Урок "Атмосферний тиск. Барометри"
Дата_____ _____ класс 7 Урок № 44
Атмосферное давление. Барометры
Цель: сформировать знания об атмосферном давлении, о способах измерения атмосферного давления, единицы давления, приборы для измерения атмосферного давления, зависимость атмосферного давления от высоты; развивать познавательный интерес учащихся к изучению физики, используя элементы истории; развивать логическое мышление.
Основные понятия: атмосферное давление, барометр-анероид, ртутный барометр.
Оборудование: таблица «Жидкостный барометр, барометры, воронка, бумага, шприц, широкая емкость с водой, «черный ящик».
Тип урока: усвоение новых знаний.
Как прекрасна Земля и человек на ней!
С. Есенин
Ход урока
I. Разминка Упражнение «Логикон»
Найди слово из 4 букв, который является окончанием данных слов и единицей измерения физической величины: Пери... Диа... Мано... Ампер... Баро... Ответ: метр.
II. Актуализация опорных знаний
Интерактивная упражнение «Почта» Каждому ученику предлагается определить свой «адрес» в классной комнате. Ряд парт – «улица», сами парты или столы – «дома». Учащиеся на листах записывают вопросы по изученной теме, пишут адрес одноклассника, свой обратный адрес, а почтальон передает записку адресату. Адресаты должны письменно ответить на вопросы. По команде учителя игра останавливается, учитель с учениками оценивают несколько «писем». Наивысшую оценку получают те, кто задал интересный вопрос и получил на него правильный ответ.
III. Мотивация учебной деятельности «Черный ящик»
Учитель выносит довольно большую коробку, закрашенную в черный цвет, и предлагает ученикам отгадать, что находится в ней. После первой подсказки-информации на обдумывание отводится до 30 сек. Если правильного ответа нет, то учитель озвучивает вторую подсказку-информацию и тому подобное.
Подсказка 1. Один из его образцов назывался именем изобретателя Луэра.
Подсказка 2. Одним из его составляющих является цилиндр.
Подсказка 3. На цилиндре имеются метки в единицах объема.
Подсказка 4. Он имеет поршень.
Подсказка 5. В нижней части цилиндра крепится металлическая игла с отверстием.
Подсказка 6. Применяется в медицине. Ответ: шприц.
Кто может объяснить, почему жидкость поднимается за поршнем в цилиндр шприца? Кто ее туда толкает?
Во времена Галилея один мастер построил для садов герцога Тосканского во Флоренции всасывающий насос, поршень которого должен был поднимать воду на высоту, большую по 18 итальянских локтей (больше 10 м). Но, как не пытались поднять этим насосом воду, ничего не получалось. На 10 м вода за поршнем еще поднималась, а дальше поршень отходил от воды, и образовывалась пустота. Когда к Галилею обратились с просьбой объяснить причины неудачи, он ответил, что природа не любит пустоты, но до определенного предела. Впрочем, заняться изучением этой проблемы Галилею не суждено. После смерти выдающегося ученого исследованиями в этой области занялся Евангелиста Торричелли (1608-1647), итальянский физик и математик.
Почему нельзя было поднять воду на высоту более 10 м?
На эти и другие вопросы вы сможете дать ответы на сегодняшнем уроке.
IV. . Изучение нового материала Вы уже знаете, что мы живем на дне большого воздушного океана. Его глубина составляет примерно 480 км. Только этот океан не имеет четких границ и берегов. Имя этого океана – атмосфера.
Что же такое атмосфера? (воздушная оболочка Земли)
Из чего состоит атмосфера? (воздух – это смесь газов (кислород, водород, азот, аргон, углекислый газ, гелий, неон, водяной пар, двуокись серы, аммиак, озон))
Какое значение для нашей планеты атмосфера? (атмосфера содержит кислород, необходимый нам для дыхания, поддерживает тепловой баланс нашей планеты, защищает нас от ультрафиолетового излучения и от метеоритных бомбардировок. Благодаря ей, над нами голубое небо над головой, а на месяцы, поскольку ее нет – над планетой черная бездна с яркими звездами.)
Чем удерживается атмосфера вблизи Земли? (притяжением Земли)
У какой планеты Солнечной системы нет атмосферы? (Меркурий)
Какая будет Земля без атмосферы? (как поверхность Луны)
Мы знаем, что на воздух, как и на любое тело на нашей планете, действует сила притяжения, поэтому вследствие этого притяжения атмосферы давит на поверхность Земли, на каждого из нас. Например, на поверхность ладони она давит с силой, равной весу взрослого человека.
Почему мы не чувствуем давления атмосферы? (Атмосферное давление уравновешено давлением внутри нас)
1. Атмосфера
Планета Земля окружена газовой оболочкой – атмосферой. Если смотреть на нашу планету из далекого космоса, то она имеет вид голубого шара, очертания которой размыты дымкой. Будто одеяло, этот дымка окутывает нашу Землю, ограждая ее от космоса. Он оберегает планету от людей губительных излучений Вселенной, от смертоносных колебаний температуры, к которым приводит изменение дня и ночи. Он поддерживает неугасимый огонь жизни, питая его кислородом. Это и есть атмосфера.
В состав атмосферы входят такие газы, как кислород, азот, углекислый газ, водород, гелий и тому подобное. Пределы атмосферы четко определить нельзя, но считается, что она достигает нескольких тысяч километров.
2. Почему возникает атмосферное давление?
Молекулы газов, входящих в состав атмосферы, находятся в непрерывном движении, но не разлетаются в космос, хотя атмосфера и не имеет газонепроницаемых стенок. Почему частицы воздуха не покидают Землю? У поверхности Земли их удерживает сила притяжения. Находясь в составе атмосферы, молекулы воздуха не прекращают хаотического движения, что и приводит к появлению атмосферного давления. Вследствие действия силы тяжести верхние слои воздуха, подобно воде в море, сжимают нижние слои. Воздушный слой, прилегающий непосредственно к Земле, сжат больше всего и по закону Паскаля передает давление, которое действует на него, во всех направлениях. В результате этого земная поверхность подвергается давлению всей толщи воздуха, или, как обычно говорят, испытывает атмосферного давления. Чтобы совсем покинуть Землю, молекула, как и космический корабль, должны иметь скорость не меньшую, чем 8 км/сек. Средняя же скорость молекул воздуха оболочки Земли значительно меньше, чем эта космическая скорость. Поэтому большинство их «привязана» к Земле силой тяжести, лишь ничтожно малое количество молекул летит в космическое пространство, оставляя Землю.
На небольших планетах, где сила тяжести является малым, воздушная оболочка и атмосферное давление отсутствуют.
3. Расчет атмосферного давления
Рассчитать атмосферное давление по формуле p = ρgh нельзя, потому что необходимо знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но определенной границы у атмосферы нет, а плотность воздуха на разной высоте различна. Вот почему атмосферное давление, как правило, не рассчитывают, а измеряют. Впервые измерил атмосферное давление Е. Торричелли в1643г. Торричелли поставил свой знаменитый опыт с трубкой, заполненной ртутью. Торричелли взял запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной около1 м и заполнил ее ртутью. Затем, плотно закрыв другой конец трубки, перевернул ее и опустил не запаянный конец в чашку с ртутью. Когда он открыл этот конец трубки, часть ртути вылилась в чашку, а часть осталась в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм. При этом между запаянным концом трубки и поверхностью ртутного столба образовалась пустота (ее называют теперь Торричеллиевой пустотой) – таким образом было доказано существование атмосферного давления. Действительно, ртуть не вылилась из трубки под действием силы тяжести, поскольку атмосфера давит на открытую (свободную) поверхность ртути, противодействует таком выливание.
Проблемный вопрос: Почему для своих опытов Торричелли не использовал воду?
Проводя опыты, Торричелли заметил, что высота столба ртути время от времени менялась. Почему? Ответ ученика: атмосферное давление не остается постоянным, он меняется. Особенно менялся перед изменением погоды. Заметив такое явление ученый сделал вывод, что так можно предсказать погоду.
Историческая справка
Зависимость атмосферного давления от высоты над поверхностью Земли впервые обнаружил Блез Паскаль. Группа его учеников поднялась на гору- де-Дом (Франция) и обнаружила, что на вершине горы столб ртути на 7,5 см короче, чем у ее подножия.
Нормальным считается давление на уровне моря при температуре 0 ºС, что составляет 760 мм рт. ст.
Проведенные исследования показали, что за изменениями атмосферного давления можно рассчитывать высоту подъема над поверхностью Земли. Если высота подъема не превышает нескольких сотен метров, то можно считать, что при подъеме на каждые 12 м атмосферное давление уменьшается на 1 мм рт. ст., или на 100 Па каждые 8 м. (просмотр видео «Зависимость атмосферного давления от высоты»)
Своим опытом Торричелли решил все недоразумения, возникшие у мастера Тосканского герцога. Стало понятно, на какую высоту вода будет покорно двигаться вслед за поршнем всасывающего насоса. Всасывание воды будет происходить до тех пор, пока вес столба воды не станет такой же, как вес столба ртути. А поскольку плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды, то и столб воды будет выше в 13,6 раз, чем столб ртути: 760 мм * 13,6 = 10336 мм = 10,336 м. Вот почему природа «боится пустоты», но не более, чем на 10 м.
4. Нормальное атмосферное давление
Опыт Торричелли дает основания утверждать, что нормальное атмосферное давление равно давлению столбика ртути высотой 760 мм. Давление этого столбика равна:
р = 9,8 Н/ кг ∙ 13600 кг/м3 ∙ 0,76 м = 101 300 Па.
Давление 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
5. Барометры
Наблюдая ежедневно за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется, то есть атмосферное давление может увеличиваться и уменьшаться. Прикрепив к трубке с ртутью вертикальную шкалу, получают простейший ртутный барометр (от греческих слов: барос – тяжесть, метрео – измеряю) – прибор для измерения атмосферного давления.
