Nauka o Ziemi

cele lekcji

• Wymień główne warstwy atmosfery i ich temperatury.
• omów, dlaczego każda pogoda odbywa się w troposferze.
• omów, w jaki sposób warstwa ozonowa chroni powierzchnię przed szkodliwym promieniowaniem.,

słownictwo

• aurora
• egzosfera
• inwersja
• jonosfera
• magnetosfera
• mezosfera
• warstwa ozonowa
• wiatr słoneczny
• stratosfera
• gradient temperatury
• termosfera
• troposfera

wprowadzenie

atmosfera jest warstwowa, odpowiadająca zmianom temperatury atmosfery wraz z wysokością. Rozumiejąc, jak zmienia się Temperatura wraz z wysokością, możemy dowiedzieć się wiele o tym, jak działa atmosfera., Podczas gdy pogoda odbywa się w niższej atmosferze, interesujące rzeczy, takie jak piękna Zorza polarna, dzieją się wyżej w atmosferze.

Temperatura powietrza

Dlaczego podnosi się ciepłe powietrze (rysunek powyżej)? Cząsteczki gazu są w stanie poruszać się swobodnie, a jeśli są niezabezpieczone, tak jak znajdują się w atmosferze, mogą zajmować więcej lub mniej miejsca.

• gdy cząsteczki gazu są chłodne, są powolne i nie zajmują tyle miejsca., Przy tej samej liczbie cząsteczek w mniejszej przestrzeni, zarówno gęstość powietrza, jak i ciśnienie powietrza są wyższe.
• gdy cząsteczki gazu są ciepłe, poruszają się energicznie i zajmują więcej miejsca. Gęstość powietrza i ciśnienie powietrza są niższe.

cieplejsze, lżejsze powietrze jest bardziej wypornościowe niż chłodniejsze powietrze nad nim, więc unosi się. Chłodniejsze powietrze następnie tonie, ponieważ jest gęstsze niż powietrze pod nim. Jest to konwekcja, która została opisana w rozdziale tektonika płyt.

właściwością, która zmienia się najbardziej uderzająco z wysokością jest Temperatura powietrza., W przeciwieństwie do zmian ciśnienia i gęstości, które zmniejszają się wraz z wysokością, zmiany temperatury powietrza nie są regularne. Zmiana temperatury z odległością nazywana jest gradientem temperatury.

atmosfera jest podzielona na warstwy w zależności od tego, jak temperatura w tej warstwie zmienia się wraz z wysokością, gradientem temperatury warstwy (rysunek poniżej). Gradient temperatury każdej warstwy jest inny. W niektórych warstwach temperatura wzrasta wraz z wysokością, a w innych spada. Gradient temperatury w każdej warstwie jest określony przez źródło ciepła warstwy(rysunek poniżej).,

większość ważnych procesów atmosfery zachodzi w dwóch najniższych warstwach: troposferze i stratosferze.,

troposfera

temperatura troposfery jest najwyższa w pobliżu powierzchni Ziemi i maleje wraz z wysokością. Średnia temperatura troposfery wynosi 6,5°c na 1000 m (3,6°F na 1000 ft.) wysokości. Co jest źródłem ciepła dla troposfery?

powierzchnia Ziemi jest głównym źródłem ciepła dla troposfery, chociaż prawie całe to ciepło pochodzi od Słońca. Skały, gleba i woda na Ziemi pochłaniają światło słoneczne i emitują je z powrotem do atmosfery jako ciepło., Temperatura jest również wyższa w pobliżu powierzchni ze względu na większą gęstość gazów. Wyższa grawitacja powoduje wzrost temperatury.

zauważ, że w troposferze cieplejsze powietrze znajduje się pod chłodniejszym powietrzem. Jak myślisz, jakie są tego konsekwencje? Ten stan jest niestabilny. Ciepłe powietrze w pobliżu powierzchni unosi się, a chłodne powietrze wyżej w troposferze tonie. Więc powietrze w troposferze robi dużo mieszania. To mieszanie powoduje, że gradient temperatury zmienia się w zależności od czasu i miejsca., Wzrost i opadanie powietrza w troposferze oznacza, że cała pogoda planety odbywa się w troposferze.

czasami dochodzi do inwersji temperatury, Temperatura powietrza w troposferze wzrasta wraz z wysokością, a ciepłe powietrze siedzi nad zimnym powietrzem. Inwersje są bardzo stabilne i mogą trwać kilka dni lub nawet tygodni. Formy inwersji:

