Страница 12 из 20
Известно деление атмосферы на слои в зависимости от изменения температуры воздуха с высотой. Менее известно деление атмосферы на слои в зависимости от изменения газового состава, который при возрастании высоты тоже меняется, как и вообще любые другие параметры воздушной среды (и любой другой среды).
Итак, атмосфера по первому признаку (в зависимости от изменения температуры) делится на пять слоев: тропосферу стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу.
Тропосфера иначе называется климатосферой, поскольку климат формируется в пределах именно этого слоя, непосредственно прилегающего к дневной поверхности. В полярных широтах данный слой имеет толщину 10-12 км, в тропических и экваториальных тропосфера достигает высоты 16 км. Температура понижается с высотой (0,6 градуса на 100 метров). Над тропосферой лежит переходный слой – тропопауза, отделяющий тропосферу от стратосферы. Температура в тропопаузе от -56 до -80 градусов.
В стратосфере понижение температуры становится очень умеренным, а то и вовсе исчезает, а в верхней ее части она начинает расти. В самой верхней части температура воздуха приближается к нулю. Над стратосферой находится стратопауза – промежуточный слой между стратосферой и мезосферой. Последняя сфера начинается от высоты 50 км и доходит до высоты 95 км. Температура здесь понижается (0,3 градуса на 100 метров). Мезосфера оканчивается мезопаузой, после которой начинается термосфера, и здесь температура снова начинает повышаться. Это происходит по причине поглощения ультрафиолета кислородом.
После термосферы начинается экзосфера – оболочка, которую можно считать практически межпланетным пространством со следами земной атмосферы.
По изменению газового состава атмосфера делится на: гомосферу и гетеросферу. Гомосфера простирается до высоты 100 километров, и ее газовый состав практически не меняется. А вот выше 100 км – в гетеросфере – на газы начинает воздействовать солнечное и космическое излучения, которые разлагают молекулы газов на атомы. Вследствие этого газовый состав атмосферы претерпевает существенную перестройку. При распаде молекул образуются ионы, которые вместе с нейтральными молекулами создают так называемую ионизированную плазму. Вся толща слоев атмосферы, насыщенная этой плазмой, называется ионосферой. Верхняя граница ионосферы доходит до высоты 500 километров.
На высоте 20-25 километров располагается еще один «дополнительный» слой – озоносфера. Этот слой насыщен озоном, который не пропускает к земле губительную для всех живых организмов часть солнечного излучения. Истощение озонового слоя наблюдается в наше время в связи с интенсивными промышленными выбросами в атмосферу вредных веществ. Дальнейшее сокращение мощности озонового экрана откроет путь ультрафиолетовым лучам с длиной волн менее 0,29 мкм. Это приведет к гибели биосферы.
Существуют еще подчиненные геосферы. К ним относятся педосфера (почвосфера), биосфера и, наконец, самое спорное образование – географическая оболочка.
Гравитационное и магнитное поля
Помимо вещественных геосфер, существуют еще энергетические. Это – гравитационное поле и магнитное поле.
Все рассмотренные вещественные геосферы характеризуются сферичностью. Такой же формой обладает и энергетическая оболочка Земли – гравитационное поле.
Гравитационное поле. Гравитационное поле Земли – это земное пространство (от центра Земли – до расстояния 36 тыс. км над поверхностью суши и Мирового океана), в пределах которого все предметы и явления подвергаются воздействию силы тяжести.
Сила тяжести – это геометрическая сумма силы притяжения Земли и центробежной силы. Как видно, сила тяжести и сила притяжения – это разные понятия, и на силу тяжести, таким образом, оказывает влияние соотношение двух факторов: сила притяжения Земли и центробежная сила. Рассмотрим первый фактор.
1. Сила притяжения Земли. Зависит от:
А. Влияния ближайших космических тел. Сила воздействия космических тел друг на друга зависит, во-первых, от расстояний между ними, во-вторых – от массы самих тел. Земля подвергается воздействию со стороны Луны и Солнца. Но поскольку они находятся достаточно далеко от нашей планеты, их влияние (которое всё же есть) в целом не учитывается.
Б. Распределения масс на поверхности Земли и внутри нее. Горы создают дополнительную нагрузку на верхнюю мантию, поэтому сила тяжести в этих местах должна быть больше, чем на равнинах. На поверхности океана наоборот – сила тяжести должна быть меньше, чем на равнинах, поскольку вода легче горных пород. Но измерения показывают, что сила тяжести на одной параллели везде (и на суше, и на поверхности океана) имеет одинаковую величину. Это говорит о том, что массы внутри Земли (под земной корой) и на поверхности планеты распределяются в общем равномерно. Объясняется такая равномерность следующим образом.
В местах большой нагрузки земной коры на мантию (в горах) породы мантии опускаются вниз. А там, где обнаруживается недостаток массы земной коры (дно океана), породы мантии подступают к поверхности.
Таким образом, земная кора, уравновешиваемая мантией, находится в состоянии изостатического равновесия. Как говорят, земная кора «плавает» в мантии. Следовательно, на земной поверхности сила тяжести практически везде одинакова. Отклонения (положительные аномалии) силы тяжести наблюдаются только в молодых горах, под которыми мантия еще не успела опуститься – должно пройти какое-то время; нарушенное равновесие восстанавливается не сразу. Процессы уравновешивания (компенсации) земной коры происходят на глубине от 100 до 150 км. Этот слой внутри Земли называется слоем изостазии.
2. Центробежная сила. Рассмотрим второй фактор, который влияет на силу тяжести.
На вращающейся Земле, имеющей форму шара (в грубом расчете), центробежная сила зависит от широты места. На полюсах эта сила равна нулю, на экваторе – достигает максимума. Чем меньше центробежная сила, тем больше должна быть сила тяжести. Так и получается: Северный и Южный полюса – это места, где сила тяжести на 0,6% больше, чем на экваторе. Из всего этого можно сделать вывод, что на полюсах сила тяжести равна силе притяжения.
Гравитационное поле характеризуется таким понятием, как ускорение свободного падения. На полюсах оно равно 9,83 м/с2, на экваторе 9,78 м/с2. Ускорение свободного падения постепенно уменьшается от полюсов к экватору на 55/1000 м/с2 – на каждый градус широты.
Анализируя всё вышесказанное, можно утвердительно сказать, что сила тяжести практически полностью зависит от силы притяжения Земли. Даже большая центробежная сила экватора не оказывает существенного воздействия на величину гравитации (разница в силе тяжести между полюсами и экватором – всего 0,6 процентов).
Существует такое понятие, как напряженность гравитационного поля. В данном случае напряженностью гравитационного поля Земли называется величина силы тяжести. В горизонтальном профиле напряженность постепенно и равномерно убывает от полюсов в сторону экватора. В вертикальном профиле (от поверхности Земли – вверх и вниз) напряженность поля уменьшается, соответственно, с высотой и глубиной. На высоте 36 тыс. километров от поверхности суши или Мирового океана, а также в центре Земли сила тяжести равна нулю.
Нетрудно подсчитать радиус сферического гравитационного поля – от центра Земли до 36 000 км над поверхностью геоида. Исходя из среднего радиуса Земли, приблизительный радиус гравитационного поля составляет 42 367 км.
Сила тяжести направлена по вертикали (отвесу) к земной поверхности.
Гравитационное поле без преувеличения можно назвать фундаментальной энергетической земной оболочкой. Сама Земля и все ее природные процессы, протекающие как на поверхности, так и на глубине, обязаны своим существованием гравитационному полю.