Лекция №2 - Климат и жизнь | Climate and life

Лесная метеорология
Тема №2
• Атмосфера Земли.
• Состав и строение атмосферы
• Атмосфера и лес
(для самостоятельного изучения)
Атмосферой называется газовая оболочка,
окружающая земной шар.
Газ, составляющий эту оболочку, называется
воздухом
Атмосфе́ра – термин происходит от
греческого атмос- пар и сфера- шар).
Внутренняя её поверхность покрывает
земную поверхность(гидросферу и
сушу).
Внешняя- граничит с околоземной
частью космического пространства.
• Высота газовой оболочки Земли составляет
более 2000 км.
•
Точно определить границу атмосферы трудно, так как переход от земной атмосферы
к межпланетному пространству совершается плавно и на больших высотах
плотность воздуха очень мала.
У Земной поверхности плотность воздуха
равна 2,7 х 10 19 мол/см3 .
В пределах околоземного пространства до высоты 30 км
находится около 99% всей массы атмосферного воздуха
• до высоты 20 км находится около 95% всей массы
атмосферного воздуха
• до высоты 10 км находится около 75% всей массы
атмосферного воздуха
• до высоты 5 км находится около 50% всей массы
атмосферного воздуха
Масса атмосферы оценивается примерно в
5,15х1018 кг
- это в миллион раз меньше массы Земли
Воздух – это механическая смесь газов и различных
примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда,
морские соли, продукты горения).
Эти примеси называются аэрозолями.
Концентрация газов, составляющих атмосферу,
практически постоянна, за исключением
водяного пара (H2O) и углекислого газа (CO2)
Состав сухого
воздуха
Содержание газов в воздухе
выражают в % от объема
Постоянные
Азот
Кислород
Аргон
газ
78,08
20,94
0,932
Переменные
Водяной пар
Углекислый
газ
чистого сухого воздуха.
0,5-4
0,032
Неон
1,818×10−3
Гелий
4,6×10−4
Метан
1,7×10−4
Криптон
1,14×10−4
Водород
5×10−5
Ксенон
8,7×10−6
Закись
азота
5×10−5
• Кроме указанных в таблице газов, в
атмосфере содержатся SO2 (диоксид
серы), NH3 (Аммиак, нитрит водорода),
СО (оксид углерода), озон,
углеводороды, а также многие другие
газы в незначительных количествах.
Основные газы атмосферы
Азот. 78%
Образование большого количества азота
обусловлено окислением аммиачноводородной атмосферы молекулярным
кислородом, который стал поступать с
поверхности планеты в результате
фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад.
• Азот окисляется озоном до NO в верхних
слоях атмосферы.
• Азот в метеорологических процессах
инертен.
Основные газы атмосферы
Кислород. 21%
Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на
Земле растений, результате процесса фотосинтеза,
сопровождающегося выделением кислорода и поглощением
углекислого газа.
Первоначально кислород расходовался на окисление
восстановленных соединений — аммиака, углеводородов,
закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др.
• По окончании данного этапа содержание кислорода в
атмосфере стало расти. Постепенно образовалась
современная атмосфера, обладающая окислительными
свойствами.
Кислород обеспечивает дыхание, процессы
горения, окисления и разложения
органического вещества.
• Источники инертных газов —
аргона, гелия и криптона —
вулканические извержения и распад
радиоактивных элементов. Земля в целом и
атмосфера в частности обеднены инертными
газами по сравнению с космосом.
Считается, что причина этого заключена в
непрерывной утечке газов в межпланетное
пространство.
•
Углекислый газ
0,032%
-
поступает в атмосферу при дыхании живых организмов, в
процессе биосинтеза и разложения органики.
Содержание в атмосфере зависит также от вулканической
деятельности и химических процессов в земных оболочках.
-
Практически вся биомасса планеты (около 2,4×1012 тонн)
образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара,
содержащихся в атмосферном воздухе.
-
Регулирует содержание СО2 – океан: хорошо растворяется в воде.
водяной пар
0,5-4 %
• Кроме указанных газов в тропосфере
сосредоточен почти весь водяной пар,
находящийся в непрерывном кругообороте
(испарение - конденсация и кристаллизация и
облакообразование - осадки).
• Содержание водяного пара изменяется от
0,5% до 4% при высоких температурах.
• Большая часть его содержится в нижних
слоях атмосферы и выше 15 км становиться
ничтожно малым.
В нижних слоях тропосферы множество
различных примесей в виде мельчайших
твердых и жидких частиц -АЭРОЗОЛЕЙ.
• Аэрозольное загрязнение атмосферы
обусловлено, как естественными причинами
(извержение вулканов, пыльные бури, вынос
капель морской воды и пыльцы растений и
др.), так и хозяйственной деятельностью
человека (добыча руд и строительных
материалов, сжигание топлива, изготовление
цемента и т. п.).
• Интенсивный широкомасштабный вынос
твёрдых частиц в атмосферу — одна из
возможных причин изменений климата
планеты.
Строение атмосферы.
Атмосфера разделяется по вертикали
на слои.
Такое разделение основано на физических свойствах
атмосферы и характере их изменения по высоте.
Давление и плотность воздуха с
увеличением высоты во всех
слоях атмосферы уменьшается.
