Атмосфера
Состав и строение воздуха, падение температуры и давления с высотой, ртутный барометр, ветер и осадки — вся атмосфера за один урок.
Колесо невозможно накачать, если воздух «пустой»: он с силой давит на камеру изнутри. А альпинисты на Эльбрусе жалуются, что вода кипит уже при 85 °C и яйцо не сварить. И то и другое — работа атмосферы, воздушного океана, на дне которого мы живём.
Состав воздуха
Воздух — смесь газов. Около 78% приходится на азот: он разбавляет смесь и почти не расходуется. Примерно 21% — кислород, которым мы дышим и который поддерживает горение. Оставшийся 1% — аргон, углекислый газ, водяной пар и прочие газы. Углекислого газа совсем мало, около 0,04%, но без него растения не смогли бы строить себе пищу, а планета была бы заметно холоднее.
Строение: снизу вверх
Нижний слой — тропосфера: 8-10 км высотой у полюсов и 16-18 км у экватора. Здесь собрано около 80% массы всего воздуха, здесь рождаются облака, ветер и осадки — вся погода. С высотой в тропосфере холодеет: примерно на 6 °C с каждым километром. Выше лежит стратосфера, до высоты около 50-55 км; в ней на высоте 20-25 км находится озоновый слой, задерживающий жёсткий ультрафиолет. Ещё выше — мезосфера, термосфера, где вспыхивают северные сияния, и экзосфера. Условной границей атмосферы считают линию Кармана на высоте около 100 км.
| Слой атмосферы | Где лежит | Что в нём происходит |
|---|---|---|
| тропосфера | 8-10 км у полюсов, 16-18 км у экватора | вся погода: облака, ветер, осадки |
| стратосфера | до высоты около 50-55 км | озоновый слой задерживает ультрафиолет |
| термосфера | выше мезосферы | вспыхивают северные сияния |
Почему воздух не улетает в космос
Землю и воздух скрепляет притяжение. Каждая молекула воздуха имеет вес, и планета держит её так же крепко, как держит тебя. Поэтому у поверхности воздух плотный и густой, а с высотой становится всё реже: уже на высоте 5 километров его так мало, что дышать тяжело, а на высоте 10-12 километров, где летают самолёты, без кислородной маски не обойтись. Вся атмосфера весит примерно в миллион раз меньше самой планеты — и всё равно этого хватает, чтобы давить на землю с силой около одного килограмма на каждый квадратный сантиметр. А на границе с космосом, около линии Кармана, воздух уже такой редкий, что крыло обычного самолёта перестаёт держать.
Вес воздуха доказали эффектным опытом. В 1654 году бургомистр Магдебурга Отто фон Герике сложил две плотно подогнанные металлические полусферы, выкачал изнутри воздух — и шестнадцать лошадей, запряжённых с двух сторон, не смогли их разорвать. Атмосфера так сильно прижимала половинки друг к другу, что даже мощные упряжки выдохлись. Этот опыт, названный магдебургскими полушариями, убедительно показал людям: воздух не пустота, а настоящая оболочка с весом и силой.
Давление и ртутный барометр
Воздух весит: кубометр у поверхности — около 1,3 кг. Поэтому атмосфера давит на всё, на чём стоит, — примерно с силой 1 кг на каждый квадратный сантиметр. Давление измеряют барометром. Первый ртутный барометр собрал в 1643 году Торричелли: стеклянную трубку с ртутью он опустил открытым концом в чашу — часть ртути вылилась, а столб остановился на отметке 760 мм. Так появилась единица «мм рт. ст.», а давление 760 мм рт. ст. на уровне моря называют нормальным. С высотой давление падает: примерно на 1 мм рт. ст. на каждые 10,5 м подъёма.
Ветер: постоянные и сезонные
Ветры бывают очень разными. Пассаты — постоянные ветры, которые круглый год дуют от тридцатых широт к экватору: именно с ними парусные корабли пересекали океаны. Муссоны — ветры сезонные: летом они дуют с океана на сушу и приносят затяжные дожди, а зимой меняются на обратные. Для каждого места по многолетним записям рисуют розу ветров: лучи от центра показывают, откуда и как часто дул ветер за месяц или за год. Моряки и строители ветряков до сих пор пользуются такими диаграммами. Скорость и направление ветра фиксируют флюгером и анемометром, а силу оценивают по шкале Бофорта, составленной в 1805 году: от полного штиля до урагана в двенадцать баллов. Ветер не просто двигает воздух — он переносит тепло и влагу по всей планете: без пассатов и муссонов тропики превратились бы в раскалённую печь, а полюса — в ледяные пустоши.
Из-за разницы давлений рождается ветер — горизонтальное движение воздуха из области высокого давления в область низкого: чем больше разница, тем сильнее ветер. У берега днём суша нагревается быстрее моря, тёплый воздух поднимается, и с воды дует дневной бриз; ночью всё наоборот. Там же, в тропосфере, рождаются осадки: водяной пар остывает и конденсируется в капельки, из них собираются облака, а когда капли тяжелеют, выпадают дождь и снег; из грозовых облаков может сорваться град. Количество осадков измеряют осадкомером и записывают в миллиметрах.
