Строение земного шара. Атмосфера и атмосферное давление

Земля – это третья по удалённости от Солнца планета Солнечной системы. С орбиты Земля предстаёт перед нами как великолепный голубой шар. Такой цвет обусловлен тем, что почти 71 % её поверхности покрыт жидкой водой, образующей Мировой океан. Оставшаяся часть состоит из материков и островов.

Земля изучена довольно хорошо в курсе географии. Поэтому сейчас мы с вами вспомним лишь необходимые нам сведения.

Итак, наша планета состоит из нескольких оболочек, называемых сферами. Это литосфера, гидросфера и атмосфера. Эти оболочки соответствуют трём основным агрегатным состояниям вещества: твёрдому, жидкому и газообразному.

Атмосфера в той или иной степени присутствует на всех больших планетах Солнечной системы. Твёрдая оболочка характерна для планет земной группы (Меркурия, Венеры, Земли и Марса), большинства спутников планет и астероидов. Однако гидросфера Земли уникальна в масштабах нашего космоса. Хотя вода является одним из самых распространённых веществ в Солнечной системе, её существование в жидком состоянии возможно только при определённой температуре и давлении. По этой причине на других небесных телах вода чаще всего встречается в форме льда. Хотя есть предположения о наличии подлёдных океанов из жидкой воды на некоторых спутниках Юпитера.

Вода играет важнейшую роль в поддержании жизни на Земле. Она является основным веществом, обеспечивающим существование всех живых организмов. Вода служит универсальным растворителем, в котором протекают ключевые биохимические процессы. Да что говорить, человеческое тело состоит из воды. Так, например, в организме семидесятикилограммового человека её находится чуть более 42 литров.

Как мы уже вспоминали, Земля принадлежит к планетам земной группы и, в отличие от газовых гигантов вроде Юпитера, обладает твёрдой поверхностью. Внутренняя структура Земли делится на слои согласно химическим и физическим характеристикам. Причём, в отличие от других планет этой группы, у Земли чётко выделяются жидкое внешнее и твёрдое внутреннее металлическое ядро. Это самая плотная область земных недр, и самая горячая. Радиус ядра составляет более половины от радиуса всей планеты. Ядро окружено мантией, содержащей большую часть вещества Земли. Мантия остаётся недоступной для прямого исследования (как, в прочем, и ядро), поскольку она не выходит на поверхность и не была достигнута глубоким бурением. Поэтому данные о её геологическом строении весьма ограничены.

Мантия оказывает значительное воздействие на земную кору – самую верхнюю и твёрдую оболочку Земли. Вместе с верхней частью мантии земная кора образует литосферу.

В 1965 году канадский археолог Джон Уилсон обнаружил, что литосфера Земли состоит из множества отдельных блоков – литосферных плит, которые покоятся на астеносфере – слое относительно низкой вязкости, твёрдости и прочности в верхней мантии. Такое расположение плит вызывает их ежегодное перемещение относительно друг друга.

Иногда эти движения приводят к критическим нагрузкам и нарушению целостности горных пород, вызывая образование геологических разломов и разрывов. В такие моменты происходят землетрясения. Границы между литосферными плитами называют сейсмическими поясами. Именно здесь сосредоточена основная масса активных вулканов, и происходит до 95 % всех землетрясений на Земле.

Газовая оболочка Земли, известная как атмосфера, простирается в космос на расстояние около 2000 километров. Она играет ключевую роль в тепловом балансе планеты, рассеивая и поглощая солнечное излучение. А это помогает смягчить суточные колебания температур.

В атмосфере выделяются несколько слоёв. Ближайший к поверхности Земли слой, где формируются погодные условия, называется тропосферой. Здесь сосредоточено более 90 % всей массы атмосферы.

Над тропосферой находится стратосфера, включающая озоновый слой. Этот слой поглощает вредные ультрафиолетовые лучи Солнца.

Выше стратосферы расположена мезосфера. В ней, на высоте около 90 километров температура воздуха достигает своего абсолютного минимума – –90 °С.

Следующий слой – термосфера, простирающаяся до высоты около 800 километров. Она получила своё название благодаря способности поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, что приводит к повышению температуры до 1500 °C.

Далее следует экзосфера, которая постепенно переходит в космическое пространство.

В состав атмосферы входят азот, кислород, углекислый газ, водяные пары и другие газы. Их молекулы находятся в постоянном хаотическом движении. Но почему они не покидают Землю? Дело в том, что на каждую молекулу воздействует сила тяжести, которая буквально «привязывает» воздушные массы вблизи поверхности Земли.

Но если атмосфера притягивается Землёй, значит ли это, что верхние слои давят на нижние? Да, именно так. В итоге вся масса воздуха создаёт давление, которое называется атмосферным.

Рассчитав величину атмосферного давления, можно получить поразительные результаты. Например, если взять площадь человеческого тела равную 1 м², то на неё будет действовать сила примерно в 100 000 Н. Это эквивалентно весу двух взрослых слонов, наступивших на вас! Но как же человек выдерживает такое огромное давление? Дело в том, что внутри нас тоже есть воздух, растворенный в крови, который тоже создаёт давление. Он то и компенсирует внешнее давление воздуха.

Так значит, атмосферное давление невозможно обнаружить? Да нет, можно. Существует несколько интересных экспериментов. Например, можно взять стакан с водой, накрыть его листом бумаги и перевернуть, продолжая удерживать бумагу рукой. После того как мы уберём руку, вода остаётся в стакане, а бумага не упадёт.

Это происходит потому, что сила атмосферного давления, действующая на бумагу снизу, уравновешивает вес воды и разрежённого воздуха внутри стакана.

Или вот ещё опыт, который тоже можно повторить дома. Берём стеклянную трубку. Опускаем её в стакан с водой и закрываем верхнее отверстие трубки пальцем. Когда мы вытаскиваем трубку из воды, жидкость не выливается наружу благодаря действию атмосферного давления снизу вверх на столб воды в трубке.

Однако стоит нам убрать палец, как вода начнёт течь из трубки под воздействием силы тяжести, поскольку теперь атмосфера оказывает давление на оба конца трубки.

В 1643 году итальянский учёный Эванджелиста Торричелли впервые смог измерить атмосферное давление. Для этого он использовал стеклянную трубку длиной один метр, запаянную с одного конца. Трубка наполнялась ртутью. Переворачивалась. И опускалась открытым концом в сосуд с ртутью. Когда учёный открывал отверстие, то часть ртути выливалась из трубки. Однако в ней всё равно оставался столбик ртути высотой примерно 760 миллиметров, гидростатическое давление которого уравновешивалось атмосферным. Позже учёные договорились считать такое атмосферное давление нормальным.

Так как атмосферное давление зависит от высоты столба ртути, его часто измеряют не в паскалях, а в миллиметрах ртутного столба:

А давление в 760 мм ртутного столба назвали одной нормальной, или физической атмосферой:

1 атм = 760 мм рт. ст. = 101 293 Па.

Но самым убедительным доказательством существования атмосферного давления стал эксперимент, проведённый Отто фон Герике в 1654 году в немецком городе Магдебурге. Учёный откачал воздух из пространства между двумя металлическими полусферами, соединёнными вместе. Атмосферное давление настолько сильно прижало эти полушария друг к другу, что даже восемь пар лошадей не смогли их разъединить!

Атмосферное давление имеет важное значение для функционирования множества бытовых и технических приборов. Его действие используется в таких устройствах, как пипетка, шприц и другие. Например, хорошо известные нам резиновые присоски применяются как в домашних условиях, так и на промышленных предприятиях для перемещения сложных электронных компонентов, касание которых даже в перчатках строго запрещено.

Для измерения атмосферного давления используют специальные приборы – барометры. Самым простым вариантом такого прибора является сосуд с ртутью и трубкой, аналогичные тем, что использовались в эксперименте Торричелли.

Однако применение ртути в повседневной жизни небезопасно, поскольку её пары обладают высокой токсичностью. Поэтому на практике чаще всего используют металлический барометр-анероид.

Основу анероида составляет металлическая коробка с волнистыми (гофрированными) верхними и нижними поверхностями. Из этой коробки удалён воздух, создавая внутри неё сильное разрежение.

Когда внешнее атмосферное давление увеличивается, коробка сжимается и тянет за собой закреплённую упругую пластину, к которой прикреплена стрелка. Снижение атмосферного давления заставляет гофрированную коробочку возвращаться в первоначальное состояние. А при дальнейшем уменьшении давления она выпучивается наружу. Шкала анероида заранее калибруется, то есть размечается делениями согласно показаниям ртутного барометра.

Измерение атмосферного давления важно по нескольким причинам. Во-первых, как заметил Торричелли, уровень ртути в трубке менялся в зависимости от дня. Это свидетельствовало о непостоянстве атмосферного давления – оно может как повышаться, так и понижаться.

Кроме того, Торричелли обнаружил связь между изменениями атмосферного давления и погодой. Например, при поступлении влажного воздуха, содержащего водяные пары, давление снижается. Это происходит по тому, что молекулы воды легче молекул азота и кислорода, составляющих основную массу атмосферы. Эти наблюдения позволяют предсказывать погоду, что делает их важными для планирования различных мероприятий. Погода оказывает влияние на многие аспекты нашей жизни: выбор одежды, планирование досуга и даже настроение.

Погода формируется в результате состояния атмосферы в конкретном месте и в конкретное время. Как мы уже говорили, основные процессы, влияющие на погоду, происходят в тропосфере. Под воздействием солнечного тепла и гравитации Земли в тропосфере образуются облака, выпадает дождь и снег, возникают ветра – воздушные потоки, движущиеся вблизи земной поверхности.

Образование ветра связано с неравномерностью нагрева земной поверхности. Земля поглощает солнечное тепло и передаёт его воздуху. Последний от этого нагревается, становится менее плотным и поднимается вверх. В результате плотность воздуха у поверхности уменьшается, что ведёт к снижению атмосферного давления в данной области.

Поднявшись на высоту, воздух расширяется и охлаждается, после чего опускается обратно к земле в соседние районы. Поскольку холодный воздух тяжелее и плотнее тёплого, в местах его спуска атмосферное давление возрастает. Холодный воздух из областей высокого давления устремляется к зонам низкого давления, создавая движение воздушного потока – ветер. Чем больше разница в давлении, тем сильнее дует ветер.

Кратковременные атмосферные явления тоже способствуют образованию ветров. Эти процессы зачастую носят хаотичный характер и проявляются в определённый сезон. Примером таких процессов являются циклоны, антициклоны и подобные им явления меньшего масштаба. Например, циклоны приносят с собой пасмурную, дождливую и ветреную погоду. А антициклоны сопровождаются тихой и малооблачной погодой, преимущественно без осадков.