Каким образом земля обменивается теплотой с солнцем: Каким образом Земля обменивается теплотой с Солнцем? а)конвекцией б)излучением в)теплопроводностью г)имеет место совместный…

Состав атмосферы земли изменяется с течением времени. Химический состав атмосферы Земли. Состав атмосферы Земли в процентах. Эколого-геологическая роль атмосферных процессов

АТМОСФЕРА
газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие — азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1. На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15-25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы — это также и химическая лаборатория, поскольку там в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
Размеры. Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешние слои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих радиус Земли, считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное пространство. Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоев Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Этот т.н. солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную «полость», внутри которой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, — с противоположной, ночной стороны. Граница магнитного поля Земли называется магнитопаузой. С дневной стороны эта граница проходит на расстоянии около семи земных радиусов от поверхности, но в периоды повышенной солнечной активности оказывается еще ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы, внешняя оболочка которой называется также магнитосферой, так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых обусловлено магнитным полем Земли. Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5*1015 т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2.
Значение для жизни. Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления. Самый нижний, приземный слой атмосферы особенно важен для человека, который обитает в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя оболочка «твердой» Земли называется литосферой. Около 72% поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющими большую часть гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного. Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов, определяющих состояние атмосферы.
Состав. Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов (см. табл.). Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак.

СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы — водород и гелий. Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижних 30 км, то изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.

Энергообмен. Солнце является главным источником энергии, поступающей на Землю. Находясь на расстоянии ок. 150 млн. км от Солнца, Земля получает примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человек называет «светом». Большая часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство. Механизм этого равновесия крайне сложен. Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое пространство. Еще большую часть приходящей радиации отражают облака. Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном — горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижних слоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло пропускает свет внутрь и почва нагревается. Поскольку стекло относительно непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев нижних слоев атмосферы за счет присутствия водяного пара и углекислого газа часто называют парниковым эффектом. Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность.

Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода, находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ — водяной пар, который выносит огромное количество энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде тепла. Около половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы. Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, который прогревается только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы.
См. также МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ . Помимо общего нагревания атмосферы солнечным «светом», значительное прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Строение. По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере увеличения расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Строго говоря, этот барьер непроницаем, так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами, но в данном случае этими факторами можно пренебречь. Поскольку атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только нижняя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая со стороны межпланетного пространства. Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступление вещества из окружающего космического пространства. Большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватывается магнитосферой, либо отталкивается ею. На атмосферу действует также сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью степень сжатия воздуха зависит от массы вышележащего столба воздуха, поэтому с высотой плотность воздуха уменьшается. Давление, равное массе вышележащего столба воздуха, приходящейся на единицу площади, находится в прямой зависимости от плотности и, следовательно, также понижается с высотой. Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, так как изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхности ок. 3% на каждые 100 км высоты. В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно. Как показано на рис. 1, она убывает приблизительно до высоты 10 км, а затем вновь начинает расти. Это происходит при поглощении ультрафиолетовой солнечной радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (О3). Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается. Выше температура вновь понижается, так как там гораздо меньше молекул газа, и соответственно сокращается поглощение энергии. В еще более высоких слоях температура вновь повышается вследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника. Полагают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000° до 10 000° С. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является «горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика. Таким образом, атмосфера состоит из отдельных слоев (т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес. На основании осредненного распределения температур метеорологи разработали схему строения идеальной «средней атмосферы» (см. рис. 1).

Тропосфера — нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках — 18-20 км, в умеренных широтах — ок. 10 км) и времени года. Национальная метеорологическая служба США провела зондирование вблизи Южного полюса и выявила сезонные изменения высоты тропопаузы. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее граница на короткий период в августе или сентябре поднимается приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения — 7,5 км, где и остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км. Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека. Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определенного направления. Турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».
Стратосфера. Вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, где ветры дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха. На основе наблюдений, проведенных с помощью самолетов и шаров-зондов, приспособленных для полетов на постоянной высоте, в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и проявляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты. Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образование озона), оказывает воздействие на процессы в тропосфере. Особенно активное перемешивание связано с атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекался в нижние слои стратосферы. Значительные успехи были достигнуты в изучении вертикальной структуры нижних слоев атмосферы в связи с совершенствованием техники запуска на высоты 25-30 км радиозондов. Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80-85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до -110° С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа. В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока еще недостаточно изучены. Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Вблизи земной поверхности в 1 м3 воздуха содержится ок. 2,5ґ1025 молекул, на высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, — приблизительно 1019, на высоте 200 км, в ионосфере, — 5*10 15 и, по расчетам, на высоте ок. 850 км — примерно 1012 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 10 8-10 9 на 1 м3. На высоте ок. 100 км количество молекул невелико, и они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на 650 км. При определенной температуре скорость движения молекулы зависит от ее массы: более легкие молекулы движутся быстрее тяжелых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме того, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атомарный кислород приобретает все большее значение в составе атмосферы и на высоте ок. 200 км становится ее главным компонентом. Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладают легкие газы — гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы. Такое разделение по весу, называемое диффузным расслоением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги. Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство (рис. 2).

СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫЕ СВЯЗИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА АТМОСФЕРУ
Атмосферные приливы. Притяжение Солнца и Луны вызывает в атмосфере приливы, подобные земным и морским приливам. Но атмосферные приливы имеют существенное отличие: атмосфера сильнее всего реагирует на притяжение Солнца, тогда как земная кора и океан — на притяжение Луны. Это объясняется тем, что атмосфера нагревается Солнцем и в дополнение к гравитационному возникает мощный термальный прилив. В целом механизмы образования атмосферных и морских приливов сходны, за исключением того, что для прогноза реакции воздуха на гравитационные и термические воздействия необходимо учитывать его сжимаемость и распределение температуры. Не до конца понятно, почему полусуточные (12-часовые) солнечные приливы в атмосфере преобладают над суточными солнечными и полусуточными лунными приливами, хотя движущие силы двух последних процессов гораздо мощнее. Раньше считалось, что в атмосфере возникает резонанс, усиливающий именно колебания с 12-часовым периодом. Однако наблюдения, проведенные при помощи геофизических ракет, свидетельствуют об отсутствии температурных причин такого резонанса. При решении этой проблемы, вероятно, следует учитывать все гидродинамические и термические особенности атмосферы. У земной поверхности близ экватора, где влияние приливных колебаний максимально, оно обеспечивает изменение атмосферного давления на 0,1%. Скорость приливных ветров составляет ок. 0,3 км/ч. Благодаря сложной термической структуре атмосферы (особенно наличию минимума температуры в мезопаузе) приливные воздушные течения усиливаются, и, например, на высоте 70 км их скорость примерно в 160 раз выше, чем у земной поверхности, что имеет важные геофизические последствия. Считается, что в нижней части ионосферы (слой Е) приливные колебания перемещают ионизированный газ вертикально в магнитном поле Земли, и следовательно, здесь возникают электрические токи. Эти постоянно возникающие системы токов на поверхности Земли устанавливаются по возмущениям магнитного поля. Суточные вариации магнитного поля достаточно хорошо согласуются с расчетными величинами, что убедительно свидетельствует в пользу теории приливных механизмов «атмосферного динамо». Электрические токи, возникающие в нижней части ионосферы (слой Е), должны куда-то перемещаться, и, следовательно, цепь должна замкнуться. Аналогия с динамо-машиной становится полной, если рассматривать встречное движение как работу двигателя. Предполагается, что обратная циркуляция электрического тока осуществляется в более высоком слое ионосферы (F), и этим встречным потоком могут объясняться некоторые своеобразные черты этого слоя. Наконец, приливный эффект должен порождать также горизонтальные потоки в слое Е и, следовательно, в слое F.
Ионосфера. Пытаясь объяснить механизм возникновения полярных сияний, ученые 19 в. предположили, что в атмосфере существует зона с электрически заряженными частицами. В 20 в. экспериментально были получены убедительные доказательства существования на высотах от 85 до 400 км слоя, отражающего радиоволны. В настоящее время известно, что его электрические свойства являются результатом ионизации атмосферного газа. Поэтому обычно этот слой называют ионосферой. Воздействие на радиоволны происходит главным образом из-за наличия в ионосфере свободных электронов, хотя механизм распространения радиоволн связан с наличием крупных ионов. Последние также представляют интерес при изучении химических свойств атмосферы, поскольку они активнее нейтральных атомов и молекул. Химические реакции, протекающие в ионосфере, играют важную роль в ее энергетическом и электрическом балансе.
Нормальная ионосфера. Наблюдения, проведенные при помощи геофизических ракет и спутников, дали массу новой информации, свидетельствующей, что ионизация атмосферы происходит под воздействием солнечной радиации широкого спектра. Основная ее часть (более 90%) сосредоточена в видимой части спектра. Ультрафиолетовое излучение с меньшей длиной волны и большей энергией, чем у фиолетовых световых лучей, испускается водородом внутренней части атмосферы Солнца (хромосферы), а рентгеновское излучение, обладающее еще более высокой энергией, — газами внешней оболочки Солнца (короны). Нормальное (среднее) состояние ионосферы обусловлено постоянным мощным излучением. Регулярные изменения происходят в нормальной ионосфере под воздействием суточного вращения Земли и сезонных различий угла падения солнечных лучей в полдень, но происходят также непредсказуемые и резкие изменения состояния ионосферы.
Возмущения в ионосфере. Как известно, на Солнце возникают мощные циклически повторяющиеся возмущения, которые достигают максимума каждые 11 лет. Наблюдения по программе Международного геофизического года (МГГ) совпали с периодом наиболее высокой солнечной активности за весь срок систематических метеорологических наблюдений, т.е. с начала 18 в. В периоды высокой активности яркость некоторых областей на Солнце возрастает в несколько раз, и они посылают мощные импульсы ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Такие явления называются вспышками на Солнце. Они продолжаются от нескольких минут до одного-двух часов. Во время вспышки извергается солнечный газ (в основном протоны и электроны), и элементарные частицы устремляются в космическое пространство. Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца в моменты таких вспышек оказывает сильное воздействие на атмосферу Земли. Первоначальная реакция отмечается через 8 мин после вспышки, когда интенсивное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение достигает Земли. В результате резко повышается ионизация; рентгеновские лучи проникают в атмосферу до нижней границы ионосферы; количество электронов в этих слоях возрастает настолько, что радиосигналы почти полностью поглощаются («гаснут»). Дополнительное поглощение радиации вызывает нагрев газа, что способствует развитию ветров. Ионизированный газ является электрическим проводником, и когда он движется в магнитном поле Земли, проявляется эффект динамо-машины и возникает электрический ток. Такие токи могут в свою очередь вызывать заметные возмущения магнитного поля и проявляться в виде магнитных бурь. Эта начальная фаза занимает лишь короткое время, соответствующее продолжительности солнечной вспышки. Во время мощных вспышек на Солнце в космическое пространство устремляется поток ускоренных частиц. Когда он направлен в сторону Земли, наступает вторая фаза, оказывающая большое влияние на состояние атмосферы. Многие природные явления, среди которых наиболее известны полярные сияния, свидетельствуют о том, что значительное количество заряженных частиц достигает Земли (см. также ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ). Тем не менее процессы отрыва этих частиц от Солнца, их траектории в межпланетном пространстве и механизмы взаимодействия с магнитным полем Земли и магнитосферой пока еще недостаточно изучены. Проблема усложнилась после открытия в 1958 Джеймсом Ван Алленом удерживаемых геомагнитным полем оболочек, состоящих из заряженных частиц. Эти частицы перемещаются из одного полушария в другое, вращаясь по спиралям вокруг силовых линий магнитного поля. Вблизи Земли на высоте, зависящей от формы силовых линий и от энергии частиц, располагаются «точки отражения», в которых частицы меняют направление движения на противоположное (рис. 3). Поскольку напряженность магнитного поля уменьшается с удалением от Земли, орбиты, по которым движутся эти частицы, несколько искажаются: электроны отклоняются к востоку, а протоны — к западу. Поэтому они распределяются в виде поясов вокруг земного шара.

Некоторые последствия нагрева атмосферы Солнцем. Солнечная энергия оказывает влияние на всю атмосферу. Выше уже упоминались пояса, образованные заряженными частицами в магнитном поле Земли и вращающиеся вокруг нее. Эти пояса ближе всего подходят к земной поверхности в приполярных районах (см. рис. 3), где наблюдаются полярные сияния. На рисунке 1 показано, что в районах проявления полярных сияний в Канаде температуры термосферы значительно выше, чем на Юго-Западе США. Вероятно, захваченные частицы отдают часть своей энергии в атмосферу, особенно при столкновении с молекулами газа вблизи точек отражения, и сходят со своих прежних орбит. Так происходит нагрев высоких слоев атмосферы в зоне полярных сияний. Еще одно важное открытие было сделано при изучении орбит искусственных спутников. Луиджи Яккиа, астроном из Смитсоновской астрофизической обсерватории, полагает, что небольшие отклонения этих орбит обусловлены изменениями плотности атмосферы при ее нагреве Солнцем. Он предположил существование на высоте более 200 км в ионосфере максимума концентрации электронов, который не соответствует солнечному полудню, а под воздействием силы трения запаздывает по отношению к нему примерно на два часа. В это время значения плотности атмосферы, обычные для высоты 600 км, наблюдаются на уровне ок. 950 км. Кроме того, максимум концентрации электронов испытывает нерегулярные колебания вследствие кратковременных вспышек ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Л.Яккиа обнаружил также кратковременные колебания плотности воздуха, соответствующие вспышкам на Солнце и возмущениям магнитного поля. Эти явления объясняются вторжением частиц солнечного происхождения в атмосферу Земли и нагревом тех ее слоев, где проходят орбиты спутников.
АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
В приземном слое атмосферы небольшая часть молекул подвергается ионизации под воздействием космических лучей, излучения радиоактивных горных пород и продуктов распада радия (в основном радона) в самом воздухе. В процессе ионизации атом теряет электрон и приобретает положительный заряд. Свободный электрон быстро соединяется с другим атомом, образуя отрицательно заряженный ион. Такие парные положительные и отрицательные ионы имеют молекулярные размеры. Молекулы в атмосфере стремятся группироваться вокруг этих ионов. Несколько молекул, объединившихся с ионом, образуют комплекс, называемый обычно «легким ионом». В атмосфере присутствуют также комплексы молекул, известные в метеорологии под названием ядер конденсации, вокруг которых при насыщении воздуха влагой начинается процесс конденсации. Эти ядра представляют собой частички соли и пыли, а также загрязняющих веществ, поступающих в воздух от промышленных и других источников. Легкие ионы часто присоединяются к таким ядрам, образуя «тяжелые ионы». Под воздействием электрического поля легкие и тяжелые ионы перемещаются из одних областей атмосферы в другие, перенося электрические заряды. Хотя обычно атмосфера не считается электропроводной средой, она все же обладает небольшой проводимостью. Поэтому оставленное на воздухе заряженное тело медленно утрачивает свой заряд. Проводимость атмосферы возрастает с высотой из-за увеличения интенсивности космического излучения, уменьшения потерь ионов в условиях более низкого давления (и, следовательно, при большем среднем свободном пробеге), а также из-за меньшего количества тяжелых ядер. Проводимость атмосферы достигает максимальной величины на высоте ок. 50 км, т.н. «уровне компенсации». Известно, что между поверхностью Земли и «уровнем компенсации» постоянно существует разность потенциалов в несколько сотен киловольт, т.е. постоянное электрическое поле. Выяснилось, что разность потенциалов между некоторой точкой, находящейся в воздухе на высоте нескольких метров, и поверхностью Земли очень велика — более 100 В. Атмосфера имеет положительный заряд, а земная поверхность заряжена отрицательно. Поскольку электрическое поле — область, в каждой точке которой имеется некоторое значение потенциала, можно говорить о градиенте потенциала. В ясную погоду в пределах нижних нескольких метров напряженность электрического поля атмосферы почти постоянна. Из-за различий электропроводности воздуха в приземном слое градиент потенциала подвержен суточным колебаниям, ход которых существенно меняется от места к месту. При отсутствии локальных источников загрязнения воздуха — над океанами, высоко в горах или в полярных районах — суточный ход градиента потенциала в ясную погоду одинаков. Величина градиента зависит от всемирного, или среднего гринвичского, времени (UТ) и достигает максимума в 19 ч. Э. Эплтон предположил, что этот максимум электропроводности, вероятно, совпадает с наибольшей грозовой активностью в планетарном масштабе. Разряды молний во время гроз переносят отрицательный заряд к поверхности Земли, поскольку основания наиболее активных кучево-дождевых грозовых облаков обладают значительным отрицательным зарядом. Верхние части грозовых облаков обладают положительным зарядом, который, по расчетам Хольцера и Саксона, во время гроз стекает с их вершин. Без постоянного пополнения заряд земной поверхности был бы нейтрализован за счет проводимости атмосферы. Предположение о том, что разность потенциалов между земной поверхностью и «уровнем компенсации» поддерживается благодаря грозам, подкрепляется статистическими данными. Например, максимальное число гроз отмечается в долине р. Амазонки. Чаще всего грозы бывают там в конце дня, т.е. ок. 19 ч среднего гринвичского времени, когда градиент потенциала максимален в любой точке земного шара. Более того, сезонные вариации формы кривых суточного хода градиента потенциала тоже находятся в полном соответствии с данными о глобальном распределении гроз. Некоторые исследователи утверждают, что источник электрического поля Земли, возможно, имеет внешнее происхождение, поскольку электрические поля, как полагают, существуют в ионосфере и магнитосфере. Этим обстоятельством, вероятно, объясняется возникновение очень узких удлиненных форм полярных сияний, похожих на кулисы и арки
(см. также ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ). Благодаря наличию градиента потенциала и проводимости атмосферы между «уровнем компенсации» и поверхностью Земли начинают двигаться заряженные частицы: положительно заряженные ионы — по направлению к земной поверхности, а отрицательно заряженные — вверх от нее. Сила этого тока составляет ок. 1800 А. Хотя эта величина кажется большой, необходимо помнить, что она распределяется по всей поверхности Земли. Сила тока в столбе воздуха с площадью основания 1 м2 составляет лишь 4*10 -12 А. С другой стороны, сила тока при разряде молнии может достигать нескольких ампер, хотя, конечно, такой разряд имеет малую продолжительность — от долей секунды до целой секунды или немного больше при повторных разрядах. Молния представляет большой интерес не только как своеобразное явление природы. Она дает возможность наблюдать электрический разряд в газовой среде при напряжении в несколько сотен миллионов вольт и расстоянии между электродами в несколько километров. В 1750 Б. Франклин предложил Лондонскому королевскому обществу поставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующем основании и установленной на высокой башне. Он ожидал, что при приближении грозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штанги сосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем — заряд того же знака, что у основания облака. Если напряженность электрического поля при разряде молнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги будет частично стекать в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что и основание облака. Предложенный Франклином эксперимент не был осуществлен в Англии, однако его поставил в 1752 в Марли под Парижем французский физик Жан д»Аламбер. Он использовал вставленную в стеклянную бутылку (служившую изолятором) железную штангу длиной 12 м, но не помещал ее на башню. 10 мая его ассистент сообщил, что, когда грозовое облако находилось над штангой, при поднесении к ней заземленной проволоки возникали искры. Сам Франклин, не зная об успешном опыте, реализованном во Франции, в июне того же года провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем и наблюдал электрические искры на конце привязанной к нему проволоки. На следующий год, изучая заряды, собранные со штанги, Франклин установил, что основания грозовых облаков обычно заряжены отрицательно. Более детальные исследования молний стали возможны в конце 19 в. благодаря совершенствованию методов фотографии, особенно после изобретения аппарата с вращающимися линзами, что позволило фиксировать быстро развивающиеся процессы. Такой фотоаппарат широко использовался при изучении искровых разрядов. Было установлено, что существует несколько типов молний, причем наиболее распространены линейные, плоские (внутриоблачные) и шаровые (воздушные разряды). Линейные молнии представляют собой искровой разряд между облаком и земной поверхностью, следующий по каналу с направленными вниз ответвлениями. Плоские молнии возникают внутри грозового облака и выглядят как вспышки рассеянного света. Воздушные разряды шаровых молний, начинающиеся от грозового облака, часто направлены горизонтально и не достигают земной поверхности.

Разряд молнии обычно состоит из трех или более повторных разрядов — импульсов, следующих по одному и тому же пути. Интервалы между последовательными импульсами очень коротки, от 1/100 до 1/10 с (этим обусловлено мерцание молнии). В целом вспышка длится около секунды или меньше. Типичный процесс развития молнии можно описать следующим образом. Сначала сверху к земной поверхности устремляется слабо светящийся разряд-лидер. Когда он ее достигнет, ярко светящийся обратный, или главный, разряд проходит от земли вверх по каналу, проложенному лидером. Разряд-лидер, как правило, движется зигзагообразно. Скорость его распространения колеблется от ста до нескольких сотен километров в секунду. На своем пути он ионизирует молекулы воздуха, создавая канал с повышенной проводимостью, по которому обратный разряд движется вверх со скоростью приблизительно в сто раз большей, чем у разряда-лидера. Размер канала определить трудно, однако диаметр разряда-лидера оценивается в 1-10 м, а обратного разряда — в несколько сантиметров. Разряды молнии создают радиопомехи, испуская радиоволны в широком диапазоне — от 30 кГц до сверхнизких частот. Наибольшее излучение радиоволн находится, вероятно, в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи «сосредоточены» в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.
ИЗМЕНЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
Воздействие метеоров и метеоритов. Хотя иногда метеорные дожди производят глубокое впечатление своими световыми эффектами, отдельные метеоры видны довольно редко. Гораздо многочисленнее невидимые метеоры, слишком малые, чтобы быть различимыми в момент их поглощения атмосферой. Некоторые из мельчайших метеоров, вероятно, совершенно не нагреваются, а лишь захватываются атмосферой. Эти мелкие частицы с размерами от нескольких миллиметров до десятитысячных долей миллиметра называются микрометеоритами. Количество ежесуточно поступающего в атмосферу метеорного вещества составляет от 100 до 10 000 т, причем большая часть этого вещества приходится на микрометеориты. Поскольку метеорное вещество частично сгорает в атмосфере, ее газовый состав пополняется следами различных химических элементов. Например, каменные метеоры привносят в атмосферу литий. Сгорание металлических метеоров приводит к образованию мельчайших сферических железных, железоникелевых и других капелек, которые проходят сквозь атмосферу и осаждаются на земной поверхности. Их можно обнаружить в Гренландии и Антарктиде, где почти без изменений годами сохраняются ледниковые покровы. Океанологи находят их в донных океанических отложениях. Большая часть метеорных частиц, поступивших в атмосферу, осаждается примерно в течение 30 суток. Некоторые ученые считают, что эта космическая пыль играет важную роль в формировании таких атмосферных явлений, как дождь, поскольку служит ядрами конденсации водяного пара. Поэтому предполагают, что выпадение осадков статистически связано с крупными метеорными дождями. Однако некоторые специалисты полагают, что, поскольку общее поступление метеорного вещества во много десятков раз превышает его поступление даже с крупнейшим метеорным дождем, изменением в общем количестве этого вещества, происходящим в результате одного такого дождя, можно пренебречь. Однако несомненно, что наиболее крупные микрометеориты и, конечно, видимые метеориты оставляют длинные следы ионизации в высоких слоях атмосферы, главным образом в ионосфере. Такие следы можно использовать для дальней радиосвязи, так как они отражают высокочастотные радиоволны. Энергия поступающих в атмосферу метеоров расходуется главным образом, а может быть и полностью, на ее нагревание. Это одна из второстепенных составляющих теплового баланса атмосферы.
Углекислый газ промышленного происхождения. В каменноугольном периоде на Земле была широко распространена древесная растительность. Большая часть диоксида углерода, поглощенного в то время растениями, накопилась в залежах угля и в нефтеносных отложениях. Огромные запасы этих полезных ископаемых человек научился использовать в качестве источника энергии и сейчас быстрыми темпами возвращает углекислый газ в круговорот веществ. В ископаемом состоянии находится, вероятно, ок. 4*10 13 т углерода. За последнее столетие человечество сожгло столько ископаемого топлива, что примерно 4*10 11 т углерода вновь поступило в атмосферу. В настоящее время в атмосфере присутствует ок. 2*10 12 т углерода, а в ближайшие сто лет за счет сжигания ископаемого топлива эта цифра, возможно, удвоится. Однако не весь углерод останется в атмосфере: часть его растворится в водах океана, часть будет поглощена растениями, а часть — связана в процессе выветривания горных пород. Пока нельзя предсказать, сколько углекислого газа будет содержаться в атмосфере или какое именно воздействие он окажет на климат земного шара. Тем не менее считается, что любое увеличение его содержания вызовет потепление, хотя вовсе не обязательно, что любое потепление существенно повлияет на климат. Концентрация углекислого газа в атмосфере, по результатам измерений, заметно увеличивается, хотя и небыстрыми темпами. Климатические данные по Шпицбергену и станции Литтл-Америка на шельфовом леднике Росса в Антарктиде свидетельствуют о повышении средних годовых температур примерно за 50-летний период соответственно на 5° и 2,5° С.
Воздействие космического излучения. При взаимодействии обладающих высокой энергией космических лучей с отдельными составляющими атмосферы образуются радиоактивные изотопы. Среди них выделяется изотоп углерода 14С, накапливающийся в растительных и животных тканях. Путем измерения радиоактивности органических веществ, которые давно не обмениваются углеродом с окружающей средой, можно определить их возраст. Радиоуглеродный метод зарекомендовал себя как наиболее надежный способ датирования ископаемых организмов и предметов материальной культуры, возраст которых не превышает 50 тыс. лет. Для датирования материалов, имеющих возраст в сотни тысяч лет, можно будет использовать другие радиоактивные изотопы с большими периодами полураспада, если будет решена принципиальная задача измерения крайне низких уровней радиоактивности
(см. также РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ).
ПРОИСХОЖДЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
Историю образования атмосферы пока не удалось восстановить абсолютно достоверно. Тем не менее выявлены некоторые вероятные изменения ее состава. Становление атмосферы началось сразу после формирования Земли. Имеются довольно веские основания полагать, что в процессе эволюции Праземли и обретения ею близких к современным размеров и массы она практически полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Считается, что на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и ок. 4,5 млрд. лет назад оформилась в твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени происходила и медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, как, например, излияния лавы при извержениях вулканов, сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав, вероятно, входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид и диоксид углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода с образованием углекислого газа. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным ее компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в ходе химических реакций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, вероятно присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. Следовательно, жизнь могла зародиться в атмосфере, принципиально отличной от современной. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза (см. также ФОТОСИНТЕЗ), сопровождавшийся выделением свободного кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. По оценкам, наличие всего 0,00004 современного объема кислорода могло привести к формированию слоя с вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией озона, что тем не менее обеспечивало весьма существенную защиту от ультрафиолетовых лучей. Вероятно также, что в первичной атмосфере содержалось много углекислого газа. Он расходовался в ходе фотосинтеза, и его концентрация должна была уменьшаться по мере эволюции мира растений, а также из-за поглощения в ходе некоторых геологических процессов. Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, некоторые ученые полагают, что колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как ледниковые периоды. Присутствующий в современной атмосфере гелий, вероятно, большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают альфа-частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, на каждую альфа-частицу приходится два электрона. В итоге она соединяется с ними, образуя нейтральные атомы гелия. Радиоактивные элементы содержатся в минералах, рассеянных в толще горных пород, поэтому значительная часть гелия, образовавшегося в результате радиоактивного распада, сохраняется в них, очень медленно улетучиваясь в атмосферу. Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в экзосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности объем этого газа в атмосфере неизменен. На основании спектрального анализа света звезд и изучения метеоритов можно оценить относительное содержание различных химических элементов во Вселенной. Концентрация неона в космосе примерно в десять миллиардов раз выше, чем на Земле, криптона — в десять миллионов раз, а ксенона — в миллион раз. Отсюда следует, что концентрация этих инертных газов, изначально присутствовавших в земной атмосфере и не пополнявшихся в процессе химических реакций, сильно снизилась, вероятно, еще на этапе утраты Землей своей первичной атмосферы. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа 40Ar он и сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.
ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Многообразие оптических явлений в атмосфере обусловлено различными причинами. К наиболее распространенным феноменам относятся молния (см. выше) и весьма живописные северное и южное полярные сияния (см. также ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ). Кроме того, особенно интересны радуга, гал, паргелий (ложное солнце) и дуги, корона, нимбы и призраки Броккена, миражи, огни святого Эльма, светящиеся облака, зеленые и сумеречные лучи. Радуга — самое красивое атмосферное явление. Обычно это огромная арка, состоящая из разноцветных полос, наблюдаемая, когда Солнце освещает лишь часть небосвода, а воздух насыщен капельками воды, например во время дождя. Разноцветные дуги располагаются в последовательности спектра (красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя, фиолетовая), однако цвета почти никогда не бывают чистыми, поскольку полосы взаимно перекрываются. Как правило, физические характеристики радуг существенно различаются, поэтому и по внешнему виду они весьма разнообразны. Их общей чертой является то, что центр дуги всегда располагается на прямой, проведенной от Солнца к наблюдателю. Главная радуга представляет собой дугу, состоящую из наиболее ярких цветов — красного на внешней стороне и фиолетового — на внутренней. Иногда видна только одна дуга, но часто с внешней стороны основной радуги появляется побочная. Она имеет не столь яркие цвета, как первая, а красная и фиолетовая полосы в ней меняются местами: красная располагается с внутренней стороны. Образование главной радуги объясняется двойным преломлением (см. также ОПТИКА) и однократным внутренним отражением лучей солнечного света (см. рис. 5). Проникая внутрь капли воды (А), луч света преломляется и разлагается, как при прохождении сквозь призму. Затем он достигает противоположной поверхности капли (В), отражается от нее и выходит из капли наружу (С). При этом луч света прежде, чем достичь наблюдателя, преломляется вторично. Исходный белый луч разлагается на лучи разных цветов с углом расхождения 2°. При образовании побочной радуги происходит двойное преломление и двойное отражение солнечных лучей (см. рис. 6). В этом случае свет преломляется, проникая внутрь капли через ее нижнюю часть (А), и отражается от внутренней поверхности капли сначала в точке В, затем в точке С. В точке D свет преломляется, выходя из капли в сторону наблюдателя.

На восходе и закате Солнца наблюдатель видит радугу в виде дуги, равной половине окружности, так как ось радуги параллельна горизонту. Если Солнце располагается выше над горизонтом, дуга радуги меньше половины окружности. Когда Солнце поднимается выше 42° над горизонтом, радуга исчезает. Везде, кроме высоких широт, радуга не может появиться в полдень, когда Солнце стоит слишком высоко. Интересно оценить расстояние до радуги. Хотя кажется, что разноцветная дуга расположена в одной плоскости, это — иллюзия. На самом деле радуга имеет огромную глубину, и ее можно представить в виде поверхности пустотелого конуса, в вершине которого находится наблюдатель. Ось конуса соединяет Солнце, наблюдателя и центр радуги. Наблюдатель смотрит как бы вдоль поверхности этого конуса. Два человека никогда не могут увидеть совершенно одинаковую радугу. Конечно, можно наблюдать в целом один и тот же эффект, но две радуги занимают различное положение и образованы разными капельками воды. Когда дождь или водяная пыль образуют радугу, полный оптический эффект достигается за счет суммарного воздействия всех капелек воды, пересекающих поверхность конуса радуги с наблюдателем в вершине. Роль каждой капли мимолетна. Поверхность конуса радуги состоит из нескольких слоев. Быстро пересекая их и проходя при этом через серию критических точек, каждая капля мгновенно разлагает солнечный луч на весь спектр в строго определенной последовательности — от красного до фиолетового цвета. Множество капель таким же образом пересекает поверхность конуса, так что радуга представляется наблюдателю непрерывной как вдоль, так и поперек ее дуги. Гало — белые или радужные световые дуги и окружности вокруг диска Солнца или Луны. Они возникают вследствие преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега. Кристаллы, формирующие гало, располагаются на поверхности воображаемого конуса с осью, направленной от наблюдателя (из вершины конуса) к Солнцу. При некоторых условиях атмосфера бывает насыщена мелкими кристаллами, многие грани которых образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, наблюдателя и эти кристаллы. Такие грани отражают поступающие лучи света с отклонением на 22°, образуя красноватое с внутренней стороны гало, но оно может состоять и из всех цветов спектра. Реже встречается гало с угловым радиусом 46°, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае на образующих прямые углы гранях кристаллов. Ширина кольца такого гало превышает 2,5°. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен (рис. 7).

Паргелии и дуги. Паргелический круг (или круг ложных солнц) — белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Причиной его образования служит отражение солнечного света от граней поверхностей кристаллов льда. Если кристаллы достаточно равномерно распределены в воздухе, становится видимым полный круг. Паргелии, или ложные солнца, — это ярко светящиеся пятна, напоминающие Солнце, которые образуются в точках пересечения паргелического круга с гало, имеющими угловые радиусы 22°, 46° и 90°. Наиболее часто образующийся и самый яркий паргелий формируется на пересечении с 22-градусным гало, обычно окрашенный почти во все цвета радуги. Ложные солнца на пересечениях с 46- и 90-градусными гало наблюдаются гораздо реже. Паргелии, возникающие на пересечениях с 90-градусными гало, называются парантелиями, или ложными противосолнцами. Иногда виден также антелий (противосолнце) — яркое пятно, расположенное на кольце паргелия точно напротив Солнца. Предполагается, что причиной возникновения этого явления служит двойное внутреннее отражение солнечного света. Отраженный луч проходит по тому же пути, что и падающий луч, но в обратном направлении. Околозенитная дуга, иногда неверно называемая верхней касательной дугой 46-градусного гало, — это дуга в 90° или меньше с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она бывает видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, причем красный цвет приурочен к внешней стороне дуги. Околозенитная дуга примечательна своей расцветкой, яркостью и четкими очертаниями. Еще один любопытный и очень редкий оптический эффект типа гало — дуги Ловица. Они возникают как продолжение паргелиев на пересечении с 22-градусным гало, проходят с внешней стороны гало и слегка вогнуты в сторону Солнца. Столбы беловатого света, как и разнообразные кресты, иногда видны на рассвете или на закате, особенно в полярных регионах, и могут сопутствовать как Солнцу, так и Луне. Временами наблюдаются лунные гало и другие эффекты, подобные описанным выше, причем наиболее обычное лунное гало (кольцо вокруг Луны) имеет угловой радиус 22°. Подобно ложным солнцам, могут возникать ложные луны. Короны, или венцы, — небольшие концентрические цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками. Радиус короны меньше радиуса гало и составляет ок. 1-5°, ближайшим к Солнцу оказывается голубое или фиолетовое кольцо. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. В других случаях за пределами ореола видно не менее двух концентрических колец большего диаметра, очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается радужными облаками. Иногда края очень высоко расположенных облаков окрашены в яркие цвета.
Глории (нимбы). В особых условиях возникают необычные атмосферные явления. Если Солнце находится за спиной наблюдателя, а его тень проецируется на близрасположенные облака или завесу тумана, при определенном состоянии атмосферы вокруг тени головы человека можно увидеть цветной светящийся круг — нимб. Обычно такой нимб образуется из-за отражения света капельками росы на травяном газоне. Глории также довольно часто можно обнаружить вокруг тени, которую отбрасывает самолет на нижележащие облака.
Призраки Броккена. В некоторых районах земного шара, когда тень находящегося на возвышенности наблюдателя при восходе или заходе Солнца сзади него падает на облака, расположенные на небольшом расстоянии, обнаруживается поразительный эффект: тень приобретает колоссальные размеры. Это происходит из-за отражения и преломления света мельчайшими капельками воды в тумане. Описанное явление носит название «призрак Броккена» по имени вершины в горах Гарц в Германии.
Миражи — оптический эффект, обусловленный преломлением света при прохождении через слои воздуха разной плотности и выражающийся в возникновении мнимого изображения. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут быть искажены и приобрести неправильные, фантастические формы. Миражи часто наблюдаются в условиях жаркого климата, например над песчаными равнинами. Обычны нижние миражи, когда отдаленная, почти ровная поверхность пустыни приобретает вид открытой воды, особенно если смотреть с небольшого возвышения или просто находиться выше слоя нагретого воздуха. Подобная иллюзия обычно возникает на нагретой асфальтированной дороге, которая далеко впереди выглядит как водная поверхность. В действительности эта поверхность является отражением неба. Ниже уровня глаз в этой «воде» могут появиться объекты, обычно перевернутые. Над нагретой поверхностью суши формируется «воздушный слоеный пирог», причем ближайший к земле слой — самый нагретый и настолько разрежен, что световые волны, проходя через него, искажаются, так как скорость их распространения меняется в зависимости от плотности среды. Верхние миражи менее распространены и более живописны по сравнению с нижними. Удаленные объекты (часто находящиеся за морским горизонтом) вырисовываются на небе в перевернутом положении, а иногда выше появляется еще и прямое изображение того же объекта. Это явление типично для холодных регионов, особенно при значительной температурной инверсии, когда над более холодным слоем находится более теплый слой воздуха. Данный оптический эффект проявляется в результате сложных закономерностей распространения фронта световых волн в слоях воздуха с неоднородной плотностью. Время от времени возникают очень необычные миражи, особенно в полярных регионах. Когда миражи возникают на суше, деревья и другие компоненты ландшафта перевернуты. Во всех случаях в верхних миражах объекты видны более отчетливо, чем в нижних. Когда границей двух воздушных масс является вертикальная плоскость, порой наблюдаются боковые миражи.
Огни святого Эльма. Некоторые оптические явления в атмосфере (например, свечение и самое распространенное метеорологическое явление — молния) имеют электрическую природу. Гораздо реже встречаются огни святого Эльма — светящиеся бледно-голубые или фиолетовые кисти длиной от 30 см до 1 м и более, обычно на верхушках мачт или концах рей находящихся в море судов. Иногда кажется, что весь такелаж судна покрыт фосфором и светится. Огни святого Эльма порой возникают на горных вершинах, а также на шпилях и острых углах высоких зданий. Это явление представляет собой кистевые электрические разряды на концах электропроводников, когда в атмосфере вокруг них сильно повышается напряженность электрического поля. Блуждающие огоньки — слабое свечение голубоватого или зеленоватого цвета, которое иногда наблюдается на болотах, кладбищах и в склепах. Они часто выглядят как приподнятое примерно на 30 см над землей спокойно горящее, не дающее тепла, пламя свечи, на мгновение зависающее над объектом. Огонек кажется совершенно неуловимым и при приближении наблюдателя как бы перемещается в другое место. Причиной этого явления служит разложение органических остатков и самовозгорание болотного газа метана (СН4) или фосфина (РН3). Блуждающие огоньки имеют разную форму, иногда даже шаровидную. Зеленый луч — вспышка солнечного света изумрудно-зеленого цвета в тот момент, когда последний луч Солнца скрывается за горизонтом. Красная составляющая солнечного света исчезает первой, все прочие — по порядку вслед за ней, и последней остается изумрудно-зеленая. Это явление возникает, лишь когда над горизонтом остается только самый краешек солнечного диска, а иначе происходит смешение цветов. Сумеречные лучи — расходящиеся пучки солнечного света, которые становятся видимыми благодаря освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы. Тени от облаков образуют темные полосы, а между ними распространяются лучи. Этот эффект наблюдается, когда Солнце находится низко над горизонтом перед рассветом или после заката.

Состав атмосферы не всегда был таким, как сейчас. Предполагают, что первичная атмосфера состояла из водорода и гелия, которые были самыми распространенными газами в Космосе и входили в состав протопланетного газово-пылевого облака.

Результаты исследований М.И. Будыко с количественными оценками изменения массы кислорода и углекислого газа на протяжении жизни Земли дают основание считать, что историю вторичной атмосферы можно разделить на два этапа: бескислородной атмосферы и кислородной атмосферы – на рубеже примерно 2 млрд. лет тому назад.

Первый этап начался после завершения образования планеты, когда началось разделение первичного земного вещества на тяжелые (преимущественно железо) и относительно легкие (в основном кремний) элементы. Первые образовали земное ядро, вторые – мантию. Эта реакция сопровождалась выделением тепла, в результате чего стала происходить дегазация мантии – из нее стали выделяться различные газы. Сила тяготения Земли оказалась способной удержать их возле планеты, где они стали скапливаться и образовали атмосферу Земли. Состав этой начальной атмосферы существенно отличался от современного состава воздуха (табл. 1)

Таблица 1

Состав воздуха при образовании атмосферы Земли в сравнении с современным составом атмосферы (по в.А. Вронскому г.В. Войткевичу)

Газ	Его состав	Состав атмосферы Земли
		при образовании	современный
Кислород
Углекислый газ
Оксид углерода
Водяной пар

Кроме этих газов в атмосфере присутствовали метан, аммиак, водород и др.

Характерной чертой этого этапа было убывание углекислого газа и накопление азота, который к концу эпохи бескислородной атмосферы стал основным компонентом воздуха. Согласно исследованиям В.И. Бгатова тогда же появился в качестве примеси и эндогенный кислород, возникший при дегазации базальтовых лав. Кислород возникал и в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей. Однако весь кислород уходил на окисление минералов земной коры, и его не хватало на накопление в атмосфере.

Более 2 млрд. лет назад появились фотосинтезирующие сине-зеленые водоросли, которые для синтеза органического вещества стали использовать световую энергию Солнца. В реакции фотосинтеза использовался углекислый газ, а выделяется свободный кислород. Вначале он расходовался на окисление железосодержащих элементов литосферы, но около 2 млрд. лет назад этот процесс завершился, и свободный кислород начал накапливаться в атмосфере. Начался второй этап развития атмосферы – кислородный.

Сначала рост содержания кислорода в атмосфере был медленным: около 1 млрд. лет назад оно достигло 1% от современного (точка Пастера), но этого оказалось достаточным для появления вторичных гетеротрофных организмов (животных), потребляющих кислород для дыхания. С появлением растительного покрова на континентах во второй половине палеозоя прирост кислорода в атмосфере составляло около 10 % от современного, а уже в карбоне кислорода было столько же, сколько и сейчас. Фотосинтетический кислород вызвал большие изменения и в атмосфере, и в живых организмах планеты. Содержание углекислого газа в процессе эволюции атмосферы существенно снизилось, так как значительная его часть вошла в состав углей и карбонатов.

На водород и гелий, широко распространенный во Вселенной, в атмосфере Земли приходится соответственно 0,00005 и 0,0005%. Земная атмосфера, т.о., является геохимической аномалией в космосе. Ее исключительный состав формировался параллельно с развитием Земли в специфических, присущих только ей космических условиях: гравитационное поле, удерживающее большую массу воздуха, магнитное поле, предохраняющее ее от солнечного ветра, и вращение планеты, обеспечивающее благоприятный тепловой режим. Формирование атмосферы шло параллельно с формированием гидросферы и рассмотрено выше.

Первичная гелиево-водородная атмосфера была утеряна при разогреве планеты. В начале геологической истории Земли, когда происходили интенсивные вулканические и горообразовательные процессы, атмосфера была насыщена аммиаком, водяными парами и углекислым газом. Эта оболочка имела температуру около 100С. При понижении температуры произошло разделение на гидросферу и атмосферу. В этой вторичной углекислой атмосфере зародилась жизнь. С прогрессивным развитием живого вещества развивалась и атмосфера. Когда биосфера достигла стадии зеленых растений, и они вышли из воды на сушу, начался процесс фотосинтеза, что привело к формированию современной кислородной атмосферы.

12.4 Взаимодействие атмосферы с другими оболочками. Атмосфера развивается со всей природой земной поверхности – с ГО. Растения и животные используют атмосферу для фотосинтеза и дыхания. Магнитосфера, ионосфера и озоновый экран изолируют биосферу от космоса. Верхняя граница ГО – биосферы лежит на высотах в 20-25 км. Атмосферные газы вверху покидают Землю, а недра Земли пополняют воздушную оболочку, поставляя до 1 млн. т. газов в год. Атмосфера задерживает инфракрасное излучение Земли, создавая благоприятный тепловой режим. В атмосфере переносится влага, образуются облака и осадки – формируются погодно-климатические условия. Она предохраняет Землю от падающих на нее метеоритов.

12.5 Солнечная энергия, солнечная радиация – лучистая энергия Солнца. Солнце излучает электромагнитные волны и корпускулярный поток. Электромагнитное излучение — особый вид материи, отличный от вещества, распространяется со скоростью 300 000 км/сек. (скорость света). Корпускулярное излучение (солнечный ветер) – поток заряженных частиц: протонов, электронов и др., распространяется со скоростями 400-2000 км/сек. Корпускулярный поток, достигая З., возмущает ее магнитное поле, вызывая ряд явлений в атмосфере (полярные сияния, магнитные бури и др.).

Электромагнитное излучение представляет собой тепловую (инфракрасную, 47%), световую (46%) и ультрафиолетовую (7%) радиацию, в зависимости от длины волн. Все три вида энергии играют большую роль в ГО. Ультрафиолетовое излучение в основном задерживается озоновым экраном и это хорошо, т.к. жесткое ультрафиолетовое излучение губительно действует на живые организмы, но то небольшое количество его, достигающее поверхности Земли, оказывает дезинфицирующее влияние. Под ультрафиолетовыми лучами загорает кожа человека.

Влияние света общеизвестно. Не только потому, что свет позволяет нам видеть окружающий мир, но при солнечном освещении происходят процессы фотосинтеза, о чем мы еще будем говорить позже. Наконец, тепловой поток определяет температурные условия ГО.

Единицей измерения солнечной энергии является солнечная постоянная( I 0 ) – 2 кал/см 2 /мин. (столько тепла получает 1 кв. см абсолютно черной поверхности за минуту при перпендикулярном падении лучей). При перпендикулярном падении лучей земная поверхность получает максимум солнечной энергии, а чем меньше угол падения, тем меньше поступает ее на подстилающую поверхность. Количество приходящей энергии на ту или иную широту рассчитывается по формуле: I 1 =I 0 хSin h o , где h o – высота Солнца над горизонтом. Атмосфера ослабляет и перераспределяет солнечный поток при различиях в усвоении его земной поверхностью.

Если к верхней границе атмосфере приходит 1,36 х 10 24 кал/год, то до земной поверхности доходит на 25% меньше, вследствие того, что при прохождении через атмосферу происходит ослабление потока солнечной энергии. Эта энергия во взаимодействии с силой тяжести обуславливает циркуляцию атмосферы и гидросферы. Приводя в действие разнообразные процессы, протекающие в ГО, солнечная радиация почти полностью превращается в тепло и в виде теплового потока возвращается в Космос.

Изменение солнечной радиации в атмосфере. При прохождении лучистой энергии через атмосферу происходит ее ослабление, вызванное поглощением и рассеиванием энергии. В области видимой части спектра преобладает рассеяние, а в ультрафиолетовой и инфракрасной областях атмосфера является в основном средой поглощения.

Благодаря рассеиванию получается тот дневной свет, который освещает предметы, если на них не попадают непосредственно солнечные лучи. Рассеивание обуславливает и голубой цвет неба. В больших городах, в пустынных областях, где высока запыленность воздуха, рассевание ослабляет силу радиации на 30-45%.

Основные газы, входящие в состав воздуха, поглощают лучистую энергию мало, зато большой поглотительной способностью отличаются: водяной пар (инфракрасные лучи), озон (ультрафиолетовые лучи), углекислый газ и пыль (инфракрасные лучи).

Величина ослабления солнечной радиации зависит от коэффициента прозрачности (к.п.), который показывает, какая доля радиации доходит до земной поверхности.

Если бы атмосфера состояла из газов, то к.п. =0,9, т.е. она пропускала бы 90% идущей к Земле радиации. Но атмосфера содержит примеси, в т.ч. облака и фактор мутности снижает прозрачность до 0,7-0,8 (зависит от погоды). В целом атмосфера поглощает и рассеивает около 25% идущей к земной поверхности лучистой энергии, причем ослабление потока радиации для различных широт Земли неодинаково. Различия эти зависят от угла падения лучей. При зенитальном положении Солнца лучи пересекают атмосферу кратчайшим путем, с уменьшением угла падения путь лучей удлиняется, и ослабление солнечной радиации становится более значительным.

Если угол падения лучей равен:

а) 90, степень ослабления 25%;

б) 30, степень ослабления 44%;

в) 10, степень ослабления 80%;

г) 0, степень ослабления 100%.

Значительная часть солнечной радиации, достигающая земной поверхности в виде параллельного пучка лучей, идущих от Солнца, называется прямой солнечной радиацией.

Радиация, приходящая к земной поверхности в виде миллионов лучиков от всех точек небесного свода вследствие рассеяния, — рассеянная солнечная радиация.

Рассеянная радиация летом в средних широтах составляет 40%, а зимой – 70% общего ее поступления, в тропических широтах она составляет около 30%, а в полярных – 70% общего потока лучистой энергии.

Прямая солнечная радиация и рассеянная в сумме дают так называемую суммарную радиацию . Для практических целей чаще всего требуются данные о полной сумме энергии, приходящей к земной поверхности, т.е. сумме суммарной радиации за какой-либо промежуток времени (сутки, месяц, год) на единицу площади, поэтому карты сумм суммарной радиации широко используются.

Максимум суммарной радиации приходится на тропические широты (180-200 ккал/см 2 в год), что связанно с малой облачностью, обуславливающей большую долю прямой радиации. Экваториальные широты получают меньше солнечной энергии, около 100-140 ккал/см 2 в год, в силу высокой облачности, несмотря на более высокий угол высоты Солнца над горизонтом; умеренные широты (55-65 с.ш.) получает 80 ккал/см 2 за год, а на широтах 70-80 с.ш. – получает 60 ккал/см 2 /год.

Приходящая к земной поверхности солнечная радиация частично поглощается (поглощенная радиация ), частично отражается (отраженная радиация ) в атмосферу и в межпланетное пространство. Отношение величины солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к величине потока лучистой энергии, падающей на эту поверхность, называется альбедо .

Альбедо выражается в процентах и характеризует отражательную способность данного участка поверхности. Отражательная способность зависит от характера поверхности (цвета, шероховатости) и от величины угла падения лучей. Абсолютно черное тело усваивает всю радиацию, а зеркальная поверхность отражает 100% лучей и не нагревается. Свежевыпавший снег отражает 80-90% радиации, чернозем – 5-18%, светлый песок 35-40%, лес – 10-20%, верхняя поверхность облаков – 50-60%.

С уменьшением высоты Солнца альбедо увеличивается, следовательно, в его суточном ходе наименьшее значение наблюдается в околополуденные часы. Годовой ход альбедо определяется изменением характера подстилающей поверхности по сезонам года. В умеренных и северных широтах обычно отмечается увеличение альбедо от теплой половины года к холодной.

Высокое альбедо снегов в Арктике и Антарктике обуславливает низкие летние температуры, несмотря на значительную величину солнечной инсоляции в летние месяцы при круглосуточно незаходящем Солнце. В основном солнечная радиация отражается облаками.

Альбедо влияет на температуры переходных периодов в умеренных широтах: в сентябре и марте Солнце находится на одной высоте, но мартовские лучи отражаются (и идут на таяние снега), поэтому март холоднее сентября.

Планетарное альбедо 35-%.

Поглощенная радиация затрачивается на испарение воды и нагревание подстилающей поверхности.

Земля, получая солнечную энергию, сама становится источником излучения тепла в мировое пространство. Энергия, излучаемая земной поверхностью называется земной радиацией .

Изучение земной поверхности происходит днем и ночью. Интенсивность излучения тем больше, чем выше температура излучаемого тепла в соответствии с законом Стефана-Больцмана: всякое тело теряет лучеиспусканием количество тепла пропорциональное 4 ой степени абсолютной температуры: (Ет=Т 4 кал/см 2 мин), где – постоянная Стефана-Больцмана.

Земное излучение выражается в тех же единицах, что и солнечное.

Каждый объем воздуха, как и атмосфера в целом, имея температуру, отличную от температуры абсолютного нуля, также излучает тепловую радиацию, это – атмосферная радиация , которая направлена в разные стороны. Часть ее, направленная к земной поверхности –встречное излучение .

Разность собственного излучения подстилающей поверхности и встречного излучения называют эффективным излучением земной поверхности (Е 2 =Е 5 -Еа).

Эффективное излучение зависит от температуры излучающей поверхности и воздуха, от влажности и стратификации приземного слоя атмосферы.

В общем, земная поверхность в средних широтах теряет эффективным излучением примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной радиации.

Эффективное излучение – фактические потери тепла излучением. Особенно велики эти потери в ясные ночи — ночное выхолаживание. Водные пары задерживают тепло. В горах эффективное излучение больше, чем на равнинах, его снижает растительный покров. Пустыни, арктические широты – окна потерь тепла излучением.

Поглощая земное излучение и посылая встречное к земной поверхности, атмосфера тем самым уменьшает охлаждение последней в ночное время. Днем же она мало препятствует нагреванию земной поверхности земной радиацией. Это влияние на тепловой режим земной поверхности носит название тепличного (оранжерейного) эффекта , и земная поверхность имеет среднюю температуру +17,3С вместо – 22С.

Длинноволновое излучение земной поверхности и атмосферы, уходящее в космос, называют уходящей радиацией (65%, из них земная поверхность теряет 10%, атмосфера 55%). Вместе с отраженной (35%) эта уходящая радиация компенсирует приток солнечной радиации к Земле.

Таким образом, Земля вместе с атмосферой теряет столько же радиации, сколько получает, т.е. находится в состоянии лучистого (радиационного) равновесия.

В результате перераспределения тепла и холода преимущественно воздушными и водными течениями получаем значительное смягчение контрастов температур между экватором и полюсами: без влияния атмосферы и гидросферы на экваторе была бы среднегодовая температура +39 0 С (фактически +25,4), на полюсах -44 0 С (фактически на северном полюсе -23 0 , на южном -33 0).

12.6 Радиационный баланс (остаточная радиация) земной поверхности – это разность между приходом (суммарная радиация и встречное излучение) и расходом (альбедо и земное излучение) тепла.

R=Q (прямая) +D (рассеянная) +E (встречная) =C (отраженная)-U (земная)

Радиационный баланс (R) может быть положительным и отрицательным. Ночью везде отрицателен, переходит от ночных отрицательных значений к дневным положительным после восхода Солнца (когда угол падения лучей не превышает 10-15), от положительных к отрицательным – перед заходом Солнца при такой же высоте над горизонтом.

Днем R растет с увеличением высоты Солнца и убывает с уменьшением ее. В ночные часы, когда суммарная радиация отсутствует, R равен эффективному излучению и потому мало меняется в течение ночи, если облачность не меняется.

Распределение R зонально, т.к. зональна суммарная радиация. Эффективное излучение распределяется более равномерно.

R земной поверхности за год положителен для всех мест Земли, кроме ледяных плато Гренландии и Антарктиды, т. е. годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Но это вовсе не означает, что земная поверхность год от года становится теплее. Дело в том, что превышение поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в воздух и почвогрунт путем теплопроводности и при фазовых превращениях воды (при испарении — конденсации).

Т.о., хотя для земной поверхности не существует равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие , что выражается формулой теплового баланса : P=P+B+LE, где P — турбулентный поток тепла между земной поверхностью и атмосферой, B – теплообмен между Землей и нижележащими слоями почвы и воды, L – удельная теплота парообразования, E – количество испарившейся влаги за год. Приток тепла к земной поверхности радиационным путем уравновешивается его отдаче другими способами.

R на широтах 60северной и южной широты составляет 20-30 ккал/см 2 , откуда к более высоким широтам уменьшается до –5,-10 ккал/см 2 на материке Антарктиды. К низким широтам возрастает: между 40северной широты 40южной широты годовые величины р.б. 60 ккал/см 2 , а между 20северной и южной широтами 100 ккал/см 2 . На океанах R больше, чем на суше в тех же широтах, т.к. океаны аккумулируют много тепла, а при большой теплоемкости вода нагревается до меньших значений, чем суша.

12.7 Температура воздуха. Воздух нагревается и охлаждается от поверхности суши и водоемов. Будучи плохим проводником тепла, он нагревается только в нижнем слое, непосредственно касающемся земной поверхности. Основным же путем передачи тепла вверх служит турбулентное перемешивание. Благодаря этому к нагретой поверхности подходят все новые и новые массы воздуха, нагреваются и поднимаются.

Так как источник тепла для воздуха – земная поверхность, то очевидно, что с высотой температура его убывает, амплитуда колебаний становится меньше, максимум и минимум в суточном ходе наступают позднее, чем на почве. Высота измерения температуры воздуха едина для всех стран – 2 м. Для специальных целей температура измеряется и на других высотах.

Другой источник нагревания и охлаждения воздуха – адиабатические процессы , когда температура воздушной массы повышается или понижается без притока тепла извне. При опускании воздуха из верхних слоев тропосферы в нижние газы уплотняются, и механическая энергия сжатия переходит в тепловую. Температура при этом повышается на 1С на 100 м высоты.

Охлаждение воздуха связанно с адиабатическим поднятием, при котором воздух поднимается и расширяется. Тепловая энергия и в этом случае превращается в кинетическую. На каждые 100 м подъема сухой воздух охлаждается на 1 0 С. Если адиабатические превращения происходят в сухом воздухе, процессы называют сухоадиабатическими. Но воздух обычно содержит водяные пары. Охлаждение влажного воздуха при поднятии сопровождается конденсацией влаги. Выделяющаяся при этом теплота уменьшает величину охлаждения в среднем до 0,6С на 100 м высоты (влажноадиабатический процесс). При подъеме воздуха преобладают влажноадиабатические процессы, при опускании – сухоадиабатические.

Другой способ охлаждения воздуха – непосредственная потеря тепла излучением . Это происходит в Арктике и Антарктиде, в пустынях по ночам, в умеренных широтах при безоблачном небе зимой и в ясные ночи летом.

Важным источником тепла для воздуха служит теплота конденсации, которая выделяется в атмосферу.

12.8 Тепловые пояса. Тропики и полярные круги, ограничивающие пояса освещенности, нельзя считать границами тепловых (температурных) поясов. На распределение температуры, кроме фигуры и положения Земли, сказывается влияние ряда факторов: распределение суши и воды, теплые и холодные морские и воздушные течения. Поэтому за границы тепловых поясов принимают изотермы. Существует семь тепловых поясов:

жаркий расположен между годовыми изотермами 20С северного и южного полушарий;

два умеренных ограничены со стороны экватора годовой изотермой 20С, со стороны полюсов изотермой 10С самого теплого месяца. С этими изотермами совпадает граница распределения древесной растительности;

два холодных находятся между изотермами 10С и 0С самого теплого месяца;

два пояса мороза расположены у полюсов и ограничены изотермой 0С самого теплого месяца. В северном полушарии – это Гренландия и пространство Северного Ледовитого океана, в южном – область к югу от параллели 60 ю. ш.

Термические условия поясов нарушают горные страны. Вследствие уменьшения температуры с высотой в горах прослеживается вертикальная температурная и климатическая поясность.

Для определения температуры воздуха используют термометры (ртутные, спиртовые и др.), аспирационные психрометры, термографы.

Атмосфера представляет собой смесь различных газов. Она простирается от поверхности Земли на высоту до 900 км, защищая планету от вредного спектра солнечного излучения, и содержит газы, необходимые для всего живого на планете. Атмосфера задерживает солнечное тепло, нагревая около земной поверхности и создавая благоприятный климат.

Состав атмосферы

Атмосфера Земли состоит в основном из двух газов — азота (78%) и кислорода (21%). Кроме того, она содержит примеси углекислого и других газов. в атмосфере существует в виде пара, капель влаги в облаках и кристалликов льда.

Слои атмосферы

Атмосфера состоит из многих слоев, между которыми нет четких границ. Температуры разных слоев заметно отличаются друг от друга.

• Безвоздушная магнитосфера. Здесь летает большинство спутников Земли за пределами земной атмосферы.
• Экзосфера (450-500 км от поверхности). Почти не содержит газов. Некоторые спутники погоды совершают полеты в экзосфере. Термосфера (80-450 км) характеризуется высокими температурами, достигающими в верхнем слое 1700°С.
• Мезосфера (50-80 км). В этой сфере температура падает по мере увеличения высоты. Именно здесь сгорает большинство метеоритов (осколков космических пород), попадающих в атмосферу.
• Стратосфера (15-50 км). Содержит озоновый спой, т. е. слой озона, поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Это приводит к повышению температуры около поверхности Земли. Здесь обычно летают реактивные самолеты, так как видимость в этом слое очень хорошая и почти нет помех, вызванных погодными условиями.
• Тропосфера. Высота варьируется от 8 до 15 км от земной поверхности. Именно здесь формируется погода планеты, так как в этом слое содержится больше всего водяных паров, пыли и возникают ветры. Температура понижается по мере удаления от земной поверхности.

Атмосферное давление

Хотя мы и не ощущаем этого, слои атмосферы оказывают давление на поверхность Земли. Наиболее высокое около поверхности, а при удалении от неё оно постепенно снижается. Оно зависит от перепада температур суши и океана, и поэтому в районах, находящихся на одинаковой высоте над уровнем моря нередко бывает разное давление. Низкое давление приносит сырую погоду, а при высоком обычно устанавливаете ясная погода.

Движение воздушных масс в атмосфере

И давления заставляют в нижних слоях атмосферы перемешаться. Так возникают ветры, дующие из областей высокого давления в области низкого. Во многих регионах возникают и местные ветры, вызванные перепадами температур суши и моря. Горы также оказывают существенное влияние на направление ветров.

Парниковый эффект

Углекислый газ и другие газы, входящие в состав земной атмосферы, задерживают солнечное тепло. Этот процесс принято называть парниковым эффектом, так как он во многом напоминает циркуляцию тепла в парниках. Парниковый эффект влечет за собой глобальное потепление на планете. В областях высокого давления — антициклонах — устанавливается ясная солнечная . В областях низкого давления — циклонах — обычно стоит неустойчивая погода. Тепло и световая , поступающие в атмосферу. Газы задерживают тепло, отражающееся от земной поверхности, вызывая тем самым повышение температуры на Земле.

В стратосфере существует особый озоновый слой. Озон задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, защищая от него Землю и все живое на ней. Ученые установили, что причиной разрушения озонового слоя являются особые хлорофторуглекислые газы, содержащиеся в некоторых аэрозолях и холодильном оборудовании. Над Арктикой и Антарктидой в озоновом слое были обнаружены огромные дыры, способствующие увеличению количества ультрафиолетового излучения, воздействующего на поверхность Земли.

Озон образуется в нижних слоях атмосферы в результате между солнечным излучением и различными выхлопными дымами и газами. Обычно он рассеивается по атмосфере, но, если под слоем теплого воздуха образуется замкнутый слой холодного, озон концентрируется и возникает смог. К сожалению, это не может восполнять потери озона в озоновых дырах.

На фотоснимке со спутника хорошо видна дыра в озоновом слое над Антарктикой. Размеры дыры меняются, но ученые считают, что она постоянно увеличивается. Предпринимаются попытки снизить уровень выхлопных газов в атмосфере. Следует уменьшать загрязнение воздуха и применять в городах бездымные виды топлива. Смог вызывает раздражение глаз и удушье у многих людей.

Возникновение и эволюция атмосферы Земли

Современная атмосфера Земли представляет собой результат длительного эволюционного развития. Она возникла в результате совместных действий геологических факторов и жизнедеятельности организмов. В течение всей геологической истории земная атмосфера пережила несколько глубоких перестроек. На основе геологических данных и теоретических (предпосылок первозданная атмосфера молодой Земли, существовавшая около 4 млрд. лет тому назад, могла состоять из смеси инертных и благородных газов с небольшим добавлением пассивного азота (Н. А. Ясаманов, 1985; А. С. Монин, 1987; О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991, 1993). В настоящее время взгляд на состав и строение ранней атмосферы несколько видоизменился. Первичная атмосфера (протоатмосфера) на самой ранней протопланетной стадии., т.е. старше чем 4,2 млрд. лет, могла состоять из смеси метана, аммиака и углекислого газа. В результате дегазации мантии и протекающих на земной поверхности активных процессов выветривания в атмосферу стали поступать пары воды, соединения углерода в виде СO 2 и СО, серы и ее соединений, а также сильных галогенных кислот — НСI, НF, НI и борной кислоты, которые дополнялись находившимися в атмосфере метаном, аммиаком, водородом, аргоном и некоторыми другими благородными газами. Эта первичная атмосфера была чрезвычайно тонкой. Поэтому температура у земной поверхности была близкой к температуре лучистого равновесия (А. С. Монин, 1977).

С течением времени газовый состав первичной атмосферы под влиянием процессов выветривания горных пород, выступавших на земной поверхности, жизнедеятельности цианобактерий и сине-зеленых водорослей, вулканических процессов и действия солнечных лучей стал трансформироваться. Привело это к разложению метана на и углекислоту, аммиака — на азот и водород; во вторичной атмосфере стали накапливаться углекислый газ, который медленно опускался к земной поверхности, и азот. Благодаря жизнедеятельности сине-зеленых водорослей в процессе фотосинтеза стал вырабатываться кислород, который, однако, в начале в основном расходовался на «окисление атмосферных газов, а затем и горных пород. При этом аммиак, окислившийся до молекулярного азота, стал интенсивно накапливаться в атмосфере. Как предполагается, значительная чаешь азота современной атмосферы является реликтовой. Метан и оксид углерода окислялись до углекислоты. Сера и сероводород окислялись до SO 2 и SO 3 , которые вследствие своей высокой подвижности и легкости быстро удалились из атмосферы. Таким образом, атмосфера из восстановительной, какой она была в архее и раннем протерозое, постепенно превращалась в окислительную.

Углекислый газ поступал в атмосферу как вследствие окисления метана, так и в результате дегазации мантии и выветривания горных пород. В том случае, если бы весь углекислый газ, выделившийся за всю историю Земли, сохранился в атмосфере, его парциальное давление в настоящее время могло стать таким же, как на Венере (О. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991). Но на Земле действовал обратный процесс. Значительная часть углекислого газа из атмосферы растворялась в гидросфере, в которой он использовался гидробионтами для построения своей раковины и биогенным путем превращался в карбонаты. В дальнейшем из них были сформированы мощнейшие толщи хемогенных и органогенных карбонатов.

Кислород в атмосферу поступал из трех источников. В течение длительного времени, начиная с момента возникновения Земли, он выделялся в процессе дегазации мантии и в основном расходовался на окислительные процессы, Другим источником кислорода была фотодиссоциация паров воды жестким ультрафиолетовым солнечным излучением. Появлений; свободного кислорода в атмосфере привело к гибели большинства прокариот, которые обитали в восстановительных условиях. Прокариотные организмы сменили места своего обитания. Они ушли с поверхности Земли в ее глубины и области, где еще сохранялись восстановительные условия. Им на смену пришли эукариоты, которые стали энергично перерабатывать углекислоту в кислород.

В течение архея и значительной части протерозоя практически весь кислород, возникающий как: абиогенным, так и биогенным путем, в основном расходовался на окисление железа и серы. Уже к концу протерозоя все металлическое двухвалентное железо, находившееся на земной поверхностей или окислилось, или переместилось в земное ядро. Это привело к тому, что парциальное давление кислорода в раннепротерозойской атмосфере изменилось.

В середине протерозоя концентрация кислорода в атмосфере достигала точки Юри и составляла 0,01% современного уровня. Начиная с этого времени кислород стал накапливаться в атмосфере и, вероятно, уже в конце рифея его содержание достигло точки Пастера (0,1% современного уровня). Возможно, в вендском периоде возник озоновый слой и Ь этого времени уже никогда не исчезал.

Появление свободного кислорода в земной атмосфере стимулировало эволюцию жизни и привело к возникновению новых форм с более совершенным метаболизмом. Если ранее эукариотные одноклеточные водоросли и цианеи, появившиеся в начале протерозоя, требовали содержания кислорода в воде всего 10 -3 его современной концентрации, то с возникновением бесскелетных Metazoa в конце раннего венда, т. е. около 650 млн. лет тому назад, концентрация кислорода в атмосфере должна была бы быть значительно выше. Ведь Metazoa использовали кислородное дыхание и для этого требовалось, чтобы парциальное давление кислорода достигло критического уровня — точки Пастера. В этом случае анаэробный процесс брожения сменился энергетически более перспективным и прогрессивным кислородным метаболизмом.

После этого дальнейшее накопление кислорода в земной атмосфере происходило довольно быстро. Прогрессивное увеличение объема сине-зеленых водорослей способствовало достижению в атмосфере необходимого для жизнеобеспечения животного мира уровня кислорода. Определенная стабилизация содержания кислорода в атмосфере произошла с того момента, когда растения вышли на сушу, — примерно 450 млн. лет назад. Выход растений на сушу, происшедший в силурийском периоде, привел к окончательной стабилизации уровня кислорода в атмосфере. Начиная с этого времени его концентрация стала колебаться в довольно узких пределах, никогда не всходивших за рамки существования жизни. Полностью концентрация кислорода в атмосфере стабилизировалась со времени появления цветковых растений. Это событие произошло в середине мелового периода, т.е. около 100 млн. лет тому назад.

Основная масса азота сформировалась на ранних стадиях развития Земли, главным образом за счет разложения аммиака. С появлением организмов начался процесс связывания атмосферного азота в органическое вещество и захоронения его в морских осадках. После выхода организмов на сушу азот стал захоронятся и в континентальных осадках. Особенно усилились процессы переработки свободного азота с появлением наземных растений.

На рубеже криптозоя и фанерозоя, т. е. около 650 млн. лет тому назад, содержание углекислого газа в атмосфере снизилось до десятых долей процентов, а содержания, близкого к современному уровню, он достиг лишь совсем недавно, примерно 10-20 млн. лет тому назад.

Таким образом, газовый состав атмосферы не только предоставлял организмам жизненное пространство, но и определял особенности их жизнедеятельности, способствовал расселению и эволюции. Возникающие сбои в распределении благоприятного для организмов газового состава атмосферы как из-за космических, так и планетарных причин приводили к массовым вымираниям органического мира, которые неоднократно происходили в течение криптозоя и на определенных рубежах фанерозойской истории.

Этносферные функции атмосферы

Атмосфера Земли обеспечивает необходимым веществом, энергией и определяет направленность и скорость метаболических процессов. Газовый состав современной атмосферы является оптимальным для существования и развития жизни. Будучи областью формирования погоды и климата, атмосфера должна создавать комфортные условия для жизнедеятельности людей, животных и растительности. Отклонения в ту или другую сторону в качестве атмосферного воздуха и погодных условиях создают экстремальные условия для жизнедеятельности животного и растительного мира, в том числе и для человека.

Атмосфера Земли не только обеспечивает условия существования человечества, являясь основным фактором эволюции этносферы. Она в то же время оказывается энергетическим и сырьевым ресурсом производства. В целом атмосфера — это фактор, сохраняющий здоровье человека, а некоторые области в силу физико-географических условий и качества атмосферного воздуха служат рекреационными территориями и являются областями, предназначенными для санаторно-курортного лечения и отдыха людей. Таким образом, атмосфера является фактором эстетического и эмоционального воздействия.

Этносферные и техносферные функции атмосферы, определенные совсем недавно (Е. Д. Никитин, Н. А. Ясаманов, 2001), нуждаются в самостоятельном и углубленном исследовании. Так, весьма актуальным является изучение энергетических атмосферных функций как с точки зрения возникновения и действия процессов, наносящих ущерб окружающей среде, так и с точки зрения воздействия на здоровье и благосостояние людей. В данном случае речь идет об энергии циклонов и антициклонов, атмосферных вихрей, атмосферном давлении и других экстремальных атмосферных явлениях, эффективное использование которых будет способствовать успешному решению проблемы получения не загрязняющих окружающую среду альтернативных источников энергии. Ведь воздушная среда, особенно та ее часть, которая располагается над Мировым океаном, является областью выделения колоссального объема свободной энергии.

Например, установлено, что тропические циклоны средней силы только за сутки выделяют энергию, эквивалентную энергии 500 тыс. атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. За 10 дней существования такого циклона высвобождается энергия, достаточная для удовлетворения всех энергетических потребностей такой страны, как США, в течение 600 лет.

В последние годы было опубликовано большое количество работ ученых естественнонаучного профиля, в той или иной мере касающихся разных сторон деятельности и влияния атмосферы на земные процессы, что свидетельствует об активизации междисциплинарных взаимодействий в современном естествознании. При этом проявляется интегрирующая роль определенных его направлений, среди которых надо отметить функционально-экологическое направление в геоэкологии.

Данное направление стимулирует анализ и теоретическое обобщение по экологическим функциям и планетарной роли различных геосфер, а это, в свою очередь, является важной предпосылкой для разработки методологии и научных основ целостного изучения нашей планеты, рационального использования и охраны ее природных ресурсов.

Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы, ионосферы и экзосферы. В верхней части тропосферы и нижней части стратосферы располагается слой, обогащенный озоном, именуемый озоновым экраном. Установлены определенные (суточные, сезонные, годовые и т. д.) закономерности в распределении озона. Со времени своего возникновения атмосфера влияет на течение планетарных процессов. Первичный состав атмосферы был совершенно иным, чем в настоящее время, но с течением времени неуклонно росли доля и роль молекулярного азота, около 650 млн. лет назад появился свободный кислород, количество которого непрерывно повышалось, но соответственно снижалась концентрация углекислого газа. Высокая подвижность атмосферы, ее газовый состав и наличие аэрозолей обусловливают ее выдающуюся роль и активное участие в разнообразных геологических и биосферных процессах. Велика роль атмосферы в перераспределении солнечной энергии и развитии катастрофических стихийных явлений и бедствий. Негативное воздействие на органический мир и природные системы оказывают атмосферные вихри — смерчи (торнадо), ураганы, тайфуны, циклоны и другие явления. Основными источниками загрязнений наряду с природными факторами выступают различные формы хозяйственной деятельности человека. Антропогенные воздействия на атмосферу выражаются не только в появлении различных аэрозолей и парниковых газов, но ив увеличении количества водяных паров, и проявляются в виде смогов и кислотных дождей. Парниковые газы меняют температурный режим земной поверхности, выбросы некоторых газов уменьшают объем озонового экрана и способствуют возникновению озоновых дыр. Велика этносферная роль атмосферы Земли.

Роль атмосферы в природных процессах

Приземная атмосфера в своего промежуточного состояния между литосферой и космическим пространством и своего газового состава создает условия для жизнедеятельности организмов. Вместе с тем от количества, характера и периодичности атмосферных осадков, от частот и силы ветров и особенно от температуры воздуха зависят выветривание и интенсивность разрушения горных пород, перенос и аккумуляция обломочного материала. Атмосфера выступает центральным компонентом климатической системы. Температура и влажность воздуха, облачность и осадки, ветер — все это характеризует погоду, т. е. непрерывно меняющееся состояние атмосферы. Одновременно эти же компоненты характеризуют и климат, т. е. усредненный многолетний режим погоды.

Состав газов, наличие облачности и различных примесей, которые называются аэрозольными частицами (пепел, пыль, частички водяного пара), определяют особенности прохождения солнечной радиации сквозь атмосферу и препятствуют уходу теплового излучения Земли в космическое пространство.

Атмосфера Земли очень подвижна. Возникающие в ней процессы и изменения ее газового состава, толщины, облачности, прозрачности и наличие в ней тех или иных аэрозольных частиц воздействуют как на погоду, так и на климат.

Действие и направленность природных, процессов, а также жизнь и деятельность на Земле определяются солнечной радиацией. Она дает 99,98% теплоты, поступающей на земную поверхность. Ежегодно это составляет 134*10 19 ккал. Такое количество теплоты можно получить при сжигании 200 млрд. т. каменного угля. Запасов водорода, создающего этот поток термоядерной энергии в массе Солнца, хватит, по крайней мере, еще на 10 млрд. лет, т. е. на период в два раза больший, чем существуют само и наша планета.

Около 1/3 общего количества солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается обратно в мировое пространство, 13% поглощается озоновым слоем (в том числе почти вся ультрафиолетовая радиация),. 7% — остальной атмосферой и лишь 44% достигает земной поверхности. Суммарная солнечная радиация, достигающая Земли за сутки, равна энергии, которую человечество получило в результате сжигания всех видов топлива за последнее тысячелетие.

Количество и характер распределения солнечной радиации на земной поверхности находятся в тесной зависимости от облачности и прозрачности атмосферы. На величину рассеянной радиации влияют высота Солнца над горизонтом, прозрачность атмосферы, содержание в ней водяных паров, пыли, общее количество углекислоты и т. д.

Максимальное количество рассеянной радиации попадает в полярные районы. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше теплоты поступает на данный участок местности.

Большое значение имеют прозрачность атмосферы и облачность. В пасмурный летний день обычно холоднее, чем в ясный, так как дневная облачность препятствует нагреванию земной поверхности.

