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

v~        RT / 

вблизи поверхности планеты обычно значительно меньше, чем ее

вторая космическая скорость

v2  ~

2gR p

. Здесь R – универсальная газовая по-

стоянная, Т – температура на поверхности планеты, μ – молярная масса молеку- лы, g – ускорение силы тяжести, Rp – радиус  планеты.  Например,  для  Земли v2 = 11,2 км/с, а тепловые скорости молекул азота, кислорода и водорода соот- ветственно равны 0,39 км/с, 0,36 км/с, 1,02 км/с. Однако в верхних слоях атмо- сферы температура, как мы вскоре узнаем, намного выше, чем у поверхности. Например, на высотах свыше 500 км над Землей температура достигает 1200 К. Таким образом, тепловые скорости молекул там гораздо выше. Кроме того, не- которая доля молекул имеет скорости, значительно превосходящие средние. Эти быстрые молекулы могут оторваться от планеты.

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

H2O

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.