Қарастырылатын сұрақтар: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера, гетеросфера, гомосфера

Дәріс мазмұны:

2. Атмосфераның химиялық құрамы.

3. Күн радиациясы және ауа температурасы.

Әдебиеттер: Шубаев, 70-85; Степановских, 136-140; Асқаров, 171-177.
1. Атмосфера - Жердің газ қабаты. Атмосфераның құрылымы.Түрлі газдар, су буы және шаң тозаң, аэрозоль бөлшектер (қатты және сұйық бөлшектер) қоспасынан тұрады.

Атмосфера арқылы Жер беті мен Космос арасында зат алмасу жүреді. Жерге космос шаңы мен метеорит түседі, ал жеңіл газдар гелий мен сутек космос кеңістігіне жоғалады. Атмосфералық газдардың космос кеңістігінде жоғалуы диссипация деп аталады.

Атмосфера арқылы Күннің радиациясы өтеді, бұл жердің жылу режимін анықтап, атмосфералық газдар диссоциациясы мен атомдар ионизациясының пайда болуына әкеледі.

Атмосфераның төменгі қабаты төселме бет деп аталады. Жердің тартылыс күші арқылы жер атмосфераны ұстап тұрады. Жоғары қабаты шамамен 1500-2000 км деп саналады. Атмосферада қысым мен тығыздық биіктеген сайын азайады. Жер бетінде 1013 гПа қысымда атмосфера тығыздығы 1,27*10³ г/м³, 10 км биіктікте 0,411*10³ г/м³, ал 750 км биіктікте 10^-10г/м³.

Атмосфера бірнеше қабаттардан тұрады. Әрбір қабаттың өзіне тән атқаратын қызметі, газдық құрамы, тіршілік нышаны болады. Әсіресе тіршілік үшін тропосфера мен озон қабатының маңызы зор.

Атмосфераның ең төменгі қабаты тропосфера деп аталады. Географиялық ендікке байланысты теңіз деңгейінен 7-18 км биіктік аралығында өзгереді. Полярлық ендіктерде (полюстерде) 7-8 км, қоңыржай ендіктердің үстіндегі биіктігі – 10-12 км, ал тропиктік ендіктер мен экваторда 17-18 км. Мұнда атмосфераның 84% массасы мен су буларының 80% болады. Ауа райы мен климатты анықтайтын негізгі процесстер осы тропосферада байқалады, яғни тропосфера Жер климатын құрастырады. Ауа температурасы биіктеген сайын төмендейді, температуралық градиент әрбір 100 м-ге 0,6^оС, яғни Жер бетінен 100 метрге биіктегенде температура 0,6^оС-ке төмендейді. Ауа массаларының вертикальды және горизонтальды қозғалысы байқалады. Ауаның горизонталь бағытта жоғары қысым аймағынан төменгі қысым аймағына қарай қозғалысын жел деп атайды. Метеорологиялық зерттеулерде жел жылдамдығы м/сек өлшенеді. Белгілі бір аймақта белгілі уақыт аралығында желдердің қайталануын графикалық кескіндеу арқылы жел розасын сызады.

Ауа температурасының ең жоғары және ең төменгі көрсеткіштерінің айырмашылығы температура амплитудасы деп аталады.

Тропосфераның үстінде 40 км-ге дейін стратосфера орналасқан. Бұнда күннен келген қатты ультракүлгін сәулелерді жұтып, жердегі тіршілік болуын анықтайтын озон қабаты бар. Озон қабатының қалыңдығы небәрі 3 мм. Соңғы жылдары озон антропогендік фактор әсерінен тесіктері пайда болуда. Стратосферада ауа ылғалдылық өте төмен, ауа тығыздығы өте төмен. 30 км биіктікте температура -50^оС, ал 50 км биіктікте +10^оС болады.

Оның үстінде ионосфера қабаты орналасады, мұнда газдар көбінесе ион түрінде кездеседі. Биіктігі 1300 км жуық, жер бетін космос сәулелерінен қорғайды, радиотолқындардың шағылысуы мен жұтылуына әсер етеді. Поляр шұғылалары атмосфераның осы ионосфера қабатында пайда болады.

Ионосфера қабатын мезосфера, термосфера, экзосфера деп бөлуге болады.

Мезосфера қабаты стратосфера үстінде 50 км биіктікте орналасқан, температурасы – 70^оС дейін төмендейді, оның үстінде 80 км биіктікте термосфера орналасқан, температурасы 500-600 км биіктікте +1600^оС дейін жетеді, газдар өте сирек, атмосфералық қысым болмайды деуге болады.

Ионосфера қабатынан 800-1600 км биіктікке дейін экзосфера орналасқан, тығыздығы өте төмен, газдар жоқ, сутегі мен гелий атомдары ғана байқалады. Ол біртіндеп космос аралық кеңістікке 10000 км ұласады.

Атмосфераның тұрақты және өзгергіш компоненттерін бөліп көрсетуге болады. (атмосферада болу ұхақтығына қарай). Тұрақты компонентеріне азот, оттегі, аргон, неон, ксенон, криптон, гелий жатады. Өзгергіш немесе тұрақсыз компоненттеріне көмірқышқыл газы, су буы, озон, аэрозольдар жатады. Мысалы су атмосферада түрлі концентрацияда және формада болады. Дегенмен атмосфераның құрандас бөліктерін бұлай жіктеу тек шартты түрде ғана мүмкін, себебі атмосфераның барлық компоненттері де ұзақ уақыт аралығында өзгеріп тұрады. Сондықтан атмосфераның құрамын тек шамамен шартты түрде ғана кескіндеуге болады (кесте 17.1).

Атмосфераның негізгі құрандас бөліктері болып азот, оттегі, аргон және көмірқышқыл газы есептеледі. Атмосферада "оттегі - азот - көмір қышқыл газы" қатынасының (процентпен) 21 : 78 : 0,03 мөлшері қалыпты болып саналады.

Азоттың мөлшері атмосферада өзгермейді, шамамен 78,084, ал барлық тірі организмдерге қажетті оттегі мөлшері 20,946  болады.

Алғашқы атмосферада бос оттегі болған жоқ. Алғашқы атмосфера су булары, көмірқышқыл газы, метан, аммиак және күкіртсутектен тұрды. Алғашқы бос оттегі көзі болып су буының күннің ультракүлгін сәулесі әсерінен фотохимиялық ыдырауы болды. Бірақ пайда болған оттегі аммиак, көміртегі, азот тотығуына жұмсалды. Ғалымдар есептеулерінше ең алғаш рет атмосферада бос оттегі бұдан 2,2 млрд жыл бұрын қарапайым балдырлар (фотосинтездеуші бактериялар) тіршілігі нәтижесінде пайда бола бастады. Бұдан 600 млн жыл бұрын оттегі мөлшері қазіргі мөлшерінің 1-н ғана құрады (шамамен 0,2). Сөйтіп Пастер нүктесі пайда болып, организмдер ашық демалуға яғни тотығудың тиімді тәсілі (аэробты тыныс алуға) көше бастады. Организмдер сыртқы энергияны, яғни Күн энергиясын пайдаланып неорганикалық заттардан органикалық заттарды синтездеу бастады. Фотосинтез процесі нәтижесінде атмосферада бос оттегі жинақталып, қазіргі газдық құрамы пайда болды (палеозой эрасының соңы).

Мысалы жылына 100-150 млрд т оттегі пайда болса, соның барлығы дерлік тірі организмдердің тыныс алуына, тау жыныстарының тотығуына және отынның жануына жұмсалады. Орташа есеппен бір адам тәулігіне 500 л оттегін пайдаланады, Бір автомобиль жылына 4 тонна оттегіні қажет етеді.

Көміртегі – органикалық заттардың негізгі молекуласы. Өсімдіктер атмосферадағы көмір қышқыл газын бекіту арқылы алады, ал қалған жануарлар өсімдіктерді жануарларды және басқа органикалық қалдықтарды пайдалану арқылы алады. Тыныс алу процесінде көміртегі атмосфераға қайтады, дегенмен көміртегінің бір бөлігі осы циклдан шығып азайюы мүмкін. Осы 2 млрд жыл бойы ізбестастар мен көмір түрінде консервациясы болған.

Атмосферада оттегінің ұлғаюымен қатар көмір қышқыл газының фотосинтез және мұхит суларывнда еруі әсерінен көмір қышқыл газы мөлшері азайа бастады. Көмір қышқыл молекулалары жердің инфрақызыл сәулесін сіңіруіне (ұзындығы 1,5 мкм жоғары) байланысты парниктік эффект пайда болады. Сөйтіп СО₂, NH₃ тәрізді парниктік газдар мен Н₂О т.б. атмосфераның орташа температурасын анықтайды. Бұдан 350 млн жыл бұрын көмір қышқыл газының мөлшері 0,4 (көлемдік) болғанда жердің орташа температурасы қазіргі мөлшерінен 10^оС жоғары болды. Көмірқышқыл газының мөлшері 0,034-ға дейін төмендеуіне байланысты жердің орташа температурасы 14^оС болды. Қазіргі кезде парниктік газдардың атмосферада мөлшері артуына байланысты жердің орташа температурасы артып, климаттың жылынуы байқалуда.