• nad lądem w nocy lub w zimie, gdy ziemia jest zimna. Zimny Grunt chłodzi powietrze, które znajduje się nad nim, czyniąc tę niską warstwę powietrza gęstszym niż powietrze nad nim.
• w pobliżu wybrzeża, gdzie zimna woda morska chłodzi powietrze nad nim., Kiedy to gęstsze powietrze porusza się w głąb lądu, zsuwa się pod cieplejszym powietrzem nad lądem.

ponieważ inwersje temperatury są stabilne, często zatrzymują zanieczyszczenia i wytwarzają niezdrowe warunki powietrza w miastach(rysunek poniżej).

na szczycie troposfery znajduje się cienka warstwa, w której temperatura nie zmienia się wraz z wysokością., Oznacza to, że chłodniejsze, gęstsze powietrze troposfery jest uwięzione pod cieplejszym, mniej gęstym powietrzem stratosfery. Powietrze z troposfery i stratosfery rzadko miesza się.

Stratosfera

Popiół i gaz z dużej erupcji wulkanicznej mogą przedostać się do stratosfery, warstwy nad troposferą. Raz w stratosferze, pozostaje tam zawieszony przez wiele lat, ponieważ jest tak mało mieszania między dwiema warstwami. Piloci lubią latać w niższych partiach stratosfery, ponieważ jest mało turbulencji powietrza.,

w stratosferze temperatura wzrasta wraz z wysokością. Jakie jest źródło ciepła dla stratosfery? Bezpośrednim źródłem ciepła dla stratosfery jest Słońce. Powietrze w stratosferze jest stabilne, ponieważ cieplejsze, mniej gęste powietrze siedzi nad chłodniejszym, gęstszym powietrzem. W rezultacie w warstwie jest niewielkie mieszanie powietrza.

warstwa ozonowa znajduje się w stratosferze między 15 do 30 km (9 do 19 mil) wysokości. Grubość warstwy ozonowej zmienia się w zależności od pory roku, a także szerokości geograficznej.,

warstwa ozonowa jest niezwykle ważna, ponieważ gaz ozonowy w stratosferze pochłania większość szkodliwego promieniowania ultrafioletowego (UV) słońca. Z tego powodu warstwa ozonowa chroni życie na Ziemi. Wysokoenergetyczne światło UV przenika przez komórki i uszkadza DNA, prowadząc do śmierci komórek (którą znamy jako złe oparzenia słoneczne). Organizmy na ziemi nie są przystosowane do silnego promieniowania UV, które je zabija lub uszkadza. Bez warstwy ozonowej odbijającej promieniowanie UVC i UVB, najbardziej złożone życie na ziemi nie przetrwałoby długo(rysunek poniżej).,

Mezosfera

temperatury w mezosferze spadają wraz z wysokością. Ponieważ w mezosferze jest niewiele cząsteczek gazu, które absorbują promieniowanie słoneczne, źródłem ciepła jest stratosfera poniżej. Mezosfera jest bardzo zimna, zwłaszcza na jej szczycie, około -90°C (-130°F).

powietrze w mezosferze ma bardzo niską gęstość: 99,9% masy atmosfery znajduje się poniżej mezosfery., W rezultacie ciśnienie powietrza jest bardzo niskie(rysunek poniżej). Osoba podróżująca przez mezosferę doznałaby poważnych oparzeń od światła ultrafioletowego, ponieważ warstwa ozonowa, która zapewnia ochronę przed promieniowaniem UV, znajduje się w stratosferze poniżej. Nie byłoby prawie żadnego tlenu do oddychania. Krew niezabezpieczonego podróżnika zagotowałaby się w normalnej temperaturze ciała, ponieważ ciśnienie jest tak niskie.

Termosfera i poza nią

gęstość cząsteczek jest tak niska w termosferze, że jedna cząsteczka gazu może przejść około 1 km, zanim zderzy się z inną cząsteczką. Ponieważ tak mało energii jest przenoszona, powietrze jest bardzo zimne(rysunek powyżej).

w termosferze znajduje się jonosfera., Jonosfera bierze swoją nazwę od promieniowania słonecznego, które jonizuje cząsteczki gazu, tworząc dodatnio naładowany jon i jeden lub więcej ujemnie naładowanych elektronów. Uwolnione elektrony poruszają się w jonosferze jako prądy elektryczne. Ze względu na wolne jony jonosfera ma wiele interesujących cech.

