Що включає атмосфера. Відомості та факти про атмосферу

Атмосфера Землі є газовою оболонкою нашої планети. Її нижня межа проходить на рівні земної кори та гідросфери, а верхня переходить у навколоземну область космічного простору. Атмосфера містить близько 78% азоту, 20% кисню, до 1% аргону, вуглекислого газу, водню, гелію, неону та деяких інших газів.

Ця земна оболонка характеризується чітко вираженою шаруватістю. Шари атмосфери визначаються вертикальним розподілом температури та різною щільністю газів на різних її рівнях. Розрізняють такі верстви атмосфери Землі: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, екзосфера. Окремо виділяють іоносферу.

До 80% усієї маси атмосфери становить тропосфера – нижній приземний шар атмосфери. Тропосфера у полярних поясах розташована на рівні до 8-10 км над земною поверхнею, у тропічному поясі – максимально до 16-18 км. Між тропосферою і шаром стратосферою знаходиться тропопауза - перехідний шар. У тропосфері температура знижується зі збільшенням висоти, аналогічно з висотою зменшується атмосферний тиск. Середній градієнт температури в тропосфері становить 0,6°С на 100 м. Температура різних рівнях даної оболонки визначається особливостями поглинання сонячного випромінювання та ефективністю конвекції. Майже вся діяльність людини здійснюється у тропосфері. Найвищі гори не виходять за межі тропосфери, тільки повітряний транспорт може перетинати на невелику висоту верхню межу цієї оболонки та перебувати у стратосфері. Велика частка водяної пари міститься в тропосфері, що обумовлює формування багатьох хмар. Також у тропосфері сконцентровані практично всі аерозолі (пил, дим, тощо), що утворюються на земній поверхні. У нижньому прикордонному шарі тропосфери виражені добові коливання температури, вологості повітря, швидкість вітру зазвичай знижена (вона зростає з підвищенням висоти). У тропосфері спостерігається мінливе розчленовування товщі повітря на повітряні маси в горизонтальному напрямку, що відрізняються за низкою показників залежно від пояса та місцевості їх формування. На атмосферних фронтах - кордонах між повітряними масами - утворюються циклони та антициклони, що визначають погоду на певній території протягом конкретного проміжку часу.

Стратосфера є шаром атмосфери між тропосферою та мезосферою. Межі цього шару становлять від 8-16 км. до 50-55 км. над поверхнею Землі. У стратосфері газовий склад повітря приблизно такий самий, як і в тропосфері. Відмінна риса – зменшення концентрації водяної пари та підвищення вмісту озону. Озоновий шар атмосфери, що захищає біосферу від агресивного впливу ультрафіолетового світла, становить від 20 до 30 км. У стратосфері температура підвищується з висотою, причому температурні значення визначаються сонячним випромінюванням, а чи не конвекцією (пересуванням повітряних мас), як і тропосфері. Нагрівання повітря стратосфери обумовлено поглинанням ультрафіолетового випромінювання озоном.

Над стратосферою простягається мезосфера рівня 80 км. Цей шар атмосфери характеризується тим, що температура зі збільшенням висоти знижується від 0° З до - 90° З. Це найхолодніша область атмосфери.

Вище за мезосферу знаходиться термосфера до рівня 500 км. Від кордону з мезосферою до екзосфери температура змінюється приблизно від 200 К до 2000 К. До рівня 500 км щільність повітря зменшується у кілька сотень тисяч разів. Відносний склад атмосферних складових термосфери аналогічний до приземного шару тропосфери, але зі збільшенням висоти більша кількість кисню переходить в атомарний стан. Певна частка молекул і атомів термосфери перебуває у іонізованому стані і розподілені у кількох шарах, вони поєднуються поняттям іоносфера. Характеристики термосфери варіюють у великому діапазоні залежно від географічної широти, величини сонячної радіації, пори року та доби.

Верхній шар атмосфери – екзосфера. Це найбільш розріджений шар атмосфери. У екзосфері довжини вільного пробігу частинок настільки величезні, що частки можуть вільно віддалятися міжпланетний простір. Маса екзосфери становить одну десятимільйонну від загальної атмосфери. Нижня межа екзосфери – рівень 450-800 км, а верхнім кордоном вважається область, де концентрація частинок така сама, як і космічному просторі, - кілька тисяч кілометрів від Землі. Екзосфера складається із плазми – іонізованого газу. Також в екзосфері знаходяться радіаційні пояси нашої планети.

Відео презентація – шари атмосфери Землі:

Схожі матеріали:

Будова та склад атмосфери Землі, треба сказати, не завжди були постійними величинами в той чи інший період розвитку нашої планети. Сьогодні вертикальна будова цього елемента, що має загальну «товщину» 1,5-2,0 тис. км, представлена ​​кількома основними шарами, у тому числі:

1. Тропосфера.
2. Тропопаузою.
3. Стратосфера.
4. Стратопаузою.
5. Мезосферою та мезопаузою.
6. Термосфера.
7. Екзосферою.

Основні елементи атмосфери

Тропосфера є шаром, у якому спостерігаються сильні вертикальні та горизонтальні рухи, саме тут формується погода, осадові явища, кліматичні умови. Вона простягається на 7-8 кілометрів від поверхні планети майже повсюдно, крім полярних регіонів (там - до 15 км). У тропосфері спостерігається поступове зниження температури, приблизно 6,4°З кожним кілометром висоти. Цей показник може відрізнятися для різних широт та пір року.

Склад атмосфери Землі у цій частині представлений такими елементами та його відсотковими частками:

Азот – близько 78 відсотків;

Кисень – майже 21 відсоток;

Аргон – близько одного відсотка;

Вуглекислий газ – менше 0.05%.

Єдиний склад до висоти 90 км

Крім того, тут можна знайти пил, крапельки води, водяну пару, продукти горіння, кристалики льоду, морські солі, безліч аерозольних частинок та ін. Такий склад атмосфери Землі спостерігається приблизно до дев'яноста кілометрів висоти, тому повітря приблизно однакове за хімічним складом, не тільки у тропосфері, а й у вищележачих шарах. Але там атмосфера має інші фізичні характеристики. А шар, який має загальний хімічний склад, називають гомосферою.

Які елементи входять до складу атмосфери Землі? У відсотках (за обсягом, у сухому повітрі) тут представлені такі гази як криптон (близько 1.14 х 10 -4), ксенон (8.7 х 10 -7), водень (5.0 х 10 -5), метан (близько 1.7 х 10 -4) 4), закис азоту (5.0 х 10 -5) та ін. У відсотках по масі з перерахованих компонентів найбільше закису азоту і водню, далі слідує гелій, криптон та ін.

Фізичні властивості різних атмосферних верств

Фізичні властивості тропосфери тісно пов'язані з її приляганням до планети. Звідси відбите сонячне тепло у формі інфрачервоних променів прямує назад нагору, включаючи процеси теплопровідності та конвекції. Саме тому із віддаленням від земної поверхні падає температура. Таке явище спостерігається до висоти стратосфери (11-17 кілометрів), потім температура стає практично незмінною до позначки 34-35 км, і далі йде знову зростання температур до висот 50 кілометрів (верхня межа стратосфери). Між стратосферою та тропосферою є тонкий проміжний шар тропопаузи (до 1-2 км), де спостерігаються постійні температури над екватором – близько мінус 70°С та нижче. Над полюсами тропопауза «прогрівається» влітку до мінус 45°С, взимку температури тут коливаються біля позначки -65°С.

Газовий склад атмосфери Землі включає такий важливий елемент, як озон. Його відносно трохи біля поверхні (десять мінус шостої від відсотка), оскільки газ утворюється під впливом сонячних променів з атомарного кисню у верхніх частинах атмосфери. Зокрема, найбільше озону на висоті близько 25 км, а весь озоновий екран розташований в областях від 7-8 км в області полюсів, від 18 км на екваторі і до п'ятдесяти кілометрів загалом над поверхнею планети.

