Sam szczyt atmosfery. Główne warstwy atmosfery ziemskiej w porządku rosnącym

Troposfera

Jej górna granica znajduje się na wysokości 8-10 km w polarnych, 10-12 km w umiarkowanych i 16-18 km w tropikalnych szerokościach geograficznych; niższa zimą niż latem. Dolna, główna warstwa atmosfery zawiera ponad 80% całkowitej masy powietrza atmosferycznego i około 90% całej pary wodnej w atmosferze. Turbulencja i konwekcja są silnie rozwinięte w troposferze, pojawiają się chmury, rozwijają się cyklony i antycyklony. Temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości ze średnim pionowym gradientem 0,65 ° / 100 m

Tropopauza

Warstwa przejściowa od troposfery do stratosfery, warstwa atmosfery, w której temperatura spada wraz z wysokością.

Stratosfera

Warstwa atmosfery znajdująca się na wysokości od 11 do 50 km. Niewielka zmiana temperatury w warstwie 11-25 km (dolna warstwa stratosfery) i jej wzrost w warstwie 25-40 km od -56,5 do 0,8°C (górna warstwa stratosfery lub region inwersji) są charakterystyczne. Po osiągnięciu wartości około 273 K (prawie 0 ° C) na wysokości około 40 km, temperatura pozostaje stała do wysokości około 55 km. Ten obszar o stałej temperaturze nazywany jest stratopauzą i stanowi granicę między stratosferą a mezosferą.

Stratopauza

Warstwa graniczna atmosfery między stratosferą a mezosferą. Pionowy rozkład temperatury ma maksimum (około 0°C).

Mezosfera

Mezosfera zaczyna się na wysokości 50 km i rozciąga się na 80-90 km. Temperatura spada wraz z wysokością ze średnim gradientem pionowym (0,25-0,3) ° / 100 m. Głównym procesem energetycznym jest promieniowanie ciepła. Złożone procesy fotochemiczne, w których biorą udział wolne rodniki, wzbudzone drgania cząsteczki itp., powodują świecenie atmosfery.

Mezopauza

Warstwa przejściowa między mezosferą a termosferą. W pionowym rozkładzie temperatur występuje minimum (około -90°C).

Linia kieszonkowa

Wysokość nad poziomem morza, którą umownie przyjmuje się jako granicę między atmosferą ziemską a przestrzenią. Linia Karman znajduje się na wysokości 100 km nad poziomem morza.

Granica ziemskiej atmosfery

Termosfera

Górna granica to około 800 km. Temperatura wzrasta do wysokości 200-300 km, gdzie osiąga wartości rzędu 1500 K, po czym pozostaje prawie stała do dużych wysokości. Pod wpływem ultrafioletowego i rentgenowskiego promieniowania słonecznego i kosmicznego dochodzi do jonizacji powietrza („światła polarne”) – główne obszary jonosfery leżą wewnątrz termosfery. Na wysokościach powyżej 300 km dominuje tlen atomowy. Górna granica termosfery jest w dużej mierze zdeterminowana obecną aktywnością Słońca. W okresach niskiej aktywności następuje zauważalny spadek wielkości tej warstwy.

Termopauza

Obszar atmosfery przylegający do wierzchołka termosfery. W tym obszarze absorpcja promieniowania słonecznego jest znikoma, a temperatura w rzeczywistości nie zmienia się wraz z wysokością.

Egzosfera (Kula Rozproszenia)

Warstwy atmosferyczne do wysokości 120 km

Egzosfera to strefa rozpraszania, zewnętrzna część termosfery, położona powyżej 700 km. Gaz w egzosferze jest bardzo rozrzedzony i stąd dochodzi do wycieku jego cząstek w przestrzeń międzyplanetarną (dyssypacja).

Do wysokości 100 km atmosfera jest jednorodną, ​​dobrze wymieszaną mieszaniną gazów. W wyższych warstwach rozkład gazów wzdłuż wysokości zależy od ich masy cząsteczkowe, stężenie cięższych gazów spada szybciej wraz z odległością od powierzchni Ziemi. Ze względu na spadek gęstości gazów temperatura spada od 0°C w stratosferze do -110°C w mezosferze. ale energia kinetyczna pojedyncze cząstki na wysokościach 200-250 km odpowiadają temperaturze ~150 °C. Powyżej 200 km obserwuje się znaczne wahania temperatury i gęstości gazów w czasie i przestrzeni.

Na wysokości około 2000-3500 km egzosfera stopniowo przechodzi w tak zwaną próżnię kosmiczną, która jest wypełniona bardzo rozrzedzonymi cząsteczkami gazu międzyplanetarnego, głównie atomami wodoru. Ale ten gaz to tylko ułamek materii międzyplanetarnej. Kolejna część składa się z pyłopodobnych cząstek pochodzenia kometarnego i meteorytowego. Oprócz niezwykle rozrzedzonych cząstek pyłopodobnych w tę przestrzeń przenika promieniowanie elektromagnetyczne i korpuskularne pochodzenia słonecznego i galaktycznego.

Troposfera stanowi około 80% masy atmosfery, stratosfera - około 20%; masa mezosfery - nie więcej niż 0,3%, termosfery - mniej niż 0,05% masa całkowita atmosfera. Na podstawie właściwości elektrycznych w atmosferze rozróżnia się neutrosferę i jonosferę. Obecnie uważa się, że atmosfera rozciąga się na wysokość 2000-3000 km.

Homosferę i heterosferę rozróżnia się w zależności od składu gazu w atmosferze. Heterosfera to obszar, w którym grawitacja wpływa na separację gazów, ponieważ ich mieszanie na tej wysokości jest znikome. Stąd zmienny skład heterosfery. Poniżej znajduje się dobrze wymieszana część atmosfery o jednorodnym składzie, zwana homosferą. Granica między tymi warstwami nazywana jest turbopauzą i leży na wysokości około 120 km.

Atmosfera umożliwia życie na Ziemi. Pierwsze informacje i fakty o atmosferze dostajemy w Szkoła Podstawowa... Już w liceum poznajemy to pojęcie bardziej szczegółowo na lekcjach geografii.

Pojęcie atmosfery ziemskiej

Atmosfera jest nie tylko dla Ziemi, ale także dla innych ciała niebieskie... To jest nazwa powłoki gazowej otaczającej planety. Skład tej warstwy gazu różni się znacznie w zależności od planety. Przyjrzyjmy się podstawowym informacjom i faktom dotyczącym inaczej zwanego powietrza.

Najważniejszą jego częścią jest tlen. Niektórzy błędnie myślą, że atmosfera ziemska składa się wyłącznie z tlenu, ale w rzeczywistości powietrze jest mieszaniną gazów. Zawiera 78% azotu i 21% tlenu. Pozostały jeden procent to ozon, argon, dwutlenek węgla, para wodna. Niech procent tych gazów będzie niewielki, ale pełnią one ważną funkcję - pochłaniają znaczną część słonecznej energii promieniowania, zapobiegając w ten sposób oświetleniu przed zamienieniem całego życia na naszej planecie w popiół. Właściwości atmosfery zmieniają się wraz z wysokością. Na przykład na wysokości 65 km azot wynosi 86%, a tlen 19%.

Skład atmosfery ziemskiej

• Dwutlenek węgla niezbędny do odżywiania roślin. W atmosferze pojawia się w wyniku procesu oddychania organizmów żywych, rozkładu i spalania. Jej brak w składzie atmosfery uniemożliwiłby istnienie jakichkolwiek roślin.
• Tlen- ważny składnik atmosfery dla ludzi. Jej obecność jest warunkiem istnienia wszystkich żywych organizmów. Stanowi około 20% całkowitej objętości gazów atmosferycznych.
• Ozon- Jest naturalnym pochłaniaczem słonecznego promieniowania ultrafioletowego, które niekorzystnie wpływa na organizmy żywe. Większość z nich tworzy odrębną warstwę atmosfery - ekran ozonowy. W ostatnim czasie działalność człowieka prowadzi do tego, że zaczyna się stopniowo zapadać, ale ponieważ ma to duże znaczenie, jest realizowana aktywna praca za jego zachowanie i renowację.
• Para wodna określa wilgotność powietrza. Jego zawartość może być różna w zależności od różnych czynników: temperatury powietrza, położenia terytorialnego, pory roku. W niskiej temperaturze w powietrzu jest bardzo mało pary wodnej, może ona wynosić mniej niż jeden procent, a w wysokiej jej ilość sięga 4%.
• Oprócz wszystkich powyższych, w ramach atmosfera ziemska zawsze jest pewien procent zanieczyszczenia stałe i płynne... Są to sadza, popiół, sól morska, kurz, kropelki wody, mikroorganizmy. Mogą dostać się w powietrze zarówno naturalnie, jak i przez człowieka.

Warstwy atmosfery

Temperatura, gęstość i skład jakościowy powietrza nie są takie same na różnych wysokościach. Z tego powodu zwyczajowo rozróżnia się różne warstwy atmosfery. Każdy z nich ma swoją własną charakterystykę. Dowiedzmy się, które warstwy atmosfery są rozróżniane:

• Troposfera — ta warstwa atmosfery znajduje się najbliżej powierzchni Ziemi. Jej wysokość to 8-10 km nad biegunami i 16-18 km w tropikach. Zawiera 90% całej pary wodnej znajdującej się w atmosferze, dlatego istnieje aktywne tworzenie się chmur. Również w tej warstwie obserwuje się takie procesy jak ruch powietrza (wiatr), turbulencje, konwekcja. Temperatura waha się od +45 stopni w południe w ciepłym sezonie w tropikach do -65 stopni na biegunach.
• Stratosfera jest drugą najbardziej odległą warstwą atmosfery. Znajduje się na wysokości od 11 do 50 km. W dolnej warstwie stratosfery temperatura wynosi około -55, w odległości od Ziemi wzrasta do + 1˚С. Obszar ten nazywany jest inwersją i stanowi granicę między stratosferą a mezosferą.
• Mezosfera znajduje się na wysokości od 50 do 90 km. Temperatura na jej dolnej granicy wynosi około 0, na górze osiąga -80 ...- 90 ˚С. Meteoryty wchodzące w ziemską atmosferę całkowicie wypalają się w mezosferze, przez co świeci tu powietrze.
• Termosfera ma około 700 km grubości. W tej warstwie atmosfery pojawiają się zorzy polarne. Pojawiają się w wyniku działania promieniowania kosmicznego i promieniowania pochodzącego ze Słońca.
• Egzosfera to strefa rozproszenia powietrza. Tutaj stężenie gazów jest niskie i następuje ich stopniowa ucieczka w przestrzeń międzyplanetarną.

Granica między atmosferą ziemską a przestrzeń uważa się, że jest to granica 100 km. Ta linia nazywa się linią Pocket.

Ciśnienie atmosferyczne

Słuchając prognozy pogody często słyszymy odczyty ciśnienia atmosferycznego. Ale co oznacza ciśnienie atmosferyczne i jak może na nas wpływać?

Odkryliśmy, że powietrze składa się z gazów i zanieczyszczeń. Każdy z tych elementów ma swoją wagę, co oznacza, że ​​atmosfera nie jest nieważka, jak sądzono aż do XVII wieku. Ciśnienie atmosferyczne to siła, z jaką wszystkie warstwy atmosfery naciskają na powierzchnię Ziemi i na wszystkie obiekty.

Naukowcy przeprowadzili skomplikowane obliczenia i udowodnili, że tak… metr kwadratowy powierzchni, atmosfera naciska z siłą 10 333 kg. Oznacza to, że na ciało ludzkie działa ciśnienie powietrza, którego waga wynosi 12-15 ton. Dlaczego tego nie czujemy? Oszczędza nas swoim ciśnieniem wewnętrznym, które równoważy ciśnienie zewnętrzne. Ciśnienie atmosfery można wyczuć w samolocie lub wysoko w górach, ponieważ ciśnienie atmosferyczne na wysokości jest znacznie niższe. W takim przypadku możliwy jest dyskomfort fizyczny, blokowanie uszu i zawroty głowy.

Wiele można powiedzieć o otaczającej atmosferze. Znamy na jej temat wiele ciekawych faktów, a niektóre z nich mogą wydawać się zaskakujące:

• Masa atmosfery ziemskiej wynosi 5 300 000 000 000 000 ton.
• Przyczynia się do transmisji dźwięku. Na wysokości ponad 100 km ta właściwość znika z powodu zmiany składu atmosfery.
• Ruch atmosfery wywołany jest nierównomiernym nagrzewaniem się powierzchni Ziemi.
• Termometr służy do określania temperatury powietrza, a barometr służy do określania siły ciśnienia atmosferycznego.
• Obecność atmosfery ratuje naszą planetę przed 100 ton meteorytów dziennie.
• Skład powietrza utrzymywał się na kilkaset milionów lat, ale zaczął się zmieniać wraz z początkiem intensywnej działalności przemysłowej.
• Uważa się, że atmosfera rozciąga się w górę do wysokości 3000 km.

Wartość atmosfery dla ludzi

Strefa fizjologiczna atmosfery wynosi 5 km. Na wysokości 5000 m n.p.m. człowiek zaczyna przejawiać głód tlenu, co wyraża się spadkiem wydajności i pogorszeniem samopoczucia. To pokazuje, że człowiek nie może przetrwać w kosmosie bez tej niesamowitej mieszanki gazów.

Wszystkie informacje i fakty dotyczące atmosfery tylko potwierdzają jej znaczenie dla ludzi. Dzięki jej obecności stał się możliwy rozwój życia na Ziemi. Już dziś, po oszacowaniu skali szkód, jakie ludzkość jest zdolna wyrządzić życiodajnemu powietrzu swymi działaniami, należy pomyśleć o dalszych środkach zachowania i przywrócenia atmosfery.

Na poziomie morza 1013,25 hPa (około 760 mm Hg). Średnia globalna temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi wynosi 15°C, natomiast temperatura waha się od około 57°C na subtropikalnych pustyniach do -89°C na Antarktydzie. Gęstość powietrza i ciśnienie spadają wraz z wysokością zgodnie z prawem zbliżonym do wykładniczego.

Struktura atmosfery... W pionie atmosfera ma strukturę warstwową, o której decydują głównie cechy rozkładu temperatury w pionie (rysunek), który zależy od położenia geograficznego, pory roku, pory dnia i tak dalej. Dolna warstwa atmosfery - troposfera - charakteryzuje się spadkiem temperatury wraz z wysokością (o ok. 6°C na 1 km), jej wysokość wynosi od 8-10 km na szerokościach polarnych do 16-18 km w tropikach. Ze względu na szybki spadek gęstości powietrza wraz z wysokością około 80% całkowitej masy atmosfery znajduje się w troposferze. Nad troposferą znajduje się stratosfera - warstwa, która generalnie charakteryzuje się wzrostem temperatury wraz z wysokością. Warstwa przejściowa między troposferą a stratosferą nazywana jest tropopauzą. W dolnej stratosferze, do poziomu około 20 km, temperatura zmienia się nieznacznie wraz z wysokością (tzw. region izotermiczny), a często nawet nieznacznie spada. Powyżej temperatura wzrasta z powodu absorpcji promieniowania UV ze Słońca przez ozon, początkowo powoli, a od poziomu 34-36 km - szybciej. Górna granica stratosfery - stratopauza - znajduje się na wysokości 50-55 km, co odpowiada maksymalnej temperaturze (260-270 K). Warstwa atmosfery, położona na wysokości 55-85 km, gdzie temperatura ponownie spada wraz z wysokością, nazywana jest mezosferą, na jej górnej granicy - mezopauzą - temperatura latem sięga 150-160 K, a 200- Zimą 230 K. Nad mezopauzą zaczyna się termosfera - warstwa charakteryzująca się szybkim wzrostem temperatury, osiągając na wysokości 250 km 800-1200 K. Termosfera pochłania promieniowanie korpuskularne i rentgenowskie ze Słońca, spowalnia i spala meteory, dlatego pełni funkcję ochronnej warstwy Ziemi. Jeszcze wyżej znajduje się egzosfera, z której gazy atmosferyczne są rozpraszane w przestrzeni światowej w wyniku rozpraszania i gdzie następuje stopniowe przejście z atmosfery do przestrzeni międzyplanetarnej.

Skład atmosfery... Do wysokości około 100 km atmosfera jest praktycznie jednorodna pod względem składu chemicznego, a średnia masa cząsteczkowa powietrza (około 29) jest w niej stała. W pobliżu powierzchni Ziemi atmosfera składa się z azotu (około 78,1% objętości) i tlenu (około 20,9%), a także zawiera niewielkie ilości argonu, dwutlenku węgla ( dwutlenek węgla), neon i inne stałe i zmienne składniki (patrz powietrze).

Ponadto atmosfera zawiera niewielkie ilości ozonu, tlenków azotu, amoniaku, radonu itp. Względna zawartość głównych składników powietrza jest stała w czasie i jednorodna w różnych regionach geograficznych. Zawartość pary wodnej i ozonu jest zmienna w czasie i przestrzeni; pomimo ich niskiej zawartości, ich rola w procesach atmosferycznych jest bardzo znacząca.

Powyżej 100-110 km cząsteczki tlenu, dwutlenku węgla i pary wodnej dysocjują, przez co masa cząsteczkowa powietrza maleje. Na wysokości około 1000 km zaczynają dominować lekkie gazy - hel i wodór, a jeszcze wyżej atmosfera ziemska stopniowo zamienia się w gaz międzyplanetarny.

Najważniejszym zmiennym składnikiem atmosfery jest para wodna, która uwalniana jest do atmosfery w wyniku parowania z powierzchni wody i wilgotnej gleby oraz transpiracji przez rośliny. Względna zawartość pary wodnej w pobliżu powierzchni Ziemi waha się od 2,6% w tropikach do 0,2% na szerokościach polarnych. Wraz z wysokością gwałtownie opada, zmniejszając się o połowę już na wysokości 1,5-2 km. Pionowa kolumna atmosfery w umiarkowanych szerokościach geograficznych zawiera około 1,7 cm „warstwy wytrąconej wody”. Kiedy para wodna skrapla się, tworzą się chmury, z których spadają opady atmosferyczne w postaci deszczu, gradu, śniegu.

Ważnym składnikiem powietrza atmosferycznego jest ozon, który w 90% koncentruje się w stratosferze (od 10 do 50 km), z czego około 10% w troposferze. Ozon zapewnia pochłanianie twardego promieniowania UV (o długości fali poniżej 290 nm) i to jest jego rola ochronna dla biosfery. Wartości całkowitej zawartości ozonu wahają się w zależności od szerokości geograficznej i pory roku w zakresie od 0,22 do 0,45 cm (grubość warstwy ozonowej przy ciśnieniu p=1 atm i temperaturze T=0°C). W dziurach ozonowych obserwowanych wiosną na Antarktydzie od początku lat 80. zawartość ozonu może spaść do 0,07 cm. Wzrasta od równika do biegunów i ma roczne wahania z maksimum wiosną i minimum jesienią, a amplitudą roczna zmienność jest niewielka w tropikach i rośnie w kierunku dużych szerokości geograficznych. Istotnym zmiennym składnikiem atmosfery jest dwutlenek węgla, którego zawartość w atmosferze wzrosła w ciągu ostatnich 200 lat o 35%, co tłumaczy się głównie czynnikiem antropogenicznym. Obserwuje się jego zmienność równoleżnikową i sezonową, związaną z fotosyntezą roślin i rozpuszczalnością w wodzie morskiej (zgodnie z prawem Henry'ego rozpuszczalność gazu w wodzie maleje wraz ze wzrostem jego temperatury).

Ważna rola W kształtowaniu klimatu planety gra aerozol atmosferyczny - cząstki stałe i ciekłe zawieszone w powietrzu, o wielkości od kilku nm do kilkudziesięciu mikronów. Wyróżnia się aerozole pochodzenia naturalnego i antropogenicznego. Aerozol powstaje w wyniku reakcji fazy gazowej z produktów odpadowych roślin i działalności gospodarczej człowieka, erupcji wulkanicznych, w wyniku unoszenia pyłu przez wiatr z powierzchni planety, zwłaszcza z jej pustynnych obszarów oraz powstaje również z kosmicznego pyłu, który wpada do górnych warstw atmosfery. Większość aerozolu koncentruje się w troposferze, aerozol z erupcji wulkanicznych tworzy na wysokości około 20 km tzw. warstwę Junge. Najwięcej aerozolu antropogenicznego przedostaje się do atmosfery w wyniku eksploatacji pojazdów i elektrociepłowni, produkcji chemicznej, spalania paliw itp. Dlatego w niektórych rejonach skład atmosfery znacznie odbiega od zwykłego powietrza, które wymagało stworzenie specjalnej usługi monitorowania i monitorowania poziomu zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego.

Ewolucja atmosfery... Współczesna atmosfera ma najwyraźniej drugorzędne pochodzenie: powstała z gazów uwolnionych przez stałą powłokę Ziemi po zakończeniu formowania się planety około 4,5 miliarda lat temu. Podczas historia geologiczna Atmosfera ziemska ulegała istotnym zmianom w swoim składzie pod wpływem wielu czynników: rozpraszania (ulatniania) gazów, głównie lżejszych, w przestrzeń kosmiczną; uwolnienie gazów z litosfery w wyniku aktywności wulkanicznej; reakcje chemiczne między składnikami atmosfery a skałami tworzącymi skorupę ziemską; reakcje fotochemiczne w samej atmosferze pod wpływem słonecznego promieniowania UV; akrecja (przechwytywanie) materii ośrodka międzyplanetarnego (na przykład materii meteorytowej). Rozwój atmosfery jest ściśle związany z procesami geologicznymi i geochemicznymi, a ostatnie 3-4 miliardy lat także z aktywnością biosfery. Znaczna część gazów tworzących współczesną atmosferę (azot, dwutlenek węgla, para wodna) powstała w wyniku aktywności wulkanicznej i intruzji, która wyprowadziła je z głębi Ziemi. Tlen pojawił się w zauważalnych ilościach około 2 miliardy lat temu w wyniku działalności organizmów fotosyntetycznych, które pierwotnie powstały w wody powierzchniowe ocean.

