Вміст кисню в атмосфері по континентах. Хімічний склад атмосфери Землі

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 у 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, так як 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 потеплінняна планеті. В областях високого тиску – антициклонах – встановлюється ясна сонячна. В областях низького тиску- циклони - 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 випромінюванняСонця, 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 і холодильне обладнання. 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 в результаті спільних дійгеологічних факторів та життєдіяльності організмів. Протягом усієї геологічної історіїЗемна 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 із суміші метану, аміаку та Вуглекислий газ. В результаті дегазації мантії та активних процесів вивітрювання в атмосферу, що протікають на земній поверхні, стали надходити пари води, сполуки вуглецю у вигляді СО 2 і СО, сірки та її сполук, а також сильних галогенних кислот - НСI, НF, НI і борної кислоти, які доповнювалися метаном, аміаком, воднем, аргоном і деякими іншими благородними газами, що знаходилися в атмосфері. Ця первинна атмосфера була 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 парціальний тискв даний час могло 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.

Таким чином, газовий склад атмосфери не лише надавав організмам. життєвий простір, Але й визначав особливості їхньої 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 умовидля життєдіяльності тваринного та рослинного світу, у тому числі й 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. У 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 не забруднюючих навколишнє середовищеальтернативних джерел енергії. 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 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 засадцілісного 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 видатну рольі активна участьу різноманітних геологічних та біосферних процесах. Велика роль атмосфери у перерозподілі сонячної енергіїта розвитку катастрофічних стихійних явищ та лих. Негативний вплив на органічний світта природні системи надають атмосферні вихори – смерчі (торнадо), урагани, тайфуни, циклони та інші явища. Основними джерелами забруднень поряд із природними факторами виступають різні форми господарської діяльностілюдини. Антропогенні діїна атмосферу виражаються не тільки у появі різних аерозолів та парникових газів, але й у збільшенні кількості водяної пари, і виявляються у вигляді смогів та 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 кількостісонячної 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 значеннямають 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. тонкодисперсні тверді, що знаходяться в ній. частинки пилуі 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. В тому випадку якщо атмосферний тискколивається в невеликих межах, воно 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.

Велике негативне екологічний впливз 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 Північної Америкиторнадо, являють собою потужні лійкоподібні атмосферні вихори, 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 смерчів 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 рухуповітряні потоки. Атмосферні вихори зароджуються навколо потужних висхідних потоків вологого теплого повітря великою швидкістюобертаються за годинниковою стрілкою в південній півкуліі проти вартовий - у північному. 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 збитківзавдають 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 кордоні тропічного та субтропічних поясівгрози відбуваються по 90-100 днів на рік, помірному поясіпо 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. град пошкодив в аеропорту « Мінеральні води 18 літаків.

До небезпечних атмосферним явищамвідносяться 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.

Засухи змінюють умови життєдіяльності людини, надають несприятливий вплив на природне середовище через такі процеси, як осолоніння ґрунту, суховії, пилові бурі, ерозія ґрунту та лісові пожежі. Особливо сильними пожежі бувають під час посухи в тайгових районах, тропічних та субтропічних лісахта 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 та 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, який 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 . 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 бактеріїта 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 та дії, врівноважуючись з загальним кругообігомречовин у природі, що 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 з них 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 в літній час, 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 є атмосферними опадами, підкисленими розчиненими в них. промисловими викидамиоксидів 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 промислове підприємство. 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 зниженняврожайності 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.

Склад Землі. Повітря

Повітря - це механічна суміш із різних газів, що становлять атмосферу Землі. Повітря необхідне для дихання живих організмів, знаходить широке застосування у промисловості.

Те, що повітря являє собою суміш, а не однорідну субстанцію, було доведено в ході експериментів шотландського вченого Джозефа Блека. У ході одного з них вчений виявив, що при нагріванні білої магнезії (вуглекислий магній) виділяється «пов'язане повітря», тобто вуглекислий газ, і утворюється палена магнезія (окис магнію). При випалюванні вапняку, навпаки, відбувається видалення «пов'язаного повітря». На основі цих експериментів вчений зробив висновок, що відмінність між вуглекислими та їдкими лугами полягає в тому, що до складу перших входить вуглекислий газ, що є однією із складових частин повітря. Сьогодні ж ми знаємо, що, крім вуглекислого, до складу земного повітря входять:

Зазначене в таблиці співвідношення газів у земній атмосфері притаманно її нижніх шарів, до висоти 120 км. У цих областях лежить добре перемішана, однорідна за складом область, яка називається гомосферою. Вище гомосфери лежить гетеросфера, на яку характерне розкладання молекул газів на атоми та іони. Області відокремлені одна від одної турбопаузою.

Хімічна реакція, коли під впливом сонячного і космічного випромінювання відбувається розкладання молекул на атоми, називається фотодисоціацією. При розпаді молекулярного кисню утворюється атомарний кисень, що є основним газом атмосфери на висотах понад 200 км. На висотах від 1200 км починають переважати водень і гелій, що є найлегшими з газів.

Оскільки основна маса повітря зосереджена в 3 нижніх атмосферних шарах, зміни складу повітря на висотах більше 100 км не помітно впливають на загальний складатмосфери.

Азот - найпоширеніший газ, частку якого припадає понад три чверті обсягу земного повітря. Сучасний азот утворився при окисленні ранньої аміачно-водневої атмосфери молекулярним киснем, що утворюється у процесі фотосинтезу. В даний час невелика кількість азоту в атмосферу надходить у результаті денітрифікації - процесу відновлення нітратів до нітритів, з подальшим утворенням газоподібних оксидів та молекулярного азоту, що виробляється анаеробними прокаріотами. Частина азоту в атмосферу надходить при вулканічних виверженнях.

У верхніх шарах атмосфери за впливом електричних розрядів за участю озону молекулярний азотокислюється до монооксиду азоту:

N 2 + O 2 → 2NO

У звичайних умовах монооксид відразу ж вступає в реакцію з киснем з утворенням закису азоту:

2NO + O 2 → 2N 2 O

Азот є найважливішим хімічним елементомземної атмосфери. Азот входить до складу білків, що забезпечує мінеральне харчування рослин. Він визначає швидкість біо хімічних реакційграє роль розріджувача кисню.

Другим за поширеністю газом атмосфери Землі є кисень. Утворення цього газу пов'язують із фотосинтезуючою діяльністю рослин та бактерій. І чим різноманітнішими та численнішими ставали фотосинтезуючі організми, тим значнішим ставав процес утримання кисню в атмосфері. Невелика кількість важкого кисню виділяється під час дегазації мантії.

У верхніх шарах тропосфери та стратосфери під впливом ультрафіолетового сонячного випромінювання (позначимо його як hν) утворюється озон:

O 2 + hν → 2O

Внаслідок дії того ж ультрафіолетового випромінювання відбувається і розпад озону:

О 3 + hν → О 2 + О

О 3 + O → 2О 2

В результаті першої реакції утворюється атомарний кисень, в результаті другої молекулярний кисень. Всі 4 реакції звуться «механізм Чепмена», на ім'я британського вченого Сідні Чепмена, який відкрив їх у 1930 році.

Кисень служить дихання живих організмів. З його допомогою відбуваються процеси окислення та горіння.

Озон служить захисту живих організмів від ультрафіолетового випромінювання, що викликає незворотні мутації. Найбільша концентрація озону спостерігається у нижній стратосфері не більше т.зв. озонового шару або озонового екрану, що лежить на висотах 22-25 км. Вміст озону невеликий: при нормальному тиску весь озон земної атмосфери займав би шар завтовшки всього 2,91 мм.

Утворення третього за поширеністю в атмосфері газу аргону, а також неону, гелію, криптону та ксенону пов'язують із вулканічними виверженнями та розпадом радіоактивних елементів.

Зокрема гелій є продуктом радіоактивного розпаду урану, торію і радію: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (у цих реакція α-частка є ядром гелію, яка в У процесі втрати енергії захоплює електрони і стає 4 He).

Аргон утворюється в процесі розпаду радіоактивного ізотопу калію: 40 K → 40 Ar + γ.

Неон випаровується з вивержених порід.

Криптон утворюється як кінцевий продукт розпаду урану (235 U та 238 U) та торію Th.

Основна маса атмосферного криптону утворилася ще на ранніх стадіях еволюції Землі як результат розпаду трансуранових елементів з феноменально малим періодом напіврозпаду або надійшла з космосу, вміст криптону в якому в десять мільйонів разів вищий ніж на Землі.

Ксенон є результатом поділу урану, але переважна більшість цього газу залишилася з ранніх стадій утворення Землі, від первинної атмосфери.

Вуглекислий газ надходить в атмосферу в результаті вулканічних вивержень та в процесі розкладання органічної речовини. Його вміст в атмосфері середніх широт Землі сильно різниться залежно від пори року: взимку кількість CO 2 зростає, а влітку - знижується. Пов'язане це коливання з діяльністю рослин, які використовують вуглекислий газ у процесі фотосинтезу.

Водень утворюється внаслідок розкладання води сонячним випромінюванням. Але, будучи найлегшим із газів, що входять до складу атмосфери, постійно випаровується в космічний простір, і тому вміст його в атмосфері дуже невеликий.

Водяна пара є результатом випаровування води з поверхні озер, річок, морів та суші.

Концентрація основних газів у нижніх шарах атмосфери, за винятком водяної пари та вуглекислого газу, постійна. У невеликих кількостях в атмосфері містяться оксид сірки SO 2 , аміак NH 3 , монооксид вуглецю, озон O 3 , хлороводень HCl, фтороводород HF, монооксид азоту NO, вуглеводні, пари ртуті Hg, йоду I 2 і багато інших. У нижньому атмосферному шаріВ тропосфері постійно знаходиться велика кількість зважених твердих і рідких частинок.

Джерелами твердих частинок в атмосфері Землі є вулканічні виверження, пилок рослин, мікроорганізми, а в Останнім часомі діяльність людини, наприклад, спалювання викопного палива у процесі виробництва. Найдрібніші частинки пилу, які є ядрами конденсації, є причинами утворення туманів і хмар. Без твердих частинок, які постійно присутні в атмосфері, на Землю не випадали б опади.

Відмінність рівні насичення атмосфери Землі киснем тісно пов'язані з еволюцією живих організмів. За останні 400 мільйонів років рівень кисню значно змінювався в межах 21% від сучасного рівня.

Вчені коледжу Royal Holloway Лондонського університету та Музею природної історії в Чикаго опублікували дослідження, в якому для оцінки рівня кисню в атмосфері використовується кількість вугілля, що збереглося в стародавніх торфовищах.

Досі оцінки концентрації кисню в атмосфері вчені спиралися на геохімічні моделі. Існують деякі розбіжності цифр, пов'язані з відмінностями моделей, але згідно з усіма моделями близько 300 мільйонів років тому, у пізньому палеозої, рівень кисню був значно вищим, ніж сьогодні. Завдяки цьому мав місце гігантизм деяких груп тварин і комах, таких як, наприклад, бабка Meganeura monyi з розмахом крил понад 60 см. Деякі вчені вважають, що вищі концентрації кисню також дозволили хребетним вибратися на сушу.

Високий рівень кисню дозволяв існувати такою гігантською комахою, як бабка Meganeura monyi з розмахом крил понад 60 см

Висока концентрація кисню була прямим наслідком великої кількості рослин лежить на поверхні землі. У процесі фотосинтезу рослини виділяють кисень і накопичують вуглець (їх утворюється вуглекислий газ). Для чистого приросту кисню в атмосфері у відсотковому відношенні надлишки вуглецю мають бути поховані у ґрунті. Через війну поширення рослинності призводить до різкого збільшення відкладень вуглецю грунт. Вони були особливо великими під час пізнього палеозою, коли накопичилися величезні запаси вугілля.

Лікар Ян Дж. Гласспул(Dr Ian J Glasspool) пояснив, що концентрація кисню в атмосфері тісно пов'язана із горючістю матеріалів. При рівні кисню нижче 15% лісові пожежі було неможливо поширюватися. Коли ж рівень перевищує 25%, навіть мокрі рослини легко спалахують, а на рівні від 30 до 35%, як це було в пізньому палеозої, пожежі були дуже частими і мали катастрофічні наслідки.

Вчені з'ясували, що концентрація деревного вугілля у вугільних пластах становить близько 4-8% протягом останніх 50 мільйонів років, що приблизно дорівнює нинішньому рівню кисню в атмосфері. Проте в історії Землі були періоди, коли його частка сягала 70%. Це свідчить про дуже високу концентрацію атмосферного кисню. Ці періоди відзначалися у кам'яновугільному та пермському періодах. палеозойської ери(320-250 мільйонів років тому) та середньому крейдяному періоді (близько 100 мільйонів років тому).

Це був час істотних змін у розвитку флори, пов'язаних із поширенням нових груп рослин – хвойних та квіткових. Це призвело до створення великих поховань органічного вуглецю та падіння кількості вуглекислого газу в атмосфері, а також зростання концентрації кисню. Це також періоди потужних пожеж і сильної ерозії.

Дослідники відзначають, що головною загадкою є причина, через яку частка кисню в результаті стабілізувалася близько 50 мільйонів років тому і досі залишається на одному рівні.

Такий тісний зв'язок кількості рослинності та концентрації кисню в атмосфері, а також тривалість процесу її стабілізації, який зайняв мільйони років, наводять на думку, що екосфера Землі більш крихка, ніж нам здається. Через сотні років досліджень ми знаємо про неї далеко не всі. Не виключено, що зростання концентрації вуглекислого газу в атмосфері таки частково пов'язане з вирубуванням лісів, а не тільки з викидами промислових підприємств.

На рівні моря 1013,25 гПа (близько 760 мм ртутного стовпа). Середня по глобусу температура повітря біля Землі 15°С, у своїй температура змінюється приблизно від 57°С у субтропічних пустелях до -89°С у Антарктиді. Щільність повітря і тиск зменшуються з висотою згідно із законом, близьким до експоненційного.

Будова атмосфери. По вертикалі атмосфера має шарувату структуру, що визначається головним чином особливостями вертикального розподілу температури (малюнок), який залежить від географічного положення, сезону, часу доби і таке інше. Нижній шар атмосфери - тропосфера - характеризується падінням температури з висотою (приблизно на 6 ° С на 1 км), його висота від 8-10 км полярних широтахдо 16-18 км у тропіках. Завдяки швидкому зменшенню густини повітря з висотою в тропосфері знаходиться близько 80% усієї маси атмосфери. Над тропосферою розташовується стратосфера - шар, який характеризується загальним підвищенням температури з висотою. Перехідний шар між тропосферою та стратосферою називається тропопаузою. У нижній стратосфері рівня близько 20 км температура мало змінюється з висотою (так звана ізотермічна область) і нерідко навіть трохи зменшується. Вище температура зростає через поглинання УФ-радіації Сонця озоном, спочатку повільно, і з рівня 34-36 км - швидше. Верхня межа стратосфери – стратопауза – розташована на висоті 50-55 км, що відповідає максимуму температури (260-270 К). Шар атмосфери, розташований на висоті 55-85 км, де температура знову падає з висотою, називається мезосферою, на його верхньому кордоні – мезопаузі – температура досягає влітку 150-160 К, а взимку 200-230 К. Над мезопаузою починається термосфера – шар характеризується швидким підвищенням температури, досягає висоті 250 км значень 800-1200 До. У термосфері поглинається корпускулярна і рентгенівська радіація Сонця, гальмуються і згоряють метеори, тому виконує функцію захисного шару Землі. Ще вище знаходиться екзосфера, звідки атмосферні гази розсіюються у світовий простір рахунок диссипації і відбувається поступовий перехід від атмосфери до міжпланетного простору.

Склад атмосфери. До висоти близько 100 км атмосфера практично однорідна за хімічним складом і середня молекулярна маса повітря (близько 29) у ній стала. Поблизу поверхні Землі атмосфера складається з азоту (близько 78,1% за обсягом) та кисню (близько 20,9%), а також містить малі кількості аргону, діоксиду вуглецю (вуглекислого газу), неону та інших постійних та змінних компонентів (дивись Повітря) ).

Крім того, атмосфера містить невеликі кількості озону, оксидів азоту, аміаку, радону та ін. Відносний вміст основних складових повітря постійно в часі та однорідно в різних географічних районах. Зміст водяної пари та озону змінно у просторі та часі; незважаючи на малий зміст, їхня роль в атмосферних процесах дуже істотна.

Вище 100-110 км відбувається дисоціація молекул кисню, вуглекислого газу та водяної пари, тому молекулярна маса повітря зменшується. На висоті близько 1000 км починають переважати легкі гази - гелій і водень, а ще вище атмосфера Землі поступово перетворюється на міжпланетний газ.

Найбільш важлива змінна компонента атмосфери - водяна пара, яка надходить в атмосферу при випаровуванні з поверхні води та вологого ґрунту, а також шляхом транспірації рослинами. Відносний вміст водяної пари змінюється біля земної поверхні від 2,6% у тропіках до 0,2% у полярних широтах. З висотою воно швидко падає, спадаючи наполовину вже на висоті 1,5-2 км. У вертикальному стовпі атмосфери в помірних широтах міститься близько 1,7 см шару обложеної води. При конденсації водяної пари утворюються хмари, з яких випадають атмосферні опади у вигляді дощу, граду, снігу.

Важливою складовою атмосферного повітря є озон, зосереджений на 90% у стратосфері (між 10 та 50 км), близько 10% його знаходиться у тропосфері. Озон забезпечує поглинання жорсткої УФ-радіації (з довжиною хвилі менше 290 нм), і в цьому його захисна роль для біосфери. Значення загального вмісту озону змінюються в залежності від широти та сезону в межах від 0,22 до 0,45 см (товщина шару озону при тиску р = 1 атм та температурі Т = 0 ° С). В озонових дірах, що спостерігаються навесні в Антарктиці з початку 1980-х років, вміст озону може падати до 0,07 см. Воно збільшується від екватора до полюсів і має річний хід з максимумом навесні та мінімумом восени, причому амплітуда річного ходу мала в тропіках і зростає до високих широт. Істотною змінною компонентою атмосфери є вуглекислий газ, вміст якого в атмосфері за останні 200 років зріс на 35%, що пояснюється переважно антропогенним фактором. Спостерігається його широтна та сезонна мінливість, пов'язана з фотосинтезом рослин та розчинністю у морській воді (згідно із законом Генрі, розчинність газу у воді зменшується зі зростанням її температури).

Важливу роль формуванні клімату планети грає атмосферний аерозоль - зважені повітря тверді і рідкі частинки розміром від кількох нм до десятків мкм. Розрізняються аерозолі природного та антропогенного походження. Аерозоль утворюється в процесі газофазних реакцій з продуктів життєдіяльності рослин та господарської діяльності людини, вулканічних вивержень, внаслідок підйому пилу вітром з поверхні планети, особливо з її пустельних регіонів, а також утворюється з космічного пилу, що потрапляє у верхні шари атмосфери Більшість аерозолю зосереджена в тропосфері, аерозоль від вулканічних вивержень утворює про шар Юнге на висоті близько 20 км. Найбільша кількість антропогенного аерозолю потрапляє в атмосферу в результаті роботи автотранспорту та ТЕЦ, хімічних виробництв, спалювання палива та ін.

Еволюція атмосфери. Сучасна атмосфера має, мабуть, вторинне походження: вона утворилася із газів, виділених твердою оболонкоюЗемлі після завершення формування планети близько 4,5 млрд років тому. Протягом геологічної історії Землі атмосфера зазнавала значних змін свого складу під впливом низки чинників: диссипації (випаровування) газів, переважно легших, у космічний простір; виділення газів з літосфери внаслідок вулканічної діяльності; хімічних реакцій між компонентами атмосфери та породами, що складають земну кору; фотохімічних реакцій у самій атмосфері під впливом сонячного ультрафіолетового випромінювання; акреції (захоплення) матерії міжпланетного середовища (наприклад, метеорної речовини). Розвиток атмосфери тісно пов'язане з геологічними та геохімічними процесами, а останні 3-4 мільярди років також із діяльністю біосфери. Значна частина газів, що становлять сучасну атмосферу (азот, вуглекислий газ, водяну пару), виникла під час вулканічної діяльності та інтрузії, що виносила їх із глибин Землі. Кисень з'явився в помітних кількостях близько 2 мільярдів років тому як результат діяльності фотосинтезуючих організмів, які спочатку зародилися в поверхневих водах океану.

За даними про хімічний склад карбонатних відкладень отримано оцінку кількості вуглекислого газу та кисню в атмосфері геологічного минулого. Протягом фанерозою (останні 570 мільйонів років історії Землі) кількість вуглекислого газу в атмосфері змінювалась у широких межах відповідно до рівня вулканічної активності, температури океану та рівня фотосинтезу. Більшу частину цього часу концентрація вуглекислого газу в атмосфері була значно вищою за сучасну (до 10 разів). Кількість кисню у атмосфері фанерозою істотно змінювалося, причому переважала тенденція його збільшення. В атмосфері докембрія маса вуглекислого газу була, як правило, більша, а маса кисню - менша в порівнянні з атмосферою фанерозою. Коливання кількості вуглекислого газу справляли в минулому істотний вплив на клімат, посилюючи парниковий ефект при зростанні концентрації вуглекислого газу, завдяки чому клімат протягом основної частини фанерозою був набагато теплішим у порівнянні з сучасною епохою.

Атмосфера та життя. Без атмосфери Земля була б мертвою планетою. Органічна життя протікає у тісній взаємодії з атмосферою та пов'язаними з нею кліматом та погодою. Незначна за масою проти планетою загалом (приблизно мільйонна частина), атмосфера є неодмінною умовою всім форм життя. Найбільше значення з атмосферних газів для життєдіяльності організмів мають кисень, азот, водяна пара, вуглекислий газ, озон. При поглинанні вуглекислого газу фотосинтезуючими рослинами створюється органічна речовина, яка використовується як джерело енергії переважною більшістю живих істот, включаючи людину. Кисень необхідний існування аеробних організмів, котрим приплив енергії забезпечується реакціями окислення органічного речовини. Азот, який засвоюється деякими мікроорганізмами (азотофіксаторами), необхідний для мінерального живлення рослин. Озон, що поглинає жорстке УФ-випромінювання Сонця, значно послаблює цю шкідливу для життя частину сонячної радіації. Конденсація водяної пари в атмосфері, утворення хмар та подальше випадання атмосферних опадів постачають на сушу воду, без якої неможливі жодні форми життя. Життєдіяльність організмів у гідросфері багато в чому визначається кількістю та хімічним складом атмосферних газів, розчинених у воді. Оскільки хімічний склад атмосфери істотно залежить від діяльності організмів, біосферу та атмосферу можна розглядати як частину єдиної системи, підтримка та еволюція якої (див. Біогеохімічні цикли) мала велике значення зміни складу атмосфери протягом історії Землі як планети.

Радіаційний, тепловий та водний балансатмосфери. Сонячна радіація є єдиним джерелом енергії всім фізичних процесів у атмосфері. Головна особливість радіаційного режиму атмосфери - так званий парниковий ефект: атмосфера досить добре пропускає до земної поверхні сонячну радіацію, але активно поглинає теплове довгохвильове випромінювання земної поверхні, частина якого повертається до поверхні у формі зустрічного випромінювання, що компенсує радіаційну втрату тепла земної поверхні ). Без атмосфери Середня температураземної поверхні була -18°С, насправді вона 15°С. Сонячна радіація, що приходить частково (близько 20%), поглинається в атмосферу (головним чином водяною парою, краплями води, вуглекислим газом, озоном і аерозолями), а також розсіюється (близько 7%) на частинках аерозолю і флуктуаціях щільності (релеїв). Сумарна радіація, досягаючи земної поверхні, частково (близько 23%) відбивається від неї. Коефіцієнт відбиття визначається відбивною здатністю поверхні, що підстилає, так зване альбедо. У середньому альбедо Землі для інтегрального потоку сонячної радіації близько 30%. Воно змінюється від кількох відсотків (сухий грунт і чорнозем) до 70-90% для свіжого снігу. Радіаційний теплообмін між земною поверхнею та атмосферою істотно залежить від альбедо і визначається ефективним випромінюванням поверхні Землі та поглиненим нею противипромінюванням атмосфери. Алгебраїчна сумапотоків радіації, що входять до земну атмосферуз космічного простору і які з неї назад, називається радіаційним балансом.

Перетворення сонячної радіації після її поглинання атмосферою та земною поверхнею визначають тепловий баланс Землі як планети. Головне джерело тепла для атмосфери – земна поверхня; теплота від неї передається у вигляді довгохвильового випромінювання, а й шляхом конвекції, і навіть виділяється при конденсації водяної пари. Частки цих приток теплоти дорівнюють у середньому 20%, 7% і 23% відповідно. Сюди додається близько 20% теплоти за рахунок поглинання прямої сонячної радіації. Потік сонячної радіації за одиницю часу через одиничний майданчик, перпендикулярний до сонячних променів і розташований поза атмосферою на середній відстані від Землі до Сонця (так звана сонячна постійна), дорівнює 1367 Вт/м 2 , зміни становлять 1-2 Вт/м 2 залежно від циклу сонячної активності. При планетарному альбедо близько 30% середній за часом глобальний приплив сонячної енергії до планети становить 239 Вт/м2. Оскільки Земля як планета випускає в космос в середньому таку ж кількість енергії, то, згідно із законом Стефана - Больцмана, ефективна температура теплового довгохвильового випромінювання, що йде 255 К (-18 ° С). У той самий час середня температура земної поверхні становить 15°С. Різниця в 33 ° С виникає за рахунок парникового ефекту.

Водний баланс атмосфери в цілому відповідає рівності кількості вологи, що випарувалася з поверхні Землі, кількості опадів, що випадають на земну поверхню. Атмосфера над океанами отримує більше вологи від випаровування, ніж над сушею, а втрачає у вигляді опадів 90%. Надлишок водяної пари над океанами переноситься на континенти повітряними потоками. Кількість водяної пари, що переноситься в атмосферу з океанів на континенти, дорівнює обсягу стоку річок, що впадають в океани.

Рух повітря. Земля має кулясту форму, тому до її високих широт приходить набагато менше сонячної радіації, ніж до тропіків. У результаті між широтами виникають великі температурні контрасти. На розподіл температури значною мірою впливає також взаємне розташування океанів і континентів. Через великої масиокеанічних вод та високої теплоємності води сезонні коливаннятемператури поверхні океану значно менше ніж суші. У зв'язку з цим у середніх та високих широтах температура повітря над океанами влітку помітно нижча, ніж над континентами, а взимку – вище.

Неоднаковий розігрів атмосфери в різних областяхземної кулі викликає неоднорідне простір розподіл атмосферного тиску. На рівні моря розподіл тиску характеризується відносно низькими значеннями поблизу екватора, збільшенням у субтропіках (пояси високого тиску) та зниженням у середніх та високих широтах. При цьому над материками позатропічних широт тиск узимку зазвичай підвищений, а влітку знижений, що пов'язано з розподілом температури. Під дією градієнта тиску повітря зазнає прискорення, спрямоване від областей з високим тиском до областей з низьким, що призводить до переміщення мас повітря. На повітряні маси, що рухаються, діють також відхиляюча сила обертання Землі (сила Коріоліса), сила тертя, спадна з висотою, а при криволінійних траєкторіях і відцентрова сила. Велике значення має турбулентне перемішування повітря (див. турбулентність в атмосфері).

З планетарним розподілом тиску пов'язана складна система повітряних течій (загальна циркуляція атмосфери). У меридіональній площині в середньому простежуються два або три осередки меридіональної циркуляції. Поблизу екватора нагріте повітря піднімається і опускається в субтропіках, утворюючи комірку Хедлі. Там само опускається повітря зворотного осередку Феррела. У високих широтах часто простежується прямий полярний осередок. Швидкість меридіональної циркуляції близько 1 м/с або менше. Через дію сили Коріоліса у більшій частині атмосфери спостерігаються західні вітриіз швидкостями у середній тропосфері близько 15 м/с. Існують порівняно стійкі системи вітрів. До них відносяться пасати - вітри, що дмуть від поясів високого тиску в субтропіках до екватора з помітною східною складовою (зі сходу на захід). Досить стійкі мусони - повітряні течії, що мають чітко виражений сезонний характер: вони дмуть з океану на материк влітку та в протилежному напрямкувзимку. Особливо регулярні мусони Індійського океану. У середніх широтах рух повітряних мас має переважно західний напрямок (із заходу Схід). Це зона атмосферних фронтів, на яких виникають великі вихори - циклони та антициклони, що охоплюють багато сотень і навіть тисячі кілометрів. Циклони виникають і у тропіках; тут вони відрізняються меншими розмірами, але дуже великими швидкостямивітру, що досягає ураганної сили (33 м/с і більше), звані тропічні циклони. У Атлантиці і Сході Тихого океану вони називаються ураганами, але в заході Тихого океану - тайфунами. У верхній тропосфері і нижній стратосфері в областях, що поділяють прямий осередок меридіональної циркуляції Хедлі і зворотний осередок Феррела, часто спостерігаються порівняно вузькі, в сотні кілометрів шириною, струменеві течії з різко окресленими межами, в межах яких вітер00/0 с.

Клімат та погода. Відмінність у кількості сонячної радіації, яка приходить на різних широтахдо різноманітної по фізичним властивостямземної поверхні визначає різноманіття кліматів Землі. Від екватора до тропічних широт температура повітря біля земної поверхні в середньому 25-30 ° С і мало змінюється протягом року. У екваторіальний поясзазвичай випадає багато опадів, що створює умови надлишкового зволоження. У тропічних поясахкількість опадів зменшується і в ряді областей стає дуже малою. Тут розташовуються великі пустелі Землі.

У субтропічних та середніх широтах температура повітря значно змінюється протягом року, причому різниця між температурами літа та зими особливо велика у віддалених від океанів областях континентів. Так, у деяких районах Східного Сибірурічна амплітуда температури повітря сягає 65°С. Умови зволоження у цих широтах дуже різноманітні, залежить в основному від режиму загальної циркуляціїатмосфери і суттєво змінюються з року в рік.

У полярних широтах температура залишається низькою протягом року, навіть за наявності її помітного сезонного ходу. Це сприяє поширенню льодового покриву на океанах і суходолу і багаторічномерзлих порід, які у Росії понад 65% її площі, переважно у Сибіру.

За останні десятиліттястали дедалі помітніші зміни глобального клімату. Температура підвищується у високих широтах, ніж у низьких; більше взимку, ніж улітку; більше вночі, ніж вдень. За 20 століття середньорічна температура повітря біля земної поверхні Росії зросла на 1,5-2°С, причому у окремих районах Сибіру спостерігається підвищення на кілька градусів. Це пов'язують із посиленням парникового ефекту внаслідок зростання концентрації малих газових домішок.

Погода визначається умовами циркуляції атмосфери та географічним розташуванням місцевості, вона найбільш стійка у тропіках та найбільш мінлива у середніх та високих широтах. Найбільше погода змінюється в зонах зміни повітряних мас, зумовлених проходженням атмосферних фронтів, циклонів та антициклонів, які несуть опади та посилення вітру. Дані для прогнозу погоди збираються на наземних метеостанціях, морських та повітряних суднах з метеорологічних супутників. Дивись також Метеорологія.

Оптичні, акустичні та електричні явища в атмосфері. При поширенні електромагнітного випромінюванняв атмосфері в результаті рефракції, