Значение атмосферы на примере модельного опыта

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Значение атмосферы на примере модельного опыта

Козырева А.А. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Гимназия № 25» (МАОУ «Гимназия № 25»)
Козырева Ю.Н. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Гимназия № 25» (МАОУ «Гимназия № 25»)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Атмосфера Земли - это газовая оболочка нашей голубой планеты. Такое название всем известно. А почему голубая? Просто потому, что «голубая» (а также синяя и фиолетовая) составляющая солнечного света (спектра) наиболее хорошо рассеивается в атмосфере, окрашивая ее тем самым в голубовато-синеватые, иногда с оттенком фиолетового тона (в солнечный день).

Для комфортной жизни человека нужен чистый воздух. Без еды человек может обходиться до 5 дней, без воды - 2 дня, без воздуха - менее 5 минут. За сутки человек в среднем потребляет около 1 кг пищи, до 2,5 л воды и пропускает через лёгкие 15-20 кг воздуха. Всё живое на Земле, развиваясь в течение миллионов лет, приспособилось к жизни в условиях атмосферы определённого природного состояния и послужило появлению человека. Каждый из нас понимает, насколько воздух необходим для жизни. Выражение «Это необходимо как воздух» можно услышать, когда говорят о чём-то очень важном для жизни человека. Мы с детства знаем, что жить и дышать – это практически одно и тоже. Пониманию важности атмосферы, а также бережного отношения к ней мне захотелось посвятить своё исследование. А метод моделирования позволяет наглядно представить важные физические свойства атмосферы для планеты и человека.

Цель: доказать важность атмосферы для планеты Земля.

Задачи:

  1. Рассмотреть значение атмосферы для планеты и человека.

  2. Построить модель для демонстрации физических свойств атмосферы.

  3. Проверить экспериментальным путём каждое значение (свойства, функции) атмосферы.

Методы исследования: анализ и синтез информации из различных источников, моделирование, эксперимент, сравнение, обобщение.

Объект исследования: атмосфера Земли.

Предмет исследования: свойства атмосферы Земли.

  1. Атмосфера – воздушная оболочка Земли

    1. Общие сведения об атмосфере

Атмосфера Земли - это верхняя часть и наименее плотная оболочка нашей планеты. Атмосфера вращается вместе с планетой, а сила притяжения удерживает её не позволяя рассеиваться. Нижней границей атмосферы является земная поверхность, верхней условно считают высоту 1000-1200 км. С высотой оболочка становится разряжённой и постепенно переходит в межпланетное пространство.

Состав воздуха - это смесь газов. Главные компоненты воздуха - азот (78%), кислород (21%) и углекислый газ (0,03%). Доля других газов не превышает 1% (аргон (0,9%), криптон, ксенон, неон, гелий). Кроме газов в нижних слоях атмосферы имеются различные примеси: водяной пар, кристаллы льда и морской соли, пыль, сажа, вулканический пепел, микроорганизмы и пыльца растений. Это связано с взаимодействием тропосферы с гидросферой, литосферой и биосферой. Сильное перемешивание воздуха в тропосфере привело к примерно одинаковому его составу до высоты 12 км от земной поверхности. В высоких слоях атмосферы возрастает доля лёгких газов (водорода и гелия). (1)

Строение атмосферы представляет собой слоистый пирог. Атмосфера состоит из 5 слоёв, которые различаются по составу, плотности и температуре.

Тропосфера - самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы. Тропосфера более всего пригодна для жизни. Здесь обитает большинство живых организмов Земли, включая людей. Атмосфера вращается вместе с планетой, поэтому она также сплюснута у полюсов. Верхняя граница тропосферы проходит на высоте 16-18 км над экватором, 10-12 км. в умеренных широтах и 8-9 км над полюсами. В тропосфере находится 80% массы воздуха, почти весь водяной пар и примеси. Здесь происходят горизонтальные и вертикальные движения воздуха, формируются облака, выпадают атмосферные осадки (дождь, снег и др.). Воздух нижнего слоя атмосферы нагревается от поверхности Земли, но при подъёме вверх температура воздуха понижается и достигает у верхней границы тропосферы -50° C.

Стратосфера - второй слой от поверхности Земли. Он простирается до высоты 50-55 км. Воздух здесь разрежён (20% массы атмосферы), им невозможно дышать. В стратосфере температура воздуха с подъёмом повышается и на верхней границе почти достигает 0°С. На высоте 20-25 км. Располагается озоновый слой. Этот слой служит своеобразным экраном, который защищает всё живое на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей. Но под действием продуктов сгорания топлива и фреонов озон разрушается, появляются озоновые дыры. В этом слое, как и в других, существуют некоторые особенности: рост температуры воздуха, уменьшение содержания водяного пара, повышенное содержание озона. (2) (Озоновый слой — часть стратосферы на высоте от 20 до 40 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), с наибольшим содержанием озона (вещества, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода, O3), образующегося в результате воздействия УФ излучения Солнца на молекулярный кислород (O2). При этом с наибольшей интенсивностью, именно благодаря процессам распада кислорода, атомы которого затем образуют озон, происходит поглощение ближней (к видимому свету) части ультрафиолета солнечного спектра. Кроме того, диссоциация озона под воздействием ультрафиолетового излучения приводит к поглощению наиболее жёсткой его части. (3)

Мезосфера - третий слой от поверхности земли. Слой атмосферы, расположенный на высоте от 50 до 90 км. Эти границы изменяются, поэтому высота в мезосфере, как в тропосфере и стратосфере, непостоянная. В этом слое, как и в других, существуют некоторые особенности:

  • температура воздуха в мезосфере уменьшается с высотой: от 0°С на нижней границе до -80°-90°С на верхней;

  • годовое изменение температуры обратное: летом наблюдаются минимальные значения, а зимой – максимальное;

  • присутствует водяной пар, но в очень малом количестве. Однако это не мешает образованию серебристых облаков. Очень низкая температура воздуха способствует их возникновению;

  • существует редкий вид грозовых разрядов;

  • мезосфера не пригодна для полётов, потому что воздух разряжённый. (4)

Термосфера - это четвёртый слой от поверхности Земли. Нижняя граница 80-90 км, а верхняя 800 км. Этот слой характеризуется резким повышением температуры воздуха до 1500°С в слое 90-200 км, низкой плотностью воздуха (в среднем 1,8×10-12 г/см3), сильной ионизацией и появлением атомарного кислорода. (Атомарный кислород представляет собой одиночные, свободные атомы кислорода, которые существуют недолго, поскольку они очень реактивны и легко связываются с другими атомами. На Земле атомарный кислород преимущественно встречается в верхних слоях атмосферы, где он образуется в результате фотодиссоциации молекулярного кислорода под воздействием солнечных фотонов. Фотоны расщепляют молекулы кислорода на атомы. (5))

Интересно то, что верхняя граница термосферы определяются во многом Солнечной активностью. В период низкой активности происходит существенное уменьшение толщины слоя. Ещё одной особенностью термосферы является одно из красивых явлений - полярное сияние. (6)

Экзосфера - пятый слой от поверхности Земли. Нижняя граница 800 км, а верхняя 3000 км. Его особенности:

  • чрезвычайно высокая разрежённость воздуха;

  • скорость движения некоторых частиц равна второй космической скорости (11 000 м/с);

  • высокая температура частиц (1500°-3000°С);

  • очень слабое повышение температуры с высотой;

  • содержание частиц в экзосфере очень мало, всего около 1000 на см3. Теплообмена с окружающими частицами в экзосфере нет. Весь нагрев происходит за счёт поглощения солнечной радиации. (7)

    1. Значение атмосферы для планеты

  • Атмосфера является своеобразным щитом, который защищает Землю от небесных тел, большинство которых сгорает, не достигнув земной поверхности. Скорость входа в атмосферу может быть практически любой — всё зависит от векторной суммы скоростей Земли и метеорита в момент входа его в атмосферу. Для подавляющего большинства метеоритов эта скорость намного превышает орбитальные скорости космических аппаратов и тем более парашютистов.

Метеориты, падающие спутники, входя в плотные слои атмосферы на огромной скорости, испытывают сильнейшее трение о воздух. Огромная кинетическая энергия преобразуется в тепловую, что и является причиной сгорания в атмосфере.

