Строй-справка.ру

Отопление, водоснабжение, канализация

Навигация:
Главная → Все категории → Строительная экология

Для того чтобы подойти к современным технологиям очистки воздуха при выбросах промышленных предприятий, а также к охране атмосферы, рассмотрим ее состав и свойства. Атмосфера — это газовая оболочка Земли, ее масса около 5,51 • 1015 т. Состав ее у поверхности Земли: 78% — азота; 20,9% — кислорода; 0,93% — аргона; в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий и др. По характеру изменения температуры с высотой атмосферу разделяют на несколько слоев — сфер. Непосредственно к земной поверхности примыкает тропосфера (см. рис. 1.1). Она простирается на высоте до 10 км над полюсами и до 18 км — над экватором. В этом слое идет непрерывное интенсивное перемешивание воздуха как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к понижению его температуры с высотой примерно на 6,5 °С на 1 км. В тропосфере сконцентрировано 75% всей массы атмосферы, основное количество водяного пара и мельчайших частиц примесей, способствующих образованию облаков. Поэтому тропосферу называют кухней погоды. Верхней границей тропосферы является тропопауза — область, в которой температура перестает понижаться. В среднем она располагается на высоте 11. 12 км. Выше тропопаузы, примерно до 50 км, простирается стратосфера, в которой преобладают слабые воздушные потоки, малое количество облаков и постоянство температуры (до высоты примерно 25 км) -56 °С. С высотой температура начинает повышаться от -56 °С до нуля (в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м) и на уровне стратопаузы (46. 54 км) достигает нуля. Атмосфера регулирует тепловой режим Земли, способствует перераспределению тепла по всей планете. Энергия Солнца частично поглощается почвой и водоемами, морями и океанами, частично отражается в атмосферу. Нетрудно представить себе, каким был бы температурный режим Земли, если бы не было атмосферы: ночью и зимой она сильно охлаждалась бы за счет собственного излучения, а летом и днем перегревалась за счет солнечной радиации. Так происходит, например, на Луне, где нет атмосферы. Но, благодаря тому, что атмосфера представляет собой «одеяло», на Земле не бывает резких переходов от мороза к жаре и обратно. Если бы Земля не была окружена воздушной оболочкой, то в течение одних только суток амплитуда колебаний температуры поверхности планеты достигла бы 200 °С: днем стояла бы сильнейшая жара (более 100 °С), а ночью — мороз (около -100 °С). В действительности средняя температура Земли благодаря атмосфере составляет около 15 °С. Если говорить о другом качестве воздушной оболочки, то она является надежным щитом от ультрафиолетовых (УФ), рентгеновских и космических лучей. Верхние слои атмосферы частично поглощают и частично рассеивают эти лучи. Кроме того, атмосфера защищает нас и от «звездных осколков», и от искусственных спутников Земли и их деталей, со скоростью 11. 64 км/с врезающихся в атмосферу, раскаляющихся в ней за счет трения о воздух и сгорающих на высоте около 60. 70 км. Велико значение атмосферы и в распределении света. Солнечные лучи, падающие на Землю, разбиваются в воздухе атмосферы на миллионы мелких лучей, которые, рассеиваясь, создают равномерное освещение. Наличие в воздухе различных примесей, содержащих главным образом лучи с короткой длиной волны (к ним относятся фиолетовые, синие и голубые) придает небу голубой цвет, но по мере уменьшения плотности и засоренности воздуха, т. е. с уменьшением количества рассеивающих частиц, цвет неба меняется, становится темнее и переходит в густо-синий, а в стратосфере — в черно-фиолетовый. Следует также отметить, что атмосфера является той средой, где распространяются звуки. Благодаря воздуху мы слышим друг друга, пение птиц, шум леса, вой ветра. Воздух имеет массу. Масса 1 м3 сухого воздуха, если его взвесить над уровнем моря при температуре 0 °С, равна 1923 г. Ладонь человека испытывает давление воздуха силой около 1471 Н (ньютон), а на все тело человека воздух давит с силой более 1471 • 103 Н. Но мы не замечаем этого давления благодаря тому, что все тело насыщено воздухом, уравновешивающим внешнее давление. При нарушении этого равновесия наше самочувствие ухудшается: учащается пульс, появляются вялость, безразличие, притупляется острота ощущений. Атмосфера выполняет важнейшую роль перераспределителя влаги на Земле. Вода, поступившая в атмосферу в виде пара, переносится на огромные расстояния и затем снова выпадает на Землю. При самом слабом дожде (1 мм осадков) на каждый 1 м2 поверхности приходится около 1 кг воды, а на 1 га — 10000 кг, или 10 т. Для испарения 1 т воды, т.е. для обратного процесса, требуется затратить около 2512 Дж (джоуля) теплоты. Ранее говорилось о составе атмосферы. Газовый состав ее неоднороден, его составляют кислород (02), азот (N2), углекислый газ (С02), водород (Н2), аргон (Аг2), озон (03), гелий (Не2), неон (Ne2) и ксенон (Хе2). В атмосфере всегда присутствует водяной пар, количество которого непостоянно и колеблется от 0 до 4% по объему. Вода в атмосфере находится во всех трех агрегатных состояниях: газообразном (водяной пар), жидком (капли дождя) и твердом (кристаллики снега и льда). Конденсация водяных паров приводит к образованию облаков. Атмосферная влага, теряемая в результате выпадения осадков, пополняется за счет поступления новых порций испаряющейся воды. Полное обновление состава паров в атмосфере происходит за 9. 