Пошукова робота Повітря та атмосфера
Атмосфера (від грец. атмос – пара і сфера – оболонка) – це газоподібна оболонка Землі, що приймає участь у її добовому та річному обертанні. Вона є об’єктом вивчення метеорології. На дні цього атмосферного океану в основному і протікає наше життя. Повітря, на відміну від води, стискається. Тому з висотою щільність його зменшується, і атмосфера поступово, без різкого переходу, зникає. Половина всієї маси атмосфери зосереджена в нижніх 5 км, три чверті – в нижніх 10 км, дев’ять десятих – в нижніх 20 км. Але присутність повітря – чим вище, тим більш розрідженого – реєструється на дуже великих відстанях від Землі. Полярні сяйва вказують на наявність атмосфери на висотах до 1000 км і більше. Польоти супутників на висотах у декілька тисяч кілометрів також відбуваються в атмосфері, хоча й дуже розрідженій. Із спостережень за допомогою ракет можна зробити висновок, що атмосфера простягається, при поступовому зменшенню щільності, до відстані більше 20 000 км. Погода – це фізичний стан атмосфери, що безперервно змінюється. Погода у даний момент у даному місці характеризується сукупністю значень метеорологічних елементів (величин). Це температура повітря, хмарність, атмосферні опади, вітер та ін. За деякий відтинок часу вона визначається послідовними змінами цих елементів або їх середніми значеннями за цей же час. Зміни погоди у земної поверхні мають велике значення для сільського господарства та багатьох інших галузей господарської діяльності людини. Погода у більш високих шарах атмосфери впливає на польоти авіації. При цьому треба мати на увазі, що атмосферні процеси на різних висотах пов’язані між собою. Тому для повноцінного вивчення погоди у земної поверхні необхідно вивчати і більш високі шари атмосфери. Клімат – це статистичний режим атмосферних умов (умов погоди), характерний для кожного даного місця на Землі в силу його географічного положення. Цей режим дещо змінюється від одного багаторічного відтинку часу до іншого, причому такі зміни за історичний час носять характер коливань. Але ці коливання клімату достатньо малі і не заважають йому бути сталою географічною характеристикою даної місцевості. Існують три основних цикли атмосферних процесів, що визначають клімат. Це так звані кліматотвірні цикли – теплообіг, вологообіг та атмосферна циркуляція. Вони, в свою чергу, складаються з атмосферних процесів, що утворюють кругообіг води в природі. Природні та антропогенні забруднення і способи їх розповсюдження. Зв’язок екології з метеорологією та кліматологією. Зв’язки атмосфери з гідросферою, земною поверхнею та Сонцем. Зародження метеорологічних спостережень та їх історія. Атмосферні процеси не знають державних кордонів, а метеорологічні спостереження ведуться в усіх країнах. Тому існує нагальна необхідність уніфікації методики спостережень та їх обробки, обміні інформацією, в уніфікації форм оперативного обслуговування метеорологічною інформацією та прогнозами, в узгодженні роботи метеорологічних служб всього світу. Це являється основною задачею Всесвітньої метеорологічної організації (ВМО). Міжнародне співробітництво в області метеорології почалось у другій половині XIX століття. Перший Міжнародний метеорологічний конгрес відбувся 23 березня 1873 р. Він заклав перші підвалини Міжнародної метеорологічної організації з регулярними конференціями директорів метеорологічних служб. День 23 березня став днем ВМО. Після Другої світової війни ця організація була відновлена на новій основі, вже як Всесвітня метеорологічна організація при Організації Об’єднаних Націй. Кожні чотири роки скликаються всесвітні конгреси ВМО, на яких вибирають Виконавчий комітет і президента організації. Регулярно працює ряд технічних комісій та робочих груп. Секретаріат ВМО знаходиться в Женеві. Державні мережі метеорологічних станцій виникли в 19 ст. після винайдення телеграфу. У 20 ст. ця мережа значно виросла після впровадження радіо. З’явились радіофіковані метеопости, кораблі погоди, транспортні судна, літаки, автоматичні станції. Мережа аерологічних станцій. Метеорологічна мережа повинна мати однотипні прилади, працювати по однаковій для всіх методиці в один і той же час, тобто всі станції повинні складати єдине ціле. Станції повинні бути репрезентативні, тобто їхні дані повинні бути об’єктивними. Метеостанції спеціального призначення, виходячи з виробничих потреб. Вони спостерігають як основні стандартні метеорологічні показники погоди, так і додаткові, відповідно до специфіки та потреб певної галузі народного господарства чи навіть окремого підприємства. Держкомгідромет – керівник державної мережі станцій і наукових та учбових закладів, обсерваторій та органів служби погоди. Спостереження та експеримент в метеорології за об’ємами не пропорційні. Людина безупинно спостерігає і реєструє ті грандіозні експерименти, які проводить без її участі (експериментує) природа. Метеорологічні спостереження – це вимірювання та якісні оцінки метеорологічних величин, тобто таких як температура та вологість повітря, атмосферний тиск, швидкість і напрямок вітру, кількість і висота хмар, кількість опадів, потоків тепла тощо. Метеорологічні спостереження над станом атмосфери поза приземним шаром, до висот близько 40 км, носять назву аерологічних спостережень. В обмежених випадках у метеорології застосовується й експеримент. Це вплив на хмари з метою їх осідання, вплив на хмари з градом, вплив на туман; висаджування лісів, створення водосховищ, зрошування та осушення території тощо. Високі шари атмосфери вище 40 км вивчаються аерономією. Спостереження за станом атмосфери ведуться в метеорологічних та аерологічних обсерваторіях, а також ще приблизно в 4000 метеорологічних та 800 аерологічних станцій в світі. Тривалість та безперервність спостережень – це найважливіша умова метеорологічних спостережень, окрім синхронності. Програма спостережень на метеорологічних станціях уніфікована. На всіх наземних метеорологічних станціях в усьому світі проводяться одночасні (синхронні) спостереження через кожні 3 години по єдиному для всіх – гринвіцькому – часу (нульовий меридіан). Результати передаються в органи служби погоди. На метеостанціях загального типу реєструється: – t° С повітря на висоті 2 м над земною поверхнею, – атмосферний тиск, – вологість повітря, – вітер на висоті 10 – 12 м, – хмарність, – опади, – горизонтальна видимість, – тривалість сонячного сяяння, – t° С ґрунту, – стан поверхні ґрунту, – висота і щільність снігового покриву, – випаровування з водної поверхні. Метеорологічні прилади. Однотипність. Майданчик для приладів (окрім барометрів). Прилади в будках. Самописці. Радіозв’язок. Радіолокація. Радіозонди. Автоматичні станції. Методи аерологічних спостережень. 1. Вітрове зондування за допомогою повітряних куль-пілотів. Теодоліт, радіопеленгація та радіолокація (радіовітрове зондування) при хмарній погоді. 2. Температурне зондування 2 рази на добу випуском повітряних куль-зондів з автоматичними приладами для вимірювання температури, тиску та вологості. Після 1930 р. поширився метод радіозондування П.А. Молчанова до висоти 55 км. 3. Запуски метеорологічних (М-100Б) та геофізичних (МР-4) ракет зі станцій меридіонального перетину атмосфери. Метеорологічні супутники. Метод поширення радіохвиль. Моделювання. Моделювання в лабораторії (фітотрон). Модель – це штучна система, що віддзеркалює основі властивості об’єкту вивчення – оригіналу. Вона зображує в зручній формі багаточисельну інформацію про об’єкт вивчення, знаходиться з ним в певній відповідності, дозволяючи замінити його при дослідженні. В залежності від об’єкту дослідження, мети та задач, що вирішуються при цьому, використовуються різноманітні види моделей – макетні (натуральні), фізичні, математичні, функціональні. Статистичний та фізико-математичний аналізи. Результати спостережень підлягають аналізу з метою виявлення тих закономірностей, що існують в атмосферних процесах. Першорядне значення у метеорології має статистичний аналіз великого масиву спостережень, особливо використання усереднень, які відсіюють випадкові деталі явищ і ясно вказують на їхні суттєві особливості. Статистика – це шлях до прогнозу. Особливо велика роль цього методу для кліматології. Кліматологія бере в