1. Движение воздуха. Газовый состав воздуха

Движение атмосферного воздуха происходит вследствие неравномерного нагревания земной поверхности солнцем. Благодаря этому возникает разница в величинах температуры и давления на различных участках земной поверхности, чем и обусловливаются перемещения воздушных масс как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях (ветры).

Рисунок 1 - Влияние температуры на относительную влажность воздуха [10, с. 290]

При неизменном количестве воды в воздухе относительная влажность увеличивается, когда температура падает (рисунок 1). Если воздух охлаждается до температуры ниже точки водонасыщения (100%), происходит конденсация и выпадают осадки [10, с. 293].

Атмосфера - важная часть экосферы, с которой она связана биогеохимическими циклами, включающими газообразные компоненты. Это такие, как круговороты углерода, азота, кислорода и воды. Большое значение имеют и физические свойства атмосферы. Так, воздух оказывает лишь незначительное сопротивление движению и не может служить опорой для наземных организмов, что непосредственно сказалось на их строении. Вместе с тем некоторые группы животных стали использовать полет как способ передвижения. Особо следует отметить, что в атмосфере постоянно происходит циркуляция воздушных масс, энергию которой поставляет Солнце [10, с. 295].

Примечание: 1 - теплый воздух; 2 - охлажденный воздух; 3 - зоны высокого давления; СЕ - пассаты; СД - доминирующие юго - западные ветры; GH - полярные северо-восточные ветры

Рисунок 2 - Упрощенная схема общей циркуляции воздушных масс атмосферы [13, с. 320]

Результатом циркуляции является перераспределение водяных паров, так как атмосфера захватывает их в одном месте (где вода испаряется), переносит и отдает в другом месте (где выпадают осадки). Если же в атмосферу поступают газы, в том числе загрязняющие, такие, как двуокись серы в промышленных районах, то система атмосферной циркуляции перераспределит их и они выпадут в других местах, растворенные в дождевой воде (рисунок 2). От тропических широт - поясов повышенного давления в каждом полушарии воздух направляется с одной стороны к экватору, с другой - к умеренным широтам. При этом он откланяется вправо в северном и влево в южном полушарии. Между тропиками и экватором дуют пассаты, они имеют северо - восточное направление в северном полушарии и юго - восточное в южном. Воздух, направляющийся от тропических широт в умеренные, отклоняется к востоку. Поэтому в умеренных широтах господствуют западные ветры - западный перенос воздуха. Из высоких широт в умеренные дуют ветры с преобладанием восточной составляющей. На границах материков и океанов ветры зимой дуют с материка на океан, а летом, наоборот, с океана на материк - это муссоны. Муссонные ветры особенно хорошо выражены в умеренных широтах, где разница между температурой зимы и лета особенно велика. Местное нагревание или охлаждение суши в любом участке земного шара сопровождается соответственно понижением или повышением давления, приводит к образованию сравнительно кратковременных, но мощных воздушных течений, так называемых циклонов и антициклонов. В центре циклона нагретый воздух поднимается в верхние слои атмосферы, где он охлаждается и движется к периферии. В то же время внизу от периферии к центру направляются более холодные слои воздуха, которые движутся против часовой стрелки вихреобразно вследствие вращения земли вокруг своей оси. В результате такой циркуляции атмосферного воздуха, захватывающей при своем перемещении огромные пространства земной поверхности, сила ветра в циклонах может достигнуть больших величин и привести к катастрофическим последствиям. Погода, как правило, становится пасмурной и сопровождается выпадением атмосферных осадков. Противоположная картина имеет место при антициклонах, сопровождающихся обычно сухой и ясной погодой. Помимо циклонов и антициклонов, на земной поверхности встречаются различные местные ветры. К ним относятся бризы - периодические ветры, образующиеся вследствие разницы температур на суше и воде; они дуют днем с моря на сушу, а ночью в обратном направлении; горные ветры, происхождение которых объясняется неравномерным нагревом склонов гор и долин, вследствие чего образуются восходящие воздушные потоки днем снизу вверх, ночью в обратном направлении; фен - очень сухой и теплый ветер, образующийся в горных районах и губящий растительность. Движение воздуха принято характеризовать направлением и скоростью. Направление движения воздуха определяется по точке горизонта, откуда дует ветер. Весь горизонт разбивают на восемь румбов: север, северо-восток, восток, юго - восток, юг, юго - запад, запад, северо - запад. Обозначая промежуточные румбы, указывают оба румба, между которыми находится данное направление, ставя первым по порядку основной румб (обычно пользуются начальными буквами названий стран света). Например, если направление ветра находится между севером и северо-востоком, то промежуточный румб называется ССВ (северо - северо - восток). Для изучения преобладающих направлений ветров используют специальную схему, получившую название "роза ветров". Так как для каждой местности характерна известная повторяемость направления ветра, то представляется возможным для обозначения этой повторяемости построить специальный график, характеризующий наиболее часто встречающееся, т. е. преобладающее, направление. Для этой цели на соответствующих линиях румбов откладывают отрезки, длина которых обозначает количество повторений направления ветра в процентах к общему числу всех ветров за период наблюдения (год, сезон, месяц). Концы этих отрезков соединяют прямыми линиями, получая таким образом график, характеризующий господствующие в данной местности ветры. значение розы ветров заключается в том, что она дает возможность получить наглядное представление о господствующих в данном районе ветрах и в соответствии с этим планировать строительство жилых кварталов, детских учреждений, больниц, санаториев и др. Рациональное размещение их по отношению к промышленным предприятиям предохраняет эти объекты от отрицательного влияния ветров, приносящих с собой различные атмосферные загрязнения (пыль, дым, вредные газы и пр.) Скорость измеряется длиной пути, пройденного ветром в единицу времени (метры в секунду). Скорость движения воздуха - существенный фактор, оказывающий влияние на теплообмен человека наряду с температурой и влажностью воздуха. При низкой температуре большая скорость движения воздуха способствует охлаждению организма. Скорость движения воздуха оказывает определенное нервно - психическое действие. Прохладный и умеренной силы ветер тонизирует организм, а сильный и продолжительный вызывает возбуждение и раздражение. Неприятен также для человека и постоянный шум ветра Прибор, с помощью которого устанавливают направление ветра, называется флюгером; для определения скорости движения воздуха служит анемометр.