10 дней. Таким образом, атмосферная влага является самым активным звеном круговорота воды в природе. Для человека очень важны температура, влажность и движение воздуха, которые существенно воздействуют на его организм. Благодаря терморегуляции организм человека переносит изменения температуры и приспосабливается к различным климатическим условиям. Оптимальная для человека влажность 40. 60%. Сухой воздух при всех условиях переносится человеком хорошо, а вот повышенная влажность неблагоприятна, так как при высокой температуре она способствует перегреванию, а при низкой — переохлаждению организма. При высокой температуре (до 37 °С) ветер предохраняет человека от перегревания, а при низкой — способствует переохлаждению. В атмосферном воздухе присутствуют аэрозоли и ионы. Аэрозоли в окружающей среде — довольно частое явление. Облака, целительные фитонциды, морской воздух, насыщенный солями, — все это полезные аэрозоли. Но есть и вредные аэрозоли: выхлопы двигателей внутреннего сгорания, дым и прочие источники. Аэрозоли наблюдаются как в тропосфере, так и в верхних слоях атмосферы, концентрация их убывает с высотой. Каждый 1 см3 воздуха, которым мы дышим в городе, содержит от 10 до 100 тыс. мельчайших частиц, в горах и сельской местности — около 5 тыс., а над океаном еще меньше. Ионы в атмосферном воздухе образуются под действием земного радиоактивного излучения и космических лучей. Легкие ионы с отрицательным зарядом оказывают положительное влияние на живой организм. В 1 м3 воздуха их может содержаться от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. Искусственно ионизированный воздух улучшает обмен веществ, благотворно действует на живой мир. В городах, где воздух загрязнен, ионов в атмосфере значительно меньше. Свежий горный воздух, лесной или морской воздух хорошо действует на весь организм человека, повышает сопротивляемость к различным заболеваниям. Объясняется такое явление большим содержанием отрицательно заряженных ионов кислорода, которые и оказывают благотворное влияние на человека. Неравномерность прогревания воздуха солнечной энергией приводит к горизонтальным градиентам давления, которые и определяют перемещения масс воздуха вокруг Земли. Кроме горизонтального градиента давления на перемещение воздуха действует сила Кориолиса, возникающая при вращении Земли. Эта сила отклоняет поток воздуха вправо (на север). Сила Кориолиса зависит от скорости ветра, местности (гористая или равнинная) и угловой скорости вращения Земли. Она максимальна на полюсах и равна нулю на экваторе. С точки зрения очистки воздуха от загрязнения при возникновении циклонов такие погодные условия в принципе хороши: восходящий поток разносит загрязняющие вещества по поверхности Земли, а дождь или снег вымывает их из атмосферы. Хуже погодные условия при антициклонах. С ними связана хорошая в бытовом понимании погода, когда дождя и снега нет и, как правило, солнечно; воздух опускается и оседает. Переходя в нижние слои атмосферы, где давление больше, воздух сжимается и температура его растет. Оседание воздуха при антициклонах часто не доходит до поверхности Земли. Тогда прогретый воздух, задерживаясь на некоторой высоте, может способствовать образованию температурной инверсии, при которой высокие слои воздуха нагреты больше, чем нижние. При этом нарушается нормальная циркуляция воздуха и под покровом нижнего слоя воздуха (в теплое время суток они остывают) накапливаются различные загрязнения. Такая инверсия происходит на высоте от сотен метров до 1. 2 км. Ночью может образоваться двойной инверсионный слой, что еще более способствует накоплению отравляющих веществ в приземном слое. Однако регулирование теплового режима в атмосфере зависит и от условий распределения местных ветров в конкретном районе, которые вообщем-то формируются под воздействием явлений общей атмосферной циркуляции и локальных условий. Выделяют семь важнейших типов местных ветров. 1. Так называемые муссоны, которые меняют два раза в год свое направление: с океана на сушу они дуют летом, а с суши в сторону океана — зимой. Причина возникновения муссонов заключается в большой разности давлений атмосферного воздуха — над сушей и океаном. Это обусловливается их неодинаковым нагревом летом и зимой. 2. Бризы — ветры меньших масштабов с суточной периодичностью по берегам морей и крупных озер. Дневной бриз дует с водоема на нагретое побережье, ночной — с охлажденного побережья на водоем. Бризы обычно распространяются на 10. 50 км по обе стороны от береговой линии и на высоту нескольких сотен метров. Выше воздух переносится в обратном направлении. 3. Фен (от нем. Fohri) — сухой и теплый (часто сильный) горный ветер, дующий с гор в долины. Эти свойства фена обусловлены адиабатическим нагревом воздуха при его нисходящем движении. 4. Бора (от итал. bora и гр. boreas — северный ветер) — местный сильный (до 40. 60 м/с) холодный ветер в некоторых приморских районах, где невысокие горные хребты граничат с теплым морем (например, на Адриатическом побережье Югославии, на Черноморском побережье в районе Новороссийска). Направлен бор вниз по склонам в направлении теплого моря. Бор обычно отмечается зимой. 5. Шквал (от англ. squall) — резкое, кратковременное (минуты и десятки минут) усиление ветра, иногда до 30. 70 м/с с изменением его направления чаще всего при грозе. Возникновение шквалов связано с кучевыми облаками и их передвижением. 6. Смерч — атмосферный вихрь, возникающий в грозовом облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности Земли, в виде темного облачного «рукава» или «хобота» диаметром в десятки и сотни метров. Смерч существует недолго, перемещаясь вместе с облаком. Смерч может причинить большие разрушения. При низком давлении в данном месте с воздухом в вихрь может быть втянута пыль с земной поверхности или вода. Смерч над сушей называется также тромбом (в США — торнадо). 7. Ветер долин и гор — чем-то напоминает местный тип ветра-фёна. Вследствие нагревания воздуха в приземном слое в горных долинах образуются восходящие ветры, направленные от дна долины вверх по склонам. Ночью сильное излучение дает охлаждение контактирующего с земной поверхностью воздуха и сползание холодных воздушных масс по склонам ко дну долины. Влияние этого ветра зависит, естественно, и от рельефа местности, и от полезащитных лесонасаждений. Поток ветра, достигающий полезащитных лесонасаждений, как бы (частично) огибает их, проходя над ними, а частично проникает и сквозь них в зависимости от ширины и частоты деревьев и кустарников полезащитной полосы, теряя при этом скорость. В результате с подветренной стороны образуется аэродинамическая тень, т.е. полоса со сниженной скоростью ветра. Протяженность этой полосы по горизонтали кратна средней высоте деревьев. Сомкнутые лесные массивы слабо проницаемы для ветра, и ветер проносится над кронами деревьев. Одним из важнейших свойств атмосферы является ее устойчивость к рассеиванию загрязнителей. Если атмосфера устойчива и в ней отсутствуют вертикальные перемещения воздуха и турбулентное перемешивание, в такой атмосфере антропогенные загрязнители остаются в том месте, где они были выброшены, т.е. вблизи поверхности Земли и источников загрязнения. На рассеивание загрязнителей в атмосфере влияет конвективное и турбулентное перемешивание. Высота слоя перемешивания различна и в большей степени она зависит от времени года и суток. Чем больше слой перемешивания загрязнителей (выбросов), тем ниже их концентрация в атмосфере. Значительное загрязнение воздуха в приземном слое наблюдается при высоте конвективного слоя перемешивания менее 1,5 км. Между тем эта высота зависит от воздействия солнечной радиации, когда воздух у поверхности Земли нагревается и приобретает подъемную силу. Чем выше разница температуры воздуха по высоте (температурный градиент), тем больше ускорение воздуха за счет подъемной силы. При сверхадиабатическом процессе градиент температуры отрицателен, что отражает неустойчивость атмосферы. При положительном градиенте атмосфера устойчива. Когда градиент температуры равен нулю, атмосфера считается нейтральной. Следует отметить, что и атмосфера неоднородна. Она неоднородна не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Кроме того, воздух никогда не находится в полном покое, он постоянно трансформируется. Особенно интенсивно изменяются физические свойства воздуха при его перемещении из одних широт в другие или с суши к океану и наоборот. Вместе с тем воздух, перемещаясь над различными участками поверхности (горы, леса, болота, степи, океаны), изменяет свои физические свойства и происходит его трансформация. Поэтому воздушные потоки, приходящие, например, с севера (с учетом изменения высоты) повышают температуру на 4. 5°С/сут и воздух становится неустойчивым, а при обратном движении происходит ее понижение, особенно у поверхности Земли. Воздушные потоки у поверхности Земли имеют различные направления и формируют теплые и холодные, устойчивые и неустойчивые массы воздуха. При горизонтальном направлении воздушные потоки (теплые или холодные) могут сближаться или удаляться друг от друга. Зоны, в которых происходит сближение масс воздуха, называют атмосферными фронтами, которые непрерывно возникают и разрушаются. Ширина фронтальных зон относительно невелика, но в них, как правило, концентрируются наибольшие запасы энергии, и они образуют крупнейшие вихри-циклоны и антициклоны. Атмосферные фронты перемещаются вместе с воздушными массами, но они могут оставаться некоторое время на месте. В зоне атмосферных фронтов можно часто наблюдать облачность и осадки. При восходящем движении воздуха (вследствие разности скоростей) зафронтальный воздух движется быстрее. Фронт имеет высоту 2. 3 км, достигая иногда 8. 10 км. Чем мощнее фронт, тем продолжительнее и обильнее осадки. Длина теплого фронта может достигать 1000. 2000 км, а в перпендикулярном направлении — 500. 700 км. Все зависит от массы воздушных потоков. Холодный атмосферный фронт отличается от теплого прежде всего тем, что при его движении у самой поверхности Земли из-за трения фронтальная полоса холодного воздуха на высоте до 2 км становится более узкой.

Читайте так же:  Очищение сосудов препараты

Навигация:
Главная → Все категории → Строительная экология

Состав и строение атмосферы

Состав и строение атмосферы

Атмосфера (от греч. atmos — пар и spharia — шар) — воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, протекающими на нашей планете, а также с деятельностью живых организмов.

Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли, так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде.

Верхняя граница на высоте 2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство.

Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.

Если бы не было атмосферы, на Земле была бы такая же тишина, как на Луне. Ведь звук — это колебание частиц воздуха. Голубой цвет неба объясняется тем, что солнечные лучи, проходя сквозь атмосферу, как через линзу, разлагаются на составляющие цвета. При этом рассеиваются больше всего лучи голубого и синего цветов.

Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на живые организмы. Также она удерживает у поверхности Земли тепло, не давая нашей планете охлаждаться.

Строение атмосферы

В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по температуре и плотности (рис. 1).

Тропосфера

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км.

Рис. 1. Строение атмосферы Земли

Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Поэтому температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.

В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы, находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С.

На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.

В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризован- ность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.

В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Состав атмосферы

Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО2 примерно на 10-12 %.

Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

Молекулярная масса, ед.

от 0 до 0,000007 летом;

от 0 до 0,000002 зимой

От 0 ло 0,000002

Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.

Кислород, в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода — окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.

Роль углекислого газа в атмосфере исключительно велика. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов, гниения и представляет собой, прежде всего, основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе. Кроме этого, огромное значение имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаст так называемый парниковый эффект, о котором речь пойдет ниже.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает и озон. Этот газ служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, а поглощение солнечной радиации ведет к нагреванию воздуха. Средние месячные значения общего содержания озона в атмосфере изменяются в зависимости от широты местности и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание основных газов (азота, кислорода, аргона) с высотой изменяется незначительно: на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86 %, кислорода — 19, аргона — 0,91, на высоте же 95 км — азота 77, кислорода — 21,3, аргона — 0,82 %. Постоянство состава атмосферного воздуха по вертикали и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Кроме газов, в воздухе содержатся водяной пар и твердые частицы. Последние могут иметь как естественное, так и искусственное (антропогенное) происхождение. Это цветочная пыльца, крохотные кристаллики соли, дорожная пыль, аэрозольные примеси. Когда в окно проникают солнечные лучи, их можно увидеть невооруженным глазом.

Особенно много твердых частиц в воздухе городов и крупных промышленных центров, где к аэрозолям добавляются выбросы вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива.

Концентрация аэрозолей в атмосфере определяет прозрачность воздуха, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли — ядра конденсации (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — способствуют превращению водяного пара в водяные капли.

Значение водяного пара определяется прежде всего тем, что он задерживает длинноволновое тепловое излучение земной поверхности; представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги; повышает температуру воздуха при конденсации водяных наров.

Читайте так же:  Черная осетровая икра полезные свойства

Количество водяного пара в атмосфере изменяется во времени и пространстве. Так, концентрация водяного пара у земной поверхности колеблется от 3 % в тропиках до 2-10 (15) % в Антарктиде.

Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 1,6-1,7 см (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно водяного пара в различных слоях атмосферы противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, града и снега.

Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере, именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака нередко закрывают около 50 % всей земной поверхности.

Количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры воздуха.

В 1 м 3 воздуха при температуре -20 °С может содержаться не более 1 г воды; при 0 °С — не более 5 г; при +10 °С — не более 9 г; при +30 °С — не более 30 г воды.

Вывод: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нем содержаться.

Воздух может быть насыщенным и не насыщенным водяным паром. Так, если при температуре +30 °С в 1 м 3 воздуха содержится 15 г водяного пара, воздух не насыщен водяным паром; если же 30 г — насыщен.

Абсолютная влажность — это количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха. Оно выражается в граммах. Например, если говорят «абсолютная влажность равна 15», то это значит, что в 1 м Л содержится 15 г водяного пара.

Относительная влажность воздуха — это отношение (в процентах) фактического содержания водяного пара в 1 м 3 воздуха к тому количеству водяного пара, которое может содержаться в 1 м Л при данной температуре. Например, если по радио во время передачи сводки погоды сообщили, что относительная влажность равна 70 %, это значит, что воздух содержит 70 % того водяного пара, которое он может вместить при данной температуре.

Чем больше относительная влажность воздуха, т. с. чем ближе воздух к состоянию насыщения, тем вероятнее выпадение осадков.

Всегда высокая (до 90 %) относительная влажность воздуха наблюдается в экваториальной зоне, так как там в течение всего года держится высокая температура воздуха и происходит большое испарение с поверхности океанов. Такая же высокая относительная влажность и в полярных районах, но уже потому, что при низких температурах даже небольшое количество водяного пара делает воздух насыщенным или близким к насыщению. В умеренных широтах относительная влажность меняется по сезонам — зимой она выше, летом — ниже.

Особенно низкая относительная влажность воздуха в пустынях: 1 м 1 воздуха там содержит в два-три раза меньше возможного при данной температуре количество водяного пара.