Слои в атмосфере выделяют по нескольким признакам,
по
1. характеру изменения температуры с высотой
2. по признаку рассеяния газов
3. по степени ионизации воздуха
4. по характеру взаимодействия с земной поверхностью
Т.е. есть 4 классификации атмосферы
1.
Температурная
по изменению с высотой:
1. тропосфера
2. стратосфер
3. мезосфера
4. термосфера
Тропосфера
Нижний, основной слой атмосферы.
•
•
•
• Основной признак – температура
воздуха убывает с ростом высоты со
средним вертикальным градиентом
0,65°/100 м
Верхняя граница находится на высоте
8—10 км в полярных, 10—12 км в
умеренных и 16—18 км в тропических
широтах; зимой ниже, чем летом.
Содержит более 80 % всей массы
атмосферного воздуха и около 90 %
всего имеющегося в атмосфере
водяного пара. В тропосфере сильно
развиты процессы перемешивания,
тепло и влагооборота.
Средняя годовая температура на
уровне тропопаузы -56 град. Цельсия
Стратосфера
•
•
•
•
Слой атмосферы, располагающийся
на высоте от 11 до 50 км.
Характерно незначительное
уменьшение температуры в слое
выше тропопаузы с 11—15 км
(нижний слой стратосферы) или
(изотермия)
в Стратосфере температура растет
её в слое 20—40 км от −56,5 до 0,8 °С
(верхний слой стратосферы или
область инверсии).
Достигнув на высоте около 40 км
значения около 273 К ( 0° С),
температура остаётся постоянной до
высоты около 55 км. Эта область
постоянной температуры называется
стратопаузой и является границей
между стратосферой и мезосферой.
Озоновый слой
20 км-25 км
прекращение падения
температуры
и повышение ее с
высотой связано
с возрастанием
содержания озона,
который поглощает
ультрафиолетовую
радиацию
– и нагревает
атмосферу и
защищает все живое
на Земле от
губительных УФ
излучений.
О3
• Содержание озона в нижних
слоях атмосферы (до
высоты 10 км) ничтожно.
• Набольшее содержание
приходится на высоты 20 –
25 км.
• Молекулы озона не
встречаются на высотах
более 60 км.
• Максимум содержания озона
приходится на весну,
минимум - на осень, причем
годовая амплитуда
возрастает с широтой.
• Слой озона (озоновый экран)
задерживает большую часть
космического излучения.
Мезосфера
•
начинается на высоте 50 км
и простирается до 80—90 км.
Температура с высотой
понижается со средним
вертикальным градиентом
(0,25—0,3)°/100 м. Основным
энергетическим процессом
является лучистый
теплообмен.
• Мезопауза
• Переходный слой между
мезосферой и термосферой.
• В вертикальном
распределении температуры
имеет место минимум (около
—90 °C).
Термосфера
• Верхний предел — около 800 км.
Температура растёт до высот 200—
300 км, где достигает значений
порядка 1500 К, после чего остаётся
почти постоянной до больших
высот. Под действием
ультрафиолетовой и рентгеновской
солнечной радиации и космического
излучения происходит ионизация
воздуха («полярные сияния»)
2 классификация: по признаку рассеяния
газов
Экзосфера (сфера рассеяния)
• внешняя часть термосферы, расположенная
выше 700 км. Газ в экзосфере сильно
разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в
межпланетное пространство.
• На высоте около 2000—3000 км экзосфера
постепенно переходит в так называемый
ближнекосмический вакуум, который заполнен
сильно разреженными частицами
межпланетного газа, главным образом
атомами водорода.
• температура как и в термосфере очень
высокая.
3. - по степени ионизации
воздуха- ионосфера
• На основании электрических свойств в атмосфере выделяют
ионосферу.
• - это часть термосферы, сильно ионизирующаяся вследствие
облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь,
от Солнца (УФР и рентгеновские лучи).
•
Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и
молекул (в основном азота и кислорода) и квазинейтральной
плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь
примерно равно числу положительно заряженных).
• Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60
километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли.
• простирается от 50-60 км до высоты 2000—3000 км.
4. - по характеру взаимодействия с земной
поверхностью
Пограничный слой атмосферы
• слой трения, планетарный пограничный слой
• прилегающий к земной поверхности слой воздуха, свойства
которого из-за интенсивного турбулентного перемешивания
определяются в основном термическим и динамическим
воздействием подстилающей поверхности.
• Толщина пограничного слоя от 300—400 м до 1—2 км;
• она тем больше, чем больше шероховатость подстилающей
поверхности и чем интенсивнее развита турбулентность, и
поэтому увеличивается с усилением ветра и уменьшением
термической устойчивости атмосферы.
• Через пограничный слой осуществляется теплообмен и
влагообмен между земной поверхностью и расположенной над
ним свободной атмосферой.
Приземный слой атмосферы
ПРИЗЕМНЫЙ СЛОЙ АТМОСФЕРЫ – это нижняя
часть пограничного слоя атмосферы от земной
поверхности до высоты в несколько десятков метров.
В приземном слое атмосферы наблюдается резкое
изменение метеорологических элементов с высотой:
вертикальные градиенты скорости ветра,
температуры и влажности в десятки и сотни раз
превышают соответствующие величины в
вышележащих слоях, но уменьшаются по
абсолютной величине с увеличением высоты. В нем
обычно возникают приземные инверсии
температуры, туманы, заморозки, скапливаются