Химический состав атмосферы земли


Атмосфера (от греческого «атмос» — пар, «сфера» — шар) — это воздушная внешняя газовая оболочка планеты, которая окружает Земной шар, вращается вместе с ним, защищает всё живое на Земле от губительного влияния радиации.

По поводу возникновения атмосферы учёные выделяют две гипотезы.

Согласно первой гипотезе – атмосфера газообразная выплавка первичного материала, когда-то покрывавшему раскалённую Землю. Большинство учёных придерживаются второй гипотезы, которая утверждает, что атмосфера является вторичным образованием, возникшем при образовании газовых химических элементов и соединений из расплавленного вещества.

Первая атмосфера образовалась вокруг Земли во время сгущения пыли и газа, она превосходила нашу нынешнюю в 100 раз. Источниками газообразных веществ, из которых состояла первичная атмосфера, были расплавленные горные породы Земной коры, мантии и ядра. Это говорит о том, что атмосфера возникла уже после того, как Земля разделилась на оболочки.


Крупнейшие учёные предполагают, что ранняя атмосфера состояла из смеси водяного пара, водорода, углекислого газа, угарного газа и серы. Следовательно, первичная атмосфера состояла из лёгких газов, которые удерживались у Земной поверхности силами тяготения. Если сравнить древнейшую атмосферу с современной, то в ней отсутствовали привычные азот и кислород. Эти газы, вместе с парами воды находились тогда в глубоких недрах Земли. Мало в то время было воды: она в виде гидроксилов входила в состав мантийного вещества. Только после того, как из пород верхней мантии стали интенсивно высвобождаться водяной пар и различные газы, возникла гидросфера, а толщина атмосферы и её состав изменился.

Кстати, эти процессы продолжаются до сих пор.

Например, при извержении вулканов гавайского типа, при температуре 10000 -12000С в газовых выбросах содержится до 80% паров воды и менее 6% углекислого газа. Кроме того, в современную атмосферу выбрасывается большое количество хлора, метана, аммиака, фтора, брома, сероводорода. Можно себе представить, какое огромное количество газов выбрасывалось в глубокой древности во время грандиозных извержений.

Первичная атмосфера была очень агрессивной средой и действовала на горные породы как сильная кислота. Да и температура её была очень высокой. Но как только температура понизилась, произошла конденсация пара. Первичная атмосфера Земли сильно отличалась от современной. Она была значительно более плотной и состояла в основном из углекислого газа. Резкое изменение состава атмосферы произошло 2 – 2,5 млрд. лет назад и связанно с зарождением жизни.


Растения каменноугольного периода в истории Земли поглотили большую часть углекислого газа и насытили атмосферу кислородом. С появлением первоначальной жизни появляются цианобактерии, которые начали перерабатывать компоненты атмосферы, выделяя кислород. При создании атмосферы выделение кислорода произошло из за более масштабного процесса связанного с «перемещением» многочисленных океанических вулканов из под воды на поверхность Земли. Подводный вулкан выбрасывает магму, которая подвергается охлаждению водой. При этом выделяется сероводород и формируются минералы, в химический состав которых входит кислород.

Земные вулканы выбрасывают продукты, которые не реагируют с атмосферным кислородом, а только пополняют его содержание в воде. Последние 200 млн. лет состав земной атмосферы практически остаётся неизменным.

Размеры магнитосферы, масса и объём атмосферы

Раньше считалось (до появления искусственных спутников), что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становилась более разряженной и плавно переходила межпланетное пространство.

Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоёв Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до высших пределов Солнечной системы. Этот так называемый «солнечный ветер» обтекает магнитное поле Земли, формируя удлинённую «полость» внутри которой и сосредоточена земная атмосфера.


Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, — с противоположной ночной стороны.

Верхней границей магнитосферы Земли с дневной стороны у экватора считается расстояние приблизительно равное 7 (семи) радиусам Земли.

6371 : 7 = 42000 км.

Верхней границей магнитосферы Земли с дневной стороны у полюсов считается расстояние приблизительно равное 28000 км. (что обусловлено центробежной силой вращения Земли).

По объёму атмосфера (около 4х1012км) в 3000 раз больше всей гидросферы (вместе с Мировым океаном), однако по массе существенно меньше её и составляет приблизительно 5,15х1015т.

Таким образом «вес» атмосферы, приходящейся на единицу площади, или атмосферное давление составляет на уровне моря примерно 11т./м. Атмосфера по объёму во много раз превышает Землю, но составляет лишь 0,0001 массы нашей планеты.

Природный газовый состав атмосферного воздуха и

воздействие некоторых его компонентов на здоровье человека

Газовый состав атмосферного воздуха по объёму представляет собой у поверхности Земли физическую смесь азота (78,08%), кислорода (20,94%),- соотношение азота и кислорода 4:1, аргона (0,9%), углекислого газа (0,035%), а также незначительное количество неона (0,0018%), гелия (0,0005%), криптона (0,0001%), метана (0,00018%), водорода (0,000015%), окиси углерода (0,00001%), озона (0,00001%), закиси азота (0,0003%), ксенона (0,000009%), двуокиси азота (0,000002%).


Кроме того, в воздухе всегда имеются виде разнообразных дымов, пыли и пара взвешенные частицы, аэрозоли и водяные пары.

Водяной пар его концентрация составляет около 0,16% объёма атмосферы. У земной поверхности она колеблется от 3% (в тропиках) до 0,00002% (в Антарктиде).

С высотой количество водяного пара быстро убывает. Если бы собрать воедино всю воду, то она образовала бы слой толщиной в среднем около 2см.(1,6 -1,7см. в умеренных широтах). Этот слой образуется на высоте до 20 км.

Газовый состав нижних слоёв атмосферы на высоте до 110 км. от поверхности Земли, в особенности тропосферы, почти постоянен. Давление и плотность в атмосфере убывает с высотой. Половина воздуха содержится в нижних 5,6 км., а вторая половина до высоты 11,3 км. На высоте 110 км. плотность воздуха в миллион раз меньше чем у поверхности.

В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы.

Приблизительно до высоты 400 – 600 км. атмосфера остаётся кислородо – азотная.

Существенная смена состава атмосферы начинается лишь с высоты 600 км. Тут начинает превышать гелий. Гелиевая корона Земли – так называл гелиевый пояс В. И. Вернадский, распространяется приблизительно до1600 км. от поверхности Земли. Выше этого расстояния 1600 – 2 – 3 тыс. км. идёт превышение водорода.


Часть молекул разлагается на ионы и образует ионосферу.

Свыше 1000 км. находятся радиационные пояса Их можно рассматривать как часть атмосферы, заполненную очень энергетическими ядрами атомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты. Так постоянно газовая оболочка Земли превращаются в межпланетный газ (пространство), который состоит:

— из 76% по массе из водорода;

— из 23% по массе из гелия;

— из 1% по массе из космической пыли.

Интересно, что наша атмосфера по составу резко отличается от атмосфер других планет Солнечной системы. Наши ближайшие соседи Венера и Марс имеют в основном углекислую атмосферу, более дальние соседи Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун окружены гелиево-водородной атмосферой, одновременно много в этих атмосферах и метана.

Атмосферный воздух – один из важнейших природных ресурсов, без которых жизнь на Земле была бы абсолютно невозможна. Любой компонент по химическому составу, по своему важен для жизни.

КИСЛОРОД газ без цвета и запаха с плотностью 1,23г/л. Самый распространённый химический элемент на Земле.

В атмосфере 20,94% , в гидросфере 85,82%, в литосфере 47% кислорода. Человек при выдохе выделяет 15,4 – 16,0% кислорода атмосферного воздуха.


ловек за сутки в состоянии покоя вдыхает около 2722л.(1,4 м) кислорода, выдыхает 0,34 м3 углекислого газа, кроме того, выбрасывает в сутки в окружающую среду около 400 веществ. Атмосферного воздуха в этом случае через лёгкие проходит 9л. в минуту, 540л. в час, 12960л. в сутки, а при нагрузке 25000 – 30000л. в сутки (25 – 30м3). За год вдыхает в состоянии покоя 16950м, при физической нагрузке 20000 — 30000м, а на протяжении всей жизни от 65000 до 180000м. воздуха.

Он входит в состав всех живых организмов (в организме человека его по массе около 65%).

Кислород – активный окислитель большинства химических элементов, а также в металлургии, химической и нефтехимической промышленности, в ракетных топливах, его используют в дыхательных аппаратах в космических и подводных кораблях. Люди, животные, растения получают необходимую для жизни энергию за счёт биологического окисления различных веществ кислородом, который поступает в организм различными путями, через легкие и кожу.

Кислород обязательный участник любого горения. Превышение содержания кислорода в атмосфере на 25% может привести к возгоранию на Земле.

