Объем атмосферы. Атмосфера земли

Атмосфера - газовая оболочка нашей планеты, которая вращается вместе с Землей. Газ, находящийся в атмосфере, называют воздухом. Атмосфера соприкасается с гидросферой и частично покрывает литосферу. А вот верхние границы определить трудно. Условно принято считать, что атмосфера простирается вверх приблизительно на три тысячи километров. Там она плавно перетекает в безвоздушное пространство.

Химический состав атмосферы Земли

Формирование химического состава атмосферы началось около четырех миллиардов лет назад. Изначально атмосфера состояла лишь из легких газов - гелия и водорода. По мнению ученых исходными предпосылками создания газовой оболочки вокруг Земли стали извержения вулканов, которые вместе с лавой выбрасывали огромное количество газов. В дальнейшем начался газообмен с водными пространствами, с живыми организмами, с продуктами их деятельности. Состав воздуха постепенно менялся и в современном виде зафиксировался несколько миллионов лет назад.

Главные же составляющие атмосферы это азот (около 79%) и кислород (20%). Оставшийся процент (1%) приходится на следующие газы: аргон, неон, гелий, метан, углекислый газ, водород, криптон, ксенон, озон, аммиак, двуокиси серы и азота, закись азота и окись углерода, входящих в этот один процент.

Кроме того, в воздухе содержится водяной пар и твердые частицы (пыльца растений, пыль, кристаллики соли, примеси аэрозолей).

В последнее время ученые отмечают не качественное, а количественное изменение некоторых ингредиентов воздуха. И причина тому - человек и его деятельность. Только за последние 100 лет содержание углекислого газа значительно возросло! Это чревато многими проблемами, самая глобальная из которых - изменение климата.

Формирование погоды и климата

Атмосфера играет важнейшую роль в формировании климата и погоды на Земле. Очень многое зависит от количества солнечных лучей, от характера подстилающей поверхности и атмосферной циркуляции.

Рассмотрим факторы по порядку.

1. Атмосфера пропускает тепло солнечных лучей и поглощает вредную радиацию. О том, что лучи Солнца падают на разные участки Земли под разными углами, знали еще древние греки. Само слово "климат" в переводе с древнегреческого означает "наклон". Так, на экваторе солнечные лучи падают практически отвесно, потому здесь очень жарко. Чем ближе к полюсам, тем больше угол наклона. И температура понижается.

2. Из-за неравномерного нагревания Земли в атмосфере формируются воздушные течения. Они классифицируются по своим размерам. Самые маленькие (десятки и сотни метров) - это местные ветра. Далее следуют муссоны и пассаты, циклоны и антициклоны, планетарные фронтальные зоны.

Все эти воздушные массы постоянно перемещаются. Некоторые из них довольно статичны. Например, пассаты, которые дуют от субтропиков по направлению к экватору. Движение других во многом зависит от атмосферного давления.

3. Атмосферное давление - еще один фактор, влияющий на формирование климата. Это давление воздуха на поверхность земли. Как известно, воздушные массы перемещаются с области с повышенным атмосферным давлением в сторону области, где это давление ниже.

Всего выделено 7 зон. Экватор - зона низкого давления. Далее, по обе стороны от экватора вплоть до тридцатых широт - область высокого давления. От 30° до 60° - опять низкое давление. А от 60° до полюсов - зона высокого давления. Между этими зонами и циркулируют воздушные массы. Те, что идут с моря на сушу, несут дожди и ненастье, а те, что дуют с континентов - ясную и сухую погоду. В местах, где воздушные течения сталкиваются, образуются зоны атмосферного фронта, которые характеризуются осадками и ненастной, ветреной погодой.

Ученые доказали, что от атмосферного давления зависит даже самочувствие человека. По международным стандартам нормальное атмосферное давление - 760 мм рт. столба при температуре 0°C. Этот показатель рассчитан на те участки суши, которые находятся практически вровень с уровнем моря. С высотой давление понижается. Поэтому, например, для Санкт-Петербурга 760 мм рт.ст. - это норма. А вот для Москвы, которая расположена выше, нормальное давление - 748 мм рт.ст.

Давление меняется не только по вертикали, но и по горизонтали. Особенно это чувствуется при прохождении циклонов.

Строение атмосферы

Атмосфера напоминает слоеный пирог. И каждый слой имеет свои особенности.

. Тропосфера - самый близкий к Земле слой. "Толщина" этого слоя изменяется по мере удаления от экватора. Над экватором слой простирается ввысь на 16-18 км, в умеренных зонах - на 10-12км, на полюсах - на 8-10 км.

Именно здесь содержится 80% всей массы воздуха и 90% водяного пара. Здесь образуются облака, возникают циклоны и антициклоны. Температура воздуха зависит от высоты местности. В среднем она понижается на 0,65° C на каждые 100 метров.

. Тропопауза - переходный слой атмосферы. Его высота - от нескольких сотен метров до 1-2 км. Температура воздуха летом выше, чем зимой. Так, например, над полюсами зимой -65° C. А над экватором в любое время года держится -70° C.

. Стратосфера - это слой, верхняя граница которого проходит на высоте 50-55 километров. Турбулентность здесь низкая, содержание водяного пара в воздухе - ничтожное. Зато очень много озона. Максимальная его концентрация - на высоте 20-25 км. В стратосфере температура воздуха начинает повышаться и достигает отметки +0,8° C. Это обусловлено тем, что озоновый слой взаимодействует с ультрафиолетовым излучением.

. Стратопауза - невысокий промежуточный слой между стратосферой и следующей за ней мезосферой.

. Мезосфера - верхняя граница этого слоя - 80-85 километров. Здесь происходят сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов. Именно они обеспечивают то нежное голубое сияние нашей планеты, которое видится из космоса.

В мезосфере сгорает большинство комет и метеоритов.

. Мезопауза - следующий промежуточный слой, температура воздуха в котором минимум -90°.

. Термосфера - нижняя граница начинается на высоте 80 - 90 км, а верхняя граница слоя проходит приблизительно по отметке 800 км. Температура воздуха возрастает. Она может варьироваться от +500° C до +1000° C. В течение суток температурные колебания составляют сотни градусов! Но воздух здесь настолько разрежен, что понимание термина "температура" как мы его представляем, здесь не уместно.

. Ионосфера - объединяет мезосферу, мезопаузу и термосферу. Воздух здесь состоит в основном из молекул кислорода и азота, а также из квазинейтральной плазмы. Солнечные лучи, попадая в ионосферу сильно ионизируют молекулы воздуха. В нижнем слое (до 90 км) степень ионизация низкая. Чем выше, тем больше ионизация. Так, на высоте 100-110 км электроны концентрируются. Это способствует отражению коротких и средних радиоволн.

Самый важный слой ионосферы - верхний, который находится на высоте 150-400 км. Его особенность в том, что он отражает радиоволны, а это способствует передаче радиосигналов на значительные расстояния.

Именно в ионосфере происходят такое явление, как полярное сияние.

. Экзосфера - состоит из атомов кислорода, гелия и водорода. Газ в этом слое очень разрежен и нередко атомы водорода ускользают в космическое пространство. Поэтому этот слой и называют "зоной рассеивания".

Первым ученым, который предположил, что наша атмосфера имеет вес, был итальянец Э. Торричелли. Остап Бендер, например, в романе "Золотой теленок" сокрушался, что на каждого человека давит воздушный столб весом в 14 кг! Но великий комбинатор немного ошибался. Взрослый человек испытывает на себя давление в 13-15 тонн! Но мы не чувствуем этой тяжести, потому что атмосферное давление уравновешивается внутренним давлением человека. Вес нашей атмосферы составляет 5 300 000 000 000 000 тонн. Цифра колоссальная, хотя это всего лишь миллионная часть веса нашей планеты.

Наверное те, кто грезит космосом, наверняка задумывались, почему атмосфера есть только на Венере и Земле и больше нигде (не учитываем пока спутник)? И как сделать так что бы она там появилась. Где та причина, по которой ни на Марсе ни на Луне, дышать полной грудью без скафандра невозможно?

Что бы понять это, нам придется изучить понятие второй космической скорости,а также изучить связь массы молекулы и скорости.

Земной воздух, состоит в своей основе из следующих элементов: кислород(O) и азот(N).

При второй космической скорости, тело, размеры/масса которого пренебрежимо мала по сравнению с планетой, навсегда улетит в межпланетное пространство.

Теперь, зная наиболее вероятную скорость молекулы азота и вторую космическую скорость, легко определить условие, при которых молекула газа останется на орбите вокруг планеты.

Должно выполнятся условие

или если радиус планеты выразим через километры то

Азот переходит в жидкое состояние около -200 градусов Цельсия , или в Кельвинах T=73 градуса.

Итак подставив сюда уже известные величины получим, что азот в газообразном состоянии может находится на поверхности планеты в случае когда

Для Земли это соотношение равно 62435>21681 - а значит азот может быть удержан у Земли не только при температуре 73 градуса Кельвина, но и при тепературе не выше 210 градусов Кельвина(то есть порядка 400 градусов Цельсия). Если температура газа будет выше, тогда скорость молекул будет выше второй космической скорости и они начинают улетать в межпланетное пространство и Земля начнет терять атмосферу.

Что с другими планетами и азотом?

Данные будем брать из сводной таблицы Основные характеристики планет Солнечной системы

Для Венеры (радиус=6052,ускорение свободного падения=8.6) 52047>21681. Азот может быть удержан планетой.

Для Марса (радиус=3398,ускорение свободного падения=3.72) 12641<21681. Азот не может быть удержан планетой.

Раз Венера удерживает азот с молекулярной массой 14 гр/моль, то тем более планета будет удерживать еще газы обладающие более высокой массой (а значит например, кислород, а также метан, углексилый газ и другие производные..

Хорошо - скажете Вы- а как насчет самого тяжелого газа - радона? Там молекулярная масса 226 гр/моль!

Газовая постоянная для радона равна 36.8

Марс может своей массой удерживать радон если температура газа не будет превышать 343 градусов Кельвина. Поэтому да, Марс удерживает и возможно притягивает молекулы радона к себе, но для организации жизни на планете нам это не поможет.

В начале статьи, шла речь о спутнике, который обладает атмосферой. Это естественный спутник Сатурна - Титан . Примечательно что радиус его 2575 км, а ускорение свободного падения 1,352.

То есть по вышеприведенным правилам, спутник не должен обладать атмосферой, но он ею обладает.

Что же, наши расчеты неверны? Я так не думаю, иначе бы пришлось пересматривать многие основополагающие формулы.

Причина скорее всего в том, что спутник находится близко к своей "мамке" Сатурну и выведенное соответствие средней скорости молекул и второй космической скорости при наличии такого "соседа" не столь однозначно.

Или как третий вариант, что на спутнике идет "утекание" атмосферы в космос, но что генерирует такое количество газа, пока узнать невозможно.

Осталась какая то недосказанность.. поэтому

Что ж делать то на Марсе, что бы там была атмосфера?

Генерация кислорода мощными станциями как это было в фантастическом фильме с участием Шварцнегера, не пойдет.. атмосфера в конце концов улетучится.

Такой же неудачный вариант будет, если что то взрывать на планете типа термоядерных зарядов как предлагают некоторые.

Что бы азот оставался на Марсе, нам надо увеличить или радиус планеты или его ускорение свободного падения в почти два раза.

Радиус увеличить нереально, а что с ускорением?

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

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

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

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

6371: 7 = 42000 км.

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

По объёму атмосфера (около 4х10 12 км) в 3000 раз больше всей гидросферы (вместе с Мировым океаном), однако по массе существенно меньше её и составляет приблизительно 5,15х10 15 т.

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

Природный газовый состав атмосферного воздуха и воздействие некоторых его компонентов на здоровье человека

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

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

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

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

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

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

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

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

Часть молекул разлагается на ионы и образует ионосферу.

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

Из 76% по массе из водорода;

Из 23% по массе из гелия;

Из 1% по массе из космической пыли.

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

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

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

В атмосфере 20,94% , в гидросфере 85,82%, в литосфере 47% кислорода. Человек при выдохе выделяет 15,4 – 16,0% кислорода атмосферного воздуха. Человек за сутки в состоянии покоя вдыхает около 2722л.(1,4 м) кислорода, выдыхает 0,34 м 3 углекислого газа, кроме того, выбрасывает в сутки в окружающую среду около 400 веществ. Атмосферного воздуха в этом случае через лёгкие проходит 9л. в минуту, 540л. в час, 12960л. в сутки, а при нагрузке 25000 – 30000л. в сутки (25 – 30м 3). За год вдыхает в состоянии покоя 16950м, при физической нагрузке 20000 - 30000м, а на протяжении всей жизни от 65000 до 180000м. воздуха.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ОЗОН – модификация кислорода, который обеспечивает сохранение жизни на Земле т.к. озоновый слой атмосферы задерживает часть ультрафиолетовой радиации Солнца и поглощает инфракрасное излучение Земли, препятствуя её охлаждению. Это газ синего цвета с резким запахом. Основная масса озона получается из кислорода при электрических разрядах в атмосфере на высотах 20-30км. Кислород поглощает ультрафиолетовые лучи, при этом образуется озон молекулы, которого состоят из трёх атомов кислорода. Он предохраняет всё живое на Земле от вредного воздействия коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. В вышележащих слоях для образования озона не хватает кислорода, а в расположенных ниже – ультрафиолетовой радиации. В небольших количествах озон присутствует и в приземном слое воздуха. Общее содержание озона во всей атмосфере соответствует слою чистого озона толщиной 2 – 4 мм., при условии, что давление и температура воздуха такие же, как у поверхности Земли. Состав воздуха при подъёме даже на несколько десятков километров (до 100м) меняется мало. Но ввиду того, что с высотой воздух разряжается, содержание каждого газа в единице объёма уменьшается (падает атмосферное давление). К примесям принадлежит: Озон, выделяемые растительностью фитонциды, газообразные вещества, образующиеся в результате биохимических процессов и радиоактивного распада в почве и др. Озон используют для обеззараживания питьевой воды, обезвреживания промышленных сточных вод, для получения камфоры, ванилина и других соединений, для отбеливания тканей, минеральных масел и др.

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

(3,4 – 4,7 % выдыхаемого воздуха), животные, он выделяется так же при сжигании угля, нефти и бензина,

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

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

Интересно, что акселирацио – ускоренный рост детей, особенно в городах – некоторые учёные связывают с повышением содержания углекислого газа в атмосфере. Даже небольшое, увеличение количества углекислого газа

в воздухе значительно усиливает дыхательный процесс, начинается быстрый рост грудной клетки и соответственно всего организма.

Углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха и поэтому может накапливаться в нижней части замкнутых пространств. Эти свойства могут способствовать отравлениям вне населённых пунктах в атмосфере воздуха имеется

0,03 – 0,04 % углекислого газа; в промышленных центрах содержание его возрастает до 0,06 %, а вблизи предприятий чёрной металлургии – до 1%.

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

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

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

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

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

Точный размер атмосферы неизвестен, так как ее верхняя граница четко не прослеживается. Однако строение атмосферы изучено достаточно для того чтобы каждый мог получить представление о том, как устроена газовая оболочка нашей планеты.

Ученые, изучающие физику атмосферы, определяют ее как область вокруг Земли, которая вращается вместе с планетой. ФАИ дает следующее определение :

• граница между космосом и атмосферой проходит по линии Кармана. Линия эта, по определению той же организации — это высота над уровнем моря, находящаяся на высоте 100 км.

Все, что выше этой линии – космическое пространство. В межпланетное пространство атмосфера переходит постепенно, именно поэтому существуют разные представления о ее размерах.

С нижней границей атмосферы все гораздо проще – она проходит по поверхности земной коры и водной поверхности Земли – гидросфере. При этом граница, можно сказать, сливается с земной и водной поверхностью, так как частицы там также растворены частички воздуха.

Какие слои атмосферы входят в размер Земли

Интересный факт : зимой она находится ниже, летом – выше.

Именно в этом слое возникает турбулентность, антициклоны и циклоны, образуются облака. Именно эта сфера отвечает за формирование погоды, в ней расположено примерно 80% всех воздушных масс.

Тропопаузой называют слой, в котором с высотой не происходит снижение температуры. Выше тропопаузы, на высоте выше 11 и до 50 км находится . В стратосфере располагается слой озона, который, как известно, защищает планету от ультрафиолетовых лучей. Воздух в этом слое разряжен, эти объясняется характерный фиолетовый оттенок неба. Скорость воздушных потоков здесь может достигать 300 км/час. Между стратосферой и мезосферой находится стратопауза – пограничная сфера, в которой имеет место температурный максимум.

Следующий слой – . Она простирается до высот 85-90 километров. Цвет неба в мезосфере – черный, поэтому звезды можно наблюдать даже утром и днем. Там происходят сложнейшие фотохимические процессы, в ходе которых возникает свечение атмосферы.

Между мезосферой и следующим слоем, находится мезопауза. Его определяют как переходный слой, в котором наблюдается температурный минимум. Выше, на высоте 100 километров над уровнем моря, находится линия Кармана. Выше этой линии находятся термосфера (предел высоты 800км) и экзосфера, которую также называют «зоной рассеивания». Она на высоте примерно 2-3 тысячи километров переходит в ближнекосмический вакуум.

Учитывая то, что верхний слой атмосферы четко не прослеживается, точный ее размер высчитать невозможно. Кроме того, в разных странах существуют организации, придерживающиеся разных мнений на этот счет. Надо отметить, что линию Кармана можно считать границей земной атмосферы лишь условно, так как разные источники используют разные отметки границ. Так, в некоторых источниках можно найти сведения о том, что верхняя граница проходит на высоте 2500-3000 км.

NASA для расчетов использует отметку 122 километра. Не так давно были проведены эксперименты, которые уточнили границу, как расположенную на отметке 118км.

Толщина атмосферы - примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере - (5,1-5,3)·10 18 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·10 18 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·10 16 кг.

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8 ° (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой .

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Атмосфера Земли

Граница атмосферы Земли

Термосфера

Верхний предел - около 800 км. Температура растёт до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния ») - основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца . В периоды низкой активности - например, в 2008-2009 гг - происходит заметное уменьшение размеров этого слоя .

Термопауза

Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000-3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум , который заполнен сильно разрежёнными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час­тицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20 %; масса мезосферы - не более 0,3 %, термосферы - менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000-3000 км.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу . Гетеросфера - это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера . Граница между этими слоями называется турбопаузой , она лежит на высоте около 120 км.

Физиологические и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В разреженных слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60-90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100-130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана , за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства - способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, - с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение .

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком , водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

• утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство ;
• химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы , характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим - азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Азот

Образование большого количества азота N 2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О 2 , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N 2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N 2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.

Кислород

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов , в результате фотосинтеза , сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений - аммиака, углеводородов, закисной формы железа , содержавшейся в океанах и др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере , литосфере и биосфере , это событие получило название Кислородная катастрофа .

Благородные газы

Загрязнение атмосферы

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек . Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО 2 потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО 2 в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200-300 лет количество СО 2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата .

Сжигание топлива - основной источник и загрязняющих газов (СО , , SO 2). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO 3 в верхних слоях атмосферы, который в свою очередь взаимодействует с парами воды и аммиака, а образующиеся при этом серная кислота (Н 2 SO 4) и сульфат аммония ((NH 4) 2 SO 4) возвращаются на поверхность Земли в виде т. н. кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец Pb(CH 3 CH 2) 4)).

Аэрозольное загрязнение атмосферы обусловлено как естественными причинами (извержение вулканов, пыльные бури, унос капель морской воды и пыльцы растений и др.), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и т. п.). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу - одна из возможных причин изменений климата планеты.

См. также

• Jacchia (модель атмосферы)

Примечания

Ссылки

Литература

1. В. В. Парин, Ф. П. Космолинский, Б. А. Душков «Космическая биология и медицина» (издание 2-е, переработанное и дополненное), М.: «Просвещение», 1975, 223 стр.
2. Н. В. Гусакова «Химия окружающей среды», Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с ISBN 5-222-05386-5
3. Соколов В. А. Геохимия природных газов, М., 1971;
4. МакИвен М., Филлипс Л. Химия атмосферы, М., 1978;
5. Уорк K., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль, пер. с англ., М.. 1980;
6. Мониторинг фонового загрязнения природных сред. в. 1, Л., 1982.

Земля
История Земли	Возраст Земли Геологическая история Земли Геохронологическая шкала История жизни на Земле Оледенение Земли Парадокс слабого молодого Солнца Теория гигантского столкновения Хронология эволюции
География и геология	Австралия Азия Антарктида Африка Европа Северная Америка Южная Америка Атлантический океан Индийский океан Северный Ледовитый океан