Найвищий шар атмосфери. Атмосфера Землі: історія появи та будова

Разом із Землею обертається і газова оболонка нашої планети, яка називається атмосферою. Процеси, які в ній відбуваються, визначають погоду на нашій планеті, також саме атмосфера захищає тваринний та рослинний світ від згубного впливу ультрафіолетових променів, забезпечує оптимальну температуру тощо. , Визначити не так вже й просто, і ось чому.

Атмосфера землі км

Атмосфера є газовим простором. Її верхня межа виражена нечітко, оскільки гази, що вищі, тим більше розріджуються і переходять у космічний простір поступово. Якщо говорити приблизно про те, який діаметр атмосфери землі, то вчені називають цифру близько 2-3 тисяч кілометрів.

Складається атмосфера Земліз чотирьох шарів, які також плавно переходять один до одного. Це:

• тропосфера;
• стратосфера;
• мезосфера;
• іоносфера (термосфера).

До речі, цікавий факт: планета земля без атмосфери була б такою ж тихою, як Місяць, оскільки звук – це коливання повітряних частинок. А те, що небо – блакитного світла, пояснюється специфікою розкладання сонячних променів, що проходять через атмосферу.

Особливості кожного шару атмосфери

Товщина тропосфери становить від восьми до десяти кілометрів (в помірних широтах – до 12, а над екватором – до 18 кілометрів). Повітря в цьому шарі нагрівається від суші та води, тому чим більше радіус атмосфери Землітим температура нижче. Тут зосереджено 80 відсотків усієї маси атмосфери та концентрується водяна пара, формуються грози, бурі, хмари, опади, відбувається переміщення повітря у вертикальному та горизонтальному напрямках.

Стратосфера розташована від тропосфери на висоті від восьми до 50 км. Повітря тут розріджене, тому сонячні промені не розсіюються, і колір неба стає фіолетовим. Цей шар завдяки озону поглинає ультрафіолет.

Мезосфера знаходиться ще вище - на висоті 50-80 кілометрів. Тут небо здається чорним, а температура шару становить до мінус дев'яноста градусів. Далі йде термосфера, тут температура вже різко підвищується, а потім зупиняється на висоті 600 км на позначці 240 градусів.

Найбільш розряджений шар - іоносфера, для нього характерна висока наелектризованість, а ще він відображає радіохвилі різної довжини, як дзеркало. Саме тут формується північне сяйво.

Оновлено: Березень 31, 2016 автором: Ганна Волосовець

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.

Будова атмосфери Землі

Атмосфера – це газова оболонка Землі з аерозольними частинками, що містяться в ній, що рухаються разом із Землею у світовому просторі як єдине ціле і одночасно бере участь у обертанні Землі. На дні атмосфери здебільшого протікає наше життя.

Своїми атмосферами мають майже всі планети нашої сонячної системи, але тільки земна атмосфера здатна підтримувати життя.

Коли 4,5 мільярда років тому формувалася наша планета, то, мабуть, вона була позбавлена ​​атмосфери. Атмосфера була сформована внаслідок вулканічних викидів водяної пари з домішками діоксиду вуглецю, азоту та інших хімічних речовин із надр молодої планети. Але атмосфера може містити в собі обмежену кількість вологи, тому її надлишок в результаті конденсації дав початок океанам. Але тоді атмосфера була позбавлена ​​кисню. Перші живі організми, що зародилися і розвинулися в океані, в результаті реакції фотосинтезу (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2) стали виділяти невеликі порції кисню, який потрапив у атмосферу.

Формування кисню у атмосфері Землі призвело до утворення озонового шару висотах приблизно 8 – 30 км. І, тим самим, наша планета набула захисту від згубної дії ультрафіолетового вивчення. Ця обставина послужила поштовхом подальшої еволюції життєвих форм Землі, т.к. в результаті посилення фотосинтезу кількість кисню в атмосфері почала стрімко зростати, що сприяло формуванню та підтримці життєвих форм у тому числі і на суші.

Сьогодні наша атмосфера на 78,1% складається з азоту, на 21% із кисню, на 0,9% з аргону, на 0,04% із діоксиду вуглецю. Дуже малі частки проти основними газами становлять неон, гелій, метан, криптон.

На частки газу, які у атмосфері, діє сила тяжіння Землі. А, враховуючи те, що повітря стискаємо, його щільність з висотою поступово зменшується, переходячи в космічний простір без чіткої межі. Половина всієї маси земної атмосфери зосереджена у нижніх 5 км, три чверті – у нижніх 10 км, дев'ять десятих – у нижніх 20 км. 99% маси атмосфери Землі зосереджено нижче висоти 30 км, а це лише 0,5% екваторіального радіусу нашої планети.

На рівні моря число атомів і молекул на кубічний сантиметр повітря становить близько 2*1019, на висоті 600 км всього 2*107. На рівні моря атом або молекула пролітає приблизно 7*10 -6 см, перш ніж зіткнутися з іншою часткою. На висоті 600 км. ця відстань становить близько 10 км. І на рівні моря щосекунди відбувається близько 7 * 10 9 таких зіткнень, на висоті 600 км - всього близько одного за хвилину!

Але не тільки тиск змінюється з висотою. Змінюється і температура. Так, наприклад, біля підніжжя високої гори може бути досить жарко, тоді як вершина гори вкрита снігом і температура там водночас нижча за нуль. А варто піднятися літаком на висоту приблизно 10–11 км, як можна почути повідомлення про те, що за бортом –50 градусів, тоді як біля поверхні землі градусів на 60–70 тепліше.

Спочатку вчені припускали, що температура з висотою зменшується до тих пір, поки не досягає абсолютного нуля (-273,16 ° C). Але це не так.

Атмосфера Землі складається із чотирьох шарів: тропосфера, стратосфера, мезосфера, іоносфера (термосфера). Такий поділ на шари прийнято виходячи з даних про зміну температури з висотою. Найнижчий шар, де температура повітря падає із висотою, назвали тропосферою. Шар над тропосферою, де зниження температури припиняється, змінюється ізотермією і, нарешті, температура починає підвищуватися, назвали стратосферою. Шар над стратосферою, де температура знову стрімко падає – це мезосфера. І нарешті той шар, де знову починається зростання температури, назвали іоносферою або термосферою.

Тропосфера простягається загалом у нижніх 12 км. Саме у ній відбувається формування нашої погоди. Найвищі хмари (перисті) утворюються у верхніх шарах тропосфери. Температура тропосфері з висотою знижується адіабатично, тобто. зміна температури відбувається внаслідок зменшення тиску з висотою. Температурний профіль тропосфери багато в чому обумовлений сонячною радіацією, що надходить до поверхні Землі. В результаті нагрівання поверхні Землі Сонцем формуються конвективні та турбулентні потоки, спрямовані на верх, які формують погоду. Варто зауважити, що вплив поверхні, що підстилає, на нижні шари тропосфери поширюється до висоти приблизно 1,5 км. Звісно, ​​крім гірських районів.

