moskvich_fizika

передает ей сво ю кинетическую энергию. После чего она «холодная и голодная» возвращается к горячей стенке за новой порцией энергии. Механизм выравнивания тем пературы именно таков. Ко личество перенесенной молекулами энергии пропорционально числу ударо в о стенки, т.е. концентрации или давлению газа. Коэффициент теплопередачи растет пропорционально

давлен ию.

Тепл овая и изотермическая эффузия

Интересные явлени я наблюдаются в сосудах с газом, сообщающихся через очень тонкую пористую перегородку. Размеры пор м огут быть столь малыми ( ~10 м), что в них соблюдаются условия вакуума уже при нормальном атмосферном давлении. Если по разные стороны перегородки имеется один и тот же газ и поддерж иваются различные температуры, то наблюдается явление теплово й эффузии. А если по разные стороны перегородки находятся разные газы при одних и тех же начальны х давлениях и тем пературах – наблюдается явлен ие изотермической эффузии. На схеме 1 7.4.1 наглядно представлены не обходимы е начальные условия для тепловой и изотермической эф фузии.

Схема 17.4.1.

Э ффузия разреженных газов

Т

епловая

Изотермическая

Начальные

m1≡m2

Нач

альные

m1≠m2

условия:

T1≠T2

условия:

T1=T2

p1≠p

2 или p1=p

2

p1=p2

Число частиц в эфф узионном потоке через пористую перегородку в одном направлении равно

1

1

8

, 17.16

4

4

π

2π

√

2π

√

√

здесь произведение всех констант обозначено

. Результирующий по-

ток складывается из двух встречн ых потоко в

и

в равновесном состоянии равен нулю.

211

В случае тепловой эффузии, когда молекулы тождественны, равновесному состоянию согласно (17.15) соответствует равенство

или

√

0;

.

17.17

Очевидно, что в той половинке сосуда, где температура больше устано-

вится и более вы сокое давление.

Это произойдет за счет увеличения концен-

трации частиц в «теплом» отсеке. Особенно нагля дно это проявляется, если первоначально д авления в разных отсеках были равны . Газ начнет перетекать в нап равлении повышения температуры: от более низкой к более высокой температуре. Явление теп ловой эф фузии называют также эффектом Кнудсена. Перефразируя известну ю поговорку, можно сказать: «Ры ба ищет, где глубже, а молекула – где теплее».

В	случае изотермической		эффузии				в начальный		момент времени
,	потоки	и	не равны:
				√		.				17.18
Если	.	Это значит√,			что более легкий газ будет быстрее
проходить через,топористую перегородку,					чем более тяжелый. Образно говоря,
стройн ые молекулы обгоняют молекулы толстушки.								При		происходит
одновременное выравнивание давления по							обе стороны пе		регородк и и кон-
									∞
центрации молекул с разными мас сами. Зависимость								от времени по разные
сторон ы перегородки показана на рис.17.4:
				Рассмотренные виды эффузии имеют
		практическое значение. Изо термическая эф-
		фузия ле жит в основе одного из методов
		разделения изотопов. Тепл овая эффузия иг-
		рает важную роль						в явлениях природы,
		обеспечивая обмен воздуха в почве, необхо-
		димый для нормальной жизни растений. Да-
		дим пояснения этому практически значимо-
	Рис. 17.4.	му феномену.

Летом в дневное время суток поверхность земли нагревается солнечным излучением. Поэтому воздух из более глубоких и менее нагреты х слоев

212

почвы выходит по капиллярам природного происхождения наверх и разносится ветром. Ночью верхний слой земли охлаждается и возникает обратный поток воздуха с поверхности в более глубокие слои почвы. Таким образом, осуществляется суточная циркуляция воздуха в плодородных слоях земли.

В заключение темы отметим, что рассмотренные нами процессы переноса в газах не исчерпывают всех явлений такого рода. Например, в плотных газах мы обошли вниманием взаимную диффузию различных газов, а также термодиффузию. Остались в запасниках и некоторые явления в ультраразреженных газах, например, такие как течение Кнудсена, тепловое скольжение, радиометрический эффект. Вот уж воистину, чем больше узнаешь, тем больше граница с непознанным…

Контрольные вопросы

1.Назовите параметры, определяющие интенсивность столкновений молекул друг с другом.

2.Как определяется вероятность столкновения молекулы с другими частицами?

3.Что характеризует эффективное сечение молекулы?

4.Какого рода столкновения молекул определяют явления переноса?

5.Как определяется σ в модели твердых тел?

6.Как определяется σ в теории Сёзерленда?

7.Дайте определение средней длины свободного пробега молекул.

8.Назовите исходные положения, необходимые для вывода обобщенного уравнения переноса. Запишите это уравнение.

9.На основе обобщенного уравнения переноса получите выражение для а) теплопроводности; б) вязкости; в) коэффициента диффузии.

10.Раскройте физическую (микроскопическую) сущность явлений переноса.

11.Какие существуют градации состояний разреженного газа?

12.Назовите явления переноса в ультраразреженном газе, которые были рассмотрены на этой лекции? Какие эффекты и количественные соотношения для них характерны?

ЛЕКЦИЯ 18

АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТ

213

18.1. Атмосфера как открытая система и как открытая книга

Для молекулярной физики атмосферы планет представляют уникальные объекты исследования. Это гигантские газовые тела, не имеющие материальных границ и находящиеся в неоднородных гравитационных полях и потоках солнечного и галактического излучения. Атмосферы планет являются открытыми и существенно неравновесными системами. Температура в атмосфере планеты сложным образом зависит от координат. В атмосфере происходят разнообразные физические процессы и фотохимические реакции. Поэтому к планетной атмосфере в целом распределение Больцмана не применимо, так как при его выводе предполагалось, что газ находится в состоянии термодинамического равновесия с температурой, постоянной по всему объему газовой среды.

Исходя из представления о локальном равновесии (см .13.1), можно считать, что распределение Максвелла не теряет своей справедливости в квазиравновесных подсистемах. Вследствие распределения молекул по скоростям в атмосферах планет всегда имеется некоторое количество частиц, скорость которых больше второй космической скорости, зависящей от массы

лы с такой скоростью способны11.2 км/с	, для Луны	2.4 км/с	. Молеку-
планеты. Так для Земли

преодолеть силу планетного притяжения, их называют убегающими молекулами. Эти молекулы находятся в «хвосте» распределения Максвелла, и их относительное число для планет с достаточно большой массой незначительно. Тем не менее, за большие промежутки времени потеря молекул является чувствительной, поскольку поток убегающих молекул постоянно пополняется за счет межмолекулярных столкновений.

Вблизи планеты относительная концентрация убегающих молекул в этом потоке очень мала. По мере удаления от планеты их относительная концентрация возрастает. На бесконечности все молекулы являются убегающими. В конце концов, планета должна потерять свою атмосферу. Время τ в течение которой масса атмосферы планеты убывает в е раз, называется временем рассеяния атмосферы. Приближенная оценка времени рассеяния идеализированной изотермической атмосферы для различных планет приводится в

Изучение атмосферτ 10	10 лет
[12], согласно которой	.

планет в настоящее время ведется по трем направ-

лениям.

Первое, традиционное направление, связанно с наземными и около земными наблюдениями объектов с использованием всеволновых телескопов и спектрометров. Анализ атомных и молекулярных спектров излучения попрежнему является источником информации о составе и состоянии атмосферы. Основоположником этого направления по праву можно считать нашего великого соотечественника Михаила Васильевича Ломоносова. В июне 1761 года ученые всего мира с интересом наблюдали в телескоп одно из самых

214

редких астрономических событий: прохождение Венеры по диску Солнца, но только Ломоносов обратил внимание на одну особенность этого явления. В момент вхождения планеты на диск Солнца, как и в момент схождения с него вокруг Венеры наблюдался светлый ореол – «тонкое как волос сияние» Ломоносов дал правильное научное объяснение этому феномену, считая его результатом преломления солнечных лучей в атмосфере Венеры. Так была открыта атмосфера Венеры и за сто лет до появления спектрального анализа было положено начало физическому изучению планет и их атмосфер.

Второе направление возникло сравнительно недавно. Оно базируется на измерениях физико-химический параметров атмосфер планет, получаемых с автоматических межпланетных станций (АМС), находящихся в непосредственной близости от исследуемых объектов.

В ХХ веке было проведено комплексное изучение планеты Венера с помощью советских АМС серии «Венера» (с 1961 по 1983 годы произведено 16 запусков станций) и американской АМС «Маринер - 10». Кстати, «Маринер - 10» исследовал также атмосферу Меркурия. Подытожили исследование атмосферы Венеры советские АМС «Вега-1» и «Вега-2». Программа исследования Марса была реализована на базе советских АМС серии «Марс» и американских – серии «Викинг». После чего началась программа НАСА «Вояджер». «Вояджер-1» успешно выполнил исследование Сатурна и его спутника Титана. «Вояджер-2» был направлен на самую окраину Солнечной системы к Урану и Нептуну. Как вам известно, в новом XXI веке успешно продолжается аппаратное исследование удаленных от Земли планет и их атмосфер. В частности, имеются в виду проекты Европейского космического агентства «Галилео» и «Кассини». Несмотря на колоссальную дороговизну подобных проектов, они реализуются и в результате человечество становиться обладателем уникальной и достоверной научной информации.

Наконец, третье направление представлено компьютерным моделированием крупномасштабных неравновесных процессов в атмосферах планет Солнечной системы. В этой области так же получены интересные и очень важные результаты. С некоторыми из них, относящимися к Земной атмосфере, мы познакомимся в дальнейшем более подробно.

18.2. Состав и структура атмосферы Земли.

Атмосфера нашей планеты образована смесью газов, влаги и частиц пыли и простирается до 3000 километров. Разумеется, верхняя граница выражена нечетко, так как с высотой газы разрежаются и постепенно переходят в мировое пространство. Сухой воздух у поверхности земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,13% аргона и 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газов вместе взятых приходится всего лишь 0,01%. Относительный состав атмосферы до высот порядка ста километров существенно не меняется. Выше этой границы газы существуют в основном в атомарном со-

215

стоянии . В самом верхнем слое от 300 до 3000 км пр исутствуют самые легкие ионы и .

Хотя атмосфера простирается вверх на десятки сотен километров, основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Половина массы атмосферы находится между уровнем моря и высотой 5 -6 км, а 99% - в слое до 30 км. Важные сведения о физических свойствах атмосфера получены с помо щью космических аппаратов и геофизических ракет.

Рис. 18.1

Установлено, что с высотой изменяю тся не только атм осферное давление, плотность и температура воздуха, но и электрическое состоян ие атмосферы, а на больших высотах и ее состав.

Атмосфера земли подразделяется на несколько сфер с различными физическими свойствами. К числу этих сфер относятся: тропосфера, ст ратосфе-

ра, мезосфера, термосфера (или ионосфера), экзосфера (рис. 18.1).
Разделение на сферы производится на основе	существ ующих	градиен-
тов тем ператур, что явно прослеживается на выш	е приведенном	рисунке.

Обычно в тропосфере температура падает с увеличением высоты в среднем

216

на 6º на каждый километр высоты проходит через минимум в тропопаузе, а затем в стратосфере возрастает с увеличением высоты и у верхней границы достигает значений, близких к 0º . Область, где температура растет с высотой, называется инверсионной или инверсионным слоем. Холодный воздух более плотный по сравнению с теплым, поэтому инверсионная область оказывается устойчивой к перемешиванию по вертикали. Это в полной мере относится к стратосфере. На интервале высот, называемом стратопаузой, температура проходит через максимум и затем падает в мезосфере, достигая второго минимума около - 80º С на уровне мезопаузы. На больших высотах в термосфере (80÷800 км) температура вновь растет с высотой, достигая зна-

чений 1500-2000 на высотах 500÷700 км.

Выше термосферы расположена отделенная от нее термопаузой изотермическая область - экзосфера. Реальный профиль температуры может отличаться от приведенного на рис. 18.1 из-за особенностей места и времени, но в целом «картинка» верно передает характер закономерностей изменения температуры с высотой в атмосфере.

.

18.3. Термофизическая модель атмосферы

Под термофизической моделью будем понимать описание основных механизмов, объясняющих изменение температуры с высотой в атмосфере Земли. Раскрыть эти механизмы можно, опираясь на химический состав атмосферы на разных высотах и спектральный состав падающей от Солнца лучистой энергии.

Прежде всего, очень кратко сформулируем причины характерного изменения температуры в каждой из сфер атмосферы, начиная с самой нижней:

•Постоянство достаточно высокой температуры в нижних слоях тропосферы называется парниковым эффектом. Его природа будет раскрыта ниже.

•Отсутствие парникового эффекта в верхней тропосфере приводит к понижению температуры с высотой в тропосфере в целом.

•Инверсия температуры в стратосфере происходит вследствие экзотермических реакций озонового цикла в верхних слоях стратосферы.

•Уменьшение температуры в мезосфере связано с отсутствием там источников энергии.

•Рост температуры с высотой в термосфере объясняется близостью Солнца. Концентрация частиц в этом слое атмосферы на 5 порядков ниже, чем в тропосфере, поэтому здесь температура является характеристикой средней энергии отдельных частиц, а не макросистемы в целом;

217

•В экзосфере температура не зависит от высоты, полностью определяется солнечной радиацией и оставляет около 2000º . Это переходная область между атмосферой Земли и околосолнечным пространством.

Из представленного выше списка разъяснения требуют только две причины и соответственно два механизма: парниковый эффект и реакции озонового цикла.

18.4. Парниковый эффект

Количественной характеристикой парникового эффекта является разность между средней поверхностной температурой атмосферы и её эффективной температурой , т.е. температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. Таблица 18.1 позволяет сравнить величину парникового эффекта в атмосферах планет ближайших соседок Земли. Парниковый эффект существенен для планет с плотными атмосферами, содержащими газы, поглощающие излучение в инфракрасной области спектра, и пропорционален плотности атмосферы.

Для понимания сущности парникового эффекта в атмосфере необходимо сначала разобраться со спектральным составом солнечного излучения и способами его попадания в разные области газовой оболочки нашей планеты. На рис. 18.2 схематически представлен радиационно-тепловой баланс в атмосфере.

Основной состав падающего солнечного излучения это:

•видимый свет и ближний инфракрасный диапазон (с длиной волны 400÷1500 нм), составляет 75% энергии солнечного излучения;

•ультрафиолетовое излучение (λ > 300 нм).

После взаимодействия падающего излучения с земной поверхностью и её нагревания часть его преобразуется с появлением спектра частот в дальнем инфракрасном (ИК) диапазоне (λ = 8 ÷ 28 мкм).

Таблица. 18.1.

		Давление	,	,	∆ ,
	Планета	атмосферы у по-
		верхности плане-
		ты, атм
	Венера	90	231	735	504
	Земля	1	249	288	39
	Луна	0			0
	Марс	0,006	210	218	8

218

Отраженн ое видимое и УФ-излучение уходят в космос, в то время как часть дальней ИК-составляющей при определенных условиях задерж ивается атмосферой, что и приводит к повышению температуры в н ижних слоях тропосферы.

Рис. 18.2.

Су щность парникового эффекта

Если в атмосфере п ланеты присутствуют молекулы, обладающие колебательными степ енями с вободы уже при 0 º С, то они поглощают энергию переизлученного поверхностью планеты радиационного потока в ИК-диапазоне, поскольку диапазон частот механических колебаний атомов совпадает с диа-

пазоно м инфракрасного излучения

∆νик ∆νатколом.

Преобразование энергии электромагн итного излучения ИК-диапазона в тепловую энерг ию колебаний таких молекул приводит к повышению температуры атмосферы в области их концентрации:

νик .

В этом и заключается сущность парникового эффекта.

Парниковые газы

219

У двухатомных молекул						,	колебательные движения появля-
ются при очень высоких температурах,							(~103 ). Поэтому они не могут созда-
вать парниковый эффект. К							парниковым газам относятся:
больше,	двух,	.	,	,	и любые другие молекулы с числом атомов

Вследствие парникового эффекта температура поверхности Земли поддерживается достаточно высокой и благоприятной для существования разнообразных форм органической жизни

Проблема глобального потепления

За последние 100 лет среднегодовая температура у поверхности Земли увеличилась на 1° . В настоящее время в научных кругах существует две точки зрения на этот факт. Повышение температуры обусловлено

1)естественной флуктуацией климата,

2)усилением парникового эффекта за счет повышения концентрации парниковых газов техногенного происхождения.

Если вторая точка зрения верна, то стремительный рост концентрации парниковых газов может привести к катастрофическим последствиям: таянью полярных и горных ледников, повышению уровня мирового океана, затоплению обширных густозаселенных территорий суши, глобальному изменению климата. Даже если нет полной уверенности в такой перспективе общество обязано принять адекватные меры для уменьшения рисков.

Киотский протокол

В декабре 1997 года на встрече в Киото (Япония) делегатами из более чем ста шестидесяти стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить выбросы .

Киотский протокол обязывает тридцать восемь индустриально развитых стран сократить к 2012 году выбросы на 5% от уровня 1990 года.

Протокол предусматривает систему квот на выбросы парниковых газов. Суть его заключается в том, что каждая из стран получает разрешение на выброс определенного количества таких веществ. Если какое-то государство превысит квоту выбросов, то в этом случае оно сможет купить право на дополнительные выбросы у тех стран, которые не превышают выделенной квоты. Россия ратифицировала Киотский протокол в конце 2007 года и с декабря 2008 года может продавать квоты странам-участникам соглашения, получая довольно высокие прибыли. Во исполнение Киотского протокола Россия обязуется создавать лесные плантации. Как известно, деревья поглощают парниковый углекислый газ и выделяют в атмосферу не парниковый кислород

. В европейской части России уже началось создание «лесов Киото».

220