§ 12. Атмосфера та її властивості

• Який склад атмосфери? Які особливості її будови? Атмосфера – це газова оболонка Землі, яка має протяжність у кілька тисяч кілометрів. Нижня її межа сягає земної поверхні, а верхня – поступово переходить у навколоземний космічний простір. Так звана зовнішня частина атмосфери сягає висоти 10 тис. км і більше. Атмосферне повітря не має ні запаху, ні кольору, ні смаку.

Повітря – це складна суміш різноманітних газів, основними з яких є кисень і азот. Азоту в земній атмосфері найбільше – 78 % (порівняно з іншими газами: в атмосферу азот надходить унаслідок життєдіяльності мікроорганізмів). Друге місце у складі повітря належить кисню – 20,9 %. Наявність кисню в атмосфері – необхідна умова для процесів дихання, горіння та гниття. Майже весь вільний кисень в атмосфері є продуктом фотосинтезу, під час якого зелені рослини засвоюють вуглекислий газ і воду, а виділяють кисень.

Повітряна оболонка складається з кількох шарів, між якими немає чітких меж. Найважливішим для людства є шар повітря, прилеглий до земної поверхні, який називають тропосферою, що сягає до 18 км, а над полюсами – до 8 км, де і відбуваються всі атмосферні процеси і явища, формується погода. Тут зосереджена майже вся водяна пара земної атмосфери. Повітря у тропосфері рухається дуже енергійно в різних напрямках, а його температура з висотою знижується. Над тропосферою послідовно розташовані: стратосфера та верхні шари атмосфери.

Як нагрівається повітря? Потрапивши на земну поверхню, енергія Сонця поглинається нею і поступово її нагріває. Чим більший кут падіння сонячних променів до земної поверхні, тим більшою буде частка поглинутої сонячної енергії. На поглинання сонячної енергії поверхнею впливає також її колір, прозорість: так, ліс, пісок, розораний вологий темний ґрунт поглинають більше енергії Сонця, унаслідок чого швидше нагріваються. Натомість світлі території, укриті снігом чи льодом, майже не нагріваються, оскільки більша частина енергії, що надійшла від Сонця, відбивається назад в атмосферу. Водна поверхня, порівняно з поверхнею суходолу, нагрівається повільніше, але й повільніше віддає поглинуту енергію. Ось чому водні простори океану є величезним накопичувачем сонячного тепла.

Нагріта таким чином поверхня Землі починає поступово віддавати своє тепло. Більша частина цього тепла (до 80 %) витрачається на випаровування води, а решта – на нагрівання повітря у тропосфері. Нагріте повітря розширюється, стає легшим і піднімається від теплої земної поверхні вгору, де й охолоджується. Тому температура приземних шарів повітря зазвичай вища, ніж температура повітря вищих шарів.

• Чому змінюється температура повітря впродовж доби? Протягом доби температура повітря поступово змінюється через обертання Землі навколо власної осі і, як наслідок, різна кількість сонячної енергії потрапляє на одну й ту саму ділянку земної поверхні. Найвищу температуру спостерігають о 14-15-й годині, тобто невдовзі після полуденного положення Сонця, а найнижчу – перед світанком. Різницю між найвищою та найнижчою добовою температурою називають добовою амплітудою коливання температури.

• Як і чому змінюється температура повітря упродовж року? Температура повітря протягом року змінюється залежно від кута падіння сонячних променів. Цей кут, унаслідок обертання Землі навколо Сонця, є найбільшим між Північним і Південним тропіками. Наприклад, на екваторі сонячні промені падають на земну поверхню під прямим кутом чи близьким до нього впродовж усього року. З наближенням до полярних кіл кут сонячних променів поступово зменшується. Між полярними колами та полюсами кут падіння сонячних променів найменший і може становити навіть 0° (тоді Сонце не сходить із-за горизонту).

У помірних широтах кут падіння сонячних променів ніколи не буває 90°, максимальним він є тоді, коли у нашій Північній півкулі літо (у день літнього сонцестояння), а мінімальним – узимку (у день зимового сонцестояння). У Південній півкулі максимальні й мінімальні значення кута падіння сонячних променів зворотні тим, що спостерігаються в Північній півкулі. Ось чому впродовж року бувають найвищі та найнижчі показники температури. Різницю між максимальною і мінімальною температурами повітря впродовж року називають річною амплітудою температури.