Большую роль в распределении теплоты играет запыленность атмосферы. Находящиеся в ней тонкодисперсные твердые частицы пыли и пепла, влияющие на ее прозрачность, отрицательно сказываются на распределении солнечной радиации, большая часть которой отражается. Тонкодисперсные частицы попадают в атмосферу двумя путями: это или пепел, выбрасываемый во время вулканических извержений, или пыль пустынь, переносимая ветрами из аридных тропических и субтропических областей. Особенно много такой пыли образуется в период засух, когда потоками теплого воздуха она выносится в верхние слои атмосферы и способна находиться там продолжительное время. После извержения вулкана Кракатау в 1883 г. пыль, выброшенная на десятки километров в атмосферу, находилась в стратосфере около 3 лет. В результате извержения в 1985 г. вулкана Эль-Чичон (Мексика) пыль достигла Европы, и поэтому произошло некоторое понижение приземных температур.

Атмосфера Земли содержит переменное количество водяного пара. В абсолютном исчислении по массе или объему его количество составляет от 2 до 5%.

Водяной пар, как и углекислота, усиливает парниковый эффект. В возникающих в атмосфере облаках и туманах протекают своеобразные физико-химические процессы.

Первоисточником водяного пара в атмосферу является поверхность Мирового океана. С него ежегодно испаряется слой воды толщиной от 95 до 110 см. Часть влаги возвращается в океан после конденсации, а другая воздушными потоками направляется в сторону материков. В областях переменно-влажного климата осадки увлажняют почву, а во влажных создают запасы грунтовых вод. Таким образом, атмосфера является аккумулятором влажности и резервуаром осадков. и туманы, формирующиеся в атмосфере, обеспечивают влагой почвенный покров и тем самым играют определяющую роль в развитии животного и растительного мира.

Атмосферная влага распределяется по земной поверхности благодаря подвижности атмосферы. Ей присуща весьма сложная система ветров и распределения давления. В связи с тем что атмосфера находится в непрерывном движении, характер и масштабы распределения ветровых потоков и давления все время меняются. Масштабы циркуляции изменяются от микрометеорологических, размером всего в несколько сотен метров, до глобального — в несколько десятков тысяч километров. Огромные атмосферные вихри участвуют в создании систем крупномасштабных воздушных течений и определяют общую циркуляцию атмосферы. Кроме того, они являются источниками катастрофических атмосферных явлений.

От атмосферного давления зависит распределение погодных и климатических условий и функционирование живого вещества. В том случае, если атмосферное давление колеблется в небольших пределах, оно не играет решающей роли в самочувствии людей и поведении животных и не отражается на физиологических функциях растений. С изменением давления, как правило, связаны фронтальные явления и изменения погоды.

Фундаментальное значение имеет атмосферное давление для формирования ветра, который, являясь рельефообразующим фактором, сильнейшим образом воздействует на животный и растительный мир.

Ветер способен подавить рост растений и в то же время способствует переносу семян. Велика роль ветра в формировании погодных и климатических условий. Выступает он и в качестве регулятора морских течений. Ветер как один из экзогенных факторов способствует эрозии и дефляции выветрелого материала на большие расстояния.

Эколого-геологическая роль атмосферных процессов

Уменьшение прозрачности атмосферы за счет появления в ней аэрозольных частиц и твердой пыли влияет на распределение солнечной радиации, увеличивая альбедо или отражательную способность. К такому же результату приводят и разнообразные химические реакции, вызывающие разложение озона и генерацию «перламутровых» облаков, состоящих из водяного пара. Глобальное изменение отражательной способности, так же как изменения газового состава атмосферы, главным образом парниковых газов, являются причиной климатических изменений.

Неравномерное нагревание, вызывающее различия в атмосферном давлении над разными участками земной поверхности, приводит к атмосферной циркуляции, которая является отличительной чертой тропосферы. При возникновении разности в давлении воздух устремляется из областей повышенного давления в область пониженных давлений. Эти перемещения воздушных масс вместе с влажностью и температурой определяют основные эколого-геологические особенности атмосферных процессов.

В зависимости от скорости ветер производит на земной поверхности различную геологическую работу. При скорости 10 м/с он качает толстые ветви деревьев, поднимает и переносит пыль и мелкий песок; со скоростью 20 м/с ломает ветви деревьев, переносит песок и гравий; со скоростью 30 м/с (буря) срывает крыши домов, вырывает с корнем деревья, ломает столбы, передвигает гальку и переносит мелкий щебень, а ураганный ветер со скоростью 40 м/с разрушает дома, ломает и сносит столбы линий электропередач, вырывает с корнем крупные деревья.

Большое негативное экологическое воздействие с катастрофическими последствиями оказывают шквальные бури и смерчи (торнадо) — атмосферные вихри, возникающие в теплое время года на мощных атмосферных фронтах, имеющие скорость до 100 м/с. Шквалы — это горизонтальные вихри с ураганной скоростью ветра (до 60-80 м/с). Они часто сопровождаются мощными ливнями и грозами продолжительностью от нескольких минут до получаса. Шквалы охватывают территории шириной до 50 км и проходят расстояние в 200-250 км. Шквальная буря в Москве и Подмосковье в 1998 г. повредила крыши многих домов и повалила деревья.

Смерчи, называемые в Северной Америке торнадо, представляют собой мощные воронкообразные атмосферные вихри, часто связанные с грозовыми облаками. Это суживающиеся в середине столбы воздуха диаметром от нескольких десятков до сотен метров. Смерч имеет вид воронки, очень похожей на хобот слона, спускающейся с облаков или поднимающейся с поверхности земли. Обладая сильной разреженностью и высокой скоростью вращения, смерч проходит путь до нескольких сотен километров, втягивая в себя пыль, воду из водоемов и различные предметы. Мощные смерчи сопровождаются грозой, дождем и обладают большой разрушительной силой.

Смерчи редко возникают в приполярных или экваториальных областях, где постоянно холодно или жарко. Мало смерчей в открытом океане. Смерчи происходят в Европе, Японии, Австралии, США, а в России особенно часты в Центрально-Черноземном районе, в Московской, Ярославской, Нижегородской и Ивановской областях.

Смерчи поднимают и перемещают автомобили, дома, вагоны, мосты. Особенно разрушительные смерчи (торнадо) наблюдаются в США. Ежегодно отмечается от 450 до 1500 торнадо с числом жертв в среднем около 100 человек. Смерчи относятся к быстродействующим катастрофическим атмосферным процессам. Они формируются всего за 20-30 мин, а время их существования 30 мин. Поэтому предсказать время и место возникновения смерчей практически невозможно.

Другими разрушительными, но действующими продолжительное время атмосферными вихрями являются циклоны. Они образуются из-за перепада давления, которое в определенных условиях способствует возникновению кругового движения воздушных потоков. Атмосферные вихри зарождаются вокруг мощных восходящих потоков влажного теплого воздуха и с большой скоростью вращаются по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой — в северном. Циклоны в отличие от смерчей зарождаются над океанами и производят свои разрушительные действия над материками. Основными разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде снегопада, ливней, града и нагонные наводнения. Ветры со скоростями 19 — 30 м/с образуют бурю, 30 — 35 м/с — шторм, а более 35 м/с — ураган.

Тропические циклоны — ураганы и тайфуны — имеют среднюю ширину в несколько сот километров. Скорость ветра внутри циклона достигает ураганной силы. Длятся тропические циклоны от нескольких дней до нескольких недель, перемещаясь со скоростью от 50 до 200 км/ч. Циклоны средних широт имеют больший диаметр. Поперечные размеры их составляют от тысячи до нескольких тысяч километров, скорость ветра штормовая. Движутся в северном полушарии с запада и сопровождаются градом и снегопадом, имеющими катастрофический характер. По числу жертв и наносимому ущербу циклоны и связанные с ними ураганы и тайфуны являются самыми крупными после наводнений атмосферными стихийными явлениями. В густонаселенных районах Азии число жертв во время ураганов измеряется тысячами. В 1991 г. в Бангладеш во время урагана, который вызвал образование морских волн высотой 6 м, погибло 125 тыс. человек. Большой ущерб наносят тайфуны территории США. При этом гибнут десятки и сотни людей. В Западной Европе ураганы приносят меньший ущерб.

Катастрофическим атмосферным явлением считаются грозы. Они возникают при очень быстром поднятии теплого влажного воздуха. На границе тропического и субтропического поясов грозы происходят по 90-100 дней в году, в умеренном поясе по 10-30 дней. В нашей стране наибольшее количество гроз случается на Северном Кавказе.

Грозы обычно продолжаются менее часа. Особую опасность представляют интенсивные ливни, градобития, удары молнии, порывы ветра, вертикальные потоки воздуха. Опасность градобития определяется размерами градин. На Северном Кавказе масса градин однажды достигала 0,5 кг, а в Индии отмечены градины массой 7 кг. Наиболее градоопасные районы у нас в стране находятся на Северном Кавказе. В июле 1992 г. град повредил в аэропорту «Минеральные Воды» 18 самолетов.

К опасным атмосферным явлениям относятся молнии. Они убивают людей, скот, вызывают пожары, повреждают электросеть. От гроз и их последствий ежегодно в мире гибнет около 10 000 человек. Причем в некоторых районах Африки, во Франции и США число жертв от молний больше, чем от других стихийных явлений. Ежегодный экономический ущерб от гроз в США составляет не менее 700 млн. долларов.

Засухи характерны для пустынных, степных и лесостепных регионов. Недостаток атмосферных осадков вызывает иссушение почвы, понижение уровня подземных вод и в водоемах до полного их высыхания. Дефицит влаги приводит к гибели растительности и посевов. Особенно сильными бывают засухи в Африке, на Ближнем и Среднем Востоке, в Центральной Азии и на юге Северной Америки.

Засухи изменяют условия жизнедеятельности человека, оказывают неблагоприятное воздействие на природную среду через такие процессы, как осолонение почвы, суховеи, пыльные бури, эрозия почвы и лесные пожары. Особенно сильными пожары бывают во время засухи в таежных районах, тропических и субтропических лесах и саваннах.

Засухи относятся к кратковременным процессам, которые продолжаются в течение одного сезона. В том случае, когда засухи длятся более двух сезонов, возникает угроза голода и массовой смертности. Обычно действие засухи распространяется на территорию одной или нескольких стран. Особенно часто продолжительные засухи с трагическими последствиями возникают в Сахельской области Африки.

Большой ущерб приносят такие атмосферные явления, как снегопады, кратковременные ливневые дожди и продолжительные затяжные дожди. Снегопады вызывают массовые сходы лавин в горах, а быстрое таяние выпавшего снега и ливневые продолжительные дожди приводят к наводнениям. Огромная масса воды, падающая на земную поверхность, особенно в безлесных районах, вызывает сильную эрозию почвенного покрова. Происходит интенсивный рост овражно-балочных систем. Наводнения возникают в результате крупных паводков в период обильного выпадения атмосферных осадков или половодья после внезапно наступившего потепления или весеннего таяния снега и, следовательно, по происхождению относятся к атмосферным явлениям (они рассматриваются в главе, посвященной экологической роли гидросферы).

Антропогенные изменения атмосферы

В настоящее время имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По своим масштабам наибольшее воздействие на атмосферу оказывают два источника: транспорт и промышленность. В среднем на долю транспорта приходится около 60% общего количества атмосферных загрязнений, промышленности — 15, тепловой энергетики — 15, технологий уничтожения бытовых и промышленных отходов — 10%.

Транспорт в зависимости от используемого топлива и типов окислителей выбрасывает в атмосферу оксиды азота, серы, оксиды и диоксиды углерода, свинца и его соединений, сажу, бензопирен (вещество из группы полициклических ароматических углеводородов, которое является сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи).

Промышленность выбрасывает в атмосферу сернистый газ, оксиды и диоксиды углерода, углеводороды, аммиак, сероводород, серную кислоту, фенол, хлор, фтор и другие соединения и химические . Но главенствующее положение среди выбросов (до 85%) занимает пыль.

В результате загрязнения меняется прозрачность атмосферы, в ней возникают аэрозоли, смог и кислотные дожди.

Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела или капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде. Размер частиц дисперсной фазы обычно составляет 10 -3 -10 -7 см. В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на две группы. К одной относят аэрозоли, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде, ко второй — аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые называют дымами, а вторые — туманами. В процессе их образования большую роль играют центры конденсации. В качестве ядер конденсации выступают вулканический пепел, космическая пыль, продукты промышленных выбросов, различные бактерии и др. Число возможных источников ядер концентрации непрерывно растет. Так, например, при уничтожении огнем сухой травы на площади 4000 м 2 образуется в среднем 11*10 22 ядер аэрозолей.

Аэрозоли начали образовываться с момента возникновения нашей планеты и влияли на природные условия. Однако их количество и действия, уравновешиваясь с общим круговоротом веществ в природе, не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные факторы их образования сдвинули это равновесие в сторону значительных биосферных перегрузок. Особенно сильно эта особенность проявляется с тех пор, как человечество стало использовать специально создаваемые аэрозоли как в виде отравляющих веществ, так и для защиты растений.

Наиболее опасными для растительного покрова являются аэрозоли сернистого газа, фтористого водорода и азота. При соприкосновении с влажной поверхностью листа они образуют кислоты, губительно воздействующие на живые . Кислотные туманы попадают вместе с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы животных и человека, агрессивно воздействуют на слизистые оболочки. Одни из них разлагают живую ткань, а радиоактивные аэрозоли вызывают онкологические заболевания. Среди радиоактивных изотопов особую опасность представляет Sг 90 не только своей канцерогенностью, но и как аналог кальция, замещающий его в костях организмов, вызывая их разложение.

Во время ядерных взрывов в атмосфере образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы радиусом 1 — 10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой они способны находиться длительное время. Аэрозольные облака образуются также во время работы реакторов промышленных установок, производящих ядерное топливо, а также в результате аварий на АЭС.

Смог представляет собой смесь аэрозолей с жидкой и твердой дисперсными фазами, которые образуют туманную завесу над промышленными районами и крупными городами.

Различают три вида смога: ледяной, влажный и сухой. Ледяной смог назван аляскинским. Это сочетание газообразных загрязнителей с добавлением пылеватых частиц и кристалликов льда, которые возникают при замерзании капель тумана и пара отопительных систем.

Влажный смог, или смог лондонского типа, иногда называется зимним. Он представляет собой смесь газообразных загрязнителей (в основном сернистого ангидрита), пылеватых частиц и капель тумана. Метеорологической предпосылкой для появления зимнего смога является безветренная погода, при которой слой теплого воздуха располагается над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м). При этом отсутствует не только горизонтальный, но и вертикальный обмен. Загрязняющие вещества, обычно рассеивающиеся в высоких слоях, в данном случае накапливаются в приземном слое.

Сухой смог возникает в летнее время, и его нередко называют смогом лос-анджелесского типа. Он представляет собой смесь озона, угарного газа, оксидов азота и паров кислот. Образуется такой смог в результате разложения загрязняющих веществ солнечной радиацией, особенно ультрафиолетовой ее частью. Метеорологической предпосылкой является атмосферная инверсия, выражающаяся в появлении слоя холодного воздуха над теплым. Обычно поднимаемые теплыми потоками воздуха газы и твердые частицы затем рассеиваются в верхних холодных слоях, но в данном случае накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза диоксиды азота, образованные при сгорании топлива в двигателях автомобилей, распадаются:

NO 2 → NO + О

Затем происходит синтез озона:

O + O 2 + M → O 3 + M

NO + О → NO 2

Процессы фотодиссоциации сопровождаются желто-зеленым свечением.

Кроме того, происходят реакции по типу: SO 3 + Н 2 0 -> Н 2 SO 4 , т. е. образуется сильная серная кислота.

С изменением метеорологических условий (появление ветра или изменение влажности) холодный воздух рассеивается и смог исчезает.

Наличие канцерогенных веществ в смоге приводит к нарушению дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, возникновению астматических удуший и нередко к смерти. Особенно опасен смог для малолетних детей.

Кислотные дожди представляют собой атмосферные осадки, подкисленные растворенными в них промышленными выбросами оксидов серы, азота и паров хлорной кислоты и хлора. В процессе сжигания угля, и газа большая часть находящейся в ней серы как в виде оксида, так в соединениях с железом, в частности в пирите, пирротине, халькопирите и т. д., превращается в оксид серы, который вместе с диоксидом углерода выбрасывается в атмосферу. При соединении атмосферного азота и технических выбросов с кислородом образуются различные оксиды азота, причем объем образовавшихся оксидов азота зависит от температуры горения. Основная масса оксидов азота возникает во время эксплуатации автотранспорта и тепловозов, а меньшая часть приходится на энергетику и промышленные предприятия. Оксиды серы и азота — главные кислотообразователи. При реакции с атмосферным кислородом и находящимися в нем парами воды образуются серная и азотная кислоты.

Известно, что щелочно-кислотный баланс среды определяется величиной рН. Нейтральная среда имеет величину рН, равную 7, кислая — 0, а щелочная — 14. В современную эпоху величина рН дождевой воды составляет 5,6, хотя в недавнем прошлом она была нейтральной. Уменьшение значения рН на единицу соответствует десятикратному повышению кислотности и, следовательно, в настоящее время практически повсеместно выпадают дожди с повышенной кислотностью. Максимальная кислотность дождей, зарегистрированная в Западной Европе, составляла 4-3,5 рН. При этом надо учесть, что величина рН, равная 4-4,5, смертельна для большинства рыб.

Кислотные дожди оказывают агрессивное воздействие на растительный покров Земли, на промышленные и жилые здания и способствуют существенному ускорению выветривания обнаженных горных пород. Повышение кислотности препятствует саморегуляции нейтрализации почв, в которых растворяются питательные вещества. В свою очередь, это приводит к резкому снижению урожайности и вызывает деградацию растительного покрова. Кислотность почв способствует освобождению находящихся в связанном состоянии тяжелых , которые постепенно усваиваются растениями, вызывая у них серьезные повреждения тканей и проникая в пищевые цепочки человека.

Изменение щелочно-кислотного потенциала морских вод, особенно в мелководьях, ведет к прекращению размножения многих беспозвоночных, вызывает гибель рыб и нарушает экологическое равновесие в океанах.

В результате кислотных дождей под угрозой гибели находятся лесные массивы Западной Европы, Прибалтики, Карелии, Урала, Сибири и Канады.

Oн невидимый, и все же без него мы жить не можем

Каждый из нас понимает, насколько воздух необходим для жизни. Выражение «Это необходимо как воздух» можно услышать, когда говорят о чем-то очень важном для жизни человека. Мы с детства знаем, что жить и дышать — это практически одно и то же.

А Вы знаете, сколько времени человек может прожить без воздуха?

Не все люди знают, сколько воздуха они вдыхают. Оказывается, за сутки, делая около 20000 вдохов-выдохов, человек пропускает через легкие 15 кг воздуха, тогда как пищи он поглощает всего примерно 1,5 кг, а воды 2-3 кг.В то же время воздух для нас — нечто само собой разумеющееся, как восход солнца каждое утро. К сожалению, мы ощущаем его только тогда, когда его не хватает, или когда он загрязнен. Мы забываем, что все живое на Земле развиваясь в течение миллионов лет приспособилось к жизни в условиях атмосферы определенного природного состава.

Давайте посмотрим из чего состоит воздух.

И сделаем вывод: Воздух — это смесь газов. Кислорода в нем около 21 % (приблизительно 1/5 по объему), на долю азота приходится около 78 %. Остальные обязательные составные части — инертные газы (прежде всего аргон), углекислый газ, а также другие химические соединения.

Изучать состав воздуха начали в XVIII в., когда химики научились собирать газы и проводить с ними опыты. Если Вы интересуетесь историей науки, посмотрите небольшой фильм, посвященный истории открытия воздуха.

Содержащийся в воздухе кислород требуется для дыхания живых организмов. В чем состоит сущность процесса дыхания? Как известно, в процессе дыхания организм потребляет кислород воздуха. Кислород воздуха требуется для многочисленных химических реакций, которые непрерывно протекают во всех клетках, тканях и органах живых организмов. В процессе этих реакций при участии кислорода медленно «сгорают» с образованием углекислого газа те вещества, которые поступили с пищей. При этом освобождается заключенная в них энергия. За счет этой энергии организм и существует, используя ее на все функции — синтез веществ, сокращение мышц, работу всех органов и др.

В природе существуют также некоторые микроорганизмы, способные использовать в процессе жизнедеятельности азот. За счет углекислого газа, содержащегося в воздухе, происходит процесс фотосинтеза, живет биосфера Земли в целом.

Как Вы знаете, воздушная оболочка Земли называется атмосферой. Атмосфера простирается примерно на 1000 км от Земли — это своеобразный барьер между Землей и космосом. По характеру изменения температуры в атмосфере существует несколько слоев:

Атмосфера — это своеобразный барьер между Землей и космосом. Она смягчает действие космического излучения и обеспечивает на Земле условия для развития и существования жизни. Именно атмосфера первой из земных оболочек встречает солнечные лучи и поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, которое губительно действует на все живые организмы.

Еще одна «заслуга» атмосферы связана с тем, что она почти полностью поглощает собственное невидимое тепловое (инфракрасное) излучение Земли и возвращает большую его часть обратно. То есть атмосфера, прозрачная по отношению к солнечным лучам, в то же время представляет собой воздушное «одеяло», которое не позволяет Земле остывать. Тем самым на нашей планете поддерживается оптимальная для жизни разнообразных живых существ температура.

Состав современной атмосферы — уникальный, единственный в нашей планетной системе.

Первичная атмосфера Земли состояла из метана, аммиака и других газов. Вместе с развитием планеты атмосфера существенно изменялась. Живые организмы сыграли ведущую роль в образовании того состава атмосферного воздуха, который возник и поддерживается при их участии в настоящее время. Вы можете посмотреть более подробно историю формирования атмосферы на Земле.

Природные процессы, как потребления, так и образования компонентов атмосферы приблизительно уравновешивают друг друга, то есть обеспечивают постоянный состав газов, составляющих атмосферу.

Без хозяйственной деятельности человека природа справляется с такими явлениями, как поступление в атмосферу вулканических газов, дыма от природных пожаров, пыли от природных пыльных бурь. Эти выбросы рассеиваются в атмосфере, оседают или выпадают на поверхность Земли с осадками. За них принимаются почвенные микроорганизмы, и в конце концов перерабатывают их в углекислый газ, сернистые и азотные соединения почвы, то есть в «обычные» компоненты воздуха и почвы. В этом и заключается причина того, что атмосферный воздух имеет в среднем постоянный состав. С появлением человека на Земле сначала постепенно, затем бурно и в настоящее время угрожающе начался процесс изменения газового состава воздуха и разрушения природной устойчивости атмосферы. Около 10 000 лет назад люди научились пользоваться огнем. К природным источникам загрязнения прибавились продукты сгорания различного вида топлива. Вначале это были древесина и другие виды растительного материала.

В настоящее время больше всего вреда атмосфере приносит искусственно произведенное топливо — продукты переработки нефти (бензин, керосин, соляровое масло, мазут) и синтетическое топливо. Сгорая, они образуют оксиды азота и серы, угарный газ, тяжелые металлы и другие ядовитые вещества неприродного происхождения (загрязнители).

Учитывая огромный масштаб использования техники в наши дни, можно представить себе, сколько двигателей автомобилей, самолетов, кораблей и другой техники ежесекундно г убят атмосферу Алексашина И.Ю., Космодамианский А.В., Орещенко Н.И. Естествознание: Учебник для 6 класса общеобразовательных учреждений. – СПб.: СпецЛит, 2001. – 239 с. .

Почему троллейбус и трамвай считаются экологически чистыми видами транспорта по сравнению с автобусом?

Особенно опасны для всего живого те устойчивые аэрозольные системы, которые образуются в атмосфере наряду с кислотными и многими другими газообразными отходами производства.Европа — одна из наиболее густонаселенных и промышленно развитых частей света. Мощная транспортная система, крупная промышленность, высокое потребление органического топлива и минерального сырья ведут к заметному повышению концентраций загрязнителей в воздухе. Практически во всех крупных городах Европы наблюдается смог Смог — аэрозоль, состоящий из дыма, тумана и пыли, один из видов загрязнения воздуха в крупных городах и промышленных центрах. Подробнее см.: http://ru.wikipedia.org/wiki/Смог и регулярно фиксируется повышенное содержание в воздухе таких опасных загрязнителей, как оксиды азота и серы, угарный газ, бензол, фенолы, мелкая пыль и др.

Не вызывает сомнения прямая связь повышения содержания вредных веществ в атмосфере с ростом аллергических заболеваний и болезней органов дыхания, а также рядом других заболеваний.

Необходимы серьезные меры в связи с возрастанием в городах количества автомобилей, планируемым в ряде городов России развитием промышленности, что неизбежно увеличит количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Посмотрите, как решаются проблемы чистоты атмосферного воздуха в «зеленой столице Европы» — Стокгольме.

Комплекс мероприятий для улучшения качества воздуха должен непременно включать улучшение экологических характеристик автомобилей; строительство системы газоочистки на промышленных предприятиях; использование природного газа, а не угля, как топлива на предприятиях энергетики. Сейчас в каждой развитой стране существует служба контроля за состоянием чистоты воздуха в городах и промышленных центрах, что несколько улучшило сложившуюся скверную ситуацию. Так, в Санкт-Петербурге действует автоматизированная система мониторинга атмосферного воздуха Санкт-Петербурга (АСМ). Благодаря ей не только органы государственной власти и местного самоуправления, но и жители города могут узнавать о состоянии атмосферного воздуха.

На здоровье жителей Санкт-Петербурга — мегаполиса с развитой сетью транспортных магистралей — оказывают влияние, в первую очередь, основные загрязняющие вещества: оксид углерода, оксид азота, диоксид азота, взвешенные вещества (пыль), диоксид серы, которые поступают в атмосферный воздух города от выбросов предприятий теплоэнергетики, промышленности, и от транспорта. В настоящее время доля выбросов от автотранспорта составляет 80% от общего объема выбросов основных загрязняющих веществ. (По экспертным оценкам, более чем в 150 городах России преобладающее влияние на загрязнение воздушного бассейна оказывает именно автотранспорт).

А как обстоят дела в вашем городе? Как Вы думаете, что можно и нужно делать, чтобы воздух в наших городах стал чище?

Помещена информация об уровне загрязнения атмосферного воздуха в районах расположения станций АСМ на территории Санкт-Петербурга.

Надо сказать, что в Санкт-Петербурге отмечена тенденция к уменьшению выбросов загрязнителей в атмосферу, однако причины этого явления связаны преимущественно с уменьшением количества работающих предприятий. Понятно, что с экономический точки зрения это не лучший способ снижения загрязнения.

Сделаем выводы.

Воздушная оболочка Земли — атмосфера — необходима для существования жизни. Газы, входящие в состав воздуха, участвуют в таких важных процессах, как дыхание, фотосинтез. Атмосфера отражает и поглощает солнечную радиацию и таким образом защищает живые организмы от губительных рентгеновских и ультрафиолетовых лучей. Углекислый газ удерживает тепловое излучение земной поверхности. Атмосфера Земли уникальна! От нее зависят наше здоровье и жизнь.

Человек бездумно накапливает в атмосфере отходы своей деятельности, что вызывает серьезные экологические проблемы. Нам всем необходимо не только осознавать свою ответственность за состояние атмосферы, но и по мере сил, делать то, что мы можем, для сохранения чистоты воздуха, основы нашей жизни.

Атмосфера Земли — это газовая оболочка нашей планеты. Кстати, подобные оболочки есть практически у всех небесных тел, начиная от планет Солнечной системы и заканчивая крупными астероидами. зависит от многих факторов — размера его скорости, массы и множества других параметров. Но только оболочка нашей планеты содержит в себе компоненты, которые позволяют нам жить.

Атмосфера Земли: краткая история возникновения

Считается, что в начале своего существования наша планета вообще не имела газовой оболочки. Но молодое, новообразованное небесное тело постоянно развивалось. Первичная атмосфера Земли образовалась в результате постоянных извержений вулканов. Именно так за много тысяч лет вокруг Земли образовалась оболочка из водяного пара, азота, углерода и других элементов (кроме кислорода).

Поскольку количество влаги в атмосфере ограничено, то ее избыток превращался в осадки — так формировались моря, океаны и прочие водоемы. В водной среде появлялись и развивались первые организмы, заселившие планету. Большинство из них относилось к растительным организмам, вырабатывающим кислород путем фотосинтеза. Таким образом, атмосфера Земли начала наполняться этим жизненно необходимым газом. А в результате скопления оксигена образовался и озоновый слой, которые защищал планету от губительного влияния ультрафиолетовых излучений. Именно эти факторы и создали все условия для нашего существования.

Строение атмосферы Земли

Как известно, газовая оболочка нашей планеты состоит из нескольких слоев — это тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера. Нельзя провести четкие границы между этими слоями — все зависит от времени года и широты участка планеты.

Тропосфера — нижняя часть газовой оболочки, высота которой составляет в среднем от 10 до 15 километров. Именно здесь сосредоточенная большая часть Кстати, именно тут находится вся влага и формируются облака. За счет содержания кислорода тропосфера поддерживает жизнедеятельность всех организмов. Кроме того, она имеет решающее значение в формировании погоды и климатических особенностей местности — здесь образуются не только облака, но и ветра. Температура падает с высотой.

Стратосфера — начинается от тропосферы и заканчивается на высоте от 50 до 55 километров. Здесь температура с высотой растет. Эта часть атмосферы практически не содержит водяного пара, но зато имеет озоновый слой. Иногда здесь можно заметить образование «перламутровых» облаков, которые можно увидеть только ночью — считается, что они представлены сильно конденсированными водяными каплями.

Мезосфера — тянется до 80 километров ввысь. В этом слое можно заметить резкое падение температуры по мере продвижения вверх. Здесь также сильно развита турбулентность. Кстати, в мезосфере образовываются так называемые «серебристые облака», которые состоят из небольших кристаллов льда — увидеть их можно только ночью. Интересно, что у верхней границы мезосферы воздуха практически нет — его в 200 раз меньше, чем возле земной поверхности.

Термосфера — это верхний слой земной газовой оболочки, в котором принято различать ионосферу и экзосферу. Интересно, что с высотой температура здесь очень резко поднимается — на высоте 800 километров от земной поверхности она составляет более 1000 градусов Цельсия. Ионосфера характеризируется сильно разжиженным воздухом и огромным содержанием активных ионов. Что же касается экзосферы, то эта часть атмосферы плавно переходит в межпланетное пространство. Стоит отметить, что термосфера не содержит в себе воздуха.

Можно заметить, что атмосфера Земли — это очень важная часть нашей планеты, которая остается решающим фактором в появлении жизни. Она обеспечивает жизнедеятельность, поддерживает существование гидросферы (водной оболочки планеты) и защищает от ультрафиолетовых излучений.

Марс и магнитосфера. Планета, которую можно отремонтировать / Хабр

Тема терраформирования Марса не один десяток лет относится к числу наиболее амбициозных планов человечества. Кажется, что марсианскую природу достаточно лишь немного «подправить», чтобы холодная планета бурь превратилась в жизнепригодный мир, расположенный в непосредственной близости от Земли.

Наряду с первоочередными задачами по увеличению концентрации кислорода и повышению температуры на Марсе требует решения еще одна проблема: восстановление марсианской магнитосферы. Дело в том, что на Марсе нет стабильного планетарного магнитного поля, хотя, остаточные магнитные поля на планете сохранились, особенно в южной части. Вопрос фатального влияния солнечного ветра на размагниченную планету подробно рассмотрен в научно-популярных источниках, в том числе, на Хабре. Поэтому читатели, уже интересовавшиеся проблемой марсианской магнитосферы, вполне могут пропустить обзор, расположенный прямо под катом, и переходить к самому интересному, в особенности, к инженерной части.

Обзор. Другая сторона солнечного ветра

Подходы к терраформированию Марса (приближению условий окружающей среды на нем к земным) постепенно детализируются и представляются все менее разрушительными и более «зелеными». В частности, Илон Маск, еще в 2015 году продвигавший идею о термоядерной бомбардировке Марса с целью вызвать на нем парниковый эффект, в 2019 году предлагал растопить марсианские льды при помощи системы орбитальных зеркал. Развивая эту идею, Роберт Зубрин и Кристофер Маккей рассуждали о 100-километровом цельном орбитальном зеркале. Тем не менее, сегодня считается, что даже всего льда с марсианских полярных шапок может не хватить для вызова парникового эффекта. Пытаясь поднять температуру на Марсе такими грубыми способами, мы бы боролись со следствиями, а не с причиной экологической катастрофы на этой планете. Причина продолжающегося истончения марсианской атмосферы заключается в выдувании ее солнечным ветром, а такая уязвимость атмосферы объясняется отсутствием у Марса постоянного магнитного поля. В далеком прошлом, 4,2-4,3 миллиарда лет назад Марс должен был обладать сильным магнитным полем, а последний период активного действия магнитосферы на Марсе относится, вероятно, к 3,7 миллиарда лет назад.

Наличие сильного магнитного поля у Земли объясняется действием токов (динамо) в жидком металлическом железоникелевом ядре планеты. Магнитное поле образует вокруг планеты так называемую «головную ударную волну», подобную той волне, что расходится от носовой части движущегося корабля, из-за чего солнечный ветер обтекает нашу планету с боков, не повреждая атмосферу.

Источник

Из-за того, что в период образования крупных марсианских равнин магнитное поле выключилось, атмосфера Марса оказалась беззащитна, и постепенно превратилась в тонкий слой углекислого газа с незначительными примесями, наблюдаемый сейчас.

О причинах исчезновения токов-динамо и постоянного магнитного поля на Марсе нет единого мнения. Среди возможных вариантов — исчезновение условий для конвекции жидкого металла в ядре, вызванное чрезмерным охлаждением планеты. Также затухание динамо могло быть вызвано внешним воздействием, например, ударом астероида – эта гипотеза называется «импактной». Интереснейший анализ подобных гипотез содержится в статье Виталия Егорова (Зеленого Кота) «Нужно ли Марсу магнитное поле?», опубликованной на Хабре в 2015 году. Автор развивает идею о том, что потеря магнитного поля не является решающим фактором потери атмосферы, приводя в качестве контрдовода пример Венеры, чья атмосфера исключительно плотная, а магнитное поле — слабое. Потеря глобального магнитного поля на Марсе связана с малой массой планеты, либо с совокупностью воздействия солнечного ветра, импактных (ударных) и гидрофизических факторов. Рекомендуем подробно ознакомиться с этой статьей, а здесь приведем лишь важнейшую из ее иллюстраций, где в табличном виде представлены возможные причины исчезновения или истончения атмосфер у различных тел в Солнечной Системе.

Источник

Магнитосфера Марса. Нынешнее состояние

Чтобы изучить, почему Марс потерял свою атмосферу и продолжает ее терять, в 2014 году NASA запустило к Марсу зонд MAVEN (аббревиатура расшифровывается как «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе»). Отметим, что аппарат, запущенный 18 ноября 2013 года, чуть не попал под сокращение финансирования, из-за чего запуск мог быть отложен на 2016 год. Тем не менее, в сентябре 2014 года MAVEN успешно достиг Марса и стал его искусственным спутником. Четыре основные задачи проекта формулировались следующим образом:

1. Определить влияние потерь газов на климатические изменения Марса в настоящее время и в прошлом.

2. Определить текущее состояние верхних слоев атмосферы и ионосферы Марса и взаимодействия их с солнечным ветром.

3. Определить темпы потери атмосферы, а также факторы, влияющие на этот процесс.

4. Определить соотношения стабильных изотопов в атмосфере Марса.

Именно MAVEN показал, что остатки магнитного поля Марса вытянулись за планетой, образовав у нее своеобразный магнитный хвост. Само это открытие особенно интересно тем, что позволило подтвердить и детально описать механизм магнитного пересоединения Марса, непосредственно провоцирующий улетучивание остатков марсианской атмосферы в космос. В целом же MAVEN дал толчок новейшим исследованиям собственного магнитного поля на Марсе.

Реликтовое магнитное поле на Марсе

После того, как на Марсе исчезло глобальное магнитное поле, планета осталась покрыта «лоскутным одеялом» локальных областей, проявляющих магнитные свойства. Эти небольшие магнитные поля возникают под действием минералов и пород, рассеянных на поверхности планеты.

Некоторые регионы планеты обладают более сильными магнитными полями, нежели другие, но это, вероятнее всего, связано с повышенным или пониженным содержанием магнитных минералов в том или ином регионе, то есть, пород, которые могли испытывать влияние древнего магнитного поля. В целом магнитные поля в северном полушарии Марса слабее, а в южном – сильнее.

Три крупных ударных бассейна в северном полушарии Марса — Эллада, Исида и Аргир — не проявляют признаков магнетизма, что также может объясняться малым содержанием магнитных пород на этих территориях. Предполагается, что в процессе ударных катаклизмов и образования этих бассейнов значительные объемы магнитных пород и содержащихся в них минералов могли быть испарены в результате столкновений и сопутствующих взрывов. При этом необходимо оговориться, что измерения магнитных полей марсианской коры производятся с орбиты, поэтому могут быть неполны; экспедиции на поверхности планеты, возможно, позволят зафиксировать более слабые магнитные поля и составить более полную карту.   

Итак, магнитосфера марсианских горных пород представляет собой остатки древнего магнитного поля. Магнитное динамо в мантии Марса исчезло не позднее 3,7 миллиарда лет назад. Подробнее о хронологии существования марсианского динамо рассказано в этой статье. Впрочем, здесь следует упомянуть и о роботе InSight, который начал работу на поверхности Марса в ноябре 2018 года. Аппарат предназначен, прежде всего, для изучения толщины, состава и структуры коры Марса, а также получения данных о его мантии, ядре и сейсмической активности. Именно InSight показал, что магнитные поля на поверхности Марса вдесятеро сильнее, чем считалось ранее. Он обнаружил и некоторые другие интересные детали, в частности, суточные флуктуации активности марсианского магнитного поля и магнитные импульсы, чья природа пока остается невыясненной. Считается, что зафиксированные InSight магнитные явления на поверхности планеты также связаны с воздействием солнечного ветра.  

Поэтому гораздо более пристального внимания заслуживает индуцированная магнитосфера Марса, возникающая в результате взаимодействия марсианской ионосферы с солнечным ветром. О существовании магнитных полей в непосредственной близости от верхних слоев марсианской атмосферы сообщалось еще в статье Долгинова и др. , опубликованной в 1972 году по результатам экспедиций «Марс-2» и «Марс-3». Дальнейшие исследования магнитослоя в марсианской ионосфере были проведены при помощи последней советской марсианской миссии «Фобос-2»  Но значительно более точные данные об этом магнитослое (в англоязычной литературе употребляется термин «magnetosheath») были получены благодаря работе MAVEN и изложены в статье Робина Рамстада и др. из университета штата Колорадо.