Na podstawie danych o składzie chemicznym złóż węglanowych uzyskano szacunki ilości dwutlenku węgla i tlenu w atmosferze z przeszłości geologicznej. W fanerozoiku (ostatnie 570 milionów lat historii Ziemi) ilość dwutlenku węgla w atmosferze była bardzo zróżnicowana w zależności od poziomu aktywności wulkanicznej, temperatury oceanu i poziomu fotosyntezy. Przez większość tego czasu stężenie dwutlenku węgla w atmosferze było znacznie wyższe niż obecnie (nawet 10-krotnie). Ilość tlenu w atmosferze fanerozoiku uległa znacznym zmianom i dominowała tendencja do jego zwiększania. W atmosferze prekambryjskiej masa dwutlenku węgla była z reguły większa, a masa tlenu mniejsza niż w atmosferze fanerozoicznej. Wahania ilości dwutlenku węgla w przeszłości miały istotny wpływ na klimat, nasilając efekt cieplarniany wraz ze wzrostem stężenia dwutlenku węgla, przez co klimat w głównej części fanerozoiku był znacznie cieplejszy niż w ery nowożytnej.

Atmosfera i życie... Bez atmosfery Ziemia byłaby martwą planetą. Życie organiczne toczy się w ścisłej interakcji z atmosferą i związanym z nią klimatem i pogodą. Niewielka masa w porównaniu z całą planetą (około milionowej części), atmosfera jest warunkiem sine qua non wszystkich form życia. Największe znaczenie dla życiowej aktywności organizmów mają tlen, azot, para wodna, dwutlenek węgla, ozon. Kiedy dwutlenek węgla jest pochłaniany przez rośliny fotosyntetyczne, powstaje materia organiczna, która jest wykorzystywana jako źródło energii przez zdecydowaną większość żywych organizmów, w tym ludzi. Tlen jest niezbędny do istnienia organizmów tlenowych, dla których przepływ energii zapewniają reakcje utleniania materia organiczna... Azot asymilowany przez niektóre mikroorganizmy (utrwalacze azotu) jest niezbędny do mineralnego odżywiania roślin. Ozon, który pochłania twarde promieniowanie UV Słońca, znacznie tłumi tę szkodliwą dla życia część promieniowania słonecznego. Kondensacja pary wodnej w atmosferze, tworzenie się chmur i późniejsze opady atmosferyczne dostarczają wodę na ląd, bez której żadne formy życia nie są możliwe. Aktywność życiowa organizmów w hydrosferze w dużej mierze zależy od liczby i skład chemiczny gazy atmosferyczne rozpuszczone w wodzie. Ponieważ skład chemiczny atmosfery w znacznym stopniu zależy od aktywności organizmów, biosferę i atmosferę można uznać za część jednego systemu, którego utrzymanie i ewolucja (patrz Cykle biogeochemiczne) miały ogromne znaczenie dla zmiany składu atmosferę w całej historii Ziemi jako planety.

Bilanse promieniowania, ciepła i wody w atmosferze... Promieniowanie słoneczne jest praktycznie jedynym źródłem energii dla wszystkich procesów fizycznych w atmosferze. Główną cechą reżimu promieniowania atmosfery jest tak zwany efekt cieplarniany: atmosfera dość dobrze przepuszcza promieniowanie słoneczne na powierzchnię ziemi, ale aktywnie pochłania długofalowe promieniowanie cieplne z powierzchni ziemi, którego część powraca na powierzchnię w postaci przeciwpromieniowania, które kompensuje straty ciepła promieniowania przez powierzchnię ziemi (patrz Promieniowanie atmosferyczne ). W przypadku braku atmosfery średnia temperatura powierzchni ziemi wynosiłaby -18°C, w rzeczywistości jest to 15°C. Wpadające promieniowanie słoneczne jest częściowo (około 20%) pochłaniane do atmosfery (głównie przez parę wodną, ​​kropelki wody, dwutlenek węgla, ozon i aerozole), a także jest rozpraszane (około 7%) przez cząsteczki aerozolu i wahania gęstości (rozpraszanie Rayleigha). ). Całkowite promieniowanie docierające do powierzchni ziemi jest od niej częściowo (około 23%) odbijane. Współczynnik odbicia jest określany przez współczynnik odbicia podłoża, tzw. albedo. Średnio albedo Ziemi dla całkowitego strumienia promieniowania słonecznego jest bliskie 30%. Waha się od kilku procent (suchej gleby i czarnoziemu) do 70-90% w przypadku świeżo opadłego śniegu. Radiacyjna wymiana ciepła między powierzchnią Ziemi a atmosferą zależy w znacznym stopniu od albedo i jest determinowana przez efektywne promieniowanie powierzchni Ziemi oraz przeciwpromieniowanie pochłanianej przez nią atmosfery. Suma algebraiczna strumieni promieniowania wchodzących do atmosfery ziemskiej z kosmosu i opuszczających ją z powrotem nazywana jest bilansem promieniowania.

Przemiany promieniowania słonecznego po jego wchłonięciu przez atmosferę i powierzchnię Ziemi determinują bilans cieplny Ziemi jako planety. Głównym źródłem ciepła dla atmosfery jest powierzchnia ziemi; ciepło z niej przekazywane jest nie tylko w postaci promieniowania długofalowego, ale także konwekcji, a także uwalniane jest podczas kondensacji pary wodnej. Udziały tych dopływów ciepła wynoszą odpowiednio odpowiednio 20%, 7% i 23%. To również dodaje około 20% ciepła dzięki absorpcji bezpośredniego promieniowania słonecznego. Strumień promieniowania słonecznego w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni prostopadłą do promieni słonecznych i znajdującą się poza atmosferą w średniej odległości Ziemi od Słońca (tzw. stała słoneczna) wynosi 1367 W/m2, zmiany wynoszą 1– 2 W/m2, w zależności od cyklu aktywności słonecznej. Przy albedo planetarnym na poziomie około 30%, średni w czasie globalny dopływ energii słonecznej na planetę wynosi 239 W/m2. Ponieważ Ziemia jako planeta emituje w kosmos średnio taką samą ilość energii, to zgodnie z prawem Stefana-Boltzmanna efektywna temperatura wychodzącego termicznego promieniowania długofalowego wynosi 255 K (-18°C). Jednocześnie średnia temperatura powierzchni ziemi wynosi 15 ° C. Różnica 33°C wynika z efektu cieplarnianego.

Bilans wodny atmosfery jako całości odpowiada równości ilości wilgoci wyparowanej z powierzchni Ziemi i ilości opadów atmosferycznych opadających na powierzchnię Ziemi. Atmosfera nad oceanami otrzymuje więcej wilgoci z procesów parowania niż nad lądem i traci 90% w postaci opadów. Nadmiar pary wodnej nad oceanami jest przenoszony na kontynenty przez prądy powietrzne. Ilość pary wodnej transportowanej do atmosfery z oceanów na kontynenty jest równa objętości rzek wpływających do oceanów.

Ruch powietrza... Ziemia ma kształt kulisty, więc na duże szerokości geograficzne dociera znacznie mniej promieniowania słonecznego niż do tropików. W rezultacie między szerokościami geograficznymi powstają duże kontrasty temperaturowe. Na rozkład temperatury istotny wpływ ma również względne położenie oceanów i kontynentów. Ze względu na dużą masę wód oceanicznych i dużą pojemność cieplną wody sezonowe wahania temperatury powierzchni oceanu są znacznie mniejsze niż na lądzie. W związku z tym na średnich i wysokich szerokościach geograficznych temperatura powietrza nad oceanami latem jest zauważalnie niższa niż nad kontynentami, a wyższa zimą.

Nierównomierne ogrzewanie atmosfery w różnych rejonach kuli ziemskiej powoduje nierównomierny rozkład przestrzenny ciśnienia atmosferycznego. Na poziomie morza rozkład ciśnienia charakteryzuje się stosunkowo niskimi wartościami w pobliżu równika, wzrostem w strefie podzwrotnikowej (pasy wysokiego ciśnienia) oraz spadkiem w średnich i wysokich szerokościach geograficznych. Jednocześnie na kontynentach pozazwrotnikowych szerokości geograficznych ciśnienie zwykle wzrasta zimą, a spada latem, co jest związane z rozkładem temperatury. Pod wpływem gradientu ciśnienia powietrze ulega przyspieszeniu z obszarów wysokiego ciśnienia do obszarów niskiego ciśnienia, co prowadzi do ruchu mas powietrza. Na poruszające się masy powietrza ma również wpływ siła odchylająca obrotu Ziemi (siła Coriolisa), siła tarcia zmniejszająca się wraz z wysokością i trajektoriami krzywoliniowymi oraz siła odśrodkowa. Turbulentne mieszanie powietrza ma ogromne znaczenie (patrz Turbulencja w atmosferze).

Związany z rozkładem ciśnienia planetarnego złożony system prądy powietrzne (ogólna cyrkulacja atmosfery). W płaszczyźnie południkowej śledzone są średnio dwie lub trzy komórki krążenia południkowego. W pobliżu równika ogrzane powietrze unosi się i opada w strefie podzwrotnikowej, tworząc komórkę Hadleya. W tym samym miejscu powietrze komórki powrotnej Ferrella jest obniżane. Na dużych szerokościach geograficznych często śledzona jest prosta komórka biegunowa. Prędkości w cyrkulacji południkowej są rzędu 1 m/s lub mniej. W wyniku działania siły Coriolisa w większości atmosfery obserwuje się wiatry zachodnie o prędkościach w środkowej troposferze około 15 m/s. Istnieją stosunkowo stabilne systemy wiatrowe. Należą do nich pasaty – wiatry wiejące od pasów wyżów w subtropikach do równika z zauważalną składową wschodnią (ze wschodu na zachód). Monsuny są dość stabilne - prądy powietrzne mają wyraźnie zaznaczony sezonowy charakter: latem wieją z oceanu na stały ląd, a zimą w przeciwnym kierunku. Monsuny są szczególnie regularne Ocean Indyjski... Na średnich szerokościach geograficznych ruch mas powietrza odbywa się głównie na zachód (z zachodu na wschód). Jest to strefa frontów atmosferycznych, na których powstają duże wiry – cyklony i antycyklony, obejmujące wiele setek, a nawet tysięcy kilometrów. Cyklony występują również w tropikach; tutaj są mniejsze, ale bardzo duże prędkości wiatru osiągające siłę huraganu (33 m/s i więcej), tzw. cyklony tropikalne. Na Atlantyku i na wschodzie Pacyfik nazywane są huraganami, a na zachodnim Pacyfiku tajfunami. W górnej troposferze i dolnej stratosferze, w obszarach oddzielających bezpośrednią komórkę południkową cyrkulacji Hadleya i odwróconą komórkę Ferrella, często obserwuje się stosunkowo wąskie, o szerokości setek kilometrów, strumienie strumieniowe o ostro wytyczonych granicach, w których wiatr osiąga 100-150 a nawet 200 m / Z.

Klimat i pogoda... Różnica w ilości promieniowania słonecznego docierającego na różne szerokości geograficzne do różnych właściwości fizyczne powierzchnia ziemi determinuje zróżnicowanie ziemskich klimatów. Od równika do tropikalnych szerokości geograficznych temperatura powietrza w pobliżu powierzchni ziemi wynosi średnio 25-30 ° C i zmienia się nieznacznie w ciągu roku. W strefie równikowej występują zazwyczaj duże opady, co stwarza warunki do nadmiernego zawilgocenia. W strefach tropikalnych ilość opadów spada, a na niektórych obszarach staje się bardzo niska. Znajdują się tutaj rozległe pustynie Ziemi.

W subtropikalnych i średnich szerokościach geograficznych temperatura powietrza zmienia się znacznie w ciągu roku, a różnica między temperaturami latem i zimą jest szczególnie duża na obszarach kontynentów oddalonych od oceanów. Tak więc w niektórych regionach Syberii Wschodniej roczna amplituda temperatury powietrza sięga 65 ° C. Warunki nawilżania na tych szerokościach geograficznych są bardzo zróżnicowane, zależą głównie od ogólnego reżimu cyrkulacji atmosferycznej i różnią się znacznie z roku na rok.

Na szerokościach polarnych temperatura pozostaje niska przez cały rok, nawet przy zauważalnych wahaniach sezonowych. Przyczynia się to do szerokiego rozmieszczenia pokrywy lodowej na oceanach i lądzie oraz wiecznej zmarzliny, która zajmuje ponad 65% jej powierzchni w Rosji, głównie na Syberii.

W ostatnich dziesięcioleciach zmiany w globalnym klimacie stają się coraz bardziej zauważalne. Temperatury rosną bardziej na wysokich szerokościach geograficznych niż na niskich; więcej zimą niż latem; więcej w nocy niż w dzień. W ciągu XX wieku średnia roczna temperatura powietrza w pobliżu powierzchni ziemi w Rosji wzrosła o 1,5-2 ° C, aw niektórych regionach Syberii nastąpił wzrost o kilka stopni. Wiąże się to ze wzrostem efektu cieplarnianego na skutek wzrostu stężenia gazów śladowych.

Pogoda zależy od warunków cyrkulacji atmosferycznej i Lokalizacja geograficzna terenu, jest najbardziej stabilny w tropikach i najbardziej zmienny na średnich i wysokich szerokościach geograficznych. Przede wszystkim pogoda zmienia się w strefach zmian mas powietrza, spowodowana przechodzeniem frontów atmosferycznych, cyklonów i antycyklonów, niosących opady i wzmożony wiatr. Dane do prognozowania pogody są gromadzone w naziemnych stacjach meteorologicznych, statkach i samolotach z satelitów meteorologicznych. Zobacz także Meteorologia.

Zjawiska optyczne, akustyczne i elektryczne w atmosferze... Gdy promieniowanie elektromagnetyczne rozprzestrzenia się w atmosferze w wyniku załamania, pochłaniania i rozpraszania światła przez powietrze i różne cząstki (aerozol, kryształki lodu, krople wody), różne zjawiska optyczne: tęcza, korony, aureola, miraż itp. Rozproszenie światła determinuje pozorną wysokość firmamentu i błękit nieba. Zasięg widoczności obiektów jest określony przez warunki propagacji światła w atmosferze (patrz Widoczność atmosferyczna). Zasięg komunikacji i możliwość wykrywania obiektów przez instrumenty, w tym możliwość obserwacji astronomicznych z powierzchni Ziemi, zależą od przezroczystości atmosfery przy różnych długościach fal. Zjawisko zmierzchu odgrywa ważną rolę w badaniach niejednorodności optycznych w stratosferze i mezosferze. Na przykład fotografowanie zmierzchu z statek kosmiczny umożliwia wykrycie warstw aerozolu. Cechy propagacji promieniowania elektromagnetycznego w atmosferze decydują o dokładności metod. teledetekcja jego parametry. Wszystkie te pytania, podobnie jak wiele innych, są badane przez optykę atmosferyczną. Załamanie i rozpraszanie fal radiowych określa możliwości odbioru radiowego (patrz Propagacja fal radiowych).

Rozchodzenie się dźwięku w atmosferze zależy od przestrzennego rozkładu temperatury i prędkości wiatru (patrz Akustyka atmosfery). Jest interesujący dla teledetekcji atmosfery. Eksplozje ładunków wystrzeliwanych przez rakiety w górne warstwy atmosfery dostarczyły wielu informacji o systemach wiatrowych i przebiegu temperatur w stratosferze i mezosferze. W stabilnej atmosferze uwarstwionej, gdy temperatura spada wraz z wysokością wolniej niż gradient adiabatyczny (9,8 K/km), powstają tzw. fale wewnętrzne. Fale te mogą przemieszczać się w górę do stratosfery, a nawet do mezosfery, gdzie ulegają osłabieniu, przyczyniając się do zwiększenia wiatru i turbulencji.

Ujemny ładunek Ziemi i wynikające z niego pole elektryczne, atmosfera wraz z elektrycznie naładowaną jonosferą i magnetosferą tworzą globalny obwód elektryczny. Ważną rolę odgrywa w tym tworzenie się chmur i elektryczność podczas burzy. Zagrożenie wyładowaniami atmosferycznymi spowodowało konieczność opracowania metod ochrony odgromowej budynków, budowli, linii energetycznych i łączności. Zjawisko to jest szczególnie niebezpieczne dla lotnictwa. Wyładowania atmosferyczne powodują atmosferyczne zakłócenia radiowe, zwane atmosferą (patrz Świszcząca atmosfera). Podczas gwałtownego wzrostu napięcia pole elektryczne obserwuje się wyładowania świetlne powstające na punktach i ostrych rogach obiektów wystających ponad powierzchnię ziemi, na poszczególnych szczytach w górach itp. (światła Elma). Atmosfera zawsze zawiera, w zależności od konkretnych warunków, ilość jonów lekkich i ciężkich, które decydują o przewodności elektrycznej atmosfery. Głównymi jonizatorami powietrza w pobliżu powierzchni ziemi są promieniowanie substancji radioaktywnych zawartych w skorupie ziemskiej i atmosferze, a także promieniowanie kosmiczne... Zobacz także Elektryczność atmosferyczna.

Wpływ człowieka na atmosferę. W ciągu ostatnich stuleci nastąpił wzrost stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze w wyniku działalności człowieka. Udział dwutlenku węgla wzrósł z 2,8-10 2 dwieście lat temu do 3,8-10 2 w 2005 roku, zawartość metanu - z 0,7-10 1 około 300-400 lat temu do 1,8-10 -4 na początku 21. Wiek; Około 20% wzrostu efektu cieplarnianego w ciągu ostatniego stulecia pochodziło z freonów, których praktycznie nie było w atmosferze do połowy XX wieku. Substancje te są uznawane za destruktory ozonu stratosferycznego, a ich produkcja jest zabroniona przez Protokół Montrealski z 1987 roku. Rosnące stężenie dwutlenku węgla w atmosferze spowodowane jest spalaniem coraz większych ilości węgla, ropy, gazu i innych rodzajów paliw węglowych, a także wylesianiem, w wyniku którego zmniejsza się wchłanianie dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy. Stężenie metanu wzrasta wraz ze wzrostem wydobycia ropy i gazu (ze względu na jego straty), a także wraz z ekspansją upraw ryżu i wzrostem pogłowia bydła. Wszystko to przyczynia się do ocieplenia klimatu.

Opracowano metody aktywnego oddziaływania na procesy atmosferyczne w celu zmiany pogody. Służą do ochrony roślin rolniczych przed gradem poprzez rozpraszanie specjalnych odczynników w chmurach burzowych. Są też sposoby na rozpraszanie mgły na lotniskach, zabezpieczanie roślin przed mrozem, działanie na chmury zwiększające opady w odpowiednich miejscach, czy rozpraszające chmury w czasie imprez masowych.

Badanie atmosfery... Informacje o procesach fizycznych zachodzących w atmosferze pozyskiwane są przede wszystkim z obserwacji meteorologicznych, które prowadzi globalna sieć stałych stacji i posterunków meteorologicznych zlokalizowanych na wszystkich kontynentach i na wielu wyspach. Codzienne obserwacje dostarczają informacji o temperaturze i wilgotności powietrza, ciśnieniu atmosferycznym i opadach atmosferycznych, zachmurzeniu, wietrze itp. Obserwacje promieniowania słonecznego i jego przemian prowadzone są na stacjach aktynometrycznych. Duże znaczenie dla badania atmosfery mają sieci stacji aerologicznych, na których przeprowadzane są pomiary meteorologiczne za pomocą radiosond do wysokości 30-35 km. Wiele stacji monitoruje ozon w atmosferze, zjawiska elektryczne w atmosferze oraz skład chemiczny powietrza.

Dane stacji naziemnych uzupełniane są obserwacjami na oceanach, gdzie „statki pogodowe” operują na stałe w niektórych rejonach Oceanu Światowego, a także informacje meteorologiczne otrzymywane ze statków badawczych i innych.

Coraz więcej informacji o atmosferze w ostatnich dziesięcioleciach pozyskiwano za pomocą satelitów meteorologicznych, które są wyposażone w instrumenty do fotografowania chmur i pomiaru strumieni promieniowania ultrafioletowego, podczerwonego i mikrofalowego ze Słońca. Satelity dostarczają informacji o pionowych profilach temperatury, zachmurzenia i jego zawartości wody, pierwiastków bilans promieniowania atmosfery, temperatury powierzchni oceanu itp. Wykorzystując pomiary załamania sygnałów radiowych z systemu satelitów nawigacyjnych, można wyznaczyć w atmosferze pionowe profile gęstości, ciśnienia i temperatury, a także zawartość wilgoci. Za pomocą satelitów stało się możliwe wyjaśnienie wartości stałej słonecznej i albedo planetarnego Ziemi, budowanie map bilansu promieniowania układu Ziemia-atmosfera, mierzenie zawartości i zmienności śladowych zanieczyszczeń atmosferycznych, rozwiązać wiele innych problemów fizyki atmosfery i monitoringu środowiska.

Dosł.: Budyko MI Klimat w przeszłości i przyszłości. L., 1980; Matveev LT Kurs Meteorologii Ogólnej. Fizyka atmosfery. 2. wyd. L., 1984; Budyko M.I., Ronov A. B., Yanshin A. L. Historia atmosfery. L., 1985; Khrgian A. Kh. Fizyka atmosfery. M., 1986; Atmosfera: Podręcznik. L., 1991; Khromov S.P., Petrosyants M.A. Meteorologia i klimatologia. wyd. M., 2001.