• Що таке теплові пояси? За особливостями річного розподілу температури повітря на Землі виділяють теплові, або температурні, пояси, межами яких є ізотерми. Жаркий пояс розташований між річною ізотермою +20 °C Північної і Південної півкуль; два помірні пояси – між ізотермами +20 °C і +10 °C найтеплішого місяця в обох півкулях; два холодні пояси розташовані між ізотермами +10 °C і 0 °C найтеплішого місяця в обох півкулях; два пояси вічного холоду розташовані навколо полюсів і оточені ізотермою 0 °C найтеплішого місяця в обох півкулях.

• Чому повітря тисне на земну поверхню і як змінюється атмосферний тиск? Повітря має вагу і тому тисне на земну поверхню з великою силою, яку називають атмосферним тиском. Але в різних місцях повітря тисне на земну поверхню з різною силою: холодніше повітря має більшу щільність, а відтак і більшу вагу, а тому тисне з більшою силою. Навпаки, тепліше повітря, а значить – і легше та менш щільне, чинить менший тиск. Крім температури повітря, на показник атмосферного тиску впливає висота місцевості над рівнем моря. З висотою зменшується густина і стовп повітря, тому й атмосферний тиск знижується.

ГЕОГРАФІЧНИЙ КАЛЕЙДОСКОП

Високо в горах через зниження атмосферного тиску та зменшення вмісту кисню в повітрі люди відчувають запаморочення, головний біль, слабкість, підсилення серцебиття. Але у збирачок чаю індійської провінції Даржилінг місткість легень більша, ніж у жителів рівнин. У результаті постійної роботи на висоті понад 2 км в умовах низького атмосферного тиску їхня кров набуває здатності краще й швидше засвоювати кисень. Ця унікальна властивість організму успадковується з покоління в покоління. Збирачки чаю можуть працювати на високогірних схилах і цілий день носити важкий кошик з чайним листям, анітрохи не задихаючись.

Атмосферний тиск змінюється і в горизонтальному напрямку внаслідок переміщення повітря. У результаті горизонтального переміщення повітря на ділянках, куди воно переміщується, утворюється ніби його «надлишок», що спричинює підвищення тут тиску. Навпаки, у місцях, звідки рухається повітря, його стає менше, а отже, там зменшується й атмосферний тиск. На Землі утворилися певні пояси, де впродовж року переважає високий або низький атмосферний тиск: так, поблизу екватора завдяки високій температурі переважає низький атмосферний тиск. Натомість у високих широтах та біля полюсів тиск упродовж року високий через низьку температуру. У тропічних широтах тиск підвищений, а в помірних, навпаки, переважає дещо знижений тиск. Причиною цього є постійне (упродовж року) переміщення повітря в цих широтах як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках.

• Як утворюється вітер? Вітер – рух повітря в горизонтальному або близькому до нього напрямку. Вітер виникає в результаті нерівномірного розподілу атмосферного тиску, при цьому повітря рухається із місцевості, де атмосферний тиск високий, туди, де він низький. Вітер характеризується швидкістю, силою й напрямком.

Швидкість вітру вимірюють у метрах за секунду (м/с) або в кілометрах за годину (км/год). Для того щоб перевести метри за секунду в кілометри за годину, слід значення швидкості в метрах за секунду помножити на 3,6.

Силу вітру визначають за тиском рухомого повітря на предмети, її вимірюють у кілограмах на квадратний метр (кг/м 2 ). Сила вітру залежить від його швидкості: чим більша різниця у значеннях атмосферного тиску, тим сильніше і швидше дме вітер. Відсутність будь-яких ознак вітру називають штилем.

Напрямок вітру визначають за положенням тієї сторони горизонту, звідки він дме. Для позначення напрямку вітру на практиці горизонт поділяють на вісім напрямків. З них чотири головні: північ (Пн.), південь (Пд.), схід (Сх.) і захід (Зх.) і чотири проміжні – північно-східний (Пн.- Сх.), північно-західний (Пн.-Зх.), південно-східний (Пд.-Сх.) та південно-західний (Пд.-Зх.).

