Науково-дослідницька робота «Теплове випромінювання Землі»

Міністерство освіти і науки України

Дніпропетровське обласне територіальне відділення Малої академії наук України

Відділення: фізики і астрономії 

Секція:  теоретична фізика

ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ЗЕМЛІ

Роботу виконала 

Снігур Юлія Олександрівна,  учениця 10 класу КЗ "СЗШ № 23" 

Кам'янської міської ради, Дніпропетровської області

Науковий керівник: 

Охотник Галина Григорівна, вчитель-методист 

КЗ "СЗШ № 23" Кам'янської міської ради

м. Кам'янське

2014

ЗМІСТ

Вступ                                                                                                              ... 4

Розділ 1. Земля як планета Сонячної системи                                               ... 5

Розділ 2. Теплове випромінювання як процес  поширення енергії               ... 6

Розділ 3. Склад та характеристики атмосфери                                              ... 8

Розділ 4. Потоки енергії в атмосфері                                                            ... 9

Розділ 5. Парниковий ефект: історичні відомості і причини                        ... 11

Розділ 6.  Тепловий баланс Землі                                                                  ... 14 

Висновки                                                                                                        ... 21

Список використаних джерел                                                                        ... 23

ТЕЗИ

Теплове випромінювання – це процес поширення енергії за допомогою електромагнітних хвиль. 

Головне джерело теплової енергії  Землі – Сонце  ‒ розпечена термоядерними реакціями куля. 

Близько половини сонячної енергії припадає на видиму частину спектру, яку ми сприймаємо як сонячне світло. Ця радіація досить вільно проходить через земну атмосферу і поглинається поверхнею суші та океанів, нагріваючи їх.  Земля, водна поверхня, атмосфера в свою чергу теж випускають енергію, тільки вже у дещо іншій формі ‒ як невидиме інфрачервоне, або теплове, випромінювання. 

Суть парникового ефекту полягає в наступному: Земля отримує енергію від Сонця, в основному, у видимій частині спектру, а сама випромінює в космічний простір, головним чином, інфрачервоні промені. 

Водяна пара, СО₂, метан, закис азоту і т.д. ‒ прозорі для видимих променів, але активно поглинають інфрачервоні, утримуючи тим самим в атмосфері частину тепла. 

Енергія, що надходить на нашу планету від Сонця, визначає хід усіх біологічних процесів на Землі. Із загальної кількості цієї енергії 20% поглинається атмосферою, 34% відбивається хмарами і земною поверхнею й повертається у космос, а 46% енергії доходять до земної поверхні і нагрівають її. Нагріта земля у свою чергу випромінює довгохвильову інфрачервону (теплову) радіацію, що частково йде в космос, а частково залишається в атмосфері, затримуючись газами, що входять до її складу, і нагріваючи приземні шари повітря. 

Розподіл тепла в атмосфері відбувається шляхом конвекції, теплопровідності і випромінювання.

Останні півстоліття спостерігається тенденція посилення парникового ефекту, що має загальнопланетарний характер. Вирішити проблему допоможуть поновлювані джерела енергії, розвиток яких все ще дуже сильно залежить від участі держави. Кіотський протокол ‒ лише певний етап на шляху створення такої системи у світовому масштабі. 

ВСТУП

Об’єкт дослідження: теплове випромінювання Землі.

Мета дослідження: з’ясувати природу і характеристики теплового випромінювання та теплового балансу нашої планети; дослідити механізм та суть парникового ефекту.

Актуальність: 

Охорона навколишнього природного середовища і раціональне використання природних ресурсів ‒ одне з актуальних глобальних проблем сучасності. Її рішення нерозривно пов'язане з боротьбою за мир на Землі, за запобігання ядерної катастрофи, роззброєння, мирне співіснування і взаємовигідне співробітництво держав.

Сучасне людство живе в епоху небувалого розвитку науково-технічного прогресу, що супроводжується активним впливом на природне середовище. І хоча в останні десятиліття вживаються заходи з його охорони і оздоровлення, тим не менше, загальний стан навколишнього середовища продовжує погіршуватися. 

     Накопичення в атмосфері вуглекислого газу може викликати потепління клімату в результаті парникового ефекту. Суть його полягає в тому, що шар двоокису вуглекислого газу, який вільно пропускає сонячну радіацію до Землі, буде затримувати повернення у верхні шари атмосфери теплового випромінювання. У зв'язку з цим у нижніх шарах атмосфери підвищуватиметься температура, що, у свою чергу, призведе до танення льодовиків, снігів, підйому рівня океанів і морів, затоплення значної частини суші.

Діяльність людини настільки грандіозна за розмахом, що вже набула глобального масштабу. До цих пір ми переважно шукали, як можна більше взяти у природи. І пошук в цьому напрямку буде продовжуватися. Але настає пора настільки ж цілеспрямовано попрацювати і над тим, як віддати природі те, що ми у неї забираємо. Немає сумніву, що геній людства здатний вирішити і цю грандіозну задачу. 

РОЗДІЛ 1

Земля як планета Сонячної системи

Земля ‒ третя від Сонця планета Сонячної системи, єдина планета, на якій відоме життя.

Нашу планету по праву можна назвати найдивовижнішою планетою сонячної системи. На землі присутнє різноманітне біологічне життя. Розташування землі в просторі таке, що вона дістає достатньо тепла і світла,  і в той же час на Землі маємо багато води в рідкому стані, тиск біля поверхні такий, що можуть формуватися різні атмосферні шари. Обмінні процеси забезпечують кругообіг води в атмосфері, це створює цілком сприятливий клімат для життя.

Земля є об'єктом дослідження великої кількості наук про Землю. Вивчення Землі як небесного тіла належить до царини астрономії, будову і склад Землі вивчає геологія, стан атмосфери ‒ метеорологія, сукупність проявів життя на планеті ‒ біологія. Географія дає опис особливостей рельєфу поверхні планети ‒ океанів, морів, озер та рік, материків та островів, гір та долин, а також людські поселення й суспільні утворення: міста й села, держави, економічні райони тощо.

Земля ‒ надзвичайно красива планета. Багато океанів і морів, а також склад атмосферного повітря роблять нашу планету  блакитним сяючим тілом, що здійснює свою ходу навколо сліпучої жовтої зірки.

Світло Земля одержує тільки від Сонця, тому на боці, повернутому до Сонця, завжди світло, там день. На протилежній половині земної кулі – ніч. Але на полюсах планети завдяки нахилові осі бувають періоди коли сонце не з’являється над обрієм багато тижнів поспіль, полярна ніч може тривати декілька місяців. Але настають і періоди  полярного дня, коли так само довго Сонце не заходить за обрій. 

Форма Землі — геоїд. Середній радіус Землі складає 6371,032 км, екваторіальний — 6378,16 км, полярний — 6356,777 км. Площа поверхні земної кулі 510 млн км², об'єм — 1,083·10¹² км², середня густина — 5518 кг/м³. Маса Землі складає 5976·10²¹ кг. Земля має магнітне і тісно зв'язане з ним електричне поля. Гравітаційне поле

Землі зумовлює її близьку до сферичної форму й існування атмосфери. [ 5, c. 56 ] РОЗДІЛ 2

Теплове випромінювання як процес  поширення енергії

Теплове випромінювання (radiation) – це процес поширення енергії за допомогою електромагнітних хвиль (electromagnetic waves). Воно виникає за рахунок внутрішньої енергії речовини. Енергія випромінюється та поглинається окремими дискретними порціями – квантами (фотонами), які поширюються зі швидкістю світла с. Енергія кожного фотона дорівнює hν, де h – стала Планка; ν – частота (frequency) випромінювання. Для характеристики випромінювання використовують також довжину (length) хвилі λ. Зв'язок між довжиною хвилі та частотою визначається за формулою с = λ·ν. Спектр рівноважного випромінювання не залежить від природи речовини. Область теплового випромінювання охоплює діапазон λ = 10^-4 – 10^-7 м. В процесі теплообміну беруть участь лише короткі хвилі (10^-3 – 1мм). Тому теплове випромінювання можна розглядати як поверхневе явище. Випромінювання залежить від температури тіла. Зі зміною температури змінюється не тільки інтенсивність, але й склад (спектр) випромінювання.

Головне джерело теплової енергії  Землі – Сонце ‒ розпечена  термоядерними реакціями куля радіусом Rc = 6,96·108 м та температурою поверхні Тс = 5 800К. Усім відомо, що розпечені тіла світяться, тобто випромінюють

енергію.          Процес         випромінювання         описується законом          Стефана-

Больцмана (встановлено в кінці 19ст. австрійськими фізиками), який говорить наступне: потік енергії, котрий  випромінюється  за одиницю часу з одиниці площі поверхні тіла, яке знаходиться в стані теплової  рівноваги (і має постійну температуру), пропорційний четвертій степені температури:   

ε= Ϭ Т⁴, 

де Ϭ = 5,67 ·10^-8 Вт/(м²·К⁴) – коефіцієнт пропорційності, постійна СтефанаБольцмана.

Сонце, хоча в ідеалі не знаходиться  в повній тепловій рівновазі, проте для нього закон Стефана-Больцмана наближено виконується. Згідно цього закону, потужність, яку випромінює Сонце, дорівнює:

Рс = 4πR_C ²ϬT_C²4 ≈ 3,8 ·10²⁶ Bт.

Ця потужність випромінюється рівномірно по всіх напрямках. На Землю від цього випромінювання попадає наступна частка: Р = Рс·πR_З² /(4πR²) = 1,75·10¹⁷  Вт, де R = 1,5·10¹¹ м – відстань від Землі до Сонця, а R_З = 6 400км – радіус Землі.

Куди дівається ця енергія?  Частина її відбивається від Землі в космос. Доля відбитої світлової потужності називається альбедо (від лат. ступінь білизни планети).  Прийнято, що альбедо А нашої планети знаходиться в межах від 28 до 36 відсотків. А куди дівається інша енергія  Р(1-А)?  Саме ця енергія  і є основною причиною того, що на нашій планеті тепло. Але сонячне випромінювання поступає на Землю постійно, і при відсутності будь-якого відводу тепла,  температура на планеті постійно зростала б. Отже тепловідвід існує і здійснюється за тим самим механізмом, що і випромінювання Сонця.   Проте спектр випромінювання Землі та інших планет Сонячної системи, лежить в невидимому  для людського ока інфрачервоному діапазоні.

Обчислимо температуру рівноважного теплового випромінювання Землі, приймаючи його альбедо рівним 0,28. Для цього прирівняємо потужність, котру поглинає Земля від випромінювання Сонця  Р(1-А) до потужності теплового випромінювання  Землі:

 Р(1-А)  =  4πR_З²ϬT_З⁴.

З останнього співвідношення знаходимо температуру Землі  Тз ≈ -15°С.   

Отриманий результат є дещо занижений (середня температура нашої планети дорівнює +15°С). Причина цього – атмосфера  планети.

Виявляється, що тепло в космічний простір випромінює не сама Земля, а оточуюче її повітря. Із всіх газів нашої атмосфери лише вуглекислий газ  та водяна пара приймають в цьому участь, оскільки лише вони можуть випромінювати (і поглинати) в інфрачервоній ділянці спектру. Отож теплове випромінювання Землі випромінюється шарами атмосфери на висоті 6-12 км. Саме на цих висотах середня температура дорівнює  ≈258К.

А механізм підігріву земної поверхні  та нижніх шарів атмосфери називають парниковим ефектом.   

РОЗДІЛ 3

Склад та характеристики атмосфери 

Відомо, що вже тривалий проміжок часу склад атмосфери Землі є стабільний, попри найрізноманітніші старання людини його змінити: 78% азоту, 21% кисню та  ≈0,9% аргону. Правда, ще є невеликі домішки вуглекислого газу, водяної пари та крихітна частка неону, гелію, криптону, озону та водню. Вміст інших газів є доволі незначний. Склад атмосфери визначається геологічною історією планети, а також тим, що всі гази атмосфери повинні знаходитись в хімічній рівновазі один з одним, з океанами та з речовиною земних порід.  [ 5, c. 57 ]

Звідки в атмосфері Землі взявся кисень? Він не є складовою частиною вулканічних газів. Головне джерело цього життєво важливого для людства газу – рослинність. Хлорофіл рослин під дією сонячних променів переробляє вуглекислоту, поповнюючи киснем газову оболонку Землі.

Яка маса нашої атмосфери? 

Відомо, що тиск повітря біля поверхні планети р₀ = 1,013·10⁵ Па. Враховуючи, що він діє по всій площі поверхні Землі, то оціночне значення маси атмосфери:      M_А = р₀S/g = p₀4π R_З²/g = 5,3·10¹⁸ кг.

Для порівняння слід сказати, що маса атмосфери у 266 раз менша за масу води, котра є на нашій планеті, і складає міліонну частку всієї маси Землі.

Сила земного тяжіння зумовлює тиск атмосфери біля поверхні, а також перешкоджає розльоту атмосферних газів в космічний простір. Очевидно ця сила на Місяці, Марсі є замалою, тому там атмосфера або відсутня, або дуже розріджена.

Атмосферний тиск зменшується з висотою. Точні вимірювання показують, що спочатку тиск повітря зменшується на 1 мм рт.ст. на кожні 12 м підйому, але на більших висотах відбуваються відхилення від цього правила.

РОЗДІЛ 4

Потоки енергії в атмосфері

Визначаючи температуру планети, ми встановили її значення -15°С, хоча середня температура земної поверхні залишається постійною і не падає до -15°С. 

Попробуємо пояснити цей факт. Приймемо падаючий потік енергії на Землю за

100 умовних одиниць. Від Землі відходить тепловий потік, рівний 145 одиницям (тому, що температура поверхні  планети становить +15°С). Але в космічний простір відходить лише невелика частинка цього випромінювання. Інша енергія – 97 одиниць – постійно циркулює між поверхнею Землі та тропосферою. Цей механізм підігріву земної поверхні та нижніх шарів атмосфери називають парниковим ефектом. Саме такий тепловий баланс пояснює, чому температура земної поверхні є вищою за рівноважну температуру випромінювання Землі.

Парниковий ефект виникає через присутність в атмосфері  Землі певних газів, котрі не пропускають в космос інфрачервоне випромінювання від поверхні нашої планети. До таких газів належить вуглекислий газ (місткість СО₂ в атмосфері складає ≈0,0337% і постійно змінюється), водяна пара (її частка в повітрі може складати до 3% у найжаркіших тропіках).

Чи може бути у Землі власне джерело енергії?

Таке джерело є – це надра Землі. З кожним кілометром у глибину земної кори температура зростає в середньому не 30 градусів. Цей розігрів відбувається за рахунок розпаду важких радіоактивних елементів. Проте нескладні розрахунки показують, що тепловий потік із земних надр в 6 000 раз менший потоку сонячного випромінювання. Тому тепло земних надр на клімат Землі не впливає.

Теплове випромінювання, температурне випромінювання, електромагнітне випромінювання, що випускається речовиною і що виникає за рахунок його внутрішньої енергії (у відмінність, наприклад, від люмінесценції, енергії, що виникає за рахунок зовнішніх джерел). Теплове випромінювання має суцільний спектр, положення максимуму якого залежить від температури речовини. З її підвищенням зростає загальна енергія теплового випромінювання, що випускається, а максимум переміщається в область малих довжин хвиль. Теплове випромінювання випускають, наприклад, поверхня розжареного металу, земна атмосфера і т. д.

У середньому ж досить тривалий час в космічний простір йде рівно стільки енергії у вигляді інфрачервоного випромінювання, скільки її надходить у вигляді сонячного світла. Таким чином, встановлюється теплова рівновага нашої планети. Все питання в тому, при якій температурі встановиться цю рівновагу. Якби атмосфери не було, середня температура Землі становила б -23 градуси. Захисна дія атмосфери, що поглинає частину інфрачервоного випромінювання земної поверхні, призводить до того, що насправді ця температура становить +15 градусів. Підвищення температури ‒ суть наслідок парникового ефекту в атмосфері, який посилюється зі збільшенням кількості вуглекислого газу і водяної пари в атмосфері.

Ці гази найкраще поглинають інфрачервону радіацію. 

В останні десятиліття в атмосфері все більше і більше збільшується концентрація вуглекислого газу. Це відбувається тому; що з кожним роком збільшуються обсяги спалювання викопного палива і деревини. Внаслідок цього середня температура повітря біля поверхні Землі підвищується приблизно на 0,5 градуса за століття. Якщо нинішні темпи спалювання палива, а значить, і підвищення концентрації парникових газів збережуться і надалі, то, за деякими прогнозами, у наступному столітті очікується ще більше потепління клімату. [ 2, c.988-1001 ]

РОЗДІЛ 5

Парниковий ефект: історичні відомості і причини 

Історичні відомості 

Ідея про механізм парникового ефекту була вперше викладена в 1827 році Жозефом Фур'є в статті «Записка про температури земної кулі та інших планет», в якій він розглядав різні механізми формування клімату Землі, при цьому він розглядав як фактори, що впливають на загальний тепловий баланс Землі (нагрівання сонячним випромінюванням, охолодження за рахунок лучеиспускания, внутрішнє тепло Землі), так і чинники, що впливають на теплоперенос і температури кліматичних поясів (теплопровідність, атмосферна і океанічна циркуляція). 

При розгляді впливу атмосфери на радіаційний баланс Фур'є проаналізував дослід М. де Соссюра з зачерненим зсередини посудиною, накритою склом. Де Соссюр вимірював різницю температур усередині і зовні такої посудини, виставленого на пряме сонячне світло. Фур'є пояснив підвищення температури всередині такого «міні-парника» в порівнянні з зовнішньою температурою дією двох факторів: блокуванням конвективного теплопереносу (скло запобігає відтоку нагрітого повітря зсередини і приплив прохолодного зовні) і різною прозорістю скла у видимому й інфрачервоному діапазоні. 

Саме останній фактор і отримав в пізнішій літературі назву парникового ефекту ‒ поглинаючи видиме світло, поверхня нагрівається і випускає теплові (інфрачервоні) промені; оскільки скло прозоро для видимого світла і майже непрозоро для теплового випромінювання, то накопичення тепла веде до такого зростання температури, при якому кількість проходять через скло теплових променів достатньо для встановлення теплової рівноваги. 

Фур'є постулював, що оптичні властивості атмосфери Землі аналогічні оптичним властивостям скла, тобто її прозорість в інфрачервоному діапазоні нижче, ніж прозорість в діапазоні оптичному. 

Причини. 

Образну назву "парниковий ефект" одержало природне явище, суть якого полягає

в тому, що атмосфера затримує теплове випромінювання, яке йде від земної поверхні (подібно до плівки над городнім парником).

Суть парникового ефекту полягає в наступному: Земля отримує енергію від Сонця, в основному, у видимій частині спектру, а сама випромінює в космічний простір, головним чином, інфрачервоні промені. 

Однак багато що містяться в її атмосфері, ‒ водяна пара, СО₂, метан, закис азоту і т.д. ‒ прозорі для видимих променів, але активно поглинають інфрачервоні, утримуючи тим самим в атмосфері частину тепла. 

Енергія, що надходить на нашу планету від Сонця, визначає хід усіх біологічних процесів на Землі. Із загальної кількості цієї енергії 20% поглинається атмосферою, 34% відбивається хмарами і земною поверхнею й повертається у космос, а 46% енергії доходять до земної поверхні і нагрівають її. Нагріта земля у свою чергу випромінює довгохвильову інфрачервону (теплову) радіацію, що частково йде в космос, а частково залишається в атмосфері, затримуючись газами, що входять до її складу, і нагріваючи приземні шари повітря. Одним із газів, що затримує теплове випромінювання  і перешкоджає витіканню тепла в космічний простір, є вуглекислий газ – СО₂.