G. S. Golicyn, N. A. Zajcewa.

Dokładna wielkość atmosfery nie jest znana, ponieważ jej górna granica nie jest wyraźnie widoczna. Jednak struktura atmosfery została zbadana na tyle, aby każdy mógł zorientować się, jak układa się gazowa otoczka naszej planety.

Naukowcy badający fizykę atmosfery definiują ją jako obszar wokół Ziemi, który krąży z planetą. FAI podaje następujące informacje definicja:

• granica między przestrzenią a atmosferą przebiega wzdłuż linii Karmana. Linia ta, zgodnie z definicją tej samej organizacji, to wysokość nad poziomem morza na wysokości 100 km.

Wszystko powyżej tej linii to przestrzeń kosmiczna. Atmosfera stopniowo przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną, dlatego pojawiają się różne poglądy na temat jej wielkości.

Przy dolnej granicy atmosfery wszystko jest znacznie prostsze - przechodzi po powierzchni Skorupa a powierzchnia wody Ziemi - hydrosfera. W tym przypadku granica, można by powiedzieć, łączy się z powierzchnią ziemi i wody, ponieważ tam cząsteczki są również rozpuszczonymi cząsteczkami powietrza.

Jakie warstwy atmosfery są zawarte w wielkości Ziemi?

Interesujący fakt: jest niższa zimą, wyższa latem.

To w tej warstwie powstają turbulencje, antycyklony i cyklony, tworzą się chmury. To właśnie ta sfera odpowiada za kształtowanie się pogody, znajduje się w niej około 80% wszystkich mas powietrza.

Tropauza to warstwa, w której temperatura nie spada wraz z wysokością. Nad tropopauzą, na wysokości powyżej 11 i do 50 km, znajduje się stratosfera. Stratosfera zawiera warstwę ozonu, o której wiadomo, że chroni planetę przed promieniami ultrafioletowymi. Powietrze w tej warstwie jest rozrzedzone, jest to spowodowane charakterystycznym fioletowym odcieniem nieba. Prędkość powietrza może tu osiągnąć 300 km/h. Pomiędzy stratosferą a mezosferą znajduje się stratopauza - sfera graniczna, w której zachodzi maksimum temperatury.

Kolejna warstwa to mezosfera. Rozciąga się na wysokości 85-90 kilometrów. Kolor nieba w mezosferze jest czarny, więc gwiazdy można obserwować nawet rano i po południu. Zachodzą tam najbardziej złożone procesy fotochemiczne, podczas których powstaje blask atmosfery.

Pomiędzy mezosferą a kolejną warstwą, termosferą, występuje mezopauza. Określa się ją jako warstwę przejściową, w której obserwuje się minimum temperatury. Powyżej, na wysokości 100 kilometrów nad poziomem morza, znajduje się linia Karmana. Powyżej tej linii znajduje się termosfera (granica wysokości 800 km) i egzosfera, zwana także „strefą rozpraszania”. Na wysokości około 2-3 tysięcy kilometrów przechodzi w próżnię kosmiczną.

Biorąc pod uwagę, że górna warstwa atmosfery nie jest wyraźnie śledzona, nie można obliczyć jej dokładnej wielkości. Poza tym w różnych krajów istnieją organizacje o różnych opiniach w tej sprawie. Należy zauważyć że Linia Karmana można uznać za granicę atmosfery ziemskiej tylko warunkowo, ponieważ różne źródła używają różnych znaków granic. W niektórych źródłach można więc znaleźć informację, że górna granica biegnie na wysokości 2500-3000 km.

NASA używa do obliczeń znaku 122 kilometra. Nie tak dawno przeprowadzono eksperymenty wyjaśniające granicę znajdującą się przy znaku 118 km.

10,045 × 10 3 J/(kg*K) (w zakresie temperatur od 0-100°C), C v 8,3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). Rozpuszczalność powietrza w wodzie przy 0 ° С wynosi 0,036%, przy 25 ° С - 0,22%.

Skład atmosfery

Historia powstawania atmosfery

Wczesna historia

Obecnie nauka nie może prześledzić z absolutną dokładnością wszystkich etapów formowania się Ziemi. Według najpowszechniejszej teorii atmosfera ziemska z biegiem czasu składała się z czterech różnych składów. Pierwotnie składał się z lekkich gazów (wodoru i helu) wychwyconych z przestrzeni międzyplanetarnej. To jest tak zwany pierwotna atmosfera... W kolejnym etapie aktywna aktywność wulkaniczna doprowadziła do nasycenia atmosfery gazami innymi niż wodór (węglowodory, amoniak, para wodna). Więc powstał atmosfera wtórna... Atmosfera była regenerująca. Ponadto proces formowania się atmosfery determinowały następujące czynniki:

• stały wyciek wodoru do przestrzeni międzyplanetarnej;
• reakcje chemiczne w atmosferze pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, wyładowań atmosferycznych i innych czynników.

Stopniowo te czynniki doprowadziły do ​​powstania trzeciorzędowa atmosfera, charakteryzujący się znacznie niższą zawartością wodoru oraz znacznie wyższą zawartością azotu i dwutlenku węgla (powstałego w wyniku reakcji chemicznych z amoniakiem i węglowodorami).

Pojawienie się życia i tlenu

Wraz z pojawieniem się na Ziemi organizmów żywych w wyniku fotosyntezy, której towarzyszyło uwalnianie tlenu i absorpcja dwutlenku węgla, skład atmosfery zaczął się zmieniać. Istnieją jednak dane (analiza składu izotopowego tlenu atmosferycznego i uwalnianego podczas fotosyntezy), świadczące na korzyść geologicznego pochodzenia tlenu atmosferycznego.

Początkowo tlen zużywano na utlenianie zredukowanych związków - węglowodorów, żelaza w postaci żelaza zawartej w oceanach itp. Pod koniec tego etapu zawartość tlenu w atmosferze zaczęła rosnąć.

W latach 90. przeprowadzono eksperymenty mające na celu stworzenie zamkniętego systemu ekologicznego („Biosfera 2”), podczas którego nie było możliwe stworzenie stabilnego systemu o jednym składzie powietrza. Wpływ mikroorganizmów doprowadził do obniżenia poziomu tlenu i wzrostu ilości dwutlenku węgla.

Azot

Powstawanie dużej ilości N 2 spowodowane jest utlenianiem pierwotnej atmosfery amoniakowo-wodorowej przez cząsteczkowy O 2 , który zaczął wypływać z powierzchni planety w wyniku fotosyntezy, jak się zakłada około 3 miliardów lat temu (według innej wersji tlen atmosferyczny jest pochodzenia geologicznego). Azot w górnej atmosferze utlenia się do NO, jest wykorzystywany w przemyśle i jest wiązany przez bakterie wiążące azot, natomiast N2 jest uwalniany do atmosfery w wyniku denitryfikacji azotanów i innych związków zawierających azot.

Azot N 2 jest gazem obojętnym i reaguje tylko w określonych warunkach (np. podczas uderzenia pioruna). Może być utleniany i przekształcany w formę biologiczną przez cyjanobakterie, niektóre bakterie (na przykład guzek, tworząc symbiozę ryzobialną z roślinami strączkowymi).

Utlenianie azotu cząsteczkowego wyładowaniami elektrycznymi jest wykorzystywane w przemysłowej produkcji nawozów azotowych, a także doprowadziło do powstania unikalnych złóż azotanów na chilijskiej pustyni Atakama.

Gazy szlachetne

Spalanie paliw jest głównym źródłem zanieczyszczeń gazowych (CO, NO, SO 2). Dwutlenek siarki jest utleniany przez O 2 z powietrza do SO 3 w górnych warstwach atmosfery, który oddziałuje z oparami H 2 O i NH 3, a powstałe H 2 SO 4 i (NH 4) 2 SO 4 powracają do powierzchnia Ziemi wraz z opadami atmosferycznymi. Stosowanie silników spalinowych prowadzi do znacznego zanieczyszczenia atmosfery tlenkami azotu, węglowodorami i związkami ołowiu.

Zanieczyszczenie atmosfery aerozolem jest spowodowane zarówno przyczynami naturalnymi (erupcje wulkanów, burze piaskowe, porywanie kropel wody morskiej i pyłków roślin itp.), jak i działalnością gospodarczą człowieka (wydobycie rud i materiałów budowlanych, spalanie paliw, produkcja cementu, itp.) ... Intensywne, wielkoskalowe usuwanie cząstek stałych do atmosfery jest jedną z możliwych przyczyn zmian klimatycznych na naszej planecie.

Struktura atmosfery i charakterystyka poszczególnych muszli

Stan fizyczny atmosfery zależy od pogody i klimatu. Główne parametry atmosfery: gęstość powietrza, ciśnienie, temperatura i skład. Wraz ze wzrostem wysokości spada gęstość powietrza i ciśnienie atmosferyczne. Temperatura zmienia się również wraz ze zmianami wysokości. Pionowa struktura atmosfery charakteryzuje się różnymi właściwościami temperaturowymi i elektrycznymi, inny stan powietrze. W zależności od temperatury w atmosferze wyróżnia się następujące główne warstwy: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera, egzosfera (sfera rozproszenia). Przejściowe obszary atmosfery pomiędzy sąsiednimi powłokami nazywane są odpowiednio tropopauzą, stratopauzą itp.

Troposfera

Stratosfera

W stratosferze utrzymuje się większość zachodzi krótkofalowa część promieniowania ultrafioletowego (180-200 nm) i transformacja energii fal krótkich. Pod wpływem tych promieni zmieniają się pola magnetyczne, cząsteczki rozpadają się, następuje jonizacja, tworzenie się nowych gazów i inne związki chemiczne... Procesy te można zaobserwować w postaci zorzy polarnej, błyskawicy i innych blasków.

W stratosferze i warstwach wyższych pod wpływem promieniowania słonecznego cząsteczki gazu dysocjują - na atomy (powyżej 80 km CO 2 i H 2 dysocjują, powyżej 150 km - O 2, powyżej 300 km - H 2). Na wysokości 100-400 km jonizacja gazów zachodzi również w jonosferze, na wysokości 320 km stężenie naładowanych cząstek (O+2, O-2, N+2) wynosi ~1/300 stężenie cząstek obojętnych. Wolne rodniki są obecne w górnych warstwach atmosfery - OH, HO 2 itp.

W stratosferze prawie nie ma pary wodnej.

Mezosfera

Do wysokości 100 km atmosfera jest jednorodną, ​​dobrze wymieszaną mieszaniną gazów. W wyższych warstwach rozkład gazów wzdłuż wysokości zależy od ich mas cząsteczkowych, stężenie cięższych gazów maleje szybciej wraz z odległością od powierzchni Ziemi. Ze względu na spadek gęstości gazów temperatura spada od 0 ° С w stratosferze do −110 ° С w mezosferze. Natomiast energia kinetyczna poszczególnych cząstek na wysokościach 200-250 km odpowiada temperaturze ~1500°C. Powyżej 200 km obserwuje się znaczne wahania temperatury i gęstości gazów w czasie i przestrzeni.

Na wysokości około 2000-3000 km egzosfera stopniowo przechodzi w tak zwaną próżnię kosmiczną, która jest wypełniona bardzo rozrzedzonymi cząsteczkami gazu międzyplanetarnego, głównie atomami wodoru. Ale ten gaz to tylko ułamek materii międzyplanetarnej. Kolejna część składa się z pyłopodobnych cząstek pochodzenia kometarnego i meteorytowego. Oprócz tych niezwykle rozrzedzonych cząstek w przestrzeń tę przenika promieniowanie elektromagnetyczne i korpuskularne pochodzenia słonecznego i galaktycznego.

Troposfera stanowi około 80% masy atmosfery, stratosfera - około 20%; masa mezosfery nie przekracza 0,3%, termosfera jest mniejsza niż 0,05% całkowitej masy atmosfery. Na podstawie właściwości elektrycznych w atmosferze rozróżnia się neutrosferę i jonosferę. Obecnie uważa się, że atmosfera rozciąga się na wysokość 2000-3000 km.

W zależności od składu gazu w atmosferze, homosfera oraz heterosfera. Heterosfera- jest to obszar, w którym grawitacja wpływa na separację gazów, ponieważ ich mieszanie na tej wysokości jest znikome. Stąd zmienny skład heterosfery. Poniżej znajduje się dobrze wymieszana, jednorodna część atmosfery zwana homosferą. Granica między tymi warstwami nazywana jest turbopauzą i leży na wysokości około 120 km.

Właściwości atmosfery

Już na wysokości 5 km n.p.m. osoba niewytrenowana rozwija głód tlenu i bez adaptacji zdolność do pracy jest znacznie zmniejszona. Tu kończy się fizjologiczna strefa atmosfery. Oddychanie człowieka staje się niemożliwe na wysokości 15 km, chociaż atmosfera zawiera tlen do około 115 km.

Atmosfera dostarcza nam tlenu, którego potrzebujemy do oddychania. Jednak ze względu na spadek całkowitego ciśnienia atmosfery podczas wznoszenia się na wysokość, ciśnienie cząstkowe tlenu również odpowiednio się zmniejsza.

Płuca człowieka zawierają stale około 3 litrów powietrza pęcherzykowego. Ciśnienie cząstkowe tlenu w powietrzu pęcherzykowym przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym wynosi 110 mm Hg. Art. ciśnienie dwutlenku węgla wynosi 40 mm Hg. Art., a para wodna -47 mm Hg. Sztuka. Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie tlenu spada, a całkowite ciśnienie pary wodnej i dwutlenku węgla w płucach pozostaje prawie stałe - około 87 mm Hg. Sztuka. Przepływ tlenu do płuc zostanie całkowicie zatrzymany, gdy ciśnienie otaczającego powietrza zrówna się z tą wartością.

Na wysokości około 19-20 km ciśnienie atmosferyczne spada do 47 mm Hg. Sztuka. Dlatego na tej wysokości woda i płyn śródmiąższowy zaczynają wrzeć w ludzkim ciele. Poza kabiną ciśnieniową, na tych wysokościach, śmierć następuje niemal natychmiast. Tak więc z punktu widzenia fizjologii człowieka „przestrzeń” zaczyna się już na wysokości 15-19 km.

Gęste warstwy powietrza - troposfera i stratosfera - chronią nas przed niszczącym działaniem promieniowania. Przy wystarczającym rozrzedzeniu powietrza, na wysokości powyżej 36 km, promieniowanie jonizujące - pierwotne promieniowanie kosmiczne - ma intensywny wpływ na organizm; na wysokościach powyżej 40 km działa ultrafioletowa część widma słonecznego, która jest niebezpieczna dla ludzi.