Три агрегатных состояния планеты

Итак, все вдумчиво обсудим, Чтоб не трудиться наугад.

Презренье тем ничтожным людям, Что необдуманно творят.

Фридрих Шиллер. Песнь о колоколе

Все многообразие природы вмещается всего лишь в три понятия, отвечающие различным агрегатным состояниям вещества. Это атмосфера – газообразная оболочка планеты, гидросфера – жидкая и литосфера – твердая. Выделяем также особое состояние материи – живую природу, биосферу. Атмосфера, гидросфера, литосфера и биосфера – объекты окружающей среды, которые, в свою очередь, представлены целым рядом элементов со своей характерной спецификой расположения и взаимодействия. В литосфере, например, различают недра и почву, в гидросфере – воды суши и воды Мирового океана, т. е. совокупность океанов и морей всей планеты, в биосфере – животный и растительный мир.

Рассматривая объекты окружающей среды, следует иметь в виду, что они находятся в постоянном взаимодействии и не имеют четко выраженной границы раздела. Ведь вода присутствует во всех объектах окружающей среды, животный и растительный мир распределяется в определенной части атмосферы, гидросферы и литосферы, а выброшенные вулканом твердые частицы могут годами оставаться в атмосфере.

Тем не менее каждый объект окружающей среды имеет основное и постоянное «место жительства», выполняя строго определенные природой функции. Итак – о воздухе, воде, земле и существах, на ней живущих.

Глава 1. Атмосфера – скафандр земли

1. Структура атмосферы

Атмосфера – газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с нею, имеет массу около 5,1510¹⁵ т. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные климатические условия, а через них – на режим рек, почвенно-растительный покров и на процессы рельефообразования 12, с. 41.

Атмосфера имеет протяженность до 1100 км. На такой высоте еще обнаруживаются следы составляющих ее веществ. Необходимо помнить, что действие магнитного и гравитационного поля Земли распространяется на все частицы, находящиеся от нее на расстоянии до 10 земных радиусов (60 тыс. км). Они движутся вместе с Землей вокруг Солнца и поэтому могут считаться принадлежащими атмосфере.

В приземном слое толщиной около 5,5 км сосредоточено более 50% массы атмосферы, а в слое толщиной 40 км – более 99%. Атмосфера имеет наименьшую массу из всех других геосфер нашей планеты: она составляет 1/1000 массы гидросферы и около 1/100000 массы земной коры.

Высотные исследования, начало которым было положено более ста лет назад, выявили сложную структуру атмосферы. По характеру изменения температуры с увеличением высоты можно выделить несколько слоев, разделенных узкими переходными зонами – паузами (рис.1).

Рис. 1. Структура атмосферы

На рисунке приведено вертикальное распределение температуры в атмосфере и связанная с этим терминология вертикальных частей атмосферы. До высоты 100 км атмосферу подразделяют на четыре оболочки. Тропосфера (8–10 км у полюсов и 16–18 км у экватора), верхняя граница которой – тропопауза имеет температуру 220 К (–53 ^оС).

Стратосфера – нижний слой 25 км с температурой 220 К и верхний слой до высоты приблизительно 50 км. Здесь область инверсии, где температура поднимается до 273 К и остается постоянной до высоты 55 км – стратопауза. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20–25 км расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организма. Озоновый слой определяет верхний предел биосферы. Мезосфера – толщина 25 км, т.е. до высоты 80 км. Верхний слой мезосферы – мезопауза, где происходит понижение температуры до 190 К (–83 ^оС). Четвертый слой атмосферы – термосфера – толщина ее 90 км. В этом слое температура повышается и в верхней части достигает 1000 К. Термосферу называют также ионосферой.

С высоты 1000 км начинается экзосфера (пятая сфера), которая простирается на огромное расстояние, переходя в межпланетное пространство. Экзосфера является областью диссипации (рассеивания) атмосферных газов.

Все структурные параметры атмосферы: температура, давление и плотность – обладают значительной пространственно-временной изменчивостью: широтой, годовой, сезонной и суточной. Поэтому на рис.1 отражено лишь среднее состояние атмосферы.

В отличие от температуры, давление с высотой монотонно и равномерно уменьшается по экспоненциальному закону, описываемому барометрической формулой Лапласа

где Р₀ – давление на уровне моря; g – ускорение силы тяжести; М – средняя молекулярная масса воздуха; Н – высота и R – универсальная газовая постоянная.

При давлении на уровне моря 101,3 КПа и температуре 288 К для тропосфе­ры действительна международная барометрическая формула

Данные изменения давления, температуры и плотности природных газовых смесей в зависимости от высоты (расстояния от земной поверхности) приведены в табл.1.

Таблица 1

Давление, плотность и температура газов атмосферы (по данным Я. Мияки)

Высота, км	Давление, мм. рт. ст.	Плотность, кг/м^3	Температура, ^о С	Высота, км	Давление, мм. рт. ст.	Плотность, кг/м^3	Температура, ^о С
0	760	1,2256	+15	5	405,1	0,7363	-17,5
1	674,1	1,112	+8,5	10	198,2	0,4127	-50
3	525,8	0,9094	-4,5	15	90,6	0,1931	-56

Определите, какие явления протекают в стратосфере …

1 происходит диссипация атмосферных газов;

2 происходит фотодиссоциация молекул кислорода и образуется озон О₃;

3 стратосфера – область активного взаимодействия с океаном и сушей;

4 происходит ионизация газа.