Верхньою межею тропосфери є тропопауза – ізотермічний шар. Згадайте характерний вид грозових хмар, вершина яких є «викидом» перистих хмар, званих «ковадлом». Ця «ковадла» таки «розтікається» під тропопаузою, т.к. через ізотермію висхідні потоки повітря значно слабшають, і хмара перестає розвиватися по вертикалі. Але в особливих, поодиноких випадках, вершини купово-дощових хмар можуть вторгатися в нижні шари стратосфери, долаючи тропопаузу.

Висота тропопаузи залежить від географічної широти. Так, на екваторі вона знаходиться на висоті приблизно 16 км і її температура становить близько -80°C. На полюсах тропопауза розташована нижче приблизно на висоті 8 км. Влітку її температура тут становить -40 ° C, і -60 ° C взимку. Т.ч., незважаючи на більш високі температури біля поверхні Землі, тропічна тропопауза набагато холодніша, ніж у полюсів.

Атмосфера є сумішшю різних газів. Вона простягається від Землі на висоту до 900 км, захищаючи планету від шкідливого спектра сонячного випромінювання, і містить гази, необхідних всього живого планети. Атмосфера затримує сонячне тепло, нагріваючи біля земної поверхні та створюючи сприятливий клімат.

Склад атмосфери

Атмосфера Землі складається з двох газів - азоту (78%) і кисню (21%). Крім того, вона містить домішки вуглекислого та інших газів. в атмосфері існує у вигляді пари, крапель вологи у хмарах та кристаликів льоду.

Шари атмосфери

Атмосфера складається з багатьох верств, між якими немає чітких меж. Температури різних верств помітно відрізняються одна від одної.

Безповітряна магнітосфера. Тут літає більшість супутників Землі поза земної атмосфери. Екзосфера (450-500 км. від поверхні). Майже не містить газів. Деякі супутники погоди здійснюють польоти в екзосфері. Термосфера (80-450 км) характеризується високими температурами, що досягають верхньому шарі 1700°С. Мезосфера (50-80 км.). У цій сфері температура падає зі збільшенням висоти. Саме тут згоряють більшість метеоритів (уламків космічних порід), що потрапляють в атмосферу. Стратосфера (15-50 км). Містить озоновий спой, тобто шар озону, що поглинає ультрафіолетове випромінювання Сонця. Це призводить до підвищення температури біля Землі. Тут зазвичай літають реактивні літаки, оскільки видимість у цьому шарі дуже хороша і майже немає перешкод, спричинених погодними умовами. Тропосфера. Висота варіюється від 8 до 15 км. від земної поверхні. Саме тут формується погода планети, оскільки цьому шарі міститься найбільше водяної пари, пилу і виникають вітри. Температура знижується при віддаленні від земної поверхні.

Атмосферний тиск

Хоча ми й не відчуваємо цього, шари атмосфери чинять тиск на поверхню Землі. Найбільш високе біля поверхні, а при віддаленні від неї воно поступово знижується. Воно залежить від перепаду температур суші та океану, і тому в районах, що знаходяться на однаковій висоті над рівнем моря, нерідко буває різний тиск. Низький тиск приносить сиру погоду, а за високого зазвичай встановлюєте ясна погода.

Рух повітряних мас у атмосфері

І тиску змушують у нижніх шарах атмосфери перемішатися. Так виникають вітри, що дмуть із областей високого тиску в області низького. У багатьох регіонах виникають і місцеві вітри, спричинені перепадами температур суші та моря. Гори також істотно впливають на напрям вітрів.

Парниковий ефект

Вуглекислий газ та інші гази, що входять до складу земної атмосфери, затримують сонячне тепло. Цей процес прийнято називати парниковим ефектом, оскільки багато в чому нагадує циркуляцію тепла в парниках. Парниковий ефект спричиняє глобальне потепління на планеті. В областях високого тиску – антициклонах – встановлюється ясна сонячна. В областях низького тиску – циклонах – зазвичай стоїть нестійка погода. Тепло та світлова, що надходять в атмосферу. Гази затримують тепло, що відбивається від земної поверхні, викликаючи цим підвищення температури Землі.

У стратосфері є особливий озоновий шар. Озон затримує більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, захищаючи від нього Землю та все живе на ній. Вчені встановили, що причиною руйнування озонового шару є особливі хлорофторвуглекислі гази, що містяться в деяких аерозолях та холодильному устаткуванні. Над Арктикою та Антарктидою в озоновому шарі було виявлено величезні дірки, що сприяють збільшенню кількості ультрафіолетового випромінювання, що впливає на поверхню Землі.

Озон утворюється в нижніх шарах атмосфери в результаті між сонячним випромінюванням та різними вихлопними димами та газами. Зазвичай він розсіюється по атмосфері, але якщо під шаром теплого повітря утворюється замкнутий шар холодного, озон концентрується і виникає зміг. На жаль, це не може компенсувати втрати озону в озонових дірах.

На фото з супутника добре видно дірку в озоновому шарі над Антарктикою. Розміри дірки змінюються, але вчені вважають, що вона постійно зростає. Робляться спроби зменшити рівень вихлопних газів в атмосфері. Слід зменшувати забруднення повітря та застосовувати у містах бездимні види палива. Зміг викликає роздратування очей та ядуху у багатьох людей.

Виникнення та еволюція атмосфери Землі

Сучасна атмосфера Землі є результатом тривалого еволюційного розвитку. Вона виникла внаслідок спільних дій геологічних чинників та життєдіяльності організмів. Протягом усієї геологічної історії земна атмосфера пережила кілька глибоких перебудов. На основі геологічних даних і теоретичних (передумов первісна атмосфера молодої Землі, що існувала близько 4 млрд. років тому, могла складатися із суміші інертних і шляхетних газів з невеликим додаванням пасивного азоту (Н. А. Ясаманов, 1985; А. С. Монін, 1987; О. Г. Сорохтін, С. А. Ушаков, 1991, 1993. В даний час погляд на склад і будову ранньої атмосфери дещо видозмінився. 4,2 млрд. років, могла складатися з суміші метану, аміаку і вуглекислого газу.В результаті дегазації мантії і активних процесів вивітрювання в атмосферу, що протікають на земній поверхні, стали надходити пари води, сполуки вуглецю у вигляді СO 2 і СО, сірки та її сполук , а також сильних галогенних кислот - НСI, НF, НI і борної кислоти, які доповнювали метаном, аміаком, воднем, аргоном і деякими іншими благородними газами, що знаходилися в атмосфері. надзвичайно тонкою. Тому температура біля земної поверхні була близькою до температури променистої рівноваги (А. С. Монін, 1977).

З часом газовий склад первинної атмосфери під впливом процесів вивітрювання гірських порід, що виступали на земній поверхні, життєдіяльності ціанобактерій та синьо-зелених водоростей, вулканічних процесів та дії сонячних променів став трансформуватися. Привело це до розкладання метану на вуглекислоту, аміаку - на азот і водень; у вторинній атмосфері стали накопичуватися вуглекислий газ, який повільно опускався до земної поверхні та азот. Завдяки життєдіяльності синьо-зелених водоростей у процесі фотосинтезу став вироблятися кисень, який, проте, спочатку переважно витрачався на «окислення атмосферних газів, та був і гірських порід. При цьому аміак, що окислився до молекулярного азоту, почав інтенсивно накопичуватися в атмосфері. Як передбачається, значна чай азоту сучасної атмосфери є реліктовою. Метан та оксид вуглецю окислялися до вуглекислоти. Сірка та сірководень окислювалися до SO 2 і SO 3 , які внаслідок своєї високої рухливості та легкості швидко пішли з атмосфери. Таким чином, атмосфера з відновної, якою вона була в археї та ранньому протерозої, поступово перетворювалася на окислювальну.

