Вставка 3

Сколько весит воздух? На плече каждого из нас давит в среднем 1 т воздуха, но мы не ощущаем, поскольку воздух оказывает на нас давление со всех сторон. На уровне моря нормальное давление воздуха приблизительно составляет 1 кг/см². Вся гигантская масса воздуха у нас над головой весит 5× 10¹⁵ тонн, но это в 266 раз меньше, чем масса воды на Земле, и составляет лишь миллионную долю всей массы Земли. Однако, чем выше, тем атмосферное давление становиться меньше. Так на уровне 3500 м оно падает уже до 700 г/см², а на вершине Эвереста (8848 м) – до 315 г/см² . Воздух там так разряжен, что альпинисты берут с собой запас кислорода.

Почему небо голубое? Цвет неба обусловлен оптическими свойствами молекул газов, из которых состоит атмосферный воздух. Свет Солнца представляет собой смесь всех цветов радуги. Каждый цвет имеет определенную длину волны. Наибольшей длиной волны обладает излучение в красном и желтом диапазоне, а наименьшей – в сине-фиолетовом. Небо имеет голубой цвет, так как молекулы газа сильнее отклоняют короткие световые волны, рассеивающие во все стороны. А вот взвешенные в атмосфере капельки воды рассеивают любые лучи одинаково, как бы смешивая все цвета. Поэтому облака выглядят белыми или серыми. Если голубая, рассеянная радиация теряется прежде, чем свет достигнет наблюдателя (обыч­но в утренние и вечерние часы, когда солнечные лучи проходят большую толщу атмосферы), то Солнце кажется красным диском.

Атмосфера весьма четко расслаивается на концентрические сферы, отличающиеся друг от друга по своим характеристикам. По составу воздуха в атмосфере выде­ляется гомосфера – нижний слой воздуха толщиной 100 км, в котором в результате постоянного движения и перемешивания ат­мосферные газы не расслаиваются по плот­ности. Выше 100 км начинается расслоение газов по плотности, и оно постепенно уве­личивается с высотой: в слое от 100 до 200 км преобладающим газом атмосферы является азот, а выше 1000 км атмосфера состоит главным образом из гелия и водо­рода. Вся внешняя часть атмосферы (выше 100 км) носит название гетеросферы.

Толщина атмосферы равна приблизительно 2 тыс. км, хотя ее верхняя граница как таковая отсутствует.

По характеру распределения темпера­туры по высоте (рис. 18) атмосфера неоднородна и делит­ся на 4 сферы: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу.

1. Тропосферой называется нижний слой атмосферы, в котором температура убывает с высотой (от +14^° С на уровне моря до –55^° С на верхней границы тропосферы). В среднем величина падения тем­пературы с высотой равна 0, 60° С на 100 м. Этот слой атмосферы нагревается снизу от Земли, которая в свою очередь нагревается солнечными лучами. Средняя толщина тропосферы примерно 15 км. Здесь зарождается большинство бурь и ураганов, а циркуляция воздуха постоянно приводит в движение облака. Облака обычно закрывают около половины поверхности Земли. Самый нижний слой тропосферы (50–100 м), непосредственно примыкающий к земной поверхности, но­сит название приземного слоя. В верхней части тропосферы существует слой с постоянной низкой температурой – тропопауза. В тропиках толщина этого слоя 14–16 км, на полюсе тоньше – 8–10 км.

2. Выше тропосферы до высоты 50–53 км лежит стратосфера (второй слой), характеризующаяся тем, что температура в ней в основном растет с высотой. Средняя толщина стратосферы около 40 км. Наиболее интенсивный рост тем­пературы наблюдается с 36 до 50 км, где расположена верхняя граница стратос­феры, называемая стратопаузой. Здесь стра­тосфера почти такая же теплая, как воз­дух у поверхности Земли. Это защитная сфера Земли, т.к. она экранирует Землю от волновой радиации. В этом интервале находится максимальная концентрация трёхатомарного кислорода. Рост темпе­ратуры связан с поглощением солнечной радиации (ультрафиолетовых лучей в диапазоне 220–290 нм) озоном. Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 22–24 км в высоких широтах иногда наблюдаются очень тонкие, так называемые перламутровые облака, состоящие из переохлажденных ка­пель воды. Здесь царит почти полное затишье, поэтому в стратосфере летают реактивные самолеты, избегая турбулентных потоков нижнего слоя.

