Земна атмосфера. Географія тема – атмосфера

- Повітряна оболонка земної кулі, що обертається разом із Землею. Верхню межу атмосфери умовно проводять на висотах 150-200 км. Нижня межа – поверхня Землі.

Атмосферне повітря є сумішшю газів. Більшість його обсягу в приземному шарі повітря посідає азот (78%) і кисень (21%). Крім того, в повітрі містяться інертні гази (аргон, гелій, неон та ін), вуглекислий газ (0,03), водяна пара та різні тверді частинки (пил, сажа, кристали солей).

Повітря безбарвне, а колір неба пояснюється особливостями розсіювання світлових хвиль.

Атмосфера складається з кількох шарів: тропосфери, стратосфери, мезосфери та термосфери.

Нижній приземний шар повітря називається тропосферою.На різних широтах її потужність неоднакова. Тропосфера повторює форму планети та бере участь разом із Землею в осьовому обертанні. У екватора потужність атмосфери коливається від 10 до 20 км. У екватора вона більша, а у полюсів – менша. Тропосфера характеризується максимальною щільністю повітря, у ній зосереджено 4/5 маси всієї атмосфери. Тропосфера визначає погодні умови: тут формуються різні повітряні маси, утворюються хмари та опади, відбувається інтенсивний горизонтальний та вертикальний рух повітря.

Над тропосферою, до висоти 50 км, розташовується Стратосфера.Вона характеризується меншою щільністю повітря, у ній відсутня водяна пара. У нижній частині стратосфери на висотах близько 25 км. розташований «озоновий екран» – шар атмосфери з підвищеною концентрацією озону, який поглинає ультрафіолетове випромінювання, яке згубне для організмів.

На висоті 50 до 80-90 км. мезосфери.Зі збільшенням висоти температура знижується із середнім вертикальним градієнтом (0,25-0,3)°/100 м, а щільність повітря зменшується. Основним енергетичним процесом є променистий теплообмін. Світіння атмосфери обумовлено складними фотохімічними процесами за участю радикалів, коливально збуджених молекул.

Термосферазнаходиться на висоті 80-90 до 800 км. Щільність повітря тут мінімальна, рівень іонізації повітря дуже великий. Температура змінюється залежно від активності Сонця. У зв'язку з великою кількістюзаряджених частинок тут спостерігаються полярні сяйва та магнітні бурі.

Атмосфера має значення для природи Землі.Без кисню неможливе дихання живих організмів. Її озоновий шар захищає все живе від згубних ультрафіолетових променів. Атмосфера згладжує коливання температур: поверхня Землі не переохолоджується вночі та не перегрівається вдень. У щільних шарах атмосферного повітря, не досягаючи поверхні планети, згоряють від терну метеорити.

Атмосфера взаємодіє зі всіма оболонками землі. З її допомогою здійснюється обмін теплом та вологою між океаном та сушею. Без атмосфери не було б хмар, опадів, вітрів.

Значний несприятливий вплив на атмосферу має господарська діяльністьлюдини. Відбувається забруднення атмосферного повітря, що зумовлює збільшення концентрації оксиду вуглецю (CO 2 ). А це сприяє глобальному потеплінню клімату та підсилює. парниковий ефект». Озоновий шар Землі руйнується через відходи виробництв та роботи транспорту.

Атмосфера потребує охорони. У розвинених країнздійснюється комплекс заходів щодо захисту атмосферного повітря від забруднення.

Залишились питання? Бажаєте знати більше про атмосферу?
Щоб отримати допомогу репетитора – зареєструйтесь.

сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.

Атмосфера(Від грец. Atmos - пар і spharia - куля) - повітряна оболонка Землі, що обертається разом з нею. Розвиток атмосфери був із геологічними і геохімічними процесами, які протікають нашій планеті, і навіть із діяльністю живих організмів.

Нижня межа атмосфери збігається з поверхнею Землі, тому що повітря проникає в дрібні пори в грунті і розчинене навіть у воді.

Верхня межа на висоті 2000-3000 км поступово перетворюється на космічний простір.

Завдяки атмосфері, в якій міститься кисень, можливе життя на Землі. Атмосферний кисень використовують у процесі дихання людини, тваринами, рослинами.

Якби не було атмосфери, на Землі була б така сама тиша, як на Місяці. Адже звук – це коливання частинок повітря. Блакитний колір піднебіння пояснюється тим, що сонячні промені, проходячи крізь атмосферу, як через лінзу, розкладаються на складові кольору. При цьому розсіюються найбільше промені блакитного та синього кольорів.

Атмосфера затримує більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, яке згубно діє живі організми. Також вона утримує біля Землі тепло, не даючи нашій планеті охолоджуватися.

Будова атмосфери

В атмосфері можна виділити кілька шарів, що розрізняються по щільності (рис. 1).

Тропосфера

Тропосфера- Найнижчий шар атмосфери, товщина якого над полюсами становить 8-10 км, в помірних широтах - 10-12 км, а над екватором - 16-18 км.

Рис. 1. Будова атмосфери Землі

Повітря у тропосфері нагрівається від земної поверхні, тобто від суші та води. Тому температура повітря в цьому шарі з висотою знижується в середньому на 0,6 ° С на кожні 100 м. У верхній межі тропосфери вона сягає -55 °С. При цьому в районі екватора на верхньому кордоні тропосфери температура повітря становить -70 °С, а в районі Північного полюса -65 °С.

У тропосфері зосереджено близько 80 % маси атмосфери, знаходиться майже вся водяна пара, виникають грози, бурі, хмари та опади, а також відбувається вертикальне (конвекція) та горизонтальне (вітер) переміщення повітря.

Можна сміливо сказати, що погода переважно формується в тропосфері.

Стратосфера

Стратосфера- Шар атмосфери, розташований над тропосферою на висоті від 8 до 50 км. Колір піднебіння у цьому шарі здається фіолетовим, що пояснюється розрідженістю повітря, через яку сонячні промені майже не розсіюються.

У стратосфері зосереджено 20% маси атмосфери. Повітря в цьому шарі розріджене, практично немає водяної пари, а тому майже не утворюються хмари та опади. Однак у стратосфері спостерігаються стійкі повітряні течії, швидкість яких сягає 300 км/год.

У цьому шарі зосереджений озон(Озоновий екран, озоносфера), шар, який поглинає ультрафіолетові промені, не пропускаючи їх до Землі і тим самим захищаючи живі організми на нашій планеті. Завдяки озону, температура повітря на верхньому кордоні стратосфери знаходиться в межах від -50 до 4-55 °С.

Між мезосферою та стратосферою розташована перехідна зона – стратопауза.

Мезосфера

Мезосфера- Шар атмосфери, розташований на висоті 50-80 км. Щільність повітря тут у 200 разів менша, ніж у поверхні Землі. Колір піднебіння у мезосфері здається чорним, протягом дня видно зірки. Температура повітря знижується до -75(-90)°С.

На висоті 80 км. починається термосфери.Температура повітря у цьому шарі різко підвищується до висоти 250 м, а потім стає постійною: на висоті 150 км вона досягає 220-240 ° С; на висоті 500-600 км. перевищує 1500 °С.

У мезосфері та термосфері під дією космічних променів молекули газів розпадаються на заряджені (іонізовані) частинки атомів, тому ця частина атмосфери отримала назву іоносфера- Шар дуже розрідженого повітря, розташований на висоті від 50 до 1000 км, що складається в основному з іонізованих атомів кисню, молекул окису азоту і вільних електронів. Для цього шару характерна висока наелектризованість, і від нього, як від дзеркала, відбиваються довгі та середні радіохвилі.

В іоносфері виникають полярні сяйва - світіння розріджених газів під впливом електрично заряджених частинок, що летять від Сонця, і спостерігаються різкі коливання магнітного поля.

Екзосфера

Екзосфера- Зовнішній шар атмосфери, розташований вище 1000 км. Цей шар ще називають сферою розсіювання, тому що частинки газів рухаються тут з великою швидкістю і можуть розсіюватись у космічний простір.

Склад атмосфери

Атмосфера - це суміш газів, що складається з азоту (78,08%), кисню (20,95%), вуглекислого газу (0,03%), аргону (0,93%), невеликої кількості гелію, неону, ксенону, криптону (0,01%), озону та інших газів, але їх вміст мізерний (табл. 1). Сучасний складповітря Землі встановилося понад сотню мільйонів років тому, проте різко зросла виробнича діяльність людини все ж таки призвела до її зміни. В даний час відзначається збільшення вмісту 2 приблизно на 10-12%.

Гази, що входять до складу атмосфери, виконують різні функціональні ролі. Однак основне значення цих газів визначається насамперед тим, що вони дуже поглинають променисту енергію і тим самим істотно впливають на температурний режимповерхні Землі та атмосфери.

Таблиця 1. Хімічний складсухого атмосферного повітря біля земної поверхні

Азот,найпоширеніший газ у атмосфері, хімічно мало активний.

Кисень, На відміну від азоту, хімічно дуже активний елемент. Специфічна функція кисню – окислення органічної речовинигетеротрофних організмів, гірських порід та недоокислених газів, що викидаються в атмосферу вулканами. Без кисню не було б розкладання мертвої органічної речовини.

Роль вуглекислого газу атмосфері винятково велика. Він надходить в атмосферу в результаті процесів горіння, дихання живих організмів, гниття і є, перш за все, основним. будівельний матеріалдля створення органічної речовини під час фотосинтезу. Крім цього, величезне значення має властивість вуглекислого газу пропускати короткохвильову сонячну радіацію та поглинати частину теплового довгохвильового випромінювання, що створить так званий парниковий ефект, про який йтиметься нижче.

Вплив на атмосферні процеси, особливо на тепловий режим стратосфери, чинить і озон.Цей газ служить природним поглиначем ультрафіолетового випромінювання Сонця, а поглинання сонячної радіаціїведе до нагрівання повітря. Середні місячні значення загального вмісту озону в атмосфері змінюються в залежності від широти місцевості та пори року в межах 0,23-0,52 см (така товщина шару озону при наземному тиску та температурі). Спостерігається збільшення вмісту озону від екватора до полюсів та річний хід з мінімумом восени та максимумом навесні.

Характерною властивістю атмосфери можна назвати те, що вміст основних газів (азоту, кисню, аргону) з висотою змінюється незначно: на висоті 65 км в атмосфері вміст азоту - 86%, кисню - 19, аргону - 0,91, на висоті 95 км - азоту 77, кисню - 21,3, аргону - 0,82%. Постійність складу атмосферного повітря по вертикалі та горизонталі підтримується його перемішуванням.

Крім газів, у повітрі містяться водяна параі Тверді частки.Останні можуть мати як природне, і штучне (антропогенне) походження. Це квітковий пилок, крихітні кристали солі, дорожній пил, аерозольні домішки. Коли у вікно проникають сонячні промені, їх можна побачити неозброєним оком.

Особливо багато твердих частинок повітря міст і великих промислових центрів, де до аерозолям додаються викиди шкідливих газів, їх домішок, що утворюються при спалюванні палива.

Концентрація аерозолів в атмосфері визначає прозорість повітря, що позначається на сонячній радіації, що досягає Землі. Найбільші аерозолі - ядра конденсації (від лат. condensatio- Ущільнення, згущення) - сприяють перетворенню водяної пари на водяні краплі.

Значення водяної пари визначається насамперед тим, що він затримує довгохвильове теплове випромінювання земної поверхні; представляє основну ланку великих і малих кругообігів вологи; підвищує температуру повітря під час конденсації водяних нарів.

Кількість водяної пари в атмосфері змінюється в часі та просторі. Так, концентрація водяної пари біля земної поверхні коливається від 3 % у тропіках до 2-10 (15) % в Антарктиді.

Середній вміст водяної пари у вертикальному стовпі атмосфери в помірних широтах становить близько 1,6-1,7 см (таку товщину матиме шар сконденсованої водяної пари). Відомості щодо водяної пари у різних шарах атмосфери суперечливі. Передбачалося, наприклад, що в діапазоні висот від 20 до 30 км. питома вологість сильно збільшується з висотою. Однак наступні виміри вказують на велику сухість стратосфери. Очевидно, питома вологість у стратосфері залежить від висоти і становить 2-4 мг/кг.

Мінливість вмісту водяної пари в тропосфері визначається взаємодією процесів випаровування, конденсації та горизонтального перенесення. В результаті конденсації водяної пари утворюються хмари та випадають атмосферні опади у вигляді дощу, граду та снігу.

Процеси фазових переходів води протікають переважно в тропосфері, саме тому хмари в стратосфері (на висотах 20-30 км) і мезосфері (поблизу мезопаузи), що отримали назву перламутрових і сріблястих, спостерігаються порівняно рідко, тоді як тропосферні хмари нерідко закривають. поверхні.

Кількість водяної пари, яка може бути в повітрі, залежить від температури повітря.

В 1 м 3 повітря при температурі -20 ° С може бути не більше 1 г води; при 0 ° С - не більше 5 г; при +10 ° С - не більше 9 г; при +30 ° С - не більше 30 г води.

Висновок:Чим вище температура повітря, тим більше водяної пари може в ній утримуватися.

Повітря може бути насиченимі не насиченимводяною парою. Так, якщо при температурі +30 °С в 1 м 3 повітря міститься 15 г водяної пари, повітря не насичене водяною парою; якщо ж 30 г - насичений.

Абсолютна вологість- Це кількість водяної пари, що міститься в 1 м 3 повітря. Воно виявляється у грамах. Наприклад, якщо кажуть «абсолютна вологість дорівнює 15», це означає, що у 1 м Л міститься 15 р водяної пари.

Відносна вологість повітря— це відношення (у відсотках) фактичного вмісту водяної пари в 1 м 3 повітря до кількості водяної пари, яка може утримуватися в 1 м Л при даній температурі. Наприклад, якщо радіо під час передачі зведення погоди повідомили, що відносна вологість дорівнює 70 %, це означає, що повітря містить 70 % тієї водяної пари, яку він може вмістити при даній температурі.

Чим більша відносна вологість повітря, т. с. що ближче повітря до стану насичення, то ймовірніше випадання опадів.

Завжди висока (до 90%) відносна вологість повітря спостерігається в екваторіальній зоні, тому що там протягом усього року тримається висока температура повітря і відбувається випаровування з поверхні океанів. Така ж висока відносна вологість і в полярних районах, але вже тому, що при низьких температурах навіть невелика кількість водяної пари робить повітря насиченим або близьким до насичення. У помірних широтах відносна вологість змінюється за сезонами - взимку вона вище, влітку - нижче.

Особливо низька відносна вологість повітря в пустелях: 1 м 1 повітря там містить у два-три рази менше за можливу при даній температурі кількість водяної пари.

Для вимірювання відносної вологості користуються гігрометром (від грец. Hygros - вологий і metroco - вимірюваю).

При охолодженні насичене повітря не може утримати в собі колишньої кількості водяної пари, воно згущується (конденсується), перетворюючись на крапельки туману. Туман можна спостерігати влітку у прохолодну ніч.

Хмари- це той самий туман, тільки утворюється він не біля земної поверхні, а на деякій висоті. Піднімаючись вгору, повітря охолоджується, і водяна пара, що знаходиться в ньому, конденсується. Дрібні крапельки води, що утворилися, і складають хмари.

В освіті хмар беруть участь і тверді частки, що перебувають у тропосфері у зваженому стані.

Хмари можуть мати різну форму, Що залежить від умов їх утворення (табл. 14).

Найнижчі та найважчі хмари — шаруваті. Вони знаходяться на висоті 2 км від земної поверхні. На висоті від 2 до 8 км можна спостерігати більш мальовничі купові хмари. Найвищі та найлегші — перисті хмари. Вони знаходяться на висоті від 8 до 18 км над земною поверхнею.

Охорона атмосфери

Головним джерелом є промислове підприємствота автомобілі. У великих містахПроблема загазованості головних транспортних магістралей стоїть дуже гостро. Саме тому у багатьох великих містахсвіту, у тому числі й у нашій країні, запроваджено екологічний контроль токсичності вихлопних газів автомобілів. За даними фахівців, задимленість і запиленість повітря може наполовину скоротити надходження сонячної енергії до земної поверхні, що призведе до зміни природних умов.

Атмосфера Землі

Атмосфера(Від. ін.-грец.ἀτμός - пара і σφαῖρα - куля) - газоваоболонка ( геосфера), що оточує планету Земля. Внутрішня поверхня її покриває гідросферута частково кору, зовнішня межує з навколоземною частиною космічного простору

Сукупність розділів фізики та хімії, які вивчають атмосферу, прийнято називати фізикою атмосфери. Атмосфера визначає погодуна поверхні Землі, вивченням погоди займається метеорологія, а тривалими варіаціями клімату - кліматологія.

Будова атмосфери

Будова атмосфери

Тропосфера

Її верхня межа знаходиться на висоті 8-10 км у полярних, 10-12 км у помірних та 16-18 км у тропічних широтах; взимку нижче, ніж улітку. Нижній основний шар атмосфери. Містить понад 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% всього водяної пари, що є в атмосфері. У тропосфері сильно розвинені турбулентністьі конвекція, виникають хмари, розвиваються циклониі антициклони. Температура зменшується зі зростанням висоти із середнім вертикальним градієнтом 0,65 ° / 100 м

За «нормальні умови» біля Землі прийняті: щільність 1,2 кг/м3, барометричний тиск 101,35 кПа, температура плюс 20 °C і відносна вологість 50 %. Ці умовні показники мають суто інженерне значення.

Стратосфера

Шар атмосфери, що знаходиться на висоті від 11 до 50 км. Характерна незначна зміна температури у шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) та підвищення її у шарі 25-40 км від −56,5 до 0,8° З(верхній шар стратосфери чи область інверсії). Досягши на висоті близько 40 км значення близько 273 К (майже 0 ° С), температура залишається постійною до висоти близько 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузоюі є кордоном між стратосферою та мезосферою.

Стратопауза

Прикордонний шар атмосфери між стратосферою та мезосферою. У вертикальному розподілі температури є максимум (близько 0 °C).

Мезосфера

Атмосфера Землі

Мезосферапочинається на висоті 50 км і тягнеться до 80-90 км. Температура з висотою знижується із середнім вертикальним градієнтом (0,25-0,3)°/100 м. Основним енергетичним процесом є променистий теплообмін. Складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів, коливально збуджених молекул і т. д. обумовлюють свічення атмосфери.

Мезопауза

Перехідний шар між мезосферою та термосферою. У вертикальному розподілі температури має місце щонайменше (близько -90 °C).

Лінія Карману

Висота над рівнем моря, яка умовно приймається як межа між атмосферою Землі та космосом.

Термосфера

Основна стаття: Термосфера

Верхня межа – близько 800 км. Температура зростає до висот 200-300 км, де досягає значень близько 1500 К, після чого залишається майже постійною до висот. Під дією ультрафіолетової та рентгенівської сонячної радіації та космічного випромінювання відбувається іонізація повітря (« полярні сяйва») - основні галузі іоносферилежать усередині термосфери. На висотах понад 300 км. переважає атомарний кисень.

Атмосферні шари до висоти 120 км

Екзосфера (сфера розсіювання)

Екзосфера- Зона розсіювання, зовнішня частина термосфери, розташована вище 700 км. Газ в екзосфері сильно розріджений, і звідси йде витік його частинок у міжпланетний простір. дисипація).

До висоти 100 км атмосфера є гомогенною добре перемішаною сумішшю газів. У більш високих шарах розподіл газів за висотою залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше при віддаленні поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 °C у стратосфері до −110 °C у мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км. відповідає температурі ~1500 °C. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.

На висоті близько 2000-3000 км екзосфера поступово переходить у так званий ближньокосмічний вакуум, що заповнений сильно розрідженими частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ є лише частиною міжпланетної речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного та метеорного походження. Окрім надзвичайно розріджених пилоподібних частинок, у цей простір проникає електромагнітна та корпускулярна радіація сонячного та галактичного походження.

Перед тропосфери припадає близько 80 % маси атмосфери, частку стратосфери - близько 20 %; маса мезосфери - трохи більше 0,3 %, термосфери - менше 0,05 % від загальної маси атмосфери. На підставі електричних властивостей в атмосфері виділяють нейтросферу та іоносферу. В даний час вважають, що атмосфера тягнеться до висоти 2000-3000 км.

Залежно від складу газу в атмосфері виділяють гомосферуі гетеросферу. Гетеросфера - це область, де гравітація впливає поділ газів, оскільки їх перемішування такий висоті незначно. Звідси випливає змінний склад гетеросфери. Нижче лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери, звана гомосфера. Кордон між цими шарами називається турбопаузоюВона лежить на висоті близько 120 км.

Фізичні властивості

Товщина атмосфери – приблизно 2000 – 3000 км від поверхні Землі. Сумарна маса повітря- (5,1-5,3) 10 18 кг. Молярна масачистого сухого повітря складає 28,966. Тискпри 0 °C на рівні моря 101,325 кПа; критична температура? 140,7 ° C; критичний тиск 3,7 МПа; C p 1,0048×10 3 Дж/(кгК)(при 0 °C), C v 0,7159×10 3 Дж/(кгК) (при 0 °C). Розчинність повітря у воді при 0 °C – 0,036 %, при 25 °C – 0,22 %.

Фізіологічні та інші властивості атмосфери

Вже на висоті 5 км над рівнем моря у нетренованої людини з'являється кисневе голодуванняі без адаптації працездатність людини значно знижується. Тут кінчається фізіологічна зона атмосфери. Подих людини стає неможливим на висоті 15 км, хоча приблизно до 115 км атмосфера містить кисень.

Атмосфера забезпечує нас необхідним для дихання киснем. Однак унаслідок падіння загального тиску атмосфери у міру підйому на висоту відповідно знижується і парціальний тиск кисню.

У легені людини постійно міститься близько 3 л альвеолярного повітря. Парціальний тисккисню в альвеолярному повітрі при нормальному атмосферному тиску становить 110 мм рт. ст., тиск вуглекислого газу – 40 мм рт. ст., а пара води - 47 мм рт. ст. Зі збільшенням висоти тиск кисню падає, а сумарний тиск парів води та вуглекислоти в легенях залишається майже постійним - близько 87 мм рт. ст. Надходження кисню в легені повністю припиниться, коли тиск навколишнього повітря дорівнюватиме цій величині.

На висоті близько 19-20 км. тиск атмосфери знижується до 47 мм рт. ст. Тому на цій висоті починається кипіння води та міжтканинної рідини в організмі людини. Поза герметичною кабіною цих висотах смерть настає майже миттєво. Таким чином, з погляду фізіології людини, "космос" починається вже на висоті 15-19 км.

Щільні шари повітря - тропосфера і стратосфера - захищають нас від дії радіації. При достатньому розрідженні повітря, на висотах понад 36 км, інтенсивну дію на організм має іонізуюча радіація- первинні космічні промені; на висотах понад 40 км. діє небезпечна для людини ультрафіолетова частина сонячного спектру.

У міру підйому на все більшу висоту над поверхнею Землі поступово послаблюються, а потім і повністю зникають, такі звичні для нас явища, що спостерігаються в нижніх шарах атмосфери, як поширення звуку, виникнення аеродинамічної підйомної силита опору, передача тепла конвекцієюта ін.

У розріджених шарах повітря поширення звукувиявляється неможливим. До висот 60-90 км ще можливе використання опору та підйомної сили повітря для керованого аеродинамічного польоту. Але починаючи з висот 100-130 км знайомі кожному льотчику поняття числа Мі звукового бар'єрувтрачають свій сенс, там проходить умовна Лінія Кармануза якою починається сфера суто балістичного польоту, керувати яким можна лише використовуючи реактивні сили.

На висотах вище 100 км атмосфера позбавлена ​​й іншої чудової властивості - здатності поглинати, проводити та передавати теплову енергію шляхом конвекції (тобто за допомогою перемішування повітря). Це означає, що різні елементи обладнання, апаратури орбітальної космічної станції не зможуть охолоджуватися зовні так, як це робиться зазвичай літаком, - за допомогою повітряних струменів і повітряних радіаторів. На такій висоті, як і взагалі у космосі, єдиним способом передачі тепла є теплове випромінювання.

Склад атмосфери

Склад сухого повітря

Атмосфера Землі складається в основному з газів та різних домішок (пил, краплі води, кристали льоду, морські солі, продукти горіння).

Концентрація газів, що становлять атмосферу, практично постійна, за винятком води (H 2 O) та вуглекислого газу (CO 2).