Из-за трения в атмосфере происходит нагрев метеора, и он начинает светиться. Свои следы такие тела оставляют на протяжении всего полёта в атмосфере. (8)

  • Атмосфера является важнейшим звеном в круговороте воды в природе. Круговорот воды в природе – сложный процесс, сопровождавшийся изменением агрегатного состояния воды, перемещением её между экзосистемами. Каждый год с поверхности планеты испаряется объём воды, составляющий 500*103 км3. Этот же объём в виде жидких и твёрдых осадков возвращается на Землю. Такая не прерывная циркуляция обеспечивает существование жизни на планете.

Круговорот воды на Земле - это природный процесс, представляющий собой беспрерывный водный обмен между атмосферой Земли, литосферой и Мировым океаном. В процессе этого обмена водная масса меняет агрегатное состояние: из жидкого или твёрдого превращается в газообразную, и обратно. Она в ходе своего перемещения забирает и переносит огромное количество органических соединений и минеральных элементов, необходимых для поддержания жизни на планете.

Процесс сложный, состоит из нескольких этапов. Движущий фактор - солнечное излучение. В тёплый сезон нагретая солнцем вода принимает газообразное состояние - становится паром. Из испаряющейся водной массы отфильтровываются соли. То есть накапливающийся в атмосфере пар является пресным. По мере поднятия в атмосферные слои пар сталкивается с холодными воздушными потоками, в результате формируются облака. Выпадающие из них осадки наполняют океан. Этапы круговорота воды: испарение, конденсация в атмосфере, выпадение в виде осадков. (9)

  • В тропосфере происходят погодные явления, в том числе и опасные (молнии, ураганы и т.д).

  • Атмосферный воздух проводит радиоволны, которые обеспечивают работу связи. Радиоволны, используемые для радиосвязи, обычно имеют круговую или плоскую поляризацию. При распространении волны в атмосфере поляризация может существенно изменяться и это оказывает прямое влияние на качество связи. Радиоволны при распространении в атмосфере испытывают многократное преломление и отражение на границах этих слоев, а также от земной поверхности. Это позволяет осуществлять радиосвязь на больших расстояниях.  Для длинных и средних волн особую роль играет ионосфера (самый верхний ионизированный слой атмосферы). Ионосфера способна отражать радиоволны длиннее примерно 10 м. За счет отражения от ионосферы эти волны могут огибать весь земной шар. При некоторых метеорологических условиях в атмосфере могут возникать слои с повышенным показателем преломления. Радиоволны распространяются в этом слое как по волноводу, испытывая полное внутреннее отражение на границах слоев с меньшим показателем преломления Волноводные слои обеспечивают прохождение ультракоротких волн (УКВ) на расстояние до 1 000 км и более. (9)

  • Атмосфера защищает нашу планету от многих воздействий из космоса. Земная поверхность не нагревается за день до +120°С и не остывает за ночь до –170 °С, как, например, поверхность Луны. Самым важным природным фактором, которые защищает Землю от перегрева и переохлаждения, является атмосфера. Она образует плотный слой газов, который действует в качестве изоляции и удерживает тепло. В тоже время, атмосфера также рассеивает солнечное излучение и предотвращает его прямое попадание на поверхность Земли, что помогает предотвратить перегревание.

  • Без атмосферы небо было бы чёрным, а не голубым или синим. Изменение оттенков цвета неба связано с присутствием в воздухе различных частиц, размеры которых превышают размеры молекул газов атмосферы. Чем больше примесей в атмосферном воздухе, тем сильнее рассеяние света в длинноволновой части спектра и тем слабее кажется естественная голубизна неба. Совершенно чистый, свободный от примесей воздух придает небу яркий голубой, почти синий цвет, свойственный молекулярному рассеянию дневного света. Сильно запыленный воздух придает небу белесоватый оттенок, а высокая влажность и обилие продуктов конденсации водяного пара окрашивает небо в красноватые тона. Интенсивность рассеяния света зависит от толщины слоя атмосферы, через который проходят солнечные лучи, поэтому окраска неба зависит от угла наклона к горизонту нашего взгляда, направленного в небо, то есть от рассматриваемого нами участка неба: в зените цвет будет казаться более голубым, чем в направлении горизонта. (10)

    1. Значение атмосферы для человека

  • Климат, который формируется в нижнем слое атмосферы, влияет на хозяйственную деятельность человека. Особенно это ощущается в растениеводстве. От климата зависит выбор культурных растений, которые будут возделываться на той или иной территории. Количество влаги и солнечного тепла влияет на будущий урожай.

  • Воздух является необходимым элементом и в промышленном производстве. Из атмосферного азота производятся минеральные азотные удобрения, азотная кислота и её соли. Аргон и азот применяются в металлургии, химической и нефтехимической промышленности. Азотные удобрения, наиболее часто применяемые в сельском хозяйстве. (11)

  • Воздух приводит в движение ветровые генераторы движения. Естественной реакцией атмосферы на неравный прогрев разных ее слоев является ветер. Возникающие перепады давления в атмосфере заставляют ветер дуть из областей высокого давления в области низкого давления, и чем больше разница давлений, тем сильнее ветер - тем выше его скорость. Теоретически считается, что до 2% солнечной радиации преобразуются в механическую энергию ветра, благодаря естественному движению воздуха в атмосфере. (12)

  • Без атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна. Озон поглощает губительную для всех живых организмов ультрафиолетовую радиацию Солнца. В воздушной оболочке Земли на высоте 25-30 км существует озоновый слой. Содержащийся в нём озон образуется из кислорода под действием солнечного излучения. Озоновый экран защищает все живые организмы, обитающие на Земле, от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей. Если бы не было озонового слоя, то жизнь на планете была бы невозможна. Молекулы озона неустойчивы и легко разлагаются с образованием молекулярного и атомарного кислорода. Образованием атомарного кислорода объясняются более сильные окислительные свойства озона по сравнению с кислородом. В атмосфере озона слабовоспламеняется фосфор, этиловый спирт, скипидар, для сжигания которых в кислороде необходимо первоначальное нагревание.

  • Кислород атмосферы необходим для дыхания людям и животным. Без углекислого газа невозможно существование растений. Воздух нужен живым существам для дыхания. Животные и люди вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ. Растениям тоже нужен воздух. На свету растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород в атмосферу. (13)

  1. Значение атмосферы на примере модельного опыта

    1. Создание модели для опыта

Для построения модели, демонстрирующей физические свойства атмосферы, понадобится следующее оборудование: пластмассовая коробка или стеклянный аквариум, песок или темная почва, пульверизатор, вода, термометр, подставка для термометра, электрическая лампа, стекло, пластилин. (Фото 1)

Фото 1

Наша модель состоит из:

  1. Стеклянного аквариума с грунтом на дне, имитирующего часть поверхности Земли в пределах атмосферы;

  2. Стеклянной крышки, обозначающей верхнюю границу атмосферы.

    1. Моделирование процессов, отражающих значение атмосферы

Продемонстрировать все физические свойства атмосферы не представляется возможным в виду отсутствия специфического оборудования. Но некоторые из них может провести каждый школьник.

2.2.1 Опыт 1: Защита от метеоритов

Порядок выполнения работы:

  1. Сделайте из пластилина имитацию метеоритов.

  2. Накройте аквариум стеклом.

  3. С высоты своего роста отпустите «метеориты» на стеклянную крышку.

  4. Зафиксируйте и опишите результат.

Фото 2

Описание: Падающие «метеориты» не достигли поверхности земли. Стекло, имитирующее верхнюю часть атмосферы, защитило Землю от падающих «метеоритов». (Фото 2)

Вывод: Таким образом, я доказала, что атмосфера защищает Землю от метеоритов. В действительности, метеориты, входя в плотные слои атмосферы на огромной скорости, испытывают сильнейшее трение о воздух. Огромная кинетическая энергия преобразуется в тепловую, что и является причиной сгорания в атмосфере.

      1. Опыт 2: Защита от перегрева и остывания

Порядок выполнения работы:

  1. Увлажните почву с помощью пульверизатора.

  2. Сделайте из картона подставку для термометра. Вкопайте ее в грунт и установите на ней термометр шариком вниз. Накройте аквариум стеклом.

  3. Установите электрическую лампу на расстоянии 20-30 см прямо над аквариумом так, чтобы свет падал на грунт и нагревал его.

  4. Оставив стеклянную крышку на аквариуме, включите лампу и на 20-30 мин. (термометр должен быть расположен так чтобы можно было легко фиксировать его показания через стенку аквариума). Через 20 – 30 минут зафиксируйте температуру. (Фото 3,5)

  5. Выключив лампу, дайте температуре упасть до комнатной, не снимая крышку. Зафиксируйте время, за которое произойдёт снижение температуры до комнатной. Можно это действие провести иначе: выключив лампу, не снимая крышку, подождите 30 минут и зафиксируйте температуру. (Фото 6)

  6. Снова увлажните грунт и повторите действия № 4 и 5 при снятой крышке. (Фото 7, 8, 9)

  7. Результат занесите в таблицу.

Фото 3

Фото 4 Фото 5

Фото 6

Фото 7

Фото 8

Фото 9

Таблица 1

Время, мин

Нагрев

Остывание

Температура, °С

(с крышкой)

Температура, °С

(без крышки)

Температура, °С

(с крышкой)

Температура, °С

(без крышки)

20

+30

+33

-

-

30

-

-

+28,5

+23,5

Описание: Входе проведения модельного опыта, я получила следующие результаты, которые оформила в таблицу 1.

При проведении модельного опыта с нагреванием начальная температура воздуха +25°С (Фото 4). За 20 минут нагрева «земной поверхности» при закрытой крышке температура повысилась до +30°С (Фото 5), при открытой крышке до +33°С (Фото 8).

При проведении модельного опыта с остыванием начальная температура воздуха +30°С (Фото 5). За 30 минут остывания «земной поверхности» при закрытой крышке температура понизилась до +28,5°С (Фото 8), при открытой крышке до +23,5°С. Причём температура +25°С была уже через 11 минут опыта, а через 20 минут понизилась до +23,5°С и осталась такой до окончания опыта. (Фото 9)

Вывод: Входе опыта было доказано, что с крышкой температура земной поверхности при нагревании повышалась на меньшее количество градусов и остывала также. При опыте с открытой крышкой температура за контрольное время повысилась на большее количество градусов, а остывание прошло быстрее, температура стала ниже комнатной. Данный опыт подтвердил, что атмосфера образует плотный слой газов, который действует в качестве изоляции и удерживает тепло. В тоже время, атмосфера также рассеивает солнечное излучение и предотвращает его прямое попадание на поверхность земли, что помогает предотвратить перегревание.

2.2.3 Опыт 3: Звено круговорота воды

Порядок выполнения работы:

  1. Увлажните почву с помощью пульверизатора.

  2. Установите электрическую лампу на расстоянии 20-30 см прямо над аквариумом так, чтобы свет падал на увлажнённый грунт и нагревал его.

  3. Оставив стеклянную крышку на аквариуме, включите лампу и оставьте её в таком положении на 1 час. (Фото 10)

  4. Зафиксируйте и опишите результат.

Фото 10

Фото 11

Описание: через 20 минут опыта стёкла аквариума стали запотевать. Через 30 минут в аквариуме можно было увидеть пар. Через 40 минут на стенках аквариума стали появляться капли воды. На момент завершения опыта предметы, находившиеся внутри аквариума, было плохо видно, а капли воды появились по всему периметру аквариума, которые начали стекать. (Фото 11)

Вывод: при проведении модельного опыта я получила результаты, которые доказывают, что в природе происходит процесс, который называют «круговорот воды в природе»: сначала шёл процесс испарения с поверхности увлажнённой почвы (образование пара), затем начался процесс конденсации (образование капелек воды). Дальше я увидела образование осадков, выпадающих из воздуха (стекание капель по стенкам). Таким образом, в ходе 3 опыта было доказано, что атмосфера является важным звеном круговорота воды в природе.