3. Над стратосферой лежит третий слой – холодная мезосфера. Она простирается до высоты примерно 80–82 км. Ее мощность около 30 км. В мезосфере температура снова понижается с высотой, доходя иногда до –80° С в ее верхней части. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита тур­булентность. Здесь происходит сгорание метеорных частиц. В верхней части мезосферы об­разуются так называемые серебристые об­лака, по-видимому, состоящие из кристаллов воды. Вер­хней границей мезосферы является переход­ный слой, называемый мезопаузой, лежащий на высоте около 82 км. Здесь давление воз­духа примерно в 100 раз меньше, чем у зем­ной поверхности.

Таким образом, в тропосфере, страто­сфере и мезосфере вместе взятых до высо­ты 80 км заключено более 99, 5 % всей мас­сы атмосферы.

Верхняя часть атмосферы, которая про­стирается над мезосферой, называется тер­мосферой. В термосфере температура очень резко возрастает с высотой. В годы актив­ного Солнца она превышает 1500 °С на вы­соте 200–250 км. На больших высотах даль­нейший рост температуры с высотой уже не наблюдается. Только в областях ярких по­лярных сияний температура повышается до 3000°С. Часть термосферы на высоте 1000 км и более называется ионосферой, так как воздух здесь сильно ионизирован: в нем содержится атомарный кислород. В области ионосферы текут интенсивные электрические токи, составляющие десятки тысяч ампер. Эти тока регистрируются на Земле как изменение геомагнитного поля. Ионосфера – самая плотная плазменная оболочка Земли, где повышается аэродинамическое сопротивление движению спутников и пилотируемых кораблей. Магнитные бури в высоких широтах могут полностью блокировать радиоэфир в течение нескольких суток. Кроме этого, магнитные бури по закону электромагнитной индукции генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в солёной воде, искусственных проводниках с низким сопротивлением (линии связи и низковольтных электропередач, трубопроводах, рельсах железных дорог). Добавку постоянного тока часто не выносят трансформаторы переменного тока, что приводит к сильному поглощению энергии, перегреву обмоток и аварии всей системы. По этой причине в 1989 г. половина Канады на несколько часов осталось без электричества.

Атмосферный слой выше 1000 км выделяется под названием экзосферы (внеш­ней атмосферы) или сферы ускользания га­зов, так как благодаря большой разрежен­ности воздуха на этих высотах скорость движения отдельных частиц достигает вто­рой космической скорости (около 11 км/с для незаряженных частиц) и они, покидая ат­мосферу, улетают в мировое пространство, двигаясь по параболическим траекториям. Ускользают обычно атомы водорода и гелия.

Поскольку на движение заряженных частиц здесь оказывает влияние магнитное поле Земли, эта область называется еще и маг­нитосферой. Поток солнечных высокоскоростных частиц, достигая магнитосферы Земли, приводит к её сжатию, что, в свою очередь, вызывает нарушение динамического равновесия в магнитоплазменных оболочках Земли. В результате энергии ударной волны в магнитосфере и ионосфере на поверхности Земли возникают значительные колебания естественных электромагнитных полей (ЭМП). Существенные колебания ЭМП Земли называют магнитными бурями или геомагнитными возмущениями.

Солнечная радиация (солнечное излуче­ние), приходящая к Земле от Солнца, яв­ляется основным источником атмосферных процессов, так как количество тепла, по­лучаемое в среднем за год единицей площади земной поверхности от Солнца, в 30 000 раз больше, чем тепло, идущее из недр Земли, и в 30 млн. раз больше, чем энергия от излучения звезд и планет.

Рассмотрим далее понятие климата и погоды.

Под климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, создающие типичный режим (период 30–40 лет) температуры, увлажнения, циркуляции атмосферы. Климат какой-то местности нельзя рассматривать изолировано. Особенности климата отдельных регионов – это преломление общих закономерностей в конкретной обстановке.

Глобальный климат определяется астро­номическими факторами (светимость Солн­ца, положение и движение Земли в Солнечной системе, наклон оси вращения нашей планеты к плоскости орбиты, скорость вра­щения Земли вокруг своей оси), от кото­рых зависит поступление на Землю солнеч­ной радиации. В формировании климата оп­ределяющую роль играют три основных цикла атмосферных процессов: теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция.

