Тема 3
Атмосфера и климат
Вариант I
Атмосфера (от греч. atmos – «пар» и sphaira – «шар») – воздушная внешняя оболочка, окружающая «твердую» Землю. Атмосфера – это газовая среда, имеющая слоистое строение, причем каждый слой обладает особыми физическими и химическими свойствами (в т. ч. химическим составом).
Деление атмосферы на отдельные слои, или оболочки, отражает баланс основных энергетических процессов в ней, а именно изменение температуры с высотой. В атмосфере выделяют следующие слои:
1) тропосферу (ее толщина колеблется от 8–10 км над полюсами до 16–18 км на экваторе, она содержит около 80 % массы всей атмосферы, здесь формируются атмосферные осадки и происходит горизонтальное и вертикальное перемещение воздуха);
2) стратосферу (отделяется от тропосферы особым слоем – тропопаузой, содержит около 20 % массы атмосферы и располагается в промежутке от 8–18 км до 55 км от поверхности Земли);
3) мезосферу (от 55 до 80 км над поверхностью Земли – средний слой атмосферы, отделенный от стратосферы стратопаузой);
4) термосферу (от 80 км до 800–1000 км, слой, отделенный от мезосферы мезопаузой);
5) экзосферу (внешний слой атмосферы, называемый также сферой рассеяния, т. к. здесь происходит диссикация (рассеяние) атмосферы – некоторые частицы атмосферы ускользают в межпланетное пространство).
Химический состав атмосферы включает следующие элементы (с указанием процентного содержания):
1) азот – 78,08 %;
2) кислород – 20,95 %;
3) аргон – 0,93 %;
4) углекислый газ – 0,03 %;
5) водород, неон, гелий, метан, криптон и другие газы – около 0,1 %.
Кроме того, атмосфера содержит:
а) атмосферную воду (в виде пара, взвешенных капель и кристалликов льда);
6) аэрозольные компоненты (пыль почвенного, органического и космического происхождения, частички сажи, пепла, минеральных солей и т. д.).
Атмосфера необходима для естественного протекания большинства физических и химических процессов на поверхности Земли, а также для поддержания и развития органической жизни.
Электромагнитное излучение Солнца – единственный источник энергии экзогенных процессов на поверхности Земли, а также всех физических, химических и биологических изменений в атмосфере и биосфере планеты. Поверхность Земли получает тепло за счет солнечного излучения, однако до планеты доходит лишь часть (около 48 %) энергии излучения Солнца. Солнечная радиация выражается в калориях за единицу времени на единицу поверхности (Земля получает 2,4 × 1018 кал лучистой энергии в минуту).
Атмосфера прозрачна для электромагнитного излучения и частично – в радиодиапазоне. Излучение инфракрасного диапазона поглощается углекислым газом и парами воды в страто– и тропосфере; излучение ультрафиолетового диапазона поглощается озоном, азотом и кислородом; жесткое, губительное для биосферы коротковолновое (гамма-излучение и рентгеновское) излучение поглощается всей атмосферой, не доходя до поверхности планеты. В целом тепловой баланс системы Земля – атмосфера складывается из следующего (в условных единицах):
а) солнечной радиации – 100;
б) радиации, отраженной атмосферой и земной поверхностью, – 37;
в) излучения поверхности планеты, уходящего в межпланетное пространство, – 8;
г) излучения атмосферы – 55.
Теплооборот между атмосферой и поверхностью включает:
– перенос теплоты излучением (лучистый теплообмен);
– передачу теплоты за счет конвекции (перемещение нагревающегося у поверхности воздуха в верхние слои атмосферы, где он охлаждается, вновь опускаясь вниз);
– передачу теплоты за счет теплопроводности (передачу частицам атмосферы теплоты земной поверхности);
– перенос теплоты за счет фазовых переходов воды (испарения, конденсации). Следовательно, земная атмосфера получает в среднем в 3 раза больше тепла, чем непосредственно от Солнца. Атмосфера Земли почти непрозрачна для теплового излучения (за счет углекислого газа и паров воды), что обусловливает т. н. парниковый эффект, стабилизирующий температурный режим планеты.
Прямая и рассеянная радиации (прямые солнечные лучи и рассеянная в атмосфере радиация) составляют суммарную, которая в зависимости от того, поглощается она или отражается земной поверхностью, бывает:
а) поглощенной;
б) отраженной радиацией.