Для измерения относительной влажности пользуются гигрометром (от греч. hygros — влажный и metreco — измеряю).

При охлаждении насыщенный воздух не может удержать в себе прежнего количества водяного пара, он сгущается (конденсируется), превращаясь в капельки тумана. Туман можно наблюдать летом в ясную прохладную ночь.

Облака — это тог же туман, только образуется он не у земной поверхности, а на некоторой высоте. Поднимаясь вверх, воздух охлаждается, и находящийся в нем водяной пар конденсируется. Образовавшиеся мельчайшие капельки воды и составляют облака.

В образовании облаков участвуют и твердые частицы, находящиеся в тропосфере во взвешенном состоянии.

Облака могут иметь различную форму, которая зависит от условий их образования (табл. 14).

Самые низкие и тяжелые облака — слоистые. Они располагаются на высоте 2 км от земной поверхности. На высоте от 2 до8 км можно наблюдать более живописные кучевые облака. Самые высокие и легкие — перистые облака. Они располагаются на высоте от 8 до 18 км над земной поверхностью.

Науколандия

Статьи по естественным наукам и математике

Свойства атмосферы

Атмосфера как одна из оболочек планеты является самой подвижной и легкой. Воздух атмосферы дает возможность дышать живым организмам, так как содержит кислород. Атмосфера препятствует проникновению на поверхность Земли вредных космических лучей, защищает от падения мелких метеоритов, которые сгорают в ней и др.

Из-за того, что на Земле есть атмосфера, у нас нет суточных резких колебаний температуры. Днем атмосфера не пропускает много солнечного тепла, но и ночью не отдает тепло от поверхности в космос.

Благодаря атмосфере мы можем слышать звуки. В пустом пространстве они не передаются, поэтому в космосе царит тишина.

На высоте примерно 20-25 км в атмосфере находится озоновый слой, который задерживает губительное для живых организмов коротковолновое излучение. Озон представляет собой молекулы, состоящие из трех атомов кислорода. Обычные молекулы кислорода (те, что содержатся в воздухе и которым мы дышим) состоят из двух атомов.

Озоновый слой может разрушаться от выброса химических веществ промышленностью. В результате образуются озоновые дыры. Важно не допускать их образования.

Чем больше в атмосфере водяного пара, углекислого газа и пылевых частиц, тем больше она задерживает тепло. В результате воздух особенно в нижних слоях перегревается и возникает так называемый парниковый эффект. В атмосфере всегда содержится определенное количество водяного пара, углекислого газа и взвешенных частиц. Однако сейчас наблюдается повышение углекислого газа выше нормы, а также загрязнение атмосферы в результате человеческой деятельности. В результате температура на Земле может повысится, что приведет к таянию ледников и затоплению прибрежных зон.

На состав атмосферы оказывают влияние живые организмы, особенно растения. Благодаря им атмосфера обогащается кислородом, который используется для дыхания подавляющим большинством организмов. Человек также вносит свой вклад в атмосферу, загрязняя ее.

Атмосфера определяет климат местности. В тропосфере (нижнем слое атмосферы) образуются облака, осадки, ветер, переносятся массы воздуха разной температуры.

Земная атмосфера: состав, строение, свойства

Атмосфера — это некая газовая защитная оболочка, окружающая всю нашу планету (само слово образовано от греческих «пар» и «шар»).

Вообще говоря, простирается она тысяч на 10 километров от земной поверхности, но атмосферой принято называть лишь ту её часть, что вращается вместе с планетой вокруг оси (это вся область, примерно на 1000-1300 км от поверхности).

Хотя многие проводят границу на отметке 118 километров над уровнем моря и всё, что находится ниже, называют её атмосферой — это также верное определение.

Состав и строение атмосферы

Строение атмосферы нашей планеты весьма непростое. Она включает в себя несколько слоёв, обладающих различными свойствами.

Различаются они между собой по содержанию элементов, массе, давлению, температуре и иным показателям. К примеру, на самый нижний слой, тропосферу, приходится порядка 80% массы всей атмосферы. А самой высокой температурой обладает термосфера (до 1200 °C).

Состоит атмосфера нашей планеты из некоторых газов и других веществ, таких как пыль, капельки воды, кусочки льда, продукты горения. Но двумя основными составляющими атмосферы являются азот (78% объёма) и кислород (21%).

Атмосферные явления

Наблюдая за атмосферой, можно рассчитывать изменения погоды и климата. Занимаются этим две науки — метеорология и климатология.

Расчёт происходит по многим параметрам, таким как атмосферное давление, влажность воздуха, температура, скорость ветра и т.д. Благодаря этому, с довольно высокой вероятностью, можно предсказать различные явления, формирующиеся в атмосфере: выпадение осадков, образование тумана, молнии, смерч и многое другое.

Свойства атмосферы Земли

Кислород в атмосфере содержится примерно до отметки в 115 километров над уровнем моря. Однако, высота в 5 километров является непреодолимой для большинства людей, так как именно на этой высоте появляется кислородное голодание (у нетренированных людей). А вот на высоте 9 километров дышать вообще почти невозможно.

