Atmósfera(del griego atmos - vapor y spharia - bola) - la capa de aire de la Tierra, que gira con ella. El desarrollo de la atmósfera estuvo estrechamente relacionado con los procesos geológicos y geoquímicos que ocurren en nuestro planeta, así como con las actividades de los organismos vivos.
El límite inferior de la atmósfera coincide con la superficie de la Tierra, ya que el aire penetra en los poros más pequeños del suelo y se disuelve incluso en agua.
El límite superior a una altitud de 2000-3000 km pasa gradualmente al espacio exterior.
Gracias a la atmósfera, que contiene oxígeno, la vida en la Tierra es posible. El oxígeno atmosférico se utiliza en el proceso respiratorio de humanos, animales y plantas.
Si no hubiera atmósfera, la Tierra estaría tan silenciosa como la Luna. Después de todo, el sonido es la vibración de las partículas del aire. El color azul del cielo se explica por el hecho de que los rayos del sol, al atravesar la atmósfera, como a través de una lente, se descomponen en los colores que los componen. En este caso, los rayos de colores azul y azul son los que más se dispersan.
La atmósfera atrapa la mayor parte de la radiación ultravioleta del sol, que tiene un efecto perjudicial sobre los organismos vivos. También retiene el calor cerca de la superficie de la Tierra, evitando que nuestro planeta se enfríe.
La estructura de la atmósfera.
En la atmósfera se pueden distinguir varias capas que difieren en densidad (Fig. 1).
Troposfera
Troposfera- la capa más baja de la atmósfera, cuyo espesor sobre los polos es de 8 a 10 km, en latitudes templadas - de 10 a 12 km, y por encima del ecuador - de 16 a 18 km.
Arroz. 1. La estructura de la atmósfera terrestre.
El aire de la troposfera es calentado por la superficie terrestre, es decir, por la tierra y el agua. Por lo tanto, la temperatura del aire en esta capa disminuye con la altura en un promedio de 0,6 °C por cada 100 m. En el límite superior de la troposfera alcanza los -55 °C. Al mismo tiempo, en la zona del ecuador en el límite superior de la troposfera, la temperatura del aire es de -70 °C, y en la zona del Polo Norte, de -65 °C.
Aproximadamente el 80% de la masa de la atmósfera se concentra en la troposfera, casi todo el vapor de agua se encuentra, se producen tormentas, tormentas, nubes y precipitaciones, y se produce movimiento de aire vertical (convección) y horizontal (viento).
Podemos decir que el clima se forma principalmente en la troposfera.
Estratosfera
Estratosfera- una capa de la atmósfera ubicada sobre la troposfera a una altitud de 8 a 50 km. El color del cielo en esta capa es violeta, lo que se explica por la delgadez del aire, por lo que los rayos del sol casi no se dispersan.
La estratosfera contiene el 20% de la masa de la atmósfera. El aire en esta capa está enrarecido, prácticamente no hay vapor de agua y, por lo tanto, casi no se forman nubes ni precipitaciones. Sin embargo, en la estratosfera se observan corrientes de aire estables, cuya velocidad alcanza los 300 km/h.
Esta capa está concentrada ozono(pantalla de ozono, ozonosfera), capa que absorbe los rayos ultravioleta impidiendo que lleguen a la Tierra y protegiendo así a los organismos vivos de nuestro planeta. Gracias al ozono, la temperatura del aire en el límite superior de la estratosfera oscila entre -50 y 4-55 °C.
Entre la mesosfera y la estratosfera existe una zona de transición: la estratopausa.
mesosfera
mesosfera- una capa de la atmósfera ubicada a una altitud de 50 a 80 km. La densidad del aire aquí es 200 veces menor que en la superficie de la Tierra. El color del cielo en la mesosfera parece negro y las estrellas son visibles durante el día. La temperatura del aire desciende a -75 (-90)°C.
A una altitud de 80 km comienza. termosfera. La temperatura del aire en esta capa aumenta bruscamente hasta una altura de 250 m, y luego se vuelve constante: a una altitud de 150 km alcanza 220-240 ° C; a una altitud de 500-600 km supera los 1500 °C.
En la mesosfera y la termosfera, bajo la influencia de los rayos cósmicos, las moléculas de gas se desintegran en partículas de átomos cargadas (ionizadas), por lo que esta parte de la atmósfera se llama ionosfera- una capa de aire muy enrarecido, situada a una altitud de 50 a 1000 km, compuesta principalmente por átomos de oxígeno ionizados, moléculas de óxido de nitrógeno y electrones libres. Esta capa se caracteriza por una alta electrificación y en ella se reflejan ondas de radio largas y medianas, como en un espejo.
En la ionosfera aparecen auroras (el resplandor de gases enrarecidos bajo la influencia de partículas cargadas eléctricamente que vuelan desde el Sol) y se observan fuertes fluctuaciones en el campo magnético.
Exosfera
Exosfera- la capa exterior de la atmósfera situada por encima de los 1000 km. Esta capa también se llama esfera de dispersión, ya que aquí las partículas de gas se mueven a gran velocidad y pueden dispersarse por el espacio exterior.
Composición atmosférica
La atmósfera es una mezcla de gases compuesta por nitrógeno (78,08%), oxígeno (20,95%), dióxido de carbono (0,03%), argón (0,93%), una pequeña cantidad de helio, neón, xenón, criptón (0,01%), ozono y otros gases, pero su contenido es insignificante (Tabla 1). La composición moderna del aire de la Tierra se estableció hace más de cien millones de años, pero el fuerte aumento de la actividad productiva humana provocó su cambio. Actualmente, hay un aumento en el contenido de CO 2 de aproximadamente un 10-12%.
Los gases que forman la atmósfera desempeñan diversas funciones funcionales. Sin embargo, la importancia principal de estos gases está determinada principalmente por el hecho de que absorben muy fuertemente la energía radiante y, por lo tanto, tienen un impacto significativo en el régimen de temperatura de la superficie y la atmósfera de la Tierra.
Cuadro 1. Composición química del aire atmosférico seco cerca de la superficie terrestre.
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Concentración de volumen. % |
Peso molecular, unidades |
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Oxígeno |
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Dióxido de carbono |
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Óxido nitroso |
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de 0 a 0,00001 |
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Dióxido de azufre |
de 0 a 0,000007 en verano; de 0 a 0,000002 en invierno |
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De 0 a 0,000002 |
46,0055/17,03061 |
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dióxido de azog |
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monóxido de carbono |
Nitrógeno, Es el gas más común en la atmósfera y es químicamente inactivo.
Oxígeno, a diferencia del nitrógeno, es un elemento químicamente muy activo. La función específica del oxígeno es la oxidación de la materia orgánica de organismos heterótrofos, rocas y gases poco oxidados emitidos a la atmósfera por los volcanes. Sin oxígeno no habría descomposición de la materia orgánica muerta.
El papel del dióxido de carbono en la atmósfera es extremadamente importante. Ingresa a la atmósfera como resultado de procesos de combustión, respiración de organismos vivos y descomposición y es, en primer lugar, el principal material de construcción para la creación de materia orgánica durante la fotosíntesis. Además, es de gran importancia la capacidad del dióxido de carbono para transmitir la radiación solar de onda corta y absorber parte de la radiación térmica de onda larga, lo que creará el llamado efecto invernadero, del que hablaremos a continuación.
Los procesos atmosféricos, especialmente el régimen térmico de la estratosfera, están influenciados por ozono. Este gas sirve como absorbente natural de la radiación ultravioleta del sol y la absorción de la radiación solar provoca el calentamiento del aire. Los valores medios mensuales del contenido total de ozono en la atmósfera varían según la latitud y la época del año dentro del rango de 0,23 a 0,52 cm (este es el espesor de la capa de ozono bajo presión y temperatura del suelo). Hay un aumento del contenido de ozono desde el ecuador hasta los polos y un ciclo anual con un mínimo en otoño y un máximo en primavera.
Una propiedad característica de la atmósfera es que el contenido de los gases principales (nitrógeno, oxígeno, argón) cambia ligeramente con la altitud: a una altitud de 65 km en la atmósfera el contenido de nitrógeno es del 86%, oxígeno - 19, argón - 0,91 , a una altitud de 95 km: nitrógeno 77, oxígeno - 21,3, argón - 0,82%. La constancia de la composición del aire atmosférico vertical y horizontalmente se mantiene mediante su mezcla.
Además de gases, el aire contiene vapor de agua Y partículas sólidas. Estos últimos pueden tener origen tanto natural como artificial (antropógeno). Se trata de polen, pequeños cristales de sal, polvo de carreteras e impurezas de aerosoles. Cuando los rayos del sol penetran por la ventana, se pueden ver a simple vista.
Especialmente hay muchas partículas en el aire de las ciudades y los grandes centros industriales, donde a los aerosoles se suman las emisiones de gases nocivos y sus impurezas formadas durante la combustión de combustible.
La concentración de aerosoles en la atmósfera determina la transparencia del aire, lo que incide en la radiación solar que llega a la superficie terrestre. Los aerosoles más grandes son los núcleos de condensación (de lat. condensación- compactación, espesamiento) - contribuyen a la transformación del vapor de agua en gotas de agua.
La importancia del vapor de agua está determinada principalmente por el hecho de que retrasa la radiación térmica de onda larga de la superficie terrestre; representa el eslabón principal de los ciclos de humedad grandes y pequeños; aumenta la temperatura del aire durante la condensación de los lechos de agua.
La cantidad de vapor de agua en la atmósfera varía en el tiempo y el espacio. Así, la concentración de vapor de agua en la superficie terrestre oscila entre el 3% en los trópicos y el 2-10 (15)% en la Antártida.
El contenido medio de vapor de agua en la columna vertical de la atmósfera en latitudes templadas es de aproximadamente 1,6-1,7 cm (este es el espesor de la capa de vapor de agua condensado). La información sobre el vapor de agua en diferentes capas de la atmósfera es contradictoria. Se suponía, por ejemplo, que en el rango de altitud de 20 a 30 km la humedad específica aumenta fuertemente con la altitud. Sin embargo, mediciones posteriores indican una mayor sequedad de la estratosfera. Al parecer, la humedad específica en la estratosfera depende poco de la altitud y es de 2 a 4 mg/kg.
La variabilidad del contenido de vapor de agua en la troposfera está determinada por la interacción de los procesos de evaporación, condensación y transporte horizontal. Como resultado de la condensación del vapor de agua, se forman nubes y precipitaciones en forma de lluvia, granizo y nieve.
Los procesos de transición de fase del agua ocurren predominantemente en la troposfera, por lo que las nubes en la estratosfera (a altitudes de 20 a 30 km) y la mesosfera (cerca de la mesopausa), llamadas nacaradas y plateadas, se observan relativamente raramente, mientras que las nubes troposféricas. A menudo cubren alrededor del 50% de toda la superficie terrestre.
La cantidad de vapor de agua que puede contener el aire depende de la temperatura del aire.
1 m 3 de aire a una temperatura de -20 ° C no puede contener más de 1 g de agua; a 0 °C - no más de 5 g; a +10 °C - no más de 9 g; A +30 °C - no más de 30 g de agua.
Conclusión: Cuanto mayor sea la temperatura del aire, más vapor de agua puede contener.
El aire puede ser rico Y no saturado vapor de agua. Entonces, si a una temperatura de +30 °C 1 m 3 de aire contiene 15 g de vapor de agua, el aire no está saturado con vapor de agua; si 30 g - saturado.
Humedad absoluta es la cantidad de vapor de agua contenida en 1 m3 de aire. Se expresa en gramos. Por ejemplo, si dicen “la humedad absoluta es 15”, esto significa que 1 ml contiene 15 g de vapor de agua.
Humedad relativa- esta es la relación (en porcentaje) entre el contenido real de vapor de agua en 1 m 3 de aire y la cantidad de vapor de agua que puede contener 1 ml a una temperatura determinada. Por ejemplo, si la radio transmite un informe meteorológico que dice que la humedad relativa es del 70%, esto significa que el aire contiene el 70% del vapor de agua que puede contener a esa temperatura.
Cuanto mayor sea la humedad relativa, es decir Cuanto más cerca esté el aire de un estado de saturación, más probable será la precipitación.
En la zona ecuatorial se observa una humedad relativa del aire siempre alta (hasta un 90%), ya que allí la temperatura del aire permanece alta durante todo el año y se produce una gran evaporación desde la superficie de los océanos. La humedad relativa también es alta en las regiones polares, pero a bajas temperaturas incluso una pequeña cantidad de vapor de agua hace que el aire esté saturado o casi saturado. En latitudes templadas, la humedad relativa varía según las estaciones: es mayor en invierno y menor en verano.
La humedad relativa del aire en los desiertos es especialmente baja: 1 m 1 de aire contiene de dos a tres veces menos vapor de agua de lo que es posible a una temperatura determinada.
Para medir la humedad relativa se utiliza un higrómetro (del griego hygros - húmedo y metreco - mido).
Cuando se enfría, el aire saturado no puede retener la misma cantidad de vapor de agua; se espesa (se condensa) y se convierte en gotas de niebla. Se puede observar niebla en verano en una noche clara y fresca.
Nubes- Esta es la misma niebla, solo que no se forma en la superficie de la tierra, sino a cierta altura. A medida que el aire asciende, se enfría y el vapor de agua que contiene se condensa. Las pequeñas gotas de agua resultantes forman las nubes.
La formación de nubes también implica materia particulada suspendido en la troposfera.
Las nubes pueden tener diferentes formas, que dependen de las condiciones de su formación (Tabla 14).
Las nubes más bajas y pesadas son los estratos. Están ubicados a una altitud de 2 km de la superficie terrestre. A una altitud de 2 a 8 km se pueden observar cúmulos más pintorescos. Las más altas y ligeras son los cirros. Se encuentran a una altitud de 8 a 18 km sobre la superficie terrestre.
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Familias |
tipos de nubes |
Apariencia |
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A. Nubes superiores: por encima de 6 km |
I. cirro |
Hilos, fibrosos, blancos. |
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II. Cirrocúmulo |
Capas y crestas de pequeñas escamas y rizos, blancas. |
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III. Cirrostrato |
Velo blanquecino transparente |
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B. Nubes en niveles medios: por encima de 2 km |
IV. Altocúmulo |
Capas y crestas de color blanco y gris. |
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V. Altoestratificado |
Velo liso de color gris lechoso. |
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B. Nubes bajas: hasta 2 km. |
VI. Nimboestrato |
Capa gris sólida y informe |
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VII. estratocúmulo |
Capas opacas y crestas de color gris. |
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VIII. en capas |
Velo gris opaco |
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D. Nubes de desarrollo vertical: desde el nivel inferior al superior. |
IX. Cúmulo |
Los palos y las cúpulas son de color blanco brillante, con los bordes rasgados por el viento. |
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X. cumulonimbos |
Potentes masas en forma de cúmulos de color plomo oscuro. |
Protección atmosférica
Las principales fuentes son las empresas industriales y los automóviles. En las grandes ciudades, el problema de la contaminación por gases en las principales rutas de transporte es muy grave. Es por eso que muchas grandes ciudades del mundo, incluido nuestro país, han introducido un control ambiental de la toxicidad de los gases de escape de los vehículos. Según los expertos, el humo y el polvo en el aire pueden reducir a la mitad el suministro de energía solar a la superficie terrestre, lo que provocará un cambio en las condiciones naturales.
10,045×10 3 J/(kg*K) (en el rango de temperatura de 0-100°C), C v 8,3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). La solubilidad del aire en agua a 0°C es del 0,036%, a 25°C es del 0,22%.
Composición atmosférica
Historia de la formación atmosférica.
Historia temprana
Actualmente, la ciencia no puede rastrear todas las etapas de la formación de la Tierra con una precisión del cien por cien. Según la teoría más común, la atmósfera terrestre ha tenido cuatro composiciones diferentes a lo largo del tiempo. Inicialmente, estaba formado por gases ligeros (hidrógeno y helio) capturados del espacio interplanetario. Este es el llamado atmósfera primaria. En la siguiente etapa, la actividad volcánica activa provocó la saturación de la atmósfera con gases distintos del hidrógeno (hidrocarburos, amoníaco, vapor de agua). Así se formó atmósfera secundaria. Esta atmósfera fue reconfortante. Además, el proceso de formación de la atmósfera estuvo determinado por los siguientes factores:
- fuga constante de hidrógeno al espacio interplanetario;
- reacciones químicas que ocurren en la atmósfera bajo la influencia de la radiación ultravioleta, descargas de rayos y algunos otros factores.
Poco a poco estos factores condujeron a la formación atmósfera terciaria, caracterizado por un contenido mucho menor de hidrógeno y un contenido mucho mayor de nitrógeno y dióxido de carbono (formado como resultado de reacciones químicas a partir de amoníaco e hidrocarburos).