Атмосфераның негізгі компоненттерінің бірі - озон. Оның пайда болуы мен ыдырауы күннің ультракүлгін сәулелеріне байланысты. Озон қабаты сонымен қатар жердің 20 инфрақызыл сәулелерін ұстайды. Озонның негізгі мөлшері жер бетінен 20-24 км биіктікте орналасып «озон экранын» түзеді. Озон пайда болуы үшін оттегінің бос атомдары қажет. Ультракүлгін сәулелер мен электр разрядтары әсерінен оттегі молекуласы атомдарға ыдырап, оттегі молекуласына қосылу арқылы озон түзіледі:

Пайда болған озон молекуласы тұрақсыз, өте күшті тотықтырғыш болып саналады. Озон молекуласы күннің ультракүлгін сәулелерін молекулярлық және атомдық оттегіге ыдырау арқылы сіңіреді.

Стратосфералық озоннан басқа жер бетінде тропосфералық озонның аз мөлшері болады. Вертикальды ауа алмасу кезінде озон тропопауза арқылы тропосфераға өтеді. Жер бетінде тропосфералық озон мөлшері өте аз, аздап күн күркіреуден кейін және биік тауларда артады. Бұндай озон тез ыдырайды. Тропосфералық озон сондай-ақ интенсивті күн радиациясы кезінде газдармен ластанған ауа райында фотохимиялық реакция нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Мысалы Лос-Анджелес типтес фотохимиялық смогтар.

Ауада су буы үнемі болады, шөл аймақтарда 0,1-тен да аз болса, экваторлық аймақта 2,6-4,0-ға дейін жетеді. Су буы көптеген бұлттар, тұмандар пайда болуы тәрізді термодинамикалық процестерге қатысады.

Ауадағы шаң мөлшері вулкандар әсерінен, антропогендік әрекет және шөгу жылдамдығы түрліше болуына байланысты өзгергіш болып келеді. Атмосферада кездесетін қатты және сұйық аэрозольдар кондесация ядросы қызметін атқарып бұлт, тұман түзілуіне қатысады. Табиғи аэрозольдарға су тамшылары, мұз кристалдары, космос, вулкан шаңдары, топырақ бөлшектері, орман өрттері кезінде пайда болатын түтін, шаң, теңіз тұздары кристалдары, өсімдік споралары мен тозаңдары, микроорганизмдер жатады. Жасанды аэрозольдерге өнеркәсіп орындары, автотранспорт бөліп шығаратын қоспалар жатады. Кейбір аэрозольдар стратосферада 2 жылға дейін ыдырамауы мүмкін. Стратосферада самолеттер мен ракета ұщуы салдарынан аэрозольдар жинақталуы планета климатына әсер етеді.

Атмосфера құрамы биіктеген сайын өзгереді. Атмосфераның төменгі 90-100 км биіктікке дейінгі қабаты гомосфера деп аталады. Газдық құрамы тұрақты болады. Ал одан жоғарыда гетеросфера қабаты орналасады. Газ молекулаларының диссоциациясы және тартылыс күші әсерінен жіктелуі салдарынан құрамы тұрақсыз болады. Негізінен сутегі мен гелийден тұрады. 1600 км биіктікте тек гелий коронасы орналасса, одан әрі қарай тек сутегі кездеседі.

Сонымен атмосфера қабаты қалыңдығы 1,5 мың км немесе жердің ¼ радиусына тең, ал космостық тұрғыдан жердің Күнге дейінгі қашықтығының 100000-нан бір ғана бөлігі. Атмосфера тығыздығы 0,001г/см², яғни су тығыздығынан 1000 есе аз. Атмосфера массасы - 5,3*10¹⁵ т. Міне осы жұқа мамықтай жеңіл атмосфера қабаты жерді космос сәулелерінің зиянды әсерінен қорғайды. Атмосферадан тек қана өте ірі салмағы ондаған жүздеген метеориттер ғана өте алады.
3. Күн радиациясы және ауа температурасы.

Жер бетінде және атмосферада өтетін барлық процестер негізінен Күн энергиясының әсерінен болады. Себебі жұлдыз, ай және басқа планеталардан келетін сәуле энергиясы өте мардымсыз. Ал жер осіндегі ядродан жылу тіпті келмейді деп те есептеуге болады.

Күн космос кеңістігіне өте көп мөлшерде энергия бөліп шығарады. Күн сәулесі екі бөліктен тұрады: жылу радиациясы, яғни температурасы абсолютті 0-ден жоғары денелердің жылу бөлуі және корпускулярлық сәуле электрлі зарядталған элементарлық бөлшектер ағыны. Жер бетіне келетін күн материясы мен энергиясының жиынтығын радиация деп атайды. Күннің корпускулярлық радиациясы атмосфераның жоғары қабаттарының иондалуын туғызады, радиация белдеулерінің пайда болып, магнит дауылдарының және поляр шұғыласының туындауына әкеледі, бірақ стратосфера мен тропосфераға өтпейді.

Температуралық радиация электромагниттік толқындардың жиынтығы. Географиялық қабықтың жылу режимі температуралық радиация арқылы анықталады.

Күннің жылу энергиясы жарық энергиясына өтеді, ал жерге түскенде қайтадан жылу энергиясына өтеді. Сөйтіп күн радиациясы жылу және жарық әкеледі. Күн сәулесінің түсуі инсоляция деп аталады.

Күн спектрі ультракүлгін (толқын ұзындығы 0,01-0,39 мкм), көрінетін немесе жарық сәуле (0,40-0,75 мкм) және инфрақызыл сәуле (0,76-4,0 мкм) бөліктерінен тұрады. Адам көзі 0,39-0,76 мкм (мкм=10^-3 м) ғана көре алады. Метеорологияда ұзындығы 0,1-4,0 мкм дейінгі сәулелерді қысқа толқынды сәулелерге, ал 4-100 мкм сәулелерді ұзын толқынды сәулелерге жатқызады. Сонымен қатар күннен радиосәулелер (электромагниттік) мен рентген сәулелері де тарайды. Рентген сәулелерін жердің магнит өрісі және ионосфера қабаты өткізбейді.

Күннен тарайтын сәулелердің энергиясы 99%-тік үлесі қысқа толқынды сәулелерге келеді, ал қалған сәулелер үлесіне 1 пайыз ғана келеді. Жер атмосферасына жеткен күн энергиясының спектральды құрамы 50 көрінетін немесе жарық сәуледен, 50-і инфрақызыл жылу сәулесінен, шашамен 1-ы ультракүлгін сәулелерден тұрады.

Сәуле шашудың максимальды энергиясы 0,475 мкм (жасыл-көгілдір сәуле) толқын ұзындығына сәйкес. Аспанның көгілдір болып келуі Күн сәулесінің спектріне байланысты. Атмосфера арқылы өткенде күн радиациясы ішінара жұтылады, аздап кері шашырайды. Озон қабаты спектрдің 0,3 мкм-ге дейінгі бөлігін тұтас сіңіреді. Сөйтіп күн спектрі жасыл-сары бөлікке қарай ығысады, сөйтіп біз көретін күннің түсі жарқырауық сары алтын түстес. Күн биіктігі өзгергенде ультракүлгін сәулелер мөлшері тез азайады.

Жерге Күн сәулесінің екі млрд-тан бір бөлігі ғана жетеді. Осы энергия мөлшері Жерде өтетін барлық процесстер мен термодинамикалық жағдайды реттеп отырады.

Атмосферасыз жер бетінің күннен орташа қашықтығында Күн сәулелеріне перпендикуляр бағытта келіп түсетін күн радиациясының интенсивтілігі – күн тұрақтылығы деп аталады.

Соңғы мәліметтер бойынша күн тұрақтылығы S = 1,367 кВТ/м² (1367 ± 4Вт/м²) немесе 1,98-2,0 кал/см² мин тең.

Атмосфераның жоғары шекарасына келіп түсетін күн энергиясының 43-і космостық кеңістікке шағылысады, қалған 57 пайызы жерге келіп түседі. Оның 14-ы атмосфера арқылы жұтылады және оны қыздыруға жұмсалады, ал қалған 43-і ғана Жер бетіне жетеді.

Күн радиациясы тура және шашыранды радиацияға бөлінеді. Тура радиация - бұлтсыз ауа райында күннен тура жер бетіне тіке келіп түсетін радиация мөлшері. Жарық пен жылудың негізгі мөлшерін анықтайды. Үлесі - 27. Ал шашыранды радиация немесе диффузды радиация - атмосферадағы су булары, мұз кристалдары, аэрозольдар арқылы шашыраған және бұлттан төмен қарай шағылысқан күн сәулесі. Үлесі - 16.

Тура және шашыранды радиацияның ара қатынасы Күн биіктігіне, атмосфера мөлдірлігіне, онда болатын газ, аэрозоль, бұлттылыққа байланысты. Тропиктерде тура радиация басым, ал полюстерде шашыранды радиация басым.

Тура және шашыранды радиация қосындысын жиынтық радиация деп атайды. Жиынтық радиация полюстерден экваторға қарай өзгереді.

Күн сәулесінің интенсивтілігі немесе күші бір минутта 1 см2 горизонтальды бетке келіп түсетін энергия мөлшері, джоульмен (калория) белгіленеді.

Жер бетіне келіп түсетін радиация мөлшері географиялық ендікке, күн ұзақтығына, атмосфера мөлдірлігіне, күн сәулесінің түсу биіктігіне байланысты. Ауа райы ерекшелігіне байланысты күн тұрақтылығының жер бетіне 42-70-і ғана жетеді. Атмосфера арқылы өткенде күн радиациясы сандық және сапалық тұрғыдан өзгереді. Ашық ауа райында көрінетін жарық сәулесі 45, инфрақызыл сәулелер 45 болады, ал ультракүлгін сәулелер үлесіне 10 келеді. Радиациялық режим атмосфера мөлдірлігі мен буалдырлығына да байланысты. Ірі қалаларда жарық қала шетінен 15 тіпті одан да аз пайызға төмендейді.

Күн сәулесінің интенсивтілігі жыл мезгілдері мен тәулік бойы да өзгереді. Таулы аймақтарда күн радиациясының қысқа толқынды бөлігі көп.

Жер бетіне келіп түсетін радиацияның бір бөлігі кері шашырайды, альбедо дегеніміз шашыранды радиацияның жиынтық радиацияға қатынасы. Альбедо күн сәулесінің биіктігі мен төселме бет ерекшелігіне байланысты. Жер альбедосы тұтас 28, жаз маусымында ірі қалалар – 10-30, қыс маусымында – 20-50, ылғалды тропикалық орман -14, жайылым - 20, шөл – 30, қар мен мұз жамылғысы – 70-90, су 6-30. Ең жоғары альбедо мөлшері жаңа жауған қарда байқалады.

Топырақ, ластанған қар, күн тіке түскендегі су беті, жыртылған жер альбедосы.

Жер бетіне келіп түсетін радиациялық жылудың балансы радиациялық баланс деп аталады. Радиациялық баланстың кіріс бөлігі тура радиация (S), шашыранды радиация (D), атмосфераның қарсы сәуле шашуынан (E_атм) тұрады, ал шығыс бөлігі төселме беттен шағылысқан радиация (c) мен жердің сәуле шашуынан (u) тұрады.

R = S+ D+ E_атм - c – u (2)
Төселме бет радиациялық балансы оң және теріс болады. Мысалы түнде кіріс радиация 0-ге тең, сондықтан радиациялық баланс теріс болып, төселме бет салқындайды. Тұтас Жер бетінің Гренландия мен Антарктидадан басқа бөлігінің радиациялық балансы оң болады.

Радиациялық баланс негізгі климаттық фактор болып саналады, төселме бет пен оның үстіндегі ауа қабатының термиялық күйі, булану интенсивтілігі, қар мен мұздардың еруі және ауа массаларының физикалық жағдайы байланысты.

Қазақстан территориясы қоңыржай жылу белдеуінде орналасқан

Су бетінің шағылыстыру қабілеті альбедо деп аталады

Су қоймалары маңында байқалатын және бағытын тәулігіне екі рет өзгертетін желдер бриздер деп аталады. Түнгі бриздер құрлықтан теңізге қарай соғады.

Шөл және шөлейт аймақтарда ылғалдану коэффициенті мөлшері 1-ден кем.

Орманды дала табиғат зонасында су және жел эрозиясы қатар байқалады.

Орманды дала және дала табиғат зонасында антропогендік ландшафт үлесі жоғары болады.

Экваторлы ормандар табиғат зонасында кесілген ағаш сүрегі арқылы оның жасын анықтау мүмкін емес.

Топырақ кездеспейтін табиғат зонасы – арктикалық шөл.

Дала табиғат зонасында «топырақ патшасы» деп аталатын қара топырақтар таралған.

Арктикалық ауа массасына жыл бойы төмен температура мен ылғалдылық тән

Континентальдық климатқа салқын қыс, ыстық жаз, жауын-шашынның аз түсуі сәйкес.

№18 дәріс, 1 кредит сағат