Ртутный барометр – довольно чувствительный и точный прибор, однако его использование связано со значительными неудобствами. Его сложно перевозить через большую массу. Кроме того, ртуть – ядовитое вещество. Поэтому в практике для измерения атмосферного давления используют металлические барометры-анероиды (в переводе с греческого анероид – безжидкостный). Главная его часть–металлическая коробочка с волнистой поверхностью. Из этой коробочки выкачан воздух, а чтобы атмосферное давление ее не раздавил, пружина оттягивает крышку коробки вверх. Когда атмосферное давление увеличивается, крышка прогибается вниз и натягивает пружину. С уменьшением атмосферного давления пружина выпрямляет крышку. К пружине прикреплена стрелка-указатель. Под стрелкой закреплено шкалу, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра.
6. Значение измерения атмосферного давления
Барометр – важный прибор для метеорологических наблюдений. Если атмосферное давление уменьшается, то надо ждать ненастья.
Показания атмосферного давления зависят не только от погоды, но и от высоты над уровнем моря. Чем выше от поверхности Земли слой воздуха, тем меньше он сжат, тем меньше его плотность, следовательно, тем меньше он оказывает давление. При небольших подъемах в среднем на каждые 11 м подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст. Зная зависимость давления от высоты, можно по изменению показаний барометра определить высоту над уровнем моря. Анероиды, имеющие шкалу, по которой непосредственно можно отсчитать высоту, называют высотомерами или альтиметрами. их применяют в авиации и во время восхождения на горы.
V. Осмысление, Применение и закрепление знаний
Качественные задачи
1. Почему водолаз не может работать на глубине свыше 50 м? (Потому что при увеличении глубины погружения деформируются стенки сосудов, которые рассчитаны на определенные значения давлений извне и изнутри. При изменении давления изменяется и скорость многих химических реакций, а это приводит к изменению химического равновесия всего организма. При быстром уменьшении давления происходит интенсивное выделение газа и кровь будто закипает, а это приводит к закупориванию сосудов. Поэтому погружение и подъем водолазов должно происходить очень медленно)
2. Как мы дышим с точки зрения физики? (За счет мышечного усилия мы увеличиваем объем грудной клетки, при этом давление воздуха внутри легких уменьшается. Далее атмосферное давление «проталкивает» в легкие порцию воздуха. При выдыхании происходит обратное явление)
3. Почему опасно сдавать в багаж плотно закрытые банки?
4. Как можно достать монету из воды не намочив руки? (просмотр видео «Фокус с монетами»)
Задача 1. Выразить в кило паскалях атмосферное давление 800 мм рт. ст.; 500 мм рт. ст.; 530 мм рт. ст.
800 мм рт. ст.*133,3 = 106640 Па = 107 кПа
500 мм рт. ст.* 133,3 = 66650 Па = 67 кПа
530 мм рт. ст.* 133,3 = 70649 Па = 71 кПа
2. Выполните задания
• 380 мм рт. ст.= КПа
• 10 кПа= мм. рт. ст., 50 кПа= мм. рт. ст.
Задача 2. Какова относительная высота горы, если на ее вершине атмосферное давление равно 250 мм. рт. ст., а у подножья-760 мм. рт. ст.
Решения 1) Вычисляем разность давлений у подножия и на вершине:760 – 250 = 510 (мм. рт. ст.).
2) Зная, что на каждые 100 м подъема вверх давление понижается примерно на 10 мм рт. ст., составляем пропорцию:
100 м - 10 мм. рт. ст.
X м. - 510 мм. рт. ст.
X = 100 * 510 : 10 = 5100 (м.)
Ответ: высота горы 5100 м
Решаем задачу: Вычислить вес 1м3 воздуха (плотность воздуха у поверхности Земли при 0 ℃ 1,29 кг/м3)
Дано: Формула Вычисления
ρ=1,29 кг/м3 P=m•g m = 1,29 кг/м3 • 1 м3 = 1,29 кг
V=1 м3 P= 1,29 кг• 9,8 Н/кг ≈ 13 Н
g =9,8 Н/кг m=ρ•V
[P]= кг• Н/кг = Н
P - ?
Ответ. P= 13 Н
Опыт Приборы и материалы: стакан с водой, лист бумаги.
1. Набрать в стакан воды (меньше половины) и накрыть листом бумаги.
2. Крепко прижать лист бумаги и перевернуть стакан. Вода не выливается. Почему? Объяснение.
О том, что такое атмосферное давление узнали сравнительно недавно, в XVII ст., когда герцог Тосканский решил построить фонтан на террасе своего дворца, а вода для фонтана должна была закачиваться из озера. Но поскольку озеро лежало ниже террасы дворца, вода поднялась лишь на 10,5 м над уровнем озера. Таким образом, фонтан не заработал.
1. Учитель демонстрирует опыты, а учащиеся объясняют:
• Воронку широким отверстием кладем на лист бумаги, плотно прижимая ее к бумаге и, отсасывая из лейки воздуха, поднимаем ее. Лист бумаги, плотно прижатый к воронке, поднимается вместе с ней. Стоит открыть отверстие в воронке, как лист бумаги отпадает. Как вы можете это объяснить?
• Опуская поршень, выдавливают из шприца воздух. После этого его конец погружают в воду, поднимают поршень и наблюдают, как по ним поднимается вода. Не «тянет» поршень сверху воду? Вследствие чего поднимается вода?