Облака: три главные формы
Облака различают по форме и высоте. Перистые — белые тонкие нити на большой высоте; они состоят из льдинок и чаще обещают ясную погоду. Кучевые — плотные белые шары с плоским основанием; в жаркий день они растут вверх и могут превратиться в грозовую тучу. Слоистые — серая однородная пелена, из которой моросит долгий обложной дождь. Если такое облако опустится к самой земле, получится туман. Град рождается в мощных грозовых облаках: капелька замерзает, вихрем носится вверх и вниз, обрастает слоями льда и падает на землю ледяным шариком. Собираются капельки не на пустом месте: пара нужен центр, поэтому облачные капли оседают на мельчайших пылинках и кристалликах соли.
Как изучают и предсказывают погоду
Погоду наблюдают метеорологи. Метеостанции по всей планете измеряют температуру, давление, ветер и осадки каждые три часа, а данные сводят в общую карту. Приборы на станциях стоят в специальных белых будках с жалюзи: они продуваемы и защищают показания от солнца. К наземным измерениям добавились метеозонды — шары с приборами, поднимающиеся в стратосферу, и спутники, фотографирующие облака сразу над целыми океанами. Прогноз строится так: по карте видно, откуда идёт циклон и куда несёт его ветер, и метеорологи рассчитывают, что он принесёт в твой город завтра. Чем короче срок прогноза, тем точнее цифры: на завтра обещают с точностью до градуса, на неделю — лишь «теплее или холоднее».
- тропосфера#
- нижний слой атмосферы высотой 8-18 км, где делается вся погода
- стратосфера#
- слой выше тропосферы, на высоте 20-25 км в нём лежит озоновый экран
- атмосферное давление#
- сила, с которой воздух давит на поверхность; норма — 760 мм рт. ст.
- барометр#
- прибор для измерения атмосферного давления
- конденсация#
- превращение водяного пара в капельки при охлаждении
- бриз#
- ветер у берега, меняющий направление днём и ночью
Разбор типового задания
- У поверхности давление нормальное — 760 мм рт. ст. На каждые 10,5 метра подъёма оно падает примерно на 1 мм рт. ст.
- Делим высоту площадки на 10,5 метра: получается ровно десять раз по одному миллиметру.
- Вычитаем потерю давления из нормального.
- Ответ: около 750 мм рт. ст. Приём «высоту делим на 10,5 и вычитаем» — рабочая лошадка контрольных задач по давлению, проверь его на высоте 1050 метров: потеря составит ровно 100 мм.
Как это спрашивают на контрольной
- Из каких газов состоит воздух? Назови доли азота и кислорода.
- Перечисли слои атмосферы и скажи, где происходит смена погоды.
- На сколько градусов холоднее на каждом километре подъёма в тропосфере?
- Какое давление считают нормальным и каким прибором его измеряют?
- Почему днём у берега ветер дует с воды на сушу, а ночью — с суши на море?
Образец ответа про бриз: днём суша нагревается быстрее моря, тёплый воздух над ней поднимается вверх, и его место занимает прохладный воздух с воды — так рождается дневной бриз. Ночью вода остывает медленнее суши, и всё меняется: теперь тёплый воздух поднимается над морем, а ветер дует с суши. В ответе обязательно должны быть причина — разный нагрев суши и воды — и оба направления ветра, тогда он считается полным.
Линия Кармана — условная граница атмосферы. На какой высоте она проходит? Выстави в метрах.
Воздух — смесь газов: около 78% объёма занимает , примерно 21% — , а нормальное давление на уровне моря равно мм рт. ст.
Банк слов
Проверь себя
Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»
1 Какой газ занимает около 78% объёма воздуха? Запиши слово.
2 Что происходит с температурой при подъёме в тропосфере?
3 Какое атмосферное давление считается нормальным на уровне моря? Запиши число в мм рт. ст.
4 Атмосферное давление с высотой падает.
5 Кто собрал первый ртутный барометр?
6 Сопоставь термин и определение.
Нажми на элемент слева, затем на его пару справа. Повторное нажатие отменяет связь.
7 Расставь путь капли дождя по порядку.
8 В стратосфере с высотой становится теплее.
Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.
Частые вопросы
Из чего состоит воздух?
Около 78% объёма воздуха занимает азот, ещё примерно 21% — кислород. На все остальные газы — аргон, углекислый газ, водяной пар — приходится лишь около 1%.
Почему с высотой холоднее?
Воздух греется в основном от поверхности Земли, а не напрямую от солнечных лучей. Чем выше, тем меньше тепла доходит снизу, поэтому в среднем минус 6 °C на каждый километр тропосферы.
Что такое мм рт. ст.?
Миллиметр ртутного столба — давление, которое уравновешивает столб ртути такой высоты. Нормальное давление на уровне моря — 760 мм рт. ст., измерить его можно ртутным барометром Торричелли.
Почему ветер дует?
Солнце нагревает сушу и воду неравномерно, поэтому давление в разных местах получается разным. Воздух перетекает из области высокого давления в область низкого — это движение мы и ощущаем как ветер.