якості початкового матеріалу результати метеорологічних спостережень. Ці результати співставляються, порівнюються в часі та просторі. Для повної уяви про клімат недостатньо спостережень одночасних або на протязі коротких відтинків часу. Атмосферні процеси настільки швидко змінюються в просторі і часі, що для вивчення сучасного клімату в усіх його особливостях їх треба спостерігати на протязі тривалого, багаторічного періоду. Оскільки в метеорології розглядаються фізичні явища, їх пояснення може бути дано тільки на основі законів фізики. Найбільш прийнятний для цього шлях – фізико-математичний аналіз. На основі загальних законів фізики складаються математичні рівняння, що описують атмосферні процеси. Підставляючи у ці рівняння початкові дані, отримані із спостережень, можна знаходити кількісні закономірності атмосферних процесів і прогнозувати їх подальший рух. В одних розділах метеорології цей метод вживається достатньо широко, в інших – ще недостатньо. Сутність картографічного методу заключається в використанні макетного моделювання, основним інструментом якого є карта, для дослідження та конструювання різного роду територіальних фізичних систем, а також явищ та процесів, що в них відбуваються. Особливо продуктивне використання картографічного методу при вивченні закономірностей просторового розміщення природних об’єктів, а також при аналізі процесів, що в них відбуваються. Карта дає можливість зрозуміти масштабність процесу та розподіл метеорологічних величин у просторі. Карта з фактичними результатами спостережень, що зроблені в один і той же час, називається синоптичною (синоптикус по грец. – оглядаю), тобто карта з оглядом погоди. Карта з результатами статистичної обробки багаторічних спостережень називається кліматологічною. Наприклад, карти середнього розподілу опадів, температур, характеристик снігового покриву, повторюваності гроз тощо. Картографічний метод є практично спеціальним методом географічної науки, в якій карта виступає носієм і зберігачем геопросторової інформації, одержаної в результаті проведених досліджень. Поряд із цим, вона може слугувати початковою основою для багатьох наступних досліджень. Використовуються також картоподібні зображення: картосхеми, картограми, карти ліній зв’язку, картодіаграми тощо. Для підкреслення подібності окремих об’єктів або ділянок території можна скористуватись допомогою ізоліній, що відображають умовний рельєф того чи іншого явища: ізоатм – ліній, що сполучають точки з однаковою величиною випаровування; ізобар – ліній що сполучають точки з однаковою величиною атмосферного тиску; ізогіпс – ліній, що сполучають точки однакових висот. Такі карти ще називають картами статистичної поверхні. Народногосподарське та екологічне значення метеорології та кліматології. 1. Склад сухого повітря біля земної поверхні Атмосфера складається з суміші газів, що називається повітрям, у якому знаходяться в завислому стані рідкі і тверді частинки. Загальна маса останніх незначна в порівнянні з усією масою атмосфери. Атмосферне повітря в земної поверхні, як правило, є вологим. Це значить, що до його складу, разом з іншими газами, входить водяна пара, тобто вода в газоподібному стані (Н2О). Утримання водяної пари в повітрі змінюється в значних межах, на відміну від інших складових частин повітря: у земної поверхні воно коливається між сотими частками відсотка і декількома відсотками. Це пояснюється тим, що при існуючих в атмосфері умовах водяна пара може переходити в рідкий і твердий стан і, навпаки, може надходити в атмосферу наново унаслідок випару з земної поверхні. Повітря без водяної пари називають сухим повітрям. У земної поверхні сухе повітря на 99% перебуває з азоту (78% по об’єму, або 76% по масі) і кисню (21% по об’єму, або 23% по масі). Обидва ці гази входять до складу повітря в земної поверхні у вигляді двохатомних молекул (N2 і О2). 1%, що залишився, припадає майже цілком на аргон (Аг). Усього 0,03% залишається на вуглекислий газ (СО2). Численні інші гази входять до складу повітря в тисячних, мільйонних і ще менших частках відсотка. Це криптон (Кг), ксенон (Хе), неон (Nе), гелій (Не), водень (Н2), озон (Оз), йод (I), радон (Rn), метан (СН4), аміак (NH3), перекис водню (Н2О2), закис азоту (N2О) і ін. Всі перераховані вище гази завжди зберігають газоподібний стан при температурах, що спостерігаються в атмосфері, і тиску не тільки в земної поверхні, але й у високих шарах. Відсотковий склад сухого повітря в земної поверхні дуже постійний і практично однаковий усюди. Істотно змінюватися може тільки утримання вуглекислого газу. У результаті процесів дихання і горіння його об’ємне утримання в повітрі закритих, що погано вентилюються, помешкань, а також промислових центрів може зростати в декілька разів – до 0,1-0,2%. У зв’язку з цим, звичайно, зменшується, але дуже незначно, відсотковий вміст азоту і кисню. Цілком незначно змінюється відсотковий вміст азоту і кисню під впливом місцевих і тимчасових змін утримання в повітрі аміаку, йоду, радону й інших газів, що потрапляють в атмосферу з поверхні ґрунту або води. 2. Водяна пара в повітрі 1. Відсотковий вміст водяної пари у вологому повітрі в земної поверхні складає в середньому від 0,2% у полярних широтах до 2,5% в екватора, а в окремих випадках коливається майже від нуля до 4%. У зв’язку з цим стає перемінним і відсоткове співвідношення інших газів у вологому повітрі. Чим більше в повітрі водяної пари, тим менша частина її об’єму доводиться на постійні гази при тих же тиску і температурі. Водяна пара безупинно надходить в атмосферу шляхом випари з водних поверхонь і вологого ґрунту, а також у результаті транспірації рослинами, при цьому в різних місцях і в різний час він надходить у різних кількостях. Від земної поверхні водяна пара поширюється нагору, а повітряними плинами переноситься з одних місць Землі в інші.
У атмосфері може виникати стан насичення. У такому стані водяна пара міститься в повітрі в кількості, гранично можливій при даній температурі. Водяну пара при цьому називають як ту, що насичує, а повітря, що містить його, насиченим. Стан насичення звичайно досягається при зниженні температури повітря. Коли цей стан досягнутий, те при подальшому зниженні температури частина водяної пари стає надлишковою і конденсується, переходить у рідкий або твердий стан. У повітрі виникають водяні краплі і крижані кристали хмар і туманів. Хмари можуть знову випаровуватися; в інших випадках краплі і кристали хмар, збільшуючись, можуть випадати на земну поверхню у виді опадів. Внаслідок усього цього утримання водяної пари в кожній ділянці атмосфери безупинно змінюється. 2. З водяною парою в повітрі і з її переходами з газоподібного стану в рідке і тверде зв’язані найважливіші процеси погоди й особливості клімату. Наявність водяної пари в атмосфері істотно позначається на теплових умовах атмосфери і земної поверхні. Водяна пара сильно поглинає довгохвильову інфрачервону радіацію, що випромінює земна поверхня. У свою чергу і сама вона випромінює інфрачервону радіацію, велика частина якої йде до земної поверхні. Це зменшує нічне охолодження земної поверхні і тим самим також нижніх шарів повітря. На випар води з земної поверхні затрачаються великі кількості тепла, а при конденсації водяної пари в атмосфері це тепло передається в повітря. Хмари, що виникають у результаті конденсації, відбивають і поглинають сонячну радіацію на її шляху до земної поверхні. Опади, що випадають із хмар, є найважливішим елементом погоди і клімату. Нарешті, наявність водяної пари в атмосфері має важливе значення для фізіологічних процесів, які відбуваються як у живій природі взагалі, так і у окремо взятій живій істоті чи рослині. 3. Тиск водяної пари і відносна вологість Утримання водяної пари в повітрі називають вологістю повітря. Основні характеристики вологості – це парціальний тиск водяної пари (тиск водяної пари) і відносна вологість. Водяна пара, як усякий газ, має пружність (тиск). Тиск водяної пари е пропорційно його щільності (масі в одиниця об’єму) і його абсолютній температурі. Він виражається в тих же одиницях, що і тиск повітря і всіх його складових частин, тобто в гектопаскалях (мілібарах). В даний час у науковій літературі обов’язковим є вжиток Міжнародної системи одиниць (СІ – система інтернаціональна), у котрій основною одиницею тиску служить паскаль (1 Па = 1 Н/м2; 1 гПа=102 Па). Тиск водяної пари в стані насичення називають тиском насиченої водяної пари. Це максимальний тиск водяної пари, можливий при даній температурі. Наприклад, при температурі 0°С тиск насиченої пари дорівнює 6,1 гПа. Якщо повітря містить водяної пари менше, ніж потрібно для насичення його при даній температурі, можна визначити, наскільки повітря близьке до стану насичення. Для цього обчислюють відносну вологість. Так називають відношення фактичного тиску е водяної пари, що знаходиться в повітрі, до тиску насиченої пари Е при температурі повітря: Наприклад, при температурі 20 °С тиск насиченої пари дорівнює 23,4 гПа. Якщо при цьому фактичний тиск водяної пари в повітрі буде 11,7 гПа, то відносна вологість повітря дорівнює (11,7:23,4) х100=50%. Тиск водяної пари в земної поверхні змінюється від сотих часток гектопаскаля (при дуже низьких температурах взимку в Антарктиді і Якутії) до 35 гПа і більш (у екватора). Чим тепліше повітря, тим більше водяної пари він може містити в стані насичення і, відповідно, тим більше може бути в ньому тиск водяної пари. Відносна вологість повітря може приймати всі значення, від нуля, у випадку сухого повітря (е=0), до 100% для стану насичення (е = Е). 4. Зміна складу повітря з висотою 1. Відсотковий уміст складових частин сухого повітря в нижніх ста кілометрах із висотою майже не змінюється. Повітря, що знаходиться в постійному русі, добре перемішується по вертикалі, і атмосферні гази не розшаровуються по щільності, як це було б в умовах спокійної атмосфери (де частка більш легких газів повинна була б зростати з висотою).
Приблизно до висоти 100-200 км переважним газом атмосфери все-таки залишається азот. Однак вище 100 км таке розшарування газів по щільності починається і поступово збільшується з висотою.
Вище починає переважати кисень, причому кисень в атомарному стані: під дією ультрафіолетової радіації Сонця його двохатомні молекули розпадаються на заряджені атоми. Вище 1000 км атмосфера складається, головним чином, із гелію і водню, причому гелій – також в атомарному стані, тобто у вигляді заряджених атомів, – переважає. Починаючи з 2400 км, в атмосфері зустрічається, в основному, водень, що полишає атмосферу Землі і дисипує в космічний простір по причині настільки малої питомої ваги, що земне тяжіння не здатне його втримати в атмосфері. 2. Відсотковий вміст водяної пари в повітрі змінюється з висотою. Водяна пара постійно надходить в атмосферу знизу, а розповсюджуючись нагору, конденсується, згущається. Тому тиск і щільність водяної пари убувають із висотою швидше, ніж тиск і щільність інших газів повітря. Загальна щільність повітря стає вдвічі менше, ніж у земної поверхні, на висоті 5-6 км, а щільність водяної пари в середньому убуває удвічі вже на висоті 1,5-2 км. На висоті 5-6 км тиск водяної пари і, отже, його утримання в повітрі в 10 разів менше, ніж у земної поверхні, а на висоті 10-12 км в сто разів менше. Таким чином, вище 10-15 км утримання водяної пари в повітрі мізерно мале і хмари, від яких можна чекати опадів, тут не утворюються. 5. Розподіл озону в атмосфері Зміна з висотою утримання озону в повітрі особливо цікаво. У земної поверхні озон міститься в незначних кількостях. З висотою утримання його зростає, причому не тільки у відсотковому відношенні, але і по абсолютних значеннях. Максимальне утримання озону спостерігається на висотах 25-30 км; вище воно убуває і на висотах біля 70 км сходить нанівець. Процес утворення озону з кисню відбувається в шарах від 70 до 15 км при поглинанні киснем ультрафіолетової сонячної радіації. Частина двохатомних молекул кисню розкладається на атоми, а атоми приєднуються до збережених молекул, створюючи трьохатомні молекули озону. Одночасно відбувається зворотний процес перетворення озону в кисень. У шари нижче 15 км озон заноситься із шарів , що лежать вище, при перемішуванні повітря. Зростання утримання озону з висотою практично не позначається на частці азоту і кисню, тому що в порівнянні з ними озону й у верхніх шарах дуже мало. Якби можна було зосередити весь атмосферний озон під нормальним тиском, він утворив би шар тільки біля 3 мм товщиною (приведена товщина озону). Але й у такій незначній кількості озон важливий тому, що, сильно поглинаючи сонячну радіацію, він підвищує температуру тих шарів атмосфери, у яких він знаходиться. Ультрафіолетову радіацію Сонця з довжинами хвиль від 0,15 до 0,29 мкм (один мікрометр – мільйонна частка метра) він поглинає повністю. Ця радіація робить фізіологічно шкідливу дію, і озон, поглинаючи її, охороняє від неї живі організми на земній поверхні. 6. Рідкі і тверді домішки в атмосферному повітрі 1. Крім перерахованих вище атмосферних газів, у повітря місцями можуть проникати інші гази, особливо з’єднання, що виникають при згорянні палива (окисли сірки, вуглецю, фосфору й ін.). Найбільша кількість таких домішок надходить у повітря великих міст і промислових районів. До складу атмосфери входять також тверді і рідкі частки, завислі в атмосферному повітрі: водяні краплі і кристали, що виникають в атмосфері при конденсації водяної пари, пил ґрунтового й органічного походження, тверді частки диму, сажа, попіл і краплі кислот, що потрапляють у повітря при лісових пожежах, спалюванні палива і вулканічних виверженнях, частки морської солі, що потрапляють у повітря при розбризкуванні морської води під час хвилювання (звичайно в силу своєї гігроскопічності це не тверді частки, а дрібні краплі насиченого розчину солі у воді), мікроорганізми (бактерії), пилок, спори, нарешті, космічний пил, що потрапляє в атмосферу (біля 1 млн. т у рік) із міжпланетного простору, а також виникає при згорянні метеорів в атмосфері. Особливе місце серед атмосферних домішок займають продукти штучного радіоактивного розпаду, що заражають повітря при іспитових вибухах атомних і термоядерних бомб. Невелику частину перерахованих домішок складає великі частки пилу, радіусом більш 5 мкм. Майже 95% часток має радіуси менше 5 мкм. Внаслідок такої малості вони можуть тривалий час утримуватися в атмосфері в завислому стані. Видаляться з атмосфери вони головним чином при випаданні опадів, приєднуючись до крапель і сніжинок. Є ряд методів і приладів для визначення їхнього утримання в повітрі. 2. Всі ці домішки, або аерозолі, у найбільшій кількості містяться в самих нижніх шарах атмосфери: адже основне їхнє джерело – земна поверхня. Особливо забруднений ними повітря великих міст. Не говорячи про шкідливі газові домішки (SO2, СО і ін.), на кожний кубічний сантиметр повітря тут доводяться десятки тисяч аерозольних часток, а за рік на кожний квадратний кілометр випадають з атмосфери сотні тонн аерозолів. У сільських місцевостях кількість часток аерозольних домішок у приземному повітрі обчислюється тільки тисячами в кубічному сантиметрі, а над океанами – тільки сотнями. З висотою число завислих часток швидко убуває; на висотах 5-10 км їх усього десятки на кубічний сантиметр. У загальному в атмосферному стовпі над кожним квадратним сантиметром земної поверхні міститься 108-109 аерозольних часток. Загальна їхня маса в атмосфері не менше 108 т. Це величезна маса, але вона мала в порівнянні з усією масою атмосфери, що, як ми побачимо далі, визначається в 5 х1015 т. Бактерії в центральних частинах океанів зустрічаються в кількості декількох одиниць на кубічний метр повітря; у великих містах їх уже тисяча і десятки тисяч у тому ж об’ємі. Від кількості і роду аерозольних домішок залежать явища поглинання і розсіювання радіації в атмосфері, тобто її велика або менша прозорість для радіації. Наявність завислих часток створює в атмосфері також ряд оптичних явищ, властивих колоїдним розчинам. Найбільші великі аерозольні частки, що мають гігроскопічні властивості, грають в атмосфері роль ядер конденсації, тобто центрів, до яких приєднуються молекули водяної пари, створюючи водяні краплі. 