|
 Wprowadzenie Powietrze,
obok wody, jest jednym z najważniejszych czynników, który
warunkuje życie człowieka. Już w Starożytności uważano, że powietrze
jest jednym z czterech tzw. “żywiołów”, obok wody, ognia i
ziemi. Dziś wiemy, że powietrze jest głównym składnikiem
zewnętrznej, gazowej powłoki otaczającej Ziemię - atmosfery. Powietrzem oddychają wszystkie organizmy żywe, chroni ono powierzchnię naszej planety przed bombardowaniem meteorytów i silnym oddziaływaniem promieniowania jonizującego pochodzenia kosmicznego, a jego warstwa, zwana ozonosferą, stanowi ochronę przed szkodliwym dla człowieka promieniowaniem UV-B. Atmosfera jest mieszaniną gazów, ciał stałych i ciekłych. Ze względu na skład chemiczny i właściwości fizyczne wyróżniamy w niej składniki stałe i zmienne. Składnikami stałymi powietrza atmosferycznego, tzn. zachowującymi stały udział w jego całkowitej objętości, są: azot (78%), tlen (21%) oraz argon, neon, hel, krypton, radon (w sumie ok. 1%). Są to tzw. gazy obojętne, czyli takie, które nie wchodzą w reakcje chemiczne z innymi substancjami. Skład ten jest stały do wysokości około 80 km. Zmienne składniki powietrza to: para wodna, dwutlenek węgla, dwutlenek azotu, ozon, składniki mineralne i organiczne (pył , sadza, bakterie). Zawartość pary wodnej – składnika odgrywającego doniosłą rolę w życiu człowieka, zwierząt i roślin, może wahać się od 0% do 3-4%, w zależności od wysokości nad poziomem morza i szerokości geograficznej. Zawartość ozonu w atmosferze zmienia się wraz z wysokością, szerokością, porą roku i doby. W dużych ilościach ozon występuje na wysokości od 12 – 40 km n.p.m. Ozon jest gazem silnie pochłaniającym nadfioletowe promieniowanie Słońca UV, a w szczególności szkodliwe dla człowieka promieniowanie UV-B. Innym ważnym składnikiem zmiennym atmosfery jest dwutlenek węgla - CO2 . Jego koncentracja jest wokół całej Ziemi właściwie jednakowa, lecz wzrasta ciągle w okresie ostatnich stu lat. Od 1960 roku zwiększa się ona o około 0,7 ppm na rok. (ppm- milionowa część, 10-6) Wzrost ten przypisuje się głównie użytkowaniu paliw kopalnianych - węgla, ropy naftowej, gazu ziemnego. Oszacowano, że prawie połowa dwutlenku węgla powstającego w wyniku spalania pozostaje w atmosferze. Resztę przyswajają rośliny i pochłaniają oceany. Obok składników gazowych powietrze atmosferyczne zawiera zmienne ilości pyłów pochodzenia kosmicznego i ziemskiego. Skład chemiczny atmosfery nad poszczególnymi obszarami Ziemi zmienia się w czasie i przestrzeni. Może to być związane z natężeniem erupcji wulkanicznych (wzrost zawartości pyłów wulkanicznych) lub działalnością człowieka (wzrost CO2, SO2 , NO2). Zmiany składu chemicznego atmosfery mogą prowadzić do zmian klimatycznych. Skład chemiczny powietrza w dolnych warstwach atmosfery przedstawia tab. 1 W wyższych warstwach atmosfery jego skład jest inny. Największe stężenie tlenu występuje na wysokości 11km, azotu- na wysokości 40 km, helu- na wysokości 90 km, argonu- na wysokości 8 km, a wodoru w najwyższych warstwach atmosfery. Atmosfera ziemska jest powłoką gazową, o delikatnej i złożonej strukturze. Bez atmosfery nie byłoby nie tylko powietrza do oddychania, ale nie byłoby też chmur ani opadów deszczu, nie byłoby krążenia wody, a więc nie byłoby życia na Ziemi. Tabela 1. Skład powietrza
Właściwości atmosfery.
Systematyczne pomiary i obserwacje wykonywane na stacjach badawczych
rozmieszczonych na całej kuli ziemskiej umożliwiły poznanie
przestrzenno – czasowego rozkładu ważniejszych wielkości, niezbędnych
do określania fizycznego stanu powietrza. Należą do nich przede
wszystkim: ciśnienie, gęstość, temperatura i wilgotność.
Słup powietrza ze względu na przyciąganie ziemskie wywiera nacisk (siłą F) na powierzchnię Ziemi. Nacisk ten mierzony na jednostkę powierzchni nosi nazwę ciśnienia atmosferycznego. Ciśnienie p, określane jako ciężar powietrza, przypadający na jednostkę powierzchni wyraża się wzorem:  gdzie: ρ - gęstość powietrza, g - przyspieszenie ziemskie, z - wysokość nad poziomem morza.