• Определите глубину шахты, если на ее дне барометр показывает 82,4 см рт. ст., а на поверхности Земли – 78 см рт. ст.
• Барометр показывает 765 мм рт. ст. С какой силой воздух давит на оконное стекло имеет размер 1 х 0,5 м? Каким образом оно выдерживает такое давление?
*Упражнение «Журналист» Учащимся предлагается составить рассказ, используя ключевые слова темы урока.
VII. Подведение итогов урока. Упражнение «Журналист» Зачитывание нескольких рассказов.
VIII. Сообщение домашнего задания
2. Подготовить доклады: «Атмосфера Земли, ее строение, состав и экологическое значение», «Природные барометры» (можно использовать материалы в приложении).
3. Выполнить экспериментальное задание: тонкостенную эластичную бутылку емкостью 1,5–2 л сполоснуть горячей водой и сразу (чтобы бутылка не остыла) погрузить ее горлышко в холодную воду, налитую в широкий сосуд. Полейте поверхность бутылки холодной водой и наблюдайте. Объясните наблюдаемое явление.
4. Решить задачу: рассчитайте давление атмосферы в шахте на глубине 880 м, если атмосферное давление на поверхности шахты является нормальным.
Приложение
Атмосфера Земли, ее строение, состав и экологическое значение
Атмосфера — это газовая оболочка, окружающая Землю. Наличие атмосферы – одно из главных условий жизни на планете. Без еды человек может обходиться месяц, без воды – неделю, а без воздуха не проживет и нескольких минут.
Атмосфера, как элемент глобальной экосистемы, выполняет несколько основных функций:
• защищает живые организмы от пагубного влияния космических излучений и ударов метеоритов;
• регулирует сезонные и суточные колебания температуры (если бы на Земле не существовало атмосферы, то суточные колебания температуры достигали бы ±200 °С);
• является носителем тепла и влаги;
• это депо газов, которые принимают участие в фотосинтезе и обеспечивают дыхание;
• предопределяет ряд сложных экзогенных процессов (выветривание горных пород, круговорот природных вод, изменение состояния ледников и тому подобное).
Часть воздуха, которая приблизительно одинаковая во всех уголках Земли и мало изменяется за день, неделю или даже год, назвали постоянной составляющей атмосферы.
В нее входят десять газов. Доминируют два из них: азот N2 – 78, 084 % и кислород О2 – 2,946 %. Доля всех остальных вместе взятых не составляет и одного процента в сухом воздухе.
Эти «другие» 8 газов постоянной составляющей атмосферы по концентрации располагаются в таком порядке:
1. Аргон – 0,934%; 2. Углекислый газ – 0,036 %;
3. Неон – 0,0018%; 4. Гелий – 0,0000524 %;
5. Метан – 0,0002 %; 6. Криптон – 0,00014 %;
7. Водород – 0,00005 %; 8. Ксенон – 0,000009 %.
Подчеркнем, что термин «постоянная составляющая» касается однородности состава воздуха в пределах ее нижних 94 км (зона интенсивного конвективного перемешивания), а не его неизменности на протяжении длительного времени.
В последнее время деятельность человечества очень повлияла на «постоянную» составляющую атмосферы, ибо интенсификация полеводства и животноводства за 300 лет удвоила количество метана в атмосфере, а сжигание органического топлива как минимум на 1/4 увеличило концентрацию углекислого газа в ней.
Среди упомянутых выше постоянных составляющих атмосферы нет откровенно ядовитых. Интересно, что существенные изменения концентрации каждого из них вредны или нежелательны, ведь подавляющее большинство из них не поддерживает дыхание. Это касается даже нужного нам кислорода. Доказано, что если его содержание превышает 27 %, то практически невозможным будет само затухание в лесах пожаров, вызванных молниями. Еще хуже, что усиление окисления приведет к разогреву и самовозгоранию куч листьев или угля, элеваторов и хранилищ зерна, торфяников и тому подобное.
Постоянная составляющая воздуха – экологически безопасная на всей поверхности Земли.
Развитие гидросферы также в значительной мере зависел от атмосферы из-за того, что водный баланс и режим поверхностных и подземных бассейнов, а также акваторий формировался под влиянием режима осадков и испарения. Процессы гидросферы и атмосферы тесно связаны между собой.
По характеру изменений температуры атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.
Екзосфера (10 000 км)
Термосфера (100 км Линия Кармана. Полярне сяйво. Космічний апарат (690 км)
Мезосфера (Метеори 85 км)
Стратосфера (Метеозонд 50 км)
Тропосфера (Джомолунгма — 6–20 км)
Тропосфера
Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся один от другого температурными и другими условиями. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, называется тропосферой. Для нее характерен спад температуры с высотой в среднем на 0,65 °С/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти вся водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. Высота тропосферы над каждым местом Земли меняется изо дня в день. Кроме того, даже в среднем она различна под разными широтами и в разные сезоны года. В среднем тропосфера поднимается над полюсами до высоты около 9 км, над умеренными широтами до 10-12 км и над экватором до 15-17 км. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности 26 °С на экваторе и около -23 °С на Северном полюсе. На верхней границе тропосферы над экватором средняя температура около -70 °С, над Северным полюсом зимой около -65 °С, а летом около -45 °С. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности. Самый нижний тонкий слой тропосферы толщиной 50-100 м, непосредственно примыкающий к земной поверхности, носит название приземного слоя.
Стратосфера и мезосфера
Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы. Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; причем летом гораздо ниже, чем над полюсом. Нижняя стратосфера более-менее изотермическая. Но начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой, достигая на высоте около 50 км максимальных, причем положительных, значений (от 1 до 5 °С). Вследствие роста температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала. Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 22-27 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они незначительные, а ночью кажутся светящимися, потому что освещаются солнцем, находящимся под горизонтом.
Эти облака образованы переохлажденными водяными каплями. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон. С этой точки зрения она может быть названа ионосферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном.
Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 85-95 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (82-85 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаются солнцем в ночные часы, так называемые серебристые облака. Они впервые наблюдались в июне 1885 года и затем были описаны приват-доцентом В. К. Цераским. Очевидно, они состоят из ледяных кристаллов, а ядрами конденсации (сублимации) для них есть частицы метеоритного вещества. На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе до высоты 80 км, находится более 99,5 % всей массы атмосферы. На слои, лежащие выше, приходится незначительная часть воздуха.
Термосфера
Верхняя часть атмосферы, над мезосферою, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферою. В ней различаются, однако, две части: ионосфера – от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и внешняя часть – экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в термосфере чрезвычайно разрежен. Но и при такой малой плотности каждый кубический сантиметр воздуха на высоте 300 км еще содержит около 1 млрд (109) молекул или атомов, а на высоте 600 км – свыше 10 млн (107). Это на несколько порядков больше, чем содержание газов в межпланетном пространстве.
Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. Содержание ионов здесь во много раз больше, чем в слоях, что под ней, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы преимущественно представляют собой заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. их содержимое на высотах 100-400 км – примерно 1015-106 на кубический сантиметр. В ионосфере выделяется несколько слоев, или областей, с максимальной ионизацией, в особенности на высотах 100-120 км (слой Е) и 200-400 км (слой F). Но и в промежутках между этими слоями степень ионизации атмосферы остается очень высоким. Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией называются электронными облаками. От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Радиоволны в ионосфере поглощаются, преломляются и отражаются. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже слоями с небольшой концентрацией ионов в нижней части ионосферы (на высотах 70-80 км). Средние и короткие волны отражаются ионосферными слоями, лежащими выше. Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно распространяться на большие расстояния, огибая поверхность земного шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн. Поэтому для надежной радиосвязи необходимо непрерывное изучение состояния ионосферы. Наблюдения распространением радиоволн способствует такому исследованию.
В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по природе свечение ночного неба – постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля – ионосферная магнитная буря. Цвет полярного сияния зависит от того, какой газ бомбардируют корпускулярные частицы. Так, например, азот дает ярко-красный, синий и фиолетовый цвета, кислород – зеленый и розовый. Ионизация в ионосфере вызванная действием ультрафиолетовой радиации Солнца. ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и свободных электронов, о которых говорилось ранее. Колебания магнитного поля в ионосфере и полярные сияния зависят от солнечной активности. С изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке корпускулярной радиации, которая распространяется от Солнца в земную атмосферу. Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000 °С. Говоря о высоких температурах ионосферы, имеют в виду то, что частицы атмосферных газов движутся там с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в ионосфере так мала, что тело, находящееся в ионосфере, например, искусственный спутник, не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им солнечной радиации и от его собственного излучения в окружающее пространство.
Экзосфера
Экзосфера (внешняя атмосфера) – атмосферные слои выше 800-1000 км.
Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не соприкасаясь между собой. Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу притяжения. Для незаряженных частиц критической скоростью будет 11200 м/сек. Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболических траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, исчезать, рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния. Рассеиванию подвергаются преимущественно атомы водорода, который является главным газом в наиболее высоких слоях экзосферы.
До недавнего времени считали, что экзосфера, а с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников видно, что водород, который исчезает из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону (до 20 000 км). Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр тут приходится в среднем около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше. С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирается еще на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц – протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. их энергия – порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.
Плотность воздуха
Плотность воздуха непосредственно не измеряется, а вычисляется с помощью уравнения состояния газа. Влажный воздух менее плотен, чем сухой воздух при тех же значений давления и температуры. Это объясняется тем, что водяной пар менее плотный, чем сухой воздух. Если взять некий объем сухого воздуха и заменить часть молекул постоянных газов более легкими молекулами водяного пара в том же количестве и с теми же скоростями движения так, что температура и давление от этого не изменятся, то плотность полученного влажного воздуха будет несколько меньше, чем плотность сухого воздуха. Разница не очень большая. Плотность сухого воздуха при температуре 0 °С и давлении 1000 гПа равна 1,276 кг/м3. Если же воздух влажный, причем насыщенное, т. е. давление водяного пара 6,1 гПа (больше он при температуре 0 °С быть не может), то плотность его при давлении 1000 гПа будет 1,273 кг/м3, то есть только на 0,003 кг/ м3 меньше, чем плотность сухого воздуха. При высших температурах и, следовательно, при большем влажности разница увеличивается, хотя и остается небольшим. Плотность воздуха в каждом месте непрерывно изменяется во времени. Кроме того, она изменяется с высотой, потому что с высотой изменяются атмосферное давление и температура воздуха. Давление с высотой всегда уменьшается, а вместе с ним уменьшается и плотность. Температура с высотой в основном снижается, по крайней мере в нижних 10-15 км атмосферы. Но падение температуры вызывает повышение плотности. В результате совместного влияния изменения давления и температуры плотность с высотой, как правило, снижается, но не так сильно, как давление. В среднем для Европы она равна у земной поверхности 1,25 кг/м3, на высоте 5 км – 0,74 кг/м3, 10 км – 0,41 кг/м3, 20 км – 0,09 кг/м3. На высотах около 300 км плотность воздуха имеет порядок 10-11 кг/м3, то есть в 100 млрд раз меньше, чем у земной поверхности. На высоте 500 км плотность воздуха уже 10-12 кг/м3, на
750 км – 10-13 кг/м3 или менее. Но все-таки до высот около 20 тыс. км плотность воздуха остается значительно большей, чем плотность вещества в межпланетном пространстве. Если бы плотность воздуха не менялась с высотой, а оставалась на всех уровнях такой же, как у земной поверхности, то высота атмосферы составляла бы примерно 8000 м. Эта высота (8000 м) называется высотой однородной атмосферы. Плотность воздуха с высотой убывает, и поэтому истинная высота атмосферы равна многим тысячам километров.
Важной задачей является приведение давления к уровню моря. Зная давление на некоторой станции, расположенной на высоте г над уровнем моря, и температуру / на этой станции, вычисляют сначала воображаемую среднюю температуру между температурами на рассматриваемой станции и на уровне моря. Для уровня станции берется фактическая температура, а для уровня моря – и сама температура, но увеличена настолько, насколько в среднем изменяется температура воздуха с высотой. Средний вертикальный градиент температуры в тропосфере считают равным 0,6 °С на
100 м. Итак, если станция расположена на высоте 200 м и температура на ней
16 °С, то для уровня моря принимают температуру 17,2 °С, а средняя температура столба между станцией и уровнем моря 16,6 °С. После этого с давлением на станции и по полученной средней температурой определяется давление на уровне моря. Для этого составляют особые таблицы для каждой станции. Приведение давления к уровню моря является очень важной операцией. На приземные синоптические карты наносится давление, приведенное к уровню моря. Этим исключается влияние различий в высотах станций на значение давления, становится возможно выяснить горизонтальное распределение давления.
Среднее распределение атмосферного давления с высотой
Распределение атмосферного давления с высотой зависит от того, какое давление внизу и как распределяется температура воздуха с высотой. В многолетнем среднем для Европы давление на уровне моря коридоров-ет 1014 гПа, на высоте 5 км – 538 гПа, 10 км – 262 гПа, 15 км – 120 гПа и 20 км – 56 гПа. На уровне 5 км давление почти вдвое ниже, чем на уровне моря, на уровне 10 км – почти в четыре раза, на уровне 15 км – почти в 8 раз и наравне 20 км – в 18 раз. Эти значения подтверждают вывод, который можно сделать: в первом приближении давление уменьшается приблизительно в геометрической прогрессии, а высота возрастает в арифметической прогрессии. При более точном исследовании эта зависимость описывается кривой, имеющей название экспоненты. Поэтому зависимость давления от высоты еще называют экспоненциальной. Давление меняется не только с высотой. На том же уровне он не везде одинаковый. Это зависит от многих причин, которые будут рассмотрены позже.
Общая масса атмосферы
Знание атмосферного давления позволяет рассчитать общую массу атмосферы. Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет 1013 гПа. Зная площадь земной поверхности и высоты материков над уровнем моря, можно вычислить силу, которая действует на земную поверхность. Пренебрегая изменением силы тяжести с высотой, можно считать эту силу численно равной массе атмосферы, умноженной на ускорение свободного падения. Общая масса атмосферы, определенная таким образом, составляет чуть более 5 ∙ 1018 кг, или 5 ∙ 1015 т. Это примерно в миллион раз меньше, чем масса самого земного шара. При этом, как уже отмечалось, половина всей массы атмосферы находится в нижних 5 км, три четверти – в нижних 10 км и 95 % – в нижних 20 км.
Экологические проблемы атмосферы
Рассмотрим переменные составляющие атмосферы, которые имеют природное происхождение. Среди них преобладает водяной пар, изменение концентрации которой нам и известная, и привычная.
Рекордная концентрация водяного пара 5-6 % достигает во влажных тропиках, которые врачи относят к малоприятных для человека зон Земли. Низкие концентрации водяного пара – до 0,00001 % – наблюдаются над укрытой льдом Антарктидой.
Значительно меньше концентрация других примесей в воздухе. Например, средняя концентрация озона совпадает с рекордно малой концентрацией паров воды.