Движение воздуха в наружной атмосфере имеет существенное значение. Роль ветров заключается прежде всего в том, что благодаря перемешиванию воздушных масс происходит перенос тепла, холода и влаги из одних районов в другие, чем обусловливается смена погоды. Влияние движения воздуха на организм заключается в том, что оно как при высоких, так и при низких температурах в большинстве случаев усиливает теплоотдачу. Но при высоких температурах это повышение теплоотдачи улучшает самочувствие, а при низких играет отрицательную роль, способствуя переохлаждению, что может резко понизить сопротивляемость организма к простудным заболеваниям. Неблагоприятной представляется также роль больших скоростей движения воздуха в закрытых помещениях (сквозняки).

Ничто другое не является столь важным для жизни на Земле и в то же время так редко замечается, как окружающий нас атмосферный воздух. Жизнь человека и большинства других живых существ невозможна без дыхания. Прекращение дыхания даже на несколько минут влечет за собой прекращение жизнедеятельности. Наша планета Земля отличается от других планет наличием воздушной оболочки, атмосферы, атмосферного воздуха. Газовая оболочка спасает все живущее на Земле от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Верхние слои атмосферы частично поглощают, частично рассеивают эти лучи. Атмосфера защищает нас и от "звездных осколков" [10, с. 302]. Атмосферный воздух - смесь различных газов. В его составе 78,08% азота, 20,9% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа, других газов (гелий, метан, неон, ксенон, родон и др.) около 0,01%.Важнейшая составляющая атмосферного воздуха - кислород [13, с. 360]. Именно он поглощается в легких человека из вдыхаемого воздуха. Взамен выделяется углекислый газ (двуокись углерода). Другая очень важная часть - это озон. Хотя его содержание очень мало (одна часть на сто тысяч частей воздуха), он выполняет жизненно важную роль, являясь преградой губительному для жизни ультрафиолетовому излучению Солнца. Без озона жизнь на Земле была бы совершенно иной, чем она есть сейчас. В его отсутствие до поверхности Земли доходило бы гораздо более сильное ультрафиолетовое излучение. А последствия воздействия даже его малой части хорошо знают те, кто получал солнечные ожоги. Благодаря присутствию в воздухе углекислого газа и водяного пара температура воздуха у земли оказывается существенно выше, чем если бы их не было. Другими словами, Воздух - естественная смесь газов (главным образом азота и кислорода - 98-99 % в сумме, а также углекислого газа, воды, водорода и пр.) образующая земную атмосферу.

