Функции живого организма в биосфере

 

 На высоте 300 – 400 км. и выше воздух настолько разрежён, что в течение суток плотность его изменяется во много раз. Иссле-дования показали, что это изменение плотности связано с положе- нием Солнца. Наибольшая плотность воздуха около полудня, наименьшая – ночью. Объясняется это отчасти тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излу- чения Солнца.

 

 Изменение температуры  воздуха с высотой происходит  также неодинаково. По характеру  изменения температуры с высотой  атмосфера делится на несколько  сфер, между которыми располагаются  переходные слои, так называемые  паузы, где температура с высотой  мало изменяется.

 

 В таблице приведены  наименования и главные характеристики  сфер и переходных слоёв:

Сфера 

Высота нижней и верхней

 

границы, км. 

Характер изменения

 

температуры с высотой Переходный слой

 

Тропосфера

 

Стратосфера

 

Мезосфера

 

Термосфера

 

Экзосфера 

От поверхности земли до 8 – 17

 

От 8 – 17 до 50 – 55

 

От 50 – 55 до 80

 

От 80 до 800

 

Выше 800 

Понижение

 

Повышение

 

Понижение

 

Повышение

 

– 

Тропопауза

 

Стратопауза

 

Мезопауза

 

Термопауза

 

–

 

 

 

3.1.Тропосфера. Физические  свойства тропосферы в значительной  степени определяются влиянием  земной поверхности, которая является  её нижней границей. Наибольшая  высота тропосферы на- блюдается в экваториальной и тропической зонах. Здесь она достигает 16 – 18 км. и сравнительно мало подвергается суточным и сезонным изменениям. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 8 – 10 км. В средних широтах она колеблется от 6 – 8 до 14 – 16 км.

 

 В тропосфере сосредоточено  более 4/5 массы земной атмосферы  и почти весь содержащийся  в ней водяной пар. Кроме того, от поверхности земли до верхней  границы тропосферы температура  понижается в среднем на 0,65°  на каждые 100 м. Это объясняется  тем, что воздух в тропосфере  нагревается и охлаждается преимущественно  от поверхности земли.

 

 В соответствии с  притоком солнечной энергии температура  по- нижается от экватора к полюсам. Так, средняя температура воздуха у поверхности земли на экваторе достигает +26о, над полярными областями зимой -34°, -36°, а летом около 0°С. Таким образом, разность температур экватор – полюс зимой составляет 60°, а летом лишь 26°.

 

 Энергию атмосферной  циркуляции можно определить  контра- стами температуры экватор – полюс. Так как зимой величина контрастов температуры больше, то атмосферные процессы протекают более интенсивно, чем летом. Этим же объясняется тот факт, что преобладающие западные ветры зимой в тропосфере имеют большие скорости, чем летом. При этом скорость ветра, как правило, с высотой возрастает, доходя до максимума равному около 100 м/сек. на высоте 60 – 65 км. Горизонтальный перенос сопровождается вертикальными перемещениями воздуха и турбулентным движением. Вследствие подъёма и опускания больших объёмов воздуха образуются и рассеиваются облака, возникают и прекращаются осадки. Переходным слоем между тропосферой и вышележащей сферой является тропопауза. Выше неё лежит стратосфера.

 

3.2. Стратосфера простирается  от высот 8 – 17 до 50 – 55 км.Онабыла открыта в начале нашего века. По физическим свойствам стратосфера резко отличается от тропосферы уже тем, что темпера- тура воздуха здесь, как правило, повышается в среднем на 1°–2° на километр поднятия и на верхней границе, на высоте 50 – 55 км, становится даже положительной: +10о. Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием здесь озона (О3), который образуется под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца. Слой озона занимает почти всю стратосферу. Этот слой, границы которого приблизительно соответствуют границам стратосферы, называют озоносферой. Это слой 10 – 60 км, содержащий озон с максимумом на высоте 22- 25 км.

 

 Количество озона неодинаково  над различными частями Земли. Озона больше в высоких широтах, меньше в средних и низких  широтах и изменяется это количество в зависимости от смены сезонов года. Весной озона больше, осенью меньше. Кроме того, происходят непериодические его колебания в зависимости от горизонтальной и вертикальной циркуляции атмосферы. Многие атмосферные процессы тесно связаны с содержанием озона, так как он оказывает непосредственное влияние на поле температуры.

 

 Зимой, в условиях полярной  ночи, в высоких широтах в слое  озона происходит излучение и  охлаждение воздуха. В результате  в стратосфере высоких широт (в  Арктике и Антарктике) зимой формируется  область холода, стратосферный циклонический  вихрь с большими горизонтальными  градиентами температуры и давления, обуславливающий западные ветры  над средними широтами земного  шара.

 

 Летом, в условиях полярного  дня, в высоких широтах в слое  озона происходит поглощение  солнечного тепла и прогревание  воздуха. В результате повышения  температуры в стратосфере высоких  широт формируется область тепла  и стратосферный анти- циклонический вихрь. Поэтому над средними широтами земного шара выше 20 км. летом в стратосфере преобладают восточные ветры, с максимальными скоростями до 70 м/с. на высоте 55–60 км.

 

 Стратосфера очень  бедна водяным паром. Здесь не  происходит бурных процессов  облакообразования и не выпадают  осадки.

 

 Ещё совсем недавно  предполагали, что стратосфера является  сравнительно спокойной средой, где не происходит перемешивания  воздуха, как в тропосфере. Поэтому  считали, что газы в стратосфере  разделены по слоям, в соответствии со своими удельными весами. Отсюда и название стратосферы («стратус» – слоистый). Полагали также, что температура в стратосфере формируется под действием лучистого равновесия, т.е. при равенстве поглощённой и отражённой радиации.

 

 Новые данные, полученные  с помощью радиозондов и метео-рологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха с большими изменениями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, воздух испытывает значительные вертикальные перемешивания, турбулентные движения при сильных горизонталь- ных воздушных течениях. Всё это – результат неоднородного распределения температуры.

 

 Переходным слоем между  стратосферой и вышележащей сферой  является стратопауза.

 

3.3. Мезосфера. Наблюдениями  с помощью метеорологических  ра-кет и другими способами установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50 – 55 км. Выше этого слоя температура вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км.) достигает -75°,-90°. Давление воздуха вверху мезосферы примерно в 200 раз меньше, чем у земной поверхности. На уровне 80 км. от поверхности Земли заключено свыше 99,5% всей массы атмосферы. Далее вновь происходит повышение температуры с высотой.

 

 Интересно отметить, что  характерное для мезосферы пониже- ние температуры с высотой происходит неодинаково на различ- ных широтах и в течение года. В низких широтах падение темпе- ратуры происходит более медленно, чем в высоких: средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен соответст- венно 0,23°— 0,31° на 100 м. или 2,3°— 3,1° на 1 км. Летом он зна­чительно больше, чем зимой. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой.

 

 В верхней мезосфере  на высоте около 80 км. в слое мезопаузы понижение температуры с высотой прекращается и начинаетсяеё повышение. Здесь под инверсионным слоем всумерки или перед восходом солнца при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. На темном фоне неба они светятся серебристо-синим светом. Поэтому эти облака названы серебристыми.

 

 Природа серебристых  облаков ещё недостаточно изучена. Долгое время полагали, что они  состоят из вулканической пыли. Однако отсутствие оптических  явлений, свойственных настоящим  вулканическим облакам, привело  к отказу от этой гипотезы. Затем было высказано предположение, что, серебристые облака состоят  из космической пыли. В последние  годы предложена гипотеза, согласно  которой эти облака состоят  из ледяных кристаллов, подобно  обычным перистым облакам. Уровень  расположения се- ребристых облаков определяется задерживающим слоем в связи с инверсией температуры 1 при переходе из мезосферы в термо- сферу на высоте около 80 км. Так как в подынверсионном слое температура достигает -80° и ниже, то здесь создаются наиболее благоприятные условия для конденсации водяного пара, который попадает сюда из стратосферы в результате вертикального дви­жения или путём турбулентной диффузии. Серебристые облака обычно наблюдаются в летний период, иногда в очень большом количестве и в течение нескольких месяцев.

 

 Наблюдениями за серебристыми  облаками установлено, что летом  на их уровне ветры обладают  большой изменчивостью. Ско- рости ветра колеблются в больших пределах: от 50—100 до не-скольких сотен километров в час.

 

1 Инверсией температуры  в атмосфере называется слой  воздуха, где температура с высотой  повышается вместо обычного понижения.

 

 

3.4. Термосфера. Выше мезосферы  расположена термосфера, для которой  характерно повышение температуры  с высотой. По полученным данным, преимущественно с помощью ракет, установлено, что в термосфере  уже на уровне 150 км. температура воздуха достигает 220°—240°, а на уровне 200 км. более 500°. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500—600 км. превышает 1500°. На основе данных, полученных при запусках искусственных спутников Земли, найдено, что в верхней термо-сфере температура достигает около 2000° и в течение суток значительно колеблется. Возникает вопрос, чем объяснить такую высокую температуру в высоких слоях атмосферы. Напомним, что температура газа - это мера средней скорости движения молекул. В нижней, наиболее плотной части атмосферы молекулы газов, составляющих воздух, при движении часто сталкиваются между собой и мгновенно передают друг другу кинетическую энергию. Поэтому кинетическая энергия в плотной среде в среднем одна и та же. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энергии скорость молекул в промежутке между столкновениями сильно изменяется; к тому же молекулы более легких газов движутся с большей скоростью, чем молекулы тяжелых газов. Вследствие этого температура газов может быть различной.

 

 В разреженных газах  сравнительно немного молекул  весьма малых размеров (лёгких  газов). Если они движутся с  большими скоростями, то и температура  в данном объеме воздуха будет  велика. В термосфере в каждом  кубическом сантиметре воздуха  со- держатся десятки и сотни тысяч молекул различных газов, в то время как у поверхности земли их около сотни миллионов милли- ардов. Поэтому чрезмерно высокие значения температуры в высо- ких слоях атмосферы, показывая скорость перемещения молекул в этой весьма неплотной среде, не могут вызвать даже неболышого нагревания находящегося здесь тела. Подобно тому, как человек не чувствует высокой температуры при ослепительном освещении электрических ламп, хотя нити накала в разреженной среде мгновенно раскаляются до нескольких тысяч градусов.

 

 В нижней термосфере  и мезосфере сгорает, не долетая  до по-верхности земли, основная часть метеорных потоков.

 

 Имеющиеся сведения  о слоях атмосферы выше 60— 80 км. еще недостаточны для окончательных выводов о строении, режиме и процессах, развивающихся в них. Однако известно, что в верхней мезосфере и нижней термосфере режим температуры создаётся в результате превращения молекулярного кислорода (О2) в атомар- ный (О), которое происходит под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. В термосфере на режим температуры боль- шое влияние оказывает корпускулярная, рентгеновская и ультра- фиолетовая радиация Солнца. Здесь даже в течение суток проис- ходят резкие изменения температуры и ветра.

 

3.4.1. Ионизация атмосферы. Наиболее интересной особенностью  атмосферы выше 60—80 км. является её ионизация, т. е. процесс образования огромного количества электрически заряжённых частиц — ионов. Так как ионизация газов является характерной для нижней термосферы, то её называют также и ионосферой.

 

 Газы в ионосфере  находятся большей частью в  атомарном состоянии. Под действием  ультрафиолетового и корпускулярного  излучений Солнца, обладающих большой  энергией, происходит процесс отщепления  электронов от нейтральных атомов  и молекул воздуха. Такие атомы  и молекулы, потерявшие один или  несколько электронов, становятся  положительно заряженными, а свободный  электрон может присоединиться  снова к нейтральному атому  или молекуле и наделить их  своим отрицательным зарядом. Такие  положительно и отрицательно  заряженные атомы и молекулы  называются ионами, а газы —  ионизированными, т.е. полу-чившими электрический заряд. При большей концентрации ионов газы становятся электропроводными.

 

 Процесс ионизации  наиболее интенсивно происходит  в мощных слоях, ограниченных  высотами 60—80 и 220—400 км. В этих слоях  существуют оптимальные условия  для ионизации. Здесь плотность  воздуха заметно больше, чем в  верхней атмосфере, а поступление  ультрафиолетовой и корпускулярной  радиации Солнца достаточно для  процесса ионизации.

 

 Открытие ионосферы  является одним из важных и  блестящих достижений науки. Ведь  отличительной особенностью ионосферы  является её влияние на распространение  радиоволн. В ионизи-рованных слоях радиоволны отражаются, и поэтому становится возможной дальняя радиосвязь. Заряженные атомы-ионы отражают короткие радиоволны, и они вновь возвращаются на земную поверхность, но уже в значительном отдалении от места радиопередачи. Очевидно, этот путь короткие радиоволны совершают несколько раз, и таким образом обеспечивается дальняя радиосвязь. Если бы не ионосфера, то для передач сигналов радиостанций на большие расстояния было бы необходимо строить дорогостоящие радиорелейные линии.