Название: Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы (Браже Р. А.) Жанр: Радиотехнический Просмотров: 1331 |
1.1. атмосфера земли и других тел солнечной системы
Атмосферой Земли (от греч. atmós – пар и sphaira – шар) называется га- зовая оболочка, окружающая Землю. Масса атмосферы составляет около 5·1018 кг. Среднее давление атмосферы у поверхности Земли (на уровне моря) равно 1013 кПа или 760 мм рт. ст. С высотой давление убывает по закону, близ- кому к экспоненциальному, так что на высотах в несколько десятков километ- ров плотность атмосферы уже очень мала. Атмосфера Земли состоит примерно на 78\% из азота, на 21\% из кислоро- да и на 1\% из аргона. Содержатся в атмосфере также малые примеси углекисло- го газа, водяные пары и незначительное количество неона, гелия, криптона и водорода. Состав атмосферы других тел Солнечной системы приведен в табл. 1.1 [1]. Состав атмосферы определяется историей формирования ее недр. Пер- вичное вещество планеты сжималось силами тяготения, принимая форму шара. При этом она разогревалась (во избежание недоразумений отметим, что в табл.1.1 указана средняя температура на поверхности небесного тела, темпера- тура же в центре планеты может достигать нескольких тысяч градусов, а внут- ри Солнца – десятков миллионов градусов). Под действием высоких темпера- тур и давлений в первичном веществе планеты происходили химические реак- ции. При этом более тяжелые продукты образовали ядро, а более легкие – ман- тию и кору. Газообразные продукты реакции образовали первичную атмосферу. В земной атмосфере было очень много паров воды. Сконденсировавшись, они породили первичный океан. Почему газы, входящие в состав атмосферы планет, не улетучиваются в космос? На первый взгляд, здесь все ясно: тепловые скорости молекул газа
вблизи поверхности планеты обычно значительно меньше, чем ее
вторая космическая скорость
v2 ~
2gR p
. Здесь R – универсальная газовая по-
Атмосфера тел Солнечной системы Таблица 1.1
На рис.1.1 [1] показана зависимость массы различных газов земной атмо- сферы и масса всей воды на Земле от их молярной массы. Из него видно, что наиболее распространенные в земном воздухе газы (N2, O2, Ar) по молярной массе ближе всего к воде. Гелия и водорода в земном воздухе мало, хотя это наиболее распространенные элементы во Вселенной, и атмосферы Солнца и планет-гигантов состоят в основном из них. Причина этого в том, что сила зем- ного притяжения недостаточна для удержания этих газов. m, кг
1020
1018
1016
N2 O2
Ar
CO2
1014
1012
Kr Ne
He + CH4 Xe
H2
1010
20 40 60 80 100 120
μ, г/моль
Рис.1.1. Распределение газов земной атмосферы и воды океана по молярной массе
Земная атмосфера достаточно однородна только ниже 90 км. Это так на- зываемая гомеосфера. Выше лежит гетеросфера – часть атмосферы с перемен- ным составом. Оказывается, что концентрация гелия и водорода в гетеросфере нарастает с высотой. Выше 700 км атмосфера Земли практически состоит толь- ко из этих газов, хотя их концентрация там невелика. Дело в том, что гелий об- разуется в земной коре и поднимается наверх при распаде тяжелых радиоак- тивных изотопов, а водород в гетеросфере возникает из молекул водяного пара, распадающихся под действием ультрафиолетовой части излучения Солнца на водород и кислород. Но большая часть атмосферного кислорода обязана своим происхождением жизнедеятельности растений. Они производят около 1014 кг кислорода в год или 3·106 кг в секунду! Однако содержание кислорода в возду- хе остается практически неизменным, так как он расходуется на дыхание жи- вотных, окисление вулканических газов, процессы горения и гниения органиче- ских соединений. |
|