высоты 80-82 км. Здесь температура снова понижается с высотой, иногда до - 110°С в ее верхней части. Как ни удивительно, но даже на таких высотах иногда образуются серебристые облака, по-видимому, состоящие из ледяных кристаллов. Верхней границей мезосферы является переходный слой - мезо-пауза, на уровне которой давление воздуха примерно в 1000 раз меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в нижних 80 км заключается более 99,5% всей массы атмосферы.

Итак, хотя толщина всей атмосферы сравнима с размерами Земли, ее большая часть сосредоточена в тонком (по сравнению с радиусом Земли) слое, прилегающем к земной поверхности. Незначительная толщина основного по массе слоя атмосферы по сравнению с ее горизонтальной протяженностью приводит к тому, что и вертикальные масштабы наблюдаемых в атмосфере явлений и процессов оказываются значительно меньше их горизонтальных размеров. Воздушные массы, циклоны и антициклоны, фронтальные поверхности по горизонтали занимают области в сотни и тысячи километров, а по вертикали распространяются лишь на несколько километров.

Верхняя часть атмосферы, которая простирается над мезосферой, называется термосферой. Здесь температура резко возрастает с высотой до высот 200-250 км, где в годы активного Солнца превышает 1500°С. Столь высокие температуры термосферы отражают тот факт, что молекулы и атомы атмосферных газов движутся здесь с очень большими скоростями, ведь температура и является мерой кинетической энергии. Однако плотность воздуха на этих высотах так мала, что теплосодержание газов здесь ничтожно.

Атмосферные слои, расположенные выше 800-1000 км, выделяются под названием экзосферы - внешней атмосферы. Именно здесь скорости движения частиц газов (особенно легких) настолько велики, что некоторые наиболее быстрые частицы покидают атмосферу и улетают в мировое пространство.

Еще одна очень важная характеристика атмосферного воздуха - его плотность. Плотность (р) представляет собой массу в единице объема и является важной физической характеристикой любого вещества. Плотность вещества выражается в кг/м 3 и, в отличие от других метеорологических величин, не измеряется, а вычисляется. Газы сжимаемы, следовательно, их плотность меняется в широких пределах, в зависимости от температуры и давления. Связь между этими величинами для идеальных газов (каковыми можно считать и сухой, и влажный воздух) устанавливается уравнением состояния газов. Опуская алгоритм преобразований, приведем итоговое выражение для вычисления плотности сухого воздуха:

р = р/Я с,Т,

где р - плотность сухого воздуха (кг/м 3); р - давление (гПа), Т - температура (К), ^ - удельная газовая постоянная сухого воздуха. Эта величина составляет среднюю взвешенную величину удельных постоянных смеси газов, содержащихся в воздухе, и численно равняется: Я с,= 287 м 2 /(с 2 К) = 287 Дж/(кг К).

Если в состав воздуха входит водяной пар, то плотность влажного воздуха уменьшается, поскольку плотность водяного пара меньше плотности сухого воздуха. Эта разница невелика и может измеряться в тысячных долях единицы. Например, при 0°С и давлении 1000 гПа плотность сухого воздуха равняется 1,276 кг/м 3 , а влажного - 1,273 кг/м 3 . При более высоких температурах эта разница может увеличиться на порядок.

Плотность воздуха в каждом месте атмосферы непрерывно меняется во времени, так же, как давление и температура воздуха. Кроме того, она сильно меняется и с высотой. Давление воздуха с высотой всегда уменьшается, а вместе с ним убывает и плотность. Температура с высотой ведет себя сложным образом, но в нижних 10-15 км чаще всего понижается, что должно приводить к повышению плотности. Итогом такого разнонаправленного влияния давления и температуры является понижение плотности с высотой в атмосфере, хотя и не такое сильное, как в случае атмосферного давления. Если бы плотность воздуха не менялась с высотой, оставаясь на всех уровнях такой же, как у земной поверхности, то вся атмосфера сосредоточилась бы в нижних 8000 м.

Итак, как мы увидели из приведенных выше общих сведений об атмосфере и ее составе, практически вся тропосфера охвачена хозяйственной деятельностью человека, поэтому является областью деятельности архитекторов или, по крайней мере, дизайнеров. У земли это городская застройка, состоящая из зданий и сооружений, в настоящее время уже преодолевающих высоту 1000 м. Даже самая низкая застройка может находиться высоко в горах, таким образом достигая половины высоты тропосферы. Выше - это отдельные радиотехнические сооружения и эшелоны полетов самолетов, интерьеры которых являются объектом дизайнерской деятельности. Отсюда можно сделать вывод, что деятельность архитекторов и дизайнеров охватывает всю толщу тропосферы!

Тема «Атмосфера и климаты Земли»

Отвечают на предложенные вопросы

Высказывают свои предположения.

Воспитанники пытаются сформулировать цель урока.

Атмосфера - это воздушная оболочка Земли.

Климат - изменения в состоянии погоды, повторяющиеся в данной местности из года в год.

Погода - это состояние атмосферы: облачность, осадки, температура, сила и направление ветра в данной местности и в данное время.

Читают стихи.

От чего зависит погода?

От места, в котором находишься ты

Его высоты, широты, долготы;

От времени года, ветра, давления;

А так же - от настроения.

Выбирают причины погоды и отвечают:

От времени года, ветра, давления.

Отвечают, какие причины влияют на климат:

географическая широта, рельеф, давление, моря и океаны, течения, ветры, воздушные массы.

Открывают атлас и работают с картой

«Климатическая карта Земли».

Отвечают на поставленные вопросы.

1. г. Каир - температура января = + 16

г. Оймякон - = -32

Холоднее в г. Оймяконе - это зависит от географической широты.

2. г. Дели - температура июля = +16

Антарктида = - 32

Теплее в г. Дели - это зависит от географической широты.

3.Солнечного тепла больше территория получает на экваторе.

4. Читают и дополняют предложения:

чем ближе к экватору, тем теплее;

5.По карте определяют осадки:

в пустыне Сахара - 100 мм - В давление

на острове Ява - 2000 мм- Н давление

6. Добавляют в предложения

пропущенные слова:

у полюсов - высокое давление

на экваторе - низкое давление

7. Читают и дополняют пропущенные слова:

В областях низкого давления - осадков выпадает много.

В областях высокого давления -

Осадков выпадает мало.

8.Читают и дополняют предложения:

Пасмурно, идут дожди - низкое давление.

Ясно, нет осадков - высокое давление.

9. Отвечают на поставленные вопросы:

Постоянные ветры на Земле - это

пассаты, западные ветры, северо - восточные и юго-восточные.

10. Выбирают правильный ответ:

Пассаты- это ветры, дующие от тропиков к экватору.

11. Отвечают на вопрос:

На территорию Курска оказывают влияние западные ветры, которые дуют с запада на восток.

12. Читают и дополняют определение:

Воздушные массы - это большой объем воздуха с одинаковыми свойствами:

1. температурой

2. влажностью

3. запыленностью

13.По карточкам прочитают типы ВМ:

АВМ - Арктическая воздушная масса

УВМ - Умеренная воздушная масса

ТВМ - Тропическая воздушная масса

ЭВМ - Экваториальная воздушная масса

14. По карточке прочитывают погоду и определяют воздушную массу:

а/ холодная, сухая погода - это АВМ

б/жаркая сухая погода - это ТВМ

в/ жаркая влажная погода - это ЭВМ