Он выделяется растениями при фотосинтезе. При этом около 60% кислорода поступает в атмосферу при фотосинтезе океанического планктона и 40% от зелёных растений суши.

Колебания содержания кислорода в открытой атмосфере незначительно, если наиболее чистый воздух у берегов моря сдержит до 20,99% кислорода, то даже в наиболее загрязнённом воздухе промышленных центров его имеется не менее 20,5%. Подобные колебания содержания кислорода в воздухе не оказывают заметного влияния на организм.


Физиологические сдвиги у здоровых людей наблюдаются в том случае, если содержание кислорода падает до 16 – 17%, при 11 – 13% отмечается выраженная гипоксия.

Кислородное голодание из за снижения атмосферного давления кислорода может иметь место при полётах (высотная болезнь), при восхождении на горы (горная болезнь), которая начинается на высоте 2,5 – 3км.

Низкая концентрация кислорода может создаваться в воздухе замкнутых и герметически закрытых пространств, например в подводных лодках при авариях, а также в рудниках, шахтах и заброшенных колодцах, где кислород может быть вытеснен другими газами. Предупредить действие недостатка кислорода при полётах можно с помощью индивидуальных кислородных приборов, скафандров или герметических кабин самолётов.

В систему жизнеобеспечения космических кораблей или подводных лодок входит аппаратура, поглощающая из воздуха углекислый газ, водяные пары и другие примеси и добавляющая к нему кислород.

Для предупреждения горной болезни большое значение имеет постоянная акклиматизация (приспособление) на промежуточных станциях в условиях разряжённой атмосферы. При пребывании в горах в крови увеличивается количество гемоглобина и эритроцитов, а окислительные процессы в тканях за счёт усиления синтеза некоторых ферментов протекает более полно, что позволяет человеку приспосабливаться к жизни на более больших высотах.


Имеются горные селения расположенные на высоте 3-5км. над уровнем моря, особо тренированным альпинистам удаётся совершать восхождения на горы высотой 8 км. и более без использования кислородных приборов.

Кислород в чистом виде обладает токсическими действиями. При дыхании чистым кислородом у животных через 1-2 часа образуются отелектазы в лёгких (из за закупорки слизи мелких бронхов), а через 3-5 часов нарушение проницаемости капилляров лёгких, через 24 часа.

Явления отёка лёгких. В условиях нормального атмосферного давления, когда требуется увеличить работоспособность человека при большой физической нагрузке или при лечении больных гипоксией значительно увеличивают давление и подачу кислорода до 40%.

ОЗОН – модификация кислорода, который обеспечивает сохранение жизни на Земле т.к. озоновый слой атмосферы задерживает часть ультрафиолетовой радиации Солнца и поглощает инфракрасное излучение Земли, препятствуя её охлаждению. Это газ синего цвета с резким запахом. Основная масса озона получается из кислорода при электрических разрядах в атмосфере на высотах 20-30км. Кислород поглощает ультрафиолетовые лучи, при этом образуется озон молекулы, которого состоят из трёх атомов кислорода. Он предохраняет всё живое на Земле от вредного воздействия коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. В вышележащих слоях для образования озона не хватает кислорода, а в расположенных ниже – ультрафиолетовой радиации.


небольших количествах озон присутствует и в приземном слое воздуха. Общее содержание озона во всей атмосфере соответствует слою чистого озона толщиной 2 – 4 мм., при условии, что давление и температура воздуха такие же, как у поверхности Земли. Состав воздуха при подъёме даже на несколько десятков километров (до 100м) меняется мало. Но ввиду того, что с высотой воздух разряжается, содержание каждого газа в единице объёма уменьшается (падает атмосферное давление). К примесям принадлежит: Озон, выделяемые растительностью фитонциды, газообразные вещества, образующиеся в результате биохимических процессов и радиоактивного распада в почве и др. Озон используют для обеззараживания питьевой воды, обезвреживания промышленных сточных вод, для получения камфоры, ванилина и других соединений, для отбеливания тканей, минеральных масел и др.

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ (углерода оксид) – бесцветный без запаха газ, ниже -78,50С существует в твёрдом виде (сухой лёд). Он в 1,5 раза тяжелее воздуха и содержится в воздухе (0,35% по объёму), в водах рек, морей и минеральных источников. Углекислый газ используют в производстве сахара, пива, газированных вод и шипучих вин, мочевины, соды, для тушения пожаров и др.; сухой лёд – хладагент. Образуется при гниении и горении органических веществ, при дыхании животных организмов, он ассимилируется растениями и играет важную роль в фотосинтезе. Важность процесса фотосинтеза в том, что растения выделяют в воздух кислород. Вот почему недостаток углекислого газа представляет опасность. Углекислый газ выдыхают люди (3,4 – 4,7 % выдыхаемого воздуха), животные, он выделяется так же при сжигании угля, нефти и бензина,


Поэтому в следствии интенсивного сжигания минерального топлива за последние годы количество углекислого газа в атмосфере увеличилось. Повышение содержания углекислого газа в атмосфере приводит к глобальной опасности для людей – парникового эффекта. Углекислый газ как парниковое стекло пропускает солнечные лучи, но задерживает тепло нагретой поверхности Земли. В результате этого повышается средняя температура воздуха,

Ухудшается микроклимат, который влияет на здоровье человека. Ежегодно в результате фотосинтеза поглощается около 300 млн. т. углекислого газа и выделяется около 200 млн. т. кислорода, получается около 3000 млрд. т. углекислого газа и его количество постоянно увеличивается. Если 100 лет тому назад содержание углекислого газа в воздухе было 0,0298 % теперь 0,0318 %. В городах это содержание ещё выше.

Интересно, что акселирацио – ускоренный рост детей, особенно в городах – некоторые учёные связывают с повышением содержания углекислого газа в атмосфере. Даже небольшое, увеличение количества углекислого газа в воздухе значительно усиливает дыхательный процесс, начинается быстрый рост грудной клетки и соответственно всего организма.

Углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха и поэтому может накапливаться в нижней части замкнутых пространств. Эти свойства могут способствовать отравлениям вне населённых пунктах в атмосфере воздуха имеется 0,03 – 0,04 % углекислого газа; в промышленных центрах содержание его возрастает до 0,06 %, а вблизи предприятий чёрной металлургии – до 1%.

Увеличение концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе приводит к развитию ацидоза, учащению дыхания и тохакардии. При увеличении концентрации до 1-2% работоспособность снижается, у части людей появляются токсические действия, при концентрации более 2-3% интоксикация более выражена. При «свободном выборе» газовой среды люди начинают избегать углекислого газа лишь тогда, когда его концентрация достигнет 3%. При концентрации 10-12% наступает быстрая потеря сознания и смерть.

Описаны случаи тяжёлых отравлений углекислым газом в замкнутых или герметически закрытых помещениях (шахты, рудники, подводные лодки), а так же ограниченных пространствах где имело место интенсивное разложение органических веществ — глубокие колодцы, силосные ямы, бродильные чаны на пивоваренных заводах, канализационные колодцы и др. Учитывая приведённые данные считают, что на производствах где имеются источники углекислого газа, в космических кораблях, на подводных лодках его концентрация не должна превышать 0,5-1%. В убежищах, а так же в других критических условиях можно допустить, что концентрация углекислого газа до 2%.

АЗОТ – газ без цвета и запаха, он основной компонент воздуха ( 78,09 % по объёму), входит в состав всех живых организмов (в организме человека около 3% по массе азота, в белках до 17%), участвует в круговороте веществ в природе. Основная область применения – синтез аммиака; соединения азота – азотные удобрения. Азот – инертная среда в химических и металлургических процессах, в овощехранилищах и т.д.

Высокое содержание азота в атмосфере – необходимое условие жизни на Земле. Он выделяется из растительных и животных остатков, а так же при извержении вулканов.

Азот и другие инертные газы при нормальном давлении физиологически не деятельны, их значение заключается в разбавлении кислорода.

АРГОН – инертный газ, в воздухе 0,9% по объёму, плотность 1,73 г/л. Используется в промышленности в аргоновом сваривании, при химических процессах, для заполнения электрических ламп и газоразрядных трубок.