Атмосфера захищає від сонячної радіації

Склад повітря атмосфери Землі грає дуже важливу роль у збереженні життя, так як окремі хімічні елементи і композиції вдало обмежують доступ сонячної радіації до земної поверхні і людей, тварин, рослин, що живуть на ній. Наприклад, молекули водяної пари ефективно поглинають майже всі діапазони інфрачервоного випромінювання, крім довжин в інтервалі від 8 до 13 мкм. Озон же поглинає ультрафіолет аж до довжини хвиль в 3100 А. Без його тонкого шару (складе всього в середньому 3 мм, якщо його розташувати на поверхні планети) живуть можуть лише води на глибині більше 10 метрів і підземні печери, куди не доходить сонячна радіація .

Нуль за Цельсієм у стратопаузі

Між двома наступними рівнями атмосфери, стратосферою та мезосферою, існує чудовий шар – стратопауза. Він відповідає приблизно висоті озонних максимумів і тут спостерігається відносно комфортна для людини температура - близько 0°С. Вище стратопаузи, у мезосфері (починається десь на висоті 50 км і закінчується на висоті 80-90 км), спостерігається знову ж таки падіння температур зі збільшенням відстані від поверхні Землі (до мінус 70-80°С). У мезосфері зазвичай повністю згоряють метеори.

У термосфері – плюс 2000 К!

Хімічний склад атмосфери Землі в термосфері (починається після мезопаузи з висот близько 85-90 до 800 км) визначає можливість такого явища, як поступове нагрівання шарів дуже розрідженого «повітря» під впливом сонячного випромінювання. У цій частині «повітряного покривала» планети зустрічаються температури від 200 до 2000 К, які у зв'язку з іонізацією кисню (понад 300 км знаходиться атомарний кисень), а також рекомбінацією атомів кисню в молекули, що супроводжується виділенням великої кількості тепла. Термосфера – це місце виникнення полярних сяйв.

Вище термосфери знаходиться екзосфера - зовнішній шар атмосфери, з якого легкі атоми водню, що швидко переміщаються, можуть йти в космічний простір. Хімічний склад атмосфери Землі тут представлений більше окремими атомами кисню в нижніх шарах, атомами гелію в середніх і майже виключно атомами водню - у верхніх. Тут панують високі температури – близько 3000 К та відсутній атмосферний тиск.

Як утворилася земна атмосфера?

Але, як згадувалося вище, такий склад атмосфери планета мала який завжди. Усього існує три концепції походження цього елемента. Перша гіпотеза припускає, що атмосфера була взята в процесі акреції з протопланетної хмари. Однак сьогодні ця теорія піддається суттєвій критиці, оскільки така первинна атмосфера повинна була бути зруйнована сонячним вітром від світила в нашій планетній системі. Крім того, передбачається, що леткі елементи не могли утриматися в зоні утворення планет за типом земної групи через занадто високі температури.

Склад первинної атмосфери Землі, як передбачає друга гіпотеза, міг бути сформований за рахунок активного бомбардування поверхні астероїдами та кометами, які прибули з околиць Сонячної системи на ранніх етапах розвитку. Підтвердити чи спростувати цю концепцію досить складно.

Експеримент у ІДГ РАН

Найправдоподібнішою є третя гіпотеза, яка вважає, що атмосфера з'явилася в результаті виділення газів з мантії земної кори приблизно 4 млрд. років тому. Цю концепцію вдалося перевірити в ІДГ РАН в ході експерименту під назвою «Царів 2», коли у вакуумі розігріли зразок речовини метеорного походження. Тоді було зафіксовано виділення таких газів як Н 2 , СН 4 , СО, Н 2 О, N 2 та ін. Тому вчені справедливо припустили, що хімічний склад первинної атмосфери Землі включав водяний і вуглекислий газ, пари фтороводню (HF), чадного газу (CO), сірководню (H 2 S), сполук азоту, водень, метан (СН 4), пари аміаку (NH 3), аргон та ін. у зв'язаному стані в органічних речовинах і гірських породах азот перейшов до складу сучасного повітря, а також знову в осадові породи та органічні речовини.