Индуцированные магнитосферы образуются вокруг проводящих ненамагниченных планетарных объектов, в частности, в ионосферах Марса, Венеры, Титана, Плутона и комет в ходе электродинамических взаимодействий намагниченной плазмы с частицами солнечного ветра. Токи, возникающие при этом, приводят к взаимодействию ионосферы и плазмы, тем самым помогая понять роль солнечного ветра в нагревании, выдувании и эволюции планетарных атмосфер.   

По итогам пятилетней работы зонда MAVEN удалось картировать индуцированную магнитосферу Марса, обнаружив в процессе этой работы взаимодействие ионосферы и головной ударной волны, асимметрию в конфигурации атмосферных электрических полей, а также искривление токов в верхних слоях атмосферы Марса. Также был обнаружен пограничный регион между ионосферой Марса и его магнитослоем.

Соответственно, восстановление защиты Марса от пагубного воздействия солнечного ветра целесообразно начинать именно с ионосферы. В 2017 году специалист NASA Джим Грин предположил, что для реставрации марсианской атмосферы и предохранения ее от воздействия солнечного ветра можно расположить магнитный щит на марсианской орбите в точке Лагранжа, где притяжение Марса и притяжение Солнца имеют равную величину и, следовательно, такой щит будет оставаться стабилен. На Хабре есть обзорная переводная статья с обоснованием этого проекта и видео с выступлением Грина на конференции Planetary Science Vision 2050, где была высказана эта идея. Из статьи стоит скопировать и пояснить ключевую иллюстрацию:

На иллюстрации показана форма магнитного хвоста (остатки магнитного поля Марса, взаимодействующие с солнечным ветром, о чем было рассказано выше), а также расположение самого Марса, магнитного щита в точке Лагранжа L₁, магнитослоя и магнитопаузы. Как показано на этой схеме, магнитный щит Марса призван уменьшить выдувание атмосферы солнечным ветром, обеспечить новое равновесное состояние атмосферы и уменьшить количество жесткой солнечной радиации, достигающей поверхности Марса. 

На сайте phys.org сообщается, что Джим Грин и его коллеги проводили компьютерные симуляции, позволяющие примерно оценить работоспособность такого устройства. Грин заостряет внимание на непосредственной пользе подобной конструкции. Магнитный щит способен привести к утолщению марсианской атмосферы и парниковому эффекту, который позволит перевести в жидкое состояние до 1/7 того объема воды, что имелся на Марсе 4,2 миллиарда лет назад, в период активности его магнитного динамо. Тем не менее, официальные данные о технических характеристиках подобного устройства весьма скудны. На Хабре есть публикация с описанием конструкции и реализуемости дипольного магнитного щита, который мог бы располагаться в точке Лагранжа и генерировать магнитное поле силой 1-2 тесла. Поэтому в заключительном разделе этой статьи было бы логично и интересно привести выдержки из статьи «Giving Mars a Magnetosphere», опубликованной 28 февраля 2018 года и содержащей обоснованные выкладки о том, как мог бы выглядеть подобный щит.

Марсианская точка Лагранжа расположена на расстоянии около 1 миллиона километров от Марса. С поправкой на компенсацию сильных солнечных вспышек можно предположить, что будет достаточно расширить искусственное магнитное поле на расстояние 1,5 млн километров от планеты.

Также следует учитывать, что интенсивность солнечного ветра на марсианской орбите значительно ниже, чем на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (т.е. на расстоянии от Солнца до Земли). Таким образом, для защиты Марса от солнечного ветра достаточно получить магнитное поле примерно вдвое слабее, чем понадобилось бы для защиты Земли. Учитывая оба этих фактора, понадобится сгенерировать вокруг Марса магнитное поле всего в 11% от силы естественного магнитного поля Земли, и минимальный радиус магнитослоя вокруг Марса составил бы всего 500 000 километров.

Согласно уравнению величины магнитного поля, можно высчитать силу тока «провода», необходимого для генерации такого магнитного поля. Получается ток силой около 200 мега-ампер.

Соответственно, это будет провод колоссального размера. Чтобы сделать его как можно компактнее, необходимо как можно сильнее уменьшить рабочее напряжение этого провода и, следовательно, его сопротивление. Чтобы добиться минимального сопротивления, нужно подобрать минимальную длину провода, при этом обеспечив для него максимальную площадь поперечного сечения. Отметим, что сопротивление проводника можно было бы снизить, изготовив его из сверхпроводящего материала, но технически наиболее доступной конфигурацией представляется плоская медная катушка, намотанная настолько плотно, что отверстие в ее центре будет как можно уже. При этом отверстие в центре катушки необходимо оставить, так как при его отсутствии в катушке возникнут контрпродуктивные обратные токи, и ее сопротивление будет чрезмерно сильным.

Остается вопрос о том, какой источник энергии позволил бы запитать подобную конструкцию на орбите Марса. Для этого определенно не подойдут солнечные панели, так как солнечное излучение на орбите Марса довольно слабое, и даже сконструировав солнечные панели площадью 4000 м2 и обладающие КПД 20%, нам потребовалось бы для производства проводника больше меди, чем в принципе имеется на Земле. Более эффективным энергетическим решением был бы 830-мегаваттный ядерный реактор, работающий на орбите Марса и запитывающий магнитный контур. В таком случае напряжение в системе составило бы всего 2 вольт, а размеры медной катушки – 3,5 метров в диаметре при весе около 57 тонн. По расчетам автора, такая катушка позволила бы генерировать магнитное поле около 81 тесла. При этом необходимо было бы решить дополнительные технические проблемы, связанные с отводом избыточной теплоты от контура во избежание его деформации, а также обеспечить доставку 40 тонн урана в марсианскую точку Лагранжа каждые два года (следует оговориться, что мы пока не можем оценить запасы урана на Марсе, поэтому последняя проблема может решаться проще, чем кажется на первый взгляд).

Дальнейшие выкладки из упомянутой статьи выходят за рамки данной публикации, но ее все-таки будет интересно прочесть целиком – в частности, чтобы познакомиться с ориентировочными характеристиками космического корабля, необходимого для реализации всего проекта.

Итак, генерация искусственного магнитного поля для Марса представляется несравнимо более осуществимой задачей, чем восстановление естественного. Кроме того, это был бы значительно более щадящий и эффективный (в долгосрочной перспективе) метод терраформирования, чем термоядерная бомбардировка или развертывание орбитальных зеркал, предложенные Илоном Маском. Остается с интересом следить, возможна ли при в обозримом будущем практическая реализация подобных планов.

«Проблема времени» в физике

«Проблема времени» в физике

ФАКУЛЬТАТИВ

И.К.РОЗГАЧЕВА, Ю.А.КОЖУХОВА,
МПГУ, г. Москва

«Проблема времени» появилась в результате попыток ответить на вопрос: «Что такое время?» На первый взгляд, этот вопрос кажется простым. Вся наша жизнь и деятельность происходит во времени. Мы осознае1м его течение в череде событий дня, в смене дней и ночей, в регулярной последовательности времен года. Измеряют время с помощью периодических явлений природы. Так, эталон года равен промежутку времени между двумя последовательными прохождениями центра видимого диска Солнца через точку весеннего равноденствия. Эталоном суток является период вращения Земли вокруг собственной оси. Это вращение наблюдают как суточное обращение звездного небосвода вокруг Земли. Современный эталон секунды — атомная секунда — был принят в 1967 г. на XIII Международной конференции по мерам и весам. Он вводится с помощью генератора высокочастотных колебаний, в котором используются колебания атомов цезия-133. Одна атомная секунда равна интервалу времени, за который происходит 9 192 631 700 таких колебаний. Колебания фиксируются как радиоизлучение длиной волны около 3,26 см.

В физике метод измерения определяет физическую величину. Например, ускорение есть физическая величина, характеризующая изменение скорости в единицу времени. При таком подходе время следует определить как математическую величину, которую используют для измерения длительности событий. Видимо, поэтому древнегреческий философ и математик Платон (427-347 гг. до н.э.) рассматривал время как математический образ вечности, ведь интервалы времени — сутки и год — остаются всегда неизменными.

Однако под одним и тем же звездным небом происходят самые разные события. Мы точно знаем, что наш вчерашний день отличается от настоящего, а на будущий день мы планируем новые дела и ждем новых событий. Понятия «прошлое», «настоящее» и «будущее» являются качественными характеристиками событий. Они отражают главное свойство времени: оно всегда неумолимо изменяется от прошлого к будущему.

Знаменитый ученик Платона Аристотель (384-322 гг. до н.э.) считал, что деление времени на прошлое и будущее происходит только в душе человека. В космосе все интервалы времени равноправны, причем моменты прошлого и будущего не существуют, реально только одно мгновение настоящего. Это представление следовало из опыта астрологических предсказаний, которые были частью культуры эпохи Аристотеля. Астрологи, используя одни и те же перемещения небесных светил, предсказывали разное будущее разным людям.

Таким образом, уже в эпоху античности появилось интуитивное представление об абсолютном времени, которое связывали с движением вечного и неизменного для всех звездного неба, и об относительном времени, которое образуют моменты времени, фиксирующие события прошлого, настоящего и будущего каждого отдельного человека. «Проблема времени» состоит в том, чтобы объяснить существование относительного времени и найти причины необратимой последовательности событий от прошлого к будущему.

Интерес к этой проблеме сохранялся в течение многих веков. Исторически сложилось так, что относительное время стало рассматриваться как результат деятельности души. Например, знаменитый средневековый богослов Блаженный Августин писал: «В тебе, душа моя, измеряю я времена … и когда измеряю их, то измеряю не самые предметы, которые проходили и прошли уже безвозвратно, а те впечатления, которые они произвели на тебя». Понятно, что такой способ измерения времени не подходит для количественного описания движения тел. Поэтому физики и математики второй половины XVII в. использовали абсолютное время. Именно его существование постулировал Исаак Ньютон в «Математических началах натуральной философии» (1687 г.). Он определил его как «абсолютное, истинное, математическое…», причем оно «без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью». Это определение времени отражено в структуре второго закона динамики Ньютона. Математическая запись этого закона не изменяется, если изменить знак времени t на —t, т. е. обратить абсолютное время t вспять. Принято говорить, что динамика Ньютона симметрична по абсолютному времени.

Однако элементарное сознательное восприятие времени — поток, или перемещение момента «теперь» в будущее, — не имеет места в физическом описании реального мира, и это является одной из наиболее непостижимых загадок физики. Совершенно не ясно, является ли это недостатком тех физических теорий, которые нам известны, или же ощущение течения времени представляет собой иллюзию. Таким образом, объяснение происхождения «стрелы времени» есть важнейшая проблема физики.

Симметрия по абсолютному времени связана с фундаментальным свойством нашего мира. В 1918 г. математик Э.Нётер доказала очень важную теорему. Из нее следует, что если уравнение движения тела симметрично по времени, то полная энергия тела сохраняется, т.е. не зависит от времени. Поэтому, используя только полную энергию какой-либо системы, нельзя ввести различие между прошлым и будущим.

Однако это можно сделать, если движение системы неустойчиво. В качестве примера рассмотрим движение обычного маятника. Пусть грузик, висящий на нерастяжимой нити, может двигаться в вертикальной плоскости (рис. 1).

Рис. 1. Математический маятник

Мы будем пренебрегать как размерами грузика, так и любыми диссипативными процессами — трением в точке подвеса, сопротивлением воздуха и т.п. В этом случае маятник называют математическим. Его полная энергия сохраняется и равна

Здесь m — масса грузика, l — длина нерастяжимой нити, w — угловая скорость. Маятник гравитационно взаимодействует с массой Земли, и его потенциальная энергия равна U = mgl(1 — cos j), где g — ускорение силы тяжести, j — угол отклонения маятника. Период колебаний маятника Т₀ зависит, вообще говоря, от максимального значения угла отклонения j₀.

Если то

Для качественного анализа типов энергетических состояний маятника физики используют фазовый портрет. Так называют геометрическую картину, на которой изображена зависимость импульса маятника p = ml²w от угла j. Фазовый портрет можно нарисовать, зная только полную энергию Е. Он показан на рис. 2.

Рис. 2. Фазовый портрет маятника

Если Е < 2mgl, то угол отклонения j < p/2, и маятник совершает колебания относительно точки А. Эти колебания устойчивы, т.к. при любом малом внешнем ударе, т.е. при небольшом изменении полной энергии, маятник сохранит колебательный тип движения, хотя амплитуда колебаний слегка изменится.Фазовая кривая колебаний замкнута и при небольших j₀ является эллипсом. Если Е > 2mgl, грузик будет совершать вращения. Им отвечает линия, похожая на косинусоиду. Состояние вращения тоже устойчиво. Если движение маятника устойчиво, то качественные характеристики этого движения, будь то колебания или вращения, одинаковы для всех моментов времени. Образно говоря, во все моменты времени маятник повторяет сам себя, и у него нет ни прошлого, ни будущего.

Если Е = 2mgl, то маятнику хватает энергии лишь для того, чтобы достичь самой верхней точки В. Фазовую траекторию в этом случае называют сепаратрисой — линией, которая делит фазовую плоскость на две области: область вращений и область колебаний.

Из опыта мы знаем, что положение маятника в точке В неустойчиво, т.к. при любом малом внешнем воздействии маятник из этого положения выйдет и начнет падать в нижнее положение. Если уменьшить энергию маятника, он будет колебаться и уже не достигнет точки В. Если же его энергию увеличить, то он будет вращаться и проходить точку В, не останавливаясь. Таким образом, движение по сепаратрисе или вблизи нее неустойчиво. Это свойство неустойчивости движения позволяет ввести понятия прошлого и будущего для маятника. Например, пусть маятник совершает колебания вблизи сепаратрисы и его энергия равна Е₁ =  2mgl — dE, где dE n mgl. В момент времени t₀ грузик получает слабый толчок, и его энергия становится равной E₂ = 2mgl + dE.
Энергия толчка равна Е₂ — Е₁ =   2(dЕ) n 2mgl. В результате при t > t₀ маятник уже будет вращаться. В момент t₀ произошло событие, толчок, которое качественно изменило состояние движения маятника: он перешел от колебаний к вращениям. Поэтому время t < t₀ до толчка можно назвать прошлым, момент t₀ — настоящим, а время после толчка t > t₀ — будущим. Подчеркнем, что благодаря неустойчивости состояние маятника изменилось необратимо, т.е. сам по себе он не вернется в свое прошлое, т.е. в колебательное состояние. Для такого перехода необходимо внешнее воздействие.

Понятие неустойчивости фазовых траекторий было введено русским математиком Софьей Ковалевской в 1889 г. в работе, посвященной математической модели колец Сатурна. Затем, в начале 90-х гг. XIX в. русский математик Александр Ляпунов начал развивать оригинальную теорию устойчивости движений динамических систем.

Вопросы неустойчивости и устойчивости фазовых траекторий привлекли внимание великого математика и физика Анри Пуанкаре. В 1892 г. он предложил гипотезу о связи неустойчивости состояния физической системы и необратимого течения времени от прошлого к будущему. Пуанкаре полагал, что если система находится в неустойчивом состоянии, то малые внешние воздействия могут переводить ее в качественно различные состояния. Например, от одномерных колебаний к двумерным или трехмерным (рис. 3), от вращений по  окружности к движению по сложным замкнутым поверхностям (рис. 4). Если эти переходы происходят быстро, то поведение системы похоже на хаотичное. Возврат в начальное неустойчивое состояние практически невозможен. Опыт показывает, что попасть в хао-тичное состояние легче, чем выйти из него.

 

Рис. 3. Переход от одномерных колебаний маятника с неподвижной точкой подвеса к трехмерным колебаниям маятника с подвижной точкой подвеса

Рис. 4. Переход от вращения по окружности к трехмерному движению по сложной замкнутой поверхности

Современники Пуанкаре не заметили его гипотезы. Она не была подкреплена математическим анализом. Для понимания неустойчивых движений еще не пришло время: не был достаточно развит аппарат теории вероятностей, и не было еще тщательных физических экспериментов, связанных с изучением турбулентных потоков в жидкостях и газах.

На рубеже XIX-XX вв. был создан математический аппарат молекулярно-кинетической теории термодинамических процессов в разреженных газах. Это произошло благодаря усилиям многих физиков-теоретиков, но больше всего для утверждения атомистики в физике сделал выдающийся немецкий физик Людвиг Больцман.

Больцман предложил динамическое объяснение законов термодинамики. Первый закон гласит: сумма подведенной к системе теплоты и работы, совершенной над системой, равна возрастанию внутренней энергии системы. Другими словами, энергия изолированной системы сохраняется, если принять, что теплота и работа есть формы кинетической энергии молекул.

Второй закон термодинамики устанавливает наличие в природе однонаправленности всех процессов. Например, горячие тела с течением времени охлаждаются, прыгающий мяч в конце концов останавливается. Здесь проявляется то свойство природы, которое Рудольф Клаузиус еще в 1850 г. сумел отделить от закона сохранения энергии. Это свойство состоит в том, что, хотя полное количество энергии должно сохраняться в любом процессе, распределение этой энергии по возможным состояниям термодинамической системы изменяется необратимым образом. Например, остывшее тело не может стать само по себе горячим, часть его тепла передана окружающей среде.

Второй закон термодинамики указывает естественное направление, в котором происходит изменение распределения энергии, причем это направление совершенно не зависит от общего количества энергии. Как понял Клаузиус, в любой изолированной системе все процессы идут так, что число способов распределить внутреннюю энергию по составляющим систему молекулам либо не изменяется, либо возрастает. Причем если в систему поступает теплота DQ при температуре Т, то число способов распределить внутреннюю энергию возрастает на величину DN, которая пропорциональна величине DS = DQ/T. Величину S Клаузиус назвал энтропией и записал в 1865 г. второй закон термодинамики для изолированных систем в виде: DS і 0. Таким образом, согласно Клаузиусу, энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, и второй закон термодинамики «самый верный из всех известных нам опытных законов, он вернее смерти, так как смерть — только частный случай второго начала».

Строгое определение энтропии достаточно сложно, однако ей можно дать ряд интуитивно понятных физических толкований. Так, энтропию можно рассматривать как меру беспорядка. Если система имеет четко выраженную структуру и в ней царит порядок, то ее энтропия мала. Напротив, системы с высокой энтропией беспорядочны и хаотичны. Например, система, состоящая из расположенных рядом холодного и горячего тел, обладает более низкой энропией, чем аналогичная система, в которой оба тела находятся в равновесии и имеют одинаковую температуру. Дело в том, что система более упорядочена в тепловом отношении, если теплота сосредоточена главным образом в горячем теле, чем если ее распределить равномерно по всей системе. Иначе говоря, в первом случае система более организована.

Состояние равновесия можно отождествить с состоянием, когда энтропия максимальна. При любых изменениях изолированной системы ее энтропия возрастает. Когда же система достигает наконец равновесия, энтропия больше не увеличиватся — она достигла своего максимума.

Энтропию можно также связать с информацией. Когда система находится в высокоупорядоченном состоянии с малой энтропией, для ее описания требуется много информации. В беспорядочной системе с большой энтро-пией содержится мало информации. Обычно приводимый пример – текст, который вы сейчас читаете. Когда буквы алфавита специально расставлены в должном порядке, текст несет информацию в виде слов и т.д. Если рассыпать набор и перемешать все буквы, количество информации станет существенно меньше. Вывод: информацию можно отождествить с отрицательной энтропией, или, как иногда говорят, негаэнтропией. Когда энтропия растет, информация утрачивается.

В 1866 г. двадцатидвухлетний Больцман поставил перед собой задачу: дать молекулярно-кинетическое обоснование необратимого роста энтропии в нашем мире. Для достижения этой цели ему потребовалось около сорока лет. В результате были созданы основы статис-тической механики и получена математическая формулировка гипотезы молекулярного хаоса. Эта гипотеза обсуждалась еще греческими атомистами Эпикуром и Демокритом, которые полагали, что материя состоит из маленьких частиц, находящихся в непрестанном хаотическом движении. Если ограниченный объем газа находится в состоянии молекулярного хаоса, то в любой точке объема может находиться любая молекула с любой скоростью. В этом случае распределение молекул по скоростям описывается функцией Максвелла-Больцмана.

Согласно Больцману молекулярный хаос нельзя уничтожить, т.е. движение материи имеет вероятностную природу. Он показал, что в молекулярном хаосе число способов распределить энергию максимально. Тогда из второго закона термодинамики следует, что направление всех природных процессов таково, что любые упорядоченные структуры должны разрушаться и переходить в хаотическое состояние. Следующим шагом в рассуждениях Больцмана было введение направления течения времени: время течет в направлении роста энтропии. Переходы в состояние молекулярного хаоса создают время. Полное разрушение упорядоченных структур ассоциируется со смертью. Поэтому направление времени, введенное Больцманом, — это направление к смерти Вселенной.

Однако и наш повседневный опыт, и астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что наряду с процессами разрушения структур, выравнивания температур и концентраций веществ идут разнообразные процессы самоорганизации материи. Как раз благодаря самоорганизации существуют все удивительные формы жизни, имеющие очень высокую степень упорядоченности. Получается, что либо самоорганизующиеся системы не подчиняются закону роста энтропии и не чувствуют больцмановского времени, либо увеличение энтропии не всегда сопровождается переходом всей системы к полному хаосу.

В первом случае фактически предполагается, что самоорганизующиеся системы — живые организмы — принципиально отличаются от всего остального мира и, возможно, даже не подчиняются физическим законам. Именно такую идею предложил в начале 80-х гг. ХХ в. лауреат Нобелевской премии биофизик И.Пригожин. Он исходил из того факта, что живая материя отличается от неживой своей способностью изменяться. Любой организм растет, изменяется его форма, появляются новые функции, позволяющие более комфортно существовать в природе. Эту способность еще Аристотель назвал самоорганизацией. Именно благодаря самоорганизации живая материя эволюционирует от простых организмов к существам со сложной нервной системой. Пригожин считает, что необходимо создавать новую физику живых систем.

Так ли это? Можно ли понять явление самоорганизации, используя известные физические законы? Ответ на этот вопрос скорее всего утвердительный. Действительно, ведь явления самоорганизации известны и в неживой природе. Самый яркий в буквальном смысле пример — это Солнце, наше дневное светило. Солнце как структура существует благодаря балансу между электромагнитным и гравитационном взаимодействиями. Тяготение всей массы Солнца сжимает его вещество до плотностей порядка 10⁵ кг/см³. В этом случае среднее расстояние между частицами оказывается меньше характерного размера атома водорода (10-10 м). Поэтому в недрах Солнца атомов нет, а вещество представляет собой плазму — горячий газ из протонов и электронов. Плазма в целом электрически нейтральна, но ее давление определяется кулоновским отталкиванием электронов. Это связано с тем, что масса электрона примерно в тысячу раз меньше массы протона. В однородно нагретой плазме средняя кинетическая энергия электронов и протонов одинакова, но их средние скорости различны из-за различия масс. Электроны движутся быстрее протонов и поэтому чаще встречаются и обмениваются импульсами друг с другом, а не с протонами. Обмен импульсами происходит за счет электромагнитного взаимодействия электронов, и именно этот обмен создает давление плазмы.

В Солнце давление плазмы уравновешивается тяготением суммарной массы протонов. Это равновесие имеет статистический характер и выполняется в среднем по объему Солнца. Для подобных систем справедлива теорема вириала, впервые сформулированная и доказанная Клаузиусом. Согласно этой теореме в изолированной системе суммарная внутренняя энергия движения частиц системы Е и энергия их взаимодействия U связаны соотношением 2Е + U = 0. Применяя эту теорему к солнечной плазме, следует считать U гравитационной энергией массы плазмы. Эта энергия отрицательна: U < 0. Суммарная кинетическая энергия частиц плазмы Е > 0. Полная энергия Солнца 1 = Е + U = —E. Полная энергия отрицательна: 1 < 0, как и должно быть для равновесной изолированной системы, состоящей из большого числа частиц, которые удерживаются вместе гравитационным притяжением.

В недрах Солнца, на глубине больше 200 тыс км, температура плазмы достигает 10 млн градусов. При таких температурах становится возможным протекание термоядерных реакций горения водорода — протон-протонный цикл. Благодаря им на Солнце из водорода образуется гелий и рождаются фотоны. Эти фотоны постепенно уходят из недр Солнца, достигают его поверхности и затем излучаются в космическое пространство – Солнце излучает часть своей энергии D1. Путешествуя из недр Солнца к его поверхности, фотоны из g-квантов превращаются в оптические и часть своей энергии отдают плазме. Плазма нагревается, и ее тепловая энергия Е увеличивается. Нагрев происходит медленно: за год температура солнечных недр изменяется менее чем на одну сотую градуса. Поэтому можно считать, что нагрев не нарушает вириального равновесия Солнца. В этом случае изменение полной энергии Солнца, несмотря на нагрев плазмы, будет отрицательным, т.к. D1 = -DE < 0 при DE > 0. Тогда изменение энтропии недр Солнца, согласно формуле Клаузиуса, равно DS = D1/Т = -DЕ/Т < 0. Таким образом, в ходе эволюции Солнца его энтропия убывает!

Убыль энтропии означает, что на хаотичное движение частиц плазмы накладывается упорядоченное движение типа конвективных потоков. Образно говоря, Солнце, сжигая свою массу, самоорганизует свое внутреннее строение, переходя от хаотичных микроскопи-ческих движений к крупномасштабным упорядоченным конвективным движениям.

Заметим, что у замкнутой системы Солнце + его излучение энтропия растет. Действительно, энтропия излучения пропорциональна объему, в котором оно находится. Для излучения, покидающего Солнце, этот объем растет. Таким образом, второе начало термодинамики в рассматриваемом случае выполняется. Однако полной хаотизации системы не происходит: недра Солнца самоорганизуются, а его излучение переходит в хаотичное состояние. Этот пример свидетельствует о том, что рост энтропии не всегда сопровождается тепловой смертью.

Самоорганизация Солнца происходит благодаря гравитационному взаимодействию всех частиц плазмы, т.е. она является результатом коллективного взаимодействия.

Вернемся к гипотезе Больцмана о времени. Она включает в себя два предположения. Во-первых, рост энтропии означает переход системы частиц в состояние молекулярного хаоса. Во-вторых, молекулярный хаос является наиболее вероятным и естественным состоянием материи.

Первое предположение, вообще говоря, неверно для систем, в которых существенную роль играет гравитационное взаимодействие. Это понятно из описанных выше некоторых свойств Солнца.

Второе предположение сыграло огромную роль при создании квантовой теории материи. Макс Планк использовал его в 1900 г. в работе, посвященной анализу свойств излучения абсолютно черного тела. В квантовой механике принят постулат о вероятностной природе движения материи.

Больцман был твердо убежден в существовании молекул и полагал, что хаотичность движения является их фундаментальным свойством и не связана с какими-либо взаимодействиями. Именно эта хаотичность и приводит к тому, что в результате столкновений устанавливается равновесное распределение молекул в идеальном газе.

Эти представления Больцмана использовали творцы квантовой теории материи, принимая постулат о вероятностной природе материи. Согласно этому постулату все события носят вероятностный характер и любое событие может повториться с абсолютной точностью. Например, элементарные частицы, в каких бы ядерных процессах они ни появлялись, всегда имеют один и тот же набор фундаментальных параметров. Так, электрон рождается всегда с одной и той же массой, с одним и тем же электрическим зарядом и с одной и той же из двух возможных проекций спина. При всем разнообразии элементарных частиц общим для них является то, что они сохраняют свою идентичность всегда. Поэтому только с их помощью нельзя отличить прошлое состояние системы от будущего. Электрон, существовавший сто лет назад, не отличается от наблюдаемого сегодня электрона или электрона, который будет существовать через сто лет. Отсюда следует, что в квантовой механике, созданной для описания микромира, не существует времени как последовательности неповторимых событий.

Таким образом, гипотеза о молекулярном хаосе, вообще говоря, не помогает решить «проблему времени». Следует отметить, что эта гипотеза помогла Больцману найти для идеального газа функцию, которая зависит от типа распределения молекул по скоростям и всегда растет при переходе от неравновесного распределения к равновесному. Эту функцию называют теперь энтропией по Больцману. Качественный смысл ее в следующем. Пусть есть объем газа, и суммарная кинетическая энергия молекул равна Е. Эту энергию можно распределять разными способами по молекулам. В равновесном газе число способов распределить конечную энергию Е бесконечно, т.к. любая молекула может иметь любую кинетическую энергию из интервала от 0 до Е, а число точек в этом интервале бесконечно.

В неравновесном газе каждая молекула имеет определенную энергию. Если молекулы одинаковые, то одному и тому же неравновесному состоянию может соответствовать N способов распределения энергии Е по молекулам. Каждое такое распределение называют состоянием системы: число N равно числу состояний, допустимых при заданной энергии. Энтропия по Больцману равна S = klnN, где k — постоянная Больцмана. При переходе от неравновесного состояния к равновесному число состояний N растет, соответственно растет и энтропия. В качестве примера рассмотрим ламинарное и турбулентное течения жидкостей. При подсчете больцмановской энтропии для ламинарного потока надо рассмотреть, как распределяется внутренняя энергия по молекулам. В турбулентном потоке струйки жидкости перемешиваются. Внешне беспорядка больше, чем в ламинарном потоке, но энергия распределяется по турбулентным вихрям, которые состоят из громадного числа молекул. Число вихрей гораздо меньше, чем число молекул. Энергия в турбулентном потоке распределяется меньшим числом способов, чем в ламинарном, – соответственно энтропия по Больцману ламинарного потока больше, чем энтропия турбулентного.

Итак, к концу XIX в. в теоретической физике появилось два определения энтропии — энтропия по Клаузиусу и энтропия по Больцману.

Энтропия по Клаузиусу характеризует способность газа перераспределять поступающую извне тепловую энергию. Чем больше тепла поглощается, тем больше изменение энтропии. Энтропию по Клаузиусу можно измерить.

Энтропия по Больцману не является наблюдаемой величиной. Дело в том, что, во-первых, любой реальный объем газа состоит из огромного числа частиц. Поэтому выполнить наблюдения координат и скоростей всех молекул, определив тем самым состояние системы, практически невозможно. Во-вторых, согласно гипотезе молекулярного хаоса координаты и скорость каждой молекулы изменяются случайным образом и независимо друг от друга. В этом случае каждому значению координаты молекулы отвечает бесконечное число возможных значений ее скорости. Это означает, что наблюдать конкретное состояние системы как совокупность определенных значений координат и скоростей молекул не только трудно, но и принципиально невозможно, если верна гипотеза молекулярного хаоса. Таким образом, число N можно только вычислить теоретически и нельзя проверить экспериментально. Соответственно энтропия по Больцману оказывается только теоретической величиной, которая может и не совпадать с энтропией по Клаузиусу. Этот факт стимулировал поток критических замечаний со стороны физиков и философов, живших в эпоху Больцмана. Замечания касались как самой гипотезы, так и математических расчетов Больцмана. Больцман воспринял эти замечания крайне эмоционально, страдая от насмешек и непонимания коллег. Возможно, именно эти страдания способствовали развитию у него депрессии и сильных головных болей. В результате 5 сентября 1906 г. Больцман покончил с собой.

Трагедией Больцмана было то, что он не дожил до полного признания своих идей всего нескольких месяцев, когда их активно начали использовать Эренфест, Смолуховский, Эйнштейн, Зоммерфельд.

Вопрос о связи энтропий по Больцману и по Клаузиусу остается актуальным до сих пор. Когда их можно отождествить? Ответ на этот вопрос нашел в 1947 г. физик Николай Крылов. Он выполнил несколько работ, посвященных динамическому обоснованию статистической механики. Крылов показал, что газ, состоящий из точечных частиц (модель абсолютно упругих молекул) и находящийся в ограниченном объеме, переходит из любого состояния в состояние молекулярного хаоса только благодаря столкновениям частиц. Для этого достаточно выполнения закона сохранения импульса при столкновениях и релятивистского соотношения 1² = (pc)² + (mc²)² между энергией 1, импульсом р и массой m любой молекулы. Оказывается, в этом случае траектория любой частицы неустойчива, и любое столкновение изменяет эту траекторию необратимым образом. Поэтому, даже если в начальный момент все частицы имели одинаковые импульсы и были сосредоточены в небольшой части объема, с течением времени каждая частица сможет побывать в любой части объема, ее импульс будет изменяться во всех направлениях, а его величина пробегать все доступные значения. В результате благодаря столкновениям в газе установится статистическое равновесие частиц, аналогичное распределению Максвелла. Как известно, закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства. Кроме того, в частной теории относительности доказывается, что связь между 1, р и m есть следствие однородности и изотропии пространства, однородности времени и постоянства скорости света в вакууме. Поэтому результат Крылова о неизбежности перехода газа точечных частиц в состояние молекулярного хаоса является следствием свойств пространства и времени, а также ограниченности максимальной скорости распространения взаимодействий.

Таким образом, совсем не обязательно принимать постулат о молекулярном хаосе. Для появления хаотичного состояния необходимо, чтобы, во-первых, движения частиц были неустойчивыми, и во-вторых, эти частицы сталкивались или взаимодействовали друг с другом. Это взаимодействие называют внутренним. Оно только перераспределяет энергию внутри системы и является коллективным взаимодействием частиц.

Крылов показал, что для газа точечных частиц энтропии по Клаузиусу и по Больцману совпадают. Каждую из них можно выразить через среднее время свободного пробега частиц (между двумя последовательными столкновениями). Чем меньше время свободного пробега, тем больше энтропия. Определенная таким образом энтропия становится измеримой величиной, т.к. она зависит от характера внутреннего взаимодействия. Поэтому ее называют динамической энтропией.

Рост динамической энтропии не обязательно связан с переходом к равновесному распределению. Например, если столкновения частиц будут неупругими, то закон сохранения импульса не будет выполняться. В этом случае в системе появляется согласованное движение частиц, т.е. они образуют упорядоченное в пространстве движение — структуру. Динамическая энтропия этой структуры меньше динамической энтропии системы, существовавшей до образования структуры. Именно так происходит в недрах Солнца. Там столкновения частиц сопровождаются изменением числа частиц и излучением фотонов. В этих столкновениях суммарный импульс частиц изменяется, т.к. часть его уносят из недр Солнца фотоны и нейтрино. В результате из микроскопических неустойчивых движений частиц рождаются крупномасштабные конвективные потоки.

Работы Крылова подтвердили гипотезу Пуанкаре о динамической природе хаотичного состояния газовых систем. Хаос, который появляется в системе благодаря только внутреннему коллективному взаимодействию частиц системы, называют динамическим хаосом. Работы Крылова заложили основы теории динамического хаоса, которая стала очень популярной в последние годы не только среди физиков и математиков, но и среди экономистов и социологов. Дело в том, что в динамическом хаосе происходят процессы самоорганизации структур. Тип структуры и время ее жизни зависят от свойств коллективного взаимодействия. Коллективное взаимодействие в принципе можно контролировать, поэтому можно продлевать жизнь нужных структур и сокращать cуществование ненужных.

Структуры, рождающиеся в динамическом хаосе, не повторяются. Действительно, структура рождается из неустойчивого состояния благодаря коллективному взаимодействию. Точное повторение структуры означало бы возможность точного возврата в исходное неустойчивое состояние, но тогда это состояние не является неустойчивым.

Неповторимость структур динамического хаоса позволяет решить «проблему времени». В нашем мире существует необратимое течение времени, наблюдаемое как последовательность неповторимых событий, потому что пространство однородно и изотропно, время течет равномерно, скорость распространения взаимодействий ограничена скоростью света в вакууме и, наконец, существует коллективное взаимодействие частиц и физических полей. Это время является своеобразным математическим образом неограниченного процесса самоорганизации материи. Теперь мы можем согласиться с Платоном, который утверждал, что время превращает хаос во Вселенную.

Спутники меркурия названия. Естественные спутники планет Cолнечной системы

Орбиты планеты должен быть приблизительно между 5.3 и 7.3 градусами, долгота восходящего узла около 183 градусов, эксцентриситет орбиты планеты был «огромен», а время за которое планета пересекает солнечный диск составляло 4 часа 30 минут. Ле Веррье изучил эти наблюдения и вычислил орбиту планеты: период обращения составил 19 дней 7 часов, среднее расстояние от Солнца 0.1427 а.е., наклон 12°10″, восходящий узел 12°59″. Диаметр был значительно меньше, чем у Меркурия и масса составляла около 1/17 от его массы. Это тело было слишком мало, чтобы объяснить отклонение меркурианской орбиты, но, возможно, это наибольший из астероидов в интрамеркурианском поясе астероидов? Ле Веррье влюбился в эту планету и назвал ее Вулкан .

В 1860 году было полное Солнечное затмение. Ле Веррье мобилизовал всех французских и некоторых других астрономов на поиски Вулкана, но никто его не нашел. Теперь интерес Ле Веррье оживили подозрительные «солнечные точки» Вольфа, но только незадолго до его смерти в 1877 году некоторые более подробные «доказательства» были опубликованы. 4 апреля 1875 года немецкий астроном Х.Вебер (H.Weber) увидел круглое пятно на Солнце. По орбите вычисленной Ле Веррье планета должна была пересекать диск Солнце 3 апреля этого года и Вольф отметил, что его планета с периодом 38 дней также должна пересекать Солнце примерно в это же время. Эта «круглая точка» была также сфотографирована в Гринвиче и Мадриде.

Был еще один волнительный период после полного солнечного затмения 29 июля 1878 года, когда два наблюдателя заявили, что видели вблизи Солнца маленький светящийся диск, который может быть только маленькой планетой внутри орбиты Меркурия: Д.С.Ватсон (J.C.Watson) (профессор астрономии Мичиганского Университета) верил, что он обнаружил ДВЕ планеты внутри орбиты Меркурия! Левис Свифт (Lewis Swift) (открывший комету Свифта-Туттля, которая возвращалась 1992 году) также видел «звезду» и определил, что это и есть Вулкан, но он находился в другом месте, чем две Ватсоновские «интрамеркурианские» планеты. В дополнение ко всему, ни Ватсоновский, ни Свифтовский Вулканы не согласовывались с Вулканами Ле Веррье или Лескарбо.

После этого никто никогда не видел Вулкан снова, несмотря на то что его поиски проводились во время нескольких полных солнечных затмений. А в 1916 году, Альберт Эйнштейн опубликовал свою Общую Теорию Относительности, которая объяснила отклонение в движении Меркурия без помощи не известной внутренней планеты. В мае 1929 года Эрвин Фреундлих (Erwin Freundlich) из Потсдама сфотографировал полное солнечное затмение на Суматре и позднее тщательно изучил снимки, на которых оказалось большое число изображений звезд. Через шесть месяцев было проведено сравнение этих снимков с новыми. И рядом с Солнцем не было обнаружено неизвестных объектов ярче, 9 звездной величины.

