Читать книгу Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить - Наталья Голубева - Страница 5
Часть I
Что такое воздух?
Глава 2
Как устроен воздух?
Строение и состав атмосферы
ОглавлениеСлоеный пирог из воздуха
Давайте ближе познакомимся с атмосферой, которая существует сегодня. Теперь вы знаете, насколько сложным был процесс ее образования, и могли подумать, что самое грандиозное позади. Поверьте, поводов для удивления еще достаточно. И один из них – ее строение.
Атмосфера – это газовая оболочка Земли, которая удерживается за счет гравитации и вращается с планетой как единое целое. Нижней ее границей считается поверхность Земли, верхней нет: переход в космическое пространство происходит плавно. Международная авиационная федерация предложила считать границей атмосферы линию Кáрмана, которая располагается на высоте 100 км.
Атмосферу нельзя назвать однородной. Она больше похожа на слоеный пирог, чем на однородное желе. По мере отдаления от поверхности Земли ее свойства меняются. Давайте рассмотрим каждый слой этого «пирога» и узнáем, что он собой представляет. Начнем с уровня земли.
■ ТРОПОСФЕРА. В ней находится 80 % всей массы воздуха Земли и практически весь водяной пар. Верхняя граница тропосферы меняет высоту в зависимости от широты и сезона года. Так, она может достигать 10 км в полярных широтах и 18 км в тропических. Именно в этом слое «пирога» образуются дождь, ветер и почти все привычные нашему взгляду облака. Здесь летают пассажирские самолеты. Вы наверняка помните слова капитана: «Наш экипаж приветствует вас на борту, время полета составит столько-то часов, температура за бортом – минус 50 градусов». Почему так холодно? Дело в том, что в тропосфере нет источников тепла. Она нагревается от поверхности Земли, поэтому по мере удаления от нее, с увеличением высоты, температура воздуха понижается: примерно на 6 градусов каждый километр.
■ СТРАТОСФЕРА. Располагается над тропосферой, верхняя граница находится на высоте около 50 км. В стратосфере температура сначала, где-то до ее середины – отметки 25 км, снижается, а затем повышается и достигает значения порядка 0 ℃. Так происходит, потому что примерно в 25 км от поверхности Земли располагается озоновый слой – прослойка атмосферы, в которой содержится большое количество озона (О3), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Поглощенная озоном энергия переходит в тепло, поэтому в озоновом слое температура увеличивается.
Высота расположения озонового слоя, так же как и всё в атмосфере, не имеет четких границ. Максимальная плотность озона регистрируется на высоте 15–20 км в полярных широтах и 25–30 км в тропических.
■ МЕЗОСФЕРА. Располагается в пределах 50–90 км от уровня земли. Температура мезосферы ниже, чем в стратосфере, и может достигать –90 ℃. Существует интересная закономерность: летом в мезосфере высоких широт (условное название приполярных областей земного шара, ограниченных примерно 60° северной и южной широты) намного холоднее, чем зимой. Поэтому в так называемые холодные летние месяцы в мезосфере конденсируются маленькие льдинки и образуют красивое атмосферное явление: серебристые облака. Их можно наблюдать на сумеречном небе в виде серебристо-синего свечения. Серебристые облака – завораживающее зрелище, очень советую взглянуть на них. В интернете можно найти множество фотографий, сделанных в Якутии, Швеции, Эстонии, Санкт-Петербурге и Ленинградской области и даже в Москве.
■ ТЕРМОСФЕРА. Ее верхняя граница проходит на высоте примерно 800 км. Воздух здесь очень разреженный, увеличивается содержание легких газов, таких как водород и гелий. Термосфера названа так неспроста, ведь именно в ней происходят различные реакции под воздействием космических лучей и солнечной радиации, а воздух резко разогревается от –90 до +1500 ℃. Благодаря этому мы видим потрясающе красивое свечение атомов газов, известное как полярное сияние.
■ ЭКЗОСФЕРА. Самый верхний слой атмосферы Земли. Лежит в границах от 800 до нескольких тысяч километров, плавно рассеивается и переходит в космическое пространство. Толщина экзосферы зависит от солнечной активности и увеличивается с ее усилением. Верхний, граничный слой экзосферы в основном состоит из атомов ионизированного водорода, который улетучивается в космическое пространство.
Атмосфера, которая существует сегодня, – слаженный механизм, играющий важную защитную роль для Земли. То, что она довольно «толстая» и состоит из такого большого числа слоев, – огромная удача для нас. Ежедневно в пространство планеты вторгаются тонны космических тел: метеоритов, осколков комет, астероидов и мусора. Подавляющее большинство из-за трения о воздух полностью сгорают. Даже если часть такого тела и достигает поверхности Земли, его масса составляет считаные проценты от первоначальной.
Атмосфера защищает Землю от космической радиации, от разрушающего ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме того, она регулирует тепловой баланс планеты и обеспечивает дыхание живых существ. Без атмосферы Земля была бы другой: безжизненной. Вот такой парадокс: без жизни не было бы атмосферы, а без атмосферы не было бы жизни. Вы еще сомневаетесь, что воздух – это что-то особенное?
Состав атмосферного воздуха
Всё – яд, всё – лекарство; то и другое определяет доза.
Парацельс
Если взять весь воздух на нашей планете и положить на гигантские весы, то стрелка покажет 5,27×1018 кг. Столько же весят 878 триллионов саванных слонов, самых крупных из ныне живущих наземных животных. Кстати, если взвесить всю Землю целиком, выйдет в миллион раз тяжелее – 5,98×1024 кг.
Долгое время ученые считали воздух единой субстанцией. То, что это не отдельное вещество, а смесь различных газов, выяснил шотландский физик и химик Джозеф Блэк в 1754 году. Он же открыл и углекислый газ. Сегодня состав воздуха находится в состоянии динамического равновесия. Его можно разделить на постоянные и переменные компоненты. Концентрация постоянных компонентов практически не меняется до высоты 90 км. До этого уровня газы хорошо перемешаны и представляют собой однородный коктейль. Выше состав меняется, так как газы начинают разделяться по плотности.
В этой книге мы рассматриваем воздух, окружающий нас, то есть существующий на высоте до 90 км. Газовый состав сухого воздуха таков:
■ азот – 78,08 %;
■ кислород – 20,95 %;
■ аргон – 0,93 %;
■ углекислый газ – 0,03 %;
■ неон, криптон, метан, гелий, водород и ксенон – незначительное количество.
Однако важно учитывать, что воздух, которым мы дышим, далек от этого идеального постоянного состава. Он включает в себя еще и переменные компоненты: твердые частицы, пыль, токсические газы. И, самое главное, он далеко не сухой, а очень даже влажный, ведь в нем содержится вода. Влажность играет огромную роль. Содержание водяного пара во влажном воздухе колеблется от 0,2 % в полярных широтах до 2,5 % на экваторе. В отдельных случаях количество влаги может достигать 4 %. Как же вода попадает в воздух? Она испаряется с поверхности Мирового океана, водоемов, почвы. Растения, животные и даже тело человека выделяют влагу. Например, когда человек спит, он теряет 40 г влаги в час. А при тяжелых нагрузках в спортзале – все 300 г.
Воздух в разных местах земного шара при неодинаковых погодных условиях будет немного различаться. Например, на закрытой автомобильной парковке в торговом центре он совсем не похож на воздух в лесу. Когда топливо сгорает, концентрация углекислого газа повышается. На этом фоне незначительно снижается относительное содержание азота и общее содержание кислорода. Воздух в лесу и на берегу моря тоже неодинаковый. Разница заключается в содержании влаги, частичек соли или, например, пыльцы растений. Даже в вашей комнате вчера и сегодня он разный. Ведь вы могли открыть окно, развесить белье на просушку, заболеть или покрасить стену. На состав окружающего воздуха влияет всё: влага, испарения от почв, аэрозоли, растения, люди, животные.
Каким бы ни был переменчивым воздух, в нем постоянно одно – практически идеальная для жизни комбинация газов. Я хочу, чтобы вы поняли и прочувствовали важность каждого из них. Атмосфера сформировалась так, а не иначе. Нам очень сильно повезло. Только представьте, каков был шанс и какое это счастье, что он выпал именно нашей планете. Сделайте глубокий вдох. Чувствуете? Так пахнет преимущество.
