Composizione dell'atmosfera. L'involucro d'aria del nostro pianeta - atmosfera protegge la superficie terrestre dagli effetti dannosi delle radiazioni ultraviolette del Sole sugli organismi viventi. Protegge anche la Terra dalle particelle cosmiche: polvere e meteoriti.
L'atmosfera è costituita da una miscela meccanica di gas: il 78% del suo volume è azoto, il 21% è ossigeno e meno dell'1% è elio, argon, kripton e altri gas inerti. La quantità di ossigeno e azoto nell'aria è praticamente invariata, perché l'azoto quasi non si combina con altre sostanze, e l'ossigeno, che, sebbene molto attivo e speso nella respirazione, ossidazione e combustione, viene costantemente reintegrato dalle piante.
Fino ad un'altitudine di circa 100 km la percentuale di questi gas rimane pressoché invariata. Ciò è dovuto al fatto che l'aria è costantemente miscelata.
Oltre ai gas citati, l'atmosfera contiene circa lo 0,03% anidride carbonica, che di solito è concentrato vicino a superficie terrestre ed è distribuito in modo non uniforme: nelle città, centri industriali e aree di attività vulcanica, la sua quantità aumenta.
C'è sempre una certa quantità di impurità nell'atmosfera: vapore acqueo e polvere. Il contenuto di vapore acqueo dipende dalla temperatura dell'aria: maggiore è la temperatura, maggiore è la quantità di vapore che l'aria può trattenere. A causa della presenza di acqua vaporosa nell'aria sono possibili fenomeni atmosferici come arcobaleni, rifrazione della luce solare, ecc.
La polvere entra nell'atmosfera durante eruzioni vulcaniche, tempeste di sabbia e polvere, durante la combustione incompleta del carburante nelle centrali termoelettriche, ecc.
La struttura dell'atmosfera. La densità dell'atmosfera cambia con l'altitudine: è massima sulla superficie terrestre e diminuisce man mano che si sale. Pertanto, ad un'altitudine di 5,5 km, la densità dell'atmosfera è 2 volte e ad un'altitudine di 11 km è 4 volte inferiore rispetto allo strato superficiale.
A seconda della densità, composizione e proprietà dei gas, l'atmosfera è divisa in cinque strati concentrici (Fig. 34).
Riso. 34. Sezione verticale dell'atmosfera (stratificazione dell'atmosfera)
1. Lo strato inferiore si chiama troposfera. Il suo confine superiore passa ad un'altitudine di 8-10 km ai poli e di 16-18 km all'equatore. La troposfera contiene fino all'80% della massa totale dell'atmosfera e quasi tutto il vapore acqueo.
La temperatura dell'aria nella troposfera diminuisce con l'altitudine di 0,6 °C ogni 100 m e al suo limite superiore è di -45-55 °C.
L'aria nella troposfera è costantemente mescolata e si muove in direzioni diverse. Solo qui si osservano nebbie, piogge, nevicate, temporali, tempeste e altri fenomeni meteorologici.
2. Situato sopra stratosfera, che si estende fino ad un'altitudine di 50-55 km. La densità dell'aria e la pressione nella stratosfera sono trascurabili. L'aria sottile è composta dagli stessi gas della troposfera, ma contiene più ozono. La più alta concentrazione di ozono si osserva ad un'altitudine di 15-30 km. La temperatura nella stratosfera aumenta con l'altitudine e al suo limite superiore raggiunge 0 °C e oltre. Questo perché l’ozono assorbe l’energia a onde corte del sole, provocando il riscaldamento dell’aria.
3. Si trova sopra la stratosfera mesosfera, estendendosi fino ad un'altitudine di 80 km. Lì la temperatura scende nuovamente e raggiunge i -90 °C. La densità dell'aria è 200 volte inferiore a quella della superficie terrestre.
4. Sopra si trova la mesosfera termosfera(da 80 a 800 km). La temperatura in questo strato aumenta: a 150 km di altitudine fino a 220 °C; ad un'altitudine di 600 km fino a 1500 °C. I gas atmosferici (azoto e ossigeno) sono allo stato ionizzato. Sotto l'influenza della radiazione solare a onde corte, i singoli elettroni vengono separati dai gusci degli atomi. Di conseguenza, in questo strato - ionosfera compaiono strati di particelle cariche. Il loro strato più denso si trova ad un'altitudine di 300-400 km. A causa della bassa densità, i raggi del sole non vengono dispersi lì, quindi il cielo è nero, su di esso brillano stelle e pianeti.
Nella ionosfera ci sono luci polari, si generano potenti correnti elettriche che causano disturbi campo magnetico Terra.
5. Sopra gli 800 km si trova il guscio esterno - esosfera. La velocità di movimento delle singole particelle nell'esosfera si sta avvicinando al valore critico di 11,2 mm/s, quindi le singole particelle possono superare la gravità e fuggire nello spazio.
Il significato di atmosfera. Il ruolo dell'atmosfera nella vita del nostro pianeta è estremamente grande. Senza di lei la Terra sarebbe morta. L'atmosfera protegge la superficie terrestre dal riscaldamento e dal raffreddamento estremi. Il suo effetto può essere paragonato al ruolo del vetro nelle serre: lascia passare i raggi del sole e previene la perdita di calore.
L'atmosfera protegge gli organismi viventi dalle radiazioni corpuscolari e a onde corte provenienti dal sole. L'atmosfera è l'ambiente in cui si verificano i fenomeni meteorologici, al quale è associata tutta l'attività umana. Lo studio di questo guscio viene effettuato presso le stazioni meteorologiche. Giorno e notte, con qualsiasi tempo, i meteorologi monitorano lo stato dello strato inferiore dell'atmosfera. Quattro volte al giorno e in molte stazioni ogni ora misurano la temperatura, la pressione, l'umidità dell'aria, la nuvolosità, la direzione e la velocità del vento, la quantità di precipitazioni, i valori elettrici e fenomeni sonori nell'atmosfera. Le stazioni meteorologiche si trovano ovunque: in Antartide e in zone umide foreste tropicali, SU alte montagne e nelle vaste distese della tundra. Le osservazioni vengono effettuate anche sugli oceani da navi appositamente costruite.
Dagli anni '30. XX secolo le osservazioni iniziarono nell'atmosfera libera. Hanno iniziato a lanciare radiosonde che raggiungono un'altezza di 25-35 km e, utilizzando apparecchiature radio, trasmettono informazioni sulla temperatura, pressione, umidità dell'aria e velocità del vento sulla Terra. Al giorno d'oggi, anche i razzi meteorologici e i satelliti sono ampiamente utilizzati. Questi ultimi dispongono di installazioni televisive che trasmettono immagini della superficie terrestre e delle nuvole.
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5. Il guscio d'aria della terra§ 31. Riscaldamento dell'atmosfera
Composizione della Terra. Aria
L'aria è una miscela meccanica di vari gas che compongono l'atmosfera terrestre. L'aria è necessaria per respirare organismi viventi
aria. Oggi sappiamo che oltre all’anidride carbonica, la composizione dell’aria terrestre comprende:
La reazione chimica in cui le molecole vengono decomposte in atomi sotto l'influenza della radiazione solare e cosmica è chiamata fotodissociazione. Il decadimento dell'ossigeno molecolare produce ossigeno atomico, che è il principale gas dell'atmosfera ad altitudini superiori a 200 km. Al di sopra dei 1200 km di altitudine cominciano a prevalere l'idrogeno e l'elio, che sono i gas più leggeri.
Poiché la maggior parte dell'aria è concentrata nei 3 strati atmosferici inferiori, i cambiamenti nella composizione dell'aria ad altitudini superiori a 100 km non hanno un effetto notevole sulla composizione generale atmosfera.
L'azoto è il gas più comune e rappresenta più di tre quarti del volume d'aria della Terra. L'azoto moderno si è formato dall'ossidazione della prima atmosfera di ammoniaca e idrogeno da parte dell'ossigeno molecolare, che si forma durante la fotosintesi. Attualmente, piccole quantità di azoto entrano nell'atmosfera a seguito della denitrificazione, il processo di riduzione dei nitrati in nitriti, seguito dalla formazione di ossidi gassosi e azoto molecolare, prodotto dai procarioti anaerobici. Una parte dell'azoto entra nell'atmosfera durante le eruzioni vulcaniche.
IN strati superiori Nell'atmosfera, quando esposto a scariche elettriche con la partecipazione di ozono, l'azoto molecolare viene ossidato in monossido di azoto:
N2+O2 → 2NO
In condizioni normali, il monossido reagisce immediatamente con l'ossigeno per formare protossido di azoto:
2NO+O2 → 2N2O
L'azoto è essenziale elemento chimico atmosfera terrestre. L'azoto fa parte delle proteine e fornisce nutrimento minerale alle piante. Determina la biovelocità reazioni chimiche, svolge il ruolo di diluente dell'ossigeno.
Il secondo gas più comune nell'atmosfera terrestre è l'ossigeno. La formazione di questo gas è associata all'attività fotosintetica di piante e batteri. E quanto più diversi e numerosi diventavano gli organismi fotosintetici, tanto più significativo diventava il processo del contenuto di ossigeno nell'atmosfera. Una piccola quantità di ossigeno pesante viene rilasciata durante il degasaggio del mantello.
Negli strati superiori della troposfera e della stratosfera, sotto l'influenza della radiazione solare ultravioletta (la denotiamo come hν), si forma l'ozono:
O2 + hν → 2O
Come risultato della stessa radiazione ultravioletta, l'ozono si decompone:
O3 + hν → O2 + O
О 3 + O → 2О 2
Come risultato della prima reazione, si forma ossigeno atomico e, come risultato della seconda, si forma ossigeno molecolare. Tutte e 4 le reazioni sono chiamate “meccanismo Chapman”, dal nome dello scienziato britannico Sidney Chapman che le scoprì nel 1930.
L'ossigeno viene utilizzato per la respirazione degli organismi viventi. Con il suo aiuto si verificano processi di ossidazione e combustione.
L'ozono serve a proteggere gli organismi viventi dalle radiazioni ultraviolette, che causano mutazioni irreversibili. La più alta concentrazione di ozono si osserva nella bassa stratosfera all'interno del cosiddetto.
strato di ozono o schermo di ozono, situato ad altitudini di 22-25 km. Il contenuto di ozono è piccolo: a pressione normale, tutto l'ozono presente nell'atmosfera terrestre occuperebbe uno strato spesso solo 2,91 mm.
La formazione del terzo gas più comune nell'atmosfera, l'argon, così come neon, elio, kripton e xeno, è associata alle eruzioni vulcaniche e al decadimento degli elementi radioattivi.
In particolare, l'elio è un prodotto del decadimento radioattivo dell'uranio, del torio e del radio: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (in queste reazioni la particella α è il nucleo di elio, che nel processo di perdita di energia, cattura elettroni e diventa 4 He).
L'argon si forma durante il decadimento dell'isotopo radioattivo del potassio: 40 K → 40 Ar + γ.
Il neon fuoriesce dalle rocce ignee. Krypton è formato come prodotto finale
decadimento dell'uranio (235 U e 238 U) e del torio Th.
La maggior parte del krypton atmosferico si è formato nelle prime fasi dell'evoluzione della Terra a seguito del decadimento di elementi transuranici con un'emivita straordinariamente breve o proveniva dallo spazio, dove il contenuto di krypton è dieci milioni di volte superiore a quello della Terra.
Lo xeno è il risultato della fissione dell'uranio, ma la maggior parte di questo gas rimane dalle prime fasi della formazione della Terra, dall'atmosfera primordiale.
L'anidride carbonica entra nell'atmosfera a seguito di eruzioni vulcaniche e durante la decomposizione della materia organica. Il suo contenuto nell'atmosfera delle medie latitudini della Terra varia notevolmente a seconda delle stagioni dell'anno: in inverno la quantità di CO 2 aumenta, mentre in estate diminuisce.
Il vapore acqueo è il risultato dell'evaporazione dell'acqua dalla superficie di laghi, fiumi, mari e terra.
La concentrazione dei principali gas negli strati inferiori dell'atmosfera, ad eccezione del vapore acqueo e dell'anidride carbonica, è costante. IN piccole quantità l'atmosfera contiene ossido di zolfo SO 2, ammoniaca NH 3, monossido di carbonio CO, ozono O 3, acido cloridrico HCl, acido fluoridrico HF, monossido di azoto NO, idrocarburi, vapori di mercurio Hg, iodio I 2 e molti altri. Nello strato atmosferico più basso, la troposfera, è sempre presente una grande quantità di particelle solide e liquide in sospensione.
Le fonti di particolato nell'atmosfera terrestre sono eruzioni vulcaniche, polline di piante, microrganismi e ultimamente e le attività umane, come la combustione di combustibili fossili durante la produzione. Le più piccole particelle di polvere, che sono nuclei di condensazione, provocano la formazione di nebbie e nubi. Senza il particolato costantemente presente nell’atmosfera, le precipitazioni non cadrebbero sulla Terra.
L'atmosfera terrestre è un guscio d'aria.
La presenza di una palla speciale sopra la superficie terrestre fu dimostrata dagli antichi greci, che chiamavano l'atmosfera una palla di vapore o gas.
Questa è una delle geosfere del pianeta, senza la quale l'esistenza di tutti gli esseri viventi non sarebbe possibile.
Dov'è l'atmosfera?
L'atmosfera circonda i pianeti con un denso strato d'aria, a partire dalla superficie terrestre. Entra in contatto con l'idrosfera, copre la litosfera, estendendosi lontano nello spazio.
In cosa consiste l'atmosfera?
Lo strato d'aria della Terra è costituito principalmente da aria, la cui massa totale raggiunge 5,3 * 1018 chilogrammi. Di queste, la parte malata è l’aria secca, e molto meno il vapore acqueo.
Sul mare la densità dell'atmosfera è di 1,2 chilogrammi per metro cubo. La temperatura nell'atmosfera può raggiungere –140,7 gradi, l'aria si dissolve nell'acqua a temperatura zero.
L'atmosfera è composta da diversi strati:
- Troposfera;
- tropopausa;
- Stratosfera e stratopausa;
- Mesosfera e mesopausa;
- Una linea speciale sopra il livello del mare chiamata linea Karman;
- Termosfera e termopausa;
- Zona di diffusione o esosfera.
Ogni strato ha le sue caratteristiche; sono interconnessi e garantiscono il funzionamento dell’involucro d’aria del pianeta.
Limiti dell'atmosfera
Il bordo più basso dell'atmosfera passa attraverso l'idrosfera e gli strati superiori della litosfera. Il limite superiore inizia nell'esosfera, che si trova a 700 chilometri dalla superficie del pianeta e raggiungerà 1,3 mila chilometri.
Secondo alcuni rapporti, l'atmosfera raggiunge i 10mila chilometri. Gli scienziati hanno convenuto che il limite superiore dello strato d'aria dovrebbe essere la linea Karman, poiché qui l'aeronautica non è più possibile.
Grazie a costanti studi in quest'area, gli scienziati hanno stabilito che l'atmosfera entra in contatto con la ionosfera ad un'altitudine di 118 chilometri.
Composizione chimica
Questo strato della Terra è costituito da gas e impurità gassose, che includono residui di combustione, sale marino, ghiaccio, acqua e polvere. La composizione e la massa dei gas presenti nell'atmosfera non cambiano quasi mai, cambia solo la concentrazione di acqua e anidride carbonica.
A seconda della latitudine, la composizione dell'acqua può variare dallo 0,2% al 2,5%. Ulteriori elementi sono cloro, azoto, zolfo, ammoniaca, carbonio, ozono, idrocarburi, acido cloridrico, acido fluoridrico, acido bromidrico, acido iodidrico.
Una parte separata è occupata dal mercurio, dallo iodio, dal bromo e dall'ossido nitrico. Inoltre, nella troposfera si trovano particelle liquide e solide chiamate aerosol. Uno dei gas più rari del pianeta, il radon, si trova nell'atmosfera.
In termini di composizione chimica, l'azoto occupa oltre il 78% dell'atmosfera, l'ossigeno - quasi il 21%, l'anidride carbonica - 0,03%, l'argon - quasi l'1%, la quantità totale della sostanza è inferiore allo 0,01%. Questa composizione dell'aria si è formata quando il pianeta è emerso per la prima volta e ha iniziato a svilupparsi.
Con l'avvento dell'uomo, che passò gradualmente alla produzione, composizione chimica cambiato. In particolare, la quantità di anidride carbonica è in costante aumento.
Funzioni dell'atmosfera
I gas nello strato d'aria svolgono una varietà di funzioni. Innanzitutto assorbono i raggi e l'energia radiante. In secondo luogo, influenzano la formazione della temperatura nell'atmosfera e sulla Terra. In terzo luogo, assicura la vita e il suo corso sulla Terra.
Inoltre, questo strato fornisce la termoregolazione, che determina il tempo e il clima, la modalità di distribuzione del calore e la pressione atmosferica. La troposfera aiuta a regolare il flusso delle masse d'aria, a determinare il movimento dell'acqua e i processi di scambio di calore.
L'atmosfera interagisce costantemente con la litosfera e l'idrosfera, fornendo processi geologici. Maggior parte funzione principaleè che c'è protezione dalla polvere di origine meteoritica, dall'influenza dello spazio e del sole.
Fatti
- L'ossigeno fornisce alla Terra la decomposizione materia organica o roccia dura, che è molto importante durante le emissioni, la decomposizione delle rocce, l'ossidazione degli organismi.
- L'anidride carbonica favorisce la fotosintesi e contribuisce anche alla trasmissione delle onde corte della radiazione solare e all'assorbimento delle onde termiche lunghe. Se ciò non accade, si osserva il cosiddetto effetto serra.
- Uno dei principali problemi associati all'atmosfera è l'inquinamento, dovuto al funzionamento delle fabbriche e alle emissioni delle automobili. Pertanto, in molti paesi uno speciale controllo ambientale, e a livello internazionale si stanno adottando meccanismi speciali per regolare le emissioni e l’effetto serra.
Ogni persona alfabetizzata dovrebbe sapere non solo che il pianeta è circondato da un’atmosfera composta da una miscela di tutti i tipi di gas, ma anche che esistono diversi strati dell’atmosfera che si trovano a distanze disuguali dalla superficie terrestre.
Osservando il cielo non vediamo affatto la sua struttura complessa, la sua composizione eterogenea, o altre cose nascoste alla vista. Ma è proprio grazie alla composizione complessa e multicomponente dello strato d'aria che intorno al pianeta esistono le condizioni che hanno permesso la nascita della vita qui, la fioritura della vegetazione e la comparsa di tutto ciò che è mai esistito qui.
La conoscenza dell'argomento della conversazione viene data alle persone già al 6 ° anno di scuola, ma alcuni non hanno ancora completato gli studi e alcuni sono stati lì da così tanto tempo che hanno già dimenticato tutto. Tuttavia, ogni persona istruita dovrebbe sapere in cosa consiste il mondo che lo circonda, soprattutto quella parte da cui dipende direttamente la possibilità stessa della sua vita normale.
Qual è il nome di ogni strato dell'atmosfera, a quale altitudine si trova e che ruolo svolge? Tutti questi problemi saranno discussi di seguito.
La struttura dell'atmosfera terrestre
Guardando il cielo, soprattutto quando è completamente senza nuvole, è molto difficile persino immaginare che abbia una struttura così complessa e multistrato, che la temperatura lì a diverse altitudini sia molto diversa, e cosa sta succedendo esattamente lì, in l'altitudine processi critici per tutta la flora e la fauna della Terra.
Se non fosse per una composizione così complessa della copertura gassosa del pianeta, semplicemente non ci sarebbe vita qui e nemmeno la possibilità della sua origine.
I primi tentativi di studiare questa parte del mondo circostante furono fatti dagli antichi greci, ma non poterono andare troppo lontano nelle loro conclusioni, poiché non disponevano della base tecnica necessaria. Non vedevano i confini dei diversi strati, non potevano misurare la loro temperatura, studiare la composizione dei loro componenti, ecc.
Fondamentalmente, solo i fenomeni meteorologici hanno spinto le menti più progressiste a pensare che il cielo visibile non sia così semplice come sembra.
Si ritiene che la struttura del moderno guscio di gas attorno alla Terra si sia formata in tre fasi. Prima c'era un'atmosfera primordiale di idrogeno ed elio catturati dallo spazio.
Poi le eruzioni vulcaniche riempirono l'aria con una massa di altre particelle e si formò un'atmosfera secondaria. Dopo aver attraversato tutte le reazioni chimiche di base e i processi di rilassamento delle particelle, si è verificata la situazione attuale.
Strati dell'atmosfera in ordine dalla superficie terrestre e loro caratteristiche
La struttura del guscio gassoso del pianeta è piuttosto complessa e diversificata. Vediamolo più nel dettaglio, arrivando via via ai massimi livelli.
Troposfera
A parte lo strato limite, la troposfera è lo strato più basso dell'atmosfera. Si estende ad un'altezza di circa 8-10 km sopra la superficie terrestre nelle regioni polari, 10-12 km nei climi temperati e 16-18 km nelle parti tropicali.
Fatto interessante: questa distanza può variare a seconda del periodo dell'anno: in inverno è leggermente inferiore che in estate.
L'aria della troposfera contiene la principale forza vivificante per tutta la vita sulla terra. Contiene circa l'80% di tutta l'aria atmosferica disponibile, più del 90% del vapore acqueo, ed è qui che si formano nuvole, cicloni e altri fenomeni atmosferici.
È interessante notare la graduale diminuzione della temperatura man mano che si sale dalla superficie del pianeta. Gli scienziati hanno calcolato che per ogni 100 m di altitudine la temperatura diminuisce di circa 0,6-0,7 gradi.
Stratosfera
Il successivo strato più importante è la stratosfera. L'altezza della stratosfera è di circa 45-50 chilometri. Si parte al km 11 e qui prevalgono già temperature negative che arrivano fino a -57°C.
Perché questo strato è importante per gli esseri umani, tutti gli animali e le piante? È qui, ad un'altitudine di 20-25 chilometri, che si trova lo strato di ozono: intrappola i raggi ultravioletti emanati dal sole e riduce il loro effetto distruttivo sulla flora e sulla fauna a un livello accettabile.
È molto interessante notare che la stratosfera assorbe molti tipi di radiazioni che arrivano sulla terra dal sole, dalle altre stelle e dallo spazio. L'energia ricevuta da queste particelle viene utilizzata per ionizzare le molecole e gli atomi che si trovano qui e compaiono vari composti chimici.
Tutto ciò porta a un fenomeno così famoso e colorato come l'aurora boreale.
Mesosfera
La mesosfera inizia a circa 50 e si estende fino a 90 chilometri. Qui il gradiente, ovvero la differenza di temperatura con i cambiamenti di altitudine, non è più così grande come negli strati inferiori. Ai limiti superiori di questo guscio la temperatura è di circa -80°C. La composizione di quest'area comprende circa l'80% di azoto e il 20% di ossigeno.
È importante notare che la mesosfera è una sorta di zona morta per qualsiasi dispositivo volante. Gli aeroplani non possono volare qui, poiché l'aria è troppo rarefatta, e i satelliti non possono volare a un'altitudine così bassa, poiché la densità dell'aria disponibile per loro è molto alta.
Ancora uno caratteristica interessante mesosfera – È qui che bruciano i meteoriti che colpiscono il pianeta. Lo studio di tali strati distanti dalla terra avviene con l'ausilio di speciali razzi, ma l'efficienza del processo è bassa, quindi la conoscenza della regione lascia molto a desiderare.
Termosfera
Subito dopo arriva lo strato considerato la termosfera, la cui altitudine in chilometri si estende fino a 800 km. In un certo senso, questo è quasi lo spazio esterno. Qui c'è un impatto aggressivo della radiazione cosmica, della radiazione, della radiazione solare.
Tutto ciò dà origine a un fenomeno così meraviglioso e bello come l'aurora.
Lo strato più basso della termosfera viene riscaldato a temperature di circa 200 K o più. Ciò accade a causa dei processi elementari tra atomi e molecole, della loro ricombinazione e radiazione.
Gli strati superiori vengono riscaldati a causa del flusso qui tempeste magnetiche, correnti elettriche, che vengono generati in questo caso. La temperatura dello strato non è uniforme e può variare in modo molto significativo.
La maggior parte dei voli avviene nella termosfera satelliti artificiali, corpi balistici, stazioni presidiate, ecc.
Inoltre, qui vengono effettuati test di lancio di vari tipi di armi e missili.
Esosfera L'esosfera, o come viene anche chiamata sfera di dispersione, è il livello più alto della nostra atmosfera, il suo limite, seguito dallo spazio interplanetario.
L'esosfera inizia ad un'altitudine di circa 800-1000 chilometri.
Gli strati densi vengono lasciati indietro e qui l'aria è estremamente rarefatta; le particelle che cadono dall'esterno vengono semplicemente trasportate nello spazio per il debolissimo effetto della gravità. Questo guscio termina ad un'altitudine di circa 3000-3500 km
, e qui non ci sono quasi più particelle. Questa zona è chiamata vuoto del vicino spazio. Ciò che qui predomina non sono le singole particelle nel loro stato normale, ma il plasma, il più delle volte completamente ionizzato.
Ecco come appaiono tutti i principali livelli dell'atmosfera del nostro pianeta. Il suo schema dettagliato può includere altre regioni, ma queste sono di secondaria importanza.
È importante notarlo L’atmosfera gioca un ruolo decisivo per la vita sulla Terra. Molto ozono nella sua stratosfera consente alla flora e alla fauna di sfuggire agli effetti mortali delle radiazioni e delle radiazioni provenienti dallo spazio.
È anche qui che si forma il tempo, si verificano tutti i fenomeni atmosferici, nascono e muoiono cicloni e venti e si stabilisce questa o quella pressione. Tutto ciò ha un impatto diretto sulla condizione dell'uomo, di tutti gli organismi viventi e delle piante.
Lo strato più vicino, la troposfera, ci dà l'opportunità di respirare, satura di ossigeno tutti gli esseri viventi e consente loro di vivere. Anche piccole deviazioni nella struttura e nella composizione dei componenti dell'atmosfera possono avere gli effetti più dannosi su tutti gli esseri viventi.