Напрямок вітру визначають за допомогою флюгера. Наочне уявлення про напрямки вітрів, які переважають у певній місцевості, дає спеціальна діаграма – роза вітрів (графічне зображення повторюваності напрямків вітру). Довжина її променів пропорційна повторюваності вітрів цього напрямку.

• Що таке вологість повітря? Під час випаровування над земною поверхнею формується вологість повітря – це вміст водяної пари в повітрі, яка не залишається сталою протягом доби, місяця, року і часто змінюється над різними територіями як суходолу, так і океану. Кількість водяної пари, наявну в повітрі в деякий момент часу за певної температури, називають абсолютною вологістю і визначають у грамах на 1 м 3 . Однак в інформації про погоду ми постійно чуємо про відносну вологість. Тобто відношення абсолютної вологості до максимально можливої за цієї температури, яку зазвичай виражають у відсотках. Максимальна вологість характеризується максимальною кількістю вологи, яка може перебувати в повітрі при певній температурі.

• Як утворюються хмари? Протилежним процесом до випаровування є згущення водяної пари. Для цього процесу характерне перенасичення повітря, що призводить до того, що водяна пара переходить у рідкий або твердий стан. Унаслідок згущення водяної пари на значній висоті від поверхні Землі утворюються хмари (мал. 12.1). Основними їх компонентами є краплинки води і кристалики льоду, залежно від переважання тих чи інших компонентів у їхньому складі вони бувають: водяні, льодяні та змішані.

Кількість хмар на небі постійно змінюється. Ступінь покриття неба хмарами називають хмарністю. Її оцінюють за десятибальною шкалою чи у відсотках. Кожен бал дорівнює 1/10 частини неба, або 10 %. У розподілі хмарності є певні географічні особливості. У поясах високого тиску хмар завжди менше або навіть зовсім немає. Там, де переважає низький тиск, хмарність значна впродовж року. У тропічних широтах протягом року хмарність незначна. У помірних широтах хмарність буває упродовж року, хоча і коливається за сезонами. Незначну хмарність спостерігають біля полюсів, особливо в Антарктиді.

• Які особливості утворення опадів? Вода, яка випадає з хмар у вигляді дощу, снігу, граду, є атмосферними опадами. Опади дають лише ті хмари, у яких краплини води і кристалики льоду збільшуються до таких розмірів, що не можуть утримуватися в завислому стані й, під дією сили тяжіння Землі, падають на її поверхню. Основними чинниками формування опадів є висхідний рух повітря, наявність у ньому водяної пари, достатньої для утворення опадів, атмосферні фронти тощо.

• Як розподілені опади земною кулею? Розподіл опадів на земній кулі дуже нерівномірний і залежить від особливостей розташування атмосферного тиску, від насичення водяною парою повітря та його переміщення, від рельєфу тощо. На земній кулі найбільша кількість опадів (від 2000 до 3000 мм за рік) буває поблизу екватора, що пов’язано з переважанням висхідних рухів повітря. У тропічних широтах кількість опадів значно менша, оскільки панують низхідні рухи повітря. Наприклад, у деяких пустелях випадає не менше 250-100 мм на рік, а може роками не випасти жодної краплини води.

Мал. 12.1. Види хмар

З наближенням до помірних широт кількість опадів збільшується, оскільки тут повітря також постійно піднімається вгору за рахунок змішування його теплих і холодних мас на атмосферних фронтах. Так, на більшій частині території Європи випадає від 600 до 1000 мм опадів. Від помірних і до полярних широт кількість опадів зменшується. Це зумовлено зниженням температури і вмісту вологи в повітрі та переважанням низхідного руху повітря. У приполярних широтах Північної півкулі кількість опадів коливається в межах 150-300 мм за рік. У Південній півкулі випадає загалом більше опадів, ніж у Північній, оскільки в ній переважають водні простори. Але загальні особливості розподілу опадів тут такі самі, як і в Північній півкулі.