Солнечное излучение, проходя сквозь слои атмосферы, нагревает поверхность Земли. Благодаря этому температура приземного слоя воздуха выше, чем температура верхних слоев атмосферы. Температура воздуха повышается ближе к экватору, т. е. зависит от угла падения солнечных лучей (чем больше угол падения, тем сильнее нагревается земная поверхность). Здесь очевидна зависимость климата от географической широты местности.
Поскольку существует значительная разница между температурами дня и ночи, зимы и лета, используются следующие термины:
– суточная амплитуда (разность между наибольшими и наименьшими значениями температуры воздуха в течение суток);
– годовая амплитуда (разность между максимальными и минимальными показателями температуры воздуха в течение года).
Суточная амплитуда обусловлена несколькими факторами:
а) спецификой подстилающей поверхности (амплитуда суточных колебаний над Мировым океаном до –1 или –2 °C, над степями и пустынями – от 15 до – 20 °C);
б) облачностью (чем выше облачность, тем меньше амплитуда суточных колебаний температуры воздуха);
в) рельефом местности (холодный воздух опускается со склонов в низины). Амплитуда годовых колебаний температуры в основном зависит от двух доминирующих факторов:
а) географической широты местности;
б) близости океанов и морей.
Так, в экваториальной зоне над океанами годовая амплитуда не более 1–2 °C, над континентами – 5–10 °C. Амплитуда годовых колебаний возрастает в более высоких широтах, а также на одной и той же широте с удалением от океана.
В зависимости от температуры воздуха выделяют т. н. тепловые (температурные, термические) пояса, соответствующие широтным поясам Земли:
1) тропический (жаркий) пояс;
2) умеренные пояса Северного и Южного полушарий;
3) полярные (холодные) пояса (арктический и антарктический).
Атмосфера Земли нагревается неодинаково: неравномерный нагрев происходит на разных высотах, в разных широтах, над морем и над сушей, что приводит к неравномерному распределению атмосферного давления.
Атмосферное давление обусловлено огромной массой атмосферы, составляющей приблизительно 5,15 × 1018 кг (на каждого человека приходится около 15 т). Наше нормальное существование обеспечивается благодаря равновесию атмосферного и соматического (свойственного организму) давления. Атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба при помощи специальных приборов – барометров. Среднее давление атмосферы на поверхности Земли на уровне моря соответствует условно принятому нормальному давлению атмосферы, которое равно 1 атмосфере, или
760 мм высоты ртутного столба. Давление атмосферы выше или ниже данной отметки является:
а) повышенным;
б) пониженным.
На нашей планете выделяют 7 поясов, которые подразделяются на:
1) 3 пояса с преобладанием низкого давления (экваториальный и умеренные);
2) 4 пояса с преобладанием высокого давления (тропические, антарктический, арктический).
Так, в экваториальной зоне наблюдается низкое давление, поскольку здесь поверхность Земли значительно нагревается, что обусловливает восходящее движение нагретого воздуха. В полярных зонах воздух охлаждается в тропосфере и, становясь более тяжелым, опускается (нисходящее движение воздуха), что объясняет пониженное давление в данных широтах.
В высоких слоях атмосферы наблюдается прямо обратное:
а) низкое атмосферное давление над холодными областями;
б) высокое атмосферное давление над жаркими областями.
В атмосфере постоянно происходит движение воздуха из областей повышенного давления в области пониженного. Так, высокое давление в верхних слоях атмосферы над экватором является высоким, и воздух от экватора растекается к поясам, где наблюдается низкое давление. Однако вследствие вращения Земли данное движение (соответственно, к северу и югу) изменяется, и воздух начинает двигаться к востоку, не доходя до полюсов.
Образование поясов атмосферного давления у поверхности планеты, как видим, зависит от 2 факторов:
1) неравномерного распределения солнечного тепла;
2) вращения Земли вокруг своей оси.
Вариант II
Ветер – это перемещение воздуха в атмосфере, почти параллельное земной поверхности, т. е. по большей части горизонтальное движение. Существует и вертикальное движение, но оно значительно слабее горизонтального. Появление ветра объясняется перемещением воздуха из области высокого в область низкого давления, обусловленным неравенством температур в атмосфере. Так, ветер тем интенсивнее, чем больше разность давления между отдельными участками земной поверхности. Воздух испытывает ускорение под действием перепадов давления, но, помимо него, на движение воздуха воздействуют и другие силы (например, силы трения и вращения Земли). Скорость ветра определяет его деление на отдельные типы:
1) умеренный (5–8 м/сек);
2) сильный (14 м/сек);
3) шторм (20–25 м/сек);
4) ураган (свыше 30 м/сек).