На высоте всего лишь в 20 километров человек на открытом воздухе практически мгновенно умрёт. Это связано с тем, что давление кислорода постепенно падает с увеличением высоты, но давление углекислого газа и воды в наших лёгких почти не меняется. Из-за этого на высоте в 20 километров начинается кипение жидкости в организме (если вы не находитесь в герметичном салоне). Таковы особенности взаимодействия газов.

Чем выше от поверхности Земли — тем разреженнее становится воздух. На высоте около 100 километров уже не действуют привычные законы аэродинамики. Также на этой высоте становится невозможным распространение звуков.

На этой же высоте невозможно передавать тепло каким-либо способом, кроме теплового излучения. Перемешивание воздуха (конвекция), как это происходит в нижних слоях атмосферы, просто не осуществляется.

Атмосферные проблемы

В атмосфере Земли возникает множество проблем. Некоторые из них вызваны деятельностью человека, а некоторые — иными факторами. Так или иначе, эти проблемы могут оказать серьёзное влияние на жизнь людей.

К атмосферным проблемам относятся загрязнение воздуха, разрушение озонового слоя, глобальное потепление и иные.

Что такое воздух и атмосфера Земли

Атмосфера — это часть газовой оболочки вокруг планеты. С внутренней стороны она покрывает водяную и земную часть планеты, а с внешней граничит с околоземным космическим пространством. Одной из основных её функций является создание климатических условий, которые изучаются такими науками, как метеорология и климатология.

Согласно официальным научным исследованиям атмосферный воздух сформировался из выделенных газов в следствие вулканических извержений. При появлении океанов и биосферы дальнейшее её образование происходило при газообмене с водой, растительным и животным миром и продуктами их жизнедеятельности и разложения.

На сегодняшний момент в атмосфере содержатся газообразные и твёрдые вещества (пыль, морские минералы, продукты горения и другие).

Процентное содержание воды и углекислого газа практически неизменно в отличие от других веществ. Самый большой процент из химических элементов приходится на азот, его в атмосфере около 76–78%. Затем, по убыванию идут кислород (около 22%), аргон (около 1%), углерод в виде углекислого газа (менее 1%) и множество других элементов, чьё содержание в воздухе составляет также менее 1%. Благодаря этим веществам люди, животные, растения и другие организмы могут нормально существовать на планете.

Польза атмосферы неоценима, так как именно благодаря ей существует всё живое на планете. Люди и животные живут, вдыхая кислород, а растения – поглощая углекислый газ, которые содержатся в воздухе. Но чтобы понять, насколько важна атмосфера, необходимо изучить все её слои и их влияние на планету. Таких оболочек современная наука насчитывает 5: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера.

Слои атмосферы

  • Тропосферой называется самый первый слой атмосферы, над поверхностью планеты. Именно в ней и содержится необходимое соотношение веществ, позволяющих дышать существам, населяющим планету. В этой части атмосферы происходит движение циклонов и антициклонов в виде облаков и круговорот воды в природе.
  • Стратосфера и мезосфера содержат в себе накопление озона, которое называется озоновым слоем. Известно, что он защищает от вредного воздействия ультрафиолетовых и инфракрасных излучений, которые являются частью солнечного света. Также эти слои защищают всё живое на планете от радиации космических лучей.
  • Термосфера и Экзосфера являются верхними пределами атмосферы планеты Земли и состоят из ионизированного воздуха. Именно в этих слоях под действием радиоактивного солнечного и космического излучения образуется «полярное сияние».
Читайте так же:  Лечебные санатории новосибирска

Благодаря тому, что были изучены химический состав и физические свойства всех слоёв атмосферы, человеку открылись новые возможности, такие, как полёт в небо и космос. Люди научились прогнозировать климатические изменения и узнали о тех местностях, где воздух является полезным и даже целебным для здоровья. Но самое главное, это всё-таки то, что все живые существа могут дышать и находится под защитой от вредоносных космических излучений благодаря атмосфере. Без неё наша планета не сильно бы отличалась от безжизненной Луны, Марса и других планет солнечной системы.

Значение атмосферы

Значимость атмосферы воздуха неоценима, но не стоит забывать о том, что современная техника и производство наносят колоссальный вред и разрушают защитные атмосферные оболочки. Эти процессы могут привести к катастрофе планетарного масштаба. Например, химические вещества, широко применяемые в производстве аэрозолей, устройств кондиционирования и подачи тёплого воздуха, противопожарные системы и т. д. являются разрушающими озоновый слой . В результате чего появляются озоновые дыры, через которые проходят на землю ультрафиолетовые и инфракрасные солнечные лучи в небезопасном количестве, что приводит к повреждению кожных покровов и сетчатки глаза.

Также нельзя оставить без внимания и «парниковый эффект». Это процесс накопления в нижних слоях атмосферы различных газов, которые появляются в результате промышленной деятельности человека. Газовые выбросы поднимают температуру воздуха, что приводит к таянию льдов и повышению уровня мирового океана. В недалёком будущем может настать момент, когда вся суша планеты покроется водой и наступить всемирное затопление.