В останні десятиліття вміст парникових газів в атмосфері дуже сильно виріс. З'явилися і нові, раніше не існували речовини з "парниковим" спектром поглинання ‒ перш за все фторуглеводородов. 

Гази, що викликають парниковий ефект, ‒ це не тільки діоксид вуглецю (CO₂). До них також відносяться метан (CH₄), закис азоту (N₂O), Гідрофторвуглеці (ГФУ), перфторвуглероди (ПФУ), гексафторид сірки (SF₆). Проте саме спалювання вуглеводневого палива, що супроводжується виділенням CO₂, вважається основною причиною забруднення. 

Причина швидкого зростання кількості парникових газів очевидна, ‒ людство зараз спалює за день стільки викопного палива, скільки його утворювалося за тисячі років в період утворення родовищ нафти, вугілля і газу. Від цього «поштовху» кліматична система вийшла з «рівноваги» і ми бачимо більше число вторинних негативних явищ: особливо жарких днів, засух, повеней, різких стрибків погоди, причому саме це і завдає найбільшої шкоди. 

Згідно з прогнозами дослідників, якщо нічого не робити, світові викиди CO₂ протягом найближчих 125 років виростуть вчетверо. Але не можна забувати і про те, що значна частина майбутніх джерел забруднення ще не побудована. За останні сто років температура в північній півкулі збільшилася на 0,6 градуса. Прогнозоване зростання температури в наступному столітті складе від 1,5 до 5,8 градусів.

Найбільш вірогідний варіант ‒ 2,5-3 градуси. 

Проте зміни клімату ‒ це не тільки підвищення температури. Зміни стосуються і інших кліматичних явищ. Не тільки сильна спека, але і сильні раптові заморожування, повені, селі, смерчі, урагани пояснюють ефектами глобального потепління. Кліматична система дуже складна, щоб чекати від неї рівномірного і однакового зміни в усіх точках планети. І головну небезпеку вчені бачать сьогодні саме в зростанні відхилення від середніх значень ‒ значних і частих коливань

температури. [ 1, c. 16 ]

РОЗДІЛ 6

Тепловий баланс Землі

Майже все тепло атмосфера, як і земна поверхня, одержує від Сонця. До інших джерел нагрівання належить тепло, що надходить з надр Землі, але воно становить лише долі відсотка від загальної кількості тепла.

Хоча сонячне випромінювання і служить єдиним джерелом тепла для земної поверхні, тепловий режим географічної оболонки не є тільки наслідком радіаційного балансу. Сонячне тепло перетворюється і перерозподіляється під впливом земних факторів, і насамперед трансформується повітряними та океанічними течіями. Вони ж, у свою чергу, зумовлені нерівномірним розподілом по широтах сонячного випромінювання. Це один з яскравих прикладів тісного глобального зв'язку і взаємодії різних компонентів у природі.

Для живої природи Землі важливе значення має перерозподіл тепла між різними широтами, а також між океанами і материками. Завдяки цьому процесу відбувається дуже складний просторовий перерозподіл тепла на поверхні Землі відповідно до переважаючих напрямів руху повітряних і океанічних течій. Проте сумарне перенесення тепла направлене, як правило, з низьких широт у високі і з океанів на материки.

Розподіл тепла в атмосфері відбувається шляхом конвекції, теплопровідності і випромінювання. Теплова конвекція проявляється скрізь на планеті, бо вітри, висхідні і низхідні повітряні потоки мають повсюдне поширення. Особливо сильно конвекція виражена в тропіках.

Теплопровідність, тобто передача тепла при безпосередньому контакті атмосфери з теплою або холодною поверхнею землі, має порівняно невелике значення, бо повітря — поганий провідник тепла. Саме ця властивість знайшла широке використання при виготовленні віконних рам з подвійними склом.

Надходження і витрати тепла в нижній атмосфері на різних широтах неоднакові.

Північніше 38° північної широти випромінюється тепла більше, ніж поглинається. Ця втрата компенсується теплими океанічними і повітряними течіями, направленими у помірні широти.

Процес надходження й витрачання сонячної енергії, нагрівання й охолодження всієї системи атмосфери Землі характеризується тепловим балансом. Якщо прийняти річне надходження сонячної енергії на верхню межу атмосфери за 100 %, то баланс сонячної енергії виглядатиме так: відбивається від Землі й повертається назад в космічний простір 42 % (ця величина характеризує альбедо Землі), причому 38 % відбивається атмосферою і 4 % — поверхнею Землі. Решта (58 %) поглинається: 14 % — атмосферою і 44 % — земною поверхнею. Нагріта поверхня Землі віддає назад всю поглинуту нею енергію. При цьому випромінювання енергії земною поверхнею становить 20 %, на нагрівання повітря й випаровування вологи витрачається 24 % (5,6 % — на нагрівання повітря і 18,4 % — на випаровування вологи). [ 6, c. 26 ]

Такі загальні характеристики теплового балансу земної кулі в цілому. Насправді ж для різних широтних поясів, для різних поверхонь тепловий баланс буде далеко не однаковим. Так, тепловий баланс будь-якої території порушується при сході і заході Сонця, при зміні пір року, залежно від атмосферних умов (хмарності, вологості повітря і вмісту в ньому пилу), характеру поверхні (вода або суша, ліс або лука, сніговий покрив чи оголена земля), висоти над рівнем моря. Більше всього тепла випромінюється вночі, взимку і через розріджене чисте сухе повітря на великих висотах. Але у підсумку втрати внаслідок випромінювання компенсуються теплом, що надходить від Сонця, і на Землі в цілому переважає стан динамічної рівноваги, інакше вона розігрівалася б або, навпаки, охолоджувалася.