Склад первинної атмосфери Землі не дозволив би сучасним людям перебувати у ній без дихальних апаратів, оскільки кисню у необхідних кількостях тоді був. Цей елемент у значних обсягах з'явився півтора мільярда років тому, як вважають, у зв'язку з розвитком процесу фотосинтезу у синьо-зелених та інших водоростей, які є найдавнішими мешканцями нашої планети.

Мінімум кисню

На те, що склад атмосфери Землі спочатку був майже безкисневим, вказує на те, що в найдавніших (катархейських) породах знаходять легкоокислюваний, але не окислений графіт (вуглець). Згодом з'явилися так звані полосчасті залізні руди, які включали прошарки збагачених оксидів заліза, що означає появу на планеті потужного джерела кисню в молекулярній формі. Але ці елементи траплялися лише періодично (можливо, ті ж водорості чи інші продуценти кисню з'явилися невеликими острівцями в безкисневій пустелі), тоді як світ був анаеробним. На користь останнього говорить те, що пірит, що легко окислюється, знаходили у вигляді гальки, обробленої течією без слідів хімічних реакцій. Оскільки текучі води неможливо знайти погано аэрированными, виробилася думка, що атмосфера на початок кембрія містила менше відсотка кисню від сьогоднішнього складу.

Революційна зміна складу повітря

Приблизно в середині протерозою (1,8 млрд років тому) відбулася «киснева революція», коли світ перейшов до аеробного дихання, в ході якого з однієї молекули поживної речовини (глюкоза) можна отримувати 38, а не дві (як при анаеробному диханні) одиниці енергії. Склад атмосфери Землі, у частині кисню, став перевищувати один відсоток від сучасного, став виникати озоновий шар, який захищає організми від радіації. Саме від неї «ховалися» під товстими панцирями, наприклад такі древні тварини, як трилобіти. З того часу і до нашого часу зміст основного «дихального» елемента поступово і повільно зростав, забезпечуючи різноманітність форм життя на планеті.

Тропосфера

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

Тропопауза

Перехідний шар від тропосфери до стратосфери, шар атмосфери, де припиняється зниження температури з висотою.

Стратосфера

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

Стратопауза

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

Мезосфера

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

Мезопауза

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

Лінія Карману

Висота над рівнем моря, яка умовно приймається як межа між атмосферою Землі та космосом. Лінія Кармана знаходиться на висоті 100 км. над рівнем моря.

Кордон атмосфери Землі

Термосфера

Верхня межа – близько 800 км. Температура зростає до висот 200-300 км, де досягає значень близько 1500 К, після чого залишається майже постійною до висот. Під дією ультрафіолетової та рентгенівської сонячної радіації та космічного випромінювання відбувається іонізація повітря («полярні сяйва») – основні області іоносфери лежать усередині термосфери. На висотах понад 300 км. переважає атомарний кисень. Верхня межа термосфери значною мірою визначається поточною активністю Сонця. У періоди низької активності відбувається помітне зменшення розмірів цього шару.

Термопауза

Область атмосфери прилегла зверху до термосфери. У цій галузі поглинання сонячного випромінювання незначне, і температура фактично не змінюється з висотою.

Екзосфера (сфера розсіювання)

Атмосферні шари до висоти 120 км

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

До висоти 100 км атмосфера є гомогенною добре перемішаною сумішшю газів. У більш високих шарах розподіл газів за висотою залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше при віддаленні поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 °C у стратосфері до −110 °C у мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км. відповідає температурі ~150 °C. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.

На висоті близько 2000-3500 км екзосфера поступово перетворюється на так званий близькокосмічний вакуум, який заповнений сильно розрідженими частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ є лише частиною міжпланетної речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного та метеорного походження. Окрім надзвичайно розріджених пилоподібних частинок, у цей простір проникає електромагнітна та корпускулярна радіація сонячного та галактичного походження.

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

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

Навколишній світ утворений із трьох дуже різних частин: землі, води та повітря. Кожна з них унікальна і цікава. Зараз йтиметься лише про останню з них. Що таке атмосфера? Як вона виникла? З чого складається і які частини ділиться? Усі ці питання надзвичайно цікаві.

Сама назва «атмосфера» утворена з двох слів грецького походження, у перекладі російською вони означають «пар» і «куля». А якщо подивитися точне визначення, то можна прочитати таке: «Атмосфера – це повітряна оболонка планети Земля, яка мчить разом із нею у космічному просторі». Вона розвивалася паралельно геологічним та геохімічним процесам, що відбувалися на планеті. І сьогодні від неї залежать усі процеси, що протікають у живих організмах. Без атмосфери планета стала б неживою пустелею, подібною до Місяця.

Із чого вона складається?

Питанням про те, що таке атмосфера та які елементи до неї входять, зацікавив людей уже давно. Основні складові цієї оболонки були відомі вже 1774 року. Їх встановив Антуан Лавуазьє. Він виявив, що склад атмосфери здебільшого утворений із азоту та кисню. З часом її складові уточнювалися. І тепер відомо, що в ній знаходяться ще багато інших газів, а також вода та пил.

Розглянемо докладніше те, із чого складається атмосфера Землі біля її поверхні. Найпоширеніший газ – азот. Його утримується трохи більше 78 відсотків. Але, незважаючи на таку велику кількість, у повітрі азот практично не активний.

Наступний за кількістю та дуже важливий за значенням елемент – кисень. Цього газу міститься майже 21%, і він виявляє дуже високу активність. Його специфічна функція полягає в окисленні мертвої органічної речовини, яка в результаті цієї реакції розкладається.

Гази з низьким вмістом, але важливим значенням

Третій газ, що входить до складу атмосфери, – аргон. Його трохи менше, ніж один відсоток. Після нього йдуть вуглекислий газ із неоном, гелій із метаном, криптон із воднем, ксенон, озон і навіть аміак. Але їх міститься настільки мало, що відсотковий вміст таких компонентів дорівнює сотим, тисячним та мільйонним частинам. З них лише вуглекислий газ відіграє істотну роль, оскільки він є будівельним матеріалом, який необхідний рослин для фотосинтезу. Інша його важлива функція полягає в тому, щоб не пропускати радіацію та поглинати частину сонячного тепла.

Ще один нечисленний, але важливий газ – озон існує для утримання ультрафіолетового випромінювання, що йде від Сонця. Завдяки цій властивості все живе на планеті надійно захищене. З іншого боку, озон впливає температуру стратосфери. Через те, що він поглинає це випромінювання, відбувається нагрівання повітря.

Постійність кількісного складу атмосфери підтримується безупинним перемішуванням. Її шари переміщуються як горизонталлю, і по вертикалі. Тому в будь-якому місці земної кулі достатньо кисню і немає надлишку вуглекислого газу.

Що ще є у повітрі?

Слід зазначити, що у повітряному просторі можна виявити пару та пил. Остання складається з пилку та частинок ґрунту, у місті до них приєднуються домішки твердих викидів із вихлопних газів.

А ось води у атмосфері багато. За певних умов вона конденсується, і з'являються хмари та туман. По суті це те саме, тільки перші з'являються високо над поверхнею Землі, а останній стелиться по ній. Хмари набувають різноманітної форми. Цей процес залежить від висоти над Землею.

Якщо вони утворилися за 2 км над сушею, то їх називають шаруватими. Саме з них проливається на землю дощ чи падає сніг. Над ними до висоти 8 км формуються купчасті хмари. Вони завжди найкрасивіші та мальовничі. Саме їх розглядають та ворожать, на що вони схожі. Якщо такі утворення з'являться на наступних 10 км, вони будуть дуже легкими та повітряними. Їхня назва перисті.

На які верстви ділиться атмосфера?

Хоча вони й мають температури, що сильно відрізняються один від одного, дуже складно сказати, на якій конкретній висоті починається один шар і закінчується інший. Цей поділ дуже умовний і має приблизний характер. Однак шари атмосфери все ж таки існують і виконують свої функції.

Найнижча частина повітряної оболонки названа тропосферою. Її товщина збільшується при переміщенні від полюсів до екватора з 8 до 18 км. Це тепла частина атмосфери, оскільки повітря в ній нагрівається від земної поверхні. Більшість водяної пари зосереджена в тропосфері, тому у ній утворюються хмари, випадають опади, гримлять грози і дмуть вітру.

Наступний шар має товщину близько 40 км і називається стратосферою. Якщо спостерігач переміститься до цієї частини повітря, то виявить, що небо стало фіолетовим. Це малої щільністю речовини, яке мало розсіює сонячні промені. Саме в цьому прошарку літають реактивні літаки. Для них там відкрито всі простори, оскільки практично немає хмар. Усередині стратосфери є шар, що складається з великої кількості озону.

Після неї йдуть стратопауза та мезосфера. Остання має товщину близько 30 км. Вона характеризується різким зниженням щільності повітря та її температури. Небо для спостерігача бачиться у чорному кольорі. Тут можна навіть удень спостерігати зірки.

Шари, в яких практично немає повітря

Продовжує будову атмосфери шар під назвою термосфера - найдовша з усіх інших, її товщина сягає 400 км. Цей шар відрізняється величезною температурою, яка може сягати 1700 °C.

Останні дві сфери часто поєднують в одну і називають його іоносферою. Це з тим, що у них протікають реакції із виділенням іонів. Саме ці верстви дозволяють спостерігати таке явище природи, як північне сяйво.

Наступні 50 км від Землі відведено екзосфері. Це зовнішня оболонка атмосфери. У ній відбувається розсіювання частинок повітря на космос. У цьому прошарку зазвичай переміщаються супутники погоди.

Атмосфера Землі закінчується магнітосферою. Саме вона дала притулок більшості штучних супутників планети.

Після всього сказаного не повинно залишитися питань про те, що таке атмосфера. Якщо виникли сумніви щодо її необхідності, то їх легко розвіяти.

Значення атмосфери

Головна функція атмосфери полягає у захисті поверхні планети від перегріву в денний час та надмірного остигання вночі. Наступне важливе значення цієї оболонки, яке ніхто не заперечуватиме, у тому, щоб забезпечувати киснем усіх живих істот. Без цього вони задихнулися б.

Більшість метеоритів згоряють у верхніх шарах, не долетівши до Землі. І люди можуть милуватися вогнями, що летять, приймаючи їх за падаючі зірки. Без атмосфери вся Земля була б усіяна кратерами. А про захист від сонячного випромінювання вже йшлося вище.

Як впливає людина на атмосферу?

Дуже негативно. Це пов'язано з діяльністю людей, що розростається. Основна частка всіх негативних моментів посідає промисловість і транспорт. До речі, саме автомобілі виділяють майже 60% усіх забруднюючих речовин, що проникають у шари атмосфери. Сорок, що залишилися, ділять між собою енергетика і промисловість, а також галузі зі знищення відходів.

Список шкідливих речовин, які щодня поповнюють склад повітря дуже довгий. Через транспорт в атмосфері виявляються: азот і сірка, вуглець, синець і сажа, а також сильний канцероген, що викликає рак шкіри - бензопірен.

Перед промисловості припадають такі хімічні елементи: сірчистий газ, вуглеводень і сірководень, аміак і фенол, хлор і фтор. Якщо процес триватиме, то невдовзі відповіді питання: «Що таке атмосфера? З чого вона складається? будуть зовсім іншими.

Атмосфера Землі

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

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

Будова атмосфери

Будова атмосфери

Тропосфера

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

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

Стратосфера

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

Стратопауза

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

Мезосфера

Атмосфера Землі

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

Мезопауза

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

Лінія Карману

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

Термосфера

Основна стаття: Термосфера

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

Атмосферні шари до висоти 120 км

Екзосфера (сфера розсіювання)

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

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

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

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

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

Фізичні властивості

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

Фізіологічні та інші властивості атмосфери

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

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

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

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

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

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

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

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

Склад атмосфери

Склад сухого повітря

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

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

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

Історія освіти атмосфери

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

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

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

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

Азот

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

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

Кисень

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

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

Вуглекислий газ

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

Шляхетні гази

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

Забруднення атмосфери

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

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

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