Зная о пользе атмосферы воздуха и о способах её разрушения, каждый человек должен задуматься над тем, не является ли его жизнедеятельность губительной для окружающей среды. Да, возможно, ещё не одна сотня или тысяча поколений потомков сможет прожить на планете в безопасности и, одновременно, губя её техническими достижениями. Но всё-таки стоит не забывать о пользе атмосферы и её значении для всего живого и быть более гуманными по отношению к ней.

Атмосфера земли и физические свойства воздуха

Привет, друзья!

Эта тема должна была появится на сайте одной из первых. Ведь самолеты и вертолеты – атмосферные летательные аппараты. Атмосфера Земли – их, так сказать, среда обитания . А физические свойства воздуха как раз и определяют качество этого обитания . То есть это одна из основ. И об основе всегда пишут вначале. Но сообразил я об этом только сейчас. Однако лучше, как известно, поздно, чем никогда… Коснемся этого вопроса, в дебри и ненужные сложности однако не залезая .

Итак… Атмосфера Земли. Это газовая оболочка нашей голубой планеты. Такое название всем известно. А почему голубая? Просто потому, что «голубая» ( а также синяя и фиолетовая ) составляющая солнечного света (спектра) наиболее хорошо рассеивается в атмосфере, окрашивая ее тем самым в голубовато-синеватые, иногда с оттенком фиолетового тона (в солнечный день, конечно ).

Состав атмосферы Земли.

Состав атмосферы достаточно широк. Перечислять в тексте все составляющие не буду, для этого есть хорошая иллюстрация.Состав всех этих газов практически постоянен, за исключением углекислого газа ( СО2 ). Кроме того в атмосфере обязательно содержится вода в виде паров, взвеси капель или кристаллов льда. Количество воды непостоянно и зависит от температуры и, в меньшей степени, от давления воздуха. Кроме того атмосфера Земли (особенно нынешняя) содержит и определенное количество я бы сказал «всякой гадости» . Это SO 2 , NH 3 , CO , HCl , NO , кроме того есть там пары ртути Hg . Правда все это находится там в небольших количествах, слава богу .

Атмосферу Земли принято делить на несколько следующих друг за другом по высоте над поверхностью зон.

Первая, самая близкая к земле — это тропосфера . Это самый нижний и, так сказать, основной слой для жизнедеятельности разного вида. В нем содержится 80% массы всего атмосферного воздуха (хотя по объему она составляет всего около 1% всей атмосферы) и около 90% всей атмосферной воды. Основная масса всех ветров, облаков, дождей и снегов – оттуда. Тропосфера простирается до высот порядка 18 км в тропических широтах и до 10 км в полярных. Температура воздуха в ней падает с подъемом на высоту примерно 0,65º на каждые 100 м.

Зона вторая – стратосфера . Надо сказать, что между тропосферой и стратосферой выделяют еще одну узкую зону – тропопаузу . В ней прекращается падение температуры с высотой. Тропопауза имеет среднюю толщину 1,5- 2 км, но границы ее нечетки и тропосфера часто перекрывает стратосферу.

Так вот стратосфера имеет высоту в среднем от 12 км до 50 км. Температура в ней до 25 км остается неизменной (порядка -57ºС), затем где-то до 40 км повышается примерно до 0ºС и далее до 50 км остается неизменной. Стратосфера – относительно спокойная часть атмосферы земли. Неблагоприятные погодные условия в ней практически отсутствуют. Именно в стратосфере располагается знаменитый озоновый слой на высотах от 15-20 км до 55-60 км.

Далее следует небольшой пограничный слой стратопауза , температура в которой сохраняется около 0ºС, и затем следующая зона мезосфера. Она простирается до высот 80-90 км, и в ней температура падает примерно до 80ºС. В мезосфере обычно становятся видны мелкие метеоры, которые начинают в ней светиться и там же сгорают.

Следующий узкий промежуток – мезопауза и за ней зона термосфера . Ее высота – до 700-800 км. Здесь температура опять начинает повышаться и на высотах порядка 300 км может достигать величин порядка 1200ºС. Далее она остается постоянной. Внутри термосферы до высоты около 400 км расположена ионосфера. Здесь воздух сильно ионизирован из-за воздействия солнечной радиации и обладает большой электропроводностью.

Следующая и, вобщем-то, последняя зона – экзосфера . Это так называемая зона рассеяния . Здесь в основном присутствует очень сильно разреженный водород и гелий (с преобладанием водорода). На высотах порядка 3000 км экзосфера переходит в ближнекосмический вакуум.

Вот примерно где-то так. Почему примерно? Потому что слои эти достаточно условны. Возможны различные изменения высоты, состава газов, воды, величины температуры, ионизации и так далее. Кроме того существует еще немало терминов, определяющих строение и состояние атмосферы земли.

Например гомосфера и гетеросфера . В первой атмосферные газы хорошо перемешаны, и их состав достаточно однороден. Вторая расположена выше первой и такого перемешивания там уже практически нет. Газы в ней разделяет гравитация. Граница между этими слоями расположена на высоте 120 км, и называется она турбопауза .