Кроме того, резкое кратковременное усиление ветра называют шквалом (до 20 м/сек).
Направление и скорость ветра имеют суточную цикличность. Так, его скорость у земной поверхности ночью минимальна, в послеполуденные часы максимальна.
Годовой ход скорости ветра существенно зависит от 2 факторов:
1) от общей циркуляции атмосферы;
2) от местных условий.
Условно можно выделить 2 основных типа ветров:
1) постоянные – зависящие от положения поясов атмосферного давления;
2) местные – связанные с особенностями местной циркуляции атмосферы и со спецификой рельефа местности.
Постоянные ветры – это в основном:
а) пассаты, устойчивые на протяжении года воздушные течения в тропических широтах над океанами (они дуют от тридцатых широт к экватору, изменяя направление под влиянием вращения Земли);
б) западные ветры, дующие в Северном и Южном полушариях с запада на восток; постоянные ветры умеренных широт.
Местные ветры – это ветры в ограниченных районах, выделяющиеся:
а) скоростью;
б) направлением;
в) повторяемостью;
г) другими особенностями.
К местным относят ветры, связанные:
1) с особенностями нагревания земной поверхности – бризы, горно-долинные, ледниковые ветры;
2) с общей циркуляцией в атмосфере над горными массивами (фены, боры);
3) с течениями общей циркуляции атмосферы, создающие в отдельных районах особые погодные режимы (суховей, сирокко, пурга);
4) с течениями общей циркуляции атмосферы, усиленные в данном районе особенностями рельефа (афганец, касава).
Циркуляция атмосферы – один из важнейших климатообразующих факторов, это система крупномасштабных воздушных течений на Земном шаре, проявляющаяся в переносе различных типов воздушных масс. К общей циркуляции атмосферы относятся все ветры и воздушные течения.
Циркуляция атмосферы обусловлена неоднородным распределением атмосферного давления, вызванным в свою очередь неодинаковым распределением солнечного излучения в различных земных широтах.
Циркуляция существует за счет:
а) неравномерного распределения теплоты на поверхности планеты;
б) теплообмена между поверхностью Земли и атмосферой.
Постоянное движение воздушных масс происходит при сохранении между ними значительных по размерам переходных зон. Данные переходные (пограничные) зоны называют атмосферными фронтами. Атмосферный фронт – важнейший погодообразующий фактор; это поверхность раздела двух воздушных масс, под малым углом наклоненная к земной поверхности. Атмосферные фронты могут быть:
а) холодными (фронт перемещается на территорию, занятую теплым воздухом);
б) теплым (фронт надвигается на территорию, занятую холодным воздухом).
Существенную роль в общей циркуляции атмосферы играют циклоны и антициклоны, являющиеся механизмами, перемещающими воздушные массы.
Циклон – это область низкого давления атмосферы, в центре которого давление достигает минимальных показателей.
Антициклон – это область высокого давления.
Движение воздуха в циклонах и антициклонах происходит в виде огромного вихря, причем в Северном полушарии вихревое вращение воздуха в антициклонах происходит по часовой стрелке, в циклонах – против часовой стрелки. Циклоны и антициклоны образуются в тропосфере, при их прохождении происходят смена воздушных масс и, как следствие, изменение температуры воздуха, его влажности, т. е. изменение погоды.
В составе атмосферы обязательно присутствует водяной пар, содержание которого зависит от температуры. Так, в 1 м3 воздуха при определенной температуре содержится:
1) при –20 °C около 1 г воды;
2) при 0 °C не более 5 г воды;
3) при +10 °C около 10 г воды;
4) при +30 °C не более 30 г воды.
Очевидно, что с повышением температуры концентрация воды в воздухе увеличивается. В зависимости от данной концентрации воздух может быть:
а) насыщенным водяными парами;
б) ненасыщенным.
Содержание водяного пара в воздухе измеряется его влажностью, причем следует разделять:
1) абсолютную влажность (выражаемое в граммах количество водяного пара в 1 м3 воздуха);
2) относительную влажность (процентное отношение фактического содержания водяного пара в 1 м3 воздуха к потенциальному при данной температуре). Когда водяные пары в атмосфере становятся очевидными, то их можно наблюдать в виде:
1) тумана (который образуется из перенасыщенных паров в результате конденсации);
2) облаков (фактически представляющих собой туман, образующийся не у поверхности Земли, а на высоте).
В зависимости от высоты образования облака бывают:
а) слоистыми (2 км от поверхности Земли);
б) кучевыми (от 2 до 8 км);
в) перистыми (от 8 до 18 км).
Облака являются источниками большинства видов атмосферных осадков.
Важнейшими видами атмосферных осадков являются:
1) выпадающие из облаков:
а) дождь;
б) град;
в) снег;
2) образующиеся непосредственно из воздуха:
а) роса;
б) иней.
Распределение осадков на Земле крайне неравномерно и связано с влагооборотом, включающим процессы:
1) испарения воды с поверхности гидросферы;
2) переноса водяного пара воздушными потоками;
3) выпадения осадков и их стока.
На распределение осадков оказывают влияние:
а) циркуляция атмосферы;
б) океанические течения;
в) атмосферное давление;
г) рельеф и другие факторы.
Климат (от греч. klima – «наклон», имеется в виду наклон земной поверхности по отношению к солнечным лучам) – это многолетний режим погоды, одна из основных географических характеристик той или иной территории. На климат оказывают влияние 3 группы климатообразующих факторов:
1) количество солнечного тепла и географическая широта;
2) циркуляция атмосферы;
3) характер земной поверхности.
В рамках данных факторов можно выделить несколько менее существенных:
а) воздействие на климат океанов и океанических течений;
б) воздействие господствующих ветров.
Кроме того, можно отметить все возрастающее влияние на климат хозяйственной деятельности человека.
Климаты Земли весьма разнообразны, поэтому в зависимости от температурных условий и других факторов выделяют климатические пояса планеты. Основные из них соответствуют важнейшим типам воздушных масс, т. е. это пояса:
а) экваториальный;
б) тропический;
в) умеренный;
г) арктический и антарктический.
Кроме того, выделяют переходные климатические пояса:
а) субэкваториальный;
б) субтропический;
в) субарктический и субантарктический.
Климатические пояса подразделяются на области, например в Евразии субтропический пояс делится на области:
– средиземноморского;
– континентального;
– муссонного климата.
Климатические пояса прежде всего различаются температурным режимом, а также количеством осадков и рядом других характеристик, с указанием средних температур января и июля (°С) и количества осадков (мм в течение года):
Тесты итогового контроля по теме «Атмосфера и климат»
1. Слоем атмосферы, содержащим до 20 % всей ее массы, является:
а) экзосфера;
б) мезосфера;
в) тропосфера;
г) стратосфера.
2. Атмосфера Земли полностью поглощает:
а) инфракрасное;
б) электромагнитное;
в) коротковолновое;
г) ультрафиолетовое излучение.
3. Амплитуда годовых колебаний температуры увеличивается при:
а) удалении от океанов;
б) приближении к ним.
4. На какой высоте атмосферное давление ниже:
а) 100 м над уровнем моря;
б) 300 м над уровнем моря.
5. На циркуляцию атмосферы оказывает определяющее воздействие:
а) неодинаковое распределение солнечного излучения в различных широтах;
б) вращение Земли вокруг своей оси;
в) совокупность эндогенных и экзогенных процессов.
6. С увеличением температуры воздуха содержание в нем воды:
а) увеличивается;
б) уменьшается;
в) не изменяется.
7. К основным климатообразующим факторам относятся:
а) характер земной поверхности;
б) воздействие господствующих ветров;
в) антропогенная деятельность.
1. Третьим по значению химическим элементом в атмосфере Земли является:
а) неон;
б) кислород;
в) аргон;
г) углекислый газ.
2. Парниковый эффект является результатом отражения теплового излучения:
а) кислородом и азотом;
б) углекислым газом и водяным паром;
в) озоновым слоем.
3. Температура воздуха при удалении от экватора:
а) понижается;
б) повышается;
в) не изменяется.
4. К устойчивым воздушным течениям можно отнести:
а) ураганы;
б) ледниковые ветры;
в) пассаты.
5. Непосредственной причиной возникновения осадков являются:
а) конденсация воды;
б) нагревание атмосферы;
в) океанические течения.
6. К переходным климатическим поясам относят:
а) средиземноморский;
б) антарктический;
в) субтропический.
7. Отразится ли существенное изменение химического состава атмосферы на биологических процессах?
а) отразится;
б) не отразится;
в) отразится отрицательно;
г) отразится положительно.