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

МАЄТЕ ЗНАТИ:

• атмосферне повітря нагрівається від земної поверхні, що віддає енергію Сонця;
• температура повітря змінюється впродовж доби через осьове обертання Землі, а впродовж року – залежно від кута падіння сонячних променів;
• за особливостями річного розподілу температури повітря на Землі виділяють сім теплових поясів;
• атмосферний тиск – це сила, з якою повітря тисне на одиницю площі земної поверхні; на земній кулі є сім поясів атмосферного тиску;
• вітер – це горизонтальний рух повітря, що характеризується швидкістю, силою та напрямком;
• вологість повітря – це вміст водяної пари в повітрі, розрізняють абсолютну та відносну вологість;
• опади – це вода, яка в рідкому чи твердому стані випадає з хмар або прямо з повітря;
• розподіл опадів на земній кулі дуже нерівномірний і залежить від розподілу атмосферного тиску, кількості водяної пари в атмосфері, від рельєфу;
• опадів буває більше в екваторіальних і помірних широтах, менше – у тропічних і полярних.

ВІД ТЕОРІЇ ДО ПРАКТИКИ

На місці вирубаних лісів створені фермерські господарства збільшують здатність земної поверхні відбивати світло й тепло: так званий коефіцієнт відбивної здатності зростає тут приблизно від 0,1 до 0,2. У випадку заміни ланів на асфальт і бетон коефіцієнт відбивної здатності зросте – з 0,15 до 0,22.

Що саме може змінитися внаслідок наведених прикладів, якщо земна поверхня стане менше поглинати сонячної енергії і менше нагріватися? Яких видозмін може зазнати місцевий клімат? Якими можуть бути наслідки кліматичних змін для життєдіяльності необачливої людини?

ПРАКТИЧНІ РОБОТИ

5. Визначення середніх температур та амплітуди їх коливань за добу, місяць, рік. Аналіз рози вітрів.

Розділ 4. СОНЦЕ — НАЙБЛИЖЧА ЗОРЯ

Наше світило, зігріваючи своїми променями Землю ось уже 4,59 млрд років, є справжньою супердержавою Сонячної системи, яка живе за законами фізики і підпорядкована власному еволюційному розвитку. Це термоядерна піч гігантських розмірів, регулярно здригається потужними вибухами, кожен з яких здатний розпорошити на субатомні частинки наш блакитний оазис. Перебуваючи на відстані 150 млн км від поверхні Сонця, ми начебто захищені від його спопеляючої люті. Проте чи це так насправді? Щоб відчувати себе хоча б у відносній безпеці, людству сьогодні життєво необхідно знати всі таємниці Сонця.

§ 19. ФІЗИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОНЦЯ. БУДОВА СОНЦЯ ТА ДЖЕРЕЛА ЙОГО ЕНЕРГІЇ

1. Загальні відомості. Сонце – центральне і наймасивніше тіло Сонячної системи. Сонце – потужне джерело енергії, яку воно постійно випромінює в усіх ділянках спектра електромагнітних хвиль – від рентгенівських і ультрафіолетових променів до радіохвиль. Це випромінювання впливає на всі тіла Сонячної системи: нагріває їх, впливає на атмосфери планет, дає світло й тепло, необхідні для життя на Землі. Сонце – одна зі ста мільярдів зір нашої Галактики. Детально вивчаючи фізичну природу Сонця, ми одержуємо найважливіші відомості про природу інших зір. Диск Сонця видимий із Землі із середнім кутовим діаметром 32′. Світло від Сонця до Землі доходить за 8 хв і 20 с.

Маса Сонця приблизно в 333 000 разів більша за масу Землі та у 750 разів перевищує масу всіх інших планет, разом узятих. Діаметр Сонця дорівнює 1 млн 392 тис. км (109 діаметрів Землі). Вимірювання за межами земної атмосфери показали, що на площу 1 м 2 , розташовану перпендикулярно до сонячних променів, щосекунди надходить 1,37 кВт енергії. Це значення практично не змінюється протягом тривалого інтервалу часу, тому воно одержало назву сонячна стала. Максимум сонячного випромінювання припадає на оптичний діапазон.

Світність Сонця, або повну кількість енергії, випромінювану Сонцем у всіх напрямках за одиницю часу, визначають так: значення сонячної сталої множать на площу сфери радіусом r в одну астрономічну одиницю (1 а. о. = 149,6 • 10 9 м): L_ʘ = 4πr 2 • 1370 Вт = 3,85 • 10 26 Вт.

На Землю потрапляє незначна сонячна енергія, яка складає близько половини мільярдної частини її значення.

