Atmosfera(z greckiego atmosfery - para i spharia - kula) - skorupa powietrzna Ziemi, obracająca się wraz z nią. Rozwój atmosfery był ściśle powiązany z procesami geologicznymi i geochemicznymi zachodzącymi na naszej planecie, a także z działalnością organizmów żywych.
Dolna granica atmosfery pokrywa się z powierzchnią Ziemi, ponieważ powietrze wnika w najmniejsze pory w glebie i rozpuszcza się nawet w wodzie.
Górna granica na wysokości 2000-3000 km stopniowo przechodzi w przestrzeń kosmiczną.
Dzięki atmosferze zawierającej tlen możliwe jest życie na Ziemi. Tlen atmosferyczny jest wykorzystywany w procesie oddychania ludzi, zwierząt i roślin.
Gdyby nie było atmosfery, Ziemia byłaby tak cicha jak Księżyc. W końcu dźwięk to wibracje cząstek powietrza. Błękitny kolor nieba tłumaczy się tym, że promienie słoneczne przechodzące przez atmosferę jak przez soczewkę rozkładają się na kolory składowe. W tym przypadku najbardziej rozproszone są promienie kolorów niebieskiego i niebieskiego.
Atmosfera zatrzymuje większość promieniowania ultrafioletowego Słońca, które ma szkodliwy wpływ na organizmy żywe. Zatrzymuje także ciepło w pobliżu powierzchni Ziemi, zapobiegając wychłodzeniu naszej planety.
Struktura atmosfery
W atmosferze można wyróżnić kilka warstw różniących się gęstością (ryc. 1).
Troposfera
Troposfera- najniższa warstwa atmosfery, której grubość nad biegunami wynosi 8-10 km, w umiarkowanych szerokościach geograficznych - 10-12 km, a nad równikiem - 16-18 km.
Ryż. 1. Budowa atmosfery ziemskiej
Powietrze w troposferze jest ogrzewane przez powierzchnię ziemi, czyli ląd i wodę. Dlatego też temperatura powietrza w tej warstwie spada wraz z wysokością średnio o 0,6°C na każde 100 m. Na górnej granicy troposfery osiąga -55°C. Jednocześnie w rejonie równika, przy górnej granicy troposfery, temperatura powietrza wynosi -70°C, a w rejonie bieguna północnego -65°C.
Około 80% masy atmosfery koncentruje się w troposferze, prawie cała para wodna jest zlokalizowana, pojawiają się burze, burze, chmury i opady atmosferyczne, następuje pionowy (konwekcja) i poziomy (wiatr) ruch powietrza.
Można powiedzieć, że pogoda kształtuje się głównie w troposferze.
Stratosfera
Stratosfera- warstwa atmosfery położona nad troposferą na wysokości od 8 do 50 km. Kolor nieba w tej warstwie wydaje się fioletowy, co tłumaczy się rozrzedzeniem powietrza, dzięki czemu promienie słoneczne prawie nie są rozproszone.
Stratosfera zawiera 20% masy atmosfery. Powietrze w tej warstwie jest rozrzedzone, praktycznie nie ma pary wodnej, dlatego prawie nie tworzą się chmury i opady atmosferyczne. Jednak w stratosferze obserwuje się stabilne prądy powietrza, których prędkość sięga 300 km/h.
Warstwa ta jest skoncentrowana ozon(ekran ozonowy, ozonosfera), warstwa pochłaniająca promienie ultrafioletowe, zapobiegając ich przedostawaniu się do Ziemi i tym samym chroniąc organizmy żywe na naszej planecie. Dzięki ozonowi temperatura powietrza w górnej granicy stratosfery waha się od -50 do 4-55°C.
Pomiędzy mezosferą a stratosferą znajduje się strefa przejściowa - stratopauza.
Mezosfera
Mezosfera- warstwa atmosfery położona na wysokości 50-80 km. Gęstość powietrza jest tutaj 200 razy mniejsza niż na powierzchni Ziemi. Kolor nieba w mezosferze wydaje się czarny, a gwiazdy są widoczne w ciągu dnia. Temperatura powietrza spada do -75 (-90)°C.
Zaczyna się na wysokości 80 km termosfera. Temperatura powietrza w tej warstwie gwałtownie wzrasta do wysokości 250 m, a następnie utrzymuje się na stałym poziomie: na wysokości 150 km osiąga 220-240 ° C; na wysokości 500-600 km przekracza 1500°C.
W mezosferze i termosferze pod wpływem promieni kosmicznych cząsteczki gazu rozpadają się na naładowane (zjonizowane) cząstki atomów, dlatego ta część atmosfery nazywa się jonosfera- warstwa bardzo rozrzedzonego powietrza, położona na wysokości od 50 do 1000 km, składająca się głównie ze zjonizowanych atomów tlenu, cząsteczek tlenku azotu i wolnych elektronów. Warstwa ta charakteryzuje się dużą elektryzacją, a długie i średnie fale radiowe odbijają się od niej niczym od lustra.
W jonosferze pojawiają się zorze polarne - świecenie rozrzedzonych gazów pod wpływem naładowanych elektrycznie cząstek lecących ze Słońca - i obserwuje się ostre wahania pola magnetycznego.
Egzosfera
Egzosfera- zewnętrzna warstwa atmosfery położona powyżej 1000 km. Warstwa ta nazywana jest również sferą rozpraszającą, ponieważ cząstki gazu poruszają się tutaj z dużą prędkością i mogą zostać rozproszone w przestrzeń kosmiczną.
Skład atmosferyczny
Atmosfera jest mieszaniną gazów składającą się z azotu (78,08%), tlenu (20,95%), dwutlenku węgla (0,03%), argonu (0,93%), niewielkiej ilości helu, neonu, ksenonu, kryptonu (0,01%), ozon i inne gazy, ale ich zawartość jest znikoma (tab. 1). Współczesny skład ziemskiego powietrza został ustalony ponad sto milionów lat temu, ale gwałtownie zwiększona działalność produkcyjna człowieka doprowadziła jednak do jego zmiany. Obecnie obserwuje się wzrost zawartości CO 2 o około 10-12%.
