1

Atmosfera ziemska i zjawiska fizyczne

KLIMAT-FIZYCZNA ZAGADKA !

Uczniowie Gimnazjum nr 3 w Czeladzi:

Izabella BartczakPaulina GłowackaAngelika PrzeździękPiotr MichalskiPiotr Suliga

z 20z 20

2

Atmosfera to powłoka gazowa Ziemi. Jest mieszaniną gazów , ciał stałych i cieczy

otulających naszą planetę i jest utrzymywana przy powierzchni Ziemi przez siłę grawitacji .

z 20

3

Definicja ciężaru (siły ciężkości działającej na ciało)

Wszystkie ciała obdarzone masą, a zatem i cząsteczki powietrza są na Ziemi przyciągane siłą ciężkości (ciężarem) daną wzorem:

F = m · gm - masa ciałag - przyspieszenie ziemskieśrednio wartość przyspieszenie ziemskiego wynosi ok. g = 9,81 m/s2, w przybliżeniu 10 m/s2 .

 

Im dalej od powierzchni Ziemi tym przyspieszenie ziemskie mniejsze , a zatem ciężar danego ciała mniejszy. 

z 20

4

Ciśnienie atmosferyczne to stosunek wartości siły, z jaką słup powietrza naciska na powierzchnię ziemi do powierzchni na jaką dany słup naciska.

p – ciśnienie (Pa), Fn - siła prostopadła do powierzchni (N), S - powierzchnia (m²).

Na podstawie średniej wielkości ciśnienia atmosferycznego na Ziemi na poziomie morza wprowadzono jednostkę ciśnienia – atmosferę – równą 1013,25 hPa. Ciśnienie atmosferyczne może się jednak zmieniać pod wpływem zjawisk pogodowych.

Ciśnienie powietrza zmienia się wraz z wysokością n.p.m. Powietrze staje się coraz rzadsze i chłodniejsze, słup jego jest niższy oraz maleje przyspieszenie ziemskie.

Wykres zależności ciśnienia powietrza od wysokości n.p.m

Co za tym idzie, w górach ciśnienie jest niższe, a na nizinach ciśnienie jest wyższe.

z 20

5

SKŁAD ATMOSFERY ZIEMSKIEJ

Tlen

21%Inne*1%

Azot78%

ATMOSFERA

Składniki stałe:(skład niezmienny do wysokości 80 km, w stanie suchym czyli 0% pary wodnej)

Składniki zmienne:(różne, w zależności od położenia

geograficznego lub też sytuacji, np. erupcji wulkanu)

•para wodna (ok. 0-4%) •dwutlenek węgla (ok. 0,02-0,20%) •dwutlenek siarki •dwutlenek azotu •ozon (ok. 0,000001 części atmosfery) •składniki mineralne: pył, sadza •składniki organiczne: drobnoustroje,

zarodniki roślin

Powietrze mieszanina jednorodna gazów stanowiąca atmosferę ziemską

z 20

6

Właściwości fizyczne powietrza

Powietrze jest bezbarwne, nietoksyczne, bezwonne, bez smaku, słabo rozpuszczalne w wodzie.

Skroplone powietrze jest bladoniebieskie. Gęstość powietrza zależy od ciśnienia,

temperatury oraz składu, dla suchego powietrza, przy ciśnieniu atmosferycznym, na poziomie morza, w temperaturze 20°C wynosi 1,2 kg/m3.

Temperatura topnienia zestalonego powietrza wynosi około -213°C.

Temperatura wrzenia około -191°C.

z 20

7

Gęstość powietrza jest masą powietrza na jednostkę objętości. W układzie SI jest mierzona w jednostkach kg/m3. Na poziomie morza w temperaturze 20 °C powietrze suche ma gęstość około 1,2 kg/m3. Gęstość powietrza maleje wraz ze spadkiem ciśnienia.

Rozszerzalność temperaturowa ciał, to zjawisko polegające na zwiększaniu się objętości ciał pod wpływem ich ogrzania oraz kurczenia się w wyniku schładzania. Zdecydowanie najłatwiej i najmocniej rozszerzają się gazy. W czasie ogrzewania cząsteczki gazu dostają porcje energii, które pobudzają je do większej ruchliwości i oddalania się od siebie. Dzięki temu powiększa się ogólna objętość gazu.

W wyniku tego zjawiska gęstość gazów maleje wraz ze wzrostem temperatury i ciepłe powietrze wznosi się do góry . Jest to zgodne z prawem Archimedesa dla gazów. Proces ten nazywa się konwekcją.

Zjawisko to wykorzystane zostało przy konstruowaniu balonu na ogrzane powietrze. Pierwszy balon na ogrzane powietrze został zbudowany przez braci Montgolfier w 1783 r. z 20

8

Gazy – nie mają określonego kształtu (przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują ) ani określonej objętości; odległości międzycząsteczkowe są bardzo duże – są ściśliwe i rozprężliwe (łatwo zmienić ich objętość); siły międzycząsteczkowe są bardzo małe – dlatego łatwo zmienić ich kształt; cząsteczki poruszają się chaotycznie;

Powietrze to przede wszystkim :

Ale nie tylko, występują tu też :

Ciała stałe – mają określony kształt i objętość; odległości międzycząsteczkowe są bardzo małe – dlatego są nieściśliwe; siły międzycząsteczkowe są bardzo duże – dlatego trudno zmienić ich kształt; wykonują jedynie drgania.

Ciecze – nie mają określonego kształtu (przyjmują kształt naczynia), ale mają określoną objętość; odległości międzycząsteczkowe są małe – dlatego są nieściśliwe; siły międzycząsteczkowe są duże – dlatego w powietrzu ciecze mają kształt kulisty, ale jednocześnie łatwo zmienić ich kształt; cząsteczki „przepychają się”. z 20

9

Jedna z podstawowych w wielkości fizycznych będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Pod względem mikroskopowym, temperatura jest wynikiem ruchu cząsteczek, z których złożone jest ciało. Temperatura rośnie, kiedy wzrasta energia tych ruchów. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii. Temperatura powietrza

Podstawowy element meteorologiczny, określający stan cieplny atmosfery . Czynniki różnicujące temperaturę powietrza:

szerokość geograficzna – ze wzrostem o 1 temperatura obniża się o 0.6 stopnirozkład lądów i mórz – ląd ogrzewa się bardzo szybko w dzień, ale nocą też bardzo szybko traci to ciepło , zbiorniki wodne nagrzewają się natomiast wolno, ale tez wolno trąca ciepłowpływ kompleksów leśnych i zbiorników wodnychprądy morskie – ciepłe, przenoszą ciepłe wody w wyższe szerokości geograficzne ogrzewają powietrze, a zimne obniżają temperaturę w niższych szerokościach geograficznych.podłoże – jego barwa – podłoże jasne odbija nawet 90% promieniowania słonecznego, przez co nagrzewa się dużo mniej niż ciemne. wysokość nad poziom morza – 0.6 stopnia na 100 mekspozycja terenu –pory dnia i roku – zmiana kata padania promieni słonecznych.zapylenie atmosfery sztuczne (przemysł) i naturalne (pyły wulkaniczne i pustynne)zachmurzenie – chmury blokują promienie słoneczne co wpływa na zmniejszenie się temperatury

z 20

10

BUDOWA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ

Budowa atmosfery jest warstwowa. Kryterium podziału to:ciśnienie gazów gęstość gazówtemperatura gazów

Biorąc za podstawę zmianytemperatury, wyróżnia siępięć warstw przedzielonych warstwami przejściowymi, zwanymi pauzami.

EGZOSFERA

TERMOSFERA

MEZOSFERA

STRATOSFERA

TROPOSFERA

ZIEMIA

z 20

11

Troposfera warstwa sięgająca do wysokości 18 km . Ma ona

największą gęstość i stanowi 80% masy powietrza we wszystkich warstwach. W troposferze zachodzą wszystkie

zjawiska pogodowe. Temperatura tutaj maleje wraz ze wzrostem wysokości o około 6,5 °C na jeden kilometr, aż

do około -60 °C

Stratosfera rozciągająca się od 18 - 50 kilometra nad powierzchnią planety. W stratosferze temperatura wzrasta powoli wraz ze wzrostem wysokości aż do około 0 stopni. Powietrze jest tu

bardzo rzadkie, a na wysokości 25 kilometrów skoncentrowana jest duża ilość ozonu chroniącego Ziemię

przed skutkami promieniowania słonecznego. Częścią stratosfery jest ozonosfera, w której znajduje się większa

część ziemskich zasobów ozonu.

Mezosfera leżąca pomiędzy 50 a 84 kilometrem nad powierzchnią Ziemi. Charakteryzuje się ona gwałtownym spadkiem

temperatury aż do -90 °C. Powietrze jest tu bardzo rzadkie.

Egzosferaprzybliżona jej granica znajduje się na wysokości

2000 km, dalej przechodzi niepostrzeżenie w przestrzeń kosmiczną. Temperatura spada ponownie

do około- 270 °C

Termosfera czwarta, najwyżej położona warstwa atmosfery. Jej dolną

granicą jest wysokość 84 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Górna granica waha się między 300 a 800 km nad

powierzchnią Ziemi. Temperatura w niej wzrasta i może osiągnąć 1500 °C. Związane to jest z pochłanianiem

promieniowania słonecznego przez cząsteczkowy tlen i azot. Powietrze jest silnie zjonizowane - nazywamy ją też jonosferą. Występują tu zjawiska zorzy polarnej, czyli

świecenia zjonizowanych atomów tlenu i azotu.

z 20

12

Proces rozprzestrzeniania się cząsteczek w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobąz cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Siłą napędową dyfuzji przy mieszaniu jest dążenie układu do równowagi termodynamicznej . Efektem wolnej, nieskrępowanej dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównywanie się stężeń wszystkich składników w całej objętości fazy. Osiągnięcie stanu równowagi nie oznacza jednak zatrzymania dyfuzji. Trwa ona nadal, tyle że dzięki dokładnemu wymieszaniu się wszystkich składników nie prowadzi już do zmian stężenia. Przykładem tego rodzaju dyfuzji jest rozchodzenie się zapachów w powietrzu.

z 20

13

Światło (promieniowanie widzialne) jest to ta część widma elektromagnetycznego, która powoduje bezpośrednio wrażenia wzrokowe. Źródłem światła, docierającego na Ziemię, jest przede wszystkim Słońce. Światło to jest białe, co znaczy, że jest mieszanką fotonów różnych barw: fioletowych, niebieskich, zielonych, żółtych i czerwonych. Fotony barwy fioletowej i niebieskiej cechuje wysoka energia i wysoka częstotliwość drgań; fotony żółte i czerwone mają najniższe energię i częstotliwość.

Światło ma podwójną naturę : cząsteczkowo-falową, czyli może być traktowane jednocześnie jako zbiór cząsteczek i fala. W jednych zjawiskach uwidacznia się falowa natura światła, a w

innych cząsteczkowa. z 20

ODBICIE ŚWIATŁA Przedmioty w naszym świecie widzimy dzięki temu, że odbijają światło na nie padające. Wypolerowane metale, powierzchnie cieczy są zwierciadłami, bo odbijają większość światła. Zwierciadło o gładkiej, płaskiej powierzchni zwane jest zwierciadłem płaskim.

Kąt padania jest równy kątowi odbicia, promień padający, normalna (prostopadła do powierzchni zwierciadła wystawiona w punkcie padania) i promień odbity leżą w tej samej płaszczyźnie.

Wszystkie ciała odbijają światło. Te, których powierzchnia nie jest płaska rozpraszają światło i stają się pośrednimi źródłami światła. Nawet twoja ręka rozprasza dużą część światła, dzięki temu ją widzisz. Jej powierzchnia jest szorstka, więc każdy promień światła ma inny kąt padania, a co za tym idzie, także inny kąt załamania. To zjawisko daje nam możliwość oglądania przedmiotów.

Prawo odbicia

z 20 14

15

Dlaczego niebo jest niebieskie?

Atmosfera ziemska składa się z atomów, które mają zdolność pochłaniania i ponownej emisji fotonów Jest to tzw. rozpraszanie światła.Intensywniej rozpraszane są fotony o wyższej częstotliwości (fiolet, niebieski).Światło, które dobiega do naszych oczu prosto ze Słońca, możemy uważać za nie rozproszone. Te fotony, które na drodze Słońce-oko napotykają atomy powietrza i rozpraszają się „na boki”, po prostu nie mają szans do oka dotrzeć.

Światło, które widzimy, patrząc na Słońce, będzie zatem ubogie w składowe o wysokiej częstotliwości, bo te zostaną rozproszone „na boki”. To, co zostanie, to głównie mieszanka fotonów niskich częstotliwości o barwie żółtej. To dlatego Słońce ma dla nas kolor żółty.

z 20

16

Słońce zachodzące jest położone nisko nad horyzontem i jego światło przechodzi przez grubą warstwę atmosfery (czyli ma wiele szans na rozproszenie). To dlatego zachodzące (także wschodzące) Słońce jest czerwone.

Niebo nie jest źródłem światła, lecz świeci tym światłem słonecznym, które pochłonie i ponownie wyemituje (zwykle w innym kierunku). Innymi słowy, światło, które dobiega z nieba, dociera ze Słońca do oka po łamanej. A jako, że łamana oznacza zmianę kierunku, to patrząc na niebo widzimy światło rozproszone. Najintensywniej rozpraszane się fotony o wysokich częstotliwościach (fiolet, niebieski ).To dlatego niebo jest niebieskie!

z 20

17

Ze względu na różną prędkość światła w ośrodkach o różnych gęstościach, na granicy ośrodków następuje załamanie światła. Jego zasadę ilustruje poniższy rysunek.

ZAŁAMANIE ŚWIATŁA

Prawo załamania światła łączy ze sobą dwa kąty - kąt padania A na powierzchnię rozgraniczającą dwa ośrodki i kąt załamania B powstający gdy promień przejdzie granicę i zacznie się rozchodzić w drugim ośrodku. Gdy światło przechodzi z ośrodka o mniejszej gęstości (większej szybkości) do ośrodka o większej gęstości ( mniejszej szybkości) to kąt załamania jest mniejszy od kąta padania i na odwrót…

Obserwator widzi obraz ryby na przedłużeniu promieni załamanych na granicy woda -powietrze co nie odpowiada właściwej pozycji ryby. Nasz mózg zakłada, że światło rozchodzi się po linii prostej, czyli widzimy rybę nie tam, gdzie znajduje się naprawdę.

z 20

18

Refrakcja atmosferyczna światłazjawisko pozornego przesunięcia obiektów obserwowanych poprzez znaczne masy

powietrza

Atmosfera ziemska składa się z wielu warstw powietrza o różnej gęstości. Gęstość atmosfery

ziemskiej zależy, bowiem od wysokości nad poziomem morza. Światło dochodzące do nas od gwiazd, Słońca, Księżyca czy planet załamuje się

w niej w szczególny sposób, ulegając zakrzywieniu. W dalekich od Ziemi warstwach

atmosfery promień świetlny załamuje się słabiej niż przy przechodzeniu przez gęstsze warstwy

znajdujące się w pobliżu Ziemi.

Zakrzywienie jest tym większe, im bliżej horyzontu znajduje się świecące ciało niebieskie. Nie występuje ono dla ciał znajdujących się w zenicie (pionowo w górze nad obserwatorem).

Promień świetlny zakrzywia się i gwiazdę widzimy wyżej nad horyzontem, niż jest położona w rzeczywistości.

z 20

19

Gdy światło przechodzi przez granicę ośrodków zachodzi zjawisko załamania. Jeżeli w jednym z ośrodków prędkość rozchodzenia się fali zależy od częstotliwości, to fale o różnej częstotliwości załamują się pod różnymi kątami. W efekcie droga, po której porusza się fala, zależy od jej częstotliwości, czyli zachodzi rozszczepienia.

ROZSZCZEPIENIE ŚWIATŁA

Rozszczepienie światła w pryzmacie

Tęcza jest jednym z widocznych skutków. W tym wypadku rozszczepienie zachodzi na kropelkach wody unoszących się w powietrzu. Jest to układ łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, wywołanych przez światło Słońca lub Księżyca, padające na zespół kropel wody w atmosferze (deszcz, mgła, mżawka).

Halo powstaje na skutek załamania światła w chmurze zawierającej kryształki lodu. Występuje jako barwny biały świetlisty pierścień w którego środku znajduje się tarcza Słońca lub Księżyca. z 20

20

www.optyczne.pl/lfiznet.terramail.pl/odbicie.htmwww.miasik.net/archive/2005/05/meteoman.w.interia.pl/zywioly/powietrze.html dzejdzi.webpark.pl/geog001.htmlpl.wikipedia.org/wiki/Powietrzepl.wikipedia.org/wiki/Dyfuzja images.google.pl/imgres?imgurl=maria-osuch.webpark.pl/zdjeciadorefr/obserwatorwww.wikipedia.plwww.sciaga.plwww.bryk.pl/teksty/liceum/fizykawww.sciagawa.pl/Słownik encyklopedyczny „ Fizyka” pod redakcją R. Cacha

Bibliografia

Dziękujemy za uwagę

z 20