200-

Облана трогосферы

-ICQ

100 200 300 Температура, С

Земная атмосфера. В известном смысле земную атмосферу можно уподобить слоеному пирогу: она состоит из ряда слоев или, точнее говоря, ряда вложенных одна в другую сфер. Разделение на слои (сферы) проводят, учитывая характер изменения температуры атмосферного воздуха с высотой. На рисунке 4.3 выделены четыре слоя атмосферы: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера- и изображена кривая, отражающая изменение температуры воздуха с высотой.

По мере подъема от поверхности земли температура воздуха сначала убывает. Это известно всем - ведь вершины высоких гор круглый год покрыты снегом и льдами. Тот, кто летал на авиалайнерах, неоднократно слышал сообщения бортпроводниц о том, что температура воздуха за бор-

том самолета 60...70 градусов мороза. Напомним, что современные авиалайнеры летают на высотах 8...10 км.

Не всем, однако, известно, что уменьшение температуры воздуха с высотой происходит лишь до определенных высот: до 17 км над тропиками и 10 км над полярными областями. Эти числа как раз и определяют высоту верхней границы тропосферы (как видим, она зависит от географической широты). Температура воздуха на границе тропосферы составляет над тропиками около -75°С, а над полюсами около -60°С.

К тропосфере примыкает стратосфера. В стратосфере температура воздуха при подъеме сначала остается постоянной (до высот 25...30 км), а затем начинает возрастать - вплоть до высоты 55 км, отвечающей верхней границе стра-

тосферы; при этом температура достигает значений, близких к О °С. В следующем атмосферном слое - мезосфере - температура снова начинает уменьшаться по мере подъема; она падает до -100°С и даже до - 150°С на уровне верхней границы мезосфе-ры, имеющей высоту около 80 км. Еще выше начинается термосфера; здесь температура по мере подъема возрастает.

Итак, в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается, в стратосфере температура сначала не меняется, а затем растет, в мезосфере она снова уменьшается и, наконец, в термосфере снова начинает расти. Заметим, что слово тропосфера происходит от греческого тропос , означающего поворот ; над тропосферой совершается первый поворот температуры. Атмосфера действительно напоминает слоеный пирог: слои, где температура понижается, чередуются со слоями, где она повышается.

Происхождение такого слоеного пирога нетрудно объяснить. Ведь снизу атмосфера подогревается земной поверхностью, а сверху солнечным излучением; поэтому ее температура должна возрастать при приближении как к поверхности земли, так и к верхней границе атмосферы. В результате температурная кривая должна, казалось бы, иметь вид, показанный на рисунке 4.3 пунктиром. В действительности же температура изменяется с высотой не по пунктирной, а по непрерывной линии и обнаруживает некоторое увеличение в области стратосферы. Это повышение температуры вызвано поглощением ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения в слое озо-

на (О3), который занимает интервал высот примерно от 20 до 60 км.

Для образования облаков надо, чтобы воздух был влажным (или, во всяком случае, не слишком сухим) и чтобы происходило достаточно сильное понижение температуры воздуха. Наиболее влажен воздух вблизи земной поверхности, в тропосфере. К тому же в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается. Поэтому неудивительно, что почти весь облачный покров Земли сосредоточен в пределах тропосферы. Серебристые облака образуются значительно выше тропосферы - вблизи верхней границы мезосфе-ры. Существенно, что на этих высотах температурная кривая проходит через очередной и притом относительно сильный минимум. Отметим, что на высотах вблизи максимума температурной кривой (на границе стратосферы и мезо-сферы) облака никогда не наблюдаются.

Посмотрев на рисунок 4.3, читатель может заключить, что на высоте 200 км температура воздуха становится равной 400 °С. А как же быть с космическим холодом ? Недоумение читателя, возможно, возрастет еще более, если мы сообщим, что на высоте 400 км температура атмосферы достигает уже 1000 °С. А между тем на этих высотах летают космические корабли, космонавты выходят в открытый космос, и ничего страшного в столь ужасной жаре с ними не происходит. Дело в том, что на больших высотах атмосфера становится крайне разреженной. Так, на высоте 400 км давление воздуха равно всего 10* мм рт. ст., что соответствует глубочайшему вакууму. При столь огромном разрежении гигантская

кинетическая энергия молекул атмосферного воздуха (отвечающая температуре 1000 °С) не может причинить вреда космонавтам, поскольку самих-то молекул крайне мало.

Адиабатное расширение газа. Одним из главных процессов, приводящих к образованию облака, является процесс адиабатного расширения воздуха при его подъеме над поверхностью земли.

Предположим, что некоторая масса газа (в частности, воздуха) расширяется. При этом газ совершает работу А против сил внешнего давления. Пусть Q - теплота, которую получает извне газ в процессе расширения. Совершенная газом работа А и полученная им теплота Q определяют изменение внутренней энергии газа AU:

AU=Q~A. 4.1

Это есть первое начало термодинамики; оно представляет собой не что иное, как закон сохранения энергии для рассматриваемой массы газа.

Изменение внутренней энергии газа связано с изменением его температуры. Пусть Т, и - соответственно начальная и конечная абсолютные температуры газа. Будем полагать, что газ состоит из двухатомных молекул и что его молярная масса есть [г (для воздуха можно принять \i= =29 кг/кмоль). Для такого газа

д 5 MR(T2-2

(4.2)

где М - масса газа, R - универсальная газовая постоянная; У?=8,3-10 Дж/(кмоль-К).

Если Q>A, то AU>0. В этом слуае Т2>Т следовательно, газ

при расширении нагревается. Если Q=A, то AU=0. В этом случае Т2=Т,-температура расширяющегося газа остается неизменной (изотермическое расширение).

Для нас интересен случай, когда можно принять Q=0, т. е. когда можно пренебречь теплообменом между газом и окружающей его средой. В данном случае соотношение (4.1) принимает вид

AU=-A. (4.3)

Видно, что теперь AU<0 и, следовательно, Т2<Т,-газ при расширении охлаждается. Рассматриваемый процесс называют адиабатным расширением газа. При таком расширении газ не получает теплоты извне и поэтому совершает работу только за счет собственной внутренней энергии (в результате чего и охлаждается). Подставляя (4.2) в (4.3), получаем формулу, связывающую уменьшение температуры адиабатно расширяющегося двухатомного газа и работу, совершенную газом:

5 MR

(4.4)

Приведем без вывода формулу для работы адиабатно расширяющегося двухатомного газа:

2 fx L Vpi / J

(4.5)

Здесь p, и T, - начальное давление и начальная температура газа, а Рг - его конечное давление.

Решим задачу. Найти уменьшение температуры адиабатно расширяющегося воздуха при его подъеме на высоту 1 км, если известно, что начальная температура воздуха 27 °С и что давление воздуха на указанной высоте составляет 0,9 от давления у поверхности.

5 физику, в природе