Но что же тогда эти люди действительно видели? У Лескарбо не было причины рассказывать выдуманные истории и даже Ле Веррье поверил ему. Вероятно, Лескарбо видел маленький астероид, проходящий очень близко к Земле , только внутри орбиты Земли. В те времена такие астероиды были еще не известны, поэтому Лескарбо предположил, что он видел интрамеркурианскую планету. Свифт и Ватсон могли в краткие минуты наблюдений полного солнечного затмения не правильно идентифицировать некоторые звезды, посчитав, что они видели Вулкан.

«Вулкан» ненадолго ожил в 1970-1971 годах, когда некоторые исследователи думали, что во время полного солнечного затмения они нашли несколько неясных объектов, расположенных близко к Солнцу. Эти объекты могли быть слабыми кометами . Позднее подобные кометы были обнаружены, они проходили настолько близко к Солнцу, чтобы столкнуться с ним.

За два дня до 29 марта 1974 года, когда Маринер 10 достиг Меркурия , один из приборов начал регистрировать сильное излучение в ультрафиолетовом диапазоне, которое «не имело существовать там». На следующий день оно исчезло. Спустя три дня оно появилось снова и его «источник», казалось, отделялся от Меркурия. Сначала астрономы решили, что они увидели звезду. Но они видели ее в двух совершенно противоположных направлениях, кроме того такое жесткое ультрафиолетовое излучение не может распространяться очень далеко сквозь межзвездное пространство. Поэтому предположили, что объект должен быть ближе. Может у Меркурия есть спутник?

После волнительной пятницы, когда было вычислено, что «объект» движется со скоростью 4 км/сек (скорость, согласующаяся с тем, что это спутник) было вызвано руководство JPL. Все начали волноваться о пресс конференции назначенной не позднее чем на субботу. Нужно ли рассказать про подозрительный спутник? Но пресса уже знала. Некоторые газеты — крупные, более респектабельные — давали честную информацию; множество других придумывало волнующие истории о новом спутнике Меркурия.

А что же «спутник»? Он двигался прямо от Меркурия и был окончательно идентифицирован, как горячая звезда 31 Crateris (созвездие Чаши ). Откуда же пришло первоначальное излучение, которое зафиксировали на подходе к планете, остается неизвестным. Так закончилась история о спутниках Меркурия, но в то же время так начались новые главы в астрономии: как оказалось сильный ультрафиолет не полностью поглощается межзвездной средой, как это прежде предполагалось. Было обнаружено, что туманность в Парусах (Gum Nebula ) является достаточно сильным источником предельного ультрафиолета с длиной волны 540 ангстрем раскинувшимся на 140 градусов по ночному небу. Астрономы открыли новое окно, через которое можно наблюдать небеса.

Нейт , спутник Венеры, 1672-1892

В 1672 году, Джовани Доменико Кассини (Giovanni Domenico Cassini), один из известнейших астрономов того времени, отметил присутствие маленькой точки вблизи Венеры . Может быть, у Венеры есть спутник? Кассини решил не афишировать свои наблюдения, но 14 лет спустя в 1686 году он увидел объект снова и тогда внес запись о нем в свой дневник. Он оценил, что диаметр объекта составляет около 1/4 от диаметра Венеры и он показывает ту же фазу, что и Венера. Позднее, этот объект увидели другие хорошо известные астрономы, такие как: Джеймс Шот (James Short) в 1740 году, Андреас Майер (Andreas Mayer) в 1759 году, Лагранж (J.L.Lagrange) в 1761 году (Лагранж заявил, что орбитальная плоскость спутника перпендикулярна к эклиптике). В период 1761 года объект с сумме видели 18 раз 5 независимых наблюдателей. Наблюдения Шоутена (Scheuten) 6 июня 1761 года были особенно интересны: он видел Венеру во время того, как она пересекала диск Солнца, в сопровождении маленькой темной точки с одной стороны, которая следовала за Венерой, пересекающей солнечный диск. Однако. Самуель Дюнн (Samuel Dunn) из Челси, Англия, который также наблюдал пересечение Венерой Солнца, не видел этой дополнительной точки. В 1764 году два наблюдателя 8 раз видели этот спутник. Другие наблюдатели также пытались его увидеть, но оказались не в состоянии его найти.

Так астрономический мир оказался разделенным на две части: некоторые наблюдатели сообщали, что видели спутник, в то время как другие утверждали, что не смогли его найти, несмотря на все приложенные усилия. В 1766 году, директор Венской обсерватории отец Хелл (Father Hell), опубликовал трактат, где заявил, что все наблюдения спутника были оптическими иллюзиями — изображение Венеры настолько яркое, что свет от нее отражается от глаза наблюдателя и попадает обратно внутрь телескопа, где создает второе изображение меньшего размера. Другая же сторона публиковала работы в которых доказывала, что все наблюдения были реальными. Ламберт (J.H.Lambert) из Германии опубликовал орбитальные элементы спутника в Берлинском Астрономическом Ежегоднике за 1777 год: среднее расстояние от планеты — 66.5 радиусов Венеры, период обращения 11 дней 3 часа, угол наклона орбиты к эклиптике 64 градуса. Он надеялся, что спутник можно будет увидеть во время прохождения Венеры по диску Солнца 1 июня 1777 (Очевидно, что Ламберт сделал ошибку при вычислении орбитальных элементов: 66.5 радиусов Венеры это почти такое же как от нашей Луны до Земли , масса Венеры немного меньше, чем масса Земли. Это очень плохо согласуется с периодом в 11 дней, который только чуть больше 1/3 орбитального периода Луны. )

В 1768 году Кристиан Хорребау (Christian Horrebow) из Копенгагена еще раз наблюдал спутник. Были проведены еще три попытки его найти, одна из них — величайшим астрономом всех времен Вильямом Гершелем (William Herschel). Все эти попытки найти спутник потерпели неудачу. Гораздо позднее, Ф.Шорр (F.Schorr) из Германии попытался опубликовать факты о спутнике в книге, опубликованной в 1875 году.

В 1884 году М.Озо (M.Hozeau), первый директор Королевской обсерватории в Брюсселе, предположил другую гипотезу. Анализируя имеющиеся в наличии наблюдения, Озо заключил, что этот спутник Венеры приближается к Венере приблизительно каждые 2.96 года или 1080 дней. Он предположил, что данный объект не спутник Венеры, а отдельная планета, делающая оборот вокруг Солнца за 283 дня и оказывающаяся в соединении с Венерой один раз за 1080 дней. Озо также назвал ее Нейт, в честь таинственной Египетской богини из Саиса.

Три года спустя, в 1887 году, Озо оживил «спутник Венеры». Бельгийская Академия Наук опубликовала большую статью, где все представленные наблюдения были исследованы в деталях. Несколько наблюдений спутника оказались действительно звездами, которые были видны по соседству с Венерой. Наблюдения Родкера (Roedkier) «были проверены» особенно хорошо — они совпадали со звездами Ориона, Тельца, 71 Ориона и Близнецов! Джеймс Шорт (James Short) действительно видел звезду слабее 8 звездной величины. Все наблюдения Ле Веррье (Le Verrier) и Монтане (Montaigne) могли быть объяснены подобным образом. Орбитальные же вычисления Ламберта (Lambert) были опровергнуты. Самые последние наблюдения Хорребау (Horrebow) в 1768 году были приписаны звезде Весов.

После опубликования этой статьи было сделано только одно сообщение о наблюдении — наблюдателем, который ранее пытался обнаружить спутник Венеры, но не смог этого сделать: 13 августа 1892 года Е.Е.Барнард (E.E.Barnard) зарегистрировал около Венеры объект 7 звездной величины. В том месте, которое отметил Барнард нет звезд и «глаза Барнарда засветились пресловутым восхищением». Мы до сих пор не знаем, что же он видел. Был ли это астероид, не нанесенный на карту? Или это короткоживущая новая звезда, которую никому больше не довелось заметить?

В 1846 году Фредерик Пети (Frederic Petit) директор Тулузской заявил, что открыт второй спутник Земли . Его заметили два наблюдателя в Тулузе [Лебон (Lebon) и Дассиер (Dassier)] и третий — Ларивьер (Lariviere) в Артенаке (Artenac) ранним вечером 21 марта 1846 года. Согласно расчетам Пети его орбита была эллиптической с периодом 2 часа 44 минуты 59 секунд, с апогеем на расстоянии 3570 км над поверхностью Земли, а перигеем только на 11.4 км! Ле Веррье (Le Verrier), который тоже присутствовал на докладе, возразил, что необходимо принимать во внимание сопротивление воздуха, что никто в те времена еще не делал. Пети постоянно преследовала идея о втором спутнике Земли и 15 годами позже он объявил, что он сделал расчеты движения маленького спутника Земли, который является причиной некоторых (необъясненных тогда) особенностей в движении нашей основной Луны . Астрономы обычно игнорируют подобные заявления и эта идея была бы забыта, если бы молодой французский писатель, Жюль Верн , не прочитал резюме. В романе Ж.Верна «Из пушки на Луну», фигурирует использует маленький объект приближающийся близко к капсуле для путешествий по космическому пространству, из-за чего она облетела вокруг Луны, а не врезалась в нее: «Это», сказал Барбикен, «простой, но огромный метеорит, удерживаемый как спутник притяжением Земли. «

«Это возможно?», воскликнул Мишель Ардан, «Земля имеет два спутника?»

«Да, мой друг, она имеет два спутника, хотя обычно считается, что у нее есть только один. Но этот второй спутник настолько мал и его скорость столь велика, что жители Земли не могут его видеть. Все были потрясены, когда французский астроном, мсье Пети, смог обнаружить существование второго спутника и посчитать его орбиту. Согласно ему, полный оборот вокруг Земли занимает три часа и двадцать минут. . . . «

«А все астрономы допускают существование этого спутника?», спросил Николь

«Нет», ответил Барбикен, «но если бы они, как мы, его встретили, то они бы больше не сомневались. . . . Но это дает нам возможность определить наше положение в пространстве. . . расстояние до него известно и мы были, следовательно, на расстоянии 7480 км над поверхностью Земного шара, когда встретили спутник.» Жюля Верна читали миллионы людей, но до 1942 года никто не заметил противоречий в этом тексте:

1. Спутник на высоте 7480 км над поверхностью Земли должен иметь период обращения 4 часа 48 минут, а не 3 часа 20 минут
2. Поскольку он был виден через окно, через которое была видна и Луна и так как оба они приближались, у него должно было бы быть ретроградное движение. Это важное замечание о котором Жюль Верн не упоминает.
3. В любом случае спутник должен быть в затмении (Землей) и поэтому не видим. Металлический снаряд должен был находиться в тени Земли еще некоторое время.

Доктор Р.С.Ричардсон (R.S.Richardson) из обсерватории Маунт Вилсон попытался в 1952 году численно оценить эксцентричность орбиты этого спутника: высота перигея получилась равной 5010 км, а апогея — 7480 км над поверхностью Земли, эксцентриситет 0.1784.

Тем не менеe, Жюль Верновский второй спутник Пети (по французски Petit — маленький) известен во всем мире. Астрономы-любители пришли к заключению, что это была хорошая возможность добиться славы — кто-нибудь открывший этот второй спутник мог бы вписать свое имя в научные хроники. Ни одна из больших обсерваторий не занималась когда-либо проблемой второго спутника Земли или если занимались, то держали это в тайне. Германские астрономы-любители преследовались за то, что они назвали Kleinchen («little bit», «немножечко») — конечно они никогда не находили Kleinchen.

В добавление к спутникам-эфемерам есть еще две интересные возможности. Одна из них — что у Луны есть свой собственный спутник. Но, вопреки усиленным поискам, ничего обнаружено не было (Добавим, что как теперь известно, гравитационное поле Луны очень «неровное» или неоднородное. Этого достаточно для того, чтобы вращение лунных спутников было неустойчиво — поэтому лунные спутники падают на Луну после очень короткого промежутка времени, через несколько лет или десятилетий). Другое предположение заключается в том, что могут существовать Троянские спутники , т.е. дополнительные спутники на той же орбите, что и Луна, вращающийся на 60 градусов впереди и/или позади нее.

О существование таких «Троянских спутников» впервые сообщил польский астроном Кордилевский (Kordylewski) из Краковской обсерватории. Он начал свои поиски в 1951 году визуально на хорошем телескопе. Он рассчитывал обнаружить достаточно большое тело на лунной орбите на расстоянии 60 градусов от Луны. Результаты поисков были отрицательными, но в 1956 году его соотечественник и коллега Вилковский (Wilkowski) предположил, что там может находиться множество крошечных тел слишком маленьких, чтобы быть видными по-отдельности, но достаточно больших, что бы выглядеть облаком пыли. В таком случае их было бы лучше наблюдать без телескопа, т.е. невооруженным глазом! Использование телескопа «увеличит их до состояния не существования». Доктор Кордилевский согласился попробовать. Требовалась темная ночь с ясным небом и Луной, находящейся под горизонтом.

В октябре 1956 года, Кордилевский в первый раз увидел отчетливо светящийся объект в одной из двух ожидавшихся позиций. Он не был маленьким, простираясь примерно на 2 градуса (т.е. почти в 4 раза больше, чем сама Луна), и был очень тусклым, в половину яркости пресловуто известного трудностью наблюдений противосияния (Gegenschein; противосияние — яркая точка в зодиакальном свете в направлении противоположном Солнцу). В марте и апреле 1961 года, Кордилевский достиг успеха в фотографировании двух облаков около ожидаемых положений. Казалось, они изменяются в размерах, но это могло быть и измененим в освещении. Ж.Роач (J.Roach) обнаружил эти облака спутничков в 1975 году с помощью OSO (Orbiting Solar Observatory — Орбитальной Солнечной Обсерватории). В 1990 году они были сфотографированы снова, на этот раз польским астрономом Виниарски (Winiarski), который обнаружил, что они составляют объект диаметром в несколько градусов, «отклонились» на 10 градусов от «троянской» точки и что они были более красными, чем зодиакальный свет.

Так поиски второго спутника Земли длинною в век, по-видимому, пришли к успеху, после всех усилий. Даже несмотря на то, что этот «второй спутник» оказался полностью непохожим на то, что кто-либо когда-либо предполагал. Они очень трудны для обнаружения и отличаются от зодиакального света, в частности от противосияния.

Но люди все еще предполагают существование дополнительного естественного спутника Земли. Между 1966 и 1969 годами Джон Баргби (John Bargby), американский ученый, заявил, что наблюдал, по крайней мере, 10 маленьких естественных спутников Земли, видимых только в телескоп. Баргби нашел эллиптические орбиты для всех этих объектов: эксцентриситет 0.498, большая полуось — 14065 км, с перигеем и апогеем на высотах 680 и 14700 км соответственно. Баргби считал их частями большого тела, которое разрушилось в декабре 1955 года. Он обосновывал существование большинства своих предполагаемых спутников возмущениями, которые они вызывают в движениях искусственных спутников. Баргби использовал данные об искусственных спутниках из Goddard Satellite Situation Report, не подозревая, что величины в этих публикациях являются приблизительными, а иногда могут содержать большую ошибку и поэтому не могут быть использованы для точных научных расчетов и анализа. Кроме того, как следует из собственных наблюдений Баргби, можно сделать вывод, что хотя в перигее эти спутники должны быть объектами первой звездной величины и должны быть ясно видимы невооруженным глазом, никто их такими не видел.

В 1997 году, Поль Вигерт (Paul Wiegert) и др. открыли , что астероид 3753 имеет очень странную орбиту и может быть расценен как спутник Земли, хотя, конечно, непосредственно вокруг Земли он не вращается.

Спутники Марса , 1610, 1643, 1727, 1747, 1750 и с 1877 до нашего времени

Первым, кто предположил, что у Марса есть спутники, был в 1610 году Иоганн Кеплер . Пытаясь решить анаграмму Галилея , касающуюся колец Сатурна, Кеплер предположил, что Галилей обнаружил вместо них спутники Марса.

В 1643 году монах-капуцин Антон Мария Ширл (Anton Maria Shyrl) заявил, что действительно видел спутники Марса. Теперь мы знаем, что с телескопами того времени это было невозможно — вероятно Ширл ошибся, увидев звезду рядом с Марсом.

В 1727 году Джонатан Свифт в своем произведении «Путешествие Гулливера» написал о двух маленьких спутниках вращающихся вокруг Марса, известных лапутянскими астрономам. Их периоды обращения были 10 и 21.5 часов. Эти «спутники» были в 1750 году заимствованы Вольтером в его романе «Микромегас», рассказывавшем о великане с Сириуса, посетившем нашу Солнечную систему.

В 1747 году немецкий капитан Киндерманн (Kindermann) заявил, что видел спутник (только один!) Марса 10 июля 1744 года. Киндерманн доложил, что орбитальный период у этого марсианского спутника составляет 59 часов 50 минут и 6 секунд (!)

В 1877 году, Асаф Холл (Asaph Hall) наконец-то открыл Фобос и Деймос — два маленьких спутника Марса. Их орбитальные периоды составляют, соответственно, 7 часов 39 минут и 30 часов 18 минут, достаточно близко к значениям предсказанным Джонатаном Свифтом за 150 лет до этого!

В 1975 году, Чарльз Коваль (Charles Kowal) из Паломарской обсерватории (открывший Комету 95 P/Хирон) сфотографировал некий объект, посчитав его новым спутником Юпитера . Он был виден несколько раз, но недостаточно для того, чтобы определить его орбиту, а потом исчез. Он упоминался как обнаруженный в примечаниях к текстам до конца семидесятых годов.

В апреле 1861 года Херманн Гольдшмидт (Hermann Goldschmidt) объявил об открытии 9-го спутника Сатурна , который вращается вокруг планеты между Титаном и Гиперионом . Он назвал этот спутник Хирон (Chiron , также как сегодня называется спутник Плутона!). Однако, это открытие не подтвердилось — никто никогда больше не видел этого спутника. Позднее, в 1898 году Пикеринг (Pickering) открыл то, что теперь считается 9 спутником Сатурна — Фебу . Впервые спутник другой планеты был открыт с помощью фотографических наблюдений. Феба также является самым внешним спутником Сатурна.

В 1905 году, Пикеринг, однако, открыл десятый спутник, который он назвал Темис (Themis) . В соответствии с данными Пикеринга, он вращался вокруг Сатурна между Титаном и Гиперионом на сильно наклоненной орбите: среднее расстояние от Сатурна — 1,460,000 км, орбитальный период 20.85 дней, эксцентриситет 0.23, угол наклона 39 градусов. Темис больше никогда не видели, но, тем не менее, сообщения о нем появлялись в альманахах и астрономических книгах в 1950-х и 1960-х годы снова и снова.

В 1966 году, А.Долфус (A.Dollfus) открыл другой новый спутник Сатурна. Который был назван Янусом . Он вращается вокруг Сатурна, только с внешней стороны его колец. Он был настолько слабым и близко расположенный к кольцам, что единственный шанс его увидеть был, когда кольца Сатурна были видны с ребра. Это случилось в 1966 году. Теперь Янус является десятым спутником Сатурна.

В 1980 году, когда кольца Сатурна снова были видны с ребра. Шквал наблюдений открыл множество новых спутников Сатурна вблизи колец. Рядом с Янусом был открыт другой спутник, названный Эпиметей . Орбиты этих спутников расположены очень близко друг к другу. Особенно интересным свойством этой пары спутников является то, что они регулярно «обмениваются» орбитами! Оказалось, что «Янус», открытый в 1966 году, в действительности был наблюдаемым объектом, состоящим из обоих этих соорбитальных спутников. Вот почему «десятый спутник Сатурна», открытый в 1966 году в действительности оказался двумя различными спутниками! Космические аппараты Вояджер 1 и Вояджер 2 , которые впоследствии посещали Сатурн, это подтвердили.

В 1787 году Вильям Гершель (Herschel) объявил об открытии шести спутников Урана . Здесь Гершель сделал ошибку — только два из этих шести спутников существовали на самом деле: Титания и Оберон — самый большой и самый внешний. Оставшиеся четыре, были только, которые оказались поблизости (. .. Мне кажется, я уже где-то слышал эту историю раньше… 🙂

В 1841 году, Джон Кауч Адамс (John Couch Adams) начал исследовать причины достаточно большого отклонения движения Урана от расчетного. В 1845 году Урбан Ле Веррье (Urbain Le Verrier) начал исследования в той же области. Адамс представил два разных решения этой проблемы, предполагая, что причиной отклонения может являться гравитационное взаимодействие с неизвестной планетой. Адамс попытался представить свое решение в обсерватории в Гринвиче, но так как он был молод и неизвестен, его не восприняли всерьез. Урбан Ле Веррье представил свое решение в 1846 году, но у Франции не было необходимого оборудования, что бы обнаружить эту планету. Тогда Ле Веррье обратился к Берлинской обсерватории, в которой Галле (Galle) и его ассистент Д»Аррест (d»Arrest) вечером 23 сентября 1846 года нашли Нептун . В наши дни оба, Адамс и Ле Веррье, разделяют лавры предсказателей существования и положения Нептуна.

(Вдохновленный этим успехом, Ле Веррье взялся за проблему отклонения орбиты Меркурия и предположил существование интра-меркурианской планеты Вулкан , которая, как потом выяснилось, не существует.)

30 сентября 1846 года, через неделю после открытия Нептуна, Ле Веррье заявил, что там может быть еще одна неизвестная планета. 10 октября был открыт большой спутник Нептуна Тритон , с помощью которого оказалось легко измерить массу Нептуна с большой точностью. Она оказалась на 2% больше, чем ожидалось из расчетов его взаимодействия с Ураном. Это выглядело так, словно отклонения в движении Урана на самом деле вызывались двумя планетами, особенно если учесть, что настоящая орбита Нептуна заметно отличалась от предсказанной Адамсом и Ле Веррье.

В 1850 году Фергюсон (Ferguson) наблюдал движения малой планеты Гигеи (Hygeia). Одним из читателей доклада Фергюсона (Ferguson) был Хинд (Hind), проверивший опорные звезды, которые использовал Фергюсон. Хинд был не в состоянии найти одну из опорных звезд Фергюсона. Маури (Maury) из Военно-Морской Обсерватории, также не смог найти эту звезду. На протяжении нескольких лет, считалось, что это было наблюдение еще одной планеты, но в 1879 году было предложено другое объяснение: Фергюсон допустил ошибку при записи своих наблюдений — когда эта ошибка была исправлена, другая звезда хорошо подошла на роль «потерянной опорной звезды».

Первая серьезная попытка найти транс-нептуновые планеты была сделана Девидом Тодом (David Todd) в 1877 году. Он использовал «графический метод» и, вопреки плохо определенным отклонениям в движении Урана, определил элементы для транс-нептуновых планет: среднее расстояние 52 а.е., период 375 лет, звездная величина слабее, чем 13. Их долгота на период 1877-84 годов была дана как 170 градусов с ошибкой в 10 градусов. Угол наклона орбиты был равен 1.40 градусов и долгота восходящего узла 103 градусам.

В 1879 году Камилл Фламмарион (Camille Flammarion) намекнул на существование планеты за Нептуном: от отметил, что афелии периодических комет стремятся сгруппироваться вокруг орбиты больших планет. У Юпитера наибольшее число таких комет, Сатурн, Уран и Нептун также имеют некоторое их количество. Фламмарион открыл две кометы — 1862 III с периодом 120 лет и афелием 47.6 а.е. и 1889 II с довольно длинным периодом и афелием 49.8 а.е. Фламмарион предположил, что гипотетическая планета вероятно двигается на расстоянии 45 а.е.

Через год, в 1880 году, профессор Форбс (Forbes) опубликовал мемуары касающиеся афелия комет и их связи с планетарными орбитами. К началу 1900 года было известно 5 комет с афелием по ту сторону орбиты Нептуна и тогда Форбс предположил одну транс-нептуновую планету двигающуюся на расстоянии около 100 а.е. и другую на расстоянии 300 а.е., с периодами 1000 и 5000 лет.

На протяжении следующих пяти лет, несколько астрономов/математиков опубликовали свои собственные идеи на счет того, что может быть найдено во внешних частях Солнечной системы. Гаиллот (Gaillot) из парижской Обсерватории предположил существование двух транс-нептуновыех планет на расстоянии 45 и 60 а. е., соответственно. Томас Джеферсон предсказал три транс-нептуновые планеты: «Океан» на расстоянии 41.25 а.е. с периодом 272 года, «Транс-Океан» на 56 а.е. с периодом 420 лет, и, наконец, еще одну планету на расстоянии 72 а.е. с периодом 610 лет. Доктор Теодор Григулл из Мюнстера (Германия), предположил в 1902 году планету размером с Уран на 50 a.е. и с периодом 360 лет, которую он назвал «Гадес» (Hades). Григулл основывал свою работу главным образом на орбитах комет афелии орбит которых лежали за орбитой Нептуна. Там они могли испытывать гравитационное влияние тела, которое вызывало заметное отклонение в движении Урана. В 1921 году Григулл пересмотрел значение орбитального период «Гадеса», так как величина 310-330 лет более подходила для объяснения наблюдаемых отклонений.

В 1900 году Ханс-Эмиль Лау из Копенгагена опубликовал элементы орбит двух транс-нептуновых планет удаленных на расстояния 46.6 и 70.7 а.е., с массами в 9 и 47.2 раз больше Земной и блеском около 10-11 величины. Долгота этих гипотетических планет на 1900 год должна была равняться 274 и 343 градусам, но с очень большой ошибкой для обких планет (до 180 градусов).

В 1901 году, Габриэль Далле пришел к заключению о существовании гипотетической планеты на расстоянии 47 a.е. с блеском около 9.5-10.5 звездной величины и долготой 358 градусов на эпоху 1900 года. В том же году Теодор Григулл вывел долготу транс-нептуновой планеты, которая меньше чем на 6 градусов отличалась от значения для планеты Далле, а позднее разница уменьшилась до 2.5 градусов. Предполагалось, что эта планета находится на расстоянии 50.6 a.е.

В 1904 году, Томас Джеферсон предположил существование трех транс-нептуновыех планет с полуосями 42.25, 56 и 72 a.е. Самая внутренняя планета имела период 272.2 лет и долготу 200 градусов в 1904 году. Русский генерал Александр Гарновский предположил четыре гипотетических планеты, но оказался не в состоянии обосновать некоторые детали, касающиеся их положения и движений.

Два особенно тщательно проработанных предсказания по поводу транс-нептуновых планет были американского происхождения: «Поиски планет за Нептуном» Пикеринга (Pickering) (Annals Astron. Obs. Harvard Coll, vol LXI part II, 1909) и «Мемуары о транс-нептуновых планетах» Персиваля Лоуэлла (Percival Lowell) (Lynn, Mass 1915 год). Они интересовались одним и тем же вопросом, но использовали разные приближения и получили разные результаты.

Пикеринг использовал графический анализ и полагал что «Планета O» находится на расстоянии 51.9 a.е. с периодом 373.5 лет массой в два раза больше массы Земли и блеском 11.5-14 величины. Пикеринг, за последующие 24 года, предположил восемь других транс-нептуновых планет. Результаты Пикеринга явились причиной для исправления Галиотом расстояний до своих двух транс-нептуновых планет на 44 и 66 a.е. и изменения их масс на 5 и 24 массы Земли, соответственно.

В общей сложности, в период с 1908 по 1932 годы, Пикеринг предположил семь гипотетических планет — O, P, Q, R, S, T и U. Окончательные значения элементов орбит для планет O и P определяли тела совершенно отличные от первоначальных. Таким образом предсказанных им планет стало девять, что несомненно является рекордом. Большинство предсказаний Пиккеринга вызывали лишь кратковременный интерес, как некие курьезы. В 1911 году Пиккеринг предположил, что планета Q имеет массу 20,000 Земных масс, сделав ее в 63 раза массивнее Юпитера или примерно в 1/6 массы Солнца, что ближе к звезде с минимальной массой, чем к планете. Кроме того для этой планеты (Q) Пиккеринг предсказал очень эллиптическую орбиту.

В последующие года только планета P всерьез занимала его внимание. В 1928 году он уменьшил расстояние для планеты P с 123 до 67.7 а.е., а ее период с 1400 до 556.6 лет. Он оценил массу планеты в 20 земных масс и блеск примерно в 11 звездную величину. В 1931 году, после открытия Плутона , он изменил параметры орбиты планеты P: расстояние 75.5 а.е., период 656 лет, масса — 50 земных масс, эксцентриситет 0.265, наклонение орбиты 37 градусов, что приближается к значениям орбиты 1911 года. Планету S он предположил в 1928 году, а ее орбитальные элементы оценил в 1931: расстояние от Солнца — 48.3 а.е. (что близко к значению Планеты X Лоуэлла — 47. 5 а.е.), период 336 лет, масса 5 Земных масс, звездная величина — 15 m . В 1929 году Пикеринг предположил планету U, на расстоянии 5.79 а.е., с периодом 13.93 лет, внутри орбиты Юпитера. Ее масса была около 0.045 земных масс, эксцентриситет 0.26. Последней из предполагаемых Пикерингом планет была планета T, которую он предсказал в 1931 году: полуось 32.8 а.е., период 188 лет.

Элементы орбиты планеты O в разные годы:

Год Среднее Период Масса Зв.велич. Узел Наклон Долгота расстояние (годы) (масс Земли) орбиты 1908 51.9 373.5 2 11.5-13.4 105.13 1919 55.1 409 15 100 15 1928 35.23 209.2 0.5 12 Персиваль Лоуэлл, лучше всего известный как пропагандист каналов Марса , построил частную обсерваторию в городе Флагстафф, штат Аризона. Свою гипотетическую планету он назвал Планета X и предпринял несколько попыток ее обнаружить, но безуспешно. Первые попытки Лоуэлла отыскать Планету X пришлись на конец 1909 года, а в 1913 году он сделал вторую попытку ее поиска, на основе новых предсказаний для параметров Планеты X: на эпоху 1850-01-01, средняя долгота была 11. 67 град., долгота перигея 186, эксцентриситет 0.228, среднее расстояние 47.5 а.е.от Солнца, долгота восходящего узла 110.99 градусов, угол наклона орбиты 7.30 градуса, масса планеты 1/21000 массы Солнца. Лоуэлл и другие астрономы напрасно искали Планету X в 1913-1915 годах. В 1915 году, Лоуэлл опубликовал свои теоретические результаты по Планете X. По иронии судьбы в том же 1915 году, в обсерватории Лоуэлла были зафиксированы два нечетких изображения Плутона, хотя их и не смогли распознать, как изображения планеты до его «официального» открытия в 1930 году. Неудача Лоуэлла при поиске Планеты X было его самым большим разочарованием. В последние два года своей жизни он уже не тратил много времени на поиски Планеты X. Лоуэлл умер в 1916 году. На примерно 1000 пластинок с изображениями, которые он получил во время второй попытки поиска было в последствии обнаружено 515 астероидов , 700 различных звезд и 2 изображения Плутона!

Третья попытка найти Планету X началась в апреле 1927 года. За 1927-1928 годы не было достигнуто никакого прогресса. В декабре 1929 года провести поиски был приглашен молодой фермер и астроном-любитель из Канзаса Клайд Томбо (Clyde Tombaugh). Томбо начал свою работу в апреле 1929 года. В 23 и 29 января этого года Томбо сфотографировал несколько фотопластинок, на которых нашел Плутон, 18 февраля при их исследовании. К тому времени Томбо уже исследовал сотни пар таких пластинок с миллионами звезд. Поиски Планеты X подошли к концу.

К концу ли? Новая планета, позднее названная Плутоном, оказалась разочаровывающе маленькой, с массой, наверное, в одну массу Земли, а, возможно, только в 1/10 земной массы или еще меньше (в 1979 году, когда был открыт спутник Плутона Харон , оказалось, что масса пары Плутон-Харон составляет около 1/400 массы Земли!). Планета X должна, если, конечно, именно она является причиной возмущений орбиты Урана, быть гораздо больше, чем эта! Томбо продолжал свои поиски еще 13 лет и исследовал небо от северного небесного полюса до южного склонения в 50 градусов, доходя в своих поисках до 16-17, а иногда даже 18 звездной величины. Томбо исследовал около 90 миллионов изображений почти 30 миллионов звезд более чем на 30,000 квадратных градусах небесной сферы. Он открыл одно новое шаровое скопление, 5 новых рассеяных звездных скоплений, одно сверхскопление состоящее 1800 галактик и несколько небольших скоплений галактик, одну новую комету, около 775 новых астероидов — но больше ни одной новой планеты кроме Плутона. Томбо заключил, неизвестных планет ярче 16.5 звездной величины не существует — только планеты на почти полярных орбитах или расположенные близко к южному небесному полюсу могли не попасть в поле его исследований и не быть обнаруженными. Он надеялся обнаружить планету размером с Нептун на расстоянии в семь раз превышающем расстояние до Плутона или планету размером с Плутон на расстоянии 60 а.е.

Присвоение Плутону его имени составляет отдельную историю. Первые предполагаемые имена для новой планеты были такими: Атлас, Цималь (Zymal), Артемис (Artemis), Персей (Perseus), Вулкан, Тантал (Tantalus), Идана (Idana), Крон (Cronus). Газета «The New York Times» предложила название Минерва (Minerva), репортеры предлагали Осирис (Osiris), Бахус(Bacchus), Апполон (Apollo), Эреб (Erebus). Вдова Лоуэлла предложила назвать планету Зевсом, но позднее поменяла свое мнение на Констанцию (Constance). Многие предлагали назвать ее именем Лоуэлла. Персонал обсерватории Флагстаффа, где был открыт Плутон, предлагал имена Крон (Cronus), Минерва (Minerva) и Плутон. Спустя несколько месяцев планета была официально названа Плутон. Имя Плутон было первоначально предложено Венецией Берни (Venetia Burney), одиннадцатилетней школьницей из Оксфорда (Англия).

Самые первые расчитанные для Плутона параметры орбиты давали эксцентриситет 0.909, а период 3000 лет! Это бросает некоторое сомнение на то, была ли это та самая планета, которую мы знаем сегодня, или нет. Однако, несколько месяцев спустя, были получены более точные орбитальные элементы. Ниже приведено сравнение орбитальных элементов Планеты X Лоуэлла, Планеты O Пикеринга и Плутона:

Планета X Планета O Плутон (Лоуэлл) (Пикеринг) a (среднее расстояние) 43. 0 55.1 39.5 e (эксцентриситет) 0.202 0.31 0.248 i (угол наклона) 10 15 17.1 N (долгота восходящего узла) [не предск.] 100 109.4 W (долгота перигелия) 204.9 280.1 223.4 T (дата перигелия) февр. 1991 янв. 2129 сент. 1989 u (годовое движение) 1.2411 0.880 1.451 P (период, года) 282 409.1 248 T (дата прохождения периг.) 1991.2 2129.1 1989.8 E (долгота 1930.0) 102.7 102.6 108.5 m (масса, Земля=1) 6.6 2.0 0.002 M (звездная величина) 12-13 15 15

Массу Плутона было очень трудно определить. В разное время предлагалось несколько значений — вопрос оставался открытым до момента пока Джеймс В. Кристи (James W. Christy) в июне 1978 года не обнаружил спутник Плутона Харон — в то время считалось, что Плутон имеет массу равную только 20% от массы нашей Луны! Это сделало Плутон абсолютно неподходящим для того, чтобы производить ощутимое гравитационное влияние на на Уран и Нептун. Плутон не мог быть Планетой X Лоуэлла — найденная планета оказалась не той, которую искали. То, что казалось триумфом небесной механики, на самом деле оказалось счастливой случайностью или, скорее, результатом тщательно продуманных поисков Клайда Томбо.

Масса Плутона:

Кроммелин (Crommelin) 1930: 0.11 (масс Земли) Никольсон (Nicholson) 1931: 0.94 Вайли (Wylie) 1942: 0.91 Брауэр (Brouwer) 1949: 0.8-0.9 Койпер (Kuiper) 1950: 0.10 1965:

Еще об одной недолго просуществовавшей транс-Нептуновой планете сообщил 22 апреля 1930 года Р.М.Стюарт (R.M.Stewart) из Оттавы (Канада) — она была обнаружена на снимках, сделанных в 1924 году. Кроммелин (Crommelin) вычислил ее орбиту (расстояние 39.82 а.е., восх. узел 280.49 градусов, наклонение орбиты 49.7 градусов!). Томбо начал поиски «объекта Оттава», но ничего не нашел. Были предприняты и другие попытки поисков, но тоже без результатов.

Тем временем, Пикеринг продолжал предсказывать новые планеты (смотри выше). Другие астрономы также предсказывали новые планеты, исходя из теоретических соображений (Лоуэлл сам уже уже предсказал вторую транс-Нептуновую планету на расстоянии около 75 а.е.). В 1946 году Фрэнсис Севин (Francis M.E.Sevin) предположил существование транс-Плутоновой планеты на растоянии 78 а. е. Он сделал этот вывод на основе странного эмпирического метода, в котором он разделил планеты и астероид Идальго (Hidalgo), на две группы внутренних и внешних тел:

Группа I: Меркурий Венера Земля Марс Астероиды Юпитер Группа II: ? Плутон Нептун Уран Сатурн Идальго Потом он сложил логарифмы периодов каждой пары планет, получая приблизительно постоянную сумму около 7.34. Предполагая, что эту же сумму даст пара из Меркурия и транс-Плутона, он получил для «Трансплутона» период около 677 лет. Позднее Севин (Sevin) вычислил полный набор элементов орбиты «Трансплутона»: расстояние 77.8 а.е., период 685.8 лет, эксцентриситет 0.3, масса 11.6 земных масс. Его предсказание вызвало не слишком большой интерес среди астрономов.

В 1950 году, К.Шутте (K.Schutte) из Мюнхена использовал данные для восьми периодических комет, чтобы предсказать транс-Плутоновую планету на расстоянии 77 а.е. Четыре года спустя, Х.Х.Китцингер (H.H.Kitzinger) из Карлсруэ, используя те же кометы, расширил и уточнил предыдущую работу — у него получилась планета на расстоянии 65 а. е., с периодом 523.5 лет, наклоном орбиты 56 градусов и оценкой блеска около 11 звездной величины. В 1957 году, Китцингер пересмотрел эту задачу и получил новые элементы орбиты: расстояние 75.1 а.е., период 650 лет, угол наклона 40 градусов, звездная величина около 10. После безуспешных фотографических поисков, он повторил свои расчеты еще раз, в 1959 году, получилось, что среднее расстояние до планеты 77 а.е., период 675.7 лет, угол наклона 38 градусов, эксцентриситет 0.07, т.е. планете не такая, как «Трансплутон» Севина, а больше похожа по некоторым параметрам на последнюю Планету P Пикеринга. Тем не менее такой планеты обнаружено не было.

Комета Галлея также была использована как «зонд» обнаружения для транс-плутоновых планет. В 1942 году Ричардсон (R.S.Richardson) обнаружил, что планета земного размера находящаяся на расстоянии 36.2 а.е. от Солнца или в 1 а.е. от афелия кометы Галлея, должна задерживать момент прохождения ее перигелия, что хорошо согласовывалось с наблюдениями. Планета на расстоянии 35.3 а.е. и с массой 0.1 Земной должна давать подобные эффекты. В 1972 году Брэди (Brady) предсказал планету на расстоянии 59.9 а.е., с периодом 464 лет, эксцентриситетом 0.07, углом наклона 120 градусов (т.е находящаяся на ретроградной орбите), со звездной величиной около 13-14, размером примерно с Сатурн. Такая транс-плутоновая планета замедлила бы комету Галлея на 1456-м прохождении перигелия. Эту гигантскую транс-Плутоновую планету также искали, но не нашли.

Том ван Фландерн (Tom van Flandern) исследовал положения Урана и Нептуна в 1970-х годах. Вычисленная орбита Нептуна совпадала с наблюдениями только несколько лет, а потом начала уклоняться в сторону. Орбита Урана совпадала с наблюдениями во время одного периода обращения, но не на предыдущем обороте. В 1976 году Том ван Фландерн пришел к убеждению, что это было вызвано десятой планетой. После открытия Харона в 1978 году, показавшего, что масса Плутона на самом деле гораздо меньше, чем предполагалось, ван Фландерн убедил своего коллегу из USNO Роберта С. Харрингтона (Robert S. Harrington) в том, что десятая планета существует. Они начали сотрудничать в исследовании системы спутников Нептуна. Вскоре их взгляды разошлись. Ван Фландерн считал, что десятая планета образовалась за орбитой Нептуна, в то время, как Харрингтон верил, что она это произошло орбитами Урана и Нептуна. Ван Фландерн полагал, что необходимо больше данных, таких как уточненная масса Нептуна, полученная с Вояджера 2 . Харрингтон же начал поиски планеты с нечеловеческим рвением — начав в 1979 году он до 1987 года все еще не нашел никакой планеты. Ван Фландерн и Харрингтон предположили, что десятая планета может находиться вблизи афелия на высокоэллиптичной орбите. Если планета темная, она может быть не ярче 16-17 звездной величины, (это предположение выдвинул ван Фландерн).

В 1987 году, Вайтмир (Whitmire) и Матес (Matese) предсказали десятую планету на расстоянии 80 а.е. с периодом 700 лет и углом наклона орбиты, порядка 45 градусов, как альтернативу гипотезе о «Немезиде » (Nemesis). Однако, согласно Е.М.Шумейкеру (Eugene M.Shoemaker), эта планета не могла быть причиной метеорного потока, существование которого предположили Вайтмир и Матес (смотри ниже).

В 1987 году, Джон Андерсон (John Anderson) из JPL протестировал движения космических аппаратов Пионер 10 и Пионер 11 , что бы посмотреть, не будет ли в их движениях отклонений под действием гравитационных сил от неизвестных тел. Ничего обнаружено не было — из этого Андерсон заключил, что десятая планета вероятнее всего существует! JPL исключил из расчета своих эфемерид наблюдения Урана до 1910 году, в то время, как Андерсон использовал и их. Андерсон пришел к выводу, что десятая планета должна иметь высокоэксцентричнцю орбиту, уносящую ее слишком далеко от Солнца, чтобы быть обнаруженной теперь, но периодически приносящую ее достаточно близко, чтобы она могла оставить свою «волнительную подпись на путях других планет». Он предположил также, что ее масса равна пяти массам Земли, орбитальный период составляет около 700-1000 лет, а орбита обладает сильным наклоном. Ее влияние влияние на внутренние планеты не будет обнаруживаться снова как минимум до 2600 года. Андерсон надеялся, что Вояджеры помогут определить положение этой планеты.

Конли Пауэлл (Conley Powell) из JPL, также анализировал движение планет. Он также нашел, что наблюдения Урана соответствовали вычислениям после 1910 года гораздо лучше, чем до этого. Пауэлл предположил, что расхождение было вызвано планетой с массой 2.9 земных масс на расстоянии 60.8 а.е.от Солнца, с периодом 494 лет, углом наклона 8.3 градуса и маленьким эксцентриситетом. Пауэлл высказал предположение, что ее период приблизительно равен двум периодам Плутона и трем периодам Нептуна. Он предполагал, что планета, которую он обнаружил, имеет орбиту стабилизированную взаимным резонансом с ее ближайшими соседями, несмотря на их сильное удаление друг от друга. Решение указывало на то, что планета находилась в созвездии Близнецов, а также была ярче Плутона, когда он был открыт. Поиски планеты Пауэлла начались в 1987 году в обсерватории Лоуэлла — но ничего обнаружено не было. Пауэлл повторил свои расчеты и получил следующие элементы: масса — 0.87 земных масс, расстояние 39.8 а.е., период 251 лет, эксцентриситет 0.26, т.е. орбита очень похожа на орбиту Плутона! Соответственно, новая Пауэлловская планета должна находиться в созвездии Льва и обладать блеском около 12 звездной величины. Однако, сам Пауэлл думает, что эти данные слишком преждевременны для поисков планеты и нуждаются в дополнительной проверке.

Даже если транс-Плутоновые планеты никогда не будут найдены, внешние части Солнечной системы всеравно будут фокусировать на себе внимание исследователей. Мы уже упоминали об астероиде Идальго, который двигается по неустойчивой орбите между Юпитером и Сатурном. В 1977-1984 годах Чарльз Коваль (Charles Kowal) представил новую систематическую программу поисков неоткрытых объектов солнечной системы с использование 48-дюймовую камеру Шмидта Паломарской Обсерватории. В октябре 1987 года он обнаружил астероид 1977UB, позднее получивший имя Хирон, двигавшийся на среднем расстоянии 13. 7 а.е., с периодом 50.7 лет, эксцентриситетом 0.3786, углом наклона 6.923 градусов, диаметром около 50 км. Во время этих поисков Коваль также обнаружил 5 комет и 15 астероидов, (включая Хирон), наиболее отдаленный астероид из всех когда-либо обнаруженных. Коваль также переоткрыл 4 потерянных кометы и один потерянный астероид. Он не нашел десятой планеты и заключил, что в пределах трех градусов от эклиптики нет неизвестной планеты ярче 20 звездной величины.

В первом объявлении об открытии Хирона его назвали «десятой планетой», но потом немедленно обозначили, как астероид. Однако, Коваль подозревал, что это тело может очень походить на комету, а позже оно даже приобрело короткий кометный хвост! В 1995 году Хирон был также классифицирован как комета — конечно, как самая большая комета о которой нам что-либо известно.

В 1992 году был обнаружен еще один удаленный астероид: Фолус (Pholus). Позднее в 1992 году был обнаружен астероид за орбитой Плутона, за ним последовали еще пять транс-Плутоновых астероидов, открытых в 1993 году и наконец еще более десяти в 1994 году!

Тем не менее, космические аппараты Пионер 10 и 11, Вояджер 1 и 2, пересекали внешнюю часть солнечной системы, и могли также быть использованы как «зонды» для обнаружения неизвестных гравитационных воздействий, возможно, вызванных неизвестными планетами — но ничего обнаружено не было. Вояджеры также установили более точные массы для внешних планет — когда эти обновленные данные были использованы при численном интегрировании движений в Солнечной системе, все разногласия, связанные с положениями внешних планет, наконец исчезли. Кажется, что поиски «Планеты X» наконец-то подошли к концу. «Планеты X» не существовало (Плутон в действительности не считается), но вместо этого был обнаружен пояс астероидов за орбитами Нептуна и Плутона! Астероиды за орбитой Юпитера, которые были обнаружены в августе 1993 года, представлены ниже:

Астероид a e Накл. Восх. Арг периг. Сред. Период Назв. а.е. град. град. град. град. год. 944 5.79853 .658236 42.5914 21.6567 56.8478 60.1911 14.0 Идальго 2060 13.74883 .384822 6.9275 209.3969 339.2884 342.1686 51.0 Хирон 5145 20.44311 .575008 24.6871 119.3877 354.9451 7.1792 92.4 Фолус 5335 11.89073 .866990 61.8583 314.1316 191.3015 23.3556 41.0 Дамокл 1992QB1 43.82934 .087611 2.2128 359.4129 44.0135 324.1086 290 1993FW 43.9311 .04066 7. 745 187.914 359.501 0.4259 291 Эпоха: 1993-08-01.0 TT В ноябре 1994 года были открыты следующие транс-Нептуновые астероиды:
Объект a e накл. R Зв.в. Диам. Был открыт Открыватель а.е. град. км Дата 1992 QB1 43.9 0.070 2.2 22.8 283 1992 авг Jewitt & Luu 1993 FW 43.9 0.047 7.7 22.8 286 1993 мар Jewitt & Luu 1993 RO 39.3 0.198 3.7 23.2 139 1993 сен Jewitt & Luu 1993 RP 39.3 0.114 2.6 24.5 96 1993 сен Jewitt & Luu 1993 SB 39.4 0.321 1.9 22.7 188 1993 сен Williams et al. 1993 SC 39.5 0.185 5.2 21.7 319 1993 сен Williams et al. 1994 ES2 45.3 0.012 1.0 24.3 159 1994 мар Jewitt & Luu 1994 EV3 43.1 0.043 1.6 23.3 267 1994 мар Jewitt & Luu 1994 GV9 42.2 0.000 0.1 23.1 264 1994 апр Jewitt & Luu 1994 JQ1 43.3 0.000 3.8 22.4 382 1994 май Irwin et al. 1994 JR1 39.4 0.118 3.8 22.9 238 1994 май Irwin et al. 1994 JS 39.4 0.081 14.6 22.4 263 1994 май Luu & Jewitt 1994 JV 39.5 0.125 16.5 22.4 254 1994 май Jewitt & Luu 1994 TB 31.7 0.000 10.2 21.5 258 1994 окт Jewitt & Chen 1994 TG 42. 3 0.000 6.8 23.0 232 1994 окт Chen et al. 1994 TG2 41.5 0.000 3.9 24.0 141 1994 окт Hainaut 1994 TH 40.9 0.000 16.1 23.0 217 1994 окт Jewitt et al. 1994 VK8 43.5 0.000 1.4 22.5 273 1994 нояб Fitzwilliams et al. Диаметр дан в км (он вычислен по звездным величинам и наиболее вероятному альбедо и приведен для большого числа объектов) Транс-Нептуновые тела подразделяются на две группы. Одна группа, состоит из Плутона, 1993 SC, 1993 SB и 1993 RO, имеет эксцентричные орбиты и находится в резонансе 3:2 с Нептуном. Вторая группа включает в себя 1992 QB1 и 1993 FW, которые находятся гораздо дальше и имеют низкий эксцентриситет.

Немезида , звезда-компаньон Солнца, с 1983 года до настоящего времени

Предположим, что наше Солнце не одиночная звезда, а имеет компаньона. Предположим, что эта звезда-компаньон двигается по эллиптической орбите, ее расстояние от Солнца варьируется между 90,000 а.е. (1.4 световых года) и 20,000 а.е., с периодом 30 миллионов лет. Также предположим, что эта звезда темная или, по крайней мере, очень слабая, и поэтому мы ее не замечали раньше.

Это должно означать, что один раз в 30 миллионов лет эта гипотетическая звезда-компаньон Солнца должна проходить через облако Оорта (гипотетическое облако прото-комет, которое находится на очень большом расстоянии от Солнца). Во время этого прохождения прото-кометы в облаке Оорта вокруг этой звезды будут «взбалтываться». А через несколько десятков тысяч лет, здесь на Земле мы могли бы заметить катастрофическое увеличение числа комет , пересекающих внутренние части Солнечной системы. Если же число комет увеличится очень сильно, то Земля рискует столкнуться с ядром одной из них.

При исследовании геологической истории Земли, было обнаружено, что примерно один раз в 30 миллионов лет на Земле происходило массовое вымирание живых существ. Самое известное из них это, конечно, вымирание динозавров около 65 миллионов лет назад. Согласно этой гипотезе, примерно через 15 миллионов лет от сегодняшнего дня наступит время очередного массового исчезновения жизни.

Гипотеза «смертоносного компаньона» Солнца была высказана в 1985 году Даниэлом. Вайтмайером (Daniel P. Whitmire) и Джоном Д. Матесом (John J. Matese) из Университета Южной Луизианы (США). Эта звезда даже получила имя: Немезида (Nemesis) . Единственным неприятным моментом у данной гипотезы является то, что нет вообще никаких указаний на существования звезды-компаньона у Солнца. Ей ее нужно быть очень яркой или массивной, даже звезда намного меньше и тусклее Солнца и та была бы замечена, даже коричневый или черный карлик (плането-подобное тело недостаточно массивное, чтобы начать процесс «горения водорода» как звезде). Вполне возможно, что эта звезда уже существовует в одном из каталогов слабых звезд и для нее не обнаружено каких-либо особенностей (а именно, огромное видимое движение этой звезды относительно более удаленных звезд фона, т.е. ее малый параллакс). Если бы существование этой звезды доказали, то немногие стали бы сомневаться, что это и есть первичная причина периодического вымирания видов на Земле.

Но эта гипотеза обладаем всеми предпосылками мифа. Если бы антрополог предыдущего поколения услышал такую историю от своих осведомителей, то заканчивая записывать ее в свой очередной том академических трудов, он несомненно бы использовал слова такие как «примитивный» или «до-научный». Послушайте, напрмер, следующую историю: Существует еще одно Солнце на небе, Солнце-Демон, которое мы не видим. Много лет назад, даже до великого времени праотцов, Солнце-Демон атаковало наше Солнце. Упали кометы и ужасная зима окутала Землю. Почти вся жизнь была уничтожена. Солнце-Демон до этого атаковало много раз. И будет атаковать опять. Вот почему некоторые ученые, когда впервые услышали ее, думали, что теория Немезиды всего лишь шутка — невидимое Солнце, атакующее Землю вместе с кометами, это звучит как заблуждение или миф. По этой причине многие скептически шутили: мы всегда в опасности обмануть самих себя. Но даже если эта теория не имеет весомых оснований, она все же серьезная и вполне допустимая, поскольку ее основную идею можно проверить: вы находите звезду и проверяете ее свойства.

Однако, с тех про как спутник IRAS произвел обзор всего неба в инфракрасном диапазоне и не нашел в нем излучения «Немезиды», ее существование стало очень маловероятно.

(Извините, но все ссылки, приведенные автором, даны на англоязычные источники. Прим.Ред.)

Willy Ley: «Watcher»s of the skies», The Viking Press NY,1963,1966,1969

William Graves Hoyt: «Planet X and Pluto», The University of Arizona Press 1980, ISBN 0-8165-0684-1, 0-8165-0664-7 pbk.

Carl Sagan, Ann Druyan: «Comet», Michael Joseph Ltd, 1985, ISBN 0-7181-2631-9

Mark Littman: «Planets Beyond — discovering the outer solar system», John Wiley 1988, ISBN 0-471-61128-X

Tom van Flandern: «Dark Matter, Missing Planets & New Comets. Paradoxes resolved, origins illuminated», North Atlantic Books 1993, ISBN 1-55643-155-4

Joseph Ashbrook: «The many moons of Dr Waltemath», Sky and Telescope, Vol 28, Oct 1964, p 218, also on page 97-99 of «The Astronomical Scrapbook» by Joseph Ashbrook, SKy Publ. Corp. 1984, ISBN 0-933346-24-7

Delphine Jay: «The Lilith Ephemeris», American Federation of Astrologers 1983, ISBN 0-86690-255-4

William R. Corliss: «Mysterious Universe: A handbook of astronomical anomalies», Sourcebook Project 1979, ISBN 0-915554-05-4, p 45-71 «The intramercurial planet», p 82-84 «Mercury»s moon that wasn»t», p 136-143 «Neith, the lost satellite of Venus», p 146-157 «Other moons of the Earth», p 423-427 «The Moons of Mars», p 464 «A ring around Jupiter?», p 500-526 «Enigmatic objects»

— планеты — малые тела

Солнечная система образовалась около 4,6 млрд. лет назад. Группа планет, Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон, вместе с Солнцем составляют Солнечную систему.

Солнце

Солнце — центральное тело Солнечной системы — это звезда, огромный газовый шар, в центре которого идут ядерные реакции. Основная доля массы Солнечной системы сосредоточена в Солнце — 99,8%. Именно поэтому Солнце удерживает гравитацией все объекты Солнечной системы, размеры которой не менее шестидесяти миллиардов километров Самыгин С. И. Концепции современного нстествознания — Ростов-на-Дону, Феникс, 2008.

Совсем рядом с Солнцем обращаются четыре маленьких планеты, состоящие, в основном, из горных пород и металлов — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Эти планеты называются планетами земной группы.

Между планетами земной группы и планетами-гигантами расположен пояс астероидов Саган К.Э. Космос — М., 2000.. Чуть дальше расположены четыре больших планеты, состоящие, в основном, из водорода и гелия. У планет-гигантов нет твердой поверхности, зато они имеют исключительно мощную атмосферу. Юпитер — самая большая из них. Далее следуют Сатурн, Уран и Нептун. Все планеты — гиганты имеют большое количество спутников, а также кольца.

Самой последней планетой Солнечной системы является Плутон, который по своим физическим свойствам ближе к спутникам планет-гигантов. За орбитой Плутона открыт так называемый пояс Койпера, второй пояс астероидов.

Меркурий, ближайшая к Солнцу планета Солнечной системы, была для астрономов длительное время полной загадкой. Не был точно измерен период её вращения вокруг оси. Из-за отсутствия спутников не была точно известна масса. Близость к Солнцу мешала производить наблюдения поверхности.

Меркурий

Меркурий — один из самых ярких объектов на небе. По яркости он уступает только Солнцу, Луне, Венере, Марсу, Юпитеру и звезде Сириус. В соответствии с 3 законом Кеплера имеет самый маленький период обращения вокруг Солнца (88 земных дней). И самую большую среднюю скорость движения по орбите (48 км/с) Гофман В.Р. Концепции современного естествознания — М., 2003..

Масса Меркурия равна массы Земли. Единственной планетой с меньшей массой является Плутон. По величине диаметра (4880 км, менее половины земного), Меркурий так же стоит на предпоследнем месте. Но его плотность (5.5 г/см3) приблизительно равна плотности Земли. Однако, будучи значительно меньше Земли, Меркурий испытал незначительное сжатие под действием внутренних сил. Таким образом, согласно расчетам, плотность планеты до сжатия составляет 5. 3 г/см3 (для Земли это значение равно 4.5 г/см3). Такая большая несжатая плотность, превосходящая плотность любой другой планеты или спутника, свидетельствует о том, что внутреннее строение планеты отличается от строения Земли или Луны Айзек А. Земля и космос. От реальности к гипотезе — М., 1999..

Большое значение несжатой плотности Меркурия должно обусловливаться наличием большого количества металлов. Согласно наиболее правдоподобной теории, в недрах планеты должно находиться ядро, состоящее из железа и никеля, масса которого должна составлять примерно 60 % от полной массы. А остальная часть планеты должна состоять в основном из силикатов. Диаметр ядра — 3500 км. Таким образом, оно залегает примерно на расстоянии 700 км от поверхности. Упрощенно можно представить себе Меркурий в виде металлического шара размером с Луну, покрытым скалистой 700 километровой коркой.

Одним из неожиданных открытий, сделанных американской космической миссией «Маринер 10» было обнаружение магнитного поля. Хотя оно и составляет приблизительно 1 % Земного, оно так же существенно для планеты. Это открытие стало неожиданным из-за того, что раннее считалось, что внутренняя часть планеты имеет твердое состояние, а, следовательно, магнитное поле образоваться не могло. Сложно понять каким образом такая маленькая планета смогла сохранить достаточно теплоты для поддержания ядра в жидком состоянии. Наиболее вероятное предположение заключается в том, что в ядре планеты находится значительная часть соединений железа и серы, которые замедляют охлаждение планеты и благодаря этому, по крайней мере, серо-железная часть ядра находится в жидком состоянии Саган К.Э. Космос — М., 2000..

Первые данные, характеризующие планету с близкого расстояния, были получены в марте 1974 года благодаря космическому аппарату, запущенному в рамках американской космической миссии «Маринер 10», который приблизился на расстояние 9500 км и сфотографировал поверхность при разрешении 150 м.

Хотя температура поверхности Меркурия уже была определена на Земле, более точные данные были получены при близких измерениях. Температура на дневной стороне поверхности достигает 700 К, примерно температура плавления свинца. Однако после захода Солнца, температура быстро опускается примерно до 150 К, после чего медленнее остывает до 100 К. Таким образом, разность температур на Меркурии примерно 600К, большая чем на любой другой планете Садохин А.П. Концепции современного естествознания — М., Юнити, 2006..

Меркурий сильно напоминает Луну по внешности. Он покрыт тысячами кратеров, большие из которых достигают 1300 км в диаметре. Так же на поверхности встречаются крутые откосы, которые могут превышать километр в высоту и сотни километров в длину, хребты и долины. Некоторые из самых больших кратеров имеют лучи подобно кратерам Тихо и Коперника на Луне и многие из них имеют центральные вершины Горьков В.Л., Авдеев Ю.Ф. Космическая азбука. Книга о космосе — М., 1984..

Большинство рельефных объектов на поверхности планеты было названо в честь известных художников, композиторов и представителей других профессий, внесших свой вклад в развитие культуры. Самые большие кратеры названы Бах, Шекспир, Толстой, Моцарт, Гете.

В 1992 году астрономы обнаружили районы с высоким уровнем отражения радиоволн, по своим свойствам сходные со свойствами отражения у полюсов на Земле и на Марсе. Оказалось, что в этих районах содержится лед в кратерах, покрытых тенью. И хотя существование таких низких температур не явилось неожиданностью, загадкой оказалось происхождение этого льда на планете, остальная часть которой испытывает воздействие высоких температур и абсолютно сухая.

Отличительные черты Меркурия — длинные откосы, которые иногда пересекают кратеры, являются свидетельством сжатия. Очевидно, планета сжималась, и по поверхности шли трещины. И этот процесс происходил уже после того, как образовалось большинство кратеров. Если стандартная кратерная хронология верна по отношению к Меркурию, то это сжатие должно было происходить на протяжении первых 500 миллионов лет истории Меркурия.

Мелькающие перед нами в основном на страницах атласов, экранах мониторов и телевизоров, вызывают живейший интерес. О нашей Солнечной системе собрано немало данных за последнее столетие, когда развитие космических технологий сделало скачок далеко вперед. Однако знаниями о планетах, являющихся соседями Солнцу, люди далекие от астронавтики и астрономии обладают не такими широкими.

Об одной из маленьких планет Солнечной системы мы собираемся поговорить в данной статье. Это планета Меркурий, ближайшая к Солнцу, одна из самых маленьких. Как вы думаете, какую тайну таит в себе это небесное тело? Для ее разгадки необходимо сначала вспомнить, существуют ли спутники Меркурия. Трудновато, правда? А теперь отправляемся в путешествие в занимательные астрономические факты.

Что мы уже знаем про Меркурий?

В школьной программе даются не слишком обширные знания о планетах солнечной системы, однако достаточные для сектора общих знаний.

Меркурий — одна из самых маленьких планет в Солнечной системе (после выдворения Плутона за пределы планетарной системы вовсе самая маленькая). Также он находится ближе всего к Солнцу.

Планета имеет небольшую массу относительно нашей Земли (всего 1/20). При этом большую часть тела объекта составляет жидкое ядро, которое, по мнению некоторых исследователей, содержит высокий уровень железа.

Кроме того, мы знаем и сколько спутников у Меркурия: у него их нет. Однако не все так однозначно оказалось в мире астрономов.

Загадочное небесное тело: история возникновения гипотезы

Как мы уже говорили, существование естественного спутника было недолго научной гипотезой. Интересно, на основании каких выводов она была в свое время выдвинута.

Итак, произошло это в 1974 году, 27 марта. В это время межпланетная станция «Маринер-10» приближалась к Меркурию. Приборами на борту станции было зафиксировано ультрафиолетовое излучение, которого априори не должно было быть на этом участке пути. По крайней мере, астронавты так считали.

На следующий день излучения не было. Через два дня, 29 марта станция снова пролетала возле Меркурия и снова зафиксировала ультрафиолетовое излучение. По своим характеристикам оно могло исходить от космического объекта, отделившегося от планеты.

Версии ученых об объектах возле Меркурия

В сложившихся условиях у исследовательской команды появились новые данные для версий, есть ли спутники у Меркурия. По поводу этого предполагаемого объекта у ученых возникло несколько версий. Одни были убеждены, что это звезда, другие — что спутник. В пользу последней версии говорили некоторые данные, связанные с актуальными тогда предположениями о существовании межзвездной среды.

Продолжительное время велись исследования космического пространства Меркурия с целью обнаружить источник ультрафиолетового излучения. Однако ни тогда, ни сейчас данных о том объекте нет.

Сколько спутников у Меркурия?

Таким образом, можем повторить гипотезу ученых и принять к сведению историческое существование некоего спутника Меркурия. В данный момент существует однозначный ответ на вопрос, сколько спутников у Меркурия — ни одного естественного.

О количестве космических объектов, вращающихся вокруг этой планеты, данных нет. Лишь искусственные космические тела, запущенные человеком, сейчас подходят под определение спутника данного небесного тела.

Итак, спутник Меркурия — это гипотетический космический объект, вращающийся вокруг планеты, считался естественного происхождения. То есть его наличие (по крайней мере, гипотетическое) было бы ответом на вопрос, существуют ли естественные спутники Меркурия. Недолгое время просуществовала данная гипотеза, ее приверженцев становилось все меньше. Впоследствии был запущен первый искусственный спутник Меркурия. Это произошло в марте 2011 года. Существование естественных спутников подтверждено не было.

Заключение

В данной статье затронут интересный аспект астрономии, о котором вам, скорее всего, не рассказывали в школе. При описании планет Солнечной системы немало внимания уделяется спутникам естественным и искусственным.

На сегодняшнем этапе развития астрономической науки сомнений в отсутствии естественных спутников Меркурия нет. Однако был и другой период в науке, когда после улавливания ультрафиолетового излучения в несвойственном для этого участке космического пространства ученым пришли в голову различные гипотезы. Среди них были и предположения о том, что естественные спутники Меркурия существуют.

Какие еще загадки преподнесет космос в таком пространстве, как наша Солнечная система, можем лишь предполагать и полагаться на фантастов. Возможно, еще будут открыты спутники Меркурия и другие космические тела, о которых не подозревает планетология сейчас.

Практически у каждой планеты нашей солнечной системы имеется спутник. У некоторых их десятки, к примеру, у Юпитера их 67. А имеет ли спутники Меркурий? Как бы странно это ни звучало, их у него нет.

Луны в Солнечной системе — явление не редкое. Даже у самой малой планеты Плутон есть сопровождающий, но почему тогда у Меркурия спутники отсутствуют?

Спутники

Наша Луна сопровождает Землю уже более миллиона лет. По предположению ученых, она появилась после того, как в планету врезалось какое-то космическое тело, размером с Марс. Земная гравитация удержала его осколки на своей орбите. Постепенно все осколки образовали единый объект, который мы наблюдаем каждую ночь. Таким образом у Земли появилась Луна, сопровождающая ее на протяжении многих лет.

По предположениям астрономов, Меркурий спутники имел, но когда-то очень давно. Но они или попали под воздействие гравитации Солнца, или же упали на поверхность планеты.

Есть спутники у Марса — их два: Фобос и Деймос. Это обычные астероиды, которые не способны преодолеть притяжение планеты. Наличием двух лун красная планета обязана близкому расположению пояса астероидов. А вот рядом с Меркурием такого скопления метеоритов нет, да и пролетает их мимо него очень мало.

Спутники есть и у Плутона — это, в частности, Никта и Гидра, крупные ледяные глыбы, которые оказались поблизости от этой планеты и не смогли справиться с гравитацией. Если вдруг эти объекты оказались бы рядом с Солнцем, то они превратились бы в кометы и прекратили свое существование.

Меркурий спутников не имеет, и в ближайшем будущем их появления не предвидится.

Историческая справка

В семидесятых годах ученые предположили, что имеется у Меркурия спутник, название которому не успели придумать, так как это мнение было ошибочным. Данный вывод сделали после того, как благодаря оборудованию «Маринер-10» было зафиксировано исходящее ультрафиолетовое излучение. Некоторые ученые предположили, что такие большие дозы излучения могут исходить только от спутника Меркурия. Позже выяснилось, что причиной этому было воздействие дальней звезды, и все предположения о наличие сопровождающих тел оказались ложными.

Первая планета

Первой планетой Солнечной системы является Меркурий. Это атмосфероподобный мир, имеющий множество кратеров. До того момента, как аппарат «Мессенджер» долетел до планеты, о ней было мало что известно. Теперь же астрономы знают о ней многое. На протяжении многих лет Меркурий сопровождает всего один спутник, да и тот земного происхождения.

На первом небесном теле Солнечной системы присутствует лед. Его обнаружили в кратерах, куда не попадают солнечные лучи. Также была обнаружена органика, которая необходима для строительства всего живого. Такие открытия позволили предположить, что когда-то здесь была жизнь. На поверхности планеты была обнаружена сера и многие другие элементы, которые есть на Земле. По поводу находки больших запасов серы ученые до сих пор ломают голову, ведь ни на одной другой планете ее нет в таких количествах.

Искусственный спутник

В 2011 году на орбиту вышел космический аппарат, который стал сопровождать планету. Теперь смело можно ответить на вопрос о том, какое количество спутников у Меркурия — один.

Благодаря новому сопровождению, астрономам удалось собрать множество сведений о планете. Они знают, какой угол наклона осей, период вращения, размеры планеты. Аппарат присылал снимки поверхности планеты, сделанные из космоса. Спутник смог сделать фотографии северной полярной области, в числе которых гигантскую депрессию, южный район, тем самым закрыв все пробелы в информации о планете.

Впервые ученым удалось увидеть структуру планеты, рассмотреть детально ее рельеф с очень близкого расстояния.

Полет вокруг планеты

Спутник Меркурия «Мессенджер» постоянно подвергается воздействию гравитации со стороны Солнца. Как и у аппаратов, летающих вокруг Земли, траектория полетов машины постепенно изменяется. В частности, пытается уйти вверх минимальная высота полета, а максимальная — снижается. Из-за таких скачков ухудшаются условия работы аппаратуры. Чтобы как-то скорректировать процессы исследования, периодически проводится систематический анализ полета, высчитывается траектория. По плану, перестройка аппарата будет проводиться раз в меркурианский год или раз в 88 земных дней. Апоцентр будет подниматься на триста километров с первым витком, а со вторым — опускаться до двухсот километров.

Главная задача «Мессенджера» — сделать как можно больше снимков планеты с разных участков. И астрономы получили огромное количество фото, каждое из которых уникально.

Естественные спутники

Как уже неоднократно упоминалось выше, у Меркурия нет естественных спутников. Чтобы они возникли, необходимо или падение на планету огромного количества астероидов, которые от нее отскочили бы и стали летать на орбите, или же привлечь к себе кометы, удержав их гравитацией. Предположительно, по второму сценарию появилось сопровождение у Марса и некоторых газовых планет.

По мнению многих ученых, у Меркурия не может быть сопровождения из-за его малой гравитационной силы: она не способна удержать на орбите космические тела. Кроме того, если в зону, где объект мог бы задержаться, вошел бы крупный астероид, то он обязательно попал бы под воздействие Солнца и попросту растворился.

Пытаясь найти фото и названия спутников Меркурия, можно отыскать только информацию об искусственном сопровождении планеты, которое было разработано на Земле. Вот так Меркурию и Венере приходится коротать свой век в гордом одиночестве, летая вокруг Солнца без сопровождения.

> > Спутники Меркурия

Есть ли у Меркурия спутники : описание первой планеты от Солнца с фото, особенности орбиты, история формирования планеты и лун в космосе, сфера Хилла.

Вы могли заметить, что практически у каждой планеты Солнечной системы есть спутники. Причем у Юпитера их целых 67! Даже обиженный всеми Плутон обладает пятью. А что с первой планетой от Солнца? Сколько спутников у Меркурия и есть ли они вообще?

Есть ли у Меркурия спутники

Если спутники – это довольно распространенное явление, то почему эта планета лишена такого счастья? Чтобы понять причину, нужно разобраться в принципах формирования лун и посмотреть, как это соотносится с ситуацией на Меркурии.

Создание естественных лун

Прежде всего, спутник способен использовать для формирования материал из околопланетного диска. Тогда все осколки постепенно соединяются и создают крупные тела, которые способны приобрести сферическую форму. Подобному сценарию последовали Юпитер, Уран, Сатурн и Нептун.

Второй способ – привлечь к себе. Крупные тела способны воздействовать гравитацией и притягивать к себе другие объекты. Это могло произойти с марсианскими спутниками Фобосом и Деймосом, а также с небольшими лунами у газовых и ледяных гигантов. Есть даже мысль, что крупная луна Нептуна Тритон ранее считалась транс-нептуновым объектом.

И последнее – сильное столкновение. В момент формирования Солнечной системы планеты и прочие объекты пытались отыскать свое место и часто сталкивались. Это бы заставило планеты выбросить в пространство огромное количество материала. Думают, что именно так и появилась земная Луна примерно 4.5 миллиардов лет назад.

Сфера Хилла

Сфера Хилла — участок вокруг небесного тела, который доминирует над солнечным притяжением. На внешнем краю наблюдается нулевая скорость. Эту черту объект не способен перешагнуть. Чтобы обзавестись луной, нужно располагать объектом в пределах этой зоны.

То есть, все тела, пребывающие в сфере Хилла, подчиняются влиянию планеты. Если же они за пределами черты, то слушаются нашей звезды. Это касается и Земли, которая удерживает Луну. Но у Меркурия нет спутников. Фактически он не способен захватить или сформировать собственную луну. И на это есть несколько причин.

Размер и орбита

Меркурий — самая маленькая планета Солнечной системы, которой не повезло расположиться самой первой, поэтому ее гравитации просто не хватит, чтобы удержать свой спутник. Более того, если бы крупный объект прошел в сферу Хилла, то скорее попал бы под солнечное влияние.

Кроме того, на орбитальном пути планеты просто не хватает материала на то, чтобы создать луну. Возможно, причина в звездных ветрах и радиусах конденсации легких материалов. В момент формирования системы элементы вроде метана и водорода оставались в виде газа возле звезды, а тяжелые сливались в планеты земного типа.

Однако в 1970-х гг. все же надеялись на то, что там может быть спутник. Маринер-10 уловил огромное количество УФ-лучей, намекая на крупный объект. Но радиация пропала на следующий день. Оказалось, что прибор поймал сигналы от удаленной звезды.

К сожалению, Венере и Меркурию приходится коротать век в одиночестве, так как в Солнечной системе это единственные планеты, у которых нет спутников. Нам повезло расположиться на идеальной удаленности и обладать крупной сферой Хилла. И давайте поблагодарим таинственный объект, который врезался в нас в прошлом и породил Луну!

Собрание сочинений. . Перед восходом солнца. — М. : Время. 2008

%PDF-1.6 % 1 0 obj > endobj 6 0 obj /Title /Author /Subject (ISBN 978-5-9691-0365-8) >> endobj 2 0 obj > stream

Собрание сочинений. <Том 7>. Перед восходом солнца. — М. : Время. 2008

https://imwerden.de

text

ru-RU

Зощенко, Михаил Михайлович

ISBN 978-5-9691-0365-8

endstream endobj 3 0 obj > endobj 4 0 obj > endobj 5 0 obj > endobj 7 0 obj 1331 endobj 8 0 obj /Dest [19 0 R /XYZ null null null] >> endobj 9 0 obj /Dest [21 0 R /XYZ null null null] >> endobj 10 0 obj > endobj 11 0 obj > endobj 12 0 obj > endobj 13 0 obj > endobj 14 0 obj > endobj 15 0 obj > endobj 16 0 obj /Dest [28 0 R /XYZ null null null] >> endobj 17 0 obj /Dest [402 0 R /XYZ null null null] >> endobj 18 0 obj /Dest [404 0 R /XYZ null null null] >> endobj 19 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 20 0 obj /Dest [726 0 R /XYZ null null null] >> endobj 21 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 22 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 23 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 24 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 25 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 26 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 27 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 28 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 29 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 30 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 31 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 32 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 33 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 34 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 35 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 36 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 37 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 38 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 39 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 40 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 41 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 42 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 43 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 44 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 45 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 46 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 47 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 48 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 49 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 50 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 51 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 52 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 53 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 54 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 55 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 56 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 57 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 58 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 59 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 60 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 61 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 62 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 63 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 64 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 65 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 66 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 67 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 68 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 69 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 70 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 71 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 72 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 73 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 74 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 75 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 76 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 77 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 78 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 79 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 80 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 81 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 82 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 83 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 84 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 85 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 86 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 87 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 88 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 89 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 90 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 91 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 92 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 93 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 94 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 95 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 96 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 97 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 98 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 99 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 100 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 101 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 102 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 103 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 104 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 105 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 106 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 107 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 108 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 109 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 110 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 111 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 112 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 113 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 114 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 115 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 116 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 117 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 118 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 119 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 120 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 121 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 122 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 123 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 124 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 125 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 126 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 127 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 128 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 129 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 130 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 131 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 132 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 133 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 134 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 135 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 136 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 137 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 138 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 139 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 140 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 141 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 142 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 143 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 144 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 145 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 146 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 147 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 148 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 149 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 150 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 151 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 152 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 153 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 154 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 155 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 156 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 157 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 158 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 159 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 160 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 161 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 162 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 163 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 164 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 165 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 166 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 167 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 168 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 169 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 170 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 171 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 172 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 173 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 174 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 175 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 176 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 177 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 178 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 179 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 180 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 181 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 182 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 183 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 184 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 185 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 186 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 187 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 188 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 189 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 190 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 191 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 192 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 193 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 194 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 195 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 196 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 197 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 198 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 199 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 200 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 201 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 202 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 203 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 204 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 205 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 206 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 207 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 208 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 209 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 210 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 211 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 212 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 213 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 214 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 215 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 216 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 217 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 218 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 219 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 220 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 221 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 222 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 223 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 224 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 225 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 226 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 227 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 228 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 229 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 230 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 231 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 232 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 233 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 234 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 235 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 236 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 237 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 238 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 239 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 240 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 241 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 242 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 243 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 244 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 245 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 246 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 247 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 248 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 249 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 250 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 251 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 252 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 253 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 254 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 255 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 256 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 257 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 258 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 259 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 260 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 261 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 262 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 263 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 264 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 265 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 266 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 267 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 268 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 269 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 270 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 271 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 272 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 273 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 274 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 275 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 276 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 277 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 278 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 279 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 280 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 281 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 282 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 283 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 284 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 285 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 286 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 287 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 288 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 289 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 290 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 291 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 292 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 293 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 294 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 295 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 296 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 297 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 298 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 299 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 300 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 301 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 302 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 303 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 304 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 305 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 306 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 307 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 308 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 309 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 310 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 311 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 312 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 313 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 314 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 315 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 316 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 317 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 318 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 319 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 320 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 321 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 322 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 323 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 324 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 325 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 326 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 327 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 328 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 329 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 330 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 331 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 332 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 333 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 334 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 335 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 336 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 337 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 338 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 339 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 340 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 341 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 342 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 343 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 344 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 345 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 346 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 347 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 348 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 349 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 350 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 351 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 352 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 353 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 354 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 355 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 356 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 357 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 358 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 359 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 360 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 361 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 362 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 363 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 364 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 365 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 366 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 367 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 368 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 369 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 370 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 371 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 372 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 373 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 374 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 375 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 376 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 377 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 378 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 379 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 380 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 381 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 382 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 383 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 384 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 385 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 386 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 387 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 388 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 389 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 390 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 391 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 392 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 393 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 394 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 395 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 396 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 397 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 398 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 399 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 400 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 401 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 402 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 403 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 404 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 405 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 406 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 407 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 408 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 409 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 410 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 411 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 412 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 413 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 414 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 415 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 416 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 417 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 418 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 419 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 420 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 421 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 422 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 423 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 424 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 425 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 426 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 427 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 428 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 429 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 430 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 431 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 432 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 433 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 434 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 435 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 436 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 437 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 438 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 439 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 440 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 441 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 442 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 443 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 444 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 445 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 446 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 447 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 448 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 449 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 450 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 451 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 452 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 453 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 454 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 455 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 456 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 457 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 458 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 459 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 460 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 461 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 462 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 463 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 464 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 465 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 466 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 467 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 468 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 469 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 470 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 471 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 472 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 473 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 474 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 475 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 476 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 477 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 478 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 479 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 480 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 481 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 482 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 483 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 484 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 485 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 486 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 487 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 488 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 489 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 490 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 491 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 492 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 493 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 494 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 495 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 496 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 497 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 498 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 499 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 500 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 501 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 502 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 503 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 504 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 505 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 506 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 507 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 508 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 509 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 510 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 511 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 512 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 513 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 514 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 515 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 516 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 517 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 518 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 519 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 520 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 521 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 522 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 523 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 524 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 525 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 526 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 527 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 528 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 529 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 530 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 531 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 532 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 533 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 534 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 535 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 536 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 537 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 538 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 539 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 540 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 541 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 542 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 543 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 544 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 545 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 546 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 547 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 548 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 549 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 550 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 551 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 552 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 553 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 554 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 555 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 556 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 557 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 558 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 559 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 560 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 561 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 562 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 563 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 564 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 565 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 566 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 567 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 568 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 569 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 570 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 571 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 572 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 573 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 574 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 575 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 576 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 577 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 578 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 579 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 580 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 581 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 582 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 583 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 584 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 585 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 586 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 587 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 588 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 589 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 590 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 591 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 592 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 593 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 594 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 595 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 596 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 597 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 598 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 599 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 600 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 601 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 602 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 603 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 604 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 605 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 606 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 607 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 608 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 609 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 610 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 611 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 612 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 613 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 614 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 615 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 616 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 617 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 618 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 619 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 620 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 621 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 622 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 623 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 624 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 625 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 626 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 627 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 628 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 629 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 630 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 631 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 632 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 633 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 634 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 635 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 636 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 637 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 638 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 639 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 640 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 641 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 642 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 643 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 644 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 645 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 646 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 647 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 648 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 649 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 650 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 651 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 652 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 653 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 654 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 655 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 656 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 657 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 658 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 659 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 660 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 661 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 662 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 663 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 664 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 665 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 666 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 667 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 668 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 669 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 670 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 671 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 672 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 673 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 674 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 675 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 676 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 677 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 678 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 679 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 680 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 681 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 682 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 683 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 684 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 685 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 686 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 687 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 688 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 689 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 690 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 691 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 692 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 693 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 694 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 695 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 696 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 697 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 698 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 699 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 700 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 701 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 702 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 703 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 704 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 705 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 706 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 707 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 708 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 709 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 710 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 711 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 712 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 713 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 714 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 715 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 716 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 717 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 718 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 719 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 720 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 721 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 722 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 723 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 724 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 725 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 726 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 727 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 728 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 729 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 730 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 731 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 732 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 733 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 734 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 735 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 736 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 737 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 738 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 739 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 740 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 741 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 742 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 743 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 744 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 745 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 746 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 747 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 748 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 749 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 750 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 751 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 752 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 753 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 754 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 755 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 756 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 757 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 758 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 759 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 760 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 761 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 762 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 763 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 764 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 765 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 766 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 767 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 768 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 769 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 770 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 771 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 772 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 773 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 774 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 775 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 776 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 777 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 778 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 779 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 780 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 781 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 782 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 783 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 784 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 785 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 786 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 787 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 788 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 789 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 790 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 791 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 792 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 793 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 794 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 795 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 796 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 797 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 798 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 799 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 800 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 801 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 802 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 803 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 804 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 805 0 obj > >> /Type /Page >> endobj 806 0 obj /Dest [30 0 R /XYZ null null null] >> endobj 807 0 obj /Dest [396 0 R /XYZ null null null] >> endobj 808 0 obj /Dest [406 0 R /XYZ null null null] >> endobj 809 0 obj /Dest [586 0 R /XYZ null null null] >> endobj 810 0 obj /Dest [588 0 R /XYZ null null null] >> endobj 811 0 obj > stream x50/쁟` )+nH(b@bV>ߝ~9$f9Jbʗ. ض!+IXUH²»AEzfGn13bkf wY82v1Aݫtt+?}% endstream endobj 812 0 obj > stream x+w,*LKL.,HHLOsrqV0635P ASC=sC@@!9W?W%_Y!P P endstream endobj 813 0 obj > stream x+TT endstream endobj 814 0 obj > endobj 815 0 obj > stream 0 X

2B: Следование потоку энергии

Часть B: Следование потоку энергии

Профиль атмосферы и заходящее солнце показаны на этом снимке, сделанном членом экипажа 15-й экспедиции на Международной космической станции. Июнь 2007 г. Источник: НАСА

Солнечная энергия влияет на климат Земли. Энергия солнца нагревает поверхность Земли, согревает атмосферу, обеспечивает энергию для фотосинтеза, вызывает испарение, управляет погодой и круговоротом воды, а также питает океанские течения. На фотографии астронавта справа, сделанной с Международной космической станции, видно, как солнце садится сквозь атмосферу.

Когда мы смотрим на небо с земли, кажется, что атмосфера существует вечно, но на самом деле она очень тонкая по сравнению с диаметром Земли. Чтобы получить представление о толщине тропосферы и стратосферы, двух важных слоев атмосферы, попробуйте это простое упражнение. С помощью циркуля начертите окружность радиусом 127 мм. Этот круг представляет Землю и самую внутреннюю атмосферу. Линия в 1 мм, которую нарисовал ваш карандаш, представляет собой среднюю толщину первых двух слоев атмосферы: тропосферы, области погоды и стратосферы, которая защищает нас от большей части вредного ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. . Работая с этими лабораториями, помните об этом относительном масштабе.

Покажите мне больше об этом примере

Скрыть

В приведенном ниже примере линия представляет собой толщину атмосферы до верхней точки стратосферы (на расстоянии 50 км над поверхностью). Девяносто девять процентов массы атмосферных газов находятся в пределах 32 км от поверхности Земли, в этих двух слоях. Только тропосфера содержит 75—80% массы атмосферы. Внешний край линии толщиной 1 мм будет находиться на расстоянии 128 мм от центра дуги (радиус Земли = 6371 км). На картинке ниже пиксели используются как мера расстояния. Чтобы почувствовать, насколько «разреженной» является атмосфера, вы можете попробовать это занятие на открытом воздухе, используя шкалу метров.

Излучение — передача энергии электромагнитными волнами. Вы, наверное, видели в столовой лампу для подогрева пищи; тепловая лампа использует один тип длинноволнового электромагнитного излучения, инфракрасное излучение инфракрасное излучение: длинноволновое электромагнитное излучение лучистого тепла, излучаемого всеми горячими объектами. В электромагнитном спектре его можно найти между микроволновым излучением и видимым светом. световые волны, чтобы подогреть пищу. Энергия передается от Солнца к Земле посредством электромагнитных волн или излучения. Большая часть энергии, которая проходит через верхние слои атмосферы и достигает поверхности Земли, имеет две формы: видимый и инфракрасный свет. Большая часть этого света находится в видимом спектре. Когда солнечный свет входит в земную систему, может произойти одно из двух: он может либо поглощаться, либо отражаться. Как только энергия поглощается земной системой, она трансформируется и передается. В конце концов, после многократных переносов, это излучение излучается обратно в космос, поддерживая нашу планету в энергетическом равновесии.

Вся материя состоит из частиц, таких как атомы и молекулы. Эти частицы всегда находятся в движении; это движение известно как кинетическая энергия. Тепловая энергия единицы материи — это полная кинетическая энергия всех частиц в данном объеме, которую мы измеряем как температуру. Перенос энергии из одной области в другую называется теплотой. Эта передача энергии может происходить тремя процессами: излучением, проводимостью и конвекцией. Тепловая энергия, или тепло, всегда перемещается от вещей, которые теплее (имеют больше энергии), к вещам, которые холоднее (имеют меньше энергии). Например, когда вы касаетесь кубика льда теплой рукой, энергия передается из ваша рука по кубик льда, заставляющий его таять. Тепло от вашей руки вызывает повышение температуры льда это называется явным теплом , потому что его можно ощутить или измерить с помощью термометра. Как только лед начинает таять, тепло больше не меняет температуру льда, а меняет его фазу, в данном случае со льда на воду такое использование тепла при фазовом переходе известно как скрытая теплота .

В этой лаборатории вы исследуете сложные энергетические пути и баланс, которые помогают поддерживать нашу планету в идеальном температурном диапазоне.

Энергетический баланс

Для начала посмотрите видео ниже и сделайте заметки о том, что вы узнали. Вы получите представление о том, как солнечная энергия движется через систему Земли. Обратите внимание на то, как энергия движется от Солнца к Земле и обратно в космос. Обратите внимание на названия типов энергии и на то, когда они поглощаются или отражаются.

После просмотра видео ответьте на вопросы Checking In , перечисленные ниже, о Глобальном энергетическом балансе.

Энергетический бюджет Земли от Южно-Центрального научного центра адаптации к климату

EarthLabs

Чтобы просмотреть полезный интерактивный Энергетический бюджет для iPad, используйте эту ссылку, чтобы загрузить/открыть бесплатное приложение TERC EarthLabs.

Регистрация

• В какой форме солнечный свет дает энергию?

  Покажи мне ответ

  Скрыть

  Коротковолновое излучение.

• Почему это называется «энергетический баланс»?

  Покажите мне ответ

  Скрыть

  В систему входит и выходит одинаковое количество энергии.

• Опишите три места поглощения радиации.

  Покажи мне ответ

  Hide

  Облака, асфальт и леса поглощают поступающее солнечное излучение.

• Перечислите три поверхности, отражающие солнечное излучение.

  Покажи мне ответ

  Hide

  Облака, песок пустыни, снег и лед отражают солнечное излучение.

Станьте бухгалтером по энергетике

Теперь, когда вы лучше понимаете Глобальный энергетический баланс, просмотрите годовую диаграмму энергетического баланса Земли, изображенную ниже.

Изображение и источник информации для этого раздела: Национальная метеорологическая служба JetStream

Для упрощения учета вы разобьёте процесс потока энергии на три части. Используйте диаграммы и текст, приведенные ниже, для руководства своими действиями. Хотя процесс непрерывный, а не пошаговый, это упражнение поможет вам отделить детали и создать энергетический «счет».

Прежде чем начать, вам нужно будет собрать 100 монет, бумажных квадратов, фишек для покера, Lego или маленьких кубиков, которые помогут вам вести учет. Вам также понадобятся 3 цветных карандаша: красный, синий и оранжевый. Когда у вас будут необходимые расходные материалы, загрузите и распечатайте этот лист регистрации энергетического баланса (Acrobat (PDF), 1,5 МБ, 1 февраля 22) и копию Инструкций по энергетическому балансу (Acrobat (PDF), 5,8 МБ, 1 февраля 22), чтобы читать их во время работы с лаборатория

После того, как вы соберете свои материалы, вы прочитаете часть печатных инструкций, а затем переместите монеты, представляющие энергию, из одного места в другое.

Обзор энергетических путей  
Начните это задание с изучения энергетических путей. Используя график, показанный выше, определите входящее солнечное излучение. На распечатанной версии рисунка закрасьте входящее излучение синим цветом. Затем раскрасьте стрелки, обозначающие исходящее излучение, в красный цвет, а стрелки скрытого и явного тепла — в оранжевый. Теперь вы разделили входящее и исходящее излучение.

Часть 1. Приходящая солнечная радиация

Солнечная энергия в виде излучения постоянно перемещается в пространстве; купание нашей планеты и ее атмосферы. Излучение, достигающее верхних слоев атмосферы, либо отражается, либо поглощается.

1. Прочитайте первые пять слайдов в загруженном PDF-файле (см. выше).
2. Начните со 100 предметов (т. е. монет). Разделите их на пять столбцов на листе бумаги следующим образом. Эти пенни представляют 100 процентов солнечной энергии, поступающей от солнца, или 100 единиц. Сложите пенни в соответствии с тем, что происходит с каждой единицей энергии, когда она проходит через атмосферу по пути к поверхности Земли, как показано на диаграмме выше.

23 единицы = отражение от облаков и атмосферы
7 единиц = отражение от поверхности Земли
19 единиц = поглощение атмосферой (озон, аэрозоли, пыль)
4 единицы = поглощение облаками
47 единиц = поглощение Землей поверхности (в основном океан)

1. Затем сложите и запишите общее количество единиц в своей тетради для учащихся.
2. Сумма отраженных копеек; у вас должно быть 30.
3. Сумма поглощенных копеек; у вас должно быть 70. Эти пенни представляют собой количество радиации, которая попала в энергетическую систему Земли. Часть этой энергии сейчас находится в атмосфере (23 единицы), а остальная часть поглощена Землей (в частности, гидросфера, биосфера и литосфера — 47 единиц).

   Покажи мне стопку копеек

   Скрыть

   Результаты первой части

   Изображение завершенного шага 1

   Изображение завершенного шага 1

   
   

Часть 2. Энергетический баланс поверхности

В части 1 вы видели, что около 30 процентов падающего солнечного света отражается обратно в космос частицами в атмосфере или яркими поверхностями земли, что оставляет около 70 процентов поглощения атмосферу (23 процента) и поверхность Земли (47 процентов), включая океан. Для баланса энергетического баланса на поверхности Земли процессы на поверхности должны передавать и преобразовывать 47 процентов поступающей солнечной энергии, которую поглощают поверхности океана и суши, обратно в атмосферу и, в конечном итоге, в космос. Энергия покидает поверхность в результате трех ключевых процессов: испарения, конвекции и излучения теплового инфракрасного (ИК) излучения.

1. Прочтите следующие три слайда (часть 2) загруженного вами PDF-файла (см. выше).
2. Перенесите 47 копеек, представляющих поглощенную энергию в системе Земля, на новый лист бумаги. Эта энергия, которая была поглощена поверхностью Земли, теперь будет передаваться обратно в атмосферу посредством нескольких процессов. Чтобы представить это, сложите пенни в четыре новых столбца следующим образом.

24 единицы = скрытая теплота: энергия, которая используется при испарении, транспирации и конденсации 5 единиц = явная теплота: энергия, вызывающая конвекцию 12 единиц = испускаемая Землей непосредственно обратно в космос 6 единиц = чистое количество радиации, поглощаемой атмосферой

Покажите мне, как это рассчитывается

Скрыть

Это длинноволновое излучение, испускаемое с поверхности Земли в атмосферу (116), за вычетом энергии, которая напрямую передается в космос (12) в сочетании с той, которая — излучается обратно на Землю атмосферой (98). Уравнение будет таким: [116-(12+98)]= 6

1. Запишите эти числа в свою тетрадь для учащихся.

   Покажи мне стопку монет

   Скрыть

   Результаты второй части

   Изображение завершенного шага 2

   
   

   Изображение завершенного шага 2

   
   

Часть 3. Энергетический баланс атмосферы
Третий этап процесса перемещает энергию из атмосферы обратно в космос посредством следующих процессов.

1. Прочтите следующие два слайда (часть 3) загруженного вами PDF-файла (см. выше).
2. Соберите 19 и 4 монетки, которые были поглощены атмосферой и облаками.
3. Соберите монеты номиналом 24 и 5 центов, которые были переданы в атмосферу за счет скрытого и явного тепла.
4. Соберите 6 монет, оставшихся в атмосфере.
5. Переместите эти 58 монет в два оставшихся места в следующих количествах:

49 единиц = излучаемые атмосферой
9 единиц = излучаемые облаками

1. Суммируйте три квадрата в правом верхнем углу листа. Это единицы длинноволнового излучения, переносимого атмосферой обратно в космос.
2. Запишите эти числа на листе бумаги в виде гистограммы или гистограммы. Сложите общее количество пенни, которое у вас есть на бумаге.

   Покажи мне стопку монет

   Скрыть

   Результаты 3 части

   Изображение выполненного шага 3

   
   Когда вы закончите, ответьте на вопросы Checking In , приведенные ниже.

Регистрация

• Сколько у вас всего? Остались копейки? Где они и что представляют?

  Покажи мне

  Hide

  Теперь все монетки должны вернуться в космос, чтобы сбалансировать ваш глобальный энергетический баланс.

• Как вы думаете, что произойдет, если изменить количество энергии, отражаемой атмосферой или поверхностью Земли? Можете ли вы привести пример, когда это может произойти?

  Покажите мне несколько идей

  Hide

  Некоторые типы облаков отражают солнечный свет, другие частицы, такие как пепел вулканов, также хорошо отражают солнечную энергию. Увеличение отражательной способности Земли происходит, когда континенты и океаны покрываются льдом и снегом. Либо меньше поступающего, либо меньшее поглощенное излучение приведет к охлаждению системы.

• Как радиация возвращается из системы? Как он излучается и как трансформируется? Приведите несколько примеров.

  Покажи мне ответ

  Скрыть

  Скрытая теплота является примером того, как солнечное излучение преобразуется из электромагнитного излучения в кинетическую энергию молекул воды.
  Явное тепло, может быть обнаружено термометрами как тепло. Изменение температуры является индикатором того, что солнечное излучение было поглощено поверхностью. Поскольку воздух нагревается поверхностями или солнечным излучением, он вызывает конвекционные потоки, иногда называемые термики .
  Другое поглощенное солнечное излучение испускается поверхностями в виде длинноволнового (или инфракрасного) излучения, а затем в конечном итоге возвращается в космос через атмосферу.
  

 
Вернитесь к видео «Баланс энергии» выше. Просмотрите видео еще раз, помня о шагах по учету энергии. Затем ответьте на вопросы «Остановись и подумай » ниже.

Остановись и подумай

6. Теперь, когда вы рассмотрели энергетический баланс Земли, обсудите, как изменения характеристик поверхности Земли и/или состава атмосферы могут способствовать глобальному потеплению или похолоданию.

7. Закончите следующие фразы и добавьте одну свою:

• Больше радиации = _______ потепление
• Меньшее отражение = _______ потепление
• Больше поглощения = ________ согревание
• ______________ = ________________

Откуда мы знаем то, что знаем?

Измерение радиационного баланса Земли — огромная и важная задача! Как мы можем точно и одновременно знать, сколько энергии поступает в земную систему, отражается облаками и излучается обратно в космос? Чтобы получить глобальное представление об этом балансе, ученые используют инструменты на спутниках. В следующем видео объясняется, как датчики Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) на спутниках НАСА Aqua и Terra измеряют энергетический баланс Земли.

 

Дополнительное расширение

Домашняя страница миссии CERES содержит дополнительную информацию о том, как научные миссии НАСА измеряют энергетический баланс Земли. Дополнительную справочную информацию, наборы данных и подробности об энергетическом балансе Земли можно найти по следующим ссылкам:

NWS Jetstream — на веб-сайте энергетического баланса Земли и атмосферы есть дополнительные пояснения, диаграммы и краткое объяснение того, как облачный покров может способствовать повышению температуры в ночное время.

Покажите мне больше о единицах, используемых в этом упражнении

Скрыть

Единицы на диаграммах в этом упражнении выражены в процентах от поступающей 342 ватт на метр ² солнечной энергии. Эти проценты могут быть не одинаковыми на каждой диаграмме, поскольку есть некоторые различия в объяснениях ученых о том, сколько энергии содержится в каждой части системы.

Видео, объясняющее передачу энергии и тепла от Южно-Центрального научного центра адаптации к климату

Показать

Скрыть

Для просмотра этого видео включите JavaScript и рассмотрите возможность обновления веб-браузера до поддерживает HTML5 видео

Energy Flow от TERC & informmotion

*Это видео заменяет Flash-анимацию.

Для просмотра этого видео включите JavaScript и рассмотрите возможность обновления веб-браузера до поддерживает HTML5 видео

Калифорнийского университета в Сан-Диего. Мемори Ясуда и Уэсли Белланка

*Это видео заменяет интерактивный Flash.

Поглощение/отражение солнечного света

Что такое поглощение и отражение солнечного света?

Солнце обеспечивает Землю большей частью своей энергии. Сегодня около 71% солнечного света, достигающего Земли, поглощается ее поверхностью и атмосферой. Поглощение солнечного света заставляет молекулы объекта или поверхности, на которую он падает, вибрировать быстрее, повышая его температуру . Затем эта энергия переизлучается Землей как длинноволновое инфракрасное излучение, также известное как тепло. Чем больше солнечного света поглощает поверхность, тем теплее она становится и тем больше энергии переизлучает в виде тепла. Это повторно излучаемое тепло затем поглощается и повторно излучается парниковыми газами и облаками и нагревает атмосферу за счет парникового эффекта .

Поверхности Земли лучше поглощают солнечное излучение, чем воздух, особенно поверхности темного цвета. Вы можете почувствовать это холодным зимним днем, когда солнечные лучи согревают ваше лицо, а воздух вокруг вас остается холодным. Ваша кожа и одежда также поглощают солнечное излучение и преобразуют его в тепло. Если вы носите черную куртку, она поглощает больше радиации и заставляет вас чувствовать себя теплее, чем если вы носите белую или светлую куртку. Точно так же разные поверхности Земли и части атмосферы поглощают солнечную радиацию с разной скоростью.

Земля нагревается неравномерно, поскольку представляет собой шар.

Поскольку Земля представляет собой шар, не все части Земли получают одинаковое количество солнечной радиации. Около экватора принимается и поглощается больше солнечной радиации, чем на полюсах. Вблизи экватора солнечные лучи падают на Землю наиболее прямо, тогда как на полюсах лучи падают под крутым углом. Это означает, что на квадратный сантиметр (или дюйм) площади поверхности в более высоких широтах поглощается меньше солнечной радиации, чем в более низких широтах, и что тропики теплее, чем полюса. Эта разница температур формирует глобальные атмосферная и океанская циркуляция модели. Кроме того, наклон Земли влияет на то, сколько солнечного света получают и поглощают разные части Земли в разное время года, и поэтому мы сталкиваемся со сменой времен года. Количество получаемой и поглощаемой солнечной радиации также влияет на процессы в биосфере, напрямую воздействуя на растения и другие организмы, которые фотосинтезируют и являются основным источником пищи в большинстве экосистем (см. взаимодействие видов ).

Если свет не поглощается поверхностью, он в основном отражается. Отражение происходит, когда входящее солнечное излучение отражается от объекта или поверхности, на которую оно попадает в атмосфере, на землю или воду, и не преобразуется в тепло. Доля приходящей солнечной радиации, которая отражается Землей, известна как ее альбедо. В целом Земля отражает около 29% приходящей солнечной радиации, поэтому мы говорим, что среднее альбедо Земли равно 0,29.

Снег и лед, взвешенные в воздухе частицы , а некоторые газы имеют высокое альбедо и отражают различное количество солнечного света обратно в космос. Низкие густые облака обладают отражающей способностью и могут препятствовать попаданию солнечного света на поверхность Земли, в то время как высокие тонкие облака могут способствовать возникновению парникового эффекта.

Доля солнечного света, который отражается и поглощается, повторное излучение тепла и интенсивность парникового эффекта влияют на количество энергии в системе Земля и глобальные процессы, такие как круговорот воды и циркуляция атмосферы и океана.

На этой диаграмме показан процент солнечного света, отражаемого различными земными поверхностями или облаками.

Модели системы Земли о поглощении и отражении солнечного света

Эта модель системы Земли является одним из способов представления основных процессов и взаимодействий, связанных с поглощением и отражением солнечного света. Наведите указатель мыши на значки для получения кратких пояснений; нажмите на значки, чтобы узнать больше о каждой теме. Загрузите модели системы Земля на этой странице.

Эта модель показывает некоторые изменения поверхности и атмосферы Земли, которые могут повлиять на количество поглощаемого или отражаемого солнечного света. Эти изменения влияют на количество повторно излучаемого тепла, а также могут сильно влиять на биосферу, изменяя количество солнечного света, доступного для фотосинтеза.

Как деятельность человека влияет на поглощение и отражение солнечного света

Представленная ниже модель системы Земля включает некоторые из способов, которыми деятельность человека непосредственно влияет на количество солнечного света, поглощаемого и отражаемого поверхностью Земли. Развитие и распространение городских территорий, особенно с использованием асфальта и других материалов темного цвета, может резко увеличить впитывающую способность поверхности. Это создает городские острова тепла, где в городах температура выше, чем в прилегающих районах. Наведите указатель мыши на значок или щелкните его, чтобы узнать больше об этих человеческих причинах изменений и о том, как они влияют на поглощение и отражение солнечного света.

Приведенная ниже модель системы Земля включает дополнительные способы, с помощью которых деятельность человека напрямую влияет на количество солнечного света, поглощаемого и отражаемого атмосферой Земли. Наведите указатель мыши на значок или щелкните его, чтобы узнать больше об этих человеческих причинах изменений и о том, как они влияют на поглощение и отражение солнечного света.

Представленная ниже модель системы Земля показывает, как человеческие загрязнители и отходы влияют на озоновый слой и количество ультрафиолетового солнечного света, поглощаемого верхними слоями атмосферы Земли (стратосферой). Наведите указатель мыши на значок или щелкните его, чтобы узнать больше об этих человеческих причинах изменений и о том, как они влияют на поглощение и отражение солнечного света.

Изучение системы Земля

Нажмите на значки и термины, выделенные жирным шрифтом (например, повторное излучение тепла, частицы в воздухе и т. д.) на этой странице, чтобы узнать больше об этих процессах и явлениях. Кроме того, изучите инфографику «Понимание глобальных изменений» и найдите новые темы, представляющие интерес и/или актуальные для вас на местном уровне.

Чтобы узнать больше об обучении поглощению и отражению солнечного света, посетите страницу Ресурсы для обучения .

Ссылки на дополнительную информацию

• Энергетический бюджет Земли
• Измерение альбедо Земли с помощью спутника/ CERES
• Краткое описание спутниковых инструментов НАСА «Облака и система лучистой энергии Земли» (CERES)
• Океанографический институт Вудс-Хоул: как крошечные растения помогают создавать облака
• Альбедо Земли и глобальное потепление
• NOAA Science on a Sphere, аэрозоли: черный углерод и сульфат
• Озон: что это такое и зачем нам это?

1. Солнце дает энергию

Также доступна версия
на испанском языке »

Учение об энергии Солнца поддерживается пятью ключевыми понятиями:

a. Солнечный свет, достигающий Земли, может нагревать землю, океан и атмосферу. Часть этого солнечного света отражается обратно в космос поверхностью, облаками или льдом. Большая часть солнечного света, достигающего Земли, поглощается и нагревает планету.

Есть еще 4 фундаментальных понятия. Посмотреть их все…

Скрыть

б. Когда Земля излучает столько же энергии, сколько поглощает, ее энергетический баланс находится в равновесии, а ее средняя температура остается стабильной.

в. Наклон оси Земли относительно ее орбиты вокруг Солнца приводит к предсказуемым изменениям продолжительности дневного света и количества солнечного света, получаемого на любой широте в течение года. Эти изменения вызывают годовой цикл сезонов и связанные с ними изменения температуры.

д. Постепенные изменения вращения Земли и ее орбиты вокруг Солнца меняют интенсивность солнечного света, получаемого в полярных и экваториальных регионах нашей планеты. По крайней мере, в течение последнего миллиона лет эти изменения происходили в виде 100 000-летних циклов, которые порождали ледниковые периоды и более короткие теплые периоды между ними.

эл. Значительное увеличение или уменьшение выхода солнечной энергии приведет к тому, что Земля нагреется или остынет. Спутниковые измерения, проведенные за последние 30 лет, показывают, что выход солнечной энергии изменился незначительно и в обоих направлениях. Считается, что эти изменения солнечной энергии слишком малы, чтобы быть причиной недавнего потепления, наблюдаемого на Земле.

Энергия Солнца управляет климатической системой

Солнце нагревает планету, управляет гидрологическим циклом и делает возможной жизнь на Земле. Количество солнечного света, поступающего на поверхность Земли, зависит от отражательной способности поверхности, угла наклона солнца, выхода солнца и циклических изменений орбиты Земли вокруг Солнца.

Основы науки о солнечной энергии и роли, которую она играет в климате Земли, могут понять ученики средней школы, но сложности энергетического баланса Земли остаются областью активных научных исследований. Таким образом, эта тема одновременно и элементарна, и сложна.

Этот принцип связан с Принципом энергетической грамотности 2: Физические процессы на Земле являются результатом потока энергии через систему Земли.

Покажите учащимся основы механики климатической системы

Понимание роли солнечной радиации в климатической системе Земли может помочь нам понять такие важные понятия, как:

Причины смены времен года.

На этом рисунке показан наклон земной оси, который вызывает смену времен года. (Примечание: расстояние и диаметр указаны НЕ в масштабе.)

Показать краткое объяснение

Скрыть

Времена года вызваны наклоном оси Земли. Наклонная ось означает, что северная и южная части Земли не получают одинакового количества солнечной радиации (энергии на единицу площади). Когда южное полушарие наклонено к солнцу, в южном полушарии лето, а в северном – зима. (Принцип 1с)

Причины возникновения ледниковых периодов.

Показать краткое объяснение

Hide

Ледниковые периоды были вызваны изменениями в распределении солнечной радиации, получаемой по поверхности Земли. Путь земной орбиты непостоянен. Изменения орбитального пути Земли вызывают изменение солнечного излучения, достигающего любой точки на поверхности Земли. (Принцип 1d)

Как количество энергии, излучаемой солнцем (яркость солнца), изменяется с течением времени.

Показать краткое объяснение

Скрыть

Солнечная энергия непостоянна. Его светимость (общая энергия, излучаемая солнцем) увеличилась за геологическое время и немного меняется в более коротких временных масштабах.

Почему недавнее потепление климата не было вызвано увеличением выработки солнечной энергии.

Показать краткое объяснение

Hide

Выход солнечной энергии за последние десятилетия изменился недостаточно, чтобы объяснить повышение температуры, наблюдаемое в то же время. (Принцип 1е)

Большинство форм энергии, используемых людьми, получают из солнечной энергии.

Показать краткое объяснение

Скрыть

Многие формы энергии, используемые людьми, в конечном счете получают из солнечной радиации, например, продукты питания, углеводороды (такие как нефть и природный газ), энергия ветра, гидроэлектроэнергия и, конечно же, солнечная энергия.

Помочь учащимся понять эти идеи

Показать подпись

Скрыть

На этом рисунке показаны изменения орбиты Земли (так называемые циклы Миланковича) за 1 000 000 лет и их влияние на солнечное воздействие. Нижняя кривая показывает циклы недавних ледниковых периодов.

В большинстве программ и стандартов естественнонаучного образования роль Солнца в обеспечении энергией Земной системы включена, но часто в разрозненной форме. Времена года и их роль в формировании сезонных погодных условий и миграции животных можно преподавать в начальной школе, а затем не возвращаться к ним в течение многих лет, если вообще.

Более того, учащиеся всех возрастов, включая студентов колледжей и взрослых, с трудом понимают, что вызывает смену времен года. В дополнение к осевому наклону факторы, которые играют роль в ментальных моделях людей, включают веру в то, что Земля вращается вокруг Солнца по вытянутой эллиптической траектории; путаница относительного размера, движения и расстояния Земли от Солнца; как путешествует свет; длина обращения Земли вокруг Солнца; и даже период вращения. Одна из стратегий смягчения этого распространенного заблуждения состоит в том, чтобы гарантировать, что «причины времен года» должным образом рассматриваются в старшей школе, когда учащиеся имеют достаточный опыт в геометрии и физике, чтобы понять концепции (McCaffrey & Buhr, 2008).

Показать заголовок

Скрыть

Количество солнечной энергии, получаемой Землей, следует естественному 11-летнему солнечному циклу небольших взлетов и падений без чистого увеличения с 1950-х годов. За тот же период глобальная температура заметно повысилась. Поэтому крайне маловероятно, что Солнце вызвало наблюдаемую тенденцию глобального потепления температуры за последние полвека. Изображение из НАСА.

Постоянное заблуждение заключается в том, что наше недавнее потепление климата связано с изменениями поступающей солнечной энергии, а не с увеличением выбросов парниковых газов. Это можно решить, изучив записи о солнечной энергии и сравнив их с глобальными данными о температуре. Данные ясно показывают, что солнечное излучение не коррелирует с температурой Земли.

Прекрасные объяснения этого можно найти в Skeptical Science: Sun and Climate: Moving in Opposite Directions и с графикой от Bloomberg: What’s Really Warming the World? Этот увлекательный график построен на основе данных НАСА и выходных данных модели.

Принесите эти идеи в ваш класс

Солнечная радиация является основной энергией, движущей нашей климатической системой, и почти все климатические и биологические процессы на Земле зависят от солнечной энергии. Энергия солнца необходима для многих процессов на Земле, включая нагревание поверхности, испарение, фотосинтез и атмосферную циркуляцию. Таким образом, изучение того, как солнце подпитывает различные процессы на Земле, может быть частью многих типов научных курсов. Многие из научных концепций, связанных с этим принципом, можно реализовать, поощряя сезонные наблюдения, участвуя в гражданских научных программах со студентами (таких как GLOBE) и периодически пересматривая основы того, как количество и интенсивность солнечной энергии влияет на климат Земли.

То, как солнечная энергия управляет климатической системой, можно изучать с самого базового уровня и выше с помощью самых сложных научных подходов.

Интеграция решений — Научные концепции, связанные с солнечным излучением, могут быть расширены за счет включения техники и технологии солнечной энергии, включая солнечные печи, пассивное солнечное проектирование, солнечную тепловую энергию и солнечное электричество. Это может помочь повысить осведомленность об альтернативах использованию ископаемого топлива и создать форум для обсуждения решений проблемы изменения климата, которые может принять наше общество.

Учебные материалы из коллекции CLEAN

На этом рисунке показано, как белый лед отражает солнечный свет, а более темная океанская вода поглощает солнечный свет. Это называется альбедо или отражательная способность.

Средняя школа

• Глобусы и другие физические модели можно использовать для демонстрации наклона земной оси и того, как это влияет на распределение солнечного света в разные времена года, например, в книге «Мой угол охлаждения: влияние расстояния и наклона».
• Введение в климат Земли. Этот урок представляет собой введение в климат Земли и охватывает ключевые принципы, касающиеся уникального климата Земли, атмосферы, а также региональных и временных климатических различий.
• Хотите приключений? Удивительное альбедо — это практическое занятие, которое включает в себя измерение температуры различных цветных поверхностей.

Старшая школа

• Апплет The Climate: A Balance Act позволяет учащимся регулировать параметры, влияющие на энергетический баланс Земли: поступающее солнечное излучение, эффект альбедо, парниковый эффект и исходящее излучение.
• Учащиеся могут узнать, как орбитальные циклы и ледниковые периоды хорошо соотносятся с климатическим апплетом Циклы Миланковича.
• Интерактивный инструмент визуализации This Seasons может стать основой для открытого исследования того, как солнечное излучение меняется в зависимости от местоположения и времени года.
• Видео «Солнечное влияние: изменение климата» от Национальной академии может помочь подтвердить доказательства того, что солнечная активность , а не вызывает глобальное потепление.

Родственные педагогические методы:

• — Преподавание неточных наук
• — Использование подхода, основанного на истории Земли

Колледж

• Тепловой баланс Земли — это практическая лабораторная работа, в ходе которой исследуется влияние расстояния и угла на поступление солнечной радиации, альбедо, теплоемкости земли и воды, а также влияние этих факторов на смену времен года.
• В лаборатории Motions of the Sun используется анимированный симулятор, позволяющий учащимся манипулировать переменными, чтобы понять видимое движение солнца в небе.
• Наблюдайте за изменениями на орбите Земли, которые способствуют изменению климата. Эта анимированная визуализация циклов Миланковича может подготовить почву для более подробного обсуждения климатических воздействий.
• Количественный подход можно использовать с помощью этого пошагового введения в простую модель STELLA: Моделирование энергетического баланса Земли.
• Моделирование раннего климата Земли с помощью GEEBITT помогает учащимся лучше познакомиться с физическими процессами, которые сделали ранний климат Земли таким отличным от современного.
  

 

Поиск упражнений и наглядных материалов для преподавания этой темы

Поиск по уровню обучения: средняя школа средняя школа введение колледж старшие классы колледж поиск все уровни обучения

Ссылки

Какова роль Солнца в изменении климата? — НАСА предлагает удобочитаемый, но авторитетный взгляд на то, почему солнечная активность, солнечные циклы и солнечные пятна не связаны с сегодняшним потеплением климата. У НАСА есть соответствующий пост, который развенчивает миф о надвигающемся ледниковом периоде.

Солнце и климат: движение в противоположных направлениях На этой странице веб-сайта Skeptical Science даны четкие ответы на распространенные вопросы и неверные представления об изменении климата.

Что на самом деле согревает мир? — На этом анимированном графике сравниваются различные факторы, воздействующие на климат Земли. Климатические изменения, вызванные изменением орбиты, светимостью Солнца и вулканическими выбросами, сравниваются с эффектом выбросов парниковых газов. Графика очень привлекательна, а данные получены из Института космических исследований имени Годдарда НАСА (GISS).