El surgimiento de la vida y el oxígeno.
Con la aparición de organismos vivos en la Tierra como resultado de la fotosíntesis, acompañada de la liberación de oxígeno y la absorción de dióxido de carbono, la composición de la atmósfera comenzó a cambiar. Sin embargo, existen datos (análisis de la composición isotópica del oxígeno atmosférico y del liberado durante la fotosíntesis) que indican el origen geológico del oxígeno atmosférico.
Inicialmente, el oxígeno se gastaba en la oxidación de compuestos reducidos: hidrocarburos, formas ferrosas del hierro contenidas en los océanos, etc. Al final de esta etapa, el contenido de oxígeno en la atmósfera comenzó a aumentar.
En la década de 1990, se llevaron a cabo experimentos para crear un sistema ecológico cerrado ("Biosfera 2"), durante los cuales no fue posible crear un sistema estable con una composición de aire uniforme. La influencia de los microorganismos provocó una disminución de los niveles de oxígeno y un aumento de la cantidad de dióxido de carbono.
Nitrógeno
La formación de una gran cantidad de N 2 se debe a la oxidación de la atmósfera primaria de amoníaco-hidrógeno con O 2 molecular, que comenzó a emerger de la superficie del planeta como resultado de la fotosíntesis, supuestamente hace unos 3 mil millones de años (según (según otra versión, el oxígeno atmosférico es de origen geológico). El nitrógeno se oxida a NO en las capas superiores de la atmósfera, se utiliza en la industria y se une mediante bacterias fijadoras de nitrógeno, mientras que el N2 se libera a la atmósfera como resultado de la desnitrificación de nitratos y otros compuestos que contienen nitrógeno.
El nitrógeno N 2 es un gas inerte y reacciona sólo en condiciones específicas (por ejemplo, durante la descarga de un rayo). Las cianobacterias y algunas bacterias (por ejemplo, las bacterias nódulos que forman simbiosis rizobia con leguminosas) pueden oxidarlo y convertirlo en forma biológica.
La oxidación del nitrógeno molecular mediante descargas eléctricas se utiliza en la producción industrial de fertilizantes nitrogenados y también condujo a la formación de depósitos de nitrato únicos en el desierto de Atacama en Chile.
Gases nobles
La quema de combustibles es la principal fuente de gases contaminantes (CO, NO, SO2). El dióxido de azufre es oxidado por el aire O 2 a SO 3 en las capas superiores de la atmósfera, que interactúa con los vapores de H 2 O y NH 3, y el H 2 SO 4 y (NH 4) 2 SO 4 resultantes regresan a la superficie de la Tierra. junto con las precipitaciones. El uso de motores de combustión interna provoca una importante contaminación atmosférica con óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y compuestos de Pb.
La contaminación de la atmósfera por aerosoles se debe tanto a causas naturales (erupciones volcánicas, tormentas de polvo, arrastre de gotas de agua de mar y partículas de polen, etc.) como a actividades económicas humanas (extracción de minerales y materiales de construcción, quema de combustible, fabricación de cemento, etc.). ). La intensa liberación a gran escala de partículas a la atmósfera es una de las posibles causas del cambio climático en el planeta.
La estructura de la atmósfera y las características de las conchas individuales.
El estado físico de la atmósfera está determinado por el tiempo y el clima. Parámetros básicos de la atmósfera: densidad del aire, presión, temperatura y composición. A medida que aumenta la altitud, la densidad del aire y la presión atmosférica disminuyen. La temperatura también cambia con los cambios de altitud. La estructura vertical de la atmósfera se caracteriza por diferentes propiedades eléctricas y de temperatura, y diferentes condiciones del aire. Dependiendo de la temperatura de la atmósfera, se distinguen las siguientes capas principales: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera, exosfera (esfera de dispersión). Las regiones de transición de la atmósfera entre capas vecinas se denominan tropopausa, estratopausa, etc., respectivamente.
Troposfera
Estratosfera
En la estratosfera se retiene la mayor parte de la parte de onda corta de la radiación ultravioleta (180-200 nm) y se transforma la energía de las ondas cortas. Bajo la influencia de estos rayos, los campos magnéticos cambian, las moléculas se desintegran, se produce ionización y se forman nuevos gases y otros compuestos químicos. Estos procesos se pueden observar en forma de auroras boreales, relámpagos y otros resplandores.
En la estratosfera y capas superiores, bajo la influencia de la radiación solar, las moléculas de gas se disocian en átomos (por encima de 80 km se disocian CO 2 y H 2, por encima de 150 km - O 2, por encima de 300 km - H 2). A una altitud de 100 a 400 km, la ionización de gases también se produce en la ionosfera; a una altitud de 320 km, la concentración de partículas cargadas (O + 2, O − 2, N + 2) es ~ 1/300 de la ionosfera; concentración de partículas neutras. En las capas superiores de la atmósfera hay radicales libres: OH, HO 2, etc.
Casi no hay vapor de agua en la estratosfera.
mesosfera
Hasta una altitud de 100 km, la atmósfera es una mezcla de gases homogénea y bien mezclada. En las capas superiores, la distribución de los gases por altura depende de sus pesos moleculares; la concentración de gases más pesados disminuye más rápidamente con la distancia a la superficie de la Tierra. Debido a una disminución en la densidad del gas, la temperatura cae de 0°C en la estratosfera a -110°C en la mesosfera. Sin embargo, la energía cinética de las partículas individuales a altitudes de 200 a 250 km corresponde a una temperatura de ~1500°C. Por encima de los 200 km se observan importantes fluctuaciones en la temperatura y la densidad de los gases en el tiempo y el espacio.
A una altitud de unos 2.000-3.000 km, la exosfera se convierte gradualmente en el llamado vacío del espacio cercano, que está lleno de partículas muy enrarecidas de gas interplanetario, principalmente átomos de hidrógeno. Pero este gas representa sólo una parte de la materia interplanetaria. La otra parte está formada por partículas de polvo de origen cometario y meteórico. Además de estas partículas extremadamente enrarecidas, en este espacio penetra radiación electromagnética y corpuscular de origen solar y galáctico.
La troposfera representa aproximadamente el 80% de la masa de la atmósfera, la estratosfera, aproximadamente el 20%; la masa de la mesosfera no supera el 0,3%, la termosfera es menos del 0,05% de la masa total de la atmósfera. Según las propiedades eléctricas de la atmósfera, se distinguen la neutronosfera y la ionosfera. Actualmente se cree que la atmósfera se extiende hasta una altitud de 2000-3000 km.
Dependiendo de la composición del gas en la atmósfera, emiten homosfera Y heterosfera. heterosfera- Esta es la zona donde la gravedad afecta la separación de los gases, ya que su mezcla a tal altitud es insignificante. Esto implica una composición variable de la heterosfera. Debajo se encuentra una parte homogénea y bien mezclada de la atmósfera llamada homósfera. El límite entre estas capas se llama turbopausa y se encuentra a una altitud de unos 120 km.
Propiedades atmosféricas
Ya a una altitud de 5 km sobre el nivel del mar, una persona no entrenada comienza a experimentar falta de oxígeno y, sin adaptación, el rendimiento de una persona se reduce significativamente. Aquí termina la zona fisiológica de la atmósfera. La respiración humana se vuelve imposible a una altitud de 15 km, aunque hasta aproximadamente 115 km la atmósfera contiene oxígeno.
La atmósfera nos proporciona el oxígeno necesario para respirar. Sin embargo, debido a la caída de la presión total de la atmósfera a medida que se asciende en altitud, la presión parcial de oxígeno disminuye en consecuencia.
Los pulmones humanos contienen constantemente unos 3 litros de aire alveolar. La presión parcial de oxígeno en el aire alveolar a presión atmosférica normal es de 110 mmHg. Art., Presión de dióxido de carbono - 40 mm Hg. Art., y vapor de agua −47 mm Hg. Arte. A medida que aumenta la altitud, la presión de oxígeno disminuye y la presión de vapor total de agua y dióxido de carbono en los pulmones permanece casi constante: alrededor de 87 mm Hg. Arte. El suministro de oxígeno a los pulmones se detendrá por completo cuando la presión del aire ambiente sea igual a este valor.
A una altitud de unos 19-20 km, la presión atmosférica desciende a 47 mm Hg. Arte. Por tanto, a esta altitud, el agua y el líquido intersticial comienzan a hervir en el cuerpo humano. Fuera de la cabina presurizada a estas altitudes, la muerte ocurre casi instantáneamente. Así, desde el punto de vista de la fisiología humana, el “espacio” comienza ya a una altitud de 15 a 19 km.
Las densas capas de aire (la troposfera y la estratosfera) nos protegen de los efectos dañinos de la radiación. Con suficiente rarefacción del aire, a altitudes de más de 36 km, la radiación ionizante (rayos cósmicos primarios) tiene un efecto intenso en el cuerpo; A altitudes de más de 40 km, la parte ultravioleta del espectro solar es peligrosa para los humanos.
La estructura de la atmósfera terrestre.
La atmósfera es la capa gaseosa de la Tierra con las partículas de aerosol que contiene, que se mueven junto con la Tierra en el espacio como un todo y al mismo tiempo participan en la rotación de la Tierra. La mayor parte de nuestra vida transcurre en el fondo de la atmósfera.
Casi todos los planetas de nuestro sistema solar tienen sus propias atmósferas, pero sólo la atmósfera terrestre es capaz de sustentar vida.
Cuando nuestro planeta se formó hace 4.500 millones de años, aparentemente carecía de atmósfera. La atmósfera se formó como resultado de las emisiones volcánicas de vapor de agua mezclado con dióxido de carbono, nitrógeno y otras sustancias químicas del interior del joven planeta. Pero la atmósfera puede contener una cantidad limitada de humedad, por lo que su exceso como consecuencia de la condensación dio origen a los océanos. Pero entonces la atmósfera estaba desprovista de oxígeno. Los primeros organismos vivos que surgieron y se desarrollaron en el océano, como resultado de la reacción de fotosíntesis (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2), comenzaron a liberar pequeñas porciones de oxígeno, que comenzaron a ingresar a la atmósfera.
La formación de oxígeno en la atmósfera terrestre condujo a la formación de la capa de ozono en altitudes de aproximadamente 8 a 30 km. Y así nuestro planeta ha adquirido protección contra los efectos nocivos de la radiación ultravioleta. Esta circunstancia sirvió como impulso para una mayor evolución de las formas de vida en la Tierra, porque Como resultado del aumento de la fotosíntesis, la cantidad de oxígeno en la atmósfera comenzó a crecer rápidamente, lo que contribuyó a la formación y mantenimiento de formas de vida, incluso en la tierra.
Hoy nuestra atmósfera se compone de 78,1% de nitrógeno, 21% de oxígeno, 0,9% de argón y 0,04% de dióxido de carbono. Fracciones muy pequeñas en comparación con los gases principales son el neón, el helio, el metano y el criptón.
Las partículas de gas contenidas en la atmósfera se ven afectadas por la fuerza de gravedad de la Tierra. Y, dado que el aire es comprimible, su densidad disminuye gradualmente con la altura, pasando al espacio exterior sin un límite claro. La mitad de la masa total de la atmósfera terrestre se concentra en los 5 km inferiores, tres cuartas partes en los 10 km inferiores y nueve décimas partes en los 20 km inferiores. El 99% de la masa de la atmósfera terrestre se concentra por debajo de una altitud de 30 km, lo que representa sólo el 0,5% del radio ecuatorial de nuestro planeta.
Al nivel del mar, el número de átomos y moléculas por centímetro cúbico de aire es de aproximadamente 2 * 10 19, a una altitud de 600 km solo 2 * 10 7. Al nivel del mar, un átomo o molécula recorre aproximadamente 7 * 10 -6 cm antes de chocar con otra partícula. A una altitud de 600 km, esta distancia es de unos 10 km. Y al nivel del mar, se producen aproximadamente 7 * 10 9 colisiones de este tipo por segundo, a una altitud de 600 km, ¡sólo aproximadamente una por minuto!
Pero no sólo la presión cambia con la altitud. La temperatura también cambia. Así, por ejemplo, al pie de una montaña alta puede hacer bastante calor, mientras que la cima de la montaña está cubierta de nieve y la temperatura allí al mismo tiempo es bajo cero. Y tan pronto como vuelas a una altitud de unos 10-11 km, puedes escuchar un mensaje de que afuera hace -50 grados, mientras que en la superficie de la tierra hace entre 60 y 70 grados más caliente...
Inicialmente, los científicos supusieron que la temperatura disminuye con la altura hasta alcanzar el cero absoluto (-273,16°C). Pero eso no es cierto.
La atmósfera de la Tierra consta de cuatro capas: troposfera, estratosfera, mesosfera, ionosfera (termósfera). Esta división en capas también se adoptó basándose en datos sobre cambios de temperatura con la altura. La capa más baja, donde la temperatura del aire disminuye con la altura, se llama troposfera. La capa por encima de la troposfera, donde la caída de temperatura se detiene, es reemplazada por una isoterma y finalmente la temperatura comienza a subir, se llama estratosfera. La capa situada encima de la estratosfera en la que la temperatura vuelve a descender rápidamente es la mesosfera. Y finalmente, la capa donde la temperatura comienza a subir nuevamente se llamó ionosfera o termosfera.
La troposfera se extiende en promedio hasta los 12 km inferiores. Aquí es donde se forma nuestro clima. Las nubes más altas (cirros) se forman en las capas más altas de la troposfera. La temperatura en la troposfera disminuye adiabáticamente con la altura, es decir El cambio de temperatura se produce debido a la disminución de la presión con la altura. El perfil de temperatura de la troposfera está determinado en gran medida por la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra. Como resultado del calentamiento de la superficie de la Tierra por el Sol, se forman flujos convectivos y turbulentos, dirigidos hacia arriba, que forman el clima. Vale la pena señalar que la influencia de la superficie subyacente sobre las capas inferiores de la troposfera se extiende hasta una altura de aproximadamente 1,5 km. Por supuesto, excluyendo las zonas montañosas.
El límite superior de la troposfera es la tropopausa, una capa isotérmica. Considere la apariencia característica de las nubes de tormenta, cuya parte superior es una "explosión" de cirros llamada "yunque". Este "yunque" simplemente se "extiende" bajo la tropopausa, porque Debido a la isoterma, las corrientes de aire ascendentes se debilitan significativamente y la nube deja de desarrollarse verticalmente. Pero en casos especiales y raros, las cimas de los cumulonimbos pueden invadir las capas inferiores de la estratosfera, rompiendo la tropopausa.
La altura de la tropopausa depende de la latitud. Así, en el ecuador se encuentra a una altitud de aproximadamente 16 km y su temperatura es de unos –80°C. En los polos, la tropopausa se encuentra más abajo, a aproximadamente 8 km de altitud. En verano la temperatura aquí es de –40°C y –60°C en invierno. Así, a pesar de las temperaturas más altas en la superficie de la Tierra, la tropopausa tropical es mucho más fría que en los polos.
La atmósfera (del griego ατμός - "vapor" y σφαῖρα - "esfera") es la capa de gas de un cuerpo celeste que la gravedad mantiene a su alrededor. La atmósfera es la capa gaseosa del planeta, que consiste en una mezcla de varios gases, vapor de agua y polvo. La atmósfera intercambia materia entre la Tierra y el Cosmos. La Tierra recibe polvo cósmico y material de meteoritos, y pierde los gases más ligeros: hidrógeno y helio. La atmósfera terrestre es penetrada de un lado a otro por una poderosa radiación del Sol, que determina el régimen térmico de la superficie del planeta, provocando la disociación de las moléculas de los gases atmosféricos y la ionización de los átomos.
La atmósfera terrestre contiene oxígeno, utilizado por la mayoría de los organismos vivos para respirar, y dióxido de carbono, consumido por plantas, algas y cianobacterias durante la fotosíntesis. La atmósfera es también la capa protectora del planeta, protegiendo a sus habitantes de la radiación ultravioleta del sol.
Todos los cuerpos masivos (planetas terrestres y gigantes gaseosos) tienen atmósfera.
Composición atmosférica
La atmósfera es una mezcla de gases compuesta por nitrógeno (78,08%), oxígeno (20,95%), dióxido de carbono (0,03%), argón (0,93%), una pequeña cantidad de helio, neón, xenón, criptón (0,01%), 0,038% de dióxido de carbono y pequeñas cantidades de hidrógeno, helio, otros gases nobles y contaminantes.
La composición moderna del aire de la Tierra se estableció hace más de cien millones de años, pero el fuerte aumento de la actividad productiva humana provocó su cambio. Actualmente, el contenido de CO 2 aumenta aproximadamente entre un 10 y un 12 %. Los gases que ingresan a la atmósfera desempeñan diversas funciones. Sin embargo, el significado principal de estos gases está determinado principalmente por el hecho de que absorben muy fuertemente la energía radiante y, por lo tanto, tienen un impacto significativo en el régimen de temperatura de la superficie y la atmósfera de la Tierra.
La composición inicial de la atmósfera de un planeta suele depender de las propiedades químicas y de temperatura del sol durante la formación del planeta y la posterior liberación de gases externos. Luego, la composición de la capa de gas evoluciona bajo la influencia de varios factores.
Las atmósferas de Venus y Marte están compuestas principalmente de dióxido de carbono con pequeñas adiciones de nitrógeno, argón, oxígeno y otros gases. La atmósfera terrestre es en gran medida producto de los organismos que viven en ella. Los gigantes gaseosos de baja temperatura (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) pueden retener principalmente gases de bajo peso molecular: hidrógeno y helio. Los gigantes gaseosos de alta temperatura, como Osiris o 51 Pegasi b, por el contrario, no pueden retenerlo y las moléculas de su atmósfera están dispersas en el espacio. Este proceso ocurre lenta y constantemente.
Nitrógeno, Es el gas más común en la atmósfera y es químicamente inactivo.
Oxígeno, a diferencia del nitrógeno, es un elemento químicamente muy activo. La función específica del oxígeno es la oxidación de la materia orgánica de organismos heterótrofos, rocas y gases poco oxidados emitidos a la atmósfera por los volcanes. Sin oxígeno no habría descomposición de la materia orgánica muerta.
Estructura atmosférica
La estructura de la atmósfera consta de dos partes: la interior: la troposfera, la estratosfera, la mesosfera y la termosfera, o ionosfera, y la exterior, la magnetosfera (exosfera).
1) troposfera– esta es la parte inferior de la atmósfera en la que se concentra 3/4, es decir. ~ 80% de toda la atmósfera terrestre. Su altura está determinada por la intensidad de los flujos de aire verticales (ascendentes o descendentes) causados por el calentamiento de la superficie terrestre y del océano, por lo que el espesor de la troposfera en el ecuador es de 16 a 18 km, en latitudes templadas de 10 a 11 km, y en los polos – hasta 8 km. La temperatura del aire en la troposfera en altitud disminuye 0,6ºС por cada 100 my oscila entre +40 y - 50ºС.
2) estratosfera Se encuentra por encima de la troposfera y tiene una altura de hasta 50 km desde la superficie del planeta. La temperatura a una altitud de hasta 30 km es constante -50ºС. Luego comienza a subir y a una altitud de 50 km alcanza los +10ºС.
El límite superior de la biosfera es la pantalla de ozono.
La pantalla de ozono es una capa de la atmósfera dentro de la estratosfera, ubicada a diferentes alturas de la superficie de la Tierra y que tiene una densidad máxima de ozono a una altitud de 20 a 26 km.
La altura de la capa de ozono en los polos se estima en 7-8 km, en el ecuador en 17-18 km, y la altura máxima de presencia de ozono es de 45-50 km. La vida por encima de la capa de ozono es imposible debido a la intensa radiación ultravioleta del sol. Si comprimes todas las moléculas de ozono, obtendrás una capa de ~ 3 mm alrededor del planeta.
3) mesosfera– el límite superior de esta capa se sitúa hasta una altura de 80 km. Su característica principal es una fuerte caída de la temperatura -90ºС en su límite superior. Aquí se registran nubes noctilucentes formadas por cristales de hielo.
4) Ionosfera (termósfera) - se encuentra a una altitud de 800 km y se caracteriza por un aumento significativo de temperatura:
150 km temperatura +240ºС,
200 km temperatura +500ºС,
600 km temperatura +1500ºС.
Bajo la influencia de la radiación ultravioleta del Sol, los gases se encuentran en un estado ionizado. La ionización está asociada al brillo de los gases y la aparición de auroras.
La ionosfera tiene la capacidad de reflejar repetidamente ondas de radio, lo que garantiza comunicaciones por radio de largo alcance en el planeta.
5) exosfera– se sitúa por encima de los 800 km y se extiende hasta los 3000 km. Aquí la temperatura es >2000ºС. La velocidad del movimiento del gas se acerca a la crítica ~ 11,2 km/seg. Los átomos dominantes son el hidrógeno y el helio, que forman una corona luminosa alrededor de la Tierra que se extiende hasta una altitud de 20.000 km.
Funciones de la atmósfera
1) Termorregulador: el tiempo y el clima en la Tierra dependen de la distribución del calor y la presión.
2) Soporte vital.
3) En la troposfera se producen movimientos globales verticales y horizontales de masas de aire, que determinan el ciclo del agua y el intercambio de calor.
4) Casi todos los procesos geológicos superficiales son causados por la interacción de la atmósfera, la litosfera y la hidrosfera.
5) Protectora: la atmósfera protege a la Tierra del espacio, la radiación solar y el polvo de meteoritos.
Funciones de la atmósfera. Sin la atmósfera, la vida en la Tierra sería imposible. Una persona consume entre 12 y 15 kg al día. aire, inhalando cada minuto de 5 a 100 litros, lo que supera significativamente la necesidad diaria promedio de alimentos y agua. Además, la atmósfera protege de forma fiable a las personas de los peligros que les amenazan desde el espacio: no deja pasar meteoritos ni radiaciones cósmicas. Una persona puede vivir sin comida cinco semanas, sin agua cinco días y sin aire cinco minutos. La vida humana normal requiere no sólo aire, sino también cierta pureza del mismo. La salud de las personas, el estado de la flora y la fauna, la resistencia y durabilidad de las estructuras y estructuras de los edificios dependen de la calidad del aire. El aire contaminado es destructivo para las aguas, la tierra, los mares y los suelos. La atmósfera determina la luz y regula los regímenes térmicos de la tierra, contribuye a la redistribución del calor en el globo. La capa de gas protege a la Tierra del enfriamiento y calentamiento excesivos. Si nuestro planeta no estuviera rodeado por una capa de aire, en un día la amplitud de las fluctuaciones de temperatura alcanzaría los 200 C. La atmósfera salva a todos los seres vivos de la Tierra de los destructivos rayos ultravioleta, rayos X y cósmicos. La atmósfera juega un papel importante en la distribución de la luz. Su aire descompone los rayos del sol en un millón de pequeños rayos, los dispersa y crea una iluminación uniforme. La atmósfera sirve como conductora de sonidos.
La atmósfera terrestre es la envoltura gaseosa de nuestro planeta. Su límite inferior pasa al nivel de la corteza terrestre y la hidrosfera, y el límite superior pasa a la región del espacio exterior cercana a la Tierra. La atmósfera contiene aproximadamente un 78% de nitrógeno, un 20% de oxígeno, hasta un 1% de argón, dióxido de carbono, hidrógeno, helio, neón y algunos otros gases.
La capa terrestre se caracteriza por tener capas claramente definidas. Las capas de la atmósfera están determinadas por la distribución vertical de la temperatura y las diferentes densidades de los gases en los distintos niveles. Se distinguen las siguientes capas de la atmósfera terrestre: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera, exosfera. La ionosfera está separada por separado.
Hasta el 80% de la masa total de la atmósfera es la troposfera, la capa inferior de la atmósfera. La troposfera en las zonas polares se encuentra a un nivel de hasta 8-10 km sobre la superficie de la tierra, en la zona tropical, hasta un máximo de 16-18 km. Entre la troposfera y la capa suprayacente de la estratosfera hay una tropopausa, una capa de transición. En la troposfera, la temperatura disminuye a medida que aumenta la altitud y, de manera similar, la presión atmosférica disminuye con la altitud. El gradiente de temperatura promedio en la troposfera es de 0,6°C por 100 m. La temperatura en los diferentes niveles de esta capa está determinada por las características de la absorción de la radiación solar y la eficiencia de la convección. Casi toda la actividad humana tiene lugar en la troposfera. Las montañas más altas no van más allá de la troposfera; sólo el transporte aéreo puede cruzar el límite superior de esta capa a pequeña altura y llegar a la estratosfera. Una gran proporción de vapor de agua se encuentra en la troposfera, que es responsable de la formación de casi todas las nubes. Además, casi todos los aerosoles (polvo, humo, etc.) que se forman en la superficie terrestre se concentran en la troposfera. En la capa límite inferior de la troposfera, las fluctuaciones diarias de temperatura y humedad del aire son pronunciadas y la velocidad del viento suele reducirse (aumenta al aumentar la altitud). En la troposfera existe una división variable del espesor del aire en masas de aire en dirección horizontal, que se diferencian en una serie de características según la zona y área de su formación. En los frentes atmosféricos, los límites entre masas de aire, se forman ciclones y anticiclones, que determinan el clima en un área determinada durante un período de tiempo específico.
La estratosfera es la capa de atmósfera entre la troposfera y la mesosfera. Los límites de esta capa van desde los 8-16 km hasta los 50-55 km sobre la superficie terrestre. En la estratosfera, la composición gaseosa del aire es aproximadamente la misma que en la troposfera. Una característica distintiva es una disminución de la concentración de vapor de agua y un aumento del contenido de ozono. La capa de ozono de la atmósfera, que protege la biosfera de los efectos agresivos de la luz ultravioleta, se encuentra a un nivel de 20 a 30 km. En la estratosfera, la temperatura aumenta con la altitud y los valores de temperatura están determinados por la radiación solar y no por la convección (movimientos de masas de aire), como en la troposfera. El calentamiento del aire en la estratosfera se debe a la absorción de radiación ultravioleta por parte del ozono.
Por encima de la estratosfera, la mesosfera se extiende hasta un nivel de 80 km. Esta capa de la atmósfera se caracteriza por el hecho de que la temperatura disminuye a medida que aumenta la altitud de 0 ° C a - 90 ° C. Esta es la región más fría de la atmósfera.
Por encima de la mesosfera se encuentra la termosfera hasta un nivel de 500 km. Desde el límite con la mesosfera hasta la exosfera, la temperatura varía entre aproximadamente 200 K y 2000 K. Hasta el nivel de 500 km, la densidad del aire disminuye varios cientos de miles de veces. La composición relativa de los componentes atmosféricos de la termosfera es similar a la capa superficial de la troposfera, pero a medida que aumenta la altitud, más oxígeno se vuelve atómico. Una cierta proporción de moléculas y átomos de la termosfera se encuentran en estado ionizado y están distribuidos en varias capas que están unidas por el concepto de ionosfera; Las características de la termosfera varían ampliamente según la latitud geográfica, la radiación solar, la época del año y el día.
La capa superior de la atmósfera es la exosfera. Esta es la capa más delgada de la atmósfera. En la exosfera, el camino libre medio de las partículas es tan enorme que las partículas pueden escapar libremente al espacio interplanetario. La masa de la exosfera es una diezmillonésima parte de la masa total de la atmósfera. El límite inferior de la exosfera se encuentra entre 450 y 800 km, y el límite superior es la región donde la concentración de partículas es la misma que en el espacio exterior, a varios miles de kilómetros de la superficie de la Tierra. La exosfera está formada por plasma, gas ionizado. También en la exosfera se encuentran los cinturones de radiación de nuestro planeta.
Presentación en video - capas de la atmósfera terrestre:
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