Нагрівання атмосфери відбувається досить складним шляхом. Короткі хвилі сонячних променів у діапазоні від видимого червоного до ультрафіолетового світла перетворюються біля поверхні Землі в більш довгі теплові хвилі, які пізніше, при випромінюванні їх з поверхні Землі, нагрівають атмосферу. Нижні шари атмосфери розігріваються швидше верхніх, що пояснюється вказаним тепловим випромінюванням земної поверхні і тим, що вони мають більшу щільність і насичені водяною парою.

Характерною рисою вертикального розподілу температури в тропосфері є її зниження з висотою. Середній вертикальний градієнт температури, тобто середнє зменшення, розраховане на 100 м висоти, дорівнює 0,6 °С. Охолодження вологого повітря супроводжується конденсацією вологи. При цьому виділяється певна кількість теплоти, яка була затрачена на утворення пари. Тому при піднятті угору вологого повітря його охолодження відбувається майже вдвічі повільніше за сухе.

Геотермічний коефіцієнт сухого повітря тропосфери становить в середньому 1 °С.

Повітря, яке піднімається вверх від нагрітої поверхні суші і водойм, потрапляє в зону пониженого тиску. Це дозволяє йому розширюватися, а у зв'язку з цим певна кількість теплової енергії переходить у кінетичну. Внаслідок цього процесу повітря охолоджується. Якщо при цьому воно нізвідки не одержує тепла і нікуди його не віддає, то весь описаний процес називається адіабатичним, або динамічним охолодженням. І навпаки, повітря, що опускається, потрапляє в зону підвищеного тиску, воно ущільнюється повітрям, що його оточує, і механічна енергія переходить у теплову. Через це повітря зазнає адіабатичного нагрівання, яке становить в середньому 1 °С на кожні 100 м опускання. [ 3, c. 26 ]

Іноді температура повітря з висотою зростає. Це явище одержало назву інверсії. Причини  його прояву різноманітні: радіаційне випромінювання Землі над льодовими покривами, проходження сильних течій теплого повітря над холодною поверхнею. Особливо характерні інверсії для гірських районів: важке холодне повітря стікає в гірські улоговини і там застоюється, витісняючи угору більш легке тепле повітря.

Добові і річні зміни температури повітря відображає тепловий стан поверхні. В приземному шарі повітря добовий максимум встановлюється о 14—15 год, а мінімум спостерігається після сходу Сонця. Найбільша добова амплітуда має місце в субтропічних широтах (30 °С), найменша — в полярних (5 °С). Річний хід температури залежить від широти, характеру підстилаючої поверхні, висоти місця над рівнем океану, рельєфу, віддаленості від океану.

Атмосфера Землі ділиться на кілька шарів. Нижній шар — тропосфера — найтонший. Його товщина усього 10-15 км. Але тропосфера містить найбільше газу — на її частку припадає 80 % усієї маси атмосфери. Тут утворюються вітри, хмари і відбуваються інші процеси, що визначають погоду. Наступний, більш холодний шар, стратосфера, простягається на висоту до 50 км від поверхні Землі. У стратосфері міститься шар озону — захисний екран, що затримує шкідливу короткохвильову ультрафіолетову радіацію Сонця. Через забруднення атмосфери продуктами господарської діяльності людини озоновий шар місцями став зовсім тонким. Ці області називаються озоновими дірами. Стратосфера змінюється ще холоднішою мезосферою. її товщина приблизно ЗО км. У мезосфері на висоті близько 60 км починається так звана іоносфера, що простягається на кілька сот кілометрів угору. Атоми цього шару іонізовані, тому що при зіткненні із зарядженими сонячними частинками втрачають частину своїх електронів. Завдяки наявності вільних електронів іоносфера відбиває радіохвилі, забезпечуючи можливість радіозв’язку на нашій планеті. Вище 80 км від поверхні Землі починається термосфера. У межах термосфери на висоті близько 300 км навколо Землі рухаються штучні супутники. Атоми і молекули у верхній, уже дуже розрідженій частині тропосфери, розганяються до величезних швидкостей і, зіштовхуючись із зарядженими сонячними частинками, розігріваються до 2000°С. На висоті близько 500-700 км починається останній зовнішній шар атмосфери — екзосфера, яка містить уже так мало газів, що вона практично не відрізняється від вакууму. [ 3, c. 28 ]

Тропосфера становить перші 15 км атмосфери і формує погодні умови. В ній прокладені основні маршрути авіації. Приблизно на відстані 20 км від Землі, у межах розрідженої і холодної стратосфери, міститься захисний озоновий шар. Метеорологічні зонди можуть підніматися в стратосферу, її також досягають надзвукові літаки і викиди вулканічного попелу. Вище лежить мезосфера, у межах якої починається іоносфера, що відбиває радіохвилі. Іоносфера поширюється до верхньої частини магнітосфери, перетинаючи наступний шар атмосфери — термосферу. У нижній частині термосфери відбуваються полярні сяйва. На висоті близько 500-700 км термосфера змінюється екзосферою, звідки молекули газу

вилітають у космічний простір. [ 5, c. 57 ]

Швидкість обертання нашої планети уповільнюється. Це зумовлено підйомом материків після останнього льодовикового періоду, а також притяганням Місяцем води океанів, що викликає припливи, сили тертя яких здійснюють гальмівну дію. У результаті поступово збільшується тривалість доби. Проте виявлені ще дрібніші зміни тривалості доби — мільярдні частки секунди. Вони можуть пояснюватися тиском атмосфери на гірські хребти. Ще більш важливим чинником є циркуляція речовини в зовнішньому ядрі Землі, що впливає на зміну структури земної кори і рельєфу. Коливання тривалості доби слугують мірою циркуляції речовини в ядрі і дають нам ще один ключ до вивчення процесів усередині Землі.

Швидкість обертання нашої планети уповільнюється. Це зумовлено підйомом материків після останнього льодовикового періоду, а також притяганням Місяцем води океанів, що викликає припливи, сили тертя яких здійснюють гальмівну дію. У результаті поступово збільшується тривалість доби. Проте виявлені ще дрібніші зміни тривалості доби — мільярдні частки секунди. Вони можуть пояснюватися тиском атмосфери на гірські хребти. Ще більш важливим чинником є циркуляція речовини в зовнішньому ядрі Землі, що впливає на зміну структури земної кори і рельєфу. Коливання тривалості доби слугують мірою циркуляції речовини в ядрі і дають нам ще один ключ до вивчення процесів усередині Землі.

Тепло, накопичене в процесі утворення Землі, досі виділяється з її надр у міру охолодження ядра і розпаду радіоактивних елементів. Воно могло б виходити на поверхню, але породи мантії є гарною теплоізоляцією. Тепло, що випромінюється ядром, приводить у рух речовину мантії. Розпечені породи піднімаються від ядра вгору, а охолоджуючись, знову опускаються до ядра. Ця циркуляція речовини мантії від ядра до поверхні й назад називається конвекцією. На поверхні, де породи більш крихкі, рух мантії спричиняє землетруси. Сейсмологи — учені, що вивчають землетруси — мають у своєму розпорядженні станції спостереження і реєстрації землетрусів. Установлюючи час приходу сейсмічних хвиль на різних станціях, потужні комп’ютери відтворюють картину того, що відбувається в надрах Землі. Точно так само за допомогою рентгенівських променів можна побачити те, що є всередині людського тіла.

Умови всередині ядра Землі важко собі уявити. Тиск там величезний, а температура перевищує 3000 °С. Геологи змогли визначити температуру на межі між зовнішнім і внутрішнім ядром. Оскільки ядро Землі складається з заліза, що містить певні домішки, учені відтворили тиск усередині ядра Землі і виявили, що температура там близько 4000 °С.

Розплав заліза в зовнішньому ядрі повільно циркулює, створюючи електричні струми, що породжують магнітне поле Землі. Це поле поширюється далеко в космос і утворює магнітну оболонку навколо планети, відбиваючи сонячний вітер — потоки заряджених частинок, викинутих Сонцем, і захищаючи людство від згубного випромінювання. Не виключено, що сила магнітного поля в ядрі коливається в широких межах, але більшість цих коливань гаситься мантією. Проте приблизно кожні 100 000 років вони стають настільки значними, що магнітне поле планети цілком перевертається, тобто Північний і Південний магнітні полюси міняються місцями.

Сьогодні вчені поділяють надра Землі на три основні частини: кора, мантія, ядро. Зовсім несподіваним фактом виявилось те, що кора і мантія не плавно переходять одна в одну, а досить різко відрізняються щільністю. Можна навіть говорити, що існує межа між мантією і корою. Ця межа дістала назву розділ Мохоровичича, або поверхня Мохо, за ім’я ученого, який відкрив її в 1909 році

Над материками кора досить товста, має товщину кілька десятків кілометрів, а в океанічних глибинах вона витончується до кількох метрів. Саме тому бажання вчених бурити глибоководні свердловини є таким великим - вони мріють проникнути в мантію землі.

Середня густина речовини в центрі Землі становить 5500кг/м³. Щільність порід у корі всього 2800-3000кг/м³. З цього випливає, що в ядрі має бути речовина з великою густиною, подібна до заліза (Щільність залізних метеоритів сягає 7800кг/м³).

Між ядром і мантією існує досить чітка межа. Дослідження за допомогою сейсмографів показали, що ядро Землі має перебувати у рідкому стані. Але найдивніше те, що усередині рідкого ядра знаходиться ще і тверде. У ядрі Землі температура досягає 6000 градусів. Це така ж температура, як на поверхні Сонця. Звичайно і тиск у ядрі Землі дуже високий – 3600кбар. Внутрішнє ядро, за припущенням, має діаметр 2600 км, зовнішнє ядро товщиною 2250 км, мантія близько 2900 км завтовшки складається переважно з твердих гірських порід. Кора і верхній шар мантії утворюють 12 основних рухомих блоки, деякі з них несуть континенти. Плато постійно повільно рухаються, цей рух називається тектонічним дрейфом, через що також і дрейфують континенти.  [ 5, c. 58 ]

У 1912 році Альфред  Вегенер висунув гіпотезу дрейфу континентів, ніхто не міг визначити причину подібного явища.

У 50-ті роки ХХ століття вчені почали активно вивчати літосферу – зовнішню зону Землі, що включає в себе кору і верхню частину мантії, розташовану на глибині 70 кілометрів.

Було встановлено, що дрейф континентів  пов'язаний з магнітним полем планети. Давні породи мають намагніченість, не властиву сучасним породам. У них різна орієнтація намагніченості.

До того ж, виявило, що періодично на землі відбувається зміна полярності: південний полюс стає північним і навпаки! За кілька мільйонів років на нашій планеті відбулося 16 полярних «переворотів»!

Магнітні аномалії на Землі пролягають у декількох великих зонах планети, іноді рівнобіжними смужками з півночі на південь.

Вважається, що гаряча маса речовини, що підіймається з глибин, викликає додатковий вплив на плити літосфери, розриває їх і тим самим розсовує материки в різні боки.

Надра землі перебувають у постійному русі. Наша планета постійно зазнає то підняття, то опускання поверхні, різних деформацій. Це призводить до різноманітних природних катастроф, наприклад, вивержень вулканів, землетрусів, океанічних гігантських смерчів і цунамі.

ВИСНОВКИ

Розвиток індустріалізації та економічної діяльності людини призводить до того, що в повітря викидається все більше домішок, що створюють знаменитий парниковий ефект, ‒ вуглекислого газу, метану та іншої «бруду». Це, відповідно, призводить до того, що середньорічні температури повільно, але вірно збільшуються. Незважаючи на те, що з року в рік зростання вимірюється десятими і сотими частками градуса, за десятиліття і століття накопичуються цілком солідні величини на кілька градусів за шкалою Цельсія. 

Останні кліматичні моделі дають наступний результат: до початку наступного століття, тобто до 2100 року, клімат Землі стане тепліше на 2-4,5 градуса щодо так званого «доіндустріального» рівня (тобто щодо того давнього періоду, коли промисловість ще не почала викидати в атмосферу парникові гази). Середня оцінка коливається в районі трьох градусів. 

Проте найбільш важливо, мабуть, не те, наскільки розігріється Земля протягом XXI століття. Важливіше те, що науковий світ в цілому прийшов до згоди щодо причин температурного стрибка. Протягом останніх 20-30 років антропогенна теорія глобального потепління постійно стикалася з критикою з боку скептиків, які вважали, що у кліматичних змін можуть бути і природні причини. До 2007 року переважна більшість вчених зійшлося на тому, що ні сонячна радіація, ні вулканічна активність, ні інші природні явища не можуть дати такого потужного теплового ефекту. 

Саме по собі глобальне потепління не є для екосистеми Землі новим явищем. Температурні зміни були і раніше (згадайте про льодовиковий період), але ніколи вони не були такими стрімкими. У непередбачуваності зміни і полягає головна загроза для людства. 

Останні півстоліття спостерігається тенденція посилення парникового ефекту, що має загальнопланетарний характер. На думку багатьох вчених-кліматологів і екологів, з цим явищем пов'язані глобальні кліматичні зміни антропогенного характеру. Це одна з найбільш серйозних екологічних загроз, які очікують людство в XXI столітті. 

Вирішити проблему допоможуть поновлювані джерела енергії, розвиток яких все ще дуже сильно залежить від участі держави. Тут-то і виникає потреба у створенні системи стимулювання та контролю. Кіотський протокол ‒ лише певний етап на шляху створення такої системи у світовому масштабі. 

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 

1.   Алексєєв В.В., Кисельова С.В., Чернова М.І. «Зростання концентрації СО₂ в атмосфері - загальне благо?» / / Природа, № 9, 1999 р . 

2.   Заварзін Г. А. «Становлення біосфери» / / Вісник Російської Академії наук, тому 71, № 11, с. 988-1001 (2001) 

3.   Монин А.С., Шишков Ю.А. «Клімат як проблема фізики» / / УФН, № 4,  2000р. 

4.   Мелешко В.П., Катцу В.М, Спориш П.В., Вавулін С.В., Говоркова В.А., «Вивчення можливих змін клімату за допомогою моделей загальної циркуляції атмосфери і океану» // Зміни клімату та їх наслідки .- Спб.: Наука, 2002. 

5.   Пришляк М. П. «Астрономія»/ /Х.; Вид-во "Ранок", 2011.

6.   Яншин А. «Чи небезпечний парниковий ефект» / / Наука і життя. 1989. № 12. 

Презентація