McCaffrey & Bur, 2008: Разъяснение климатической путаницы. — Статья в журнале Physical Geography о распространенных заблуждениях в науке о климате.

Дополнительные ресурсы

Видео об этом Принципе

Инклюзивное учебное пособие по климату

• См. версию этого Принципа на испанском языке
• Исследуйте живые ландшафты, культурно значимые ресурсы для повышения грамотности в вопросах климата

« Предыдущая страница      Следующая страница »

Первичный источник энергии Земли — за пределами погоды и круговорота воды

Фотография астронавта ISS015-E-10469, любезно предоставлено NASA/JSC Gateway to Astronaut Photography of Earth.

Климатическая грамотность: основные принципы наук о климате обобщает наиболее важные принципы и концепции наук о климате. В нем представлена ​​информация, которая необходима отдельным лицам и сообществам для понимания климата Земли, последствий изменения климата и подходов к адаптации и смягчению последствий изменений. В этой статье представлены базовые научные знания для понимания Основополагающего принципа 1.

Солнце является основным источником энергии для климатической системы Земли. — это первый из семи основных принципов наук о климате. Принцип 1 закладывает основу для понимания климатической системы Земли и энергетического баланса. Солнце согревает планету, управляет гидрологическим циклом и делает возможной жизнь на Земле. Количество солнечного света, поступающего на поверхность Земли, зависит от отражательной способности поверхности, угла наклона Солнца, выхода Солнца и циклических изменений орбиты Земли вокруг Солнца.

Следующие понятия имеют основополагающее значение для понимания Принципа 1. Нажмите на понятие, чтобы найти базовые знания, необходимые для его понимания.

Концепция A . Солнечный свет, достигающий Земли, может нагревать землю, океан и атмосферу. Часть этого солнечного света отражается обратно в космос поверхностью, облаками или льдом. Большая часть солнечного света, достигающего Земли, поглощается и нагревает планету.

Концепция B . Когда Земля излучает столько же энергии, сколько поглощает, ее энергетический баланс находится в равновесии, а ее средняя температура остается стабильной.

Концепция C . Наклон оси Земли относительно ее орбиты вокруг Солнца приводит к предсказуемым изменениям продолжительности дневного света и количества солнечного света, получаемого на любой широте в течение года. Эти изменения вызывают годовой цикл сезонов и связанные с ними изменения температуры.

Концепция D . Постепенные изменения вращения Земли и орбиты вокруг Солнца меняют интенсивность солнечного света, получаемого в полярных и экваториальных регионах нашей планеты. По крайней мере, в течение последнего миллиона лет эти изменения происходили в виде 100 000-летних циклов, которые порождали ледниковые периоды и более короткие теплые периоды между ними.

Концепция E . Значительное увеличение или уменьшение выходной энергии Солнца заставит Землю нагреваться или охлаждаться. Спутниковые измерения, проведенные за последние 30 лет, показывают, что выход энергии Солнца изменился незначительно и в обоих направлениях. Считается, что эти изменения солнечной энергии слишком малы, чтобы быть причиной недавнего потепления, наблюдаемого на Земле.

Вы также можете увидеть, где эти понятия встречаются в документах национальных стандартов, а также распространенные заблуждения в Стандарты и связи с учебными планами статья.

Примечание. Дополнительные идеи и ресурсы для преподавания каждого из Основных принципов наук о климате см. в Сети по повышению осведомленности о климате и энергетике. Еще одним хорошим введением в семь основных принципов является «Земля: руководство оператора», часовой фильм, показанный на канале PBS и основанный на одноименной книге Ричарда Элли. Весь фильм доступен, но сайт также предоставляет учителям короткие фрагменты для предварительного просмотра и загрузки (требуется бесплатная, простая регистрация), как со скрытыми субтитрами для ESL, так и с поддержкой научного понимания. Видео от Агентства по охране окружающей среды США (EPA), Климат 101 (второй ряд, средний) исследует, что такое изменение климата, признаки или индикаторы того, что планета нагревается, и почему это важно. Посмотрите видео, чтобы узнать больше о причинах и последствиях изменения климата и практических решениях по сокращению выбросов углекислого газа и других парниковых газов. Отличное опровержение скептиков в отношении изменения климата можно найти в книге «Почему скептики глобального потепления ошибаются» (опубликовано 22 февраля 2012 г.).

---

Концепция A . Солнечный свет, достигающий Земли, может нагревать землю, океан и атмосферу. Часть этого солнечного света отражается обратно в космос поверхностью, облаками или льдом. Большая часть солнечного света, достигающего Земли, поглощается и нагревает планету.

Знаете ли вы, что Солнце выбрасывает в космос более миллиарда тонн вещества со скоростью миллионы километров в час?

Предоставлено консорциумом SOHO. SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) — проект международного сотрудничества между Европейским космическим агентством и НАСА

В конечном счете, энергия Солнца является движущей силой погоды, климата и жизни на Земле. Но какие виды энергии исходят от Солнца? Как эта энергия перемещается в пространстве? И что произойдет, когда он достигнет Земли?

Солнце излучает множество форм электромагнитного излучения в различных количествах. Как показано на следующей диаграмме, около 43 процентов всей лучистой энергии, излучаемой Солнцем, приходится на видимые части спектра. Основная часть остатка приходится на ближний инфракрасный диапазон (49процентов) и ультрафиолетовой секции (7 процентов). Менее 1 процента солнечной радиации испускается в виде рентгеновских лучей, гамма-волн и радиоволн.

Copyright 2000-2001 Университетская корпорация атмосферных исследований. Все права защищены. Используется с разрешения.

Передача энергии от Солнца через почти пустое пространство (помните, что космос — это вакуум) осуществляется в основном за счет излучения. Излучение — это передача энергии движением электромагнитных волн.

Когда энергия Солнца достигает Земли, она сначала перехватывается атмосферой. Небольшая часть солнечной энергии поглощается непосредственно, особенно некоторыми газами, такими как озон и водяной пар.

Часть солнечной энергии отражается обратно в космос облаками и поверхностью Земли.

Однако большая часть радиации поглощается поверхностью Земли. Когда излучение поглощается веществом, атомы в веществе движутся быстрее, и вещество становится теплым на ощупь. Поглощенная энергия преобразуется в тепловую энергию. Эта тепловая энергия играет важную роль в регулировании температуры земной коры, поверхностных вод и нижних слоев атмосферы.

Copyright 2000-2001 Университетская корпорация атмосферных исследований. Все права защищены. Используется с разрешения.

Каждая поверхность на Земле поглощает и отражает энергию в разной степени, в зависимости от цвета и текстуры поверхности. Объекты темного цвета поглощают больше видимого излучения; светлые объекты отражают больше видимого излучения. Блестящие или гладкие предметы отражают больше, а тусклые или шероховатые предметы больше поглощают. Различия в отражении влияют на температуру, погоду и климат.

Ученые используют термин альбедо для описания процента солнечного излучения, отраженного обратно в космос объектом или поверхностью.

Совершенно черная поверхность имеет альбедо 0 (все излучение поглощается). Совершенно белая поверхность имеет альбедо 1,0 (все излучение отражается).

Различные элементы Земли (например, снег, лед, тундра, океан и облака) имеют разное альбедо. Например, суша и океан имеют низкое альбедо (обычно от 0,1 до 0,4) и поглощают больше энергии, чем отражают. Снег, лед и облака имеют высокое альбедо (обычно от 0,7 до 0,9) и отражают больше энергии, чем поглощают.

Среднее альбедо Земли составляет около 0,3. Другими словами, около 30 процентов поступающей солнечной радиации отражается обратно в космос, а 70 процентов поглощается.

Датчик на борту спутника НАСА «Терра» в настоящее время собирает подробные данные о том, сколько солнечного света земная поверхность отражает обратно в атмосферу. Точно определяя альбедо нашей планеты, спектрорадиометр с визуализацией среднего разрешения (MODIS) помогает ученым понять и предсказать, как различные особенности поверхности влияют как на краткосрочные погодные условия, так и на долгосрочные климатические тенденции.

Изображение предоставлено Земной обсерваторией НАСА.

Цвета на этом изображении подчеркивают альбедо земной поверхности в диапазоне от 0,0 до 0,4. Области, окрашенные в красный цвет, показывают самые яркие и отражающие области; желтый и зеленый — промежуточные значения; а синие и фиолетовые показывают относительно темные поверхности. Белым цветом указано, где данные не были доступны, и данные об альбедо над океанами не предоставляются.

Как показано на изображении, покрытая снегом и льдом Арктика имеет высокое альбедо. (Хотя данных не было, у Антарктиды также должно было быть высокое альбедо.) Пустынные районы, такие как Сахара в Северной Африке, также отражают большое количество радиации. Лесные массивы или участки с темной почвой поглощают больше радиации и имеют более низкое альбедо.

Человеческие и природные процессы изменили альбедо земной поверхности. Воздействие человека, такое как вырубка лесов, загрязнение воздуха и уменьшение арктического морского льда, повлияло на значения альбедо. Эти изменения изменяют чистое количество энергии, поглощаемой и излучаемой обратно в космос.

Ресурсы

Первый свет SDO
Обсерватория солнечной динамики (SDO) теперь является лучшим глазом НАСА для наблюдения за Солнцем с разрешением, намного превосходящим любой предыдущий телескоп. Это одни из первых снимков со спутника — они просто потрясающие.

Достижение солнечного баланса
Этот короткометражный фильм (3,6 минуты) от НАСА исследует жизненно важную связь между Землей и Солнцем.

Альбедо Земли и глобальное потепление
Это интерактивное задание, разработанное НАСА и Геологической службой США, иллюстрирует концепцию альбедо.

Изменение климата: откуда мы знаем?
На этой странице веб-сайта НАСА «Взгляд на Землю — глобальное изменение климата» представлен обзор наиболее убедительных исследований, подтверждающих антропогенное и быстрое изменение климата.

---

Концепция B . Когда Земля излучает такое же количество энергии, как и поглощает, ее энергетический баланс находится в равновесии, а ее средняя температура остается стабильной.

Радиационный баланс Земли — это концепция, которая помогает нам понять, сколько энергии Земля получает от Солнца и сколько энергии Земля излучает обратно в космическое пространство. Температура Земли не растет бесконечно, потому что тепло всегда излучается обратно в космос. Солнечное тепло перераспределяется от экватора к полюсам, а также от поверхности Земли и нижних слоев атмосферы обратно в космос. Облака также переносят энергию от поверхности Земли.

Фотография астронавта ISS006-E-19436, любезно предоставлено NASA/JSC Gateway to Astronaut Photography of Earth.

Солнечное отопление способствует испарению. Теплый влажный воздух становится плавучим и поднимается вверх, перемещая энергию с поверхности высоко в атмосферу. Энергия высвобождается обратно в атмосферу, когда водяной пар конденсируется в жидкую воду или замерзает в кристаллы льда. Этот чистый поток энергии в систему Земли и из нее является энергетическим балансом Земли.

Центр атмосферных исследований НАСА. Используется с разрешения.

Когда поток поступающей солнечной энергии уравновешивается равным потоком тепла в космос, Земля находится в радиационном равновесии, а глобальная температура относительно стабильна. Все, что увеличивает или уменьшает количество входящей или исходящей энергии, нарушает радиационное равновесие Земли; глобальные температуры повышаются или понижаются в ответ. Изменения в земной коре, такие как оледенение, обезлесение и таяние полярных льдов, изменяют количество и длину волны электромагнитного поглощения и отражения на поверхности Земли. Эти дестабилизирующие воздействия называются климатическими воздействиями.

Искусственное воздействие включает загрязнение частицами (аэрозоли), которые поглощают и отражают падающий солнечный свет; вырубка лесов, которая меняет то, как поверхность Земли отражает и поглощает солнечный свет; и повышение концентрации углекислого газа в атмосфере и других парниковых газов, которые уменьшают тепло, излучаемое в космос. Форсирование может запустить петли обратной связи, которые могут усилить или ослабить исходное событие.

Гамильтонский сталелитейный завод, Онтарио, Канада. Фото предоставлено haglundc, Flickr.

Вулкан Шивелуч, Камчатка, Россия. Фото любезно предоставлено Международной космической станцией, космический полет НАСА.

Потеря льда на полюсах, что делает их менее отражающими, является примером петли обратной связи. Уменьшение площади льда в полярных регионах (в частности, морского льда в Арктике) является частью положительной обратной связи, которая может ускорить изменение климата. Более высокие температуры тают снег и лед, что снижает альбедо Земли, вызывая дальнейшее потепление и большее таяние.

Изображение предоставлено Хьюго Алениусом, UNEP/GRID-Arendal Maps and Graphics Library.

По данным НАСА, сентябрьский морской лед в Арктике в настоящее время сокращается со скоростью 11,5% за десятилетие по сравнению со средним показателем за период с 1979 по 2000 год. Арктический морской лед достигает своего минимума каждый сентябрь. На приведенном ниже графике показана среднемесячная протяженность морского льда в Арктике в сентябре с 1979 по 2010 год, полученная на основе спутниковых наблюдений. Протяженность сентября 2010 г. была третьей по величине в спутниковых записях. Вы можете увидеть интерактивные графики для пяти ключевых показателей на странице веб-сайта НАСА «Взгляд Земли на ключевые показатели глобального изменения климата».

Уровень арктического морского льда, изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech.

Ресурсы

Изменение климата: достижение солнечного баланса (3:35)
В этом видео НАСА рассматривается роль солнца в управлении климатической системой. Он использует красочную анимацию, чтобы проиллюстрировать энергетический баланс Земли и то, как увеличение выбросов парниковых газов создает дисбаланс в энергетическом балансе, что приводит к потеплению. В видео также рассказывается, как спутниковая программа НАСА собирает данные о Солнце.

Энергетический бюджет Земли
В этой тематической статье Земной обсерватории НАСА представлена ​​дополнительная информация о концепции энергетического баланса Земли.

Облака: дикая карта изменения климата
Этот ресурс пытается ответить на вопрос «Смогут ли облака ускорить или замедлить глобальное потепление?»

---

Концепция C . Наклон оси Земли относительно ее орбиты вокруг Солнца приводит к предсказуемым изменениям продолжительности дневного света и количества солнечного света, получаемого на любой широте в течение года. Эти изменения вызывают годовой цикл сезонов и связанные с ними изменения температуры.

Наклон оси вращения Земли и орбита Земли работают вместе, чтобы создать времена года. Когда Земля движется вокруг Солнца, она остается наклоненной в том же направлении под углом 23,5 градуса к Полярной звезде. Это означает, что иногда северная половина Земли указывает на Солнце (лето), а иногда — в сторону (зима).

На этом рисунке показан наклон земной оси, который вызывает смену времен года. Изображение предоставлено CLEAN.

Точки на орбите Земли, когда она больше всего наклонена к Солнцу или от него, называются солнцестояниями и отмечают смену лета и зимы. Когда северное полушарие наклонено к Солнцу, южное полушарие наклонено в сторону. Это объясняет, почему времена года в полушариях противоположны. На полпути между солнцестояниями Земля не наклонена ни прямо к Солнцу, ни прямо от него. В это время, называемое равноденствием, оба полушария получают примерно одинаковое количество солнечного света. Равноденствия отмечают сезоны осени и весны.

Земля на своей орбите в дни солнцестояния и равноденствия. Обратите внимание, что перспектива нереалистична. Это вид сбоку, и он игнорирует эффект перспективы, чтобы показать, что орбита Земли почти круговая. Изображение предоставлено Windows to the Universe.

Интенсивность солнечного излучения в значительной степени зависит от угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность Земли, называемого углом падения. Если Солнце расположено прямо над головой или под углом 90 градусов к горизонту, входящие лучи падают на поверхность Земли под прямым углом и являются наиболее интенсивными. Если Солнце находится на 45 градусов выше горизонта, входящие лучи падают на поверхность Земли под углом. Это приводит к тому, что лучи распространяются по большей площади поверхности, уменьшая интенсивность излучения. На следующем рисунке моделируется эффект изменения угла падения с 9от 0 до 45 градусов. Как показано, более низкий угол наклона солнца приводит к тому, что излучение принимается на гораздо большей площади поверхности.

Влияние угла на область, принимающую входящий луч излучения. Изображение предоставлено Энциклопедией Земли.

Летом солнечный свет падает на землю более прямо (ближе к перпендикуляру), концентрируя солнечную энергию. Эта концентрированная энергия способна нагревать поверхность быстрее, чем это возможно в зимнее время, когда солнечные лучи падают на землю под большим углом, рассеивая энергию. От экватора до полюсов солнечные лучи встречаются с Землей под все меньшими и меньшими углами, и свет распространяется на все большие и большие площади поверхности.

Иллюстрация предоставлена ​​Ником Стробелем, www.astronomynotes.com.

В дополнение к менее концентрированной энергии время, в течение которого поверхность Земли залита светом, также отличается. Из-за наклона оси части земной поверхности, находящиеся в дневном свете (незаштрихованная часть рисунка) и в тени (заштрихованная), обычно не равны. К северу от экватора день длиннее ночи, а на Северном полюсе ночи нет вообще.

Количество светового дня летом и зимой. Иллюстрация предоставлена ​​Ником Стробелем, www.astronomynotes.com.

На экваторе интенсивность солнечного луча постоянна и продолжительность дня не меняется; следовательно, не существует весны, лета, осени и зимы, хотя, в зависимости от погодных условий, могут быть «влажный» и «сухой» сезоны.

Ресурсы

Времена года Земли
Компьютерная анимация о причинах смены времен года. Голос за кадром описывает движение Земли вокруг Солнца, чтобы показать, как солнечный свет воздействует на наклоненную Землю в разное время года, вызывая сезонные изменения.

Базовая лаборатория координат и времен года
Модуль времен года программы астрономического образования Университета Небраски-Линкольн позволяет вам понять эти понятия, манипулируя такими вещами, как положение Земли на ее орбите и ваше положение на Земле.

---

Концепция D . Постепенные изменения вращения Земли и орбиты вокруг Солнца меняют интенсивность солнечного света, получаемого в полярных и экваториальных регионах нашей планеты. По крайней мере, в течение последнего миллиона лет эти изменения происходили в виде 100 000-летних циклов, которые порождали ледниковые периоды и более короткие теплые периоды между ними.

В результате работы климатологов были найдены доказательства того, что лишь ограниченное число факторов в первую очередь ответственны за большинство прошлых эпизодов изменения климата на Земле. Одним из таких факторов являются вариации орбитальных характеристик Земли.

Влияние вариаций орбитальных характеристик Земли исследовал сербский математик Милутин Миланкович, начиная с 1910-х годов. Он сделал серию астрономических расчетов, которые продемонстрировали, как колебания орбиты Земли сыграли роль в ледниковых периодах и других изменениях климата. Он обнаружил, что по мере того, как Земля движется в космосе вокруг Солнца, циклические изменения трех элементов геометрии Земля-Солнце в совокупности вызывают изменения в количестве солнечной энергии, достигающей Земли:

1. Изменения эксцентриситета орбиты Земли – формы орбиты вокруг Солнца.
2. Изменения угла наклона – изменения угла, под которым земная ось образует плоскость земной орбиты.
3. Прецессия – изменение направления оси вращения Земли.

Вместе периоды этих орбитальных движений стали известны как циклы Миланковича.

Циклы Миланковича, такие как прецессия равноденствий (23 000 лет), наклонение (41 000 лет) и эксцентриситет (периоды 100 000 и 400 000 лет), влияют на изменение климата в долгосрочных масштабах, поскольку они влияют на количество солнечного света, излучаемого на Землю. Они измеряются с использованием данных, полученных из морских отложений, геоморфологических особенностей, а также астрономических наблюдений и расчетов. Понимание циклов Миланковича помогает реконструировать прошлую изменчивость климата во временном масштабе 100 000 лет и более.

В настоящее время циклы Миланковича находятся в точке, которая помещает Землю в межледниковый период – теплый период с относительно стабильным климатом. Прогнозируется, что этот теплый период продлится десятки тысяч лет, но не ожидается, что климат потеплеет в течение десятилетий. По этой причине недавние климатические изменения не считаются связанными с природными циклами, описанными Миланковичем.

Ресурсы

Милютин Миланкович
Биография Миланковича с упором на его исследования.

Причины изменения климата
В этой статье из онлайновой Энциклопедии Земли обсуждаются факторы, ответственные за прошлые эпизоды изменения климата.

Инструмент информации о временной шкале климата
Этот инструмент представляет собой интерактивную матрицу, позволяющую пользователям изучать климатическую информацию в различных масштабах во времени.

---

Концепция E . Значительное увеличение или уменьшение выработки солнечной энергии приведет к тому, что Земля нагреется или остынет. Спутниковые измерения, проведенные за последние 30 лет, показывают, что выход энергии Солнца изменился незначительно и в обоих направлениях. Считается, что эти изменения солнечной энергии слишком малы, чтобы быть причиной недавнего потепления, наблюдаемого на Земле.

Солнечные ученые давно знают, что изменчивость Солнца изменяет распределение энергии в атмосфере Земли, но ее прямое влияние на изменение климата остается под вопросом. Изменения солнечной радиации надежно измеряются спутниками всего 30 лет. Эти точные наблюдения показывают изменения в несколько десятых процента, которые зависят от уровня активности в 11-летнем солнечном цикле. Хотя компонент недавнего глобального изменения климата мог быть вызван повышенной солнечной активностью последнего солнечного цикла, этот компонент был очень мал по сравнению с воздействием парниковых газов.

Измерения, проведенные спутниками, оснащенными радиометрами, в 1980-х и 1990-х годах показали, что выходная энергия Солнца может быть более изменчивой, чем считалось ранее. Измерения, проведенные в начале 1980-х годов, даже показали уменьшение на 0,1 процента общего количества солнечной энергии, достигающей Земли всего за 18 месяцев. Ученые, изучающие краткосрочные вариации выхода солнечной энергии, в том числе 22-летний солнечный цикл солнечной активности, измеряемый между минимальным и максимальным периодом, определили, что количество дополнительной солнечной энергии, достигающей Земли, относительно невелико, недостаточно для объяснения недавнего изменение климата.

В начальный период открытия глобального изменения климата масштабы влияния Солнца на климат Земли не были хорошо изучены. Однако с начала 1990-х годов были проведены обширные исследования, чтобы определить, какую роль, если таковая имеется, играет Солнце в глобальном потеплении или изменении климата. В недавнем обзорном документе, составленном учеными-солнечниками и климатологами (Gray, et al. , 2010), подробно описаны эти исследования. Их итог: хотя Солнце может играть небольшую роль, «тем не менее, оно намного меньше предполагаемого радиационного воздействия из-за антропогенных изменений». То есть деятельность человека является основным фактором глобального изменения климата.

Ресурсы

Солнечная активность и изменение климата
На этой странице представлена ​​дополнительная информация о связи между солнечной активностью и изменением климата.

«Нет связи Солнца» с изменением климата
В этой статье, опубликованной в 2007 году, делается вывод о том, что изменения солнечной активности не могут быть причиной современного изменения климата.

---

Ссылки

Помимо пингвинов и белых медведей . Получено с http://beyondpenguins.nsdl.org

ЧИСТЫЙ. Преподавание климатологии и энергетики . Получено с http://cleanet.org/clean/literacy/index.html

Энциклопедия Земли. Справочник по климатической грамотности. Принцип 1 . Получено с http://www.eoearth.org/article/Climate_Literacy_Handbook:_Principle_1

Gray, L.J., et al. 2010. «Влияние Солнца на климат». Обзоры геофизики 48 , RG4001, doi:10.1029/2009RG000282. Получено с http://solar-center.stanford.edu/sun-on-earth/2009.RG000282.pdf

---

Эту статью написала Кимберли Лайтл. Она получила докторскую степень в области естественных наук в Университете штата Огайо и является главным исследователем проектов Beyond Weather and the Water Cycle, Beyond Penguins and Polar Bears и Middle School Portal 2. Напишите Ким по адресу [email protected].

Copyright Февраль 2011 г. – Университет штата Огайо. Этот материал основан на работе, поддержанной Национальным научным фондом в рамках гранта № 10349.22. Любые мнения, выводы и выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат автору (авторам) и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда. Эта работа находится под лицензией Attribution-ShareAlike 3.0 Unported Creative Commons.

Как тепло передается от Солнца к Земле?

Солнце является основным источником энергии для планеты Земля, но как тепло передается от солнца к земле ?

В этой статье вы узнаете о процессах, которые облегчают передачу тепла от солнца до тех пор, пока вы не почувствуете его на своей коже в солнечный день.

 Солнце представляет собой раскаленный шар, состоящий в основном из водорода и гелия, находящийся на расстоянии 93 миллионов миль. 

Солнце излучает энергию с помощью электромагнитных волн, которые быстро распространяются в пространстве. Это основной способ передачи тепла от солнца к земле.

Так как Земля не находится в прямом контакте с Солнцем , его энергия должна пройти через космический вакуум, чтобы достичь этой планеты.

Это возможно, потому что энергия движется с очень высокой скоростью в виде электромагнитного излучения прямо до тех пор, пока не столкнется с чем-то.

После прохождения электромагнитных волн через космический вакуум они отражаются от молекул газа в атмосфере и в конечном итоге нагревают планету.

Следует отметить, что этот способ передачи тепла не может иметь место, когда что-то экранирует источник тепла.

 Температура Земли остается в пределах пригодного для жизни диапазона от 29,6 до 35,6 градусов по Фаренгейту (88 и 96 градусов по Фаренгейту). 

Это происходит потому, что планета поглощает необходимое количество и тип солнечной радиации для поддержания этого температурного диапазона.

Видимый свет

Большая часть солнечного света представляет собой видимый свет, возникающий при попадании в атмосферу фотонов с различными длинами волн

Спектр видимого света варьируется от самых длинных длин волн 740 нанометров до примерно 400 нм .

Приборы могут обнаруживать свет на всех длинах волн, кроме видимого спектра, но не только нашими глазами.

Видимый свет и тепло

Большая часть солнечного света представляет собой смесь красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего и фиолетового цветов.

Видимый свет также составляет примерно половину энергии, достигающей Земли. Видимый свет проходит через атмосферу Земли.

Температура на поверхности Солнца составляет около 6000 градусов Цельсия .

Энергия Солнца преобразуется в тепловую энергию на поверхности Земли, обычно называемую теплом.

Тепло – это форма энергии, возникающая при вибрации материи в форме молекул.

  Примечание:  Свет также попадает в нашу атмосферу и отражается обратно в космос или отражается прямо обратно на Землю облаками, снегом и другими объектами. 

Длины волн ближнего видимого диапазона

Три типа энергии достигают Земли от солнца в дополнение к видимому свету: ультрафиолетовое излучение, инфракрасное излучение и радиоволны.

Ультрафиолетовое (УФ) излучение и инфракрасное излучение (ИК, другое название теплового излучения) отличаются тем, что одно электромагнитное, а другое термодинамическое.

Ультрафиолетовое излучение, электромагнитное излучение с длиной волны короче, чем у видимого света, излучаемое Солнцем.

В дополнение к инфракрасному излучению это форма излучения с большей длиной волны, чем у видимого света.

Опасность УФ-энергии

Длины волн ультрафиолетового и инфракрасного излучения находятся за пределами человеческого зрения и восприятия.

Ультрафиолетовый свет имеет короткую длину волны. Инфракрасный диапазон имеет большую длину волны; оба потенциально могут быть вредными для организмов, которые их чувствуют.

Из-за своей короткой длины волны ультрафиолетовый свет может быть опасным для кожи человека поскольку он может разрушать химические связи.

 Большая доза УФ-излучения вызывает повреждение кожи, включая ожоги и рак. 

Инфракрасное излучение и тепло

Инфракрасное излучение имеет большую длину волны, чем видимый свет, и иногда имеет более низкую частоту, чем волны видимого света.

Его длина волны ниже красной, зеленой и синей длин волн видимого света.

Инфракрасное излучение также испускается всеми объектами с температурой выше абсолютного нуля.

  Факт:  Инфракрасное излучение можно ощущать как тепловую энергию или тепло, когда ваша кожа поглощает его. 

Энергия на Земле

1. Поглощение

Следующим шагом в понимании того, как тепло передается от солнца к земле, является понимание поглощения.

В то время как огромное количество солнечной энергии падает на поверхность Земли каждую секунду, часть этой энергии отражается в космосе.

Атмосфера поглощает около 20 процентов солнечного излучения , которое затем повторно излучается обратно в космос в виде инфракрасного излучения.

Кислород, водяной пар и озон поглощают ультрафиолетовое излучение.

2. Поглощение в атмосфере

Водяной пар и двуокись углерода в тропосфере поглощают часть инфракрасного излучения Солнца.

Свет в видимом спектре отражается от объектов при попадании на них. Чтобы быть поглощенным, он должен сначала преобразоваться в инфракрасное излучение .

  Примечание:  Видимый свет проходит сквозь атмосферу, не поглощаясь. 

3. Перенос тепловой энергии

Важно помнить, что существует три вида переноса тепловой энергии — излучение, проводимость и конвекция.

Все три происходят в атмосфере.

Хотя тепловая энергия передается в атмосферу разными путями, происходят два вида процессов.

Безусловно, основной функцией является конвекция, поскольку воздух у поверхности Земли поднимается и опускается в соответствии с суточными и сезонными циклами погоды.

4. Проводимость

По мере повышения температуры объекта его молекулы движутся быстрее.

Когда они сталкиваются с объектом с более низкой температурой, они могут передавать свою кинетическую энергию другому объекту. это называется теплопроводность.

Теплопроводность – это форма теплопередачи, при которой тепловая энергия передается от одного атома или молекулы к другому посредством прямого контакта.

Атмосферная проводимость солнечного тепла происходит, когда атмосфера соприкасается с Землей.

  Факт:  Если вы коснетесь поверхности кастрюли с кипящей водой, тепловая энергия пройдет через кастрюлю и попадет в вашу руку. 

5. Конвекция

Когда нагретый воздух в нижних слоях атмосферы поднимается вверх (поскольку он менее плотный), он оставляет за собой более холодный воздух, который спускается вниз, чтобы заполнить пространство, оставленное поднимающимся нагретым воздухом.

Это движение молекул воздуха в сочетании с улавливанием дополнительной энергии солнечного излучения на больших высотах приводит к возникновению моделей атмосферной циркуляции.

Это связано с явлением, называемым «конвекцией», и очень важным для того, как тепло передается от солнца к земле.

Конвекция – это движение теплого воздуха вверх, перенося с собой тепло и тепловую энергию.

6. Тепловая конвекция и циркуляция воздуха

В результате плотность земного воздуха уменьшается, в результате чего менее плотные воздушные массы поднимаются и передают тепловую энергию на большие высоты.

Конвекция — это бесконечный цикл , помогающий распределять и перераспределять солнечное тепло в атмосфере.

  Факт:  Циркуляция воздуха создает различные погодные и климатические условия в мире. 

7. Скрытое тепло

Вода покрывает большую часть поверхности планеты, это единственное вещество, способное существовать здесь, на Земле, в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Благодаря своим химическим свойствам он играет важную роль в нашем мире.

Большая часть солнечной тепловой энергии, достигающей земли, хранится в воде. Скрытая теплота – это количество энергии, необходимое для перехода единицы воды из одной фазы в другую.

Например, , когда вода переходит из твердого состояния в жидкое, поглощается или выделяется определенная энергия — эта поглощенная энергия представляет собой скрытую теплоту.

Тепличный эффект

Стекло теплицы преобразует солнечный свет в инфракрасную энергию.

Он прозрачен для видимого света, но он бесцветный или зеленый, чтобы позволить ближнему инфракрасному свету проходить и достигать растений внутри.

ИК обогреватель внутри теплицы.

Солнечное тепло и парниковые газы

Некоторые газы в атмосфере Земли выполняют ту же роль, что и стекло в теплице.

Эти газы называются парниковыми, и они задерживают солнечное тепло в атмосфере.

Парниковый эффект — это нагревание атмосферы Земли из-за солнечного излучения, направленного назад к Земле некоторыми газами в атмосфере.

 Водяной пар, двуокись углерода и метан — наиболее примечательные газы, которые лучше всего улавливают инфракрасное излучение.  

Читать дальше: Что происходит с дождевой водой, падающей на землю?

Последняя мысль

Понимание того, как тепло передается от солнца к земле , помогает нам понять, как протекают различные процессы на нашей планете.

Это потому, что почти вся энергия на Земле исходит от солнца, что делает солнце нашим основным источником тепловой энергии.

Стоит отметить, что когда вы попадаете в холодный воздух из теплой среды, ваше тело выделяет некоторое количество тепла, и ваше дыхание показывает это.

Таким же образом растения выделяют тепло из своих листьев в атмосферу.

Почему космос холодный, если Солнце горячее

Солнце находится примерно в 150 миллионах километров от Земли, но мы можем ощущать его тепло каждый божий день. Удивительно, как горящий предмет издалека может распространять свое тепло на такое большое расстояние.

Мы не говорим о температурах, которые едва замечают его присутствие. В 2019 году температура в Кувейте достигла 9 градусов.0020 63°C под прямыми солнечными лучами. Если вы будете стоять в течение длительного времени при такой температуре, вы рискуете умереть от теплового удара.

СВЯЗАННЫЕ: УЖЕ ВРЕМЯ ПРИНЯТЬ ЗАКОНЫ ДЛЯ КОСМОСА?

Но что больше всего озадачивает, так это то, что космическое пространство остается холодным, даже когда земля выжигается за миллионы километров. Так почему же космос такой холодный, если солнце такое горячее?

Чтобы понять это загадочное явление, важно сначала осознать разницу между двумя терминами, которые часто используются взаимозаменяемо: тепло и температура.

Роль тепла и температуры

Проще говоря, тепло — это энергия, хранящаяся внутри объекта, а тепло или холод этого объекта измеряется температурой . Итак, когда тепло передается объекту, его температура повышается. И происходит снижение значения температуры, когда тепло извлекается из объекта.

Этот теплообмен может происходить тремя способами: проводимость, конвекция, и излучение .

Теплопередача посредством теплопроводности происходит в твердых телах. При нагревании твердые частицы начинают вибрировать и сталкиваться друг с другом, передавая при этом теплоту от более горячих частиц к более холодным.

Теплопередача посредством конвекции — явление, наблюдаемое в жидкостях и газах. Этот способ теплопередачи также происходит на поверхности между твердыми телами и жидкостями.

При нагревании жидкости молекулы поднимаются вверх и уносят с собой тепловую энергию. Комнатный обогреватель — лучший пример, демонстрирующий конвективный теплообмен.

Когда обогреватель нагревает окружающий воздух, температура воздуха повышается, и воздух поднимается к верху помещения. Холодный воздух, находящийся наверху, вынужден двигаться вниз и нагреваться, создавая конвекционный поток.

Самые популярные

Теплопередача посредством излучения — это процесс, при котором объект выделяет тепло в виде света. Все материалы излучают некоторое количество тепловой энергии в зависимости от их температуры.

При комнатной температуре все объекты, включая нас, людей, излучают тепло в виде инфракрасных волн. Именно благодаря излучению тепловизионные камеры могут обнаруживать объекты даже ночью.

Чем горячее объект, тем сильнее он излучает. Солнце является прекрасным примером теплового излучения, которое переносит тепло через солнечную систему.

Теперь, когда вы знаете разницу между теплотой и температурой, мы очень близки к ответу на вопрос, поставленный в заголовке этой статьи.

Теперь мы знаем, что температура может влиять только на материю. Однако в космосе не хватает частиц, и это почти полный вакуум и бесконечное пространство.

Это означает, что передача тепла неэффективна. Передача тепла путем теплопроводности или конвекции невозможна.

Радиация остается единственной возможностью.

Когда солнечное тепло в виде излучения падает на объект, атомы, составляющие объект, начинают поглощать энергию. Эта энергия заставляет атомы вибрировать и при этом выделять тепло.

Однако с этим явлением происходит кое-что интересное. Поскольку нет возможности проводить тепло, температура предметов в пространстве будет оставаться неизменной в течение длительного времени.

Горячие предметы остаются горячими, а холодные — холодными.

Но когда солнечные лучи проникают в атмосферу Земли, появляется много материи, которую нужно активизировать. Следовательно, мы ощущаем излучение солнца как тепло.

Естественно возникает вопрос: что произойдет, если мы поместим что-то за пределы земной атмосферы?

Космос может легко заморозить или обжечь вас

Когда объект находится за пределами земной атмосферы и находится под прямыми солнечными лучами, он нагревается примерно до 120°С . Объекты вокруг Земли и в космическом пространстве, на которые не попадают прямые солнечные лучи, имеют температуру около 10°C .

Температура 10°C обусловлена ​​нагревом некоторых молекул, покидающих атмосферу Земли. Однако если мы измерим температуру пустого пространства между небесными телами в космосе, то она всего на 3 кельвина выше абсолютного нуля.

Итак, основной вывод здесь заключается в том, что температуру солнца можно почувствовать только в том случае, если есть вещество, которое ее поглощает. в пространстве почти нет материи; отсюда и холодность.

Две стороны солнечного тепла

Мы знаем, что затененные области становятся холодными. Лучшим примером является ночное время, когда температура снижается, поскольку радиация не попадает на эту часть земли.

Однако в космосе все немного иначе. Да, объекты, скрытые от солнечного излучения, будут холоднее, чем места, получающие солнечный свет, но разница весьма существенна.

Объект в космосе столкнется с двумя экстремальными температурами с двух сторон.

Возьмем, к примеру, луну. Области, которые получают солнечный свет, нагреваются до 127°C , а темная сторона Луны будет иметь температуру замерзания -173°C .

Но почему Земля не имеет такого же эффекта? Благодаря нашей атмосфере инфракрасные волны от солнца отражаются, а те, что проникают в атмосферу Земли, распределяются равномерно.

Вот почему мы чувствуем постепенное изменение температуры, а не чрезмерную жару или холод.

Другим примером, показывающим полярность температуры в космосе, является воздействие солнца на солнечный зонд Parker. Parker Solar Probe — это программа НАСА, в рамках которой зонд был отправлен в космос для изучения Солнца.

В апреле 2019 года зонд находился всего в 15 миллионах миль от Солнца. Чтобы защитить себя, он использовал тепловой экран.

СВЯЗАННЫЕ: 7 МИФОВ ОБЩЕГО КОСМОСА, РАЗВЕРНУТЫЕ НАСТОЯЩИМИ АСТРОНАВТАМИ И НАУКОЙ

Температура теплового экрана при бомбардировке солнечным излучением составляла0020 121°C в то время как остальная часть зонда находилась при -150°C .