Atmosféra(z gréckeho atmos - para a spharia - guľa) - vzduchový obal Zeme, rotujúci s ním. Vývoj atmosféry úzko súvisel s geologickými a geochemickými procesmi prebiehajúcimi na našej planéte, ako aj s činnosťou živých organizmov.
Spodná hranica atmosféry sa zhoduje s povrchom Zeme, pretože vzduch preniká do najmenších pórov v pôde a rozpúšťa sa dokonca aj vo vode.
Horná hranica vo výške 2000-3000 km postupne prechádza do kozmického priestoru.
Vďaka atmosfére, ktorá obsahuje kyslík, je možný život na Zemi. Atmosférický kyslík sa používa v dýchacom procese ľudí, zvierat a rastlín.
Keby neexistovala atmosféra, Zem by bola tichá ako Mesiac. Koniec koncov, zvuk je vibrácia častíc vzduchu. Modrá farba oblohy sa vysvetľuje tým, že slnečné lúče prechádzajúce atmosférou, ako cez šošovku, sa rozkladajú na jednotlivé farby. V tomto prípade sú lúče modrej a modrej farby rozptýlené najviac.
Atmosféra zachytáva väčšinu slnečného ultrafialového žiarenia, ktoré má škodlivý vplyv na živé organizmy. Taktiež zadržiava teplo v blízkosti zemského povrchu, čím zabraňuje ochladzovaniu našej planéty.
Štruktúra atmosféry
V atmosfére možno rozlíšiť niekoľko vrstiev, ktoré sa líšia hustotou (obr. 1).
Troposféra
Troposféra- najnižšia vrstva atmosféry, ktorej hrúbka nad pólmi je 8-10 km, v miernych zemepisných šírkach - 10-12 km a nad rovníkom - 16-18 km.
Ryža. 1. Štruktúra zemskej atmosféry
Vzduch v troposfére je ohrievaný zemským povrchom, teda zemou a vodou. Preto teplota vzduchu v tejto vrstve klesá s výškou v priemere o 0,6 °C na každých 100 m Na hornej hranici troposféry dosahuje -55 °C. Zároveň je v oblasti rovníka na hornej hranici troposféry teplota vzduchu -70 °C a v oblasti severného pólu -65 °C.
Asi 80% hmoty atmosféry je sústredených v troposfére, nachádza sa tu takmer všetka vodná para, vyskytujú sa búrky, búrky, oblačnosť a zrážky, dochádza k vertikálnemu (konvekcii) a horizontálnemu (vietoru) pohybu vzduchu.
Dá sa povedať, že počasie sa tvorí najmä v troposfére.
Stratosféra
Stratosféra- vrstva atmosféry nachádzajúca sa nad troposférou vo výške 8 až 50 km. Farba oblohy v tejto vrstve sa javí ako fialová, čo sa vysvetľuje riedkosťou vzduchu, vďaka ktorej sa slnečné lúče takmer nerozptyľujú.
Stratosféra obsahuje 20 % hmotnosti atmosféry. Vzduch v tejto vrstve je riedky, prakticky tam nie je žiadna vodná para, a preto sa netvoria takmer žiadne mraky a zrážky. V stratosfére sú však pozorované stabilné vzdušné prúdy, ktorých rýchlosť dosahuje 300 km/h.
Táto vrstva je koncentrovaná ozón(ozónová clona, ozonosféra), vrstva, ktorá pohlcuje ultrafialové lúče, bráni im dostať sa na Zem a tým chráni živé organizmy na našej planéte. Vďaka ozónu sa teplota vzduchu na hornej hranici stratosféry pohybuje od -50 do 4-55 °C.
Medzi mezosférou a stratosférou sa nachádza prechodová zóna – stratopauza.
mezosféra
mezosféra- vrstva atmosféry nachádzajúca sa vo výške 50-80 km. Hustota vzduchu je tu 200-krát menšia ako na povrchu Zeme. Farba oblohy v mezosfére je čierna a hviezdy sú viditeľné počas dňa. Teplota vzduchu klesne na -75 (-90)°C.
Vo výške 80 km začína termosféra. Teplota vzduchu v tejto vrstve prudko stúpa do výšky 250 m a potom sa stáva konštantnou: v nadmorskej výške 150 km dosahuje 220-240 ° C; vo výške 500-600 km presahuje 1500 °C.
V mezosfére a termosfére sa vplyvom kozmického žiarenia molekuly plynu rozpadajú na nabité (ionizované) častice atómov, preto sa táto časť atmosféry nazýva tzv. ionosféra- vrstva veľmi riedkeho vzduchu, nachádzajúca sa v nadmorskej výške 50 až 1000 km, pozostávajúca najmä z ionizovaných atómov kyslíka, molekúl oxidov dusíka a voľných elektrónov. Táto vrstva sa vyznačuje vysokou elektrifikáciou a odrážajú sa od nej dlhé a stredné rádiové vlny ako od zrkadla.
V ionosfére sa objavujú polárne žiary – žiara riedkych plynov pod vplyvom elektricky nabitých častíc letiacich zo Slnka – a pozorujú sa prudké výkyvy magnetického poľa.
Exosféra
Exosféra- vonkajšia vrstva atmosféry nachádzajúca sa nad 1000 km. Táto vrstva sa tiež nazýva rozptylová guľa, pretože častice plynu sa tu pohybujú vysokou rýchlosťou a môžu byť rozptýlené do vesmíru.
Atmosférické zloženie
Atmosféra je zmes plynov pozostávajúca z dusíka (78,08 %), kyslíka (20,95 %), oxidu uhličitého (0,03 %), argónu (0,93 %), malého množstva hélia, neónu, xenónu, kryptónu (0,01 %), ozón a iné plyny, ale ich obsah je zanedbateľný (tab. 1). Moderné zloženie ovzdušia Zeme vzniklo pred viac ako sto miliónmi rokov, no prudko zvýšená ľudská výrobná aktivita napriek tomu viedla k jeho zmene. V súčasnosti dochádza k zvýšeniu obsahu CO 2 približne o 10 – 12 %.
Plyny, ktoré tvoria atmosféru, plnia rôzne funkčné úlohy. Hlavný význam týchto plynov je však daný predovšetkým skutočnosťou, že veľmi silne absorbujú energiu žiarenia a tým výrazne ovplyvňujú teplotný režim zemského povrchu a atmosféry.
Tabuľka 1. Chemické zloženie suchého atmosférického vzduchu v blízkosti zemského povrchu
|
Objemová koncentrácia. % |
Molekulová hmotnosť, jednotky |
|
|
Kyslík |
||
|
Oxid uhličitý |
||
|
Oxid dusný |
||
|
od 0 do 0,00001 |
||
|
Oxid siričitý |
od 0 do 0,000007 v lete; od 0 do 0,000002 v zime |
|
|
Od 0 do 0,000002 |
46,0055/17,03061 |
|
|
Azogový oxid |
||
|
Oxid uhoľnatý |
dusík, Najbežnejší plyn v atmosfére, je chemicky neaktívny.
Kyslík, na rozdiel od dusíka, je chemicky veľmi aktívny prvok. Špecifickou funkciou kyslíka je oxidácia organickej hmoty heterotrofných organizmov, hornín a podoxidovaných plynov emitovaných do atmosféry sopkami. Bez kyslíka by nedošlo k rozkladu mŕtvej organickej hmoty.
Úloha oxidu uhličitého v atmosfére je mimoriadne veľká. Do atmosféry sa dostáva v dôsledku spaľovacích procesov, dýchania živých organizmov, rozpadu a je predovšetkým hlavným stavebným materiálom pre tvorbu organickej hmoty pri fotosyntéze. Okrem toho má veľký význam schopnosť oxidu uhličitého prepúšťať krátkovlnné slnečné žiarenie a absorbovať časť tepelného dlhovlnného žiarenia, čím sa vytvorí takzvaný skleníkový efekt, o ktorom bude reč nižšie.
Atmosférické procesy, najmä tepelný režim stratosféry, sú ovplyvnené o ozón. Tento plyn slúži ako prirodzený pohlcovač ultrafialového žiarenia zo slnka a pohlcovanie slnečného žiarenia vedie k ohrievaniu vzduchu. Priemerné mesačné hodnoty celkového obsahu ozónu v atmosfére sa pohybujú v závislosti od zemepisnej šírky a ročného obdobia v rozmedzí 0,23-0,52 cm (to je hrúbka ozónovej vrstvy pri prízemnom tlaku a teplote). Dochádza k nárastu obsahu ozónu od rovníka k pólom a k ročnému cyklu s minimom na jeseň a maximom na jar.
Charakteristickou vlastnosťou atmosféry je, že obsah hlavných plynov (dusík, kyslík, argón) sa s nadmorskou výškou mierne mení: vo výške 65 km v atmosfére je obsah dusíka 86%, kyslíka - 19, argónu - 0,91 , vo výške 95 km - dusík 77, kyslík - 21,3, argón - 0,82%. Stálosť zloženia atmosférického vzduchu vertikálne a horizontálne sa udržiava jeho miešaním.
Okrem plynov obsahuje vzduch vodná para A pevné častice. Tie môžu mať prirodzený aj umelý (antropogénny) pôvod. Sú to peľ, drobné kryštáliky soli, cestný prach a aerosólové nečistoty. Keď slnečné lúče preniknú oknom, dajú sa vidieť voľným okom.
Obzvlášť veľa pevných častíc je v ovzduší miest a veľkých priemyselných centier, kde sa do aerosólov pridávajú emisie škodlivých plynov a ich nečistôt vznikajúcich pri spaľovaní paliva.
Koncentrácia aerosólov v atmosfére určuje priehľadnosť vzduchu, ktorý ovplyvňuje slnečné žiarenie dopadajúce na zemský povrch. Najväčšie aerosóly sú kondenzačné jadrá (z lat. kondenzácia- zhutňovanie, zahusťovanie) - prispievajú k premene vodnej pary na vodné kvapky.
Dôležitosť vodnej pary je daná predovšetkým tým, že odďaľuje dlhovlnné tepelné žiarenie zemského povrchu; predstavuje hlavné spojenie veľkých a malých cyklov vlhkosti; zvyšuje teplotu vzduchu pri kondenzácii vodných postelí.
Množstvo vodnej pary v atmosfére sa mení v čase a priestore. Koncentrácia vodnej pary na zemskom povrchu sa teda pohybuje od 3 % v trópoch po 2 – 10 (15) % v Antarktíde.
Priemerný obsah vodnej pary vo vertikálnom stĺpci atmosféry v miernych zemepisných šírkach je asi 1,6-1,7 cm (to je hrúbka vrstvy skondenzovanej vodnej pary). Informácie o vodnej pare v rôznych vrstvách atmosféry sú protichodné. Predpokladalo sa napríklad, že v nadmorskej výške od 20 do 30 km špecifická vlhkosť silne stúpa s nadmorskou výškou. Následné merania však naznačujú väčšiu suchosť stratosféry. Špecifická vlhkosť v stratosfére zjavne málo závisí od nadmorskej výšky a je 2-4 mg/kg.
Premenlivosť obsahu vodnej pary v troposfére je určená interakciou procesov vyparovania, kondenzácie a horizontálneho transportu. V dôsledku kondenzácie vodnej pary sa tvoria mraky a padajú zrážky v podobe dažďa, krúp a snehu.
Procesy fázových prechodov vody sa vyskytujú prevažne v troposfére, preto sa oblaky v stratosfére (vo výškach 20-30 km) a mezosfére (v blízkosti mezopauzy), nazývané perleťové a striebristé, pozorujú pomerne zriedkavo, zatiaľ čo troposférické oblaky často pokrývajú asi 50% celého zemského povrchu.
Množstvo vodnej pary, ktoré môže byť obsiahnuté vo vzduchu, závisí od teploty vzduchu.
1 m 3 vzduchu pri teplote -20 ° C môže obsahovať najviac 1 g vody; pri 0 ° C - nie viac ako 5 g; pri +10 ° C - nie viac ako 9 g; pri +30 ° C - nie viac ako 30 g vody.
Záver:Čím vyššia je teplota vzduchu, tým viac vodnej pary môže obsahovať.
Vzduch môže byť bohatý A nie nasýtený vodná para. Ak teda pri teplote +30 °C 1 m 3 vzduchu obsahuje 15 g vodnej pary, vzduch nie je nasýtený vodnou parou; ak 30 g - nasýtené.
Absolútna vlhkosť je množstvo vodnej pary obsiahnutej v 1 m3 vzduchu. Vyjadruje sa v gramoch. Ak napríklad povedia „absolútna vlhkosť je 15“, znamená to, že 1 mL obsahuje 15 g vodnej pary.
Relatívna vlhkosť- je to pomer (v percentách) skutočného obsahu vodnej pary v 1 m 3 vzduchu k množstvu vodnej pary, ktoré môže byť obsiahnutých v 1 m L pri danej teplote. Ak napríklad rádio odvysiela správu o počasí, že relatívna vlhkosť je 70 %, znamená to, že vzduch obsahuje 70 % vodnej pary, ktorú dokáže zadržať pri tejto teplote.
Čím vyššia je relatívna vlhkosť vzduchu, t.j. Čím je vzduch bližšie k stavu nasýtenia, tým je pravdepodobnejší výskyt zrážok.
Vždy vysoká (až 90%) relatívna vlhkosť vzduchu je pozorovaná v rovníkovej zóne, keďže teplota vzduchu tam zostáva po celý rok vysoká a dochádza k veľkému vyparovaniu z povrchu oceánov. Relatívna vlhkosť je tiež vysoká v polárnych oblastiach, ale preto, že pri nízkych teplotách aj malé množstvo vodnej pary spôsobuje, že vzduch je nasýtený alebo takmer nasýtený. V miernych zemepisných šírkach sa relatívna vlhkosť mení podľa ročných období – v zime je vyššia, v lete nižšia.
Relatívna vlhkosť vzduchu v púšti je obzvlášť nízka: 1 m 1 vzduchu tam obsahuje dvakrát až trikrát menej vodnej pary, ako je možné pri danej teplote.
Na meranie relatívnej vlhkosti sa používa vlhkomer (z gréckeho hygros - mokrý a meterco - meriam).
Keď sa ochladí, nasýtený vzduch nedokáže zadržať rovnaké množstvo vodnej pary, zhustne (kondenzuje) a zmení sa na kvapôčky hmly. Hmlu možno pozorovať v lete za jasnej a chladnej noci.
Mraky- je to rovnaká hmla, len sa nevytvára na zemskom povrchu, ale v určitej výške. Keď vzduch stúpa, ochladzuje sa a vodná para v ňom kondenzuje. Výsledné drobné kvapôčky vody tvoria oblaky.
Zahŕňa aj tvorbu oblakov častice suspendované v troposfére.
Oblaky môžu mať rôzne tvary, ktoré závisia od podmienok ich vzniku (tab. 14).
Najnižšie a najťažšie oblaky sú stratus. Nachádzajú sa vo výške 2 km od zemského povrchu. Vo výške 2 až 8 km možno pozorovať malebnejšie kupovité oblaky. Najvyššie a najľahšie sú cirry. Nachádzajú sa vo výške 8 až 18 km nad zemským povrchom.
|
rodiny |
Druhy oblakov |
Vzhľad |
|
A. Horná oblačnosť - nad 6 km |
I. Cirrus |
Niťovité, vláknité, biele |
|
II. Cirrocumulus |
Vrstvy a hrebene malých vločiek a kučier, biele |
|
|
III. Cirrostratus |
Priehľadný belavý závoj |
|
|
B. Oblačnosť strednej úrovne – nad 2 km |
IV. Altocumulus |
Vrstvy a hrebene bielej a šedej farby |
|
V. Altostratifikovaný |
Hladký závoj mliečnej šedej farby |
|
|
B. Nízka oblačnosť – do 2 km |
VI. Nimbostratus |
Pevná beztvará sivá vrstva |
|
VII. Stratocumulus |
Nepriehľadné vrstvy a hrebene sivej farby |
|
|
VIII. Vrstvený |
Nepriehľadný sivý závoj |
|
|
D. Mraky vertikálneho vývoja - od nižšej po hornú vrstvu |
IX. Kumulus |
Palice a kopule sú žiarivo biele, s roztrhanými okrajmi vo vetre |
|
X. Cumulonimbus |
Výkonné kupovité hmoty tmavej olovnatej farby |
Atmosférická ochrana
Hlavnými zdrojmi sú priemyselné podniky a automobily. Vo veľkých mestách je problém znečistenia plynom na hlavných dopravných ťahoch veľmi akútny. Preto mnohé veľké mestá po celom svete, vrátane našej krajiny, zaviedli environmentálnu kontrolu toxicity výfukových plynov vozidiel. Dym a prach vo vzduchu môžu podľa odborníkov znížiť prísun slnečnej energie na zemský povrch na polovicu, čo povedie k zmene prírodných podmienok.
10,045 x 103 J/(kg*K) (v teplotnom rozsahu od 0 do 100 °C), C v 8,3710 x 103 J/(kg*K) (0-1500 °C). Rozpustnosť vzduchu vo vode pri 0 °C je 0,036 %, pri 25 °C - 0,22 %.
Atmosférické zloženie
História vzniku atmosféry
Raná história
V súčasnosti veda nedokáže stopercentne presne sledovať všetky fázy formovania Zeme. Podľa najbežnejšej teórie mala zemská atmosféra v priebehu času štyri rôzne zloženie. Spočiatku ho tvorili ľahké plyny (vodík a hélium) zachytené z medziplanetárneho priestoru. Ide o tzv primárna atmosféra. V ďalšom štádiu aktívna sopečná činnosť viedla k nasýteniu atmosféry inými plynmi ako vodík (uhľovodíky, amoniak, vodná para). Takto to vzniklo sekundárna atmosféra. Táto atmosféra bola obnovujúca. Ďalej bol proces tvorby atmosféry určený nasledujúcimi faktormi:
- neustály únik vodíka do medziplanetárneho priestoru;
- chemické reakcie prebiehajúce v atmosfére pod vplyvom ultrafialového žiarenia, bleskových výbojov a niektorých ďalších faktorov.
Postupne tieto faktory viedli k vzniku terciárna atmosféra, vyznačujúci sa oveľa nižším obsahom vodíka a oveľa vyšším obsahom dusíka a oxidu uhličitého (vzniká ako výsledok chemických reakcií z amoniaku a uhľovodíkov).
Vznik života a kyslíka
S objavením sa živých organizmov na Zemi v dôsledku fotosyntézy, sprevádzanej uvoľňovaním kyslíka a absorpciou oxidu uhličitého, sa zloženie atmosféry začalo meniť. Existujú však údaje (analýza izotopového zloženia vzdušného kyslíka a kyslíka uvoľneného počas fotosyntézy), ktoré naznačujú geologický pôvod atmosférického kyslíka.
Spočiatku sa kyslík vynakladal na oxidáciu redukovaných zlúčenín - uhľovodíkov, železitých foriem železa obsiahnutých v oceánoch atď. Na konci tejto etapy sa obsah kyslíka v atmosfére začal zvyšovať.
V 90. rokoch sa uskutočnili experimenty na vytvorenie uzavretého ekologického systému („Biosféra 2“), počas ktorého nebolo možné vytvoriť stabilný systém s jednotným zložením vzduchu. Vplyv mikroorganizmov viedol k zníženiu hladiny kyslíka a zvýšeniu množstva oxidu uhličitého.
Dusík
Vznik veľkého množstva N 2 má na svedomí oxidácia primárnej amoniakovo-vodíkovej atmosféry molekulárnym O 2, ktorý začal prichádzať z povrchu planéty v dôsledku fotosyntézy údajne asi pred 3 miliardami rokov (podľa v inej verzii je atmosférický kyslík geologického pôvodu). Dusík sa oxiduje na NO v horných vrstvách atmosféry, používa sa v priemysle a je viazaný baktériami viažucimi dusík, zatiaľ čo N2 sa uvoľňuje do atmosféry v dôsledku denitrifikácie dusičnanov a iných zlúčenín obsahujúcich dusík.
Dusík N 2 je inertný plyn a reaguje len za špecifických podmienok (napríklad pri výboji blesku). Sinice a niektoré baktérie (napríklad uzlové baktérie tvoriace rizobiálnu symbiózu so strukovinami) ju dokážu oxidovať a premieňať na biologickú formu.
Oxidácia molekulárneho dusíka elektrickými výbojmi sa využíva pri priemyselnej výrobe dusíkatých hnojív a viedla aj k vytvoreniu unikátnych ložísk dusičnanov v čílskej púšti Atacama.
Vzácne plyny
Spaľovanie paliva je hlavným zdrojom znečisťujúcich plynov (CO, NO, SO2). Oxid siričitý sa oxiduje vzduchom O 2 na SO 3 v horných vrstvách atmosféry, ktorý interaguje s parami H 2 O a NH 3 a vznikajúce H 2 SO 4 a (NH 4) 2 SO 4 sa vracajú na povrch Zeme. spolu so zrážkami. Používanie spaľovacích motorov vedie k výraznému znečisteniu ovzdušia oxidmi dusíka, uhľovodíkmi a zlúčeninami Pb.
Aerosólové znečistenie atmosféry je spôsobené tak prírodnými príčinami (výbuchy sopiek, prachové búrky, prenášanie kvapiek morskej vody a peľových častíc a pod.), ako aj hospodárskou činnosťou človeka (ťažba rúd a stavebných materiálov, spaľovanie paliva, výroba cementu atď.). ). Intenzívne rozsiahle uvoľňovanie pevných častíc do atmosféry je jednou z možných príčin klimatických zmien na planéte.
Štruktúra atmosféry a charakteristiky jednotlivých škrupín
Fyzikálny stav atmosféry je určený počasím a klímou. Základné parametre atmosféry: hustota vzduchu, tlak, teplota a zloženie. S rastúcou nadmorskou výškou klesá hustota vzduchu a atmosférický tlak. Teplota sa tiež mení so zmenami nadmorskej výšky. Vertikálna štruktúra atmosféry sa vyznačuje rôznymi teplotnými a elektrickými vlastnosťami a rôznymi podmienkami vzduchu. V závislosti od teploty v atmosfére sa rozlišujú tieto hlavné vrstvy: troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra, exosféra (rozptylová guľa). Prechodné oblasti atmosféry medzi susednými obalmi sa nazývajú tropopauza, stratopauza atď.
Troposféra
Stratosféra
V stratosfére sa väčšina krátkovlnnej časti ultrafialového žiarenia (180-200 nm) zadržiava a energia krátkych vĺn sa transformuje. Vplyvom týchto lúčov sa menia magnetické polia, molekuly sa rozpadajú, dochádza k ionizácii a vzniká nová tvorba plynov a iných chemických zlúčenín. Tieto procesy možno pozorovať vo forme polárnych svetiel, bleskov a iných žiaroviek.
V stratosfére a vyšších vrstvách sa vplyvom slnečného žiarenia molekuly plynu disociujú na atómy (nad 80 km disociujú CO 2 a H 2, nad 150 km - O 2, nad 300 km - H 2). Vo výške 100-400 km dochádza k ionizácii plynov aj v ionosfére vo výške 320 km, koncentrácia nabitých častíc (O + 2, O − 2, N + 2) je ~ 1/300; koncentrácia neutrálnych častíc. V horných vrstvách atmosféry sa nachádzajú voľné radikály – OH, HO 2 atď.
V stratosfére nie je takmer žiadna vodná para.
mezosféra
Do výšky 100 km je atmosféra homogénna, dobre premiešaná zmes plynov. Vo vyšších vrstvách závisí rozloženie plynov podľa výšky na ich molekulových hmotnostiach so vzdialenosťou od zemského povrchu rýchlejšie klesá koncentrácia ťažších plynov. V dôsledku poklesu hustoty plynu klesá teplota z 0°C v stratosfére na −110°C v mezosfére. Kinetická energia jednotlivých častíc však vo výškach 200-250 km zodpovedá teplote ~1500°C. Nad 200 km sú pozorované výrazné výkyvy teploty a hustoty plynu v čase a priestore.
Vo výške asi 2000-3000 km sa exosféra postupne mení na takzvané blízkovesmírne vákuum, ktoré je vyplnené vysoko riedkymi časticami medziplanetárneho plynu, najmä atómami vodíka. Tento plyn však predstavuje len časť medziplanetárnej hmoty. Ďalšiu časť tvoria prachové častice kometárneho a meteorického pôvodu. Okrem týchto extrémne riedkych častíc do tohto priestoru preniká elektromagnetické a korpuskulárne žiarenie slnečného a galaktického pôvodu.
Troposféra predstavuje asi 80% hmotnosti atmosféry, stratosféra - asi 20%; hmotnosť mezosféry nie je väčšia ako 0,3 %, termosféra je menšia ako 0,05 % z celkovej hmotnosti atmosféry. Na základe elektrických vlastností v atmosfére sa rozlišuje neutronosféra a ionosféra. V súčasnosti sa verí, že atmosféra siaha do nadmorskej výšky 2000-3000 km.
V závislosti od zloženia plynu v atmosfére emitujú homosféra A heterosféra. Heterosféra- Toto je oblasť, kde gravitácia ovplyvňuje oddeľovanie plynov, pretože ich miešanie v takejto nadmorskej výške je zanedbateľné. To znamená premenlivé zloženie heterosféry. Pod ním leží dobre premiešaná, homogénna časť atmosféry nazývaná homosféra. Hranica medzi týmito vrstvami sa nazýva turbopauza, leží vo výške okolo 120 km.
Atmosférické vlastnosti
Už vo výške 5 km nad morom začína netrénovaný človek pociťovať hladovanie kyslíkom a bez prispôsobenia sa jeho výkonnosť výrazne klesá. Tu končí fyziologická zóna atmosféry. Ľudské dýchanie je nemožné vo výške 15 km, hoci približne do 115 km atmosféra obsahuje kyslík.
Atmosféra nám dodáva kyslík potrebný na dýchanie. Avšak v dôsledku poklesu celkového tlaku v atmosfére, keď stúpate do nadmorskej výšky, parciálny tlak kyslíka primerane klesá.
Ľudské pľúca neustále obsahujú asi 3 litre alveolárneho vzduchu. Parciálny tlak kyslíka v alveolárnom vzduchu pri normálnom atmosférickom tlaku je 110 mmHg. Art., tlak oxidu uhličitého - 40 mm Hg. Art., a vodná para -47 mm Hg. čl. So zvyšujúcou sa nadmorskou výškou tlak kyslíka klesá a celkový tlak pár vody a oxidu uhličitého v pľúcach zostáva takmer konštantný - asi 87 mm Hg. čl. Prívod kyslíka do pľúc sa úplne zastaví, keď sa tlak okolitého vzduchu vyrovná tejto hodnote.
Vo výške asi 19-20 km klesá atmosférický tlak na 47 mm Hg. čl. Preto v tejto nadmorskej výške začne v ľudskom tele vrieť voda a intersticiálna tekutina. Mimo pretlakovej kabíny v týchto nadmorských výškach nastáva smrť takmer okamžite. Z hľadiska ľudskej fyziológie teda „priestor“ začína už v nadmorskej výške 15-19 km.
Husté vrstvy vzduchu – troposféra a stratosféra – nás chránia pred škodlivými účinkami žiarenia. Pri dostatočnej riedkosti vzduchu vo výškach nad 36 km intenzívne pôsobí na organizmus ionizujúce žiarenie - primárne kozmické žiarenie; Vo výškach nad 40 km je ultrafialová časť slnečného spektra pre človeka nebezpečná.
Štruktúra zemskej atmosféry
Atmosféra je plynný obal Zeme s aerosólovými časticami, ktoré obsahuje, pohybuje sa spolu so Zemou v priestore ako jeden celok a zároveň sa podieľa na rotácii Zeme. Väčšina nášho života sa odohráva na dne atmosféry.
Takmer všetky planéty našej slnečnej sústavy majú svoju vlastnú atmosféru, ale iba zemská atmosféra je schopná podporovať život.
Keď sa naša planéta sformovala pred 4,5 miliardami rokov, zjavne nemala žiadnu atmosféru. Atmosféra vznikla v dôsledku sopečných emisií vodnej pary zmiešanej s oxidom uhličitým, dusíkom a ďalšími chemikáliami z hlbín mladej planéty. Atmosféra však môže obsahovať obmedzené množstvo vlhkosti, takže jej prebytok v dôsledku kondenzácie spôsobil vznik oceánov. Potom však atmosféra bola bez kyslíka. Prvé živé organizmy, ktoré vznikli a vyvinuli sa v oceáne, v dôsledku fotosyntetickej reakcie (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2), začali uvoľňovať malé časti kyslíka, ktorý sa začal dostávať do atmosféry.
Vznik kyslíka v zemskej atmosfére viedol k vytvoreniu ozónovej vrstvy vo výškach približne 8 – 30 km. A tak naša planéta získala ochranu pred škodlivými účinkami ultrafialového štúdia. Táto okolnosť slúžila ako impulz pre ďalší vývoj foriem života na Zemi, pretože V dôsledku zvýšenej fotosyntézy začalo množstvo kyslíka v atmosfére rýchlo rásť, čo prispelo k tvorbe a udržiavaniu foriem života, a to aj na súši.
Dnes sa naša atmosféra skladá zo 78,1 % dusíka, 21 % kyslíka, 0,9 % argónu a 0,04 % oxidu uhličitého. Veľmi malé frakcie v porovnaní s hlavnými plynmi sú neón, hélium, metán a kryptón.
Na častice plynu obsiahnuté v atmosfére pôsobí gravitačná sila Zeme. A vzhľadom na to, že vzduch je stlačiteľný, jeho hustota postupne klesá s výškou a prechádza do vesmíru bez jasnej hranice. Polovica celkovej hmoty zemskej atmosféry je sústredená v dolných 5 km, tri štvrtiny v dolných 10 km, deväť desatín v dolných 20 km. 99 % hmoty zemskej atmosféry je sústredených pod nadmorskou výškou 30 km, čo je len 0,5 % rovníkového polomeru našej planéty.
Na hladine mora je počet atómov a molekúl na kubický centimeter vzduchu asi 2 * 10 19, vo výške 600 km iba 2 * 10 7. Na hladine mora atóm alebo molekula prejde približne 7 x 10 -6 cm pred zrážkou s inou časticou. Vo výške 600 km je táto vzdialenosť asi 10 km. A na hladine mora sa každú sekundu vyskytne asi 7 * 10 9 takýchto zrážok vo výške 600 km - iba asi jedna za minútu!
Ale nielen tlak sa mení s nadmorskou výškou. Mení sa aj teplota. Takže napríklad na úpätí vysokej hory môže byť poriadne horúco, pričom vrchol hory je pokrytý snehom a teplota je tam zároveň pod nulou. A akonáhle vyletíte do výšky cca 10–11 km, môžete počuť hlásenie, že vonku je -50 stupňov, pričom na povrchu zeme je o 60–70 stupňov teplejšie...
Spočiatku vedci predpokladali, že teplota klesá s výškou, až kým nedosiahne absolútnu nulu (-273,16°C). Ale to nie je pravda.
Atmosféra Zeme pozostáva zo štyroch vrstiev: troposféra, stratosféra, mezosféra, ionosféra (termosféra). Toto rozdelenie do vrstiev bolo prijaté aj na základe údajov o zmenách teploty s výškou. Najnižšia vrstva, kde teplota vzduchu s výškou klesá, sa nazýva troposféra. Vrstva nad troposférou, kde sa pokles teploty zastaví, je nahradená izotermou a nakoniec teplota začne stúpať, sa nazýva stratosféra. Vrstva nad stratosférou, v ktorej teplota opäť rýchlo klesá, je mezosféra. A nakoniec vrstva, kde teplota začína opäť stúpať, sa nazýva ionosféra alebo termosféra.
Troposféra siaha v priemere do spodných 12 km. Tu sa tvorí naše počasie. Najvyššie oblaky (cirry) sa tvoria v najvrchnejších vrstvách troposféry. Teplota v troposfére klesá s výškou adiabaticky, t.j. K zmene teploty dochádza v dôsledku poklesu tlaku s výškou. Teplotný profil troposféry je do značnej miery určený slnečným žiarením dopadajúcim na zemský povrch. V dôsledku zahrievania povrchu Zeme Slnkom vznikajú konvekčné a turbulentné prúdenia smerujúce nahor, ktoré tvoria počasie. Za zmienku stojí, že vplyv podložného povrchu na spodné vrstvy troposféry siaha do výšky približne 1,5 km. Samozrejme, okrem horských oblastí.
Horná hranica troposféry je tropopauza - izotermická vrstva. Zamyslite sa nad charakteristickým vzhľadom búrkových oblakov, ktorých vrcholom je „prietrž“ cirrových oblakov nazývaných „nákova“. Táto „nákova“ sa pod tropopauzou len „rozšíri“, pretože vplyvom izotermy sú stúpavé prúdy vzduchu výrazne oslabené a oblak sa prestáva vertikálne vyvíjať. Ale v špeciálnych, zriedkavých prípadoch môžu vrcholy oblakov cumulonimbus napadnúť spodné vrstvy stratosféry a prerušiť tropopauzu.
Výška tropopauzy závisí od zemepisnej šírky. Na rovníku sa teda nachádza v nadmorskej výške približne 16 km a jeho teplota je okolo –80°C. Na póloch sa tropopauza nachádza nižšie, vo výške približne 8 km. V lete je tu teplota -40°C, v zime -60°C. Tropická tropopauza je teda napriek vyšším teplotám na zemskom povrchu oveľa chladnejšia ako na póloch.
Atmosféra (z gréckeho ατμός – „para“ a σφαῖρα – „guľa“) je plynový obal nebeského telesa, ktorý okolo neho drží gravitácia. Atmosféra je plynný obal planéty, ktorý pozostáva zo zmesi rôznych plynov, vodných pár a prachu. Výmena hmoty medzi Zemou a vesmírom prebieha cez atmosféru. Zem prijíma kozmický prach a meteoritový materiál a stráca najľahšie plyny: vodík a hélium. Atmosférou Zeme skrz naskrz preniká silné žiarenie zo Slnka, ktoré určuje tepelný režim povrchu planéty, spôsobuje disociáciu molekúl atmosférických plynov a ionizáciu atómov.
Atmosféra Zeme obsahuje kyslík, ktorý väčšina živých organizmov využíva na dýchanie, a oxid uhličitý, ktorý spotrebúvajú rastliny, riasy a sinice pri fotosyntéze. Atmosféra je tiež ochrannou vrstvou planéty, chráni jej obyvateľov pred ultrafialovým žiarením slnka.
Všetky masívne telesá - pozemské planéty a plynní obri - majú atmosféru.
Atmosférické zloženie
Atmosféra je zmes plynov pozostávajúca z dusíka (78,08 %), kyslíka (20,95 %), oxidu uhličitého (0,03 %), argónu (0,93 %), malého množstva hélia, neónu, xenónu, kryptónu (0,01 %), 0,038 % oxidu uhličitého a malé množstvo vodíka, hélia, iných vzácnych plynov a znečisťujúcich látok.
Moderné zloženie ovzdušia Zeme vzniklo pred viac ako sto miliónmi rokov, no prudko zvýšená ľudská výrobná aktivita napriek tomu viedla k jeho zmene. V súčasnosti dochádza k zvýšeniu obsahu CO 2 približne o 10-12 %. Plyny obsiahnuté v atmosfére plnia rôzne funkčné úlohy. Hlavný význam týchto plynov je však daný predovšetkým skutočnosťou, že veľmi silne absorbujú energiu žiarenia a tým výrazne ovplyvňujú teplotný režim zemského povrchu a atmosféry.
Počiatočné zloženie atmosféry planéty zvyčajne závisí od chemických a teplotných vlastností Slnka počas formovania planét a následného uvoľňovania vonkajších plynov. Potom sa zloženie plynového obalu vyvíja pod vplyvom rôznych faktorov.
Atmosféra Venuše a Marsu pozostáva predovšetkým z oxidu uhličitého s malými prídavkami dusíka, argónu, kyslíka a iných plynov. Atmosféra Zeme je z veľkej časti produktom organizmov, ktoré v nej žijú. Nízkoteplotní plynní obri – Jupiter, Saturn, Urán a Neptún – dokážu zadržiavať najmä plyny s nízkou molekulovou hmotnosťou – vodík a hélium. Vysokoteplotné plynné obry, ako Osiris alebo 51 Pegasi b, ju naopak nedokážu udržať a molekuly ich atmosféry sú rozptýlené vo vesmíre. Tento proces prebieha pomaly a neustále.
dusík, Najbežnejší plyn v atmosfére, je chemicky neaktívny.
Kyslík, na rozdiel od dusíka, je chemicky veľmi aktívny prvok. Špecifickou funkciou kyslíka je oxidácia organickej hmoty heterotrofných organizmov, hornín a podoxidovaných plynov emitovaných do atmosféry sopkami. Bez kyslíka by nedošlo k rozkladu mŕtvej organickej hmoty.
Atmosférická štruktúra
Štruktúra atmosféry sa skladá z dvoch častí: vnútornej - troposféra, stratosféra, mezosféra a termosféra, alebo ionosféra, a vonkajšej - magnetosféry (exosféry).
1) Troposféra– je to spodná časť atmosféry, v ktorej sú sústredené 3/4 t.j. ~ 80% celej zemskej atmosféry. Jeho výška je určená intenzitou vertikálneho (vzostupného alebo klesajúceho) prúdenia vzduchu spôsobeného zahrievaním zemského povrchu a oceánu, preto je hrúbka troposféry na rovníku 16–18 km, v miernych šírkach 10–11 km a na póloch – do 8 km. Teplota vzduchu v troposfére v nadmorskej výške klesá o 0,6ºС na každých 100 m a pohybuje sa od +40 do - 50ºС.
2) Stratosféra sa nachádza nad troposférou a má výšku až 50 km od povrchu planéty. Teplota vo výške do 30 km je konštantná -50ºС. Potom začne stúpať a vo výške 50 km dosiahne +10ºС.
Horná hranica biosféry je ozónová clona.
Ozónová clona je vrstva atmosféry v stratosfére, ktorá sa nachádza v rôznych výškach od zemského povrchu a má maximálnu hustotu ozónu vo výške 20-26 km.
Výška ozónovej vrstvy na póloch sa odhaduje na 7-8 km, na rovníku na 17-18 km a maximálna výška prítomnosti ozónu je 45-50 km. Život nad ozónovým štítom je nemožný kvôli drsnému ultrafialovému žiareniu Slnka. Ak stlačíte všetky molekuly ozónu, získate okolo planéty ~ 3 mm vrstvu.
3) Mezosféra– horná hranica tejto vrstvy sa nachádza do výšky 80 km. Jeho hlavnou črtou je prudký pokles teploty -90ºС na hornej hranici. Sú tu zaznamenané nočné svietiace oblaky pozostávajúce z ľadových kryštálikov.
4) Ionosféra (termosféra) - sa nachádza do nadmorskej výšky 800 km a vyznačuje sa výrazným zvýšením teploty:
150 km teplota +240ºС,
200 km teplota +500ºС,
600 km teplota +1500ºС.
Pod vplyvom ultrafialového žiarenia zo Slnka sú plyny v ionizovanom stave. Ionizácia je spojená so žiarou plynov a objavením sa polárnych žiar.
Ionosféra má schopnosť opakovane odrážať rádiové vlny, čo zabezpečuje diaľkovú rádiovú komunikáciu na planéte.
5) Exosféra– nachádza sa nad 800 km a siaha až do 3000 km. Tu je teplota >2000ºС. Rýchlosť pohybu plynu sa blíži ku kritickej ~ 11,2 km/s. Dominantnými atómami sú vodík a hélium, ktoré okolo Zeme tvoria svetelnú korónu siahajúcu do nadmorskej výšky 20 000 km.
Funkcie atmosféry
1) Termoregulačné – počasie a klíma na Zemi závisia od rozloženia tepla a tlaku.
2) Udržiavanie života.
3) V troposfére dochádza ku globálnym vertikálnym a horizontálnym pohybom vzdušných hmôt, ktoré určujú kolobeh vody a výmenu tepla.
4) Takmer všetky povrchové geologické procesy sú spôsobené interakciou atmosféry, litosféry a hydrosféry.
5) Ochranná - atmosféra chráni Zem pred vesmírom, slnečným žiarením a meteoritovým prachom.
Funkcie atmosféry. Bez atmosféry by bol život na Zemi nemožný. Človek skonzumuje 12-15 kg denne. vzduchu, vdychuje každú minútu od 5 do 100 litrov, čo výrazne prevyšuje priemernú dennú potrebu jedla a vody. Atmosféra navyše spoľahlivo chráni ľudí pred nebezpečenstvami, ktoré im hrozia z vesmíru: nedovoľuje preniknúť meteoritom ani kozmickému žiareniu. Človek vydrží bez jedla päť týždňov, bez vody päť dní, bez vzduchu päť minút. Normálny ľudský život si vyžaduje nielen vzduch, ale aj jeho určitú čistotu. Od kvality ovzdušia závisí zdravie ľudí, stav flóry a fauny, pevnosť a odolnosť stavebných konštrukcií a konštrukcií. Znečistený vzduch je deštruktívny pre vody, zem, moria a pôdu. Atmosféra určuje svetlo a reguluje tepelné režimy Zeme, prispieva k prerozdeleniu tepla na zemeguli. Plynový obal chráni Zem pred nadmerným ochladzovaním a zahrievaním. Ak by naša planéta nebola obklopená vzduchovým plášťom, tak v priebehu jedného dňa by amplitúda teplotných výkyvov dosiahla 200 C. Atmosféra zachraňuje všetko živé na Zemi pred ničivým ultrafialovým, röntgenovým a kozmickým žiarením. Atmosféra hrá veľkú úlohu pri distribúcii svetla. Jeho vzduch láme slnečné lúče na milión malých lúčov, rozptyľuje ich a vytvára rovnomerné osvetlenie. Atmosféra slúži ako vodič zvukov.
Zemská atmosféra je plynný obal našej planéty. Jeho spodná hranica prechádza na úrovni zemskej kôry a hydrosféry a horná hranica prechádza do blízkozemskej oblasti kozmického priestoru. Atmosféra obsahuje asi 78 % dusíka, 20 % kyslíka, do 1 % argónu, oxid uhličitý, vodík, hélium, neón a niektoré ďalšie plyny.
Táto zemská škrupina sa vyznačuje jasne definovaným vrstvením. Vrstvy atmosféry sú určené vertikálnym rozložením teploty a rôznymi hustotami plynov na rôznych úrovniach. Existujú také vrstvy zemskej atmosféry: troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra, exosféra. Ionosféra je oddelená.
Až 80 % celkovej hmoty atmosféry tvorí troposféra – spodná prízemná vrstva atmosféry. Troposféra v polárnych zónach sa nachádza na úrovni až 8-10 km nad zemským povrchom, v tropickom pásme - maximálne 16-18 km. Medzi troposférou a nadložnou vrstvou stratosféry sa nachádza tropopauza – prechodná vrstva. V troposfére klesá teplota so stúpajúcou nadmorskou výškou a podobne s nadmorskou výškou klesá aj atmosférický tlak. Priemerný teplotný gradient v troposfére je 0,6°C na 100 m Teplota na rôznych úrovniach tejto škrupiny je určená charakteristikami absorpcie slnečného žiarenia a účinnosťou konvekcie. Takmer všetka ľudská činnosť sa odohráva v troposfére. Najvyššie hory nepresahujú troposféru, iba letecká doprava môže prekročiť hornú hranicu tejto škrupiny v malej výške a byť v stratosfére. Veľký podiel vodnej pary sa nachádza v troposfére, ktorá je zodpovedná za vznik takmer všetkých oblakov. Takmer všetky aerosóly (prach, dym atď.) vytvorené na zemskom povrchu sú sústredené v troposfére. V hraničnej spodnej vrstve troposféry sú výrazné denné výkyvy teplôt a vlhkosti vzduchu, rýchlosť vetra sa zvyčajne znižuje (s rastúcou nadmorskou výškou stúpa). V troposfére existuje premenlivé rozdelenie hrúbky vzduchu na vzduchové hmoty v horizontálnom smere, ktoré sa líšia množstvom charakteristík v závislosti od zóny a oblasti ich vzniku. Na atmosférických frontoch – hraniciach medzi vzduchovými hmotami – vznikajú cyklóny a anticyklóny, ktoré určujú počasie v určitej oblasti na konkrétne časové obdobie.
Stratosféra je vrstva atmosféry medzi troposférou a mezosférou. Hranice tejto vrstvy sa pohybujú od 8-16 km do 50-55 km nad zemským povrchom. V stratosfére je plynové zloženie vzduchu približne rovnaké ako v troposfére. Charakteristickým znakom je zníženie koncentrácie vodnej pary a zvýšenie obsahu ozónu. Ozónová vrstva atmosféry, ktorá chráni biosféru pred agresívnym pôsobením ultrafialového svetla, sa nachádza na úrovni 20 až 30 km. V stratosfére sa teplota zvyšuje s nadmorskou výškou a hodnoty teploty sú určené slnečným žiarením a nie konvekciou (pohyby vzdušných hmôt), ako v troposfére. Ohrievanie vzduchu v stratosfére je spôsobené absorpciou ultrafialového žiarenia ozónom.
Nad stratosférou siaha mezosféra do výšky 80 km. Táto vrstva atmosféry je charakteristická tým, že teplota klesá so zvyšovaním nadmorskej výšky z 0 ° C na - 90 ° C. Toto je najchladnejšia oblasť atmosféry.
Nad mezosférou je termosféra až do výšky 500 km. Od hranice s mezosférou po exosféru sa teplota pohybuje približne od 200 K do 2000 K. Do úrovne 500 km hustota vzduchu klesá niekoľko stotisíckrát. Relatívne zloženie atmosférických zložiek termosféry je podobné povrchovej vrstve troposféry, ale s rastúcou výškou sa viac kyslíka stáva atómovým. Určitá časť molekúl a atómov termosféry je v ionizovanom stave a je rozdelená do niekoľkých vrstiev, spája ich pojem ionosféra. Charakteristiky termosféry sa líšia v širokom rozmedzí v závislosti od zemepisnej šírky, množstva slnečného žiarenia, ročného obdobia a dňa.
Horná vrstva atmosféry je exosféra. Toto je najtenšia vrstva atmosféry. V exosfére je stredná voľná dráha častíc taká obrovská, že častice môžu voľne unikať do medziplanetárneho priestoru. Hmotnosť exosféry je jedna desaťmilióntina celkovej hmotnosti atmosféry. Spodná hranica exosféry je na úrovni 450-800 km a za hornú hranicu sa považuje oblasť, kde je koncentrácia častíc rovnaká ako vo vesmíre – niekoľko tisíc kilometrov od povrchu Zeme. Exosféru tvorí plazma – ionizovaný plyn. V exosfére sú tiež radiačné pásy našej planéty.
Videoprezentácia - vrstvy zemskej atmosféry:
Súvisiace materiály: