§43 Почему существует воздушная оболочка Земли

Определения и обозначения

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, состоящая из молекул различных газов. Эти частицы постоянно движутся, а не образуют неподвижную плёнку вокруг планеты. Понятие атмосферы помогает говорить обо всём воздухе, окружающем Землю.

Атмосферное давление — давление воздуха на тела и поверхность Земли. Оно возникает потому, что воздух имеет массу, а его молекулы движутся и воздействуют на окружающие тела. Это понятие объясняет, почему воздух может давить, хотя мы обычно не замечаем его веса.

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает тела. Она действует и на молекулы воздуха, удерживая их рядом с планетой. Без этого притяжения воздушная оболочка не сохранялась бы около Земли.

Тепловое движение молекул — их непрерывное беспорядочное движение. Поэтому молекулы воздуха не лежат спокойно у поверхности, даже если Земля их притягивает. Это понятие помогает понять, почему атмосфера не превращается в тонкий неподвижный слой.

Как это устроено

Воздух состоит из молекул, и каждая из них находится в непрерывном беспорядочном движении. Направления движения постоянно меняются, поэтому нельзя представить атмосферу как неподвижный слой, который просто лежит вокруг Земли. Движение частиц объясняет, почему воздух распространяется и заполняет пространство вокруг планеты.

Одного движения молекул недостаточно, чтобы атмосфера оставалась возле Земли. Земля притягивает каждую молекулу силой тяжести, и это притяжение препятствует её удалению в космос. Поэтому газовая оболочка сохраняется около планеты, хотя частицы продолжают двигаться.

Тепловое движение и притяжение Земли действуют одновременно, но выполняют разные роли. Движущиеся молекулы не дают воздуху собраться в неподвижный тонкий слой у поверхности, а сила тяжести не позволяет им бесконечно удаляться от планеты. Именно сочетание этих воздействий помогает объяснить существование атмосферы.

Воздух имеет массу, а значит, под действием силы тяжести обладает весом. Молекулы также движутся и воздействуют на тела, с которыми сталкиваются; действие воздуха на поверхность и предметы называют атмосферным давлением. Поэтому давление связано не с тем, что воздух неподвижен, а с наличием воздуха и его движением.

У поверхности Земли над каждым участком атмосферы расположено много воздуха. Выше находится меньше вышележащего воздуха, поэтому верхние слои обычно меньше сжаты нижними слоями. По этой причине плотность — количество вещества в определённом объёме — с высотой уменьшается.

Почему воздух образует оболочку Земли

В таблице удобно проследить, какое явление происходит и какую роль оно выполняет. Сопоставляйте притяжение и тепловое движение: одно удерживает молекулы, другое не позволяет им покоиться у поверхности. Последняя строка показывает, как свойства атмосферы меняются с высотой.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему воздух не разлетается от Земли в космическое пространство. Нужно определить, какое воздействие удерживает молекулы около планеты. В ответе важно не путать притяжение с движением частиц.

1. Воздух состоит из молекул, на которые действует Земля.
2. Земля притягивает эти молекулы силой тяжести.
3. Это притяжение удерживает их около планеты, хотя они продолжают двигаться.

Ответ: воздух не разлетается в космос, потому что Земля удерживает его молекулы силой тяжести.

Задача 2. Почему молекулы воздуха не собираются все у поверхности Земли, несмотря на притяжение? Сначала учитываем действие силы тяжести, затем ищем, что не даёт частицам покоиться. Здесь нужно вспомнить свойство газовых молекул, а не отрицать земное притяжение.

1. Сила тяжести действительно притягивает молекулы к Земле.
2. Но молекулы непрерывно и беспорядочно движутся из-за теплового движения.
3. Поэтому воздух не превращается в неподвижный слой у поверхности.

Ответ: молекулы не собираются все у поверхности, потому что продолжают беспорядочно двигаться.

Задача 3. Сравните воздух у поверхности Земли и на большой высоте: где он менее плотный и почему? Для ответа сравним, сколько воздуха находится над нижними и верхними слоями. При этом не следует считать, что на высоте воздуха совсем нет.

1. Над верхним слоем находится меньше воздуха, чем над нижним.
2. Верхний слой поэтому обычно меньше сжат вышележащим воздухом.
3. Меньшая плотность означает, что в одинаковом объёме содержится меньше воздуха.

Ответ: на большой высоте воздух обычно менее плотный, потому что над верхними слоями находится меньше воздуха.

Типичные ошибки

Ошибка: думать, что атмосферу удерживает только тепловое движение. Так рассуждают, потому что движение молекул заметно в объяснении поведения газа, но без притяжения Земли частицы могли бы улететь в космос. Проверьте себя: назовите фактор, который притягивает молекулы к планете.

Ошибка: считать, что сила тяжести полностью прекращает движение молекул. Притяжение удерживает воздух, но не превращает его частицы в неподвижные; они продолжают беспорядочно двигаться. Чтобы проверить рассуждение, спросите себя, какое явление называют тепловым движением.

Ошибка: представлять атмосферу как неподвижную оболочку. Такое представление появляется, если вообразить воздух сплошным слоем и забыть, что он состоит из частиц. Проверьте себя: атмосфера состоит из движущихся молекул, поэтому неподвижным телом её считать нельзя.

Ошибка: считать плотность воздуха одинаковой на любой высоте. Это неверно, потому что нижние слои обычно испытывают действие большего количества воздуха сверху. Проверка проста: сравните, сколько воздуха находится над нижним и верхним слоями; у поверхности воздух обычно плотнее.

Связь с другими темами

Для понимания этой темы нужно знать, что Земля притягивает тела силой тяжести. Также следует помнить, что газ состоит из молекул, которые движутся. Эти знания помогают одновременно объяснить удержание атмосферы и подвижность воздуха.

Понятия атмосферного давления и плотности понадобятся при дальнейшем изучении свойств воздуха. Они помогают разбираться, почему давление и плотность атмосферы меняются с высотой. Так объяснение существования воздушной оболочки связывается с изучением её отдельных слоёв.

Что запомнить

• Атмосфера — воздушная оболочка Земли.
• Молекулы воздуха непрерывно и беспорядочно движутся.
• Сила тяжести удерживает воздух около Земли.
• Тепловое движение не позволяет молекулам воздуха покоиться.
• Воздух оказывает давление на тела.
• С высотой плотность воздуха уменьшается.