Gazy tworzące atmosferę pełnią różne role funkcjonalne. Jednak o głównym znaczeniu tych gazów decyduje przede wszystkim fakt, że bardzo silnie pochłaniają one energię promieniowania i przez to mają istotny wpływ na reżim temperaturowy powierzchni Ziemi i atmosfery.
Tabela 1. Skład chemiczny suchego powietrza atmosferycznego w pobliżu powierzchni ziemi
|
Stężenie objętościowe. % |
Masa cząsteczkowa, jednostki |
|
|
Tlen |
||
|
Dwutlenek węgla |
||
|
Podtlenek azotu |
||
|
od 0 do 0,00001 |
||
|
Dwutlenek siarki |
od 0 do 0,000007 latem; od 0 do 0,000002 w zimie |
|
|
Od 0 do 0,000002 |
46,0055/17,03061 |
|
|
Dwutlenek azogu |
||
|
Tlenek węgla |
Azot, Najpopularniejszy gaz w atmosferze, jest chemicznie nieaktywny.
Tlen w przeciwieństwie do azotu jest pierwiastkiem bardzo aktywnym chemicznie. Specyficzną funkcją tlenu jest utlenianie materii organicznej organizmów heterotroficznych, skał i niedotlenionych gazów emitowanych do atmosfery przez wulkany. Bez tlenu nie byłoby rozkładu martwej materii organicznej.
Rola dwutlenku węgla w atmosferze jest niezwykle duża. Do atmosfery przedostaje się w wyniku procesów spalania, oddychania organizmów żywych oraz rozkładu i jest przede wszystkim głównym materiałem budulcowym do tworzenia materii organicznej podczas fotosyntezy. Ponadto ogromne znaczenie ma zdolność dwutlenku węgla do przepuszczania krótkofalowego promieniowania słonecznego i pochłaniania części termicznego promieniowania długofalowego, co będzie powodować tzw. efekt cieplarniany, o czym będzie mowa poniżej.
Na procesy atmosferyczne, zwłaszcza na reżim termiczny stratosfery, mają wpływ ozon. Gaz ten pełni rolę naturalnego pochłaniacza promieniowania ultrafioletowego pochodzącego ze słońca, a absorpcja promieniowania słonecznego powoduje nagrzewanie się powietrza. Średnie miesięczne wartości całkowitej zawartości ozonu w atmosferze wahają się w zależności od szerokości geograficznej i pory roku w granicach 0,23-0,52 cm (jest to grubość warstwy ozonowej przy ciśnieniu gruntu i temperaturze). Występuje wzrost zawartości ozonu od równika do biegunów oraz cykl roczny z minimum jesienią i maksimum wiosną.
Charakterystyczną właściwością atmosfery jest to, że zawartość głównych gazów (azot, tlen, argon) zmienia się nieznacznie wraz z wysokością: na wysokości 65 km w atmosferze zawartość azotu wynosi 86%, tlenu - 19, argonu - 0,91 , na wysokości 95 km - azot 77, tlen - 21,3, argon - 0,82%. Stałość składu powietrza atmosferycznego w pionie i poziomie utrzymywana jest poprzez jego mieszanie.
Oprócz gazów powietrze zawiera para wodna I cząstki stałe. Te ostatnie mogą mieć pochodzenie naturalne i sztuczne (antropogeniczne). Są to pyłki, drobne kryształki soli, kurz drogowy i zanieczyszczenia w postaci aerozolu. Gdy promienie słoneczne przedostaną się przez okno, będzie je widać gołym okiem.
Cząstek stałych szczególnie dużo jest w powietrzu miast i dużych ośrodków przemysłowych, gdzie do aerozoli dodawane są szkodliwe gazy i ich zanieczyszczenia powstające podczas spalania paliw.
Stężenie aerozoli w atmosferze decyduje o przezroczystości powietrza, co wpływa na promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi. Największymi aerozolami są jądra kondensacji (od łac. kondensacja- zagęszczenie, zagęszczenie) - przyczyniają się do przemiany pary wodnej w kropelki wody.
O znaczeniu pary wodnej decyduje przede wszystkim fakt, że opóźnia ona długofalowe promieniowanie cieplne z powierzchni ziemi; reprezentuje główne ogniwo dużych i małych cykli wilgoci; zwiększa temperaturę powietrza podczas kondensacji złóż wodnych.
Ilość pary wodnej w atmosferze zmienia się w czasie i przestrzeni. Zatem stężenie pary wodnej na powierzchni Ziemi waha się od 3% w tropikach do 2-10 (15)% na Antarktydzie.
Średnia zawartość pary wodnej w pionowej kolumnie atmosfery w umiarkowanych szerokościach geograficznych wynosi około 1,6-1,7 cm (jest to grubość warstwy skondensowanej pary wodnej). Informacje dotyczące pary wodnej w różnych warstwach atmosfery są sprzeczne. Założono np., że w zakresie wysokości od 20 do 30 km wilgotność właściwa silnie wzrasta wraz z wysokością. Jednak kolejne pomiary wskazują na większą suchość stratosfery. Najwyraźniej wilgotność właściwa w stratosferze w niewielkim stopniu zależy od wysokości i wynosi 2-4 mg/kg.
Zmienność zawartości pary wodnej w troposferze wynika z wzajemnego oddziaływania procesów parowania, kondensacji i transportu poziomego. W wyniku kondensacji pary wodnej tworzą się chmury i opady atmosferyczne w postaci deszczu, gradu i śniegu.
Procesy przemian fazowych wody zachodzą głównie w troposferze, dlatego stosunkowo rzadko obserwuje się chmury w stratosferze (na wysokościach 20-30 km) i mezosferze (w pobliżu mezopauzy), zwane perłowymi i srebrzystymi, natomiast chmury troposferyczne pokrywają często około 50% powierzchni całej Ziemi.
Ilość pary wodnej, która może być zawarta w powietrzu, zależy od temperatury powietrza.
1 m 3 powietrza o temperaturze -20 ° C może zawierać nie więcej niż 1 g wody; w 0°C – nie więcej niż 5 g; w +10°C – nie więcej niż 9 g; w +30°C - nie więcej niż 30 g wody.