3. Аерозольні домішки можуть легко переноситися повітряними течіями на великі відстані. Піщаний пил, що потрапляє в повітря над пустелями Африки і Передньої Азії, неодноразово випадав у великих кількостях на території Південної і Середньої Європи. Дим лісових пожеж у Канаді переносився сильними повітряними течіями на висотах 8-13 км через Атлантику до берегів Європи, ще зберігаючи достатню концентрацію. Дим і попіл великих вулканічних вивержень неодноразово поширювалися у високих шарах атмосфери на величезні відстані, закутуючи всю земну кулю. Помутніння повітря й аномально червоний колір зорі спостерігалися протягом багатьох місяців після виверження. Після падіння Тунгуського метеорита в 1908 р. також спостерігалося помутніння повітря на великих відстанях. Радіоактивні продукти, що потрапляють в атмосферу при термоядерних вибухах, поширюються у високих шарах атмосфери над величезними просторами земної кулі. 7. Серпанок, хмари, тумани Краплі і кристали, на відміну від порошин, виникають у самій атмосфері при конденсації водяної пари і можуть зникати, не випадаючи, унаслідок випару. Якщо вони дуже розріджені й дрібні, то виявляються по деякому помутнінню повітря синюватого або сіруватого кольору – серпанку. Більш щільні їхні скупчення – хмари і тумани. Краплі хмар звичайно дуже дрібні – діаметром від одиниць до десятків мікрометрів (тобто від тисячних до сотих часток міліметра). У кожному кубічному сантиметрі хмарного повітря міститься декілька десятків або сотень крапель. Це значить, що на один кубічний метр хмарного повітря доводиться усього декілька грамів або навіть часток грама рідкої води. Кристали в хмарах також у більшості дуже дрібні. Тому хмари можуть довгостроково утримуватися в атмосфері в завислому стані внаслідок опору повітря і його висхідних рухів. Але в хмарах може відбуватися й укрупнення хмарних елементів; досягнувши визначених розмірів, вони починають випадати з хмар у виді опадів – крапель дощу, кристалів снігу й ін. Хмари спостерігаються на різних висотах у межах нижніх 10-15 км, причому з висотою водність хмар (тобто утримання в них рідкої води на одиницю об’єму) у середньому убуває. Зрідка спостерігаються особливі, дуже легкі хмари на висотах біля 22-27 км (перламутрові) і біля 82-85 км (сріблясті, або мезосферні). Нерідко хмароподібні скупчення крапель і кристалів починаються від самої земної поверхні; у цих випадках вони називаються туманами. 8. Іони в атмосфері 1. Частина молекул атмосферних газів і часток атмосферного аерозолю – крапель, порошин, кристалів – несе електричні заряди. Ці заряджені частинки називаються іонами. Молекули повітря заряджаються унаслідок втрати електрона або приєднання вільного електрона. До зарядженої молекули приєднуються інші молекули, у яких відбувається шляхом індукції поділ зарядів. Так виникає електрично заряджений комплекс молекул, називаний легким іоном. Заряджені молекули можуть також приєднуватися до ядер конденсації або порошинам, завислим у повітрі, унаслідок чого виникають дуже великі важкі іони з масами, в тисячу разом більшими, ніж у легких іонів. Утримання легких іонів у земної поверхні – декілька сотень на один кубічний сантиметр, важких – від декількох сотень до десятків тисяч на один кубічний метр. Краплі і кристали хмар і опадів, виникаючи на іонах як на ядрах конденсації, приєднуючи їх надалі, а також одержуючи електричні заряди іншими способами, також можуть стати носіями електричних зарядів. У більшості випадків вони і є такими. Заряди крапель і кристалів набагато більше, ніж заряди іонів: вони можуть досягати багатьох мільйонів елементарних зарядів (зарядів електрона). 2. З висотою утримання іонів збільшується, особливо в шарах вище 80-100 км. Іони є тут в основному зарядженими атомами кисню, гелію і водню. Крім того, значна частина іонів у високих шарах являє собою вільні електрони. Утримання іонів тут вимірюється сотнями і мільйонами на один кубічний сантиметр повітря. Так само як і незаряджені частки, іони в атмосфері постійно переміщаються. Саме завдяки цьому атмосфера має електропровідність, у нижніх шарах малу, у високих – значну. 