С терминами пожалуй покончим, но обязательно еще добавлю, что условно принято считать, что граница атмосферы расположена на высоте 100 км над уровнем моря. Эта граница называется Линия Кармана .

Добавлю еще две картинки для иллюстрации строения атмосферы. Первая, правда, на немецком, но зато полная и достаточно легка в понимании . Ее можно увеличить и хорошо рассмотреть. Вторая показывает изменение температуры атмосферы с высотой.

Строение атмосферы Земли.

Изменение температуры воздуха с высотой.

Современные пилотируемые орбитальные космические аппараты летают на высотах около 300-400 км . Однако это уже не авиация, хотя область, конечно, в определенном смысле близкородственная, и мы о ней еще непременно поговорим .

Зона авиации – это тропосфера. Современные атмосферные летательные аппараты могут летать и в нижних слоях стратосферы. Например практический потолок МИГ-25РБ – 23000 м .

Полет в стратосфере.

И именно физические свойства воздуха тропосферы определяют каким будет полет, насколько будет эффективна система управления самолета, как будет влиять на него турбулентность в атмосфере, как будут работать двигатели.

Первое основное свойство – это температура воздуха . В газодинамике она может определяться по шкале Цельсия либо по шкале Кельвина .

Температура t1 на заданной высоте Н по шкале Цельсия определяется:

t1 = t- 6,5Н , где t – температура воздуха у земли.

Температура по шкале Кельвина называется абсолютной температурой , ноль по этой шкале – это абсолютный ноль. При абсолютном нуле прекращается тепловое движение молекул. Абсолютный ноль по шкале Кельвина соответствует -273º по шкале Цельсия.

Соответственно температура Т на высоте Н по шкале Кельвина определяется:

T = 273K + t – 6,5H

Давление воздуха . Атмосферное давление измеряется в Паскалях (Н/м 2 ), в старой системе измерения в атмосферах (атм.). Существует еще такое понятие как барометрическое давление. Это давление, измеренное в миллиметрах ртутного столба при помощи ртутного барометра. Барометрическое давление (давление на уровне моря) равное 760 мм рт. ст. называется стандартным. В физике 1 атм. как раз и равна 760 мм рт.ст.

Плотность воздуха . В аэродинамике чаще всего пользуются таким понятием, как массовая плотность воздуха. Это масса воздуха в 1 м 3 объема. Плотность воздуха с высотой меняется, воздух становится более разреженным.

Влажность воздуха . Показывает количество воды, находящееся в воздухе. Существует понятие « относительная влажность ». Это отношение массы водяного пара к максимально возможной при данной температуре. Понятие 0%, то есть когда воздух совершенно сухой может существовать вобщем-то только в лаборатории. С другой стороны 100%-ная влажность вполне реальна. Это означает, что воздух впитал в себя всю воду, которую мог впитать. Что-то типа абсолютно «полной губки». Высокая относительная влажность снижает плотность воздуха, а малая, соответственно повышает.

В связи с тем, что полеты самолетов происходят при разных атмосферных условиях, то и их полетные и аэродинамические параметры на одном режиме полета могут быть различными. Поэтому для правильной оценки этих параметров введена Международная стандартная атмосфера (МСА) . Она показывает изменение состояния воздуха с подъемом на высоту.

За основные приняты параметры состояния воздуха при нулевой влажности:

давление P = 760 мм рт. ст. (101,3 кПА);

температура t = +15°C (288 К);

массовая плотность ρ = 1,225 kg/m 3 ;

Для МСА принято (как уже было сказано выше ), что температура падает в тропосфере на 0,65º на каждые 100 метров высоты.

Стандартная атмосфера (пример до 10000 м).

Таблицы МСА используются при градуировании пилотажно-навигационных приборов, а также для штурманских и инженерных расчетов.

Физические свойства воздуха включают в себя также такие понятия как инертность, вязкость и сжимаемость.

Инертность – свойство воздуха, характеризующее его способность сопротивляться изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Мерой инертности является массовая плотность воздуха. Чем она выше, тем выше инертность и сила сопротивления среды при движении в ней самолета.

Вязкость . Определяет сопротивление трения об воздух при движении самолета.

Сжимаемость определяет изменение плотности воздуха при изменении давления. На малых скоростях движения летательного аппарата (до 450 км/ч) изменения давления при обтекании его воздушным потоком не происходит, но при больших скоростях начинает проявляться эффект сжимаемости. Особенно сказывается его влияние на сверхзвуке. Это отдельная область аэродинамики и тема для отдельной статьи .

Ну вот кажется пока все… Пора закончить это слегка нудноватое перечисление, без которого однако не обойтись . Атмосфера Земли, ее параметры, физические свойства воздуха также важны для летательного аппарата, как и параметры самого аппарата, и о них нельзя было не упомянуть.

Пока, до следующих встреч и более интересных тем

P.S. На сладкое предлагаю посмотреть ролик снятый из кабины спарки МИГ-25ПУ при его полете в стратосферу. Снимал, видимо, турист, у которого есть деньги для таких полетов . Снято в основном все через лобовое стекло. Обратите внимание на цвет неба…

Полезные свойства атмосферы земли