w nocy fale radiowe odbijają się od jonosfery i wracają na Ziemię. Dlatego często można odebrać stację radiową AM daleko od źródła w nocy.,

pasy promieniowania Van Allena to dwie strefy silnie naładowanych cząstek, które znajdują się poza atmosferą w magnetosferze. Cząstki powstają w rozbłyskach słonecznych i latają na Ziemię na wietrze słonecznym. Po uwięzieniu przez pole magnetyczne Ziemi, podążają wzdłuż linii magnetycznych pola. Linie te rozciągają się od ponad równikiem do Bieguna Północnego, a także do Bieguna Południowego, a następnie wracają do równika.,

Kiedy potężne burze słoneczne powodują przeciążenie pasów Van Allena cząstkami, rezultatem jest najbardziej spektakularna cecha jonosfery — nocna zorza (rysunek poniżej). Cząstki spirali wzdłuż linii pola magnetycznego w kierunku biegunów. Naładowane cząstki pobudzają cząsteczki tlenu i azotu, powodując ich rozświetlenie. Każdy Gaz emituje określony kolor światła.

nie ma rzeczywistej zewnętrznej granicy egzosfery, zewnętrznej warstwy atmosfery; cząsteczki gazu stają się w końcu tak rzadkie, że w pewnym momencie ich nie ma. Poza atmosferą znajduje się wiatr słoneczny. Wiatr Słoneczny składa się z szybkich cząstek, głównie protonów i elektronów, poruszających się szybko Na Zewnątrz od Słońca.

Ten film jest bardzo dokładny w omówieniu warstw atmosfery., Pamiętaj, że skład chemiczny każdej warstwy jest prawie taki sam, z wyjątkiem warstwy ozonowej, która znajduje się w stratosferze (8a): http://www.youtube.com/watch?v=S-YAKZoy1A0 (6:44).

KQED: Illuminating the Northern Lights

jak wyglądałoby pole magnetyczne ziemi, gdyby było pomalowane na Kolory? Wygląda jak aurora! Ten film przedstawia zorzę polarną, która dostarcza wskazówek na temat wiatru słonecznego, pola magnetycznego Ziemi i ziemskiej atmosfery. Dowiedz się więcej na: http://science.kqed.org/quest/video/illuminating-the-northern-lights/.,

podsumowanie lekcji

• cechy atmosfery zmieniają się wraz z wysokością: zmniejsza się gęstość, zmniejsza się ciśnienie powietrza, zmienia się Temperatura.
• różne gradienty temperatury tworzą różne warstwy w atmosferze.
• najniższą warstwą jest troposfera, w której znajduje się większość gazów atmosferycznych i cała pogoda planety. Troposfera jest ogrzewana z ziemi, więc temperatura spada wraz z wysokością. Ponieważ ciepłe powietrze unosi się, a chłodne tonie, troposfera jest niestabilna.,
• w stratosferze temperatura wzrasta wraz z wysokością. Stratosfera zawiera warstwę ozonową, która chroni planetę przed szkodliwym promieniowaniem UV słońca.

pytania przeglądowe

1. podaj szczegółowe wyjaśnienie, dlaczego podnosi się ciepłe powietrze.
2. dlaczego Temperatura powietrza nie zmienia się równomiernie z wysokością? Podaj przykłady.
3. opisz, jak Ziemia działa jako źródło ciepła dla troposfery. Co jest źródłem energii i co się z nią dzieje?
4. jak stabilna jest inwersja i dlaczego? Jak powstaje inwersja?,
5. Phoenix, Arizona, to miasto na południowo-zachodniej pustyni. Lato jest bardzo gorące. Zimowe dni są często dość ciepłe, ale zimowe noce mogą być dość chłodne. W grudniu inwersje są dość powszechne. Jak powstaje inwersja w tych warunkach i jakie są konsekwencje inwersji do tego rozległego, zależnego od samochodu miasta?
6. dlaczego powietrze z troposfery i stratosfery nie może się swobodnie mieszać?
7. jakie jest źródło ciepła dla stratosfery? Jak to ciepło jest absorbowane?
8. opisują powstawanie i straty ozonu w warstwie ozonowej. Czy jedno występuje częściej niż drugie?,
9. jak i gdzie powstają „spadające gwiazdy”?
10. dlaczego krew niezabezpieczonego podróżnika gotuje się w mezosferze?

Czytaj dalej/linki uzupełniające

• NASA, Tajemnica Aurory:http://www.youtube.com/watch?v=PaSFAbATPvk.

punkty do rozważenia

• w jaki sposób energia słoneczna tworzy warstwy atmosfery?
• jak energia słoneczna tworzy pogodę?
• co by się stało z życiem na ziemi, gdyby w warstwie ozonowej było mniej ozonu?