Теплооборот и влагооборот включает в себя сложные процессы преобразования солнечной энергии и обмена ею между атмосферой и поверх­ностью Земли. К теплообороту относится также горизонтальный пе­ренос тепла воздушными течениями. Если бы планета не вращалась вокруг своей оси, воздух циркулировал бы замкнутыми потоками – конвективными ячейками. Поднимаясь над экватором, горячий воздух двигался бы к полюсам, опускался там, охлаждаясь, и возвращался к низким широтам. Вращение Земли осложняет картину – потоки воздуха отклоняются в широтном направлении. Распределение температуры возду­ха по земному шару зависит от следующих основных факторов:

1) величины притока солнечной радиации по широтам;

2) от распределения суши и океана, которые по-разному поглощают солнечную радиацию и по-разно­му нагреваются;

3) строения поверхности суши (рель­ефа);

Континенты Земли по перечисленным признакам разделены на зоны, различающиеся своим климатом: тундра, тайга, умеренная зона, континентальная зона, средиземноморская зона, пустыня, дождевой тропический пояс, саванна. Например, умеренная зона для побережья средней части Северной Америки. Климат мягкий, зимой осадков много, летом меньше, без морозов и жары. Типичный континентальный климат в Красноярске – очень холодной зимой и жарким летом.

Рис. 18. Зависимость температуры воздуха от высоты в разных слоях атмосферы

Систему крупномасштабных воздушных течений на Земле называют общей цирку­ляцией атмосферы. Основными элементами общей циркуляции атмосферы являются циклоны и антициклоны, т.е. вихри размером в несколько тысяч километров, постоянно возникающие в атмосфере.

Вихри с низким давлением в центре и вращением воздуха (в Северном полушарии) против часовой стрелки (циклоны) поднимают вверх теплый воздух, который поступает со стороны. Это наступление холодного фронта. Отступающему теплому воздуху приходится резко подниматься вверх. Воздух охлаждается, а влага, содержащая в нем, высвобождается и образует облака. На горизонте в летний период скапливаются мощные кучево-дождевые облака. Ветер начинает дуть порывами, обрушивается стена проливного дождя, молнии, гром. После грозы, которая длится не более

2-х часов, становится холоднее. С голубого неба над головой снова воссияет «умытое» солнышко. Циклон удаляется. В этом случае холодный фронт надвинулся резко. На смену ему идет область повышенного давления воздуха – антициклон.

Возможен второй сценарий перехода циклона в антициклон (зимний, осенний периоды), когда холодный фронт надвигается медленно. Облачная полоса вдоль фронта значительно шире, а ненастье продолжительнее (моросящие обложные дожди или снегопад).

Вихри с высоким давлением воздуха в центре и вращением (в Северном полушарии) по часовой стрелке (антициклоны) делают обратное – опускают теплый воздух, который затем растекается к периферии. В области высокого давления воздух не поднимается, а опускается вниз, а, потому, как правило, достаточно сухой. Отличительные черты погоды при антициклоне – мало облаков и осадков, слабый или умеренный ветер. Зато в антициклоне заметны колебания температуры на материках в течение суток. В Сибири эта разница может достигать 20–25 градусов, а в Сахаре после 40-градусной дневной жары, возможны ночные заморозки.

Действительно, нет на Земле стихии более подвижной, разнообразной и капризной, чем воздушный океан. Его сиюминутное настроение мы и называем погодой. Состояние атмосферы в данном месте земного шара в данный момент времени называется погодой.

Погода характеризуется следующими показателями: температурой, давлением и влажностью окружающего воздуха. Для жителя умеренных широт лучше всего, чтобы температура воздуха была от + 18^o С до +25^oС. Максимальная температура наблюдается почти + 60^o С в Северной Африке, а минимальная – почти –90^o С на станции «Восток» в Антарктиде. Средняя величина температуры приземного слоя воздуха равна 17, 7 ^о С.

Атмосферное давление на уровне моря – это вес столба воздуха единичного сечения. Если разделить этот вес на ускорение силы тяжести, то получим массу столба равную 1 кг. На уровне моря атмосферное давление равно давлению, которое производит 760 мм рт. столба при температуре ноль градусов Цельсия.

Прямым следствием изменения давления атмосферы является ветер. Отчего дует ветер? Движущей силой всех процессов на Земле является энергия Солнца. При нагревании под действием солнечных лучей воздух расширяется и поднимается вверх. Какой силы ветер благоприятен для человека? Например, 1–3 м/сек – легкое дуновение, при скорости более 20 м/сек начинается шторм, более 30 м/сек – ураган.

Влажность воздуха обычно характеризуется относительной влажностью (%), под которой понимают отношение абсолютной влажности (фактическое количество паров воды при данной температуре) к максимальной, насыщающей воздух. Человек чувствует себя хорошо при относительной влажности от 40 до 75 %.

Другими характеристиками погоды могут быть облачность и осадки.

Климатообразующее зна­чение имеют и циркуляции значительно меньшего масштаба (бризы, климаты города, горно-долинные ветры, и др.), носящие название местной атмосферной циркуляции.

Бризы – ветры у берегов морей и океанов, которые меняют свое направление в течение суток. Днем морской бриз дует с моря на берег, а ночью – с берега на море. Почему?

В пределах больших городов формируются особые климатические условия. Связано это с тем, что территория города всегда прогревается больше на 4–7 ^o С его окрестностей. На окраине города возникает местный атмосферный фронт с более сильными ветрами. К особенностям климата крупных городов относят смог – скопление ядовитого дыма и газа вблизи земной поверхности. Смог висит над городом грязным туманным облаком, причиняя болезни и даже смерть.

Состояние атмосферы определяет метеоусловия на Земле. Существует глобальная система наблюдений – Всемирная служба погоды, которая включает 3, 5 тыс. наземных метеостанций, 700 наземных астрономических станций, метеоспутники и около 5 000 точек на транспортных и научно-исследовательских судах и аэропортах.

3.4. Строение и динамика магнитосферы Земли

Магнитосфера – это самая внешняя оболочка Земли, имеющее форму вытянутой полости. Это первичная защитная сфера Земли, которая встречает удар корпускулярной радиации, не давая ей уничтожить атмосферу. Её существование и строение обусловлено взаимодействием солнечного ветра с дипольным магнитным полем Земли.

У Земли, также как и Меркурия – планет земной группы – есть магнитное поле. Магнитное поле Земли простирается на 20–25 радиусов (радиус Земного шара: экваториальный – 6 378 км, полярный – 6 357 км) и образует третий, «броневой», пояс, окружающей нашу планету наряду с атмосферой и ионосферой.

Магнитное поле Земли находится во взаимосвязи с магнитными полями Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Это солнечный ветер, который представляет собой потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц сильного магнитного поля Солнца. При вспышках на Солнце скорость солнечного ветра возрастает до 1000 км/с. Тогда возникает последовательная серия сжатия и расширения магнитосферы, изменяющих магнитное поле у поверхности Земли.

Изменение параметров солнечного ветра, при проявлениях солнечной активности, сопровождается ускорением вращения Земли, повышением напряжённости магнитного поля Земли и магнитосферы, усиливая магнитный экран нашей пла­неты.

Известно, что параметры угловой скорости вращения Земли определяют уровень напряженности магнитного поля и состояние магнитного экрана, соответствующее энергетическому уровню солнечного ветра. При «спокойном» Солнце эта взаимосвязанная система обеспечивает стабильное равновесие составляющих системы, что и создает нормальные условия жизнедеятельности на планете.

Магнитное поле Земли служит препятствием и защищает себя от мощного потока космических частиц – протонов, альфа-частиц, небольшого количества электронов и других.

В районе полюсов образуются «щели», через которые возможен прорыв горячей плазмы в верхние слои атмосферы. Это северные сияния, иногда возможны полярные сияния (свечение атомов и молекул кислорода и азота на высотах около 12 км).

Все населяющие Землю живые существа возникли и постоянно находятся под воздействием магнитного поля Земли. Известно, что магнитное поле Земли пульсирует с частотой от 8 до 16 колебаний в секунду. Ученые считают, что с такой пульсаций связан головной ритм биопотенциалов головного мозга человека. Хаотически изменяющаяся частота колебаний магнитного поля Земли, например, в период магнитных бурь на Солнце, может навязывать биологическим процессам несвойственные им ритмы.

Представим магнитное поле Земли в виде геоцентрического диполя с наклоном оси в 11, 5 градусов.

Диполь – это маленький магнитик, смещенный в восточном полушарии от центра Земли на 430 км (рис. 19). Силовые линии магнитного поля «входят» в планету вблизи Северного географического полюса и «выходят» вблизи Южного. Напряженность современного магнитного поля Земли составляет около 0, 1 А/м.

Проблема происхождения магнитного поля Земли не может считаться решенной. Общепризнанной является современная гипотеза «магнитного гидродинамо» – возникновения геомагнитного поля за счет конвекции жидкого вещества во внешнем ядре Земли. Она основана на признании существования жидкого внешнего ядра. Внутреннее ядро с глубины 5120 км и до центра (6371 км) сложены твердым веществом.

Тепловая конвекция, т.е. перемешивание вещества во внешнем ядре способствует образованию кольцевых электрических потоков. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра меньше, а в нижних слоях – больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра – во втором.

Рис. 19. Схема магнитного поля Земли

Подобные медленные течения вызывают формирование тороидальных, замкнутых по форме электрических полей. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера. Разные породы в земной коре намагничены по-разному. Наибольшую намагниченность горных пород создают минералы, содержащие железо. Так, в 20-е годы XX века были обнаружены магнитные породы, образующие Курскую магнитную аномалию.

Моделируется по остаточной намагниченности горных пород возможность инверсии магнитного поля в истории Земли. Время, в течение которого происходит изменение знака полярности, может быть до 1000 и 1000000 лет. Многие исследователи считают, что к этим периодам приурочена резкая смена животного и растительного мира: исчезновение одних видов, появление других.

Известно также, что Северный полюс нашей планеты не «стоит» на одном месте. За год он может, совершая сложные круговые движения, «пройти» путь до 100 м. Одни ученые связывают движения полюса с перемещением атмосферных масс, другие – с взаимодействием между ядром Земли и ее мантией, третьи ищут объяснения в перемещениях земной коры.

В последние годы обнаружена связь между сейсмическими процессами внутри литосферы и поведением захваченных частиц в магнитосфере Земли. Это явление легло в основу нового метода прогнозирования землетрясений. Космический аппарат на орбите, проходящей под радиационным поясом, зарегистрирует всплеск высыпающихся частиц, когда будет пересекать широту эпицентра предстоящего землетрясения.

Электромагнитные поля Земли могут оказывать влияние на психоэмоциональное состояние человека. Исследования показали, что функциональное состояние мозга человека зависит от структуры и дозы воздействия естественных электромагнитных полей, что приводит к угнетению аналитического мышления человека. Эти результаты согласуются с работами московских исследователей, которые доказали, что при снижении геомагнитной активности наблюдается рост особо опасных преступлений одновременно в различных областях России (особенно в районах Приполярья и Крайнего Севера).

При геомагнитных возмущениях отмечены развитие полярных сияний, магнитных бурь, рост фона инфразвука, увеличение концентраций родона в атмосфере. Известно, что радон усиливает облучение внутренних органов человека и повышает концентрацию положительных ионов, вызывая физиологические сдвиги в организме. Первыми итогами новой науки гелиобиологии были открытия циклических связей между развитием эпидемий (и эпизоотией) и активностью Солнца (Чижевский А.Л.). Было показано, что активизации всех распространенных инфекционных заболеваний (дифтерии, холеры, гриппа и т.д.) присуща определённая цикличность с периодами 3, 5, 8, 11, 14, и 18–19 лет.

Таким образом, магнитосфера, как результат взаимодействия солнечного ветра и магнитного поля Земли, приводит к ухудшению самочувствия «здоровых людей», к сдвигам в физиологических показателях организма человека, активизации вирусов. В связи и магнитными и ионосферными бурями остро встаёт проблема их прогноза. Для ионосферных прогнозов в мире работают свыше 100 станций, зондирующих ионосферу. Для ионосферных прогнозов сопоставляют гелиофизические карты, на которых нанесена ситуация на солнце и содержание свободных электронов, концентрация которых связана с частотами отражения радиоволн. Прогнозы сообщаются по средствам теле- и радиовещания и публикуются в газетах.