Строение и состав атмосферы

Атмосфера — газовая оболочка Земли, удерживаемая силой тяжести. Её состав у поверхности почти постоянен: азот примерно 78 %, кислород около 21 %, аргон около 0,9 %, углекислый газ около 0,04 %. Остаток — прочие газы, водяной пар и твёрдые частицы.

Любопытно, что важность газа никак не связана с его долей.

Азот преобладает, но химически малоактивен; он разбавляет кислород, без чего горение стало бы неуправляемым.

Кислород нужен для дыхания и горения. Он не был дан планете изначально: почти весь кислород атмосферы выработан живыми организмами в процессе фотосинтеза за миллиарды лет.

Углекислый газ занимает четыре сотых процента, но играет две ключевые роли: он исходное сырьё для фотосинтеза и главный (после водяного пара) парниковый газ. Именно рост его доли обсуждают, когда говорят об изменении климата.

Озон — форма кислорода, которой в атмосфере ничтожно мало, но сосредоточен он в слое на высоте 20–25 км и задерживает жёсткое ультрафиолетовое излучение. Без озонового слоя жизнь не смогла бы выйти на сушу.

Водяной пар — единственная переменная составляющая: его доля меняется от долей процента в пустыне и Арктике до 4 % во влажных тропиках. Именно пар даёт облака, осадки и туманы; именно он переносит огромные количества тепла.

Твёрдые частицы (пыль, вулканический пепел, соль с поверхности океана) невелики по массе, но необходимы: без них водяному пару не на чем конденсироваться, и облака попросту не образовывались бы.

Атмосферу делят на слои по ходу температуры — по тому, растёт она с высотой или падает.

Тропосфера — нижний слой, 8–10 км над полюсами и 16–18 км над экватором (над тёплым экватором воздух сильнее прогрет и расширен). Здесь сосредоточено около 80 % массы всей атмосферы и практически весь водяной пар, здесь формируются облака, осадки, ветры — словом, вся погода. Температура в тропосфере падает примерно на 6 °C на каждый километр подъёма.

Стратосфера — до высоты около 50–55 км. Водяного пара почти нет, погодных явлений тоже. Температура здесь, наоборот, растёт с высотой, потому что на 20–25 км расположен озоновый слой, поглощающий ультрафиолет и разогревающийся. В нижней стратосфере летают самолёты дальних рейсов: там нет облаков и болтанки.

Выше лежат мезосфера (температура снова падает, там сгорают метеоры), термосфера (температура резко растёт, здесь возникают полярные сияния и летают космические аппараты на низких орбитах) и экзосфера, постепенно переходящая в космос.

Экзаменационные следствия. Первое: раз в тропосфере температура падает с высотой, то метеостанция, расположенная выше по склону, покажет более низкую температуру — это прямо используется в заданиях линии 2. Второе: раз выше лежит меньше воздуха, давление с высотой падает, и станция выше по склону покажет меньшее давление. Оба правила надо помнить как связку, потому что задания просят расставить станции по высоте именно по этим показателям.

Распространённое заблуждение — что воздух нагревается солнечными лучами напрямую. На деле солнечная радиация проходит сквозь прозрачный воздух почти без поглощения, нагревает земную поверхность, а уже поверхность отдаёт тепло воздуху снизу вверх.

Из этого следуют сразу несколько важных вещей.

Почему температура падает с высотой. Источник тепла — внизу, значит чем дальше от поверхности, тем холоднее. Плюс наверху воздух разрежен и хуже удерживает тепло. Средняя величина падения — 6 °C на километр; отсюда вечные снега на вершинах гор, стоящих в тропиках.

Почему максимум температуры не в полдень. Солнце выше всего в 12 часов, но поверхность продолжает накапливать тепло, пока приход превышает отдачу. Поэтому самое жаркое время суток — около 14–15 часов, а самый холодный момент — перед восходом, после всей ночи выхолаживания.

Почему самый тёплый месяц — июль, а не июнь. По той же причине, только в годовом масштабе: солнцестояние 22 июня, а максимум прогрева поверхности наступает через месяц. Самый холодный месяц в Северном полушарии — январь, а не декабрь.

Почему у моря мягче. Вода прогревается и остывает медленнее суши, потому что у неё высокая теплоёмкость, она прозрачна и перемешивается. Поэтому приморские районы имеют прохладное лето и мягкую зиму, а внутренние — жаркое лето и морозную зиму. Мера этого различия — годовая амплитуда температур: разность средних температур самого тёплого и самого холодного месяцев.