Кислород (0₂) жизненно необходим почти для всех обитателей планеты. Это активный газ. Он участвует в химических реакциях с другими газами атмосферы. Кислород активно поглощает лучистую энергию. Кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы). В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения молекула кислорода распадается на атомы. Атомарный кислород, соединяясь с молекулой кислорода, образует новое вещество - трехатомный кислород или озон (0₃). Озон в основном находится на больших высотах. Там его роль для планеты исключительно благотворна. У поверхности Земли озон образуется при грозовых разрядах. В отличие от всех других газов в атмосфере, которые не имеют ни вкуса, ни запаха, озон имеет характерный запах. В переводе с греческого языка слово "озон" означает "остро пахнущий". После грозы этот запах приятен, он воспринимается как запах свежести. В больших количествах озон является отравляющим веществом. В городах с большим количеством автомобилей, а значит и большими выбросами автомобильных газов, в безоблачную или малооблачную погоду под действием солнечных лучей образуется озон. Город окутывается желто-синим облаком, видимость ухудшается. Это фотохимический смог.

Азот (N₂) - нейтральный газ, он, не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в поглощении лучистой энергии.

До высот 500 км атмосфера в основном состоит из кислорода и азота. При этом если в нижнем слое атмосферы преобладает азот, то на больших высотах кислорода больше, чем азота. Азот, кислород и другие составляющие атмосферного воздуха находятся в атмосфере всегда в газообразном состоянии Постоянство газового состава воздуха обеспечивается интенсивным перемешиванием нижнего слоя воздуха. Это однородная или гомогенная атмосфера.

Аргон (Аr) - нейтральный газ, в реакции не вступает, в поглощении и излучении лучистой энергии не участвует. Аналогично - ксенон, криптон и многие другие газы. Аргон - тяжелое вещество, в высоких слоях атмосферы его очень мало.

Углекислого газа (С0₂) в атмосфере в среднем 0,03%. Этот газ очень необходим растениям и активно ими поглощается. Фактическое количество его в воздухе может несколько изменяться. В индустриальных районах его количество может увеличиваться до 0,05%. В сельской местности, над лесами, полями его меньше. Над Антарктидой примерно 0,02% углекислого газа, т.е. почти на 1/3 меньше его среднего количества в атмосфере. Столько же и даже меньше его над морем - 0,01 - 0,02%, так как углекислый газ интенсивно поглощается водой. Углекислый газ полностью прозрачен для солнечных коротковолновых лучей, но интенсивно поглощает тепловое инфракрасное излучение Земли.

С высотой все меньше становится тяжелых газов и, наконец, верхние слои атмосферы состоят из самых легких газов - гелия, а затем водорода (таблица 1). Такая неоднородная атмосфера называется гетерогенной.

Таблица 1 - Состав сухого воздуха на высотах до 100 км [14]

Гелий (Не) - очень легкий газ. Он поступает в атмосферу из земной коры в результате радиоактивного распада тория и урана. Гелий улетучивается в космическое пространство. Скорость убывания гелия соответствует скорости поступления его из недр Земли. От высоты 600 км до 16000 км наша атмосфера состоит главным образом из гелия. Гелий не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в лучистом теплообмене.

Водород (Н₂) еще более легкий газ. У поверхности Земли его очень мало. Он поднимается в верхние слои атмосферы. В термосфере и экзосфере атомарный водород становится доминирующим компонентом. Водород - это самая верхняя, самая дальняя оболочка нашей планеты. Выше 16000 км до верхней границы атмосферы, то есть до высот 30 - 40 тыс. км, преобладает водород. Таким образом, химический состав нашей атмосферы с высотой приближается к химическому составу Вселенной, в которой водород и гелий - наиболее распространенные элементы (таблица 2).

Таблица 2 - Элементарный состав звездного и солнечного вещества в сопоставлении с составом растений и животных [13, с. 325]