2. Спектр і хімічний склад. Майже всі наші знання про Сонце ґрунтуються на вивченні його спектра. Хімічні елементи, які наявні в атмосфері Сонця, поглинають з неперервного спектра, випромінюваного фотосферою, світло певної частоти. У результаті в неперервному спектрі з’являються темні лінії. Йозеф Фраунгофер уперше вивчив і замалював 576 темних ліній сонячного спектра (мал. 4.1). Учений правильно вказав, що джерело темних спектральних ліній – сонячна атмосфера. За положенням у спектрі (тобто довжинами хвиль) й інтенсивністю цих ліній можна встановити, які хімічні елементи присутні в сонячній атмосфері.

Мал. 4.1. Відповідність між положенням фраунгоферових ліній сонячного спектра і ліній хімічних елементів

На цей час досліджено понад 30 тис. ліній для 70 хімічних елементів, що є в атмосфері Сонця. Фраунгоферові лінії за інтенсивністю та шириною надзвичайно різноманітні. Аналіз спектральних ліній показав, що на Сонці переважає Гідроген – на його частину припадає понад 70 % маси Сонця, близько 25 % припадає на Гелій і близько 2 % – на інші елементи.

3. Внутрішня будова. Знаючи дані про радіус, масу, світність Сонця та використовуючи фізичні закони, можна одержати дані про тиск, густину, температуру і хімічний склад на різних відстанях від центра Сонця (мал. 4.2). З наближенням до центра Сонця збільшуються, сягаючи максимальних значень, температура, тиск і густина. Хімічний склад Сонця також відрізняється: процентний вміст водню найменший у центрі.

Високий тиск усередині Сонця обумовлений дією вище розміщених шарів. Сили тяжіння прагнуть стиснути Сонце. Їм протидіє пружність гарячого газу й тиск випромінювання, що йдуть з надр. Ці сили прагнуть розширити Сонце. Тяжіння, з одного боку, а пружність газів і тиск випромінювання, з іншого боку, урівноважують одне одного. Рівновага має місце в усіх шарах від поверхні до центра Сонця. Такий стан Сонця і зір називають гідростатичною рівновагою. Цю просту ідею висунув у 1924 р. англійський астрофізик Артур Еддінгтон (1882-1944). Вона дала змогу скласти рівняння, за яким розраховують моделі внутрішньої будови Сонця, а також інших зір.

Мал. 4.2. Будова Сонця

Такі моделі є сукупністю параметрів зоряної речовини (температура, тиск, густина тощо) на різних глибинах. За обчисленнями та розрахунком моделі випливає, що температура в центрі Сонця сягає 15 млн градусів. Саме в цій частині й генерується енергія Сонця.

Ми вже знаємо, що сонячна речовина в основному складається з водню. За величезних тисків і температур протони (ядра Гідрогену) рухаються зі швидкостями, що становлять сотні кілометрів за секунду. Усередині Сонця, на відстанях до 0,3 радіуса від центра, створюються умови, сприятливі для термоядерних реакцій перетворення атомів легких хімічних елементів в більш важкі атоми (мал. 4.3). З ядер Гідрогену утворюється другий з легких елементів – Гелій. Для утворення одного ядра Гелію потрібно 4 ядра Гідрогену. На проміжних стадіях утворюються ядра Дейтерію і ядра Тритію. Цю реакцію називають протон-протонною. Під час реакції невелика кількість маси реагуючих ядер Гідрогену втрачається, перетворюючись у величезну кількість енергії, яка й підтримує випромінювання Сонця. Через шари, що оточують центральну частину зорі, ця енергія передається назовні. Усередині від 0,3 до 0,7 радіуса від центра Сонця перебуває зона променистої рівноваги енергії, де енергія поширюється через поглинання та випромінювання γ-квантів.

Мал. 4.3. Схема протон-протонної реакції: р – протон; n – нейтрон; D – ядро Дейтерію; Не 3 , Не 4 – ядра ізотопів Гелію; е + – позитрон; ν – нейтрино, γ-кванти

Народжені в центрі Сонця γ-кванти мають енергію в мільйони разів більшу, ніж енергія квантів видимого світла. Довжина хвилі γ-квантів дуже мала. У процесі поглинання квантів атомами й подальшого їхнього перевипромінювання відбувається поступове зменшення їхньої енергії та збільшення довжини хвилі. Кількість квантів під час цього процесу збільшується. Потужні γ-кванти поступово діляться на кванти з меншою енергією: виникають рентгенівські, ультрафіолетові, видимі й інфрачервоні промені.