Что считают на экзамене: среднюю суточную температуру (сумма измерений делится на их число), суточную и годовую амплитуду (разность максимума и минимума). При отрицательных значениях не забывай знак: от +18 до −22 амплитуда равна 40 °C, а не 4.

Линия 2 почти всегда устроена одинаково: три метеостанции, у каждой даны два показателя, нужно расположить их по высоте или сравнить влажность. Задание решается двумя правилами, если понимать, что от чего зависит.

Правило высоты. С подъёмом давление падает (меньше воздуха над головой) и температура падает (источник тепла — поверхность внизу). Значит, станция с наименьшим давлением и наименьшей температурой лежит выше всех.

Правило влажности. Абсолютная влажность — сколько граммов водяного пара реально содержится в кубометре воздуха. Относительная влажность — какую долю от предельно возможного при данной температуре составляет этот пар, в процентах. Ключ: чем теплее воздух, тем больше пара он способен вместить. Поэтому при одинаковом количестве пара тёплый воздух имеет меньшую относительную влажность, а холодный — большую.

Разбор. «На станциях 1, 2, 3 измерили температуру и относительную влажность. Станция 1: +12 °C, 70 %. Станция 2: +18 °C, 70 %. Станция 3: +5 °C, 70 %. В каком воздухе содержится больше водяного пара?»

Относительная влажность у всех одинакова, значит каждая станция заполнена паром на 70 % своей ёмкости. Но ёмкость разная: чем теплее, тем она больше. Значит, больше всего пара на станции 2 (+18 °C), меньше всего — на станции 3 (+5 °C).

Обратный случай. Если одинаково количество пара, а температуры разные, то относительная влажность выше там, где холоднее. Именно поэтому вечером, когда воздух остывает, выпадает роса: пара столько же, но ёмкость упала до предела. Температура, при которой воздух насыщается, называется точкой росы.

Главная ловушка линии 2: не разобраться, что в условии задано одинаковым — пар или проценты. Прочитай условие дважды и подчеркни постоянную величину.

Парниковый эффект — способность атмосферы пропускать к поверхности коротковолновое солнечное излучение и задерживать уходящее от поверхности длинноволновое тепловое.

Механизм по шагам. Солнце излучает в основном коротковолновом диапазоне; для такого излучения атмосфера почти прозрачна, и оно доходит до поверхности. Поверхность нагревается и начинает излучать сама, но уже в длинноволновом (тепловом) диапазоне. А вот для длинных волн атмосфера непрозрачна: их поглощают водяной пар, углекислый газ, метан. Поглотив тепло, эти газы излучают его во все стороны, в том числе обратно вниз. Так у поверхности задерживается больше тепла, чем пришло бы без атмосферы.

Масштаб эффекта огромен: без него средняя температура планеты была бы примерно −18 °C вместо нынешних +15 °C, и вода на Земле существовала бы только в виде льда. То есть парниковый эффект сам по себе не зло, а условие жизни. Проблемой считают его усиление из-за роста доли углекислого газа и метана при сжигании топлива и сведении лесов.

Бытовая проверка механизма: ясная зимняя ночь всегда холоднее облачной. Облака работают как дополнительное «одеяло», задерживая уходящее излучение; без них тепло уходит в космос, и к утру мороз крепчает. Это же объясняет, почему заморозки на почве случаются именно в ясные тихие ночи и почему садоводы в такие ночи разжигают дымовые кучи.

Как это спрашивают: «объясните, почему в ясную ночь температура понижается сильнее, чем в облачную». Ответ: облака поглощают и отражают обратно длинноволновое излучение поверхности, при ясном небе оно беспрепятственно уходит в космос, и выхолаживание идёт быстрее.

Чтобы выпали осадки, нужно выполнить два условия: воздух должен достичь насыщения и в нём должны найтись ядра конденсации.

Насыщение достигается почти всегда одним способом — охлаждением, потому что ёмкость воздуха по водяному пару резко падает с понижением температуры. А охлаждается воздух эффективнее всего при подъёме: поднимаясь, он попадает в область меньшего давления, расширяется и остывает.

Отсюда простое правило: осадки выпадают там, где воздух поднимается. И четыре типичные причины подъёма дают четыре типа осадков.

Конвективные — воздух поднимается от сильно прогретой поверхности. Характерны для экватора и для летних дней в умеренных широтах: ливни с грозами во второй половине дня.

