Лекция 2

АТМОСФЕРА

Состав атмосферы. Значение составных частей воздуха для сельского хозяйства

Атмосферой называется газообразная оболочка Земли. Смесь газов, составляющих атмосферу, называется воздухом. В сухом чистом воздухе нижних слоев атмосферы содержится 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. Оставшуюся 0,01% объема занимают неон, криптон, ксенон, гелий, метан, озон, радон и другие газы и их соединения как природного, так и промышленного происхождения.

Основной газовый состав сухого воздуха в нижнем слое атмосферы всюду на Земле всегда одинаков. Это обусловлено вертикальными и горизонтальными воздушными течениями, которые непрерывно перемешивают воздух. Количество же углекислого газа и других газообразных примесей в воздухе изменчиво во времени и в пространстве. Из всех газов атмосферы наибольшее значение для сельского хозяйства имеют азот, кислород и углекислый газ.

Азот — один из главных элементов почвенного питания растений. Он входит в состав растительных и животных белков. Свободный азот атмосферы связывается некоторыми почвенными и клубеньковыми бактериями, что обогащает почву соединениями азота, легко усваи­ваемыми растениями. Для улучшения почвенного питания растений минеральные и органические соединения азота вносят в почву в виде удобрений.

Кислород необходим для дыхания. При взаимодействии органических веществ с кислородом (окислении) в клетках живых организмов выделяется энергия, обеспечивающая жизнедеятельность животных и растений. По­этому обогащение почвы кислородом, которое достигается при улучшении аэрации почвы, способствует деятельности почвенных бактерий, росту корневой системы и, следовательно, улучшению почвенного питания растений.

Углекислый газ — источник воздушного питания растений, важнейший фактор формирования урожая сельскохозяйственных культур. Зеленые растения при помощи световой энергии синтезируют из углекислого газа и воды органическое вещество. При дыхании животных и растений, горении и гниении органического вещества углекислый газ выделяется в атмосферу. Увеличение (до известных пределов) содержания углекислого газа в воздухе способствует повышению урожая сельскохозяйственных культур. Углекислый газ имеет также важное значение для теплового баланса Земли, уменьшая ее охлаждение.

В промышленных центрах, где сжигается огромное количество топлива, в парниках, где происходит гниение навоза, в непроветриваемых жилых помещениях содержание углекислого газа резко возрастает. У поверх­ности почвы воздух содержит в 2—3 раза больше углекислого газа, чем над растительным покровом.

В почве в процессе гниения органического вещества постоянно происходит выделение углекислого газа и поглощение кислорода. Кислород и азот в почве поглощаются в процессе жизнедеятельности бактерий. Поэтому состав почвенного воздуха значительно отличается от состава воздуха атмосферы. Содержание СО₂ может достигать в нем 1,0— 1,2% (в заболоченных почвах до 6%), а содержание кислорода опускаться ниже 20%.

Между атмосферой, почвой, водоемами и растительным покровом идет непрерывный обмен углекислотой. Газообмен почвенного воздуха с приземным воздухом приводит к обогащению последнего углекислым газом, тогда как океаны и другие водоемы, а также растения поглощают углекислоту из атмосферы.

Наблюдения показывают, что содержание углекислоты в атмосфере за последнее столетие увеличилось на 10—12%. Причиной тому является быстрое возрастание количества топлива, сжигаемого в промышленности, на транспорте и др. В настоящее время в атмосферу ежегодно поступает около 100 млрд. т углекислоты.

Приведенные данные о процентном содержании газов относились к сухому чистому воздуху, т. е. воздуху, из которого искусственно удалены водяной пар, пыль и другие примеси. В природе воздух всегда более или менее загрязнен, а также содержит воду в газообразном, жидком и твердом состояниях. Содержание водяного пара в воздухе у земной поверхности колеблется от тысячных долей процента до 4% объема. В среднем количество водяного пара составляет в полярных широтах около 0,02%, а в тропических 2,5%) объема, т. е. изменяется более чем в 100 раз. Плотность водяного пара с высотой убывает быстрее, чем плотность основных газов, составляющих воздух. Уже на высоте 1,5—2 км плотность водяного пара вдвое меньше, чем в приземном слое атмосферы. Выше 10— 15 км остаются лишь ничтожные следы водяного пара.

Содержание водяного пара в атмосфере называется влажностью воздуха. Она имеет важное значение для животных и растений и, в частности, заметно влияет на урожай сельскохозяйственных культур.

В атмосфере содержатся различные газовые примеси. Они попадают в атмосферу в результате извержения вулканов, лесных пожаров, деятельности промышленности, авиации, автомобильного транспорта (выхлопные газы). Некоторые из газовых примесей (двуокись серы, окислы азота, окись углерода и др.) губительно действуют на человека, животных и растения. Общее количество вредных примесей в атмосфере незначительно, но в крупных промышленных центрах их содержание вре­менами может превышать санитарные нормы. В Советском Союзе приняты законы по охране воздушной среды от загрязнения и проводятся большие работы по его предотвращению.

Кроме газов, атмосфера содержит аэрозоли — находящиеся во взвешенном состоянии частички почвенной и космической пыли, дыма, морской соли, а также микроорганизмы, споры растений, водяные капельки и ледяные кристаллы. Число частиц пыли, дыма, сажи в воздухе больших городов достигает десятков тысяч в 1 см³. В лесах и над океанами оно в сотни раз меньше.