Крім зазначених у таблиці газів, в атмосфері містяться SO 2 , NH 3 , озон, вуглеводні, HCl, HF, пари Hg, I 2 , а також NOта багато інших газів у незначних кількостях. У тропосфері постійно знаходиться велика кількість завислих твердих і рідких частинок ( аерозоль).

Історія освіти атмосфери

Згідно з найпоширенішою теорією, атмосфера Землі в часі перебувала в чотирьох різних складах. Спочатку вона складалася з легких газів ( воднюі гелію), захоплених із міжпланетного простору. Це так звана первинна атмосфера(близько чотирьох мільярдів років тому). На наступному етапі активна вулканічна діяльність призвела до насичення атмосфери та іншими газами, крім водню (вуглекислим газом, аміаком, водяною парою). Так утворилася вторинна атмосфера(близько трьох мільярдів років до наших днів). Ця атмосфера була відновною. Далі процес утворення атмосфери визначався такими факторами:

витік легких газів (водню та гелію) в міжпланетний простір;

хімічні реакції, що відбуваються в атмосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання, грозових розрядів та деяких інших факторів.

Поступово ці фактори призвели до утворення третинної атмосфери, Що характеризується набагато меншим вмістом водню і набагато більшим - азоту та вуглекислого газу (утворені в результаті хімічних реакцій з аміаку та вуглеводнів).

Азот

Утворення великої кількості N 2 обумовлено окисленням аміачно-водневої атмосфери молекулярним О 2 , який став надходити з поверхні планети в результаті фотосинтезу, починаючи з 3 млрд. років тому. Також N 2 виділяється в атмосферу в результаті денітрифікації нітратів та ін азотовмісних сполук. Азот окислюється озоном до NO у верхніх шарах атмосфери.

Азот N 2 вступає у реакції лише у специфічних умовах (наприклад, при розряді блискавки). Окислення молекулярного азоту озоном при електричних розрядах використовують у промисловому виготовленні азотних добрив. Окислювати його з малими енерговитратами та переводити в біологічно активну форму можуть ціанобактерії (синьо-зелені водорості)і бульбочкові бактерії, що формують ризобіальний симбіозз бобовимирослинами, т.з. сидератами.

Кисень

Склад атмосфери почав радикально змінюватись із появою на Землі. живих організмів, в результаті фотосинтезу, що супроводжується виділенням кисню та поглинанням вуглекислого газу Спочатку кисень витрачався на окислення відновлених сполук - аміаку, вуглеводнів, закисної форми заліза, що у океанах та інших. По закінченні цього етапу зміст кисню у атмосфері стало зростати. Поступово утворилася сучасна атмосфера, що має окислювальні властивості. Оскільки це викликало серйозні та різкі зміни багатьох процесів, що протікають у атмосфері, літосферіі біосфері, ця подія отримала назву Киснева катастрофа.

Протягом фанерозоюсклад атмосфери та вміст кисню зазнавали змін. Вони корелювали насамперед зі швидкістю відкладення органічних осадових порід. Так, у періоди вугленакопичення вміст кисню в атмосфері, мабуть, помітно перевищував сучасний рівень.

Вуглекислий газ

Зміст в атмосфері СО 2 залежить від вулканічної діяльності та хімічних процесів у земних оболонках, але найбільше - від інтенсивності біосинтезу та розкладання органіки в біосфері Землі. Практично вся поточна біомаса планети (близько 2,4×10 12 тонн ) утворюється за рахунок вуглекислоти, азоту та водяної пари, що містяться в атмосферному повітрі. Похована у океані, в болотахі в лісахорганіка перетворюється на вугілля, нафтуі природний газ. (Див. Геохімічний цикл вуглецю)

Шляхетні гази

Джерело інертних газів - аргону, геліюі криптону- вулканічні виверження та розпад радіоактивних елементів. Земля загалом та атмосфера зокрема збіднені інертними газами порівняно з космосом. Вважається, що причина цього полягає у безперервному витоку газів у міжпланетний простір.

Забруднення атмосфери

Останнім часом на еволюцію атмосфери став впливати людина. Результатом його діяльності стало постійне значне зростання вмісту в атмосфері вуглекислого газу через спалювання вуглеводневого палива, накопиченого в попередніх геологічних епохах. Величезні кількості СО 2 споживаються при фотосинтезі та поглинаються світовим океаном. Цей газ надходить в атмосферу завдяки розкладанню карбонатних гірських порід та органічних речовин рослинного та тваринного походження, а також внаслідок вулканізму та виробничої діяльності людини. За останні 100 років вміст СО 2 в атмосфері зріс на 10%, причому основна частина (360 млрд тонн) надійшла від спалювання палива. Якщо темпи зростання спалювання палива збережуться, то протягом найближчих 50 - 60 років кількість СО 2 в атмосфері подвоїться і може призвести до глобальних змін клімату.

Спалювання палива - основне джерело та забруднюючих газів ( СО, NO, SO 2 ). Діоксид сірки окислюється киснем повітря до SO 3 у верхніх шарах атмосфери, який у свою чергу взаємодіє з парами води та аміаку, а що утворюються при цьому сірчана кислота (Н 2 SO 4 ) і сульфат амонію ((NH 4 ) 2 SO 4 ) повертаються поверхню Землі як т. зв. кислотних дощів. Використання двигунів внутрішнього згорянняпризводить до значного забруднення атмосфери оксидами азоту, вуглеводнями та сполуками свинцю ( тетраетилсвинець Pb(CH 3 CH 2 ) 4 ) ).

Аерозольне забруднення атмосфери зумовлене як природними причинами (виверження вулканів, курні бурі, винесення крапель морської води та пилку рослин та ін.), так і господарською діяльністю людини (видобуток руд та будівельних матеріалів, спалювання палива, виготовлення цементу тощо). Інтенсивне широкомасштабне винесення твердих частинок в атмосферу - одна з можливих причин змін клімату планети.

Точний розмір атмосфери невідомий, оскільки її верхня межа не простежується. Однак будову атмосфери вивчено достатньо для того, щоб кожен міг отримати уявлення про те, як влаштована газова оболонка нашої планети.

Вчені, які вивчають фізику атмосфери, визначають її як область навколо Землі, що обертається разом із планетою. ФАІ дає таке визначення:

• кордон між космосом та атмосферою проходить по лінії Кишені. Лінія ця, за визначенням тієї ж організації, - це висота над рівнем моря, що знаходиться на висоті 100 км.

Все, що вище за цю лінію – космічний простір. У міжпланетний простір атмосфера переходить поступово, саме тому є різні уявлення про її розміри.

З нижньою межею атмосфери все набагато простіше – вона проходить поверхнею земної корита водної поверхні Землі – гідросфері. При цьому межа, можна сказати, зливається із земною та водною поверхнею, тому що частинки там також розчинені частинки повітря.

Які шари атмосфери входять до розміру Землі

Цікавий факт: взимку вона знаходиться нижче, влітку – вище.

Саме в цьому шарі виникає турбулентність, антициклони та циклони, утворюються хмари. Саме ця сфера відповідає за формування погоди, у ній розташовано приблизно 80% усіх повітряних мас.

Тропопаузою називають шар, у якому з висотою немає зниження температури. Вище тропопаузи, на висоті вище 11 і до 50 км. У стратосфері знаходиться шар озону, який, як відомо, захищає планету від ультрафіолетових променів. Повітря в цьому шарі розряджене, ці пояснюється характерним фіолетовий відтінокнебо. Швидкість повітряних потоків тут може сягати 300 км/год. Між стратосферою та мезосферою знаходиться стратопауза – прикордонна сфера, в якій має місце температурний максимум.

Наступний шар – . Вона тягнеться до висот 85-90 кілометрів. Колір піднебіння у мезосфері – чорний, тому зірки можна спостерігати навіть вранці та вдень. Там відбуваються найскладніші фотохімічні процеси, під час яких виникає свічення атмосфери.

Між мезосферою та наступним шаром знаходиться мезопауза. Його визначають як перехідний шар, у якому спостерігається температурний мінімум. Вище на висоті 100 кілометрів над рівнем моря знаходиться лінія Кармана. Вище за цю лінію знаходяться термосфера (межа висоти 800км) та екзосфера, яку також називають «зоною розсіювання». Вона на висоті приблизно 2-3 тисячі кілометрів переходить у близькокосмічний вакуум.

Враховуючи те, що верхній шар атмосфери чітко не простежується, її точний розмір вирахувати неможливо. Крім того, в різних країнахіснують організації, які дотримуються різних думокна цей рахунок. Слід зазначити, що лінію Кишеніможна вважати кордоном земної атмосферилише умовно, оскільки різні джерелавикористовують різні позначки кордонів. Так, у деяких джерелах можна знайти відомості про те, що верхня межа проходить на висоті 2500-3000 км.

NASA для розрахунків використовує позначку 122 кілометри. Нещодавно були проведені експерименти, які уточнили кордон, як розташований на позначці 118км.

Займається метеорологія, а тривалими варіаціями – кліматологія.

Товщина атмосфери 1500 км. від поверхні Землі. Сумарна маса повітря, тобто суміші газів, що становлять атмосферу, - 5,1-5,3 * 10^15 т. Молекулярна маса чистого сухого повітря становить 29. Тиск при 0 ° С на рівні моря 101325 Па, або 760 мм. рт. ст.; критична температура - 140,7 ° С; критичний тиск 3,7 МПа. Розчинність повітря у воді при 0 ° С – 0,036 %, при 25 ° С – 0,22 %.

Фізичний стан атмосфери визначається. Основні параметри атмосфери: щільність повітря, тиск, температура та склад. Зі збільшенням висоти щільність повітря і зменшується. Температура також змінюється в залежності від зміни висоти. Вертикальне характеризується різними температурними та електричними властивостями, різним станом повітря. Залежно від температури у атмосфері розрізняють такі основні верстви: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, екзосферу (сферу розсіювання). Перехідні області атмосфери між сусідніми оболонками називають відповідно тропопауза, стратопауза тощо.

Тропосфера- нижній, основний, найбільш вивчений, висотою в полярних областях 8-10 км, в помірних широтах до 10-12 км, на екваторі - 16-18 км. У тропосфері зосереджено приблизно 80-90% всієї маси атмосфери та майже всі водяні пари. При підйомі кожні 100 м температура в тропосфері знижується в середньому на 0,65 ° С і досягає -53 ° С у верхній частині. Цей верхній шар тропосфери називають тропопаузою. У тропосфері сильно розвинені турбулентність та конвекція, зосереджена переважна частина, виникають хмари, розвиваються.

Стратосфера- Шар атмосфери, що розташовується на висоті 11-50 км. Характерна незначна зміна температури у шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) та підвищення її у шарі 25-40 км від -56,5 до 0,8 °С (верхній шар стратосфери або область інверсії). Досягши на висоті близько 40 км. значення 273 К (0 °С), температура залишається постійною до висоти 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузою і є межею між стратосферою та мезосферою.

Саме в стратосфері розташовується шар озоносфери(«озоновий шар», на висоті від 15-20 до 55-60 км), який визначає верхню межу життя в . Важливий компонент стратосфери та мезосфери – озон, що утворюється в результаті фотохімічних реакцій найбільш інтенсивно на висоті, що дорівнює 30 км. Загальна маса озону склала б при нормальному тиску шар товщиною 1,7-4 мм, але і цього достатньо для поглинання згубного для життя ультрафіолетового. Руйнування озону відбувається за його взаємодії з вільними радикалами, оксидом азоту, галогенсодержащими сполуками (зокрема «фреонами»). Озон - алотропія кисню, що утворюється в результаті наступної хімічної реакціїзазвичай після дощу, коли отримане з'єднання піднімається у верхні шари тропосфери; озон має специфічний запах.

У стратосфері затримується більшість короткохвильової частини ультрафіолетового випромінювання (180-200 нм) і відбувається трансформація енергії коротких хвиль. Під впливом цих променів змінюються магнітні поля, розпадаються молекули, відбувається іонізація, новоутворення газів та інших хімічних сполук. Ці процеси можна спостерігати у вигляді північних сяйв, блискавок, та інших світінь. У стратосфері майже немає водяної пари.

Мезосферапочинається на висоті 50 км і тягнеться до 80-90 км. до висоти 75-85 км. знижується до -88 °С. Верхня межа мезосфери — мезопауза.

Термосфера(інша назва – іоносфера) – шар атмосфери, що йде за мезосферою, – починається на висоті 80-90 км і простягається до 800 км. Температура повітря в термосфері швидко і неухильно зростає та сягає кількох сотень і навіть тисяч градусів.

Екзосфера- Зона розсіювання, зовнішня частина термосфери, розташована вище 800 км. Газ в екзосфері сильно розріджений, і звідси йде витік його частинок у міжпланетний простір (дисипація).
До висоти 100 км атмосфера є гомогенною (однофазною), добре перемішаною сумішшю газів. У більш високих шарах розподіл газів по висоті залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше при віддаленні поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 ° С у стратосфері до -110 ° С у мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км. відповідає температурі приблизно 1500 °С. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.

На висоті близько 2000-3000 км екзосфера поступово перетворюється на так званий близькокосмічний вакуум, який заповнений сильно розрідженими частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ є лише частиною міжпланетної речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного та метеорного походження. Крім цих надзвичайно розріджених частинок, у цей простір проникає електромагнітна та корпускулярна радіація сонячного та галактичного походження.

Перед тропосфери припадає близько 80 % маси атмосфери, частку стратосфери - близько 20 %; маса мезосфери - трохи більше 0,3 %, термосфери - менше 0,05 % від загальної маси атмосфери. На підставі електричних властивостей в атмосфері виділяють нейтросферу та іоносферу. В даний час вважають, що атмосфера тягнеться до висоти 2000-3000 км.

Залежно від складу газу в атмосфері виділяють гомосферу та гетеросферу. Гетеросфера- це область, де гравітація впливає поділ газів, т.к. їхнє перемішування на такій висоті незначне. Звідси випливає змінний склад гетеросфери. Нижче лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери звана гомосферою. Кордон між цими шарами називається турбопаузою, він лежить на висоті близько 120 км.

Атмосферний тиск - тиск атмосферного повітря на предмети, що знаходяться в ньому, і земну поверхню. Нормальним атмосферним тиском є ​​показник 760 мм рт. ст. (101325 Па). При збільшенні висоти на кожен кілометр тиск падає на 100 мм.

Склад атмосфери

Повітряна оболонка Землі, що складається в основному з газів та різних домішок (пил, краплі води, кристали льоду, морські солі, продукти горіння), кількість яких є постійною. Основними газами є азот (78%), кисень (21%) та аргон (0,93%). Концентрація газів, що становлять атмосферу, практично постійна, за винятком вуглекислого газу СО2 (0,03%).

Також в атмосфері містяться SO2, СН4, NH3, СО, вуглеводні, НС1, HF, пари Hg, I2, а також NO та багато інших газів у незначних кількостях. У тропосфері постійно знаходиться велика кількість завислих твердих і рідких частинок (аерозоль).