Wniosek: Im wyższa temperatura powietrza, tym więcej pary wodnej może ono zawierać.
Może być powietrze bogaty I nie nasycony para wodna. Jeśli więc w temperaturze +30°C 1 m 3 powietrza zawiera 15 g pary wodnej, to powietrze nie jest nasycone parą wodną; jeśli 30 g - nasycone.
Absolutna wilgotność to ilość pary wodnej zawartej w 1 m3 powietrza. Wyraża się go w gramach. Na przykład, jeśli mówią „wilgotność bezwzględna wynosi 15”, oznacza to, że 1 ml zawiera 15 g pary wodnej.
Wilgotność względna- jest to stosunek (w procentach) rzeczywistej zawartości pary wodnej w 1 m 3 powietrza do ilości pary wodnej, jaką w danej temperaturze może zawrzeć 1 ml L. Na przykład, jeśli radio nadało raport pogodowy, w którym wilgotność względna wynosi 70%, oznacza to, że powietrze zawiera 70% pary wodnej, jaką jest w stanie utrzymać w tej temperaturze.
Im wyższa wilgotność względna, tj. Im bliżej stanu nasycenia jest powietrze, tym większe jest prawdopodobieństwo wystąpienia opadów.
W strefie równikowej obserwuje się zawsze wysoką (do 90%) względną wilgotność powietrza, ponieważ temperatura powietrza utrzymuje się tam przez cały rok i następuje duże parowanie z powierzchni oceanów. Wilgotność względna jest również wysoka w regionach polarnych, ale ponieważ przy niskich temperaturach nawet niewielka ilość pary wodnej powoduje, że powietrze jest nasycone lub prawie nasycone. W umiarkowanych szerokościach geograficznych wilgotność względna zmienia się w zależności od pory roku - jest wyższa zimą, niższa latem.
Wilgotność względna powietrza na pustyniach jest szczególnie niska: 1 m 1 powietrza zawiera tam od dwóch do trzech razy mniej pary wodnej niż jest to możliwe w danej temperaturze.
Do pomiaru wilgotności względnej stosuje się higrometr (od greckiego hygros – mokry i metreco – mierzę).
Po ochłodzeniu nasycone powietrze nie może zatrzymać takiej samej ilości pary wodnej; gęstnieje (skrapla się), zamieniając się w kropelki mgły. Mgłę można zaobserwować latem w pogodną, chłodną noc.
Chmury- to ta sama mgła, tyle że powstaje nie na powierzchni ziemi, ale na pewnej wysokości. W miarę unoszenia się powietrze ochładza się, a zawarta w nim para wodna ulega skraplaniu. Powstałe maleńkie kropelki wody tworzą chmury.
Tworzenie się chmur obejmuje również cząstki stałe zawieszone w troposferze.
Chmury mogą mieć różne kształty, co zależy od warunków ich powstawania (tab. 14).
Najniższe i najcięższe chmury to stratus. Znajdują się na wysokości 2 km od powierzchni ziemi. Na wysokości od 2 do 8 km można zaobserwować bardziej malownicze chmury cumulusowe. Najwyższe i najlżejsze są chmury cirrus. Znajdują się na wysokości od 8 do 18 km nad powierzchnią ziemi.
|
Rodziny |
Rodzaje chmur |
Wygląd |
|
A. Chmury górne - powyżej 6 km |
I. Cirrus |
Nitkowate, włókniste, białe |
|
II. Cirocumulus |
Warstwy i grzbiety małych płatków i loków, białe |
|
|
III. Cirrostratus |
Przezroczysty białawy welon |
|
|
B. Chmury średnie – powyżej 2 km |
IV. Altocumulus |
Warstwy i grzbiety w kolorze białym i szarym |
|
V. Altostratyfikowany |
Gładki welon w mlecznoszarym kolorze |
|
|
B. Zachmurzenie niskie – do 2 km |
VI. Nimbostratus |
Solidna, bezkształtna szara warstwa |
|
VII. Stratocumulus |
Nieprzezroczyste warstwy i grzbiety w kolorze szarym |
|
|
VIII. Warstwowe |
Nieprzezroczysty szary welon |
|
|
D. Chmury rozwoju pionowego - od niższego do wyższego szczebla |
IX. Cumulus |
Kluby i kopuły są jasnobiałe, a ich krawędzie są podarte na wietrze |
|
X. Cumulonimbus |
Mocne masy w kształcie cumulusów w kolorze ciemnego ołowiu |
Ochrona atmosfery
Głównymi źródłami są przedsiębiorstwa przemysłowe i samochody. W dużych miastach problem zanieczyszczeń gazowych na głównych szlakach komunikacyjnych jest bardzo dotkliwy. Dlatego wiele dużych miast na całym świecie, w tym także nasz kraj, wprowadziło kontrolę środowiskową toksyczności spalin samochodowych. Zdaniem ekspertów dym i pył w powietrzu mogą o połowę zmniejszyć dopływ energii słonecznej do powierzchni ziemi, co doprowadzi do zmiany warunków naturalnych.
10,045×10 3 J/(kg*K) (w zakresie temperatur 0-100°C), C v 8,3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). Rozpuszczalność powietrza w wodzie w temperaturze 0°C wynosi 0,036%, w temperaturze 25°C – 0,22%.
Skład atmosferyczny
Historia powstawania atmosfery
Wczesna historia
Obecnie nauka nie jest w stanie prześledzić wszystkich etapów powstawania Ziemi ze stuprocentową dokładnością. Według najpowszechniejszej teorii, atmosfera ziemska miała na przestrzeni czasu cztery różne składy. Początkowo składał się z lekkich gazów (wodór i hel) wychwytywanych z przestrzeni międzyplanetarnej. Jest to tzw atmosfera pierwotna. W kolejnym etapie aktywna aktywność wulkaniczna doprowadziła do nasycenia atmosfery gazami innymi niż wodór (węglowodory, amoniak, para wodna). W ten sposób powstał atmosfera wtórna. Ta atmosfera działała regenerująco. Ponadto proces tworzenia atmosfery został zdeterminowany przez następujące czynniki:
- ciągły wyciek wodoru do przestrzeni międzyplanetarnej;
- reakcje chemiczne zachodzące w atmosferze pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, wyładowań atmosferycznych i niektórych innych czynników.