Gęstość powietrza (masa na jednostkę objętości) maleje ze wzrostem wysokości - 99,9 % masy atmosfery leży poniżej 50 km, a 99,999% - poniżej 100 km. Dla określenia wielkości ciśnienia do niedawna używano jednostek: milimetr słupa rtęci, milibar, atmosfera. Obecnie legalnie posługujemy się paskalem (Pa) i hektopaskalem (hP). 1 paskal jest to nacisk jednego N na 1 m2 powierzchni. Hektopaskal jest równy 100 Pa. Ciśnienie 760 mm Hg odpowiada ciśnieniu 1013 hPa, 1 bar =105 Pa, 1 mb = 1 hPa , 1 Atm (atmosfera normalna) = 1013,25 hPa, 1 at (atmosfera techniczna) = 980,665 hPa. Ciśnienie mierzymy za pomocą barometrów, barografów i aneroidów. Przeciętne ciśnienie powietrza na poziomie morza wynosi 760 mm Hg lub 1013 hPa i ulega zmianom. Szybkie zmiany następują wraz ze wzrostem wysokości. W dolnych warstwach atmosfery przy różnicy wysokości około 9 m dostrzegamy zmianę ciśnienia o 1hPa. Im wyżej, tym ciśnienie jest mniejsze, zmienia się na skutek zmian ciężaru słupa powietrza między dwoma poziomami. Ciężar słupa zależy nie tylko od jego wysokości, lecz również od ciężaru właściwego powietrza. Przeciętny ciężar właściwy powietrza przy temperaturze 00C, przy ciśnieniu 1013 hPa wynosi 1,293 kg/m3, wzrasta ze spadkiem temperatury, maleje ze spadkiem ciśnienia. Duża zawartość pary wodnej wyraźnie obniża ciężar właściwy powietrza przy tej samej temperaturze i tym samym ciśnieniu. Ciśnienie atmosferyczne maleje ze wzrostem wysokości tym szybciej im jest suchsze, im jest zimniejsze i im większe jest ciśnienie na poziomie morza. Zależność ciśnienia atmosferycznego od wysokości przedstawia tabela 2. Tabela 2. Ciśnienie atmosferyczne jako funkcja wysokości
Dobowe zmiany w
ciśnieniu atmosferycznym są nieraz bardzo duże, ale trudno doszukać się
w nich wyraźnej regularności. Statystycznie można stwierdzić, że dwa
razy w ciągu doby (o godz.400 i 1600 )
ciśnienie osiąga największą wartość. W środku kontynentów na ogół
ciśnienie wzrasta zimą, maleje w lecie. Istnieje związek między
wartością ciśnienia a szerokością geograficzną. Największe ciśnienie
atmosferyczne panuje na szerokości geograficznej około 300 w strefie podzwrotnikowej, najniższe – na szerokości geograficznej około 650 w chłodniejszej części strefy umiarkowanej.
Ciśnienie, którego nie odczuwamy, posiada znaczny wpływ na żywe organizmy zwierzęce i na człowieka. Do powolnych zmian organizmy przystosowują się łatwo, szybkie zmiany są przykro odczuwalne przez organizmy, które nie umieją szybko wyrównać swego wewnętrznego ciśnienia i dostosować go do ciśnienia zewnętrznego. Dotyczy to ludzi chorych na serce i ludzi mających anormalne ciśnienie krwi. Spadek ciśnienia w górę jest bardzo szybki. Na wysokości 6 km nad poziomem morza ciśnienie jest dwa razy mniejsze niż na poziomie morza, a na wysokości 11 km jest cztery razy mniejsze. W wysokich górach, już na wysokości 5 tys. m, wielu ludzi odczuwa dolegliwości związane z wewnętrznym nadciśnieniem, nie kompensowanym ciśnieniem zewnętrznym, rzadka atmosfera utrudnia oddychanie. Przyłączenie tlenu do hemoglobiny następuje przy dostatecznie wysokim ciśnieniu. W górach zdarzają się przypadki choroby górskiej, objawiającej się zawrotami głowy, wymiotami, gwałtownym zwolnieniem czynności życiowych. Niskie ciśnienie wpływa pośrednio na intensywność promieniowania. Powietrze rzadkie przepuszcza w znacznie wyższym stopniu wszelkie promieniowanie. W wysokich górach barwa nieba jest bardziej intensywnie niebieska i znacznie ciemniejsza (efekt słabszego rozpraszania promieniowania). Promieniowanie słoneczne ogrzewa i opala skórę intensywniej, promieniowanie enrgii na sposób ciepła w nocy lub w cieniu jest silniejsze. Tak więc w wysokich górach ciała stałe ogrzewają się silniej, ale też silniej ochładzają się skutkiem wypromieniowania energii termicznej. Niskie ciśnienie przyspiesza parowanie wody, woda w wysokich górach wrze w temperaturze niższej niż 1000C, ponieważ temperature wrzenia wody zależy od panującego ciśnienia. Rzadkie powietrze jest również znacznie gorszym izolatorem. Powietrze jest ośrodkiem sprężystym, w którym mogą rozchodzić się fale mechaniczne (akustyczne). Dźwięk jest mechanicznym