У частині останньої третини радіуса Сонця є конвективна зона. Тут енергія передається не випромінюванням, а за допомогою конвекції (змішування, мал. 4.4). Причина виникнення конвекції у зовнішніх шарах Сонця та сама, що й у посудині з водою, що кипить: кількість енергії, що надходить від нагрівача, набагато більша від тієї, що передається теплопровідністю. Тому речовина починає рухатися і сама починає переносити тепло. Конвективна зона практично проходить до видимої поверхні Сонця – фотосфери.

Мал. 4.4. Енергія передається випромінюванням від ядра Сонця. Головним переносником енергії біля поверхні є конвекція

4. Джерела енергії. Аналіз хімічного складу земних, місячних порід і метеоритів указує на те, що Сонячна система утворилася близько 4,7 млрд років тому. Сонце, за сучасними даними, існує близько 5 млрд років. За останні 3 млрд років світність його майже не змінилася. Повна енергія Сонця, виділена за цей час, дорівнює E_ʘ ≈ L_ʘt = 3,5 • 10 43 Дж. Поділивши це значення на повну масу Сонця, одержимо, що кожен кілограм сонячної речовини виділив близько 1,8 • 10 13 Дж енергії. Реально це значення ще більше, тому що ми не врахували ще перші 2 млрд років. Жодне хімічне паливо не може забезпечити таке значення внутрішньої енергії, яку виділяє 1 кг сонячної речовини.

У середньому Сонце втрачає приблизно 4 млн тонн водню за секунду. На перший погляд це значення може здатися величезним. Однак воно незначне порівняно з повною масою Сонця. Розрахунки показують, що водню в надрах досить для підтримки світіння на сучасному рівні ще протягом 5 млрд років.

5. Реєстрація сонячних нейтрино. Нейтрино є єдиним видом випромінювання, яке надходить до земного спостерігача з найглибших надр Сонця та зір і несе в собі інформацію про їхню внутрішню структуру та про процеси, що відбуваються там. Сучасні засоби реєстрації нейтрино дають можливість виявляти випромінювання нейтрино лише Сонця і найновіших зір нашої Галактики.

Нейтрино є одним із продуктів протон-протонного циклу. Ці частинки майже без взаємодії здатні проникати крізь товщу зорі, несучи частину енергії безпосередньо з її центральних областей. Нейтрино мають величезну проникаючу здатність, і тому їх важко зареєстувати. Але існують спеціальні нейтринні обсерваторії, які фіксують потоки сонячних нейтрино.

Реєстрація нейтрино має вкрай важливе значення, оскільки саме нейтрино несе інформацію про процеси, що відбуваються в надрах Сонця і подібних до нього зір. Ґрунтуючись на даних про масу, світність і радіус Сонця, можна отримати дані про тиск, густину, температуру та хімічний склад на різних відстанях від центра Сонця. Ці результати дуже важливі для космології. Підтвердження коливань нейтрино разом з попередніми дослідженнями дає змогу фізикам встановити верхню межу на передбачувану масу нейтрино. Об’єднуючи це з очікуваним числом нейтрино у Всесвіті, фізики оцінили, що загальна маса нейтрино приблизно дорівнює загальній масі всіх видимих зір у Всесвіті.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що таке сонячна стала? Як її визначили?
• 2. Що розуміють під світністю Сонця? Чому вона дорівнює?
• 3. Які хімічні елементи є переважними для Сонця?
• 4. Опишіть внутрішню будову Сонця. На які зони умовно ділять надра Сонця? Які процеси відбуваються в кожній із цих зон?
• 5. За рахунок яких джерел енергії випромінює Сонце? Які при цьому відбуваються зміни з його речовиною?
• 6. Рівність яких сил підтримує рівновагу Сонця як розпеченої плазмової кулі?
• 7. Якими способами здійснюється перенесення енергії з надр Сонця до поверхневих шарів?