Ветер толкает тебя
Что это показывает?
Что у воздуха есть масса. То, у чего нет массы, не смогло бы ни толкнуть тебя, ни сорвать крышу.
Что нужно принести
- Раздел 2 программы
Короткое напоминание: смесь имеет переменный состав, и её компоненты сохраняют свои свойства; у вещества состав постоянный. Применим это различие к воздуху, а потом посмотрим, что происходит с воздухом по мере подъёма.
Объяснение
Читать объяснение
Что мы видим
Воздух не видно, у него нет запаха, и мы его почти не ощущаем. Легко подумать, что там, наверху, ничего нет. Но три повседневных наблюдения говорят об обратном.
В горах трудно дышать
Что это показывает?
Что воздуха не одинаково много на любой высоте. Наверху его меньше.
Падающие звёзды сгорают
Что это показывает?
Что на высоте 80 км ещё есть воздух — достаточно, чтобы камень затормозил и раскалился.
Атмосфера — это газовая оболочка, которая окружает Землю и удерживается у планеты силой тяжести. Последнее важно: газы не улетают, потому что Земля их притягивает, как и любое другое тело, у которого есть масса.
Из чего она состоит
| Газ | Объёмная доля | Что полезно знать |
|---|---|---|
| Азот ($\mathrm{N_2}$) | $78{,}08\ \%$ | Это почти четыре пятых воздуха, и он почти ни с чем не реагирует. |
| Кислород ($\mathrm{O_2}$) | $20{,}95\ \%$ | Тот, которым ты дышишь, и тот, без которого ничто не горит. |
| Аргон ($\mathrm{Ar}$) | $0{,}934\ \%$ | Благородный газ: он есть, но ни в чём не участвует. |
| Углекислый газ ($\mathrm{CO_2}$) | $0{,}04\ \%$ | Крошечная доля — и всё же она определяет температуру планеты. Почему так, разбираем в модуле C. |
| Водяной пар ($\mathrm{H_2O}$) | переменная | От почти нуля в холодной пустыне до примерно 4 % во влажный летний день. |
Обрати внимание на две вещи в этой таблице.
- Воздух — это смесь, а не вещество: доли меняются в зависимости от места и высоты, и каждый газ сохраняет свои свойства. Кроме того, это однородная смесь, потому что её компоненты не различить даже под микроскопом.
- Доля $\mathrm{CO_2}$ — $0{,}04\ \%$. Это ничтожное количество по сравнению с азотом, и всё же если сдвинуть это число на несколько сотых, климат планеты изменится. Запомни эту странность: мы разберём её на уроке 8.
Почти весь воздух — здесь, внизу
Атмосфера простирается на тысячи километров, но распределена неравномерно. 75 % её массы приходится на первые $11\ \mathrm{km}$ — это меньше одной тысячной её полной высоты.
Причина — сила тяжести. Верхние слои воздуха давят на нижние и сжимают их, поэтому плотность максимальна на уровне моря и уменьшается с высотой. Чёткой границы нет: атмосфера становится всё более разреженной, пока не сливается с космосом.
Подсказка: если бы планета была размером с футбольный мяч, слой, в котором происходит вся погода, был бы тоньше оболочки мяча.
Пять слоёв
Если бы ты поднимался на воздушном шаре и измерял температуру, ты увидел бы, что она понижается не всё время. Она падает, потом растёт, потом снова падает и потом снова растёт. Именно эти смены направления и разделяют слои.
Слой за слоем
Тропосфера
0–12 кмЧто происходит с температурой
Понижается на $6{,}5\ \mathrm{^\circ C}$ на каждый километр подъёма. Поэтому на вершине горы лежит снег, а у подножия — нет.
Почему это важно
Здесь сосредоточена почти вся масса воздуха и здесь формируется погода: облака, дождь, ветер и грозы.
Стратосфера
12–50 кмЧто происходит с температурой
Всё наоборот: вместо того чтобы понижаться, температура растёт.
Почему
Потому что здесь находится озоновый слой, который поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца. Поглощённая энергия нагревает верхние слои воздуха сильнее, чем нижние. Этот же слой — щит, который защищает живое от этого излучения.
Мезосфера
50–80 кмЧто происходит с температурой
Снова понижается, примерно до $-80\ \mathrm{^\circ C}$: это самая холодная зона всей атмосферы.
Почему это важно
Здесь разрушаются метеороиды. Падающие звёзды, которые ты видишь, — это камни, тормозящие об этот воздух.
Термосфера
80–700 кмЧто происходит с температурой
Очень сильно растёт, потому что немногие оставшиеся частицы поглощают самое высокоэнергетическое излучение Солнца.
Почему это важно
Здесь возникают полярные сияния, и здесь же вращается по орбите Международная космическая станция.
Экзосфера
700–10 000 кмЧто происходит
Газа остаётся так мало, что частицы почти не сталкиваются друг с другом. Некоторые улетают в космос.
Почему это важно
Это размытая граница между атмосферой и космосом. Линии нет — есть переход.
Ловушка с термосферой
В термосфере температура может превышать $1000\ \mathrm{^\circ C}$, и всё же там ты бы не обжёгся, а замёрз.
Подумай, прежде чем открыть: как может быть 1000 °C — и при этом не обжечь?
Посмотреть ответ, чтобы сравнить со своим
Потому что температура показывает, насколько быстро движутся частицы, а теплота, которую они тебе передают, зависит ещё и от того, сколько их. В термосфере немногие оставшиеся частицы движутся очень быстро, поэтому температура очень высокая; но их так мало, что они почти не ударяются о тебя, и передаваемая энергия ничтожна.
Это то же различие между теплотой и температурой, которое ты видел в разделе 2, только доведённое до крайнего случая.
Анимация
Описание анимации
Атмосфера — не что-то единое: она делится на слои, и разделяет их не смена вещества, а изменение поведения температуры.
При подъёме от поверхности температура понижается — примерно на 6,5 градуса на каждый километр. Это тропосфера, она доходит примерно до 12 км, и в ней формируется практически вся погода. Но выше температура начинает расти, и это странно. Это стратосфера, и температура растёт потому, что озон поглощает ультрафиолетовое излучение и нагревается.
Ещё выше, в мезосфере, она снова понижается — примерно до минус 80 градусов: это самая холодная зона всей атмосферы, потому что там почти не осталось ничего, что поглощало бы излучение. А ещё выше, в термосфере, она снова очень сильно растёт, потому что немногие имеющиеся частицы получают самое высокоэнергетическое излучение.
Итак, при подъёме температура четыре раза меняет направление, и на каждом участке объяснение сводится к одному вопросу: кто здесь поглощает излучение.
И последний факт, который обычно удивляет: 75 процентов всей массы атмосферы находится в первых 11 километрах. По сравнению с размером планеты атмосфера очень тонкая.
Источники анимации: NOAA, Layers of the Atmosphere (границы слоёв, градиент в тропосфере и распределение массы). Схема, не в реальном масштабе: все слои нарисованы одинаковой высоты, хотя их настоящая толщина очень различается.
Симуляторы для этого урока
Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.
Листы для скачивания (на испанском)
Пять слоёв атмосферы
Из чего состоит воздух
Задания
1. Подняться на десять километров
В тропосфере температура понижается на $6{,}5\ \mathrm{^\circ C}$ на километр.
- Если на уровне моря $20\ \mathrm{^\circ C}$, какая температура будет на высоте $3\ \mathrm{km}$? А на $10\ \mathrm{km}$ — высоте, на которой летит пассажирский самолёт?
- Запиши расчёт, а не только результат, и указывай единицы на каждом шаге.
- Высота Аконкагуа — $6961\ \mathrm{m}$. Если в Мендосе $28\ \mathrm{^\circ C}$, оцени температуру на вершине. Потом объясни, почему это оценка, а не точные данные: что предполагает твой расчёт такого, что в действительности выполняется не всегда?
2. Упорядочить слои по двум признакам
- Расположи пять слоёв от самого холодного к самому тёплому.
- Расположи пять слоёв от самого низкого к самому высокому.
- Два списка не совпадают. Объясни письменно, почему температура не понижается непрерывно по мере подъёма; назови, что поглощает энергию в стратосфере и что — в термосфере.
3. Смесь, а не вещество
Напиши ответ, разделённый на три части. Доказательствами считаются только данные из таблицы состава в этом уроке.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение — и при верном, и при неверном ответе: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…