zaburzeniem ośrodka sprężystego (falą sprężysta -w powietrzu – podłużną) i nie może rozchodzić się bez ośrodka, jakim jest powietrze. Fale akustyczne mogą się nawzajem nakładać (interferencja) uginać (dyfrakcja) i odbijać od ośrodków o innej gęstości, niż te, w których się poruszają. Przy odpowiednio dobranych parametrach tych fal można wytworzyć tzw. falę stojącą. Kierujemy wówczas falę dźwiękową w stronę przeszkody, aby po odbiciu od niej interferowała sama ze sobą tak, żeby wytworzyły się węzły (punkty, w których amplituda drgań jest równa 0) i strzałki (punkty, w których amplituda drgań jest maksymalna). Dla drgań akustycznych, gdy częstotliwość drgań źródła wymuszającego drgania jest równa częstotliwości drgań własnych odbiornika drgań – zachodzi zjawisko rezonansu. Oddziaływanie ładunków elektrycznych z powietrzem Gdyby na drodze pomiędzy chmurą i ziemią nie było powietrza, nie byłoby ani błyskawicy, ani grzmotu. Ładunków elektrycznych nie można zobaczyć, o ich istnieniu możemy przekonać się wyłącznie na podstawie ich różnorodnych oddziaływań z materią. Jednym z ciekawszym efektów oddziaływania ładunków elektrycznych z powietrzem jest jego świecenie. Wyładowania elektryczne wraz z towarzyszącymi im efektami świetlnymi mogą zachodzić również w górnych warstwach atmosfery tam, gdzie powietrze jest rozrzedzone. Ciekawym zjawiskiem, które też polega na żarzeniu się powietrza pod wpływem ładunków elektrycznych są np. zorze polarne. Możemy je obserwować tylko w pobliżu biegunów. Słońce, oprócz światła wysyła w przestrzeń kosmiczną wiele różnych cząstek, w tym cząstki naładowane. W pobliżu Ziemi ziemskie pole magnetyczne, które oddziałuje z ładunkami elektrycznymi kieruje je w okolice biegunów. Stykają się tam z powietrzem pod małym ciśnieniem z najwyższych warstw atmosfery, powodując jego świecenie Przejścia fazowe powietrza Powietrze i jego składniki mogą być skroplone (po raz pierwszy dokonali tego polscy uczeni z Krakowa -Zygmunt Florenty Wróblewski i Karol Stanisław Olszewski w roku 1883) oraz zestalone. Jak powietrze może być wykorzystane w praktyce? Od najdawniejszych czasów człowiek podnosił wzrok w górę i marzył o tym, by wzbić się w powietrze i unosić się w nim „niczym ptak”. Na początku były to tylko marzenia, które uważano za nieosiągalne. Jednakże w miarę poznawania kolejnych praw fizycznych rządzących zjawiskami zachodzącymi w powietrzu „sztuka latania” stawała się coraz bardziej realna również dla człowieka. Pozostawione przez Leonardo da Vinci (1490-1519) notatki i szkice dotyczące rozwiązań konstrukcyjnych „latających machin” do dziś budzą podziw dla jego geniuszu, a 21.11 1783 r. w Paryżu bracia Montgolfier na balonie własnej konstrukcji z odpowiednim paleniskiem u dołu, oderwali się od ziemi. Natomiast dwaj Amerykanie , bracia Wright w 1903 r. wykonali serię udanych lotów zbudowanym przez siebie samolotem „Foyer” i w ten sposób rozpoczęła się era gwałtownego rozwoju środków komunikacji powietrznej. Współczesne samoloty w niczym nie przypominają swoich przodków. Niektóre z nich są niewidoczne dla radarów i z łatwością przekraczają barierę dźwięku. Ponadto, w związku z chęcią lepszego poznania przez człowieka przestrzeni kosmicznej pojawiło się szereg nowatorskich rozwiązań dotyczących rakiet kosmicznych. Prawo Archimedesa dla gazów Można wykazać, że dla gazów, podobnie jak dla cieczy, obowiązuje prawo Archimedesa Na każde ciało zanurzone w gazie działa siła wyporu, która zależy od objętości znajdującego się w gazie ciała oraz od gęstości gazu, w którym to ciało się znajduje (nie zależy natomiast ani od kształtu ciała, ani od substancji, z jakiej to ciało jest wykonane). Fw = ρ x g x V ,
gdzie: Fw – siła wyporu, ρ - gęstość gazu, g- przyspieszenie ziemskie, V - objętość ciała „zanurzonego” w cieczy.Prawo Bernoulliego Na koniec, mówiąc o powietrzu nie moglibyśmy nie wspomnieć o lataniu i prawie Bernouliego. Prawo Bernoulliego mówi, że suma ciśnienia statycznego i dynamicznego wzdłuż strugi przepływającego powietrza jest stała: p1 + ½ ρ v1² = p2 + ½ ρ v2² = const.,
gdzie p1,2 – ciśnienia statyczne, ρ – gęstość powietrza, v1,2 – prędkości strug powietrza
|
