XVI.
A légkör.
162. A légkör létezése. A Földet gázréteg veszi körül, melynek jelenléte a szerves lények életének elengedhetetlen föltétele. A léghajóval való legmerészebb fölemelkedések alkalmával is mindig csak levegőt találtak, bármily magasságba jutottak is; ez a levegő egyre ritkább lett, de már maga az a tény, hogy a léghajó föl tudott emelkedni a legmagasabb helyzetébe, mutatja, hogy ARCHIMÉDES elve volt az oka egyensúlyi helyzetének és hogy a környező gáz függőleges felhajtó ereje tartotta fönt.
163. A légkör alakja. A légkör egyközepű rétegekben oszlik el a Föld körül, tehát kénytelen főbb vonásokban a Föld alakját fölvenni; alakjának e szerint az egyenlítőnél kiduzzadó,
a sarkoknál ellapuló szferoidnak kell lennie. De ez a szferoid kétségtelenül lapultabb, mint maga a Föld, mert az összes gáznemű tömeg, melyet a Föld napi forgó mozgásában magával ragad, a czentrifugális erőnek van alávetve, mely nagyobb mértékben hat azokra a légrészecskékre, a melyek az egyenlítő felett lebegnek; látni fogjuk egy következő fejezetben, hogy az egyenlítőn a Napból a forróégöv felé kisugárzó túlságos meleg következtében a levegő jelentékeny magasságúvá tágul. Mindez okoknál fogva a légkör magasságának az egyenlítőn nagyobbnak kell lennie, mint a sarkokon és a gáznemű ellipszoidnak lapultabbnak kell lennie, mint annak a szilárd ellipszoidnak, a melyet körülburkol. Ezenkívül valószínű, hogy miként az óczeán, a légkör is a hold és a Nap vonzásának van kitéve és az árapály váltakozva emeli és sülyeszti, időszakosan meg-megváltoztatva alakját; de ez a föltevés kielégítő kísérleti tanulmány tárgya még nem volt.
164. A légkör magassága és határa. Ha a levegő, mely a légkört alkotja, egész magasságában állandó sűrűségű volna, TORRICELLI remek kísérlete közvetetlenül megadná, milyen magasságú a minket körülvevő gázréteg.
Valóban a levegő 10 460-szorta könnyebb ugyanoly térfogatú kénesőnél. A 76 czentiméter magasságú kénesőoszloppal [higanyoszloppal] (a barométer átlagos magassága a tenger szinén) egyensúlyozott levegőréteg e vastagsága ekkor
|
e = 76×10 360 czentiméter, e = 7950 méter |
volna. E szerint, ha a levegő sűrűsége állandó volna, a vastagsága kerekszámban 8 kilométerre rúgna.
De a tapasztalat megmutatja, hogy a légnyomás abban a mértékben csökken, a milyenben fölemelkedünk a levegőben. A sűrűség is csökken a magassággal: a gáz alsóbb rétegei a felsőbb rétegek súlyától összenyomva, szükségszerűen sűrűbbek. Tehát a barométeres észleleten kívül más alapot kellett találni, hogy a légkör magasságáról fogalmat szerezzünk.
Támaszkodva a szürkületi fény észleleteiből talált adatokra, GAY-LUSSAC, BIOT, BOUSSINGAULT és HUMBOLDT 43000 és 45000 méter között váltakozó számot találtak határul; ez azt akarja mondani, hogy ebben a magasságban, bár igen kisnyomású, de éppen
olyan levegőt találunk, mint a melyet mi a földkéreg közvetetlen közelében belélekzünk.
Önműködő jelzőkészülékekkel felszerelt léggömb 26000 méter magasságra is fölemelkedett, a hol 10 mm. kénesőnyomást jelzett.
A hullócsillagok megfigyelése manapság oly adatokat szolgáltat, a melyek még inkább kitolják a határt; a hullócsillagok valójában csakis a földi légkör gázrészecskéihez surlódva válnak izzóvá; geometriai módszerrel megmérték a hullócsillagok feltünésének átlagos magasságát és körülbelül 120 kilométernek találták.
Egyébként megjegyezzük, hogy a Föld mozgására és a newtoni vonzásra vonatkozó általános adatok is lehetővé teszik a levegő határának megszabását. Valóban nem lehet anyagi levegő-molekula a térnek azon a pontján túl, a melyre vonatkozóan a czentrifugális erő a vonzáserővel egyenlő; a nehézség nélkül a levegő-részecskék a világűrbe szállanának, hogy helyüket mások foglalják el, melyek szintén elszállanának mindaddig, míg a gáztartalék teljesen elfogyna. E szerint a newtoni vonzás tartja a levegőt vékony rétegben a Föld felszinén és ugyanez az erő szab határt vastagságának.
Ezt a határt kiszámíthatjuk. Láttuk, hogy az egyenlítőn a czentrifugális erő 1/289 része a nehézségi erőnek; egyébként a czentrifugális erő a Föld közepétől mért távolsággal nő, míg a vonzó erő e távolság négyzete szerint csökken.
E szerint, hogy megkapjuk annak a pontnak a helyzetét, a hol e két erő egyenlő, a 289 számból harmadik gyököt kell vonnunk; ekkor közelítően 6.6-et kapunk. Ez tehát a földsugár szorzója, melyen felül – a távolságot a középponttól számítva – folyékony anyagi részecskék nem lehetnek a mozgó Földdel kapcsolatban; ha a Föld felszinétől számítjuk a távolságot, akkor a sugár 5.6-szeresét kapjuk.
Valójában e levegő nagysága jóval alatta marad e határnak és ismereteink mai állásában 150 kilométerre tehetjük a földi légkör felső határát.
165. A légkör súlya. Ha a TORRICELLI-féle kísérlet nem is nyujt kellő adatokat a légkör felső határának pontos kiszámításához, viszont megengedi a légkör súlyának kiszámítását.
Valóban bárminő is a légkörben való felemelkedés közben a levegő sűrűségének a változása, kísérletileg bebizonyítható
igazság, hogy a Földfelszín minden négyzetczentiméterére 1~.33 kg. nyomást gyakorol. Ezt a nyomást előállíthatjuk 76 czentiméter magas kénesőoszlop, vagy 1033 méter magas vízoszlop súlyával. A légkör súlya tehát egyenlő 1013 m. magas oly vízréteg súlyával, a melynek alapja a Föld felszine; ezt a víztérfogatot megkapjuk, ha bolygónk felszinének területét 10.33 m.-rel szorozzuk. Ha ezt a felszínt négyzetméterekben fejezzük ki, a légkör P súlyát 1000 kg.-os tonnákban kifejezve, a következő kifejezés adja:
P = 4πR2·10.33
Tegyük e kifejezésbe az R földsugár átlagos hosszát, 6 263 000 métert, akkor a P súly számértéke:
P = 5 263 000 000 000 000 tonna.
E roppant súlyról némi fogalmat alkothatunk, hogy ha megjegyezzük, hogy 585 000 köbkilométer vörösréz súlyával egyenlő.
166. A légkör összetétele. A légkör, mint tudjuk, különféle alkotórészeknek elegye és nem vegyülete.
Két főalkotórésze az oxigén, mely kb. 1/5-része, és a nitrogén, mely 4/5 része.
De ezek csak közelítő értékek, mert REGNAULT és mások azt találták, hogy ez az összetétel nem szigorúan véve állandó; pontos elemzései kimutatták, hogy az oxigéntartalom 100 térfogat-levegőben 20.85 és 20.99 térfogat közt változik.
A levegő nyomokban más, összetett gáznemű anyagokat is tartalmaz, a melyeket az élő szervezetekben végbemenő számtalan vegyi folyamat idéz elő. Észlelni lehet pl. benne végtelen kis mennyiségben ózont, ammóniát, szénhidrogéneket, kénhidrogént, kénessavat, szénoxidot; ezek az anyagok mindig igen csekély mennyiségben vannak jelen; az ammónia 1/13 000 000 súlyrészarányban van jelen.
Csakis két testet [anyagot] találunk mindig kissé nagyobb arányban a levegőben: vízgőzt és szénsavat. Tanulmányozva a higrométriát, látni fogjuk, hogy milyen arányú a levegő vízgőztartalma, mely
a meteorológiában olyan fontos. A szénsav a rendes levegőben körülbelül 1/3000 térfogatarányban van jelen.
A nyomokban található mellékes anyagokon kívül a levegőben újabban még egyszerű gázokat fedeztek föl, a melyek közül a legfontosabb az argon, a melyet RAYLEIGH lord és RAMSAY találtak meg. Az argon, mely vegyi hatástalanságánál fogva a régebbi kutatások elől rejtve maradt, a levegőben 1/100 arányban van jelen. Tehát ez az elem, a melyet az angol tudósok 1894-ben fedeztek fel, fontos alkotórész.