Вуглекислий газ надходив в атмосферу як внаслідок окислення метану, так і внаслідок дегазації мантії та вивітрювання гірських порід. У тому випадку, якби весь вуглекислий газ, що виділився за всю історію Землі, зберігся в атмосфері, його парціальний тиск в даний час міг стати таким самим, як на Венері (О. Сорохтін, С. А. Ушаков, 1991). Але Землі діяв зворотний процес. Значна частина вуглекислого газу з атмосфери розчинялася в гідросфері, в якій він використовувався гідробіонтами для побудови своєї раковини та біогенним шляхом перетворювався на карбонати. Надалі з них були сформовані найпотужніші товщі хемогенних та органогенних карбонатів.

Кисень в атмосферу надходив із трьох джерел. Протягом тривалого часу, починаючи з моменту виникнення Землі, він виділявся в процесі дегазації мантії і в основному витрачався на окислювальні процеси. Іншим джерелом кисню була фотодисоціація водяної пари жорстким ультрафіолетовим сонячним випромінюванням. появ; вільного кисню в атмосфері призвело до загибелі більшості прокаріотів, які мешкали у відновлювальних умовах. Прокаріотні організми змінили місця свого проживання. Вони пішли з поверхні Землі в її глибини та області, де ще зберігалися відновлювальні умови. Їм на зміну прийшли еукаріоти, які почали енергійно переробляти вуглекислоту на кисень.

Протягом архею та значної частини протерозою практично весь кисень, що виникає як: абіогенним, так і біогенним шляхом, переважно витрачався на окислення заліза та сірки. Вже до кінця протерозою все металеве двовалентне залізо, що знаходилося на земній поверхні або окислилося, або перемістилося в земне ядро. Це призвело до того, що парціальний тиск кисню у ранньопротерозойській атмосфері змінився.

У середині протерозою концентрація кисню в атмосфері досягала точки Юрі та становила 0,01% сучасного рівня. Починаючи з цього часу, кисень став накопичуватися в атмосфері і, ймовірно, вже наприкінці рифея його зміст досяг точки Пастера (0,1% сучасного рівня). Можливо, у вендському періоді виник озоновий шар і цього часу вже ніколи не зникав.

Поява вільного кисню в земній атмосфері стимулювала еволюцію життя і призвела до нових форм з більш досконалим метаболізмом. Якщо раніше еукаріотні одноклітинні водорості та ціанії, що з'явилися на початку протерозою, вимагали вмісту кисню у воді всього 10 -3 його сучасної концентрації, то з виникненням безскелетних Metazoa в кінці раннього венду, тобто близько 650 млн. років тому, концентрація в атмосфері мала б бути значно вищою. Адже Metazoa використовували кисневе дихання і для цього потрібно, щоб парціальний тиск кисню досяг критичного рівня - точки Пастера. У цьому випадку анаеробний процес бродіння змінився енергетично перспективнішим і прогресивнішим кисневим метаболізмом.

Після цього подальше накопичення кисню у земній атмосфері відбувалося досить швидко. Прогресивне збільшення обсягу синьо-зелених водоростей сприяло досягненню в атмосфері необхідного для життєзабезпечення тваринного світу рівня кисню. Певна стабілізація вмісту кисню в атмосфері відбулася з того моменту, коли рослини вийшли на сушу – приблизно 450 млн. років тому. Вихід рослин на сушу, що стався в силурійському періоді, призвів до остаточної стабілізації кисню в атмосфері. Починаючи з цього часу його концентрація стала коливатися в досить вузьких межах, які ніколи не сходили за межі життя. Цілком концентрація кисню в атмосфері стабілізувалася з часу появи квіткових рослин. Ця подія сталася у середині крейдяного періоду, тобто. близько 100 млн. років тому.

Переважна більшість азоту сформувалася на ранніх стадіях розвитку Землі, головним чином з допомогою розкладання аміаку. З появою організмів почався процес зв'язування атмосферного азоту в органічну речовину та поховання їх у морських опадах. Після виходу організмів на сушу азот став поховався і в континентальних опадів. Особливо посилилися процеси переробки вільного азоту із появою наземних рослин.

На рубежі криптозою та фанерозою, тобто близько 650 млн. років тому, вміст вуглекислого газу в атмосфері знизився до десятих часток відсотків, а змісту, близького до сучасного рівня, він досяг лише зовсім недавно, приблизно 10-20 млн. років тому назад.

Отже, газовий склад атмосфери як надавав організмам життєвий простір, а й визначав особливості їх життєдіяльності, сприяв розселенню та еволюції. Збої, що виникають у розподілі сприятливого для організмів газового складу атмосфери як через космічні, так і планетарні причини призводили до масових вимирань органічного світу, які неодноразово відбувалися протягом криптозою і на певних рубежах фанерозойської історії.

Етносферні функції атмосфери

Атмосфера Землі забезпечує необхідною речовиною, енергією та визначає спрямованість та швидкість метаболічних процесів. Газовий склад сучасної атмосфери є оптимальним для існування та розвитку життя. Будучи областю формування погоди та клімату, атмосфера має створювати комфортні умови для життєдіяльності людей, тварин та рослинності. Відхилення в той чи інший бік як атмосферне повітря та погодні умови створюють екстремальні умови для життєдіяльності тваринного та рослинного світу, в тому числі і для людини.

Атмосфера Землі як забезпечує умови існування людства, будучи основним чинником еволюції етносфери. Вона водночас виявляється енергетичним та сировинним ресурсом виробництва. В цілому атмосфера - це фактор, що зберігає здоров'я людини, а деякі області в силу фізико-географічних умов та якості атмосферного повітря служать рекреаційними територіями та є областями, призначеними для санаторно-курортного лікування та відпочинку людей. Таким чином, атмосфера є фактором естетичного та емоційного впливу.

Етносферні та техносферні функції атмосфери, визначені зовсім недавно (Є. Д. Нікітін, Н. А. Ясаманов, 2001), потребують самостійного та поглибленого дослідження. Так, дуже актуальним є вивчення енергетичних атмосферних функцій як з погляду виникнення та дії процесів, що завдають шкоди навколишньому середовищу, так і з погляду впливу на здоров'я та добробут людей. В даному випадку йдеться про енергію циклонів і антициклонів, атмосферний вихорів, атмосферний тиск та інші екстремальні атмосферні явища, ефективне використання яких сприятиме успішному вирішенню проблеми отримання альтернативних джерел енергії, що не забруднюють довкілля. Адже повітряне середовище, особливо та його частина, яка розташовується над Світовим океаном, є областю виділення колосального обсягу вільної енергії.

Наприклад, встановлено, що тропічні циклони середньої сили лише за добу виділяють енергію, еквівалентну енергії 500 тис. атомних бомб, скинутих на Хіросіму та Нагасакі. За 10 днів існування такого циклону вивільняється енергія, достатня задоволення всіх енергетичних потреб такої країни, як США, протягом 600 років.

В останні роки було опубліковано велику кількість робіт учених природничо-наукового профілю, що тією чи іншою мірою стосуються різних сторін діяльності та впливу атмосфери на земні процеси, що свідчить про активізацію міждисциплінарних взаємодій у сучасному природознавстві. При цьому проявляється інтегруюча роль певних його напрямів, серед яких слід зазначити функціонально-екологічний напрямок у геоекології.

Даний напрямок стимулює аналіз та теоретичне узагальнення щодо екологічних функцій та планетарної ролі різних геосфер, а це, у свою чергу, є важливою передумовою для розробки методології та наукових засад цілісного вивчення нашої планети, раціонального використання та охорони її природних ресурсів.

Атмосфера Землі складається з кількох верств: тропосфери, стратосфери, мезосфери, термосфери, іоносфери та екзосфери. У верхній частині тропосфери і нижній частині стратосфери розташовується шар, збагачений озоном, що називається озоновим екраном. Встановлено певні (добові, сезонні, річні тощо) закономірності у розподілі озону. З часу свого виникнення атмосфера впливає протягом планетарних процесів. Первинний склад атмосфери був зовсім іншим, ніж у час, але з часом неухильно зростали частка і роль молекулярного азоту, близько 650 млн. років тому з'явився вільний кисень, кількість якого безперервно підвищувалося, але відповідно знижувалася концентрація вуглекислого газу. Висока рухливість атмосфери, її газовий склад та наявність аерозолів зумовлюють її визначну роль та активну участь у різноманітних геологічних та біосферних процесах. Велика роль атмосфери у перерозподілі сонячної енергії та розвитку катастрофічних стихійних явищ та лих. Негативний вплив на органічний світ та природні системи надають атмосферні вихори – смерчі (торнадо), урагани, тайфуни, циклони та інші явища. Основними джерелами забруднень поруч із природними чинниками виступають різні форми господарську діяльність людини. Антропогенні на атмосферу виражаються у появі різних аерозолів і парникових газів, а й у збільшенні кількості водяної пари, і виявляються як смогів і кислотних дощів. Парникові гази змінюють температурний режим земної поверхні, викиди деяких газів зменшують об'єм озонового екрану та сприяють виникненню озонових дірок. Велика етносферна роль атмосфери Землі.

Роль атмосфери у природних процесах

Приземна атмосфера свого проміжного стану між літосферою і космічним простором і свого газового складу створює умови для життєдіяльності організмів. Водночас від кількості, характеру та періодичності атмосферних опадів, від частот та сили вітрів і особливо від температури повітря залежать вивітрювання та інтенсивність руйнування гірських порід, перенесення та акумуляція уламкового матеріалу. Атмосфера є центральним компонентом кліматичної системи. Температура і вологість повітря, хмарність і опади, вітер - все це характеризує погоду, тобто стан атмосфери, що безперервно змінюється. Одночасно ці компоненти характеризують і клімат, т. е. усереднений багаторічний режим погоди.

Склад газів, наявність хмарності та різних домішок, які називаються аерозольними частинками (попіл, пил, частинки водяної пари), визначають особливості проходження сонячної радіації крізь атмосферу та перешкоджають відходу теплового випромінювання Землі в космічний простір.

Атмосфера Землі дуже рухлива. Виникають у ній процеси та зміни її газового складу, товщини, хмарності, прозорості та наявність у ній тих чи інших аерозольних частинок впливають як на погоду, так і на клімат.

Дія та спрямованість природних, процесів, а також життя та діяльність на Землі визначаються сонячною радіацією. Вона дає 99,98% теплоти, що надходить на земну поверхню. Щорічно це становить 134*1019 ккал. Таку кількість теплоти можна отримати при спалюванні 200 млрд т кам'яного вугілля. Запасів водню, що створює цей потік термоядерної енергії в масі Сонця, вистачить принаймні ще на 10 млрд. років, тобто на період вдвічі більший, ніж існують сама і наша планета.

Близько 1/3 загальної кількості сонячної енергії, що надходить на верхню межу атмосфери, відбивається назад у світовий простір, 13% поглинається озоновим шаром (у тому числі майже вся ультрафіолетова радіація). 7% - іншою атмосферою і лише 44% досягає земної поверхні. Сумарна сонячна радіація, що досягає Землі за добу, дорівнює енергії, яку людство отримало внаслідок спалювання всіх видів палива за останнє тисячоліття.

Кількість та характер розподілу сонячної радіації на земній поверхні перебувають у тісній залежності від хмарності та прозорості атмосфери. На величину розсіяної радіації впливають висота Сонця над горизонтом, прозорість атмосфери, вміст у ній водяної пари, пилу, загальна кількість вуглекислоти тощо.

Максимальна кількість розсіяної радіації потрапляє до полярних районів. Чим нижче Сонце над горизонтом, тим менше теплоти надходить на цю ділянку місцевості.

Велике значення мають прозорість атмосфери та хмарність. У похмурий літній день зазвичай холодніше, ніж у ясний, оскільки хмарність перешкоджає нагріванню земної поверхні.

Велику роль у розподілі теплоти грає запиленість атмосфери. Перебувають у ній тонкодисперсні тверді частинки пилу і попелу, які впливають її прозорість, негативно позначаються на розподілі сонячної радіації, більшість якої відбивається. Тонкодисперсні частинки потрапляють в атмосферу двома шляхами: це або попіл, що викидається під час вулканічних вивержень, або пил пустель, що переноситься вітрами з тропічних і субтропічних областей. Особливо багато такого пилу утворюється в період посух, коли потоками теплого повітря вона виноситься у верхні шари атмосфери та здатна перебувати там тривалий час. Після виверження вулкана Кракатау в 1883 р. пил, викинутий на десятки кілометрів в атмосферу, був у стратосфері близько 3 років. В результаті виверження в 1985 р. вулкана Ель-Чічон (Мексика) пил досяг Європи, і тому сталося деяке зниження приземних температур.

Атмосфера Землі містить змінну кількість водяної пари. В абсолютному обчисленні за масою чи обсягом його кількість становить від 2 до 5%.

Водяна пара, як і вуглекислота, посилює парниковий ефект. У хмарах і туманах, що виникають в атмосфері, протікають своєрідні фізико-хімічні процеси.

Першоджерелом водяної пари в атмосферу є поверхня Світового океану. З нього щорічно випаровується шар води завтовшки від 95 до 110 см. Частина вологи повертається в океан після конденсації, а інша повітряними потоками прямує у бік материків. В областях змінно-вологого клімату опади зволожують ґрунт, а у вологих створюють запаси ґрунтових вод. Таким чином, атмосфера є акумулятором вологості та резервуаром опадів. і тумани, що формуються в атмосфері, забезпечують вологою ґрунтовий покрив і тим самим відіграють визначальну роль у розвитку тваринного та рослинного світу.

Атмосферна волога розподіляється по земній поверхні завдяки рухливості атмосфери. Їй властива дуже складна система вітрів та розподілу тиску. У зв'язку з тим, що атмосфера знаходиться в безперервному русі, характер і масштаби розподілу вітрових потоків і тиску постійно змінюються. Масштаби циркуляції змінюються від мікрометеорологічних, розміром всього кілька сотень метрів, до глобального - кілька десятків тисяч кілометрів. Величезні атмосферні вихори беруть участь у створенні систем великомасштабних повітряних течій та визначають загальну циркуляцію атмосфери. З іншого боку, є джерелами катастрофічних атмосферних явищ.

Від атмосферного тиску залежить розподіл погодних та кліматичних умов та функціонування живої речовини. У тому випадку, якщо атмосферний тиск коливається в невеликих межах, він не відіграє вирішальної ролі у самопочутті людей та поведінці тварин і не відбивається на фізіологічних функціях рослин. Зі зміною тиску, як правило, пов'язані фронтальні явища та зміни погоди.

Фундаментальне значення має атмосферний тиск для формування вітру, який, будучи рельєфоутворюючим фактором, дуже впливає на тваринний і рослинний світ.

Вітер здатний придушити зростання рослин і водночас сприяє перенесенню насіння. Велика роль вітру у формуванні погодних та кліматичних умов. Виступає він і як регулятор морських течій. Вітер як один із екзогенних факторів сприяє ерозії та дефляції вивітрілого матеріалу на великі відстані.

Еколого-геологічна роль атмосферних процесів

Зменшення прозорості атмосфери за рахунок появи в ній аерозольних частинок та твердого пилу впливає на розподіл сонячної радіації, збільшуючи альбедо або відбивну здатність. До такого ж результату призводять і різноманітні хімічні реакції, що викликають розкладання озону та генерацію «перламутрових» хмар, що складаються з водяної пари. Глобальна зміна відбивної здатності, як і зміни газового складу атмосфери, головним чином парникових газів, є причиною кліматичних змін.

Нерівномірне нагрівання, що викликає відмінності в атмосферному тиску над різними ділянками земної поверхні, призводить до атмосферної циркуляції, яка є характерною рисою тропосфери. При виникненні різниці тиску повітря спрямовується з областей підвищеного тиску область знижених тисків. Ці переміщення повітряних мас разом із вологістю та температурою визначають основні еколого-геологічні особливості атмосферних процесів.

Залежно від швидкості вітер виготовляє на земній поверхні різну геологічну роботу. При швидкості 10 м/с він хитає товсті гілки дерев, піднімає та переносить пил та дрібний пісок; зі швидкістю 20 м/с ламає гілки дерев, переносить пісок та гравій; зі швидкістю 30 м/с (буря) зриває дахи будинків, вириває з коренем дерева, ламає стовпи, пересуває гальку та переносить дрібний щебінь, а ураганний вітер зі швидкістю 40 м/с руйнує будинки, ламає та зносить стовпи ліній електропередач, вириває з коренем великі дерева.

Великий негативний екологічний вплив з катастрофічними наслідками надають шквальні бурі та смерчі (торнадо) - атмосферні вихори, що виникають у теплу пору року на потужних атмосферних фронтах, що мають швидкість до 100 м/с. Шквали - це горизонтальні вихори з ураганною швидкістю вітру (до 60-80 м/с). Вони часто супроводжуються потужними зливами та грозами тривалістю від кількох хвилин до півгодини. Шквали охоплюють території завширшки до 50 км і проходять відстань 200-250 км. Шквальна буря в Москві та Підмосков'ї у 1998 р. пошкодила дахи багатьох будинків та повалила дерева.

Смерчі, звані в Північній Америці торнадо, є потужними воронкоподібними атмосферними вихорами, часто пов'язані з хмарами. Це стовпи повітря, що звужуються в середині, діаметром від декількох десятків до сотень метрів. Смерч має вигляд лійки, дуже схожої на хобот слона, що спускається з хмар або піднімається з поверхні землі. Маючи сильну розрідженість і високу швидкість обертання, смерч проходить шлях до декількох сотень кілометрів, втягуючи в себе пил, воду з водойм і різні предмети. Потужні смерчі супроводжуються грозою, дощем і мають велику руйнівну силу.

Смерчі рідко виникають у приполярних чи екваторіальних областях, де постійно холодно чи спекотно. Мало смерчі у відкритому океані. Смерчі відбуваються в Європі, Японії, Австралії, США, а в Росії особливо часті в Центрально-Чорноземному районі, Московській, Ярославській, Нижегородській та Іванівській областях.

Смерчі піднімають та переміщають автомобілі, будинки, вагони, мости. Особливо руйнівні смерчі (торнадо) спостерігаються у США. Щорічно відзначається від 450 до 1500 торнадо із кількістю жертв у середньому близько 100 осіб. Смерчі відносяться до швидкодіючих катастрофічних атмосферних процесів. Вони формуються лише за 20-30 хв, а час існування 30 хв. Тому передбачити час та місце виникнення смерчів практично неможливо.

Іншими руйнівними, але діючими тривалий час атмосферними вихорами є циклони. Вони утворюються через перепад тиску, який у певних умовах сприяє виникненню кругового руху повітряних потоків. Атмосферні вихори зароджуються навколо потужних висхідних потоків вологого теплого повітря і з великою швидкістю обертаються за годинниковою стрілкою у південній півкулі та проти годинникової – у північній. Циклони на відміну смерчів зароджуються над океанами і справляють свої руйнівні дії над материками. Основними руйнівними факторами є сильні вітри, інтенсивні опади у вигляді снігопаду, злив, граду та нагінні повені. Вітри зі швидкостями 19 – 30 м/с утворюють бурю, 30 – 35 м/с – шторм, а понад 35 м/с – ураган.

Тропічні циклони - урагани і тайфуни - мають середню ширину кілька сотень кілометрів. Швидкість вітру всередині циклону досягає ураганної сили. Тривають тропічні циклони від кількох днів за кілька тижнів, переміщаючись зі швидкістю від 50 до 200 км/год. Циклони середніх широт мають більший діаметр. Поперечні розміри становлять від тисячі до кількох тисяч кілометрів, швидкість вітру штормова. Рухають у північній півкулі із заходу та супроводжуються градом та снігопадом, що мають катастрофічний характер. За кількістю жертв і шкоди циклони і пов'язані з ними урагани і тайфуни є найбільшими після повеней атмосферними стихійними явищами. У густонаселених районах Азії кількість жертв під час ураганів вимірюється тисячами. У 1991 р. у Бангладеш під час урагану, що викликав утворення морських хвиль заввишки 6 м, загинуло 125 тис. осіб. Великих збитків завдають тайфуни території США. При цьому гинуть десятки та сотні людей. У Західній Європі урагани завдають меншої шкоди.

Катастрофічним атмосферним явищем вважаються грози. Вони виникають при дуже швидкому піднятті вологого теплого повітря. На межі тропічного та субтропічного поясів грози відбуваються по 90-100 днів на рік, у помірному поясі по 10-30 днів. У нашій країні найбільше гроз трапляється на Північному Кавказі.

Грози зазвичай продовжуються менше години. Особливу небезпеку становлять інтенсивні зливи, градобиття, удари блискавки, пориви вітру, вертикальні потоки повітря. Небезпека градобиття визначається розмірами градин. На Північному Кавказі маса градин одного разу досягала 0,5 кг, а Індії відзначені градини масою 7 кг. Найбільш містобезпечні райони в нашій країні знаходяться на Північному Кавказі. У липні 1992 р. місто пошкодило в аеропорту «Мінеральні Води» 18 літаків.

До небезпечних атмосферних явищ належать блискавки. Вони вбивають людей, худобу, викликають пожежі, ушкоджують електромережу. Від гроз та їх наслідків щорічно у світі гине близько 10 000 людей. Причому в деяких районах Африки, у Франції та США кількість жертв від блискавок більша, ніж від інших стихійних явищ. Щорічні економічні збитки від гроз у США становлять не менше 700 млн. доларів.

Посухи характерні для пустельних, степових та лісостепових регіонів. Нестача атмосферних опадів спричиняє сушіння ґрунту, зниження рівня підземних вод та у водоймах до повного їх висихання. Дефіцит вологи призводить до загибелі рослинності та посівів. Особливо сильними бувають посухи в Африці, на Близькому та Середньому Сході, у Центральній Азії та на півдні Північної Америки.

Посухи змінюють умови життєдіяльності людини, надають несприятливий вплив на природне середовище через такі процеси, як осолонення ґрунту, суховії, курні бурі, ерозія ґрунту та лісові пожежі. Особливо сильними пожежі бувають під час посухи у тайгових районах, тропічних та субтропічних лісах та саванах.

Посухи відносяться до короткочасних процесів, які продовжуються протягом одного сезону. У тому випадку, коли посухи тривають понад два сезони, виникає загроза голоду та масової смертності. Зазвичай дія посухи поширюється на територію однієї чи кількох країн. Особливо часто тривалі посухи із трагічними наслідками виникають у Сахельській області Африки.

Великих збитків завдають такі атмосферні явища, як снігопади, короткочасні зливи та тривалі затяжні дощі. Снігопади викликають масові сходи лавин у горах, а швидке танення снігу, що випав, і зливи тривалі дощі призводять до повеней. Величезна маса води, що падає на земну поверхню, особливо в безлісих районах, викликає сильну ерозію ґрунтового покриву. Відбувається інтенсивне зростання яружно-балкових систем. Повені виникають у результаті великих паводків у період рясного випадання атмосферних опадів або повені після раптово потепління або весняного танення снігу і, отже, за походженням відносяться до атмосферних явищ (вони розглядаються в розділі, присвяченій екологічній ролі гідросфери).

Антропогенні зміни атмосфери

В даний час є безліч різних джерел антропогенного характеру, що викликають забруднення атмосфери і призводять до серйозних порушень екологічної рівноваги. За своїми масштабами найбільший вплив на атмосферу мають два джерела: транспорт і промисловість. У середньому частку транспорту припадає близько 60% загальної кількості атмосферних забруднень, промисловості - 15, теплової енергетики - 15, технологій знищення побутових і промислових відходів - 10%.

Транспорт залежно від використовуваного палива та типів окислювачів викидає в атмосферу оксиди азоту, сірки, оксиди та діоксиди вуглецю, свинцю та його сполук, сажу, бензопірен (речовина з групи поліциклічних ароматичних вуглеводнів, яка є сильним канцерогеном, що викликає рак шкіри).

Промисловість викидає в атмосферу сірчистий газ, оксиди та діоксиди вуглецю, вуглеводні, аміак, сірководень, сірчану кислоту, фенол, хлор, фтор та інші сполуки та хімічні речовини. Але чільне становище серед викидів (до 85%) займає пил.

Внаслідок забруднення змінюється прозорість атмосфери, у ній виникають аерозолі, смог та кислотні дощі.

Аерозолі являють собою дисперсні системи, що складаються з частинок твердого тіла або крапель рідини, що знаходяться у зваженому стані в газовому середовищі. Розмір частинок дисперсної фази зазвичай становить 10 -3 -10 -7 см. Залежно від складу дисперсної фази аерозолі поділяють на дві групи. До однієї відносять аерозолі, що складаються з твердих частинок, диспергованих в газоподібному середовищі, до другої - аерозолі, що є сумішшю газоподібних та рідких фаз. Перші називають димами, а другі – туманами. У процесі їхнього утворення велику роль грають центри конденсації. Як ядер конденсації виступають вулканічний попіл, космічний пил, продукти промислових викидів, різні бактерії та ін. Число можливих джерел ядер концентрації безперервно зростає. Так, наприклад, при знищенні вогнем сухої трави на площі 4000 м2 утворюється в середньому 11*1022 ядер аерозолів.

Аерозолі почали утворюватися з моменту виникнення нашої планети та впливали на природні умови. Однак їх кількість і дії, врівноважуючись із загальним кругообігом речовин у природі, не викликали глибоких екологічних змін. Антропогенні фактори їх утворення зрушили цю рівновагу у бік значних біосферних навантажень. Особливо сильно ця особливість проявляється з тих пір, як людство стало використовувати аерозолі, що спеціально створюються, як у вигляді отруйних речовин, так і для захисту рослин.

Найбільш небезпечними для рослинного покриву є аерозолі сірчистого газу, фтористого водню та азоту. При зіткненні з вологою поверхнею листа вони утворюють кислоти, що згубно впливають на живі. Кислотні тумани потрапляють разом із повітрям, що вдихається, в дихальні органи тварин і людини, агресивно впливають на слизові оболонки. Одні їх розкладають живу тканину, а радіоактивні аерозолі викликають онкологічні захворювання. Серед радіоактивних ізотопів особливу небезпеку становить Sг 90 як своєї канцерогенностью, а й аналог кальцію, замещающий їх у кістках організмів, викликаючи їх розкладання.

Під час ядерних вибухів у атмосфері утворюються радіоактивні аерозольні хмари. Дрібні частинки радіусом 1 - 10 мкм потрапляють у верхні шари тропосфери, а й у стратосферу, де вони здатні перебувати тривалий час. Аерозольні хмари утворюються також під час роботи реакторів промислових установок, що виробляють ядерне паливо, а також внаслідок аварій на АЕС.

Смог являє собою суміш аерозолів з рідкою та твердою дисперсними фазами, які утворюють туманну завісу над промисловими районами та великими містами.

Розрізняють три види смогу: крижаний, вологий та сухий. Крижаний зміг названий аляскінським. Це поєднання газоподібних забруднювачів з додаванням пилуватих частинок та кристаликів льоду, які виникають при замерзанні крапель туману та пари опалювальних систем.

Вологий зміг, чи зміг лондонського типу, іноді називається зимовим. Він є сумішшю газоподібних забруднювачів (в основному сірчистого ангідриту), пилуватих частинок і крапель туману. Метеорологічною передумовою для появи зимового смогу є безвітряна погода, коли шар теплого повітря розташовується над приземним шаром холодного повітря (нижче 700 м). У цьому відсутня як горизонтальний, а й вертикальний обмін. Забруднюючі речовини, які зазвичай розсіюються у високих шарах, в даному випадку накопичуються в приземному шарі.

Сухий зміг виникає влітку, і його нерідко називають смогом лос-анджелеського типу. Він є сумішшю озону, чадного газу, оксидів азоту і пар кислот. Утворюється такий зміг в результаті розкладання забруднюючих речовин сонячною радіацією, особливо її ультрафіолетовою частиною. Метеорологічною передумовою є атмосферна інверсія, що виражається у появі шару холодного повітря над теплим. Зазвичай гази, що піднімаються теплими потоками повітря, і тверді частинки потім розсіюються у верхніх холодних шарах, але в даному випадку накопичуються в інверсійному шарі. У процесі фотолізу діоксиди азоту, утворені при згорянні палива в двигунах автомобілів, розпадаються:

NO 2 → NO + О

Потім відбувається синтез озону:

O + O 2 + M → O 3 + M

NO + О → NO 2

Процеси фотодисоціації супроводжуються жовто-зеленим свіченням.

Крім того, відбуваються реакції за типом: SO 3 + Н 2 0 -> Н 2 SO 4 т. Е. Утворюється сильна сірчана кислота.

Зі зміною метеорологічних умов (поява вітру або зміна вологості) холодне повітря розсіюється та змогло зникати.

Наявність канцерогенних речовин у смозі призводить до порушення дихання, подразнення слизових оболонок, розладу кровообігу, виникнення астматичних задух та нерідко до смерті. Особливо небезпечний зміг малолітніх дітей.

Кислотні дощі являють собою атмосферні опади, підкислені розчиненими в них промисловими викидами оксидів сірки, азоту та пари хлорної кислоти та хлору. У процесі спалювання вугілля, і газу більша частина сірки, що знаходиться в ній, як у вигляді оксиду, так у сполуках із залізом, зокрема в піриті, пірротині, халькопіриті і т. д., перетворюється на оксид сірки, який разом з діоксидом вуглецю викидається в атмосферу. При з'єднанні атмосферного азоту і технічних викидів з киснем утворюються різні оксиди азоту, причому обсяг оксидів азоту, що утворилися, залежить від температури горіння. Основна маса оксидів азоту виникає під час експлуатації автотранспорту та тепловозів, а менша частина припадає на енергетику та промислові підприємства. Оксиди сірки та азоту – головні кислотоутворювачі. При реакції з атмосферним киснем і парами води, що знаходяться в ньому, утворюються сірчана і азотна кислоти.

Відомо, що лужнокислотний баланс середовища визначається величиною рН. Нейтральне середовище має величину рН, що дорівнює 7, кисла - 0, а лужна - 14. У сучасну епоху величина рН дощової води становить 5,6, хоча в недавньому минулому вона була нейтральною. Зменшення значення рН на одиницю відповідає десятикратному підвищенню кислотності і, отже, нині практично випадають дощі з підвищеною кислотністю. Максимальна кислотність дощів, зареєстрована у Європі, становила 4-3,5 рН. При цьому треба врахувати, що величина рН, що дорівнює 4-4,5, є смертельною для більшості риб.

Кислотні дощі надають агресивний вплив на рослинний покрив Землі, на промислові та житлові будівлі та сприяють суттєвому прискоренню вивітрювання оголених гірських порід. Підвищення кислотності перешкоджає саморегуляції нейтралізації ґрунтів, у яких розчиняються поживні речовини. У свою чергу, це призводить до різкого зниження врожайності та викликає деградацію рослинного покриву. Кислотність грунтів сприяє звільненню перебувають у зв'язаному стані важких рослин, які поступово засвоюються рослинами, викликаючи у них серйозні пошкодження тканин і проникаючи в харчові ланцюжки людини.

Зміна лужно-кислотного потенціалу морських вод, особливо в мілководдях, веде до припинення розмноження багатьох безхребетних, викликає загибель риб і порушує екологічну рівновагу в океанах.

Внаслідок кислотних дощів під загрозою загибелі знаходяться лісові масиви Західної Європи, Прибалтики, Карелії, Уралу, Сибіру та Канади.

Атмосфера Землі неоднорідна: на різних висотах спостерігаються різна щільність повітря та тиск, змінюється температура та газовий склад. З поведінки температури навколишнього повітря (тобто. зростає температура з висотою чи знижується) у ній виділяються такі верстви: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера і екзосфера. Межі між шарами називаються паузами: їх налічується 4 т.к. верхня межа екзосфери дуже розмита і найчастіше належить до ближнього космосу. Із загальною будовою атмосфери можна ознайомитися на схемі, що додається.

Рис.1 Будова атмосфери Землі. Credit: сайт

Найнижчий атмосферний шар - тропосфера, верхня межа якої, звана тропопаузою, залежно від географічної широти відрізняється і становить від 8 км. у полярних до 20 км. у тропічних широтах. У середніх або помірних широтах її верхня межа лежить на висотах 10-12 км. Протягом року верхня межа тропосфери зазнає коливань, що залежать від надходження сонячної радіації. Так, в результаті зондування біля Південного полюса Землі метеорологічною службою США було виявлено, що з березня до серпня або вересня відбувається неухильне охолодження тропосфери, внаслідок якого на короткий період у серпні чи вересні її кордон піднімається до 11,5 км. Потім, у період з вересня по грудень вона швидко знижується і досягає свого найнижчого становища - 7,5 км, після якого її висота практично не змінюється до березня. Тобто. Найбільшої товщини тропосфера досягає влітку, а найменшою взимку.

Крім сезонних існують і добові коливання висоти тропопаузи. Також її становище впливають циклони і антициклони: у перших вона опускається, т.к. тиск у них нижчий ніж у навколишньому повітрі, по-друге відповідно піднімається.

Тропосфера містить до 90% всієї маси земного повітря та 9/10 усієї водяної пари. Тут сильно розвинена турбулентність, особливо в приповерхневих та найвищих шарах, розвиваються хмари всіх ярусів, формуються циклони та антициклони. А завдяки нагромадженню парниковими газами (вуглекислий газ, метан, водяна пара) відбитих від поверхні Землі сонячних променів розвивається парниковий ефект.

З парниковим ефектом пов'язане зниження температури повітря в тропосфері з висотою (бо нагріта Земля більше тепла дає приземним шарам). Середній вертикальний градієнт становить 0,65 ° / 100 м (тобто температура повітря знижується на 0,65 ° C при підйомі на кожні 100 метрів). Так, якщо у поверхні Землі в районі екватора середньорічна температура повітря становить +26° то на верхньому кордоні -70°. Температура в районі тропопаузи над північним полюсом протягом року змінюється від -45 ° влітку до -65 ° взимку.

Зі зростанням висоти падає і тиск повітря, становлячи біля верхньої межі тропосфери лише 12-20% від приповерхневого.

На межі тропосфери та вищележачого шару стратосфери лежить шар тропопаузи, завтовшки 1-2 км. Як нижні межі тропопаузи зазвичай приймається шар повітря в якому вертикальний градієнт знижується до 0,2 ° / 100 м проти 0,65 ° / 100 м в районах нижче тропосфери.

У межах тропопаузи спостерігаються повітряні потоки строго певного напрями, звані висотні струменеві течії чи " реактивні потоки " (jet streams), які утворюються під впливом обертання Землі навколо своєї осі та нагрівання атмосфери з участю сонячної радіації. Спостерігаються течії на межах зон із значними перепадами температур. Виділяють кілька вогнищ локалізації цих течій, наприклад, арктичний, субтропічний, субполярний та інші. Знання локалізації jet streams дуже важливе для метеорології та авіації: перша використовує потоки для точного прогнозування погоди, друга для побудови маршрутів польотів літаків, т.к. на межах потоків існують сильні турбулентні вихори, подібні до невеликих вир, звані через відсутність на цих висотах хмарності "турбулентністю ясного неба".

Під впливом висотних струменевих течій у тропопаузі часто утворюються розриви, а часом вона взагалі зникає, щоправда, потім утворюється заново. Особливо часто це спостерігається в субтропічних широтах, над якими панує потужна субтропічна висотна течія. Крім того, до формування розривів призводить різниця шарів тропопаузи за температурою навколишнього повітря. Наприклад, великий розрив існує між теплою та низькою полярною тропопаузою та високою та холодною тропопаузою тропічних широт. Останнім часом виділяється і шар тропопаузи помірних широт, що має розриви з попередніми двома шарами: полярним та тропічним.

Другим прошарком земної атмосфери є стратосфера. Стратосферу умовно можна поділити на 2 області. Перша з них, що лежить до висот 25 км, характеризується майже постійними температурами, які дорівнюють температурам верхніх шарів тропосфери над конкретною місцевістю. Друга область або область інверсії характеризується підвищенням температури повітря до висот приблизно 40 км. Це відбувається за рахунок поглинання киснем та озоном сонячного ультрафіолетового випромінювання. У верхній частині стратосфери завдяки цьому прогріву температура часто є позитивною або навіть порівнянною з температурою приземного повітря.

Вище області інверсії знаходиться шар постійних температур, який зветься стратопаузи і є межею між стратосферою та мезосферою. Її товщина сягає 15 км.

На відміну від тропосфери в стратосфері рідкісні турбулентні обурення, проте відзначені сильні горизонтальні вітри або струменеві течії, що дмуть у вузьких зонах вздовж меж помірних широт, звернених до полюсів. Становище цих зон непостійне: вони можуть зміщуватися, розширюватися і навіть зовсім зникати. Часто струменеві течії проникають у верхні шари тропосфери, або навпаки маси повітря з тропосфери проникають у нижні шари стратосфери. Особливо характерним є подібне перемішування мас повітря в районах атмосферних фронтів.

Мало в стратосфері та водяної пари. Повітря тут дуже сухе, а тому і хмар утворюється мало. Лише на висотах 20-25 км, перебуваючи у високих широтах, можна помітити дуже тонкі перламутрові хмари, що складаються з переохолоджених водяних крапельок. Вдень ці хмари не видно, зате з настанням темряви вони здаються сонцем, що світилося через освітлення їх уже сівши за горизонт.

На цих же висотах (20-25 км.) в нижній стратосфері існує так званий озоновий шар - область з найбільшим вмістом озону, який утворюється під впливом ультрафіолетового сонячного випромінювання (докладніше про цей процес ви можете дізнатися на сторінці). Озоновий шар або озоносфера має надзвичайну важливість для підтримки життя всіх організмів, що живуть на суші, поглинаючи смертельно небезпечні ультрафіолетові промені з довжиною хвилі до 290 нм. Саме з цієї причини вище за озоновий шар живі організми не живуть, він є верхньою межею поширення життя на Землі.

Під впливом озону змінюються магнітні поля, атоми розпадаються молекули, відбувається іонізація, новоутворення газів та інших хімічних сполук.

Шар атмосфери, що лежить вище стратосфери, називається мезосферою. Для нього характерне зниження температури повітря з висотою із середнім вертикальним градієнтом 0,25-0,3°/100 м, що призводить до сильної турбулентності. У верхніх кордонів мезосфери в області званої мезопаузою були відзначені температури до -138 ° С, що є абсолютним мінімумом для всієї атмосфери Землі в цілому.

Тут же в межах мезопаузи проходить нижня межа області активного поглинання рентгенівського та короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця. Подібний енергетичний процес отримав назву променистий теплообмін. В результаті відбувається нагрівання та іонізація газу, що зумовлює свічення атмосфери.

На висотах 75-90 км біля верхніх кордонів мезосфери були відзначені особливі хмари, що у полярних регіонах планети великі площі. Називають ці хмари сріблястими через їхнє свічення в сутінках, яке обумовлено відображенням сонячних променів від крижаних кристалів, з яких ці хмари складаються.

Тиск повітря в межах мезопаузи в 200 разів менший, ніж у земної поверхні. Це говорить про те, що майже все повітря атмосфери зосереджений у її трьох нижніх шарах: тропосфері, стратосфері та мезосфері. На вищі шари термосферу і екзосферу припадає лише 0,05% маси всієї атмосфери.

Термосфера лежить на висотах від 90 до 800 км. над поверхнею Землі.

Для термосфери характерне безперервне зростання температури повітря до висот 200-300 км, де може досягати 2500°C. Зростання температури відбувається рахунок поглинання молекулами газу рентгенівського і короткохвильової частини ультрафіолетового випромінювання Сонця. Понад 300 км над рівнем моря зростання температури припиняється.

Одночасно зі зростанням температури знижується тиск, і, отже, щільність навколишнього повітря. Так якщо у нижніх меж термосфери щільність становить 1,8×10 -8 г/см 3 , то у верхніх вже 1,8×10 -15 г/см 3 , що відповідає приблизно 10 млн. - 1 млрд. частинок в 1 см 3 .

Всі характеристики термосфери, такі як склад повітря, його температура, щільність, схильні до сильних коливань: залежно від географічного положення, сезону року та доби. Змінюється навіть розташування верхньої межі термосфери.

Найвищий шар атмосфери називається екзосферою або шаром розсіювання. Його нижня межа постійно змінюється у дуже широких межах; за середню величину прийнята висота 690-800 км. Встановлюється вона там, де ймовірність міжмолекулярних чи міжатомних зіткнень можна знехтувати, тобто. середня відстань, яку подолає молекула, що хаотично рухається, до зіткнення з іншою такою ж молекулою (т.зв. вільний пробіг) буде настільки велика, що фактично молекули з ймовірністю близькою до нуля не зіткнутися. Шар де має місце позначатися описане явище називається термопаузою.

Верхня межа екзосфери лежить на висотах 2-3 тис. км. Вона сильно розмита і поступово перетворюється на близькокосмічний вакуум. Іноді, з цієї причини, екзосферу вважають частиною космічного простору, а за її верхню межу приймають висоту 190 тис.км, де вплив тиску сонячного випромінювання швидкості атомів водню перевищує гравітаційне тяжіння Землі. Це т.зв. земна корона, що з атомів водню. Щільність земної корони дуже мала: всього 1000 частинок у кубічному сантиметрі, але це число більш ніж 10 разів перевищує концентрацію частинок в міжпланетному просторі.

У зв'язку з надзвичайною розрідженістю повітря екзосфери частинки рухаються навколо Землі по еліптичних орбітах, не стикаючись між собою. Деякі з них, рухаючись по розімкнених або гіперболічних траєкторіях з космічними швидкостями (атоми водню та гелію) залишають межі атмосфери і йдуть у космічний простір, через що екзосферу називають сферою розсіювання.