Чистый воздух

Воздух необходим для жизни, так как без него человек может прожить в среднем до 5 минут. Соответственно, загрязнение воздуха является одной из наиболее серьёзных экологических проблем для общества, вне зависимости от уровня его экономического развития. Не менее 500 млн. людей ежедневно подвергаются воздействию высоких уровней загрязнителей воздуха внутри своих домов в форме дыма – от открытого огня или плохо сконструированных печей. Более 1500 людей живут в урбанизированных регионах с угрожающе высокими уровнями воздушного загрязнения. Промышленное развитие связано с выбросами в атмосферу огромного количества газа и твёрдых частиц, как отходов самого производства, так и от продуктов сгорания топлива на транспорте и в энергетике. После внедрения технологии управления загрязнением воздуха посредством уменьшения выбросов твёрдых частиц специалисты обнаружили, что выбросы газов всё равно продолжаются и именно они являются причиной проблемы как таковой. Недавние усилия по управлению выбросами и твёрдых и газообразных частиц были достаточно успешными в большинстве развитых странах, однако имеются доказательства того, что загрязнение воздуха представляет риск для здоровья даже при относительно благоприятных экологических условиях.

Первоначально быстро развивающиеся страны не имели возможностей инвестировать достаточное количество ресурсов в контроль загрязнения воздуха из за других экономических и социальных приоритетов. Быстрая экспансия в таких странах стала в то же время первопричиной увеличения количества транспортных средств, повышения непромышленного энергопотребления и повышенной концентрации населения в больших урбанизированных регионах (мегаполисах). Всё это – в достаточной степени способствовало появлению такой экологической проблемы, как загрязнение воздуха.

Во многих традиционных обществах, где источники энергии для домашнего хозяйства считались чистыми, сейчас они используются уже не так широко, как в прошлые годы, по причине неэффективности и вредности, с современной точки зрения, видов топлива, применяемых для обогрева зданий и приготовления пищи. Перечисленные обстоятельства служат причиной загрязнения, как наружного воздуха, так и воздуха внутри помещений, что может привести к болезням лёгких, проблемам со зрением (раздражение слизистой оболочки глаз и т. п.) и увеличению риска раковых заболеваний.

Качество воздуха внутри помещений остаётся острой проблемой для многих развитых стран, т.к. жилые и производственные здания герметичны и хорошо отапливаемы. Опасность попадания в воздух вредных химических соединений исходит не только из системы отопления и приготовления пищи, но так же от курения испарений строительных материалов. И всё это скапливается внутри домов и создаёт проблему загрязнения.

Строение атмосферы

Атмосфера состоит из отдельных слоёв, концентрических сфер, которые отличаются друг от друга по высоте от поверхности Земли, по характеру изменения температуры, по газовому составу. Различают: — тропосферу; -стратосферу; — мезосферу; — термосферу; — экзосферу.

Нижний слой атмосферы называется тропосферой (от греческого «тропэ» — поворот) Масса её составляет 80% от массы атмосферы. Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты:

— в тропических широтах (экватора) высота от поверхности Земли 18 – 20 км.;

— в умеренных широтах высота от поверхности Земли около 10 км.;

— в полярных широтах (на полюсах) высота от поверхности Земли 8 – 10 км.

От времени года:

— верхняя граница тропосферы (тропопауза – от греческого «паузис» — прекращение) в Северном полушарии зимой благодаря охлаждению поднимается на 2 — 4 км.

— верхняя граница тропосферы (тропопауза) в Северном полушарии летом благодаря потеплению понижается на 2 – 4 км.

Тропосфера получает тело снизу от Земли, которая, в свою очередь нагревается солнечными лучами. Непосредственно за счёт поглощения солнечных лучей воздух нагревается в десятки раз меньше, чем от Земли. По мере увеличения высоты температура воздуха понижается в среднем на 0,60 С на каждые 100 м. подъёма.

На верхней границе тропосферы температура достигает -600С этому способствует то, что воздух поднимаясь, расширяется и охлаждается. Он был бы ещё холоднее, если бы не тепло, которое выделяется при конденсации водных паров.

На высоте 10 км. температура тропосферы летом равна -450С а зимой -600С.

Выше тропосферы располагается слой воздуха с постоянно низкой температурой – тропопауза. В тропиках, где солнечные лучи падают отвесно, или почти отвесно, а суша и море нагреваются сильнее, этот слой находится на высоте 18 – 20 км. В полярных областях, где косые лучи слабо нагревают Землю, тропопауза расположена ниже – на высоте 8 – 10 км.

Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека.

Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и более высоких слоях.

Нагревание атмосферы в разных частях Земли неодинаково, что способствует развитию общей циркуляции атмосферы Земли, тесно связанной с распределением атмосферного давления. Это давление атмосферного воздуха на находящиеся в ней предметы и на земную поверхность.

В каждой точке атмосферы атмосферное давление равно весу вышележащего столба воздуха, которое с высотой убывает. Среднее давление на уровне моря эквивалентно давлению 760 мм ртутного столба (1013,25 гПа).

Распределение атмосферного давления на поверхности Земли (на уровне моря) характеризуется относительно низким значением вблизи экватора, увеличением в субтропиках и понижением в средних и высоких широтах. При этом над материковыми нетропическими широтами атмосферное давление зимой обычно повышено, летом понижено. Под действием перепада давления воздух испытывает ускорение, направленное от высокого давления к низкому. При движении воздуха на него действуют вызванные вращением Земли Кориолиса силы и центробежная сила, а так же сила трения.

Всё это обуславливает сложную картину воздействия в атмосфере Земли, некоторые из них сравнительно устойчивые (например, пассаты и муссоны). В средних широтах преобладает воздушное течение с Запада на Восток, в которых возникают крупные вихри – циклоны и антициклоны, обычно простирающиеся на сотни и тысячи километров.

Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определённого направления. Турбулентные вихри, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро двигающимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».

Стратосфера

Выше тропосферы расположена стратосфера (от греческого «стратиум» — настил, слой). Её масса составляет 20% от массы атмосферы.

Верхняя граница стратосферы расположена от поверхности Земли на высоте:

— в тропических широтах (экваторе) 50 – 55 км.:

— в умеренных широтах до 50 км.;

— в полярных широтах (полюсах) 40 – 50 км.

В стратосфере воздух по мере подъёма нагревается, при этом температура воздуха повышается с высотой в среднем на 1 – 2 градуса на 1 км. подъёма и достигает на верхней границе до +500С.

Повышение температуры с высотой обусловлено главным образом озоном, который поглощает ультрафиолетовую часть солнечной радиации. На высоте 20 – 25 км от поверхности Земли расположен очень тонкий (всего несколько сантиметров) озоновый слой.

Стратосфера очень бедна на водяной пар, здесь не бывает осадков, хотя иногда на высоте 30 км. образуются облака.

На основе наблюдений в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особо опасны для высокоскоростных летательных аппаратов.

Сильные ветры, называемые струйными течениями дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и появляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты.

Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образования озона) связано атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекается в нижние слои стратосферы.

Мезосфера

Выше стратопаузы расположена мезосфера (от греческого «мезос» — средний).

Верхняя граница мезосферы расположена на высоте от поверхности Земли:

— в тропических широтах (экваторе) 80 – 85 км.;

— в умеренных широтах до 80 км.;

— в полярных широтах (полюсах) 70 – 80 км.

В мезосфере температура понижается до – 600С. – 10000С. на её верхней границе.

В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока ещё недостаточно изучены.

Термосфера

Выше мезопаузы расположена термосфера (от греческого «термос» — тёплый).

Верхняя граница термосферы расположена на высоте от поверхности Земли:

— в тропических широтах (экваторе) до 800 км.;

— в умеренных широтах до 700 км.;

— в полярных широтах (полюсах) до 650 км.

В термосфере температура снова повышается, достигая в верхних слоях 20000С.

Необходимо заметить, что высотах 400 – 500 км. и выше температура воздуха не может быть определена ни одним из известных методов, вследствие чрезвычайного разряжения атмосферы. О температуре воздуха на таких высотах приходится судить по энергии газовых частиц, перемещающихся в газовых потоках.

Повышение температуры воздуха в термосфере связано с поглощением ультрафиолетового излучения и образованием ионов и электронов в атомах и молекулах газов содержащихся в атмосфере.

В термосфере давление и, следовательно, плотность газа с высотой постепенно уменьшается. В близи земной поверхности в 1 м3. воздуха содержится около 2,5х1025 молекул, на высоте около 100 км в нижних слоях термосферы в 1 м3 воздуха содержится около 2,5х1025 молекул. На высоте 200 км., в ионосфере в 1 м3. воздуха содержится 5х1015 молекул. На высоте около 850 км. в 1м. воздуха содержится 1012 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 108 — 109 на 1 м3. На высоте около 100 км. количество молекул невелико, но они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически двигающаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется её средним свободным пробегом.

При определённой температуре скорость движения молекулы зависит от массы: более лёгкие молекулы движутся быстрее тяжёлых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме этого, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атмосферный кислород приобретает всё большее значение в составе атмосферы на высоте около 200 км. становится главным компонентом.

Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км. от поверхности Земли преобладают лёгкие газы гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы.

Такое расширение по весу называется диффузным расширением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги.

Экзосфера

Выше термопаузы расположена экзосфера (от греческого «экзо» — снаружи, вне).

Это внешняя сфера, из которой лёгкие атмосферные газы (водород, гелий, кислород) могут вытекать в космическое пространство.

Слои атмосферы располагающиеся выше 50 км. проводят электричество и отражают радиоволны. Это позволяет налаживать дальнюю радиосвязь вокруг Земли. Поскольку при сложных химических реакциях образуются ионы – верхнюю часть атмосферы (мезосферу и термосферу) называют ионосферой.

Под воздействием солнечной радиации в верхних слоях атмосферы часто возникают свечения. Самое эффективное из них полярное сияние.

Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водород и гелий имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство.

Источник: studopedia.ru

Как образовалась земная атмосфера

Изначально климат планеты был аномально жарким и непригодным для жизни. Однако со временем становилось прохладнее и молекулы газов стали подвергаться процессу испарения. Возникла вода, благодаря которой стали выпадать обильные дожди. Земля пылала жаром, и капли дождя мгновенно вскипали и обращались в пар. Процесс охлаждения земной поверхности ускорился, и лишняя жидкость превратилась в океаны.

Большая часть углекислого газа растворялась в воде и вымывалась проливными дождями. Затем начали происходить биологические процессы, в которых углекислый газ сыграл первостепенную роль.

Эксперимент в ИДГ РАН

Российские ученые, исследовавшие падение метеорита в Челябинске, пришли к заключению, что небесные тела угрожают человечеству более чем когда-либо. ИДГ РАН снарядили экспедицию к месту падения метеорита и опросили большое количество свидетелей из 50 окрестных населенных пунктов. Очевидцы предоставили институту множество видеозаписей, оказав помощь отечественной науке.

В заключении исследователей сказано: «Каждый объект, упавший на Южном Урале в середине февраля того года, оказался частью небольшого астероида. При вхождении в атмосферу он имел скорость 19 км/с. Параметры небесного тела составляли: масса — 11000 т; диаметр — 20 м. Энергия взрыва оценивалась в половину мегатонны, а более 99% твердого вещества превратилось в пыль и газ». Крупнейшим фрагментом метеорита (650 кг), стал кусок, упавший в озеро Чебаркуль.

Минимум кислорода в первичном составе атмосферы

Миллиарды лет назад состав воздуха разительно отличался от современного. Первую гипотезу предложил Л. Пастер (1822-1895) ближе к концу XIX столетия: Земля была лишена кислорода, но это не помешало появлению простейших микроорганизмов. Анаэробные бактерии в нем не нуждались и по сей день сохранились в неизменном виде. Атмосфера Земли включала в себя:

  • водяные пары;
  • аммиак;
  • водород.

На заре геологической истории магнитосфера стала защитой Земли от солнечного ветра. Так была образована углекислая атмосфера. Газ выбрасывался из недр во время извержений вулканов повышенной интенсивности.

В конце палеозойской эры минимальный объем кислорода позволил появиться первым растениям, благодаря которым углекислый газ стал подвергаться воздействию фотосинтеза и поступать в атмосферу.

Появление жизни и кислорода

1 млрд лет назад первые формы жизни активно развивались без кислорода. Согласно данным, полученным вследствие проведенного в 1953 г. эксперимента, под действием электрического разряда смесь аммиака, метана, водорода и воды разложилась на глицин и прочие аминокислоты. Данный лабораторный опыт длился в течение недели под руководством ученого из Чикагского университета Стенли Миллера. Он доказал научному миру, что при благоприятных условиях в природе происходит активное образование молекул жизни, вопреки соображениям сухой статистики.

Земная кора содержит в себе около 47,2% кислорода. Его химическая активность под действием высоких температур и связи с другими элементами объясняет, почему на заре времен не было кислорода. Большая часть элементов в природе образуется в виде их твердых окислов. Многие из них с трудом разлагаются на компоненты, что ставит под сомнение существование свободного кислорода раньше.

Сегодня распространена гипотеза абиогенного зарождения живых организмов, их самопроизвольного появления из первичных и более простых веществ, находящихся в атмосфере и океанах. Опарин Александр Иванович развил данную теорию и привел множество доказательств, исходя из которых следует, что первичная атмосфера планеты Земля содержала азот, углекислый газ, воду, сероводород, аммиак и метан в больших количествах.

Состав современной атмосферы Земли

Без кислорода жизнь на Земле невозможна, однако в чистом виде он стал поступать на позднем этапе развития планеты. Некоторые ученые считают, что кислород начал возникать за счет обмена веществ древних растений и стал побочным эффектом процесса фотосинтеза. Со временем он накопился в атмосфере и послужил причиной ряда изменений в характере атмосферы Земли и развитии всего живого.

В современный состав воздуха входят 4 основных и несколько второстепенных газов, а также примеси, зависящие от характера поверхности Земли и ее области, от вида обитателей. Человек занимает в ее формировании одну из первостепенных ролей. Атмосферными примесями являются:

  • перекись водорода;
  • водяной пар;
  • аммиак;
  • озон;
  • окись углерода;
  • сероводород;
  • пыль;
  • соли;
  • сернистый газ.

Газовый и химический составы атмосферы отличаются от первобытного, и это объясняет многие особенности эволюции.

Баланс кислорода

С точки зрения биологии, кислород преобладает на планете Земля. Его содержание практически неизменно и составляет 21%. Кислород поглощается во время дыхания, а вырабатывается вследствие процесса фотосинтеза. Все это тесно взаимосвязано и является основой природного баланса кислорода в атмосфере.

Азот

Содержание данного газа в нижних слоях атмосферы составляет 78,084%. Азот инертен и в химических соединениях (нитратах) занимает важную ступень в процессе обмена веществ растительного и животного мира. Живые существа не способны усваивать азот напрямую из воздуха, однако он входит в пищу, которая необходима для ежедневного восполнения энергии. Молекулы газа захватываются микроорганизмами, обитающими в корнях бобовых культур. Сформировавшиеся нитраты становятся доступны для животных, поедающих эти растения.

Благородные газы

В атмосфере содержатся газы, не участвующие в биологических процессах, но играющие первостепенную роль при переносе энергии в высших слоях, это:

  • аргон — 0,934% ;
  • гелий — 0,00000524%;
  • неон — 0,000018%;
  • ксенон — 0,000000087%;
  • водород — 0,0000005%.

Углекислый газ не менее важен для погодных и климатических условий, однако его содержание в атмосфере — не более 0,03%. Увеличение его объема до 0,06% способно повысить температуру планеты на 3°C.

Со времен становления промышленности (более 120 лет назад) человечество увеличило выброс углекислого и прочих газов в слои атмосферы, и в период с 1869 по 1940 гг. общая температура воздуха выросла на 1°C.

Источник: o-kosmose.ru

Основные элементы атмосферы

Тропосфера представляет собой слой, в котором наблюдаются сильные вертикальные и горизонтальные движения, именно здесь формируется погода, осадочные явления, климатические условия. Она простирается на 7-8 километров от поверхности планеты почти повсеместно, за исключением полярных регионов (там – до 15 км). В тропосфере наблюдается постепенное понижение температуры, приблизительно на 6,4°С с каждым километром высоты. Этот показатель может отличаться для разных широт и времен года.

Состав атмосферы Земли в этой части представлен следующими элементами и их процентными долями:

— азот – около 78 процентов;

— кислород – почти 21 процент;

— аргон – около одного процента;

— углекислый газ – менее 0.05 %.

Единый состав до высоты 90 километров

Кроме того, здесь можно найти пыль, капельки воды, водяной пар, продукты горения, кристаллики льда, морские соли, множество аэрозольных частиц и др. Такой состав атмосферы Земли наблюдается приблизительно до девяноста километров высоты, поэтому воздух примерно одинаков по химическому составу, не только в тропосфере, но и в вышележащих слоях. Но там атмосфера имеет принципиально другие физические свойства. Слой же, который имеет общий химический состав, называют гомосферой.

Какие элементы еще входят в состав атмосферы Земли? В процентах (по объему, в сухом воздухе) здесь представлены такие газы как криптон (около 1.14 х 10-4), ксенон (8.7 х 10-7), водород (5.0 х 10-5), метан (около 1.7 х 10-4), закись азота (5.0 х 10-5) и др. В процентах по массе из перечисленных компонентов больше всего закиси азота и водорода, далее следует гелий, криптон и пр.

Физические свойства разных атмосферных слоев

Физические свойства тропосферы тесно связаны с ее прилеганием к поверхности планеты. Отсюда отраженное солнечное тепло в форме инфракрасных лучей направляется обратно вверх, включая процессы теплопроводности и конвекции. Именно поэтому с удалением от земной поверхности падает температура. Такое явление наблюдается до высоты стратосферы (11-17 километров), потом температура становится практически неизменной до отметки 34-35 км, и далее идет опять рост температур до высот в 50 километров (верхняя граница стратосферы). Между стратосферой и тропосферой есть тонкий промежуточный слой тропопаузы (до 1-2 км), где наблюдаются постоянные температуры над экватором – около минус 70°С и ниже. Над полюсами же тропопауза «прогревается» летом до минус 45°С, зимой температуры здесь колеблются около отметки -65°С.

Газовый состав атмосферы Земли включает в себя такой важный элемент, как озон. Его относительно немного у поверхности (десять в минус шестой степени от процента), так как газ образуется под воздействием солнечных лучей из атомарного кислорода в верхних частях атмосферы. В частности, больше всего озона на высоте около 25 км, а весь «озоновый экран» расположен в областях от 7-8 км в области полюсов, от 18 км на экваторе и до пятидесяти километров в общем над поверхностью планеты.

Атмосфера защищает от солнечной радиации

Состав воздуха атмосферы Земли играет очень важную роль в сохранении жизни, так как отдельные химические элементы и композиции удачно ограничивают доступ солнечной радиации к земной поверхности и живущим на ней людям, животным, растениям. Например, молекулы водяного пара эффективно поглощают почти все диапазоны инфракрасного излучения, за исключением длин в интервале от 8 до 13 мкм. Озон же поглощает ультрафиолет вплоть до длины волн в 3100 А. Без его тонкого слоя (составит всего в среднем 3 мм, если его расположить на поверхности планеты) обитаемы могут быть только воды на глубине более 10 метров и подземные пещеры, куда не доходит солнечная радиация.

Ноль по Цельсию в стратопаузе

Между двумя следующими уровнями атмосферы, стратосферой и мезосферой, существует примечательный слой – стратопауза. Он приблизительно соответствует высоте озонных максимумов и здесь наблюдается относительно комфортная для человека температура – около 0°С. Выше стратопаузы, в мезосфере (начинается где-то на высоте 50 км и заканчивается на высоте 80-90 км), наблюдается опять же падение температур с увеличением расстояния от поверхности Земли (до минус 70-80°С). В мезосфере обычно полностью сгорают метеоры.

В термосфере — плюс 2000 К!

Химический состав атмосферы Земли в термосфере (начинается после мезопаузы с высот около 85-90 до 800 км) определяет возможность такого явления, как постепенный нагрев слоев весьма разреженного «воздуха» под воздействием солнечного излучения. В этой части «воздушного покрывала» планеты встречаются температуры от 200 до 2000 К, которые получаются в связи с ионизацией кислорода (выше 300 км находится атомарный кислород), а также рекомбинацией атомов кислорода в молекулы, сопровождающейся выделением большого количества тепла. Термосфера – это место возникновения полярных сияний.

Выше термосферы находится экзосфера – внешний слой атмосферы, из которого легкие и быстро перемещающиеся атомы водорода могут уходить в космическое пространство. Химический состав атмосферы Земли здесь представлен больше отдельными атомами кислорода в нижних слоях, атомами гелия в средних, и почти исключительно атомами водорода – в верхних. Здесь господствуют высокие температуры – около 3000 К и отсутствует атмосферное давление.

Как образовалась земная атмосфера?

Но, как уже упоминалось выше, такой состав атмосферы планета имела не всегда. Всего существует три концепции происхождения этого элемента. Первая гипотеза предполагает, что атмосфера была взята в процессе аккреции из протопланетного облака. Однако сегодня эта теория подвергается существенной критике, так как такая первичная атмосфера должна была быть разрушена солнечным «ветром» от светила в нашей планетной системе. Кроме того, предполагается, что летучие элементы не могли удержаться в зоне образования планет по типу земной группы из-за слишком высоких температур.

Состав первичной атмосферы Земли, как предполагает вторая гипотеза, мог быть сформирован за счет активной бомбардировки поверхности астероидами и кометами, которые прибыли из окрестностей Солнечной системы на ранних этапах развития. Подтвердить или опровергнуть эту концепцию достаточно сложно.

Эксперимент в ИДГ РАН

Самой правдоподобной представляется третья гипотеза, которая считает, что атмосфера появилась в результате выделения газов из мантии земной коры приблизительно 4 млрд. лет назад. Эту концепцию удалось проверить в ИДГ РАН в ходе эксперимента под названием «Царев 2», когда в вакууме был разогрет образец вещества метеорного происхождения. Тогда было зафиксировано выделение таких газов как Н2, СН4, СО, Н2О, N2 и др. Поэтому ученые справедливо предположили, что химический состав первичной атмосферы Земли включал в себя водяной и углекислый газ, пары фтороводорода (HF), угарного газа (CO), сероводорода (H2S), соединений азота, водород, метан (СН4), пары аммиака (NH3), аргон и др. Водный пар из первичной атмосферы участвовал в образовании гидросферы, углекислый газ оказался в большей мере в связанном состоянии в органических веществах и горных породах, азот перешел в состав современного воздуха, а также опять в осадочные породы и органические вещества.

Состав первичной атмосферы Земли не позволил бы современным людям находиться в ней без дыхательных аппаратов, так как кислорода в требуемых количествах тогда не было. Этот элемент в значительных объемах появился полтора миллиарда лет назад, как полагают, в связи с развитием процесса фотосинтеза у сине-зеленых и других водорослей, которые являются древнейшими обитателями нашей планеты.

Минимум кислорода

На то, что состав атмосферы Земли изначально был почти бескислородным, указывает то, что в древнейших (катархейских) породах находят легкоокисляемый, но не окисленный графит (углерод). Впоследствии появились так называемые полосчатые железные руды, которые включали в себя прослойки обогащенных окислов железа, что означает появление на планете мощного источника кислорода в молекулярной форме. Но эти элементы попадались только периодически (возможно, те же водоросли или другие продуценты кислорода появились небольшими островками в бескислородной пустыне), в то время как остальной мир был анаэробным. В пользу последнего говорит то, что легко окисляемый пирит находили в виде гальки, обработанной течением без следов химических реакций. Так как текучие воды не могут быть плохо аэрированными, выработалась точка зрения, что атмосфера до начала кембрия содержала менее одного процента кислорода от сегодняшнего состава.

Революционное изменение состава воздуха

Приблизительно в середине протерозоя (1,8 млрд. лет назад) произошла «кислородная революция», когда мир перешел к аэробному дыханию, в ходе которого из одной молекулы питательного вещества (глюкоза) можно получать 38, а не две (как при анаэробном дыхании) единицы энергии. Состав атмосферы Земли, в части кислорода, стал превышать один процент от современного, стал возникать озоновый слой, защищающий организмы от радиации. Именно от нее «скрывались» под толстыми панцирями, к примеру, такие древние животные, как трилобиты. С тех пор и до нашего времени содержание основного «дыхательного» элемента постепенно и медленно возрастало, обеспечивая многообразие развития форм жизни на планете.

Источник: www.syl.ru

Основные свойства атмосферы Земли

Атмосфера — это наш защитный купол от всяческого рода угроз из космоса. В ней сгорает большая часть метеоритов, которые падают на планету, а ее озоновый слой служит фильтром против ультрафиолетового излучения Солнца, энергия которого смертельна для живых существ. Кроме того, именно атмосфера поддерживает комфортную температуру у поверхности Земли — если бы не парниковый эффект, достигаемый за счет многократного отражения солнечных лучей от облаков, Земля была бы в среднем на 20-30 градусов холоднее. Кругооборот воды в атмосфере и движение воздушных масс не только уравновешивают температуру и влажность, но и создают земное разнообразие ландшафтных форм и минералов — такого богатства не встретить нигде в Солнечной системе.

Масса атмосферы составляет 5,2×1018 килограмм. Хотя газовые оболочки распространяются на многие тысячи километров от Земли, ее атмосферой считаются лишь те, которые вращаются вокруг оси со скоростью, равной скорости вращения планеты. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет около 1000 километров, плавно переходя в космическое пространство в верхнем слое, экзосфере (от др. греческого «внешний шар»).

Состав атмосферы Земли. История развития

Хотя воздух и кажется однородным, он представляет собой смесь разнообразных газов. Если брать только те, которые занимают хотя бы тысячную долю объема атмосферы, их уже будет 12. Если же смотреть на общую картину, то в воздухе одновременно находится вся таблица Менделеева!

Однако добиться такого разнообразия Земле удалось не сразу. Только благодаря уникальным совпадениям химических элементов и наличию жизни атмосфера Земли стала столь сложной. Наша планета сохранила геологические следы этих процессов, что позволяет нам заглянуть на миллиарды лет назад:

  • Первыми газами, которые окутали молодую Землю 4,3 миллиарда лет назад, были водород и гелий — фундаментальные составляющие атмосферы газовых гигантов вроде Юпитера. Это самые элементарные вещества — из них состояли остатки туманности, родившей Солнце и окружающие его планеты, и они обильно оседали вокруг гравитационных центров-планет. Их концентрация была не очень высока, а низкая атомная масса позволяла им улетучиваться в космос, что они делают до сих пор. На сегодняшний день их общая удельная масса составляет 0,00052% от общей массы атмосферы Земли (0,00002% водорода и 0,0005% гелия), что совсем мало.
  • Однако внутри самой Земли крылась уйма веществ, которые стремились вырваться из раскаленных недр. Из вулканов было выброшено громадное количество газов — в первую очередь аммиак, метан и углекислый газ, а также сера. Аммиак и метан впоследствии разложились на азот, который ныне занимает львиную долю массы атмосферы Земли — 78%.
  • Но настоящая революция в составе атмосферы Земли произошла вместе с приходом кислорода. Он появлялся и естественным путем — раскаленная мантия молодой планеты активно избавлялась от газов, запертых под земной корой. Кроме того, водяные пары, извергаемые вулканами, расщеплялись под воздействием солнечного ультрафиолета на водород и кислород.

Однако такой кислород не мог долго задерживаться в атмосфере. Он вступал в реакции с угарным газом, свободным железом, серой и множеством других элементов на поверхности планеты — а высокие температуры и солнечное излучение катализировало химические процессы. Изменило эту ситуацию только появление живых организмов.

  • Во-первых, они начали выделять столько кислорода, что он не только окислил все вещества на поверхности, но и начал накапливаться — за пару миллиардов лет его количество выросло с ноля до 21% процента всей массы атмосферы.
  • Во-вторых, живые организмы активно использовали углерод атмосферы для построения собственных скелетов. В итоге их деятельности земная кора пополнилась целыми геологическими пластами органических материалов и ископаемых, а углекислого газа стало куда меньше
  • И, наконец, избыток кислорода сформировал озоновый слой, который стал защищать живые организмы от ультрафиолета. Жизнь стала эволюционировать активнее и приобретать новые, более сложные формы — среди бактерий и водорослей стали появляться высокоорганизованные существа. Сегодня в озон занимает всего 0,00001% всей массы Земли.

Вам уже наверняка известно, что синий цвет неба на Земле тоже создается кислородом — из всего радужного спектра Солнца он лучше всего рассеивает короткие волны света, отвечающие за синий цвет. Этот же эффект действует в космосе — на расстоянии Земля будто окутывается голубой дымкой, а издали и вовсе превращается в синюю точку.

Кроме того, в атмосфере в значительном количестве присутствуют благородные газы. Среди них больше всего аргона, доля которого в атмосфере составляет 0,9–1%. Его источник — ядерные процессы в глубинах Земли, а попадает на поверхность он через микротрещины в литосферных плитах и вулканические извержения (таким же образом появляется гелий в атмосфере). Из-за своих физических особенностей благородные газы поднимаются в верхние слои атмосферы, где улетучиваются в космическое пространство.

Как мы можем видеть, состав атмосферы Земли менялся уже не раз, и притом очень сильно — но на это понадобились миллионы лет. С другой стороны, жизненно важные явления очень устойчивы — озоновый слой будет существовать и функционировать, даже если на Земле будет в 100 раз меньше кислорода. На фоне общей истории планеты, деятельность человека не оставила серьезных следов. Однако в локальных масштабах цивилизация способна создавать проблемы — по крайней мере, для себя. Загрязнители воздуха уже сделали жизнь жителей китайского Пекина опасной — а громадные облака грязного тумана над большими городами видны даже из космоса.

Структура атмосферы

Однако экзосфера — это не единственный особый слой нашей атмосферы. Их существует немало, и каждый из них обладает своими уникальными характеристиками. Давайте рассмотрим несколько основных:

Тропосфера

Самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы называется тропосферой. Читатель статьи сейчас находится именно в его «придонной» части — если, конечно, он не является одним из 500 тысяч человек, которые летят прямо сейчас в самолете. Верхний предел тропосферы зависит от широты (помните о центробежной силе вращения Земли, из-за которой планета шире на экваторе?) и колеблется от 7 километров на полюсах до 20 километров на экваторе. Также размеры тропосферы зависит от сезона — чем теплее воздух, тем выше поднимается верхний предел.

Название «тропосфера» происходит от древнегреческого слова «tropos», которое переводится как «поворот, изменение». Это достаточно точно отображает свойства слоя атмосферы — он наиболее динамичный и продуктивный. Именно в тропосфере собираются облака и циркулирует вода, создаются циклоны и антициклоны и генерируются ветра — происходят все те процессы, которые мы называем «погода» и «климат». Кроме того, это самый массивный и плотный слой — на него приходится 80% массы атмосферы и почти все содержание воды в ней. Тут же обитает большая часть живых организмов.

Всем известно, что чем выше подниматься, тем холоднее становится. Это действительно так — каждые 100 метров вверх температура воздуха падает на 0,5-0,7 градуса. Тем не менее принцип работает только в тропосфере — дальше температура с ростом высоты начинает повышаться. Зона между тропосферой и стратосферой, где температура остается неизменной, называется тропопаузой. А еще с высотой убыстряется течение ветра — на 2–3 км/с на километр ввысь. Поэтому пара- и дельтапланеристы предпочитают для полетов возвышенные плато и горы — там всегда удастся «поймать волну».

Уже упомянутое воздушное дно, где атмосфера контактирует с литосферой, называется приземным пограничным слоем. Его роль в циркуляции атмосферы невероятно велика — отдача тепла и излучения от поверхности создает ветры и перепады давления, а горы и другие неровности рельефа направляют и разделяют их. Тут же происходит водообмен — за 8–12 дней вся вода, взятая из океанов и поверхности, возвращается обратно, превращая тропосферу в своеобразный водный фильтр.

  • Интересный факт — на водообмене с атмосферой завязан важный процесс в жизнедеятельности растений — транспирация. С ее помощью флора планеты активно влияет на климат — так, большие зеленые массивы смягчают погоду и перепады температуры. Растения в насыщенных водой местах испаряют 99% воды, взятой из почвы. К примеру, гектар пшеницы за лето выбрасывает в атмосферу 2–3 тысячи тонн воды — это значительно больше, чем могла бы отдать безжизненная почва.

Нормальное давление у поверхности Земли — около 1000 миллибар. Эталоном считается давление в 1013 мБар, которое составляет одну «атмосферу» — с этой единицей измерения вы уже наверняка сталкивались. С ростом высоты давление стремительно падает: у границ тропосферы (на высоте 12 километров) оно составляет уже 200 мБар, а на высоте 45 километров и вовсе падает до 1 мБар. Поэтому не странно, что именно в насыщенной тропосфере собрано 80% все массы атмосферы Земли.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся в диапазоне между 8 км высоты (на полюсе) и 50 км (на экваторе), называется стратосферой. Название происходит от др. греческого слова «stratos», которое значит «настил, слой». Это крайне разреженная зона атмосферы Земли, в которой почти нет водного пара. Давление воздуха в нижней части стратосферы в 10 раз меньше приповерхностного, а в верхней части — в 100 раз.

В разговоре о тропосферу мы уже узнали, что температура в ней понижается в зависимости от высоты. В стратосфере все происходит с точностью до наоборот — с набором высоты температура вырастает от –56°C до 0–1°С. Прекращается нагрев в стратопаузе, границе между страто- и мезосферами.

 

Жизнь и человек в стратосфере

Пассажирские лайнеры и сверхзвуковые самолеты обычно летают в нижних слоях стратосферы — это не только защищает их от нестабильности воздушных потоков тропосферы, но и упрощает их движение за счет малого аэродинамического сопротивления. А низкие температуры и разреженность воздуха позволяют оптимизировать потребление топлива, что особенно важно для дальних перелетов.

Однако существует технический предел высоты для самолета — приток воздуха, которого в стратосфере так мало, необходим для работы реактивных двигателей. Соответственно, для достижения нужного давления воздуха в турбине самолету приходится двигаться быстрее скорости звука. Поэтому высоко в стратосфере (на высоте 18–30 километров) могут передвигаться только боевые машины и сверхзвуковые самолеты вроде «Конкордов». Так что основными «обитателями» стратосферы являются метеорологические зонды, прикрепленные к воздушным шарам — там они могут оставаться длительное время, собирая информацию о динамике нижележащей тропосферы.

Читателю уже наверняка известно, что вплоть до самого озонового слоя в атмосфере встречаются микроорганизмы — так называемый аэропланктон. Однако не одни бактерии способны выживать в стратосфере. Так, однажды в двигатель самолета на высоте 11,5 тысяч метров попал африканский сип — особая разновидность грифа. А некоторые утки во время миграций спокойно пролетают над Эверестом.

Но самым большим существом, побывавшим в стратосфере, остается человек. Текущий рекорд по высоте был установлен Аланом Юстасом — вице-президентом компании Google. В день прыжка ему было 57 лет! На специальном воздушном шаре он поднялся на высоту 41 километр над уровнем моря, а затем спрыгнул вниз с парашютом. Скорость, которую он развил в пиковый момент падения, составила 1342 км/ч — больше скорости звука! Одновременно Юстас стал первым человеком, самостоятельно преодолевшим звуковой порог скорости (не считая скафандра для поддержки жизнедеятельности и парашютов для приземления в целом виде).

  • Интересный факт — для того чтобы отсоединиться от воздушного шара, Юстасу понадобилось взрывное устройство — вроде того, что используется космическими ракетами при отсоединении ступеней.

Озоновый слой

А еще на границе между стратосферой и мезоферой находится знаменитый озоновый слой. Он защищает поверхность Земли от воздействия ультрафиолетовых лучей, а заодно служит верхней границей распространения жизни на планете — выше него температура, давление и космическое излучение быстро положат конец даже самым стойким бактериям.

Откуда же взялся этот щит? Ответ невероятен — он был создан живыми организмами, точнее — кислородом, которые разнообразные бактерии, водоросли и растения выделяли с незапамятных времен. Поднимаясь высоко по атмосфере, кислород контактирует с ультрафиолетовым излучением и вступает в фотохимическую реакцию. В итоге из обычного кислорода, которым мы дышим, O2, получается озон — O3.

Парадоксально, но созданный излучением Солнца озон защищает нас от этого же излучения! А еще озон не отражает, а поглощает ультрафиолет — тем самым он нагревает атмосферу вокруг себя.

Мезосфера

Мы уже упоминали, что над стратосферой — точнее, над стратопаузой, пограничной прослойкой стабильной температуры — находится мезосфера. Этот относительно небольшой слой располагается между 40–45 и 90 километров высоты и является самым холодным местом в нашей планете — в мезопаузе, верхнем слое мезосферы, воздух охлаждается до –143°C.

Мезосфера является наименее изученной частью атмосферы Земли. Экстремально малое давление газов, которое от тысячи до десяти тысяч раз ниже поверхностного, ограничивает движение воздушных шаров — их подъемная сила доходит до нуля, и они попросту зависают на месте. То же происходит с реактивными самолетами — аэродинамика крыла и корпуса самолета теряют свой смысл. Поэтому летать в мезосфере могут либо ракеты, либо самолеты с ракетными двигателями — ракетопланы. К таким относится ракетоплан X-15, который удерживает позицию самого быстрого самолета в мире: он достиг высоты в 108 километров и скорости 7200 км/ч — в 6,72 раза больше скорости звука.

Однако рекордный полет X-15 составил всего 15 минут. Это символизирует общую проблему движущихся в мезосфере аппаратов — они слишком быстры, чтобы провести какие-либо основательные исследования, и находятся на заданной высоте недолго, улетая выше или падая вниз. Также мезосферу нельзя исследовать при помощи спутников или суборбитальных зондов — пусть давление в этом слое атмосферы и низкое, оно тормозит (а порой и сжигает) космические аппараты. Из-за этих сложностей ученые часто называют мезосферу «незнайкосферой» (от англ. «ignorosphere», где «ignorance» — невежество, незнание).

А еще именно в мезосфере сгорает большинство метеоров, падающих на Землю — именно там вспыхивает метеоритный поток Персеиды, известный как «августовский звездопад». Световой эффект происходит тогда, когда космическое тело входит в атмосферу Земли под острым углом со скоростью больше 11 км/ч — от силы трения метеорит загорается.

Растеряв свою массу в мезосфере, остатки «пришельцев» оседают на Землю в виде космической пыли — каждый день на планету попадает от 100 до 10 тысяч тонн метеоритного вещества. Поскольку отдельные пылинки очень легкие, на путь к поверхности Земли у них уходит до одного месяца! Попадая в тучи, они утяжеляют их и даже иногда вызывают дожди — как вызывает их вулканический пепел или частицы от ядерных взрывов. Однако сила влияния космической пыли на дождеобразование считается небольшой — даже 10 тысяч тонн маловато, чтобы серьезно изменить естественную циркуляцию атмосферы Земли.

Термосфера

Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана незримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.

С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!

Горячо, не правда ли? При температуре в 1538°C начинает плавиться железо — как же тогда космические аппараты остаются целыми в термосфере? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока — но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.

  • На заметку. Когда речь идет о высоких температурах, всегда стоит учитывать плотность раскаленной материи — так, ученые на Андронном Коллайдере действительно могут нагреть вещество до температуры Солнца. Но очевидно, что это будут отдельные молекулы — одного грамма вещества звезды хватило бы для мощнейшего взрыва. Поэтому не стоит верить желтой прессе, которая обещает нам скорый конец света от «рук» Коллайдера, как и не стоит бояться жара в термосфере.

Термосфера и космонавтика

Термосфера фактически является открытым космосом — именно в ее пределах пролегала орбита первого советского «Спутника». Там же был апоцентр — наивысшая точка над Землей — полета корабля «Восток-1» с Юрием Гагариным на борту. Многие искусственные спутники для изучения поверхности Земли, океана и атмосферы, вроде спутников Google Maps, тоже запускаются на эту высоту. Поэтому если речь идет о НОО (Низкой Опорной Орбите, расхожий термин в космонавтике), в 99% случаев она находится в термосфере.

Орбитальные полеты людей и животных не просто так происходят в термосфере. Дело в том, что в ее верхней части, на высоте от 500 километров, простираются радиационные пояса Земли. Именно там заряженные частицы солнечного ветра ловятся и накапливаются магнитосферой. Длительное нахождение в радиационных поясах приносит непоправимый вред живым организмам и даже электронике — поэтому все высокоорбитальные аппараты обладают защитой от радиации.

Полярные сияния

В полярных широтах часто появляется зрелищное и грандиозное зрелище — полярные сияния. Они выглядят как длинные светящиеся дуги разнообразных цветов и форм, которые переливаются в небе. Их появлению Земля обязана своей магнитосферой — а, точнее, прорехами в ней возле полюсов. Заряженные частицы солнечного ветра прорываются внутрь, заставляя атмосферу светиться. Полюбоваться на самые зрелищные сияния и узнать подробнее их происхождение можно тут.

Сейчас сияния являются обыденностью для жителей приполярных стран, таких как Канада или Норвегия, а также обязательным пунктом в программе любого туриста — однако раньше им приписывались сверхъестественные свойства. В разноцветных огнях людям древности виделись врата в рай, мифические существа и костры духов, а их поведение считали прорицаниями. И наших предков можно понять — даже образование и вера в собственный разум порой не могут сдержать благоговения перед силами природы.

Экзосфера

Последний слой атмосферы Земли, нижняя граница которого проходит на высоте 700 километров — это экзосфера (от др. греческого коря «экзо» — вне, снаружи). Она невероятно рассеянная и состоит преимущественно из атомов легчайшего элемента — водорода; также попадаются отдельные атомы кислорода  и азота, которые сильно ионизированы всепроникающим излучением Солнца.

Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.

Выветривание атмосферы

А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.

Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь. Кроме того, часть потерянного вещества со временем возвращается обратно в атмосферу. А важные газы вроде кислорода или углекислого газа попросту слишком тяжелы, чтобы массово покидать Землю — поэтому не стоит бояться, что атмосфера нашей Земли улетучится.

  • Интересный факт — «пророки» конца света часто говорят, что если ядро Земли перестанет вращаться, атмосфера быстро выветрится под напором солнечного ветра. Однако наш читатель знает, что удерживают атмосферу возле Земли силы гравитации, которые будут действовать вне зависимости от вращения ядра. Ярким доказательством этого служит Венера, у которой неподвижное ядро и слабое магнитное поле, но зато атмосфера в 93 раза плотнее и тяжелее земной. Однако это не значит, что прекращение динамики земного ядра безопасно — тогда исчезнет магнитное поле планеты. Его роль важна не столько в сдерживании атмосферы, сколько в защите от заряженных частиц солнечного ветра, которые легко превратят нашу планету в радиоактивную пустыню.

Облака

Вода на Земле существует не только в необъятном океане и многочисленных реках. Около 5,2 ×1015 килограмм воды находится в атмосфере. Она присутствует практически везде — доля пара в воздухе колеблется от 0,1% до 2,5% объема в зависимости от температуры и местоположения. Однако больше всего воды собрано в облаках, где она хранится не только в виде газа, но и в маленьких капельках и ледяных кристаллах. Концентрация воды в тучах достигает 10г/м3 — а так как облака достигают объема в несколько кубических километров, масса воды в них исчисляется десятками и сотнями тонн.

Облака — это самое заметное образование нашей Земли; они видны даже с Луны, где очертания континентов размываются перед невооруженным глазом. И это не странно — ведь тучами постоянно покрыто больше 50% Земли!

В теплообмене Земли облака играют невероятно важную роль. Зимой они захватывают солнечные лучи, повышая температуру под собой за счет парникового эффекта, а летом экранируют громадную энергию Солнца. Также облака уравновешивают перепады температуры между днем и ночью. К слову, именно из-за их отсутствия пустыни так сильно остывают ночью — все накопленное песком и скалами тепло беспрепятственно улетает ввысь, когда в других регионах его удерживают тучи.

Преобладающее большинство туч формируются у поверхности Земли, в тропосфере, однако в своем дальнейшем развитии они принимают самые разнообразные формы и свойства. Их разделение весьма полезно — появление туч различных видов может не только помочь предсказывать погоду, но и определять наличие примесей в воздухе! Давайте рассмотрим основные типы облаков подробнее.

Облака нижнего яруса

Тучи, которые опускаются ниже всего над землей, относят к облакам нижнего яруса. Им характерна высокая однородность и низкая масса — когда они опускаются на землю, ученые-метеорологи не отделяют их от обычного тумана. Тем не менее разница между ними есть — одни просто заслоняют небо, а другие могут разразиться большими дождями и снегопадами.

  • К тучам, способным дать сильные осадки, относятся слоисто-дождевые облака. Они самые большие среди туч нижнего яруса: их толщина достигает нескольких километров, а линейные измерения превышают тысячи километров. Они представляют собой однородную серую массу — взгляните на небо во время продолжительного дождя, и вы наверняка увидите слоисто-дождевые облака.
  • Другой вид облаков нижнего яруса — это слоисто-кучевые облака, поднимающиеся над землей на 600–1500 метров. Они представляют собой группы из сотен серо-белых туч, разделенных небольшими просветами. Такие облака мы обычно видим в дни переменной облачности. С них редко идет дождь или снег.
  • Последний вид нижних облаков — это обычные слоистые облака; именно они застилают небо в пасмурные дни, когда с неба пускается мелкая морось. Они очень тонкие и низкие — высота слоистых облаков в максимуме достигает 400–500 метров. Их структура очень напоминает строение тумана — опускаясь ночью к самой земле, они часто создают густую утреннюю дымку.

Облака вертикального развития

У туч нижнего яруса есть старшие братья — облака вертикального развития. Хотя их нижняя граница пролегает на небольшой высоте в 800–2000 километров, облака вертикального развития серьезно устремляются вверх — их толщина может достигать 12–14 километров, что подталкивает их верхний предел к границам тропосферы. Еще такие облака называют конвективными: из-за больших размеров вода в них приобретает разную температуру, что порождает конвекцию — процесс перемещения горячих масс наверх, и холодных — вниз. Поэтому в облаках вертикального развития одновременно существуют водный пар, мелкие капельки, снежинки и даже целые кристаллы льда.

  • Основным типом вертикальных облаков являются кучевые облака — громадные белые тучи, напоминающие рваные куски ваты или айсберги. Для их существования необходима высокая температура воздуха — поэтому в средней полосе России они появляются только летом и тают к ночи. Их толщина достигает нескольких километров.
  • Однако когда кучевые облака имеют возможность собраться вместе, они создают куда более грандиозную форму — кучево-дождевые облака. Именно с них идут сильные ливни, град и грозы летом. Существуют они только несколько часов, но при этом разрастаются ввысь до 15 километров — верхняя их часть достигает температуры –10°C и состоит из кристалликов льда.На верхушках самых больших кучево-дождевых туч формируются «наковальни» — плоские области, напоминающие гриб или перевернутый утюг. Это происходит на тех участках, где облако достигает границы стратосферы — физика не позволяет распространяться дальше, из-за чего кучево-дождевая туча расползается вдоль предела высоты.
  • Интересный факт — мощные кучево-дождевые облака формируются в местах извержений вулканов, ударов метеоритов и ядерных взрывов. Эти тучи являются самыми большими — их границы достигают даже стратосферы, выбираясь на высоту 16 километров. Будучи насыщенными испаренной водой и микрочастицами, они извергают мощные грозовые ливни — в большинстве случаев этого достаточно, чтобы потушить связанные с катаклизмом возгорания. Вот такой вот природный пожарный 🙂

Облака среднего яруса

В промежуточной части тропосферы (на высоте от 2–7 километров в средних широтах) находятся облака среднего яруса. Им свойственны большие площади — на них меньше влияют восходящие потоки от земной поверхности и неровности ландшафта — и небольшая толщина в несколько сот метров. Это те облака, которые «наматываются» вокруг острых пиков гор и зависают возле них.

Сами облака среднего яруса делятся на два основных типа — высокослоистые и высококучевые.

  • Высокослоистые облака — это одна из составляющих сложных атмосферных масс. Они представляют собой однородную, серовато-синюю пелену, через которую видны Солнце и Луна — хотя протяженность высокослоистых облаков составляет тысячи километров, их толщина составляет всего несколько километров. Серая плотная пелена, которая видна из иллюминатора самолета, летящего на большой высоте — это именно высокослоистые облака. Часто из них идут длительные дожди или снег.
  • Высококучевые облака, напоминающие мелкие куски рваной ваты или тонкие параллельные полосы, встречаются в теплую пору года — они образуются при поднятии теплых воздушных масс на высоту 2–6 километров. Высококучевые облака служат верным индикатором грядущей перемены погоды и приближения дождя — создать их может не только естественная конвекция атмосферы, но и наступления холодных воздушных масс. С них редко идет дождь — однако тучи могут сбиться вместе и создать одно большое дождевое облако.

К слову о тучах возле гор — на фотографиях (а, может, и вживую) вы наверняка не раз видели круглые облака, напоминающие ватные диски, которые зависают слоями над горной вершиной. Дело в том, что облака среднего яруса часто бывают лентикулярными или линзовидными — разделенными на несколько параллельных слоев. Их создают воздушные волны, образующиеся при обтекании ветром крутых пиков. Линзовидные тучи также особенны тем, что висят на месте даже при самом сильном ветре. Это делает возможным их природа — поскольку такие облака создаются в местах контакта нескольких воздушных потоков, они находятся в относительно стабильной позиции.

Облака верхнего яруса

Последний уровень обычных туч, которые поднимаются до нижних пределов стратосферы, называется верхним ярусом. Высота таких облаков достигает 6–13 километров — там очень холодно, и потому облака на верхнем ярусе состоят из мелких льдинок. Из-за их волокнистой растянутой формы, напоминающей перья, высокие облака также называются перистыми — хотя причуды атмосферы часто придают им форму когтей, хлопьев и даже рыбьих скелетов. Осадки, которые образуются с них, никогда не достигают земли — но само присутствие перистых облаков служит древним способом предсказывать погоду.

  • Чисто-перистые облака являются самыми протяженными среди туч верхнего яруса — длина отдельного волокна может достигать десятка километров. Так как кристаллы льда в тучах достаточно большие, чтобы ощущать на себе притяжение Земли, перистые облака «падают» целыми каскадами — расстояние между верхней и нижней точкой отдельно взятого облака может достигать 3-4 километров! По сути, перистые тучи — это громадные «ледопады». Именно различия в форме кристаллов воды создают их волокнистую, потокообразную форму.
  • В этом классе попадаются и практически невидимые облака — перисто-слоистые облака. Они образуются тогда, когда большие массы приповерхностного воздуха поднимаются ввысь — на большой высоте их влажности достаточно для формирования облака. Когда сквозь них просвечивает Солнце или Луна, появляется гало — сияющий радужный диск из рассеянных лучей.

Серебристые облака

В отдельный класс стоит выделить серебристые облака — самые высокие тучи на Земле. Они забираются на высоту 80 километров, что даже выше стратосферы! Кроме того, они имеют необычный состав — в отличие от других облаков, они состоят из метеоритной пыли и метана, а не воды. Эти тучи видны только после заката или перед рассветом — лучи Солнца, проникающие из-за горизонта, подсвечивают серебристые облака, которые в течение дня остаются невидимыми на высоте.

Серебристые облака представляют собой невероятно красивое зрелище  — однако чтобы увидеть их в Северном полушарии, нужны особые условия. А еще их загадку было не так просто разгадать — ученые в бессилии отказывались в них верить, объявляя серебристые тучи оптической иллюзией. Посмотреть на необычные облака и узнать о их секретах вы можете из нашей специальной статьи.

Источник: SpaceGid.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.