Azóta négy más egyszerű testet is találtak még légkörünkben; az első volt a hélium, a melyet LOCKYER NORMAN fedezett föl a Nap légkörében és a melynek jelenlétét a mi légkörünkben KAYSER 1895-ben állapította meg. A hélium arányszáma 1/1 000 000.
A levegő cseppfolyósító módszereinek fölfedezése három más egyszerű gáz fölfedezésére vezetett; a cseppfolyós levegőt módszeres, elkülönítő szűrésnek vetve alá, benne a következő egyszerű gázokat találták, melyeket a levegőben való keveredésük arányszámával együtt nevezünk meg:
|
Neon Kripton Xenon |
1/100 000 1/1 000 000 1/20 000 000 |
A levegő tehát elegy alakjában legalább hét egyszerű gázt tartalmaz, ezek: a nitrogén, oxigén, argon, hélium, neon, kripton, xenon és igen változó nyomokban összetett gázokat, a melyek jelentőségük sorrendjében a következők: vízgőz, szénsav, ammónia, ózon, szénhidrogének, kénhidrogén. Ezenkívül szerves részek is lebegnek a levegőben, főként az alacsonyabb rétegekben.
167. A nyomás változása a magassággal. A nyomás, ha egyéb körülmények állandók maradnak, változik a magassággal; ez a dolog nyilvánvaló, minthogy a légkörbe emelkedve kivonjuk magunkat ama légtömeg nyomása alól, melyet magunk alatt hagyunk.
A nyomás-csökkenést LAPLACE a következő törvénybe foglalta:
Ha a magasság számtani haladványban nő, a nyomás mértani haladványban csökken. Ez az egyszerű törvény azonban, gyakorlati alkalmazásáig eljutva, bonyolult képletet ad.
Igen fontos e törvényt kifejező képlet számadatainak pontos ismerete, mert ily módon a barométeres észleletek alapján a hegyek magasságát megmérhetjük.
A Nemzetközi meteorológiai táblázatok és a Bureau des Longitudes évenként megjelenő Évkönyve LAPLACE teljes képletét, valamint a javításokhoz szükséges elemeket megadják. Megelégszünk, hogy jelezzük a forrásokat, melyekben a szükséges felvilágosítások megtalálhatók, melyek részletezésének ily általános jellegű tanulmányban nincs helye.
Mindezekből következik, hogy a nyomást a tenger szinére kell átszámítani, ha különböző magasságú helyek barométer-állását összehasonlítani akarjuk; sőt föl kell tennünk, hogy mind ez észletek ugyanazon a földrajzi szélességen történnek, mert láttuk, hogy a nehézségi erő gyorsulása a sarkoktól való távolsággal változik. Ezért vonatkoztató földrajzi szélességül a 45°-ot választották. Követeljük tehát, hogy a zérus-hőfokra átszámított és a szűk barometercsőben megjelenő domború kéneső felszin miatt javított barométer állást még átszámítsák úgy, mjntha az észlelés a tenger színén és a 45 szélességi fokon történt volna; az így nyert magasság a kéneső oszlopban kifejezett normális barometer állás.
168. A hőmérséklet változása, midőn a légkörben fölemelkedünk. Föltéve, hogy minden meteorológiai elem változatlan és hogy nincs semmi szél, megállapíthatjuk, hogy a hőmérséklet csökken, a mint a légkörben fölemelkedünk.
A hőmérsékletnek a magassággal való csökkenésére a meteorológusoktól általánosan elfogadott törvény, hogy a hőmérséklet 180 méter emelkedésre 1 fokkal csökken. Ez a törvény csak körülbelül 600 m. magasságig pontos; nagyobb magasságokra nem érvényes potosan. Az 1°-nyi hőmérsékletcsökkenésnek megfelelő magasság egyébként nagyon változik a szerint, a mint a levegő száraz, nedves, vagy vízpárával telített.
A teljesen száraz levegőben 1 foknyi hőmérsékletcsökkenésnek megfelelő magasság a hőelméleti képletek szerint számítva 101 méter; ha a levegő párát tartalmaz, akkor ez a magasság
102–106 m. közt változik; végül ha a levegő vízgőzzel telített, akkor sokkal jelentékenyebb értéket érhet el.
A levegőnek ez a lehülése, mikor fölemelkedik, onnan származik, hogy a levegő emelkedés közben felsőbb rétegekre talál, hol a nyomás kisebb, tehát kiterjed és ennek következtében lehül, vagyis éppen fordítottja történik annak, a mi a sürített levegős tűzszerszámban végbemegy, melyet a fizikai kísérletek közt szoktak bemutatni. (*)
Légköri zavarok alkalmával a csökkenésnek e törvénye teljességgel hibás lehet, minthogy a hegyi állomásokon vagy obszervatoriumokban a hőmérséklet megfordulását is jelzik, vagyis oly kivételes eseteket jeleznek, mikor a hőmérséklet a magassággal növekedik. Ekkor az alsó rétegek hidegebbek, mint a felsőbbek. Ez a tünemény, melyet tavasszal némelykor észlelhetünk, okozza azokat a kései fagyokat, a melyek a földmívelésre oly végzetesek.
Midőn a Föld különböző magasságú helyeinek hőmérsékletét összehasonlítjuk, igen fontos dolog, hogy csakis a tenger szinére átszámított hőmérséklettel dolgozzunk.
A Nemzetközi meteorológiai táblázatokban megtaláljuk e számításhoz szolgáló elemeket, valamint azt a módot, a melylyel az átszámitást legegyszerűbben végrehajthatjuk.
Hogy nagy magasságokban is tanulmányozzák a levegő hőmérsékletét, légköri kutatásokat csinálnak. Hidrogénnel telt léggömböket bocsátanak fel, a melyek regisztráló barométert és hőmérőt visznek magukkal. Monaco fejedelme, TEISSERENC DE BORT, HERGESELL és ASSMANN számos kutató léggömböt bocsátottak fel; némelyik közülök 26 000 m. magasságot is elért.
Közepes (0–3000 m.) magasságokra nagy sárkányokat is használnak.
169. A légkör szine. A hajnali és az esti szürkület különleges eseteit nem tekintve, a felhőtlen légkör szine kék.
Ha a levegő teljesen átlátszó lenne és nem volnának benne szilárd szemecskék, sem pára, az égbolt egészen fekete színű lenne és csak a csillagok, a Hold és a Nap irányában kapnánk fényt. Azok a tárgyak, a melyeket e csillagok akár közvetetlenül, akár a talajtól vissza verve meg nem világítanának, még fényes nappal is láthatatlanok lennének.
De szerencsére a levegő szilárd részecskéket és apró folyadékszemecskéket tartalmaz és e részecskék jelenléte a fény szét-
(*) Üveghengerbe helyezett papírdarab meggyullad, ha a dugattyút hirtelen és erősen összenyomjuk. [NF]
szóródását okozza, mely a lebegő testecskék kicsinysége miatt főként a kis hullámhosszú fénysugarakra, vagyis a kékre és ibolyára vonatkozik. Ezért az égnek kék színűnek kell lennie és valójában ilyennek látszik is.
Midőn a Nap a látóhatáron van, sugarainak, hogy szemünkbe jussanak, sokkal nagyobb vastagságú levegőrétegen kell keresztülmenniök és mindenekfölött az alsó rétegeken, a hol a lebegő részecskéknek nagyobb a méretük; a szétszóródás ekkor erőteljesebb és a messzeségbe térítvén el a kék sugarakat, hozzánk annál pirosabb fényt enged eljutni, mennél nagyobb a levegő vastagsága, a melyen a fény áthalad, vagyis mennél közelebb van a csillag a látóhatárhoz.
Ha a lebegő részecskék méretét a légkörben szintén lebegő, sűrűsödött vízcseppek jelenléte megnagyobbítja, akkor a szétszóródás mindenféle sugárra kiterjed és az ég egész terjedelmében feltűnően fehérnek látszik. Az általános szineződés tehát bizonyos mértékig viszonyban van a légköri vízrészek jelenlétével.
Újabb kutatások szerint valószínű, hogy az égbolt akkor is kéknek látszanék, ha semmiféle idegen szemecske, vagy vízcsepp nem lebegne benne, minthogy a levegőt alkotó molekulák maguk is szétszórhatják a fényt. A vízcseppecskék és porszemek okoznák e felfogás szerint az égbolt szinének változásait.
170. A légkör optikai jelenségei. A légkör végül számos és változatos fénytani jelenségnek színhelye, melyeket a Naptól kisugárzott fehér fény hatása idéz elő részint a levegőben lebegő folyékony cseppecskéken, részint az átlátszó jégkristályokon, melyekből a legmagasabb, czirrusznak nevezett felhők állanak.