На высотах от 10 до 60 км под воздействием ультрафиолетовых лучей Солнца образуется озон — трехатомный кислород (О₃). По сравнению с кислородом (О₂) содержание озона очень невелико, но его значение для жизни на Земле огромно. Озон поглощает большую часть ультрафиолетовых лучей, губительных для живых организмов. Основная масса озона находится на высотах от 25 до 50 км.

На больших высотах состав атмосферы постепенно изменяется по сравнению с нижними слоями. На высотах более 1000 км начинают преобладать легкие газы — сначала гелий, а затем водород.

АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Основные физические свойства воздуха: плотность, давление и температура.

Плотность есть отношение массы вещества к его объему. Так, 1 м³ воды при температуре 4°С имеет массу 1 т, а 1 м³ воздуха при 0°С и нормальном давлении (760 мм рт. ст.) имеет массу 1,293 кг. Следовательно, при указанных условиях плотность воды составляет 1000 кг/м³, а плотность воздуха 1,293 кг/м³ Таким образом, плотность воздуха примерно в 800 раз меньше плотности воды.

Плотность атмосферы быстро уменьшается с высотой. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в слое до высоты 5,5 км.

Давление атмосферы — это сила, с которой давит на единицу земной поверхности столб воздуха, простирающийся от поверхности земли до верхней границы атмосферы. Атмосферное давление долгое время выражали в миллиметрах (мм) ртутного столба, т. е. линейной мерой измеряли силу, что было неудобно при решении многих задач. В практике в качестве единицы давления используется 1/1000 доля бара— миллибар. На уровне моря высота ртутного столба в трубке обычно составляет около 760 мм.

1 мб = 1ГПа = 0,75 мм рт. ст. (округленно ³/₄ мм рт. ст.);

1 мм рт. ст. = 1,33 мб = 1,33 ГПа (округленно ⁴/₃ мб).

Барической ступенью называется расстояние по вертикали, на которое надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мб.

Изменение давления с высотой

Непосредственные наблюдения и теоретические соображения показывают, что плотность и давление воздуха уменьшаются с высотой. Если на уровне моря давление составляет в среднем примерно 1012 мб, то на высоте 5,5 км оно уже около 500 мб, а на высоте 20 км — менее 100 мб.

Изменение давления с высотой характеризуется барической ступенью.

Зная барическую ступень, атмосферное давление и высоту над уровнем моря в одном из двух пунктов, лежащих на разной высоте, можно по разности давлений в этих пунктах определить разность их высот, а отсюда найти и высоту второго пункта над уровнем моря. Этот способ определения высоты пункта называется барометрическим нивелированием.

Изменение давления по горизонтали. Изобары

Атмосферное давление в разных точках земной поверхности в один и тот же момент неодинаково. Смена времен года и характер подстилающей поверхности также оказывают большое влияние на распределение давления. Чтобы получить наглядное представление о распределении давления по земному шару, на географическую карту наносят давление, измеренное в одно и то же время в разных пунктах и приведенное к уровню моря. Затем пункты, в которых давление одинаково, соединяют плавными линиями. Эти линии называются изобарами. Описанный способ картирования распределения давления по территории позволяет устанавливать размещение областей пониженного и повышенного давления на земном шаре и наблюдать за их перемещением, что имеет важное значение для прогнозов погоды.

Изменение давления вдоль горизонтали, направленной перпендикулярно к изобарам в сторону от высокого давления к низкому, приходящееся на расстояние в 100 км, называется горизонтальным барическим градиентом. Эта величина обычно составляет около 1 — 2 мб/100 км. Горизонтальный барический градиент вызывает горизонтальное движение воздуха, т. е. ветер.

СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

По характеру изменения температуры с высотой атмосферу разделяют на пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу (см. рис).

Тропосфера — нижний слой атмосферы высотой от 8—10 км в полярных областях до 15—18 км в тропиках, и атмосферой, образование облаков, выпадение осадков, грозы, ураганы, пыльные бури, суховеи И др

Самый нижний слой тропосферы — приземный, высота которого составляет несколько десятков метров — имеет большое значение для сельского хозяйства. В этом слое расположены посевы и насаждения, пастбища, обитают сельскохозяйственные животные. Поэтому для пра­вильного решения многих практических вопросов с.-х. производства необходимо знание атмосферных процессов, происходящих именно в приземном слое тропосферы.

Стратосфера располагается над тропосферой до высоты 50—55 км. Здесь, как правило, не образуются и облака.

Мезосфера находится над стратосферой. Ее верхняя граница лежит на высоте 80—90 км.

Термосфера простирается над мезосферой до высоты около 800 км. Воздух в термосфере сильно ионизирован, поэтому его электропроводность здесь в миллиарды раз больше, чем в тропосфере. В термосфере происходят полярные сияния, сгорают метеориты.

Экзосфера, или сфера рассеяния, — внешний слой атмосферы, из которого молекулы наиболее легких атмосферных газов — водорода и гелия — могут уходить в межпланетное пространство. Этот слой достигает высоты 2000—3000 км и постепенно переходит в Космос.