Заключение

Тема «Атмосфера» изучается в школьной географии с 5-8 классы. Процессы и закономерности этой географической оболочки не всегда понятны, т. к. носят глобальный характер. У меня и моих одноклассников всегда возникает много интересных вопросов, связанных с темой «Атмосфера». Для того чтобы в некоторых из них разобраться, я решила создать действующую модель части атмосферы. Из курса географии я уже знала о строении и составе атмосферы. Но работа с дополнительной информацией расширила мои знания. Благодаря опытам, которые я провела, мне стало более понятно, как в природе всё взаимосвязано. Наглядная демонстрация некоторых процессов мне в этом помогла. Некоторые, ещё более интересные эксперименты, я не смогла сделать из-за отсутствия специального оборудования.

Наиболее сложным в работе над проектом для меня стало рассмотрение практической части: ведь надо было тщательно продумать ход опыта, а потом чётко следовать по алгоритму. Это занимает много времени.

Наиболее интересной и увлекательной стала теоретическая часть, которая помогла мне познать «секреты» атмосферы.

Результаты опытов, которые я провела, наглядно подтверждают важность атмосферы как для природы, так и для людей.

Этот проект может быть полезным для многих школьников, особенно для младших. Вопросы, связанные с темой «Атмосфера» встречаются в ВПР с 4 по 8 класс, на ОГЭ и ЕГЭ. Материалы моей работы (в том числе фотографии) можно использовать на уроках географии.

В будущем я планирую продолжать разработку данной темы и рассмотреть глобальные изменения географической оболочки «Атмосфера» в процессе эволюции человека.

Список литературы

  1. География: 5-6-е классы: учебник/А.И. Алексеев, В.В. Николина, Е.К. Липкина и др. – Москва: Просвещение, 2023

  2. География: Землеведение: 5-6 классы: учебник/О.А. Климанова, В.В. Климанов, Э.В. Ким и др.; под ред. О.А. Климановой. – М.: Дрофа, 2020.

  3. Озоновые дыры. - https://tainaprirody.ru/atmosfera/ozonovye-dyry Дата обращения: 03.01.2024

  4. Метеоролог и Я. Научно-популярный метеорологический проект. - https://meteo59.ru/book/sostav-i-stroenie-atmosfery/mezosfera.php

  5. Смирнова Е. В атмосфере Венеры напрямую обнаружили атомарный кислород. - https://m.hightech.plus/2023/11/08/v-atmosfere-veneri-napryamuyu-obnaruzhili-kislorodДата обращения: 21.10.2023

  6. Метеоролог и Я. Научно-популярный метеорологический проект. Термосфера и её особенности - https://meteo59.ru/book/sostav-i-stroenie-atmosfery/termosfera.php Дата обращения: 21.10.2023

  7. Метеоролог и Я. Научно-популярный метеорологический проект. Экзосфера и её особенности. - https://meteo59.ru/book/sostav-i-stroenie-atmosfery/ekzosfera.php Дата обращения: 21.10.2023

  8. Тихомирова Е.И. Почему метеориты сгорают в атмосфере, а парашютисты - нет? - https://chemistry.usue.ru/sobytiya/911-pochemu-meteority-sgorayut-v-atmosfere-a-parashyutisty-net/ Дата обращения: 11.11.2023

  9. Круговорот воды в природе. - https://tainaprirody.ru/gidrosfera/krugovorot-vody Дата обращения: 03.01.2024

  10. Астапенко П.Д. Могут ли служить признаком погоды изменения цвета неба? - https://fis.wikireading.ru/hGio0tkg8y Дата обращения: 23.12.2023

  11. Производство азотных удобрений. -https://fertika.com/blog/sovety/proizvodstvo-azotnykh-udobreniy/ Дата обращения: 23.12.2023

  12. Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы. - https://electricalschool.info/energy/1833-kak-ustroeny-moshhnye-promyshlennye.html Дата обращения: 23.12.2023

  13. Значение атмосферы. - https://www.yaklass.ru/p/geografiya/6-klass/atmosfera-gazovaia-obolochka-zemli-5987236/sostav-i-stroenie-atmosfery-6358015/re-e443098e-6deb-49d8-8344-97ea48285ee6 Дата обращения: 02.02.2024

Просмотров работы: 40