Фронтальные — тёплый воздух поднимается над холодным на атмосферном фронте. На тёплом фронте — длительные обложные дожди, на холодном — короткие ливни со шквалом.

Орографические — воздух вынужден подниматься по горному склону. Поэтому наветренные склоны гор всегда влажнее подветренных, и именно так объясняется, почему у подножия одного склона лес, а у другого — степь.

Циклонические — восходящие движения в области низкого давления.

Виды осадков: дождь, снег, град выпадают из облаков; роса, иней, изморозь, туман образуются у поверхности, когда охлаждается приземный слой воздуха. Это различение иногда прямо спрашивают.

Практический вывод для заданий: увидев вопрос «почему здесь много осадков», проверь по списку — есть ли восходящие движения из-за прогрева, фронта, гор или циклона. Увидев «почему мало» — проверь нисходящие: пояс высокого давления, подветренный склон, холодное течение, антициклон.

Полезно один раз перечислить, зачем атмосфера нужна, — это готовый материал для вводной части развёрнутого ответа.

Атмосфера даёт кислород для дыхания и углекислый газ для фотосинтеза. Без неё биосфера невозможна в принципе.

Она сглаживает суточные колебания температуры. На Луне, лишённой атмосферы, разница между освещённой и теневой стороной составляет сотни градусов; на Земле благодаря воздуху и парниковому эффекту она измеряется десятками.

Она защищает от излучения и метеоров. Озоновый слой поглощает жёсткий ультрафиолет, а плотные слои сжигают мелкие метеорные тела.

Она переносит влагу с океана на сушу. Без атмосферного переноса на материках не было бы пресной воды.

Главные виды загрязнения: выбросы от сжигания топлива (углекислый и сернистый газ, оксиды азота), промышленная пыль, выхлопы транспорта.

Кислотные дожди образуются, когда сернистый газ и оксиды азота соединяются в атмосфере с водяным паром. Выпадая, такие осадки закисляют почвы и водоёмы, губят хвойные леса и разрушают известняковые здания и памятники. Особенность проблемы в том, что она трансграничная: выбросы промышленного района выпадают за сотни километров, в другой стране, — и это классический пример в заданиях о международном сотрудничестве.

Разрушение озонового слоя связывают с попаданием в атмосферу некоторых промышленных газов; их производство ограничено международным соглашением.

Смог — плотная пелена загрязнённого воздуха над крупным городом; особенно тяжело переносится при антициклоне, когда нисходящие движения и безветрие не дают воздуху перемешиваться и вынос загрязнения прекращается. Связка «антициклон — застой воздуха — рост концентрации примесей» прямо спрашивается.

Сегодняшняя строчка «азот 78 %, кислород 21 %, аргон около 1 %» далась науке двумя веками работы, и каждый шаг стоит знать: он объясняет, почему состав именно такой.

До XVIII века воздух считали простым веществом, одной из четырёх стихий. В 1770-е годы швед Карл Вильгельм Шееле и англичанин Джозеф Пристли независимо получили газ, в котором свеча горела ярче обычного, а мышь жила дольше. Пристли получил его, нагревая оксид ртути линзой.

Смысл открытия объяснил француз Антуан Лоран Лавуазье. Он двенадцать дней нагревал ртуть в закрытом объёме воздуха: часть воздуха исчезла, на поверхности ртути появился красный порошок. Нагрев порошок сильнее, Лавуазье получил обратно ровно тот же объём «жизненного воздуха». Вывод: воздух — не стихия, а смесь, в которой примерно пятая часть поддерживает горение и дыхание, а остальное — нет.

Последняя крупная поправка пришла в 1894 году. Англичане Джон Уильям Рэлей и Уильям Рамзай заметили странность: азот, полученный из воздуха, чуть тяжелее азота, полученного химическим путём. Разница была в доли процента, но она была устойчивой. Значит, в «азоте воздуха» есть примесь потяжелее. Так нашли аргон — газ, который ни с чем не реагирует и потому почти два века оставался незамеченным.

Что из этого важно географу. Кислород атмосферы — продукт фотосинтеза, до появления жизни его практически не было. Углекислый газ, которого в воздухе доли процента, определяет и фотосинтез, и парниковый эффект. Значит, состав воздуха — не данность, а результат работы биосферы, и он менялся вместе с ней.

Слои атмосферы на схеме выглядят как готовое знание. На деле границу тропосферы и стратосферы пришлось нащупывать приборами, поднятыми в воздух.

Сначала были шары-зонды без людей: в конце XIX века французский метеоролог Леон Тейсеран де Бор запускал их сотнями и обнаружил неожиданное — выше примерно 11 км температура перестаёт падать. Это противоречило здравому смыслу, и открытие несколько лет не признавали. Так была найдена стратосфера.

Потом полетели люди. В 1931 году швейцарец Огюст Пиккар в герметичной гондоле стратостата поднялся выше 15 км. В 1933 году советский стратостат «СССР-1» достиг 19 км. В январе 1934 года стратостат «Осоавиахим-1» поднялся выше 22 км, но при спуске гондола разрушилась, и все трое в экипаже погибли. Каждый такой полёт вёз приборы: температура, давление, состав воздуха, космические лучи.

Сегодня основа наблюдений — радиозонд: небольшой шар с датчиками, который передаёт данные по радио и лопается в стратосфере. Их запускают дважды в сутки с сотен станций мира одновременно — именно эти измерения и кормят все прогнозы погоды.

Почему граница тропосферы разная. У экватора мощная конвекция поднимает тёплый воздух выше — тропосфера там до 16–18 км. У полюсов холодный плотный воздух почти не поднимается, и тропосфера сжимается до 8–10 км. То есть высота границы — не произвольное число, а прямое следствие того, насколько активно перемешивается воздух.

Озон — газ, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода. Его в атмосфере ничтожно мало, но именно он поглощает жёсткое ультрафиолетовое излучение и тем самым делает сушу пригодной для жизни.

Как работает механизм. Ультрафиолет расщепляет молекулу обычного кислорода на атомы, те присоединяются к целым молекулам — получается озон. Тот же ультрафиолет озон и разрушает. Идёт постоянный круговорот, и на каждом его витке поглощается излучение — именно это поглощение, а не сам озон, защищает поверхность.

Открытие. В 1985 году британские полярники под руководством Джозефа Фармана опубликовали данные многолетних измерений на антарктической станции Халли: весной содержание озона над Антарктидой падало на десятки процентов. Спутники это тоже видели, но программа обработки много лет отбрасывала такие значения как явную ошибку прибора — настолько они казались невозможными.

Причина. Разрушителями оказались хлорфторуглероды — газы, применявшиеся в холодильниках и аэрозольных баллончиках. Они химически инертны у земли, поэтому спокойно доходят до стратосферы, там ультрафиолет выбивает из них хлор, и один атом хлора успевает разрушить десятки тысяч молекул озона, сам при этом не расходуясь.

Решение. В 1987 году подписан Монреальский протокол, поэтапно запретивший производство этих веществ. Его считают самым успешным экологическим соглашением в истории: наблюдения показывают, что разрушение остановилось и слой медленно восстанавливается. Восстановление занимает десятилетия — вещества, выпущенные в 1970-е, до сих пор в стратосфере.

Правило «с высотой холодает» работает в тропосфере почти всегда — но именно почти, и исключение из него объясняет одну из главных экологических бед крупных городов.

Инверсия — это слой, в котором температура с высотой растёт. Возникает она так: в ясную безветренную ночь земля быстро излучает тепло в космос и остывает; от неё остывает и приземный воздух, а выше, на нескольких сотнях метров, воздух сохраняет дневное тепло. Получается холодный тяжёлый слой внизу и тёплый лёгкий над ним.

Почему это плохо. Обычно нагретый снизу воздух поднимается и уносит с собой всё, что в нём есть, — это и есть естественное проветривание. При инверсии подниматься нечему: холодный воздух внизу тяжелее тёплого над ним, вертикального перемешивания нет. Дым, выхлопы и промышленные выбросы копятся в приземном слое, как под крышкой.

Где инверсии особенно устойчивы. В котловинах и долинах: холодный воздух стекает по склонам вниз и застаивается. Именно поэтому города в горных котловинах — Норильск в окружении плато, Красноярск в долине Енисея, Лос-Анджелес в котловине у океана — регулярно оказываются в дымке при полном безветрии. Зимний сибирский антициклон создаёт инверсии, держащиеся неделями; режим «чёрного неба» объявляют именно в такие дни.

Как это спрашивают. Задание может просить объяснить, почему при одном и том же объёме выбросов загрязнение воздуха в городе бывает то приемлемым, то опасным. Ответ: дело не в объёме выбросов, а в условиях рассеивания — при инверсии и штиле примеси не выносятся вверх и в стороны.