9. Електричне поле атмосфери I. У атмосфері завжди існують рухливі електричні заряди, зв’язані з іонами, а також з елементами хмар і опадів. Заряди ці обох знаків, причому переважають позитивні, так що сумарний заряд атмосфери – позитивний. При цьому з висотою він зростає. Сама земна поверхня також має електричний заряд, причому у сумі негативний (порядку – 6х105 кулонів). У результаті атмосфера володіє електростатичним полем, у кожній точці якого є те або інше значення потенціалу. Це значить, що електричний заряд, поміщений у будь-якій точці атмосфери, буде випробувати силу, що діє на нього в напрямку, нормальному до поверхні рівного потенціалу, що проходить через цю точку. Цю силу на одиницю позитивного електричного заряду називають напруженістю атмосферного електричного поля. Вона спрямована у відсутності хмар зверху вниз і вимірюється зміною потенціалу поля на одиницю відстані, тобто у вольтах на метр (В/м). У приземному шарі атмосфери напруженість поля в середньому для всієї земної кулі біля 100 В/м. У промислових районах із сильно забрудненим повітрям вона значно більше. З висотою напруженість поля зменшується: на висоті 10 км вона усього біля 5 В/м. Вище 20 км напруженість поля дуже мала; провідність повітря в цих шарах достатня для вирівнювання різниць потенціалу. Напруженість електричного поля атмосфери випробує зміни в добовому і річному ході, а також дуже великі збурення, зв’язані з розвитком хмар, особливо купчасто-дощових (грозових). 2. У загальному перенос електрики (струм провідності) повинний відбуватися від позитивно зарядженої атмосфери до негативно зарядженої земної поверхні. Незважаючи на це, негативний заряд земної поверхні з часом не убуває. Причина перебуває, мабуть, у грозах. У грозових хмарах відбувається сильна електризація хмарних елементів і поділ позитивних і негативних зарядів по окремих частинах хмари. Внаслідок цього в хмарах, а також між хмарами і землею виникають величезні різниці потенціалів, при яких напруженість поля доходить до десятків тисяч вольт на метр. При цьому в атмосфері виникають не тільки позитивні, але і негативні заряди, що індукують позитивний заряд на земній поверхні. Напруженість поля між хмарою і землею може навіть змінити свій напрямок, тобто одержати напрямок нагору. У зв’язку з зазначеними величезними різницями потенціалів в атмосфері виникають іскрові електричні розряди, блискавки, як у хмарах, так і між хмарами і землею. При напруженості поля, спрямованої нагору, блискавки можуть переносити до земної поверхні дуже великі негативні заряди, що і компенсують втрату негативного заряду земною поверхнею в спокійну погоду. Смертельним для людини може виявитися струм, що перевищує 60-100 міліампер, якщо він пройде через серце або мозок. Тому небезпечно безпосереднє влучення блискавки в людину. Але якщо блискавка вдарить не безпосередньо в людину, а недалеко від нього, усе рівно виникає небезпека. Поблизу місця удару блискавки напруга між точками, що відстоять на відстані 1 метра, може досягати сотень і навіть тисяч вольт – так називана крокова напруга. Чому крокова? Розставте ноги на один крок, і між підошвами може виникнути ця напруга. Струм, що потече через людину, залежить і від цієї напруги і від опору шкіри ніг і підметок взуття. У цілому гумовому взутті крокова напруга навіть у тисячі вольт безпечна. А для босого, так ще з мокрими ногами і 20 вольт крокової напруги можуть виявитися смертельними. Нарешті, неприємне відчуття в людини, що виявилася поблизу точки удару блискавки, можуть викликати струми індукованих зарядів, що течуть по ньому після удару блискавки. Лінійні блискавки і проливний дощ не єдині прикрості, що несе людині гроза. З грозою зв’язана і поява кульових блискавок – куль діаметром 10-20 сантиметрів, що світяться, плавають у повітрі і іноді вибухають, що може мати небезпечні наслідки. Основні правила поводження під час грози. І. Вдома 1. Намагайтеся під час грози знаходитися в помешканні з закритими вікнами, дверима і димоходом, а також із блискавковідводом. 2. Якщо ваш будинок знаходиться в сільській місцевості, заземліть антену приймача, а розмови по телефону відкладіть до закінчення грози. ІІ. Поза домом 3. Якщо ви виявилися у води, не купайтеся. Блискавка, що впала у воду навіть у десятках метрах від вас, може виявитись для вас занадто близькою. 4. Не ховайтеся від блискавки поблизу самотньо стоячих дерев і кущів. До речі, нем