Большинство озона постоянно находится в слоях стратосферы на высотах 15-70 км (максимум – на высоте 25 км), образуя озоносферу, «против ультрафиолетовый» щит Земли. Поглощая биоактивное излучение Солнца во время своего образования и распада, озон не пропускает к поверхности Земли несомненно вредную для биосферы часть солнечной энергии.
К сожалению, антропогенные примеси в атмосфере уже создали реальную угрозу потери необходимого для современной биосферы слоя озона в стратосфере и «замены» его крайне опасным «приземным» озоном.
Среди переменных составляющих атмосферы есть несколько соединений азота с кислородом (N2О, NO, NО2), которые, как и озон, образующиеся во время гроз энергией молний.
Очень сложные смеси газов выходят наружу из вулканов. В порядке уменьшения концентрации это H2O, CO2, CO,H2, HCl, HF, SO2, H2S, NH3, COS, CH4 и некоторые другие. Часть из них активно участвует в различных химических реакциях в атмосфере и на поверхности почвы.
Все эти газы или откровенно ядовитые (как СО), или более-менее вредны для человека, и их естественная концентрация на больших расстояниях от вулканов очень мала: она меньше миллионной доли процента, не представляет опасности для здоровья человека. В случае выбросов из вулканов перемешивания воздуха быстро уменьшает концентрацию вредных газов вулканов, поэтому они не представляют опасности для действительно больших территорий.
До сравнительно новых объектов относятся мелкие твердые или жидкие атмосферные аэрозольные частицы, средняя концентрация которых близка к ксенону, а минимальная – примерно 100 частиц в кубическом сантиметре чистого воздуха.
Самым мощным источником нужнейшего для образования дождевых капель аэрозоля является соленая вода океана и морей, точнее – пена бесчисленных волн. Без аэрозоля дожди или другие осадки станут невозможными, а строение атмосферы – неблагоприятной для жизни.
Климат Земли, который зависит в основном от состояния ее атмосферы, на протяжении геологической истории периодических изменялся: чередовались эпохи существенного похолодания, когда значительные территории суши покрывались ледниками, и эпохи потепления. И в последнее время атмосфера Земли разогревается намного быстрее, чем когда-либо в прошлом. По данным ООН, с конца XIX до начала XXI века. глобальная температура на земном шаре повысилась всего на 0,6 °С. И это обусловлено деятельностью человека:
• во-первых, человек подогревает атмосферу, сжигая большое количество угля, нефти, газа, а также вводя в действие атомные электростанции;
• во-вторых, и это главное, в результате сжигания органического топлива, а также вследствие уничтожения лесов в атмосфере накапливается углекислый газ.
За последние 120 лет содержание СО2 в воздухе увеличилось на 17 %. В земной атмосфере углекислый газ действует как стекло в теплице или парнике: он свободно пропускает солнечные лучи к поверхности Земли, но удерживает ее тепло. Это вызывает разогревание атмосферы, известное как парниковый эффект. По расчетам ученых, в ближайшие десятилетия из-за парникового эффекта среднегодовая температура на Земле может повыситься на 1,5-2 °С.
Если человечество не уменьшит объема загрязнений атмосферы и глобальная температура будет расти и дальше, как это происходит в течение последних 20 лет, то очень быстро климат на Земле станет теплее, чем когда-либо за 100 тыс. лет. Это ускорит глобальный экологический кризис.
В чем же заключается опасность парникового эффекта?
Расчеты и моделирование на ЭВМ свидетельствуют: повышение среднегодовой температуры повлечет изменения таких важнейших климатических параметров, как количество осадков, облачный покров, океанические течения, размеры полярных ледяных шапок. Внутренние районы континентов станут более сухими, а побережья – влажнее, зима будет короче и теплее, а лето длиннее и жарче. Основные климатические зоны в северном полушарии сместятся на север приблизительно на
400 км. Это обусловит потепление в зоне тундры, таяние слоя вечной мерзлоты и полярных ледяных шапок. В средних широтах, то есть в главных «хлебных» районах (Украина, Черноземье России, Кубань, «зерновые штаты» США), климат станет полупустынным, и урожаи зерна резко сократятся. Глобальное потепление приведет к таянию ледников Гренландии, Антарктиды и гор, уровень Мирового океана повысится на 6-10 м, при этом будет затоплено около 20 % площади суши, где сегодня живут сотни миллионов людей, расположенные города, фермы, сады и поля. Ученые не пришли к единому мнению о том, за которого повышение среднегодовой температуры могут произойти эти негативные для человечества явления: одни метеорологи считают критическим значение 2,5 °С, другие – 5 °С. В последнее время тревога ученых по поводу парникового эффекта еще усилилась. Оказалось, что, кроме углекислого газа, парниковый эффект вызывают некоторые другие газы, входящие в группу малых примесей – метан, оксиды азота, фреоны, содержание которых в атмосфере через антропогенный фактор стремительно растет.
Опыт с «магдебурзскими полушариями»
1654 г., через 11 лет после открытия Е. Торричелли существование атмосферного давления, действие этого давления была наглядно показана в опытах, выполненных немецким физиком Отто фон Герике (1602-1686), который занимал на то время должность бургомистра Магдебурга.
Герике родился в Магдебурге, потом в 1617-1623 годах. учился в Лейденском университетах. Он пользовался авторитетом у сограждан и в 1646 г. был избран на должность председателя родного города Магдебурга. Занимая эту должность более 30 лет, Герике не прекращал своей исследовательской работы в области физики. 1650. он изобрел воздушный насос и впоследствии усовершенствовал его. Таким образом, насосы, которыми мы накачиваем шины в велосипеде или мячи в спортивном зале, – все это современные «потомки» изобретения магдебургского бургомистра.
Но знаменитым стал Герике после того, как выполнил свой блестящий, не столько содержательный с физической точки зрения, сколько театрализованный постановкой, опыт с «магдебурзькими полушариями».
Две медные полушария были соединены кольцевой прокладкой. Через кран, приделан к одному из полушарий, со сложенной шара был выкачан воздух, после чего полушарии уже нельзя было отделить одну от другой. Чтобы разъединить полушария, Герике приказал запрячь две восьмерки лошадей. К запряжке шли канаты, которые были продвинуты через кольца, прикрепленные к полушариям. И, как коней не погоняли, они оказались несостоятельными разъединить полушария, – настолько большим оказался давление атмосферного воздуха, который прижимал одно полушарие к другому.
В наши времена содержание опыта Герике можно понять, учитывая то, как действует вакуумная присоска, изготовленная из эластичного материала. На такой присоске в наших домах может висеть полотенце или игрушка.
Научные достижения Отто фон Герике не ограничивались опытом с «магдебурзькими полушариями». Позже он построил первый водяной барометр (1657 г.) и использовал его для предсказания погоды, изобрел гигрометр (прибор для измерения влажности воздуха), построил первый воздушный термометр. Свои опыты Герике описал в трактате «Новые опыты о пустом пространстве» (1672 г.), который сохранился до наших времен.
Интересно, что в 1986 г., как и 332 года назад, на лугу вблизи реки Эльбы опыт Герике был повторен жителями Магдебурга. Снова шестнадцать лошадей безуспешно пытались растянуть пустую медную пулю, которая распалась на две половины только тогда, когда в нее впустили воздух. Участники эксперимента были в костюмах XVI века. Немецкие исследователи истории считают, что событие, о котором сегодня знают во всем мире, имела триста лет назад не только научное и просветительское значение. Эксперимент выполнялся в годы Тридцатилетней войны и в то время Магдебург был сильно разрушен. Его бургомистр фон Герике своим необычным опытом привлек внимание короля, благодаря чему получил средства на восстановление родного города.
Природные барометры
Издавна люди заметили, что перед сменой погоды внешний вид некоторых растений и поведение животных меняются. Эти изменения стали своеобразным народным барометром, по которому можно было предвидеть надвигающегося ливня или хорошую погоду, заморозки или потепление. Согласно этого люди выполняли хозяйственные работы, например, сушили сено, собирали урожай и тому подобное. Например, если береза выделяет весной много сока, то следует ожидать сырого лета. И наоборот, когда береза зеленела раньше ольхи или выделяла весной мало сока, следует ожидать сухого и теплого лета. Осенью крестьяне из вида березовых рощиц или отдельных деревьев делали вывод о следующую весну. Начнет листва желтеть на верхушке дерева – к ранней весне; если начнется пожелтение снизу – весна будет поздней. Даже за тем, насколько рано опадут листья с берез, делали вывод о зиме. Рано снег выпадет уже в ноябре. Задержится листья до октября – снега жди только в декабре.
Подобные долгосрочные прогнозы делали, следя за состоянием многих других растений: рябины, осины, дуба, орехов и тому подобное. Вот некоторые из них. Если зацвела рябина, значит заморозки закончились и можно высаживать рассаду помидоров или сеять огурцы. Обильное цветение рябины говорит о теплое лето и хороший урожай льна. Если рябина зацвела поздно, значит лето будет сырой, но теплым, а осенью будет много грибов. Эти прогнозы легко проверить, а убедившись в их правильности, использовать признаки растений в хозяйственной деятельности.
Есть и другие, весьма схожие прогнозы. Если на дубе распустятся листья раньше ясеня, значит лето будет сухое и теплое. Если на деревьях летом появляется много-много желтых листьев, осень будет ранняя и промозглая. Когда листья на деревьях не опали, то ранний снег еще растает. Отцветают розы – это до первых заморозков. Много желудей и рябиновых ягод предвещают суровую зиму и длительные морозы. О том же свидетельствуют и дружный листопад, и бедный на грибы осень, и грубая кожица на луковицах. Умение прогнозировать погоду – опыт, накопленный народом за сотни лет наблюдений.
В процессе эволюции растения и животные приспосабливались к колебаниям погоды. К сожалению, человек утратил способность предвидеть, лучше сказать, чувствовать такие перемены. А вот растения и животные эти перемены чувствуют. Они по-своему готовятся к ним. Конечно, эти чувства имеют химическую основу. Вот и мы наблюдаем внешние проявления этих реакций: раннее или позднее развитие, обильное цветение или плодоношение, характер ноября др.
про публікацію авторської розробки
Додати розробку