Ecco perché ora è stata lanciata una campagna contro le emissioni nocive delle automobili e della produzione, gli ambientalisti lanciano l'allarme sullo spessore dello strato di ozono, il Partito dei Verdi e altri come loro sostengono la massima conservazione della natura. Questo è l’unico modo per prolungare la vita normale sulla terra e non renderla insopportabile dal punto di vista climatico.
Il suo limite superiore è ad un'altitudine di 8-10 km alle latitudini polari, 10-12 km alle latitudini temperate e 16-18 km alle latitudini tropicali; più basso in inverno che in estate. Lo strato inferiore e principale dell'atmosfera. Contiene più dell'80% della massa totale dell'aria atmosferica e circa il 90% di tutto il vapore acqueo presente nell'atmosfera. Nella troposfera la turbolenza e la convezione sono molto sviluppate, compaiono le nuvole e si sviluppano cicloni e anticicloni. La temperatura diminuisce con l'aumentare della quota con un dislivello verticale medio di 0,65°/100 m
Sono accettate come “condizioni normali” sulla superficie terrestre: densità 1,2 kg/m3, pressione barometrica 101,35 kPa, temperatura più 20 °C e umidità relativa 50%. Questi indicatori condizionali hanno un significato puramente ingegneristico.
Stratosfera
Uno strato dell'atmosfera situato ad un'altitudine compresa tra 11 e 50 km. Caratterizzato da un leggero cambiamento di temperatura nello strato di 11-25 km (strato inferiore della stratosfera) e un aumento di temperatura nello strato di 25-40 km da −56,5 a 0,8 ° (strato superiore della stratosfera o regione di inversione). Avendo raggiunto un valore di circa 273 K (quasi 0°C) ad una quota di circa 40 km, la temperatura rimane costante fino ad una quota di circa 55 km. Questa regione a temperatura costante è chiamata stratopausa e costituisce il confine tra la stratosfera e la mesosfera.
Stratopausa
Lo strato limite dell'atmosfera tra la stratosfera e la mesosfera. Nella distribuzione verticale della temperatura c'è un massimo (circa 0 °C).
Mesosfera
Mesopausa
Strato di transizione tra mesosfera e termosfera. C'è un minimo nella distribuzione verticale della temperatura (circa -90°C).
Linea Karman
L'altezza sopra il livello del mare, che è convenzionalmente accettata come confine tra l'atmosfera terrestre e lo spazio.
Termosfera
Il limite superiore è di circa 800 km. La temperatura sale fino a quote di 200-300 km, dove raggiunge valori dell'ordine di 1500 K, dopodiché si mantiene pressoché costante fino a quote elevate. Sotto l'influenza della radiazione solare ultravioletta e dei raggi X e della radiazione cosmica, si verifica la ionizzazione dell'aria ("aurore"): le principali regioni della ionosfera si trovano all'interno della termosfera. Ad altitudini superiori a 300 km predomina l'ossigeno atomico.
Esosfera (sfera di diffusione)
Fino ad un'altitudine di 100 km l'atmosfera è una miscela di gas omogenea e ben miscelata. Negli strati più alti, la distribuzione dei gas in altezza dipende dalla loro pesi molecolari, la concentrazione dei gas più pesanti diminuisce più velocemente con la distanza dalla superficie terrestre. A causa della diminuzione della densità del gas, la temperatura scende da 0°C nella stratosfera a -110°C nella mesosfera. Tuttavia energia cinetica le singole particelle ad altitudini di 200-250 km corrispondono ad una temperatura di ~1500°C. Al di sopra dei 200 km si osservano fluttuazioni significative della temperatura e della densità dei gas nel tempo e nello spazio.
Ad un'altitudine di circa 2000-3000 km l'esosfera si trasforma gradualmente nella cosiddetta vicino al vuoto spaziale, che è pieno di particelle altamente rarefatte di gas interplanetario, principalmente atomi di idrogeno. Ma questo gas rappresenta solo una parte della materia interplanetaria. L'altra parte è costituita da particelle di polvere di origine cometaria e meteorica. In questo spazio penetrano, oltre alle particelle di polvere estremamente rarefatte, anche radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari di origine solare e galattica.
La troposfera rappresenta circa l'80% della massa dell'atmosfera, la stratosfera circa il 20%; massa della mesosfera - non più dello 0,3%, termosfera - meno dello 0,05%. massa totale atmosfera. In base alle proprietà elettriche dell'atmosfera, si distinguono la neutronosfera e la ionosfera. Attualmente si ritiene che l'atmosfera si estenda fino ad un'altitudine di 2000-3000 km.
A seconda della composizione del gas nell'atmosfera, emettono omosfera E eterosfera. Eterosfera- Questa è l'area in cui la gravità influisce sulla separazione dei gas, poiché la loro miscelazione a tale altitudine è trascurabile. Ciò implica una composizione variabile dell'eterosfera. Al di sotto di essa si trova una parte ben miscelata e omogenea dell'atmosfera, chiamata omosfera. Il confine tra questi strati è chiamato turbopausa e si trova ad un'altitudine di circa 120 km.
