Номер 3, страница 164 - гдз по физике 7 класс учебник Громов, Родина

Глава 5. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Параграф 45. Атмосфера и атмосферное давление. Темы докладов - номер 3, страница 164.

Условие.

Решение.

Атмосфера Земли — это газовая оболочка, окружающая нашу планету. Она защищает нас от космического излучения, регулирует температуру и содержит кислород, необходимый для дыхания. Атмосфера полна удивительных и порой загадочных явлений, объяснение которых лежит в законах физики и химии. Рассмотрим некоторые из этих "загадок".

Почему небо голубое, а закаты красные?

Этот на первый взгляд простой вопрос связан со сложным явлением, которое называется рэлеевским рассеянием света. Солнечный свет, который мы воспринимаем как белый, на самом деле является спектром всех цветов радуги. Каждый цвет имеет свою длину волны ($ \lambda $): у синего и фиолетового цветов она короткая, а у красного и оранжевого — длинная.

Когда солнечный свет проходит через атмосферу, он сталкивается с молекулами газов (в основном азота и кислорода), размер которых значительно меньше длины волны видимого света. В этих условиях происходит рэлеевское рассеяние. Его интенсивность ($\text{I}$) обратно пропорциональна четвертой степени длины волны:

$ I \sim \frac{1}{\lambda^4} $

Это означает, что коротковолновый свет (синий и фиолетовый) рассеивается гораздо эффективнее, чем длинноволновый (красный).

Днем, когда Солнце находится высоко над головой, его лучи проходят относительно короткий путь в атмосфере. Синий свет рассеивается молекулами воздуха во всех направлениях и "заливает" все небо. Поэтому мы видим небо голубым. Фиолетовый свет рассеивается еще сильнее, но человеческий глаз менее чувствителен к нему, к тому же часть его поглощается в верхних слоях атмосферы.

Во время заката или восхода солнечным лучам приходится преодолевать гораздо большую толщу атмосферы. За время этого длинного пути почти весь синий и фиолетовый свет рассеивается в стороны и не доходит до наших глаз. До наблюдателя доходит в основном свет с длинными волнами — красный, оранжевый и желтый, который рассеивается слабо. Именно поэтому небо на горизонте и диск Солнца окрашиваются в багряные тона.

Ответ: Небо голубое из-за рэлеевского рассеяния солнечного света молекулами воздуха, которое значительно сильнее для коротковолнового синего света. Закаты красные, потому что при прохождении длинного пути сквозь атмосферу синяя часть спектра рассеивается, а до наблюдателя доходит преимущественно длинноволновый красный и оранжевый свет.

Почему в горах холодно, ведь они ближе к Солнцу?

Хотя вершины гор и находятся на несколько километров ближе к Солнцу, это расстояние ничтожно по сравнению с расстоянием от Земли до Солнца (около 150 миллионов км). Настоящая причина понижения температуры с высотой кроется в особенностях нагрева атмосферы и изменении давления.

1. Источник тепла. Воздух в тропосфере (нижнем слое атмосферы) очень слабо поглощает видимый солнечный свет. Солнечные лучи проходят сквозь него, нагревая в первую очередь поверхность Земли. А уже от нагретой суши и океанов тепло передается прилегающим слоям воздуха. Таким образом, атмосфера греется в основном "снизу". Чем выше мы поднимаемся, тем дальше находимся от этого основного источника тепла.

2. Адиабатическое охлаждение. С высотой атмосферное давление падает, так как столб воздуха над головой становится меньше. Когда воздушные массы поднимаются вверх (например, вдоль склонов гор), они попадают в область с более низким давлением и расширяются. На это расширение газ тратит свою внутреннюю энергию, что приводит к его охлаждению. Этот процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатическим. В среднем в тропосфере температура падает на 6,5°C на каждый километр подъема.

Примечательно, что выше, в стратосфере (на высоте примерно от 11 до 50 км), температура снова начинает расти. Это связано с наличием озонового слоя, который поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца и при этом нагревается.

Ответ: В горах холодно не из-за расстояния до Солнца, а потому что атмосфера греется от поверхности Земли. Кроме того, при подъеме воздух расширяется из-за падения давления и охлаждается (адиабатическое охлаждение).

Что такое полярное сияние?

Полярное (северное или южное) сияние — это одно из самых красивых оптических явлений в атмосфере. Это свечение верхних разреженных слоев атмосферы, вызванное взаимодействием с заряженными частицами, прилетающими от Солнца.

1. Солнечный ветер. Наше Солнце постоянно испускает в космос поток заряженных частиц (протонов и электронов), который называется солнечным ветром.

2. Магнитное поле Земли. Наша планета, как гигантский магнит, создает вокруг себя магнитное поле — магнитосферу. Она защищает нас, отклоняя большую часть солнечного ветра.

3. Проникновение частиц. Часть частиц солнечного ветра все же захватывается магнитосферой и по силовым линиям магнитного поля устремляется к магнитным полюсам Земли, которые расположены вблизи географических полюсов.

4. Свечение атмосферы. Влетая на огромной скорости в верхние слои атмосферы (на высотах от 80 до 600 км), эти частицы сталкиваются с атомами и молекулами атмосферных газов (в основном кислорода и азота). От удара атомы и молекулы переходят в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в стабильное, испускают избыток энергии в виде света (фотонов). Это свечение мы и наблюдаем как полярное сияние.

Цвет сияния зависит от того, с каким газом взаимодействуют частицы и на какой высоте. Зеленый и красный цвета дает возбужденный кислород, а синий и фиолетовый — азот.

Ответ: Полярное сияние — это свечение газов в верхней атмосфере, вызванное бомбардировкой их заряженными частицами солнечного ветра, которые направляются к полюсам магнитным полем Земли.