A szivárványt a napsugarak megtörése és visszaverődése okozza, a mint a gömbalakú vízcseppekkel találkoznak. A szivárványt mindig akkor látjuk, mikor az ég egyik részén esik, a másik részén pedig a Nap süt; elég, ha a Nap és az esőt adó felhő közzé helyezkedünk, hogy két, egyközepű ívet lássunk, az egyik, a belső, igen fénylő, a külső sokkal haloványabb, de mindkettő egyközepű sávokkal színezett.
A kisebb ívben a viola szín van belül, a vörös kívül; a felső ívben a színelhelyezés fordított.
Nem terjeszkedünk ki a szivárvány elméletére, mely tisztán a fizika körébe vág; megelégszünk, hogy emlékezetbe hoztuk a tüneményt és előállásának körülményeit. Kísérletileg is igazolható, hogy a napsugaraknak a vízcseppekben való megtörése és
visszaverődése szüli a tüneményt, ha a Napnak hátat fordítva olyan szökő vízsugarat nézünk, a mely finom permetegben hull alá; ekkor szines ív látszik a leeső cseppözönben. A tüneményt gyakran észlelhetjük a természetes vízesések fölött szétporló vízpermetegben.
A Nap és a Hold körül néha koszorút észlelünk (főként a Hold körül, mert a Nap fénylése majdnem mindig elnyomja a tüneményt), mikor ezek az egi testek valamely könnyű felhő mögött vonulnak el; a korona szinezett egyközepű körökből áll. Ezt a fény diffrakcziója (elhajlása) okozza a számos, egyforma vízcseppecskéken. Ezt könnyen előállíthatjuk, ba a fényt oly üvegen nézzük, melyre előbb párát leheltünk.
A gyűrű világító körívekből, vagy teljes körökből áll, melyeket a Nap vagy a Hold körül látunk; vidékünkön a Nap körül kevésbé látható az égitest tündöklése miatt, de gyakran észlelhető a sarkvidékeken, hol a napsugár ferdén éri a Földet, a légköri elnyelődés következtében sokat veszít lényéből és a hol a jégtűkből álló fellegek a vidék hidegsége miatt sokkal közelebb vannak a Földhöz.
A gyűrűt, melynek elmélete szintén a fizika körébe tartozik,
a napsugaraknak a czirrusz felhő hatszögű rendszerbe tartozó jégkristályain való megtörése és visszaverődése okozza.
A 72. rajz a gyűrűt legteljesebb alakjában mutatja.
72. rajz.
S a Nap, körülötte van a tulajdonképpeni fényudvar, a HH kör; az AA' melléknapi kör nevét viselő vízszintes, fénylő átmérő két végén van az S' és S'' melléknap, mely két nagy színes, belül piros, fénylő folt.
Kívül egy nagy H'H' kört látunk, a melynek igen élénk szinezete van; ez a nagy udvar, melyet gyakran érint a ZZ' ív, a zenit körüli ív; a nagy udvarban a melléknapi körön láthatjuk ΣΣ' másodrendű melléknapot, melyek gyöngébbek, mint az S' és S''.
Ezenkívül észlelhetünk még érintő íveket; alul a TT', belül a θθ', oldalt az LL' íveket, a melyek a Napnak a látóhatár fölötti állásától függenek.
171. Délibáb. Gyakran megtörténik a síkságok, vagy nagy vízíelszinek felett, hogy a csöndes levegő, hőmérsékletének különbözősége következtében csökkenő sűrűségű és ennélfogva különböző fénytörésű rétegekben helyezkedik el. Valamely tárgytól jövő fénysugár egymásután egyik rétegből a másikba jutva, oly szög alatt találhat valamely réteget, mely a sugártörés határszögénél nagyobb; ekkor nem törik meg, hanem teljesen visszaverődik és a réteg alatt, vagy fölött elhelyezkedő szemlélőben, esetleg tükör vagy vízfelszín benyomását kelti. Ez a délibáb, a melyet Francziaországban meleg időjáráskor oly gyakran és oly tisztán láthatunk a Loire és Gironde torkolatainál és a mely a nagy magyar Alföldnek is költőktől megénekelt kiváló dísze. Igen gyakori a sarkvidékeken is. A délibáb valamely hajó képét háromszorosan adhatja vissza, egyiket egyenesen, a másik kettőt részarányosan megfordítva.