Proprietà fisiche
Lo spessore dell'atmosfera è di circa 2000 - 3000 km dalla superficie terrestre. La massa d'aria totale è (5.1-5.3)?10 18 kg. La massa molare dell'aria pulita e secca è 28.966. Pressione a 0 °C al livello del mare 101.325 kPa; temperatura critica ?140,7 °C; pressione critica 3,7 MPa; C p 1.0048?10? J/(kg K)(a 0 °C), C v 0,7159 10? J/(kg K) (a 0 °C). La solubilità dell'aria in acqua a 0°C è 0,036%, a 25°C - 0,22%.
Proprietà fisiologiche e altre proprietà dell'atmosfera
Già ad un'altitudine di 5 km sul livello del mare, una persona non allenata inizia a sperimentare la carenza di ossigeno e senza adattamento, le prestazioni di una persona diminuiscono significativamente. La zona fisiologica dell'atmosfera finisce qui. La respirazione umana diventa impossibile ad un'altitudine di 15 km, anche se fino a circa 115 km l'atmosfera contiene ossigeno.
L'atmosfera ci fornisce l'ossigeno necessario per respirare. Tuttavia, a causa della diminuzione della pressione totale dell'atmosfera man mano che si sale in quota, la pressione parziale dell'ossigeno diminuisce di conseguenza.
I polmoni umani contengono costantemente circa 3 litri di aria alveolare. La pressione parziale dell'ossigeno nell'aria alveolare alla normale pressione atmosferica è di 110 mmHg. Art., pressione dell'anidride carbonica - 40 mm Hg. Art. e vapore acqueo - 47 mm Hg. Arte. Con l'aumentare dell'altitudine, la pressione dell'ossigeno diminuisce e la pressione totale del vapore di acqua e anidride carbonica nei polmoni rimane quasi costante: circa 87 mm Hg. Arte. L'apporto di ossigeno ai polmoni si interromperà completamente quando la pressione dell'aria ambiente raggiungerà questo valore.
Ad un'altitudine di circa 19-20 km, la pressione atmosferica scende a 47 mm Hg. Arte. Pertanto, a questa altitudine, l'acqua e il liquido interstiziale iniziano a bollire nel corpo umano. Fuori dalla cabina pressurizzata, a queste altitudini, la morte avviene quasi istantaneamente. Pertanto, dal punto di vista della fisiologia umana, lo “spazio” inizia già ad un'altitudine di 15-19 km.
Dense strati d'aria - la troposfera e la stratosfera - ci proteggono dagli effetti dannosi delle radiazioni. Con sufficiente rarefazione dell'aria, ad altitudini superiori a 36 km, le radiazioni ionizzanti hanno un effetto intenso sul corpo - primario raggi cosmici; Ad altitudini superiori a 40 km, la parte ultravioletta dello spettro solare è pericolosa per l'uomo.
Man mano che saliamo ad un'altezza sempre maggiore sopra la superficie terrestre, fenomeni familiari osservati negli strati inferiori dell'atmosfera come la propagazione del suono, il verificarsi di portanza e resistenza aerodinamica, il trasferimento di calore per convezione, ecc., si indeboliscono gradualmente e poi scompaiono completamente .
Negli strati d’aria rarefatti la propagazione del suono è impossibile. Fino ad altitudini di 60-90 km è ancora possibile sfruttare la resistenza dell'aria e la portanza per il volo aerodinamico controllato. Ma a partire da altitudini di 100-130 km, i concetti familiari a ogni pilota del numero M e della barriera del suono perdono il loro significato; passa la linea Karman convenzionale, oltre la quale inizia la sfera del volo puramente balistico, che può solo essere controllati utilizzando forze reattive.
Ad altitudini superiori a 100 km, l'atmosfera è priva di un'altra proprietà notevole: la capacità di assorbire, condurre e trasmettere energia termica per convezione (cioè mescolando l'aria). Ciò significa che vari elementi di equipaggiamento, equipaggiamento orbitale stazione spaziale non sarà in grado di rinfrescarsi all'esterno come di solito viene fatto su un aereo, con l'aiuto di getti d'aria e radiatori ad aria. A questa quota, come in generale nello spazio, l’unico modo per trasferire calore è la radiazione termica.
Composizione atmosferica
L'atmosfera terrestre è costituita principalmente da gas e varie impurità (polvere, gocce d'acqua, cristalli di ghiaccio, sali marini, prodotti della combustione).
La concentrazione dei gas che compongono l'atmosfera è quasi costante, ad eccezione dell'acqua (H 2 O) e dell'anidride carbonica (CO 2).
| Gas | Contenuto in volume,% |
Contenuto in peso,% |
|---|---|---|
| Azoto | 78,084 | 75,50 |
| Ossigeno | 20,946 | 23,10 |
| Argon | 0,932 | 1,286 |
| Acqua | 0,5-4 | - |
| Anidride carbonica | 0,032 | 0,046 |
| Neon | 1.818×10 −3 | 1,3×10 −3 |
| Elio | 4,6×10 −4 | 7,2×10 −5 |
| Metano | 1,7×10 −4 | - |
| Krypton | 1,14×10 −4 | 2,9×10 −4 |
| Idrogeno | 5×10 −5 | 7,6×10 −5 |
| Xeno | 8,7×10 −6 | - |
| Protossido di azoto | 5×10 −5 | 7,7×10 −5 |
Oltre ai gas indicati in tabella, l'atmosfera contiene SO 2, NH 3, CO, ozono, idrocarburi, HCl, vapori, I 2, oltre a molti altri gas in piccole quantità. La troposfera contiene costantemente una grande quantità di particelle solide e liquide sospese (aerosol).
Storia della formazione atmosferica
Secondo la teoria più diffusa, l'atmosfera terrestre ha avuto nel tempo quattro diverse composizioni. Inizialmente consisteva di gas leggeri (idrogeno ed elio) catturati dallo spazio interplanetario. Questo è il cosiddetto atmosfera primaria(circa quattro miliardi di anni fa). Nella fase successiva, l'attività vulcanica attiva ha portato alla saturazione dell'atmosfera con gas diversi dall'idrogeno (anidride carbonica, ammoniaca, vapore acqueo). Ecco come si è formato atmosfera secondaria(circa tre miliardi di anni prima dei giorni nostri). Questa atmosfera è stata rigenerante. Inoltre, il processo di formazione dell'atmosfera è stato determinato dai seguenti fattori:
- perdita di gas leggeri (idrogeno ed elio) nello spazio interplanetario;
- reazioni chimiche che si verificano nell'atmosfera sotto l'influenza di radiazioni ultraviolette, scariche di fulmini e alcuni altri fattori.
A poco a poco questi fattori portarono alla formazione atmosfera terziaria, caratterizzato da un contenuto molto inferiore di idrogeno e un contenuto molto più elevato di azoto e anidride carbonica (formata a seguito di reazioni chimiche da ammoniaca e idrocarburi).
Azoto
Istruzione grande quantità L'N 2 è dovuto all'ossidazione dell'atmosfera di ammoniaca-idrogeno da parte dell'O 2 molecolare, che iniziò a fuoriuscire dalla superficie del pianeta a seguito della fotosintesi, a partire da 3 miliardi di anni fa. L'N2 viene rilasciato nell'atmosfera anche a seguito della denitrificazione dei nitrati e di altri composti contenenti azoto. L'azoto viene ossidato dall'ozono in NO nell'alta atmosfera.
L'azoto N 2 reagisce solo in condizioni specifiche (ad esempio durante la scarica di un fulmine). L'ossidazione dell'azoto molecolare da parte dell'ozono durante le scariche elettriche viene utilizzata nella produzione industriale di fertilizzanti azotati. Ossidarlo con basso consumo energetico e convertirlo in biologico forma attiva Cianobatteri (alghe blu-verdi) e batteri noduli che formano la simbiosi rizobica con le leguminose, le cosiddette. concime verde.
Ossigeno
La composizione dell'atmosfera iniziò a cambiare radicalmente con la comparsa degli organismi viventi sulla Terra, a seguito della fotosintesi, accompagnata dal rilascio di ossigeno e dall'assorbimento di anidride carbonica. Inizialmente, l'ossigeno veniva speso per l'ossidazione dei composti ridotti: ammoniaca, idrocarburi, forma ferrosa di ferro contenuta negli oceani, ecc. questa fase Il contenuto di ossigeno nell'atmosfera cominciò ad aumentare. A poco a poco si formò un'atmosfera moderna con proprietà ossidanti. Poiché causò cambiamenti importanti e improvvisi in molti processi che si verificano nell’atmosfera, nella litosfera e nella biosfera, l’evento fu chiamato il disastro dell’ossigeno.
Anidride carbonica
Il contenuto di CO 2 nell'atmosfera dipende dall'attività vulcanica e dai processi chimici nei gusci terrestri, ma soprattutto dall'intensità della biosintesi e dalla decomposizione della materia organica nella biosfera terrestre. Quasi tutta la biomassa attuale del pianeta (circa 2,4 × 10 12 tonnellate) si forma a causa dell'anidride carbonica, dell'azoto e del vapore acqueo contenuti nell'aria atmosferica. I prodotti organici sepolti negli oceani, nelle paludi e nelle foreste si trasformano in carbone, petrolio e gas naturale. (vedi Ciclo geochimico del carbonio)
Gas nobili
Inquinamento atmosferico
Recentemente, gli esseri umani hanno iniziato a influenzare l’evoluzione dell’atmosfera. Il risultato delle sue attività fu un costante aumento significativo del contenuto di anidride carbonica nell'atmosfera dovuto alla combustione di idrocarburi accumulati in ere geologiche precedenti. Enormi quantità di CO 2 vengono consumate durante la fotosintesi e assorbite dagli oceani del mondo. Questo gas entra nell'atmosfera a causa della decomposizione di rocce carbonatiche e sostanze organiche di origine vegetale e animale, nonché a causa del vulcanismo e dell'attività industriale umana. Negli ultimi 100 anni, il contenuto di CO 2 nell'atmosfera è aumentato del 10%, la maggior parte (360 miliardi di tonnellate) proviene dalla combustione di carburante. Se il tasso di crescita della combustione dei combustibili continua, nei prossimi 50-60 anni la quantità di CO 2 nell'atmosfera raddoppierà e potrebbe portare a un cambiamento climatico globale.
La combustione dei combustibili è la principale fonte di gas inquinanti (CO, SO2). L'anidride solforosa viene ossidata dall'ossigeno atmosferico in SO 3 negli strati superiori dell'atmosfera, che a sua volta interagisce con l'acqua e il vapore di ammoniaca e il risultante acido solforico (H 2 SO 4) e solfato di ammonio ((NH 4) 2 SO 4 ) vengono restituiti alla superficie della Terra sotto forma dei cosiddetti. pioggia acida. Utilizzo
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