Stopniowo te czynniki doprowadziły do powstania trzeciorzędowa atmosfera, charakteryzujący się znacznie niższą zawartością wodoru i znacznie większą zawartością azotu i dwutlenku węgla (powstających w wyniku reakcji chemicznych z amoniaku i węglowodorów).
Pojawienie się życia i tlenu
Wraz z pojawieniem się na Ziemi organizmów żywych w wyniku fotosyntezy, której towarzyszy uwolnienie tlenu i absorpcja dwutlenku węgla, skład atmosfery zaczął się zmieniać. Istnieją jednak dane (analiza składu izotopowego tlenu atmosferycznego i powstającego podczas fotosyntezy), które wskazują na geologiczne pochodzenie tlenu atmosferycznego.
Początkowo tlen zużywano na utlenianie związków zredukowanych – węglowodorów, żelazawej formy żelaza zawartej w oceanach itp. Pod koniec tego etapu zawartość tlenu w atmosferze zaczęła rosnąć.
W latach 90. XX w. prowadzono eksperymenty mające na celu utworzenie zamkniętego układu ekologicznego („Biosfera 2”), podczas którego nie udało się stworzyć stabilnego układu o jednolitym składzie powietrza. Wpływ mikroorganizmów spowodował spadek poziomu tlenu i wzrost ilości dwutlenku węgla.
Azot
Powstawanie dużej ilości N 2 wynika z utleniania pierwotnej atmosfery amoniakowo-wodorowej molekularnym O 2, który zaczął wydobywać się z powierzchni planety w wyniku fotosyntezy, rzekomo około 3 miliardów lat temu (wg według innej wersji tlen atmosferyczny ma pochodzenie geologiczne). Azot jest utleniany do NO w górnych warstwach atmosfery, wykorzystywany w przemyśle i wiązany przez bakterie wiążące azot, natomiast N2 jest uwalniany do atmosfery w wyniku denitryfikacji azotanów i innych związków zawierających azot.
Azot N2 jest gazem obojętnym i reaguje tylko w określonych warunkach (na przykład podczas wyładowania atmosferycznego). Sinice i niektóre bakterie (na przykład bakterie guzkowe tworzące ryzobialną symbiozę z roślinami strączkowymi) mogą go utlenić i przekształcić w postać biologiczną.
Utlenianie azotu cząsteczkowego za pomocą wyładowań elektrycznych wykorzystywane jest w przemysłowej produkcji nawozów azotowych, doprowadziło także do powstania unikalnych złóż azotanów na chilijskiej pustyni Atakama.
Gazy szlachetne
Głównym źródłem gazów zanieczyszczających środowisko (CO, NO, SO2) jest spalanie paliw. Dwutlenek siarki jest utleniany przez powietrze O 2 do SO 3 w górnych warstwach atmosfery, które oddziałuje z parami H 2 O i NH 3, a powstałe H 2 SO 4 i (NH 4) 2 SO 4 wracają na powierzchnię Ziemi wraz z opadami. Eksploatacja silników spalinowych prowadzi do znacznego zanieczyszczenia atmosfery tlenkami azotu, węglowodorami i związkami Pb.
Zanieczyszczenie atmosfery aerozolami ma zarówno przyczyny naturalne (erupcje wulkanów, burze piaskowe, przenoszenie kropelek wody morskiej i cząstek pyłków itp.), jak i działalność gospodarczą człowieka (wydobywanie rud i materiałów budowlanych, spalanie paliw, produkcja cementu itp.). ) . Intensywne uwalnianie na dużą skalę cząstek stałych do atmosfery jest jedną z możliwych przyczyn zmian klimatycznych na planecie.
Struktura atmosfery i charakterystyka poszczególnych muszli
Stan fizyczny atmosfery zależy od pogody i klimatu. Podstawowe parametry atmosfery: gęstość, ciśnienie, temperatura i skład powietrza. Wraz ze wzrostem wysokości spada gęstość powietrza i ciśnienie atmosferyczne. Temperatura zmienia się również wraz ze zmianą wysokości. Pionową strukturę atmosfery charakteryzują różne właściwości temperaturowe i elektryczne oraz różne warunki powietrza. W zależności od temperatury w atmosferze wyróżnia się następujące główne warstwy: troposferę, stratosferę, mezosferę, termosferę, egzosferę (sferę rozpraszającą). Przejściowe obszary atmosfery między sąsiednimi powłokami nazywane są odpowiednio tropopauzą, stratopauzą itp.
Troposfera
Stratosfera
W stratosferze większość krótkofalowej części promieniowania ultrafioletowego (180-200 nm) jest zatrzymywana, a energia fal krótkich ulega przemianie. Pod wpływem tych promieni zmieniają się pola magnetyczne, cząsteczki rozpadają się, następuje jonizacja i następuje nowe powstawanie gazów i innych związków chemicznych. Procesy te można zaobserwować w postaci zorzy polarnej, błyskawic i innych poświat.
W stratosferze i wyższych warstwach pod wpływem promieniowania słonecznego cząsteczki gazu dysocjują na atomy (powyżej 80 km CO 2 i H 2 dysocjują, powyżej 150 km - O 2, powyżej 300 km - H 2). Na wysokości 100-400 km jonizacja gazów zachodzi również w jonosferze, na wysokości 320 km stężenie naładowanych cząstek (O + 2, O - 2, N + 2) wynosi ~ 1/300 stężenie cząstek obojętnych. W górnych warstwach atmosfery występują wolne rodniki - OH, HO 2 itp.
W stratosferze prawie nie ma pary wodnej.
Mezosfera
Do wysokości 100 km atmosfera jest jednorodną, dobrze wymieszaną mieszaniną gazów. W wyższych warstwach rozkład gazów według wysokości zależy od ich mas cząsteczkowych; stężenie cięższych gazów zmniejsza się szybciej wraz z odległością od powierzchni Ziemi. W wyniku spadku gęstości gazu temperatura spada z 0°C w stratosferze do -110°C w mezosferze. Natomiast energia kinetyczna poszczególnych cząstek na wysokościach 200-250 km odpowiada temperaturze ~1500°C. Powyżej 200 km obserwuje się znaczne wahania temperatury i gęstości gazu w czasie i przestrzeni.
Na wysokości około 2000-3000 km egzosfera stopniowo zamienia się w tzw. próżnię bliskiego kosmosu, wypełnioną wysoce rozrzedzonymi cząsteczkami gazu międzyplanetarnego, głównie atomami wodoru. Ale ten gaz reprezentuje tylko część materii międzyplanetarnej. Pozostała część składa się z cząstek pyłu pochodzenia kometarnego i meteorycznego. Oprócz tych niezwykle rozrzedzonych cząstek, w tę przestrzeń przenika promieniowanie elektromagnetyczne i korpuskularne pochodzenia słonecznego i galaktycznego.
Troposfera stanowi około 80% masy atmosfery, stratosfera - około 20%; masa mezosfery wynosi nie więcej niż 0,3%, termosfera jest mniejsza niż 0,05% całkowitej masy atmosfery. Na podstawie właściwości elektrycznych atmosfery rozróżnia się neutronosferę i jonosferę. Obecnie uważa się, że atmosfera rozciąga się na wysokość 2000-3000 km.
W zależności od składu gazu w atmosferze emitują homosfera I heterosfera. Heterosfera- Jest to obszar, w którym grawitacja wpływa na separację gazów, gdyż ich mieszanie się na takiej wysokości jest znikome. Oznacza to zmienny skład heterosfery. Poniżej znajduje się dobrze wymieszana, jednorodna część atmosfery zwana homosferą. Granica pomiędzy tymi warstwami nazywana jest turbopauzą i przebiega na wysokości około 120 km.
Właściwości atmosferyczne
Już na wysokości 5 km nad poziomem morza nieprzeszkolona osoba zaczyna odczuwać głód tlenu i bez adaptacji wydajność osoby jest znacznie zmniejszona. Tutaj kończy się strefa fizjologiczna atmosfery. Oddychanie człowieka staje się niemożliwe na wysokości 15 km, chociaż do około 115 km atmosfera zawiera tlen.
Atmosfera dostarcza nam tlenu niezbędnego do oddychania. Jednakże, ze względu na spadek całkowitego ciśnienia atmosfery, w miarę wznoszenia się na wysokość, ciśnienie cząstkowe tlenu odpowiednio maleje.
Płuca człowieka stale zawierają około 3 litrów powietrza pęcherzykowego. Ciśnienie cząstkowe tlenu w powietrzu pęcherzykowym przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym wynosi 110 mmHg. Art., ciśnienie dwutlenku węgla - 40 mm Hg. Art. i para wodna -47 mm Hg. Sztuka. Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie tlenu spada, a całkowite ciśnienie pary wody i dwutlenku węgla w płucach pozostaje prawie stałe - około 87 mm Hg. Sztuka. Dopływ tlenu do płuc zostanie całkowicie zatrzymany, gdy ciśnienie powietrza otoczenia zrówna się z tą wartością.
Na wysokości około 19-20 km ciśnienie atmosferyczne spada do 47 mm Hg. Sztuka. Dlatego na tej wysokości w organizmie człowieka zaczyna wrzeć woda i płyn śródmiąższowy. Poza kabiną ciśnieniową na tych wysokościach śmierć następuje niemal natychmiast. Zatem z punktu widzenia fizjologii człowieka „przestrzeń” zaczyna się już na wysokości 15–19 km.
Gęste warstwy powietrza – troposfera i stratosfera – chronią nas przed szkodliwym działaniem promieniowania. Przy wystarczającym rozrzedzeniu powietrza, na wysokościach ponad 36 km, promieniowanie jonizujące - pierwotne promienie kosmiczne - wywiera intensywny wpływ na organizm; Na wysokościach powyżej 40 km ultrafioletowa część widma słonecznego jest niebezpieczna dla człowieka.
Struktura atmosfery ziemskiej
Atmosfera to gazowa powłoka Ziemi wraz z zawartymi w niej cząsteczkami aerozolu, poruszająca się wraz z Ziemią w przestrzeni jako jedna całość i jednocześnie biorąca udział w obrocie Ziemi. Większość naszego życia toczy się na dnie atmosfery.
Prawie wszystkie planety naszego Układu Słonecznego mają własne atmosfery, ale tylko atmosfera ziemska jest zdolna do podtrzymania życia.
Kiedy nasza planeta powstawała 4,5 miliarda lat temu, najwyraźniej była pozbawiona atmosfery. Atmosfera powstała w wyniku wulkanicznych emisji pary wodnej zmieszanej z dwutlenkiem węgla, azotem i innymi substancjami chemicznymi z głębin młodej planety. Ale atmosfera może zawierać ograniczoną ilość wilgoci, dlatego jej nadmiar w wyniku kondensacji spowodował powstanie oceanów. Ale wtedy atmosfera była pozbawiona tlenu. Pierwsze organizmy żywe, które powstały i rozwinęły się w oceanie, w wyniku reakcji fotosyntezy (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2), zaczęły uwalniać niewielkie porcje tlenu, który zaczął przedostawać się do atmosfery.
Powstawanie tlenu w atmosferze ziemskiej doprowadziło do powstania warstwy ozonowej na wysokościach około 8 – 30 km. W ten sposób nasza planeta uzyskała ochronę przed szkodliwymi skutkami badań ultrafioletowych. Ta okoliczność stała się impulsem do dalszej ewolucji form życia na Ziemi, ponieważ W wyniku wzmożonej fotosyntezy ilość tlenu w atmosferze zaczęła gwałtownie rosnąć, co przyczyniło się do powstania i utrzymania form życia, także na lądzie.
Dziś nasza atmosfera składa się z 78,1% azotu, 21% tlenu, 0,9% argonu i 0,04% dwutlenku węgla. Bardzo małe frakcje w porównaniu z głównymi gazami to neon, hel, metan i krypton.
Na cząsteczki gazu zawarte w atmosferze oddziałuje siła grawitacji Ziemi. A biorąc pod uwagę, że powietrze jest ściśliwe, jego gęstość stopniowo maleje wraz z wysokością, przechodząc w przestrzeń kosmiczną bez wyraźnej granicy. Połowa całkowitej masy atmosfery ziemskiej koncentruje się w dolnych 5 km, trzy czwarte w dolnych 10 km, dziewięć dziesiątych w dolnych 20 km. 99% masy atmosfery ziemskiej koncentruje się poniżej wysokości 30 km, co stanowi zaledwie 0,5% promienia równikowego naszej planety.
Na poziomie morza liczba atomów i cząsteczek na centymetr sześcienny powietrza wynosi około 2 * 10 19, na wysokości 600 km tylko 2 * 10 7. Na poziomie morza atom lub cząsteczka pokonuje odległość około 7 * 10 -6 cm, zanim zderza się z inną cząstką. Na wysokości 600 km odległość ta wynosi około 10 km. A na poziomie morza co sekundę dochodzi do około 7*10 9 takich kolizji, na wysokości 600 km – tylko około jednej na minutę!
Ale nie tylko ciśnienie zmienia się wraz z wysokością. Zmienia się także temperatura. I tak np. u podnóża wysokiej góry może być dość gorąco, podczas gdy szczyt góry jest pokryty śniegiem, a temperatura jest tam jednocześnie poniżej zera. A gdy tylko wlecimy na wysokość ok. 10–11 km, usłyszymy komunikat, że na zewnątrz jest -50 stopni, podczas gdy na powierzchni ziemi jest o 60–70 stopni cieplej...
Początkowo naukowcy zakładali, że temperatura spada wraz z wysokością, aż osiągnie zero absolutne (-273,16°C). Ale to nieprawda.
Atmosfera ziemska składa się z czterech warstw: troposfery, stratosfery, mezosfery, jonosfery (termosfery). Taki podział na warstwy przyjęto także w oparciu o dane dotyczące zmian temperatury wraz z wysokością. Najniższa warstwa, w której temperatura powietrza maleje wraz z wysokością, nazywana jest troposferą. Warstwa nad troposferą, w której zatrzymuje się spadek temperatury, zostaje zastąpiona izotermą i w końcu temperatura zaczyna rosnąć, nazywana jest stratosferą. Warstwa nad stratosferą, w której temperatura ponownie szybko spada, to mezosfera. I wreszcie warstwa, w której temperatura zaczyna ponownie rosnąć, nazywana jest jonosferą lub termosferą.
Troposfera rozciąga się średnio do dolnych 12 km. To tutaj kształtuje się nasza pogoda. Najwyższe chmury (cirrus) tworzą się w najwyższych warstwach troposfery. Temperatura w troposferze maleje adiabatycznie wraz z wysokością, tj. Zmiana temperatury następuje na skutek spadku ciśnienia wraz z wysokością. Profil temperatur troposfery jest w dużej mierze zdeterminowany przez promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi. W wyniku nagrzania powierzchni Ziemi przez Słońce powstają przepływy konwekcyjne i turbulentne skierowane ku górze, które tworzą pogodę. Warto zauważyć, że wpływ powierzchni leżącej pod spodem na dolne warstwy troposfery rozciąga się do wysokości około 1,5 km. Oczywiście z wyłączeniem obszarów górskich.
Górną granicę troposfery stanowi tropopauza – warstwa izotermiczna. Rozważmy charakterystyczny wygląd chmur burzowych, których szczytem jest „wybuch” chmur cirrus, zwany „kowadłem”. To „kowadło” po prostu „rozprzestrzenia się” pod tropopauzą, ponieważ z powodu izotermy wznoszące się prądy powietrza są znacznie osłabione, a chmura przestaje rozwijać się pionowo. Jednak w wyjątkowych, rzadkich przypadkach wierzchołki chmur Cumulonimbus mogą przedostać się do niższych warstw stratosfery, przerywając tropopauzę.
Wysokość tropopauzy zależy od szerokości geograficznej. Zatem na równiku znajduje się na wysokości około 16 km, a jego temperatura wynosi około –80°C. Na biegunach tropopauza znajduje się niżej, na wysokości około 8 km. Latem temperatura wynosi tutaj –40°C, a zimą –60°C. Zatem pomimo wyższych temperatur na powierzchni Ziemi, w tropikalnej tropopauzie jest znacznie chłodniej niż na biegunach.
Atmosfera (od greckiego ατμός – „para” i σφαῖρα – „kula”) to powłoka gazowa ciała niebieskiego utrzymywana wokół niej przez grawitację. Atmosfera to gazowa powłoka planety, składająca się z mieszaniny różnych gazów, pary wodnej i pyłu. Wymiana materii pomiędzy Ziemią a Kosmosem odbywa się poprzez atmosferę. Ziemia otrzymuje pył kosmiczny i materiał meteorytowy, a traci najlżejsze gazy: wodór i hel. Atmosfera ziemska przenika na wskroś potężne promieniowanie słoneczne, które determinuje reżim termiczny powierzchni planety, powodując dysocjację cząsteczek gazów atmosferycznych i jonizację atomów.
Atmosfera ziemska zawiera tlen wykorzystywany przez większość organizmów żywych do oddychania oraz dwutlenek węgla zużywany przez rośliny, glony i sinice podczas fotosyntezy. Atmosfera jest także warstwą ochronną planety, chroniącą jej mieszkańców przed promieniowaniem ultrafioletowym słońca.
Wszystkie masywne ciała - planety ziemskie i gazowe giganty - mają atmosferę.
Skład atmosferyczny
Atmosfera jest mieszaniną gazów składającą się z azotu (78,08%), tlenu (20,95%), dwutlenku węgla (0,03%), argonu (0,93%), niewielkiej ilości helu, neonu, ksenonu, kryptonu (0,01%), 0,038% dwutlenku węgla oraz niewielkie ilości wodoru, helu, innych gazów szlachetnych i substancji zanieczyszczających.
Współczesny skład ziemskiego powietrza został ustalony ponad sto milionów lat temu, ale gwałtownie zwiększona działalność produkcyjna człowieka doprowadziła jednak do jego zmiany. Obecnie obserwuje się wzrost zawartości CO 2 o około 10-12%. Gazy zawarte w atmosferze pełnią różne funkcje funkcjonalne. Jednak o głównym znaczeniu tych gazów decyduje przede wszystkim fakt, że bardzo silnie pochłaniają one energię promieniowania i przez to mają istotny wpływ na reżim temperaturowy powierzchni Ziemi i atmosfery.
Początkowy skład atmosfery planety zależy zwykle od właściwości chemicznych i temperaturowych Słońca podczas formowania się planet i późniejszego uwalniania gazów zewnętrznych. Następnie skład powłoki gazowej ewoluuje pod wpływem różnych czynników.
Atmosfery Wenus i Marsa składają się głównie z dwutlenku węgla z niewielkimi dodatkami azotu, argonu, tlenu i innych gazów. Atmosfera ziemska jest w dużej mierze produktem żyjących w niej organizmów. Gazowe olbrzymy o niskiej temperaturze – Jowisz, Saturn, Uran i Neptun – mogą zatrzymywać głównie gazy o niskiej masie cząsteczkowej – wodór i hel. Wręcz przeciwnie, wysokotemperaturowe gazowe giganty, takie jak Ozyrys czy 51 Pegasi b, nie są w stanie go utrzymać, a cząsteczki ich atmosfery są rozproszone w przestrzeni. Proces ten zachodzi powoli i stale.
Azot, Najpopularniejszy gaz w atmosferze, jest chemicznie nieaktywny.
Tlen w przeciwieństwie do azotu jest pierwiastkiem bardzo aktywnym chemicznie. Specyficzną funkcją tlenu jest utlenianie materii organicznej organizmów heterotroficznych, skał i niedotlenionych gazów emitowanych do atmosfery przez wulkany. Bez tlenu nie byłoby rozkładu martwej materii organicznej.
Struktura atmosfery
Struktura atmosfery składa się z dwóch części: wewnętrznej - troposfery, stratosfery, mezosfery i termosfery, czyli jonosfery, oraz zewnętrznej - magnetosfery (egzosfery).
1) Troposfera– jest to dolna część atmosfery, w której koncentruje się 3/4, tj. ~ 80% całej atmosfery ziemskiej. O jej wysokości decyduje intensywność pionowych (wznoszących się lub opadających) przepływów powietrza wywołanych nagrzewaniem powierzchni Ziemi i oceanu, dlatego też grubość troposfery na równiku wynosi 16–18 km, w umiarkowanych szerokościach geograficznych 10–11 km, a na biegunach – do 8 km. Temperatura powietrza w troposferze na wysokości spada o 0,6°С na każde 100 m i waha się od +40 do - 50°С.
2) Stratosfera znajduje się nad troposferą i ma wysokość do 50 km od powierzchni planety. Temperatura na wysokości do 30 km jest stała -50°С. Następnie zaczyna się wznosić i na wysokości 50 km osiąga +10°С.
Górną granicę biosfery stanowi ekran ozonowy.
Ekran ozonowy to warstwa atmosfery w stratosferze, położona na różnych wysokościach od powierzchni Ziemi i posiadająca maksymalną gęstość ozonu na wysokości 20-26 km.
Wysokość warstwy ozonowej na biegunach szacuje się na 7-8 km, na równiku na 17-18 km, a maksymalna wysokość występowania ozonu wynosi 45-50 km. Życie nad osłoną ozonową jest niemożliwe ze względu na ostre promieniowanie ultrafioletowe Słońca. Jeśli skompresujesz wszystkie cząsteczki ozonu, otrzymasz warstwę wokół planety o grubości około 3 mm.
3) Mezosfera– górna granica tej warstwy sięga do wysokości 80 km. Jego główną cechą jest gwałtowny spadek temperatury -90°С w górnej granicy. Zarejestrowano tu nocne chmury składające się z kryształków lodu.
4) Jonosfera (termosfera) - położony jest do wysokości 800 km i charakteryzuje się znacznym wzrostem temperatury:
150 km temperatura +240°С,
200 km temperatura +500°С,
Temperatura 600 km +1500°С.
Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego Słońca gazy znajdują się w stanie zjonizowanym. Jonizacja wiąże się ze świeceniem gazów i pojawianiem się zorzy polarnej.
Jonosfera ma zdolność wielokrotnego odbijania fal radiowych, co zapewnia komunikację radiową na duże odległości na planecie.
5) Egzosfera– znajduje się powyżej 800 km i rozciąga się do 3000 km. Tutaj temperatura wynosi >2000°С. Prędkość ruchu gazu zbliża się do krytycznej ~ 11,2 km/sek. Dominującymi atomami są wodór i hel, które tworzą świetlistą koronę wokół Ziemi, rozciągającą się na wysokość 20 000 km.
Funkcje atmosfery
1) Termoregulacja - pogoda i klimat na Ziemi zależą od rozkładu ciepła i ciśnienia.
2) Podtrzymujące życie.
3) W troposferze zachodzą globalne pionowe i poziome ruchy mas powietrza, które determinują obieg wody i wymianę ciepła.
4) Prawie wszystkie powierzchniowe procesy geologiczne są spowodowane interakcją atmosfery, litosfery i hydrosfery.
5) Ochronna – atmosfera chroni Ziemię przed przestrzenią kosmiczną, promieniowaniem słonecznym i pyłem meteorytowym.
Funkcje atmosfery. Bez atmosfery życie na Ziemi byłoby niemożliwe. Osoba spożywa dziennie 12-15 kg. powietrza, wdychając co minutę od 5 do 100 litrów, co znacznie przekracza średnie dzienne zapotrzebowanie na żywność i wodę. Ponadto atmosfera niezawodnie chroni ludzi przed niebezpieczeństwami, które zagrażają im z kosmosu: nie przepuszcza meteorytów ani promieniowania kosmicznego. Człowiek może żyć bez jedzenia przez pięć tygodni, bez wody przez pięć dni i bez powietrza przez pięć minut. Normalne życie człowieka wymaga nie tylko powietrza, ale także pewnej jego czystości. Od jakości powietrza zależy zdrowie ludzi, stan flory i fauny, wytrzymałość i trwałość konstrukcji budowlanych i konstrukcji. Zanieczyszczone powietrze ma szkodliwy wpływ na wody, lądy, morza i gleby. Atmosfera determinuje światło i reguluje reżimy termiczne Ziemi, przyczynia się do redystrybucji ciepła na kuli ziemskiej. Powłoka gazowa chroni Ziemię przed nadmiernym ochłodzeniem i nagrzaniem. Gdyby nasza planeta nie była otoczona powłoką powietrzną, wówczas w ciągu jednego dnia amplituda wahań temperatury osiągnęłaby 200 C. Atmosfera chroni wszystko, co żyje na Ziemi przed niszczycielskim promieniowaniem ultrafioletowym, rentgenowskim i kosmicznym. Atmosfera odgrywa ogromną rolę w dystrybucji światła. Jego powietrze rozbija promienie słoneczne na milion małych promieni, rozprasza je i tworzy równomierne oświetlenie. Atmosfera pełni rolę przewodnika dźwięków.
Atmosfera ziemska jest gazową powłoką naszej planety. Jej dolna granica przebiega na poziomie skorupy ziemskiej i hydrosfery, a górna granica przechodzi w obszar przestrzeni kosmicznej bliskiej Ziemi. Atmosfera zawiera około 78% azotu, 20% tlenu, do 1% argonu, dwutlenku węgla, wodoru, helu, neonu i niektórych innych gazów.
Powłoka tej ziemi charakteryzuje się wyraźnie określonym uwarstwieniem. Warstwy atmosfery są zdeterminowane pionowym rozkładem temperatur i różną gęstością gazów na różnych poziomach. Istnieją takie warstwy atmosfery ziemskiej: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera, egzosfera. Jonosfera jest oddzielona oddzielnie.
Aż 80% całkowitej masy atmosfery to troposfera – dolna warstwa atmosfery. Troposfera w strefach polarnych znajduje się na poziomie do 8-10 km nad powierzchnią ziemi, w strefie tropikalnej - maksymalnie do 16-18 km. Pomiędzy troposferą a leżącą powyżej warstwą stratosfery znajduje się tropopauza - warstwa przejściowa. W troposferze temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości i podobnie ciśnienie atmosferyczne maleje wraz z wysokością. Średni gradient temperatury w troposferze wynosi 0,6°C na 100 m. Temperatura na różnych poziomach tej powłoki jest zdeterminowana charakterystyką absorpcji promieniowania słonecznego i wydajnością konwekcji. Prawie cała działalność człowieka odbywa się w troposferze. Najwyższe góry nie wykraczają poza troposferę, tylko transport lotniczy może przekroczyć górną granicę tej muszli na małej wysokości i znaleźć się w stratosferze. W troposferze znajduje się duża część pary wodnej, która jest odpowiedzialna za powstawanie prawie wszystkich chmur. Ponadto prawie wszystkie aerozole (kurz, dym itp.) powstające na powierzchni ziemi są skoncentrowane w troposferze. W granicznej dolnej warstwie troposfery wyraźne są dobowe wahania temperatury i wilgotności powietrza, a prędkość wiatru zwykle maleje (zwiększa się wraz ze wzrostem wysokości). W troposferze występuje zmienny podział grubości powietrza na masy powietrza w kierunku poziomym, różniące się szeregiem cech w zależności od strefy i obszaru ich powstawania. Na frontach atmosferycznych - na granicach mas powietrza - tworzą się cyklony i antycyklony, które determinują pogodę na danym obszarze przez określony czas.
Stratosfera to warstwa atmosfery pomiędzy troposferą a mezosferą. Granice tej warstwy wahają się od 8-16 km do 50-55 km nad powierzchnią Ziemi. W stratosferze skład gazowy powietrza jest w przybliżeniu taki sam jak w troposferze. Charakterystyczną cechą jest zmniejszenie stężenia pary wodnej i wzrost zawartości ozonu. Warstwa ozonowa atmosfery, która chroni biosferę przed agresywnym działaniem światła ultrafioletowego, znajduje się na poziomie od 20 do 30 km. W stratosferze temperatura wzrasta wraz z wysokością, a wartości temperatury są określane przez promieniowanie słoneczne, a nie przez konwekcję (ruchy mas powietrza), jak w troposferze. Ogrzewanie powietrza w stratosferze wynika z absorpcji promieniowania ultrafioletowego przez ozon.
Nad stratosferą mezosfera rozciąga się na wysokość 80 km. Ta warstwa atmosfery charakteryzuje się tym, że temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości od 0 ° C do - 90 ° C. Jest to najzimniejszy obszar atmosfery.
Nad mezosferą znajduje się termosfera do poziomu 500 km. Od granicy z mezosferą do egzosfery temperatura waha się od około 200 K do 2000 K. Do wysokości 500 km gęstość powietrza zmniejsza się kilkaset tysięcy razy. Względny skład składników atmosfery termosfery jest podobny do powierzchniowej warstwy troposfery, ale wraz ze wzrostem wysokości więcej tlenu staje się atomowe. Pewna część cząsteczek i atomów termosfery jest w stanie zjonizowanym i jest rozmieszczona w kilku warstwach, łączy je koncepcja jonosfery. Charakterystyka termosfery zmienia się w szerokim zakresie w zależności od szerokości geograficznej, ilości promieniowania słonecznego, pory roku i dnia.
Górna warstwa atmosfery to egzosfera. To najcieńsza warstwa atmosfery. W egzosferze średnia swobodna droga cząstek jest tak ogromna, że cząstki mogą swobodnie uciekać w przestrzeń międzyplanetarną. Masa egzosfery stanowi jedną dziesięciomilionową całkowitej masy atmosfery. Dolną granicę egzosfery stanowi poziom 450-800 km, a za górną granicę uważa się obszar, w którym koncentracja cząstek jest taka sama jak w przestrzeni kosmicznej – kilka tysięcy kilometrów od powierzchni Ziemi. Egzosfera składa się z plazmy - zjonizowanego gazu. Również w egzosferze znajdują się pasy radiacyjne naszej planety.
Prezentacja wideo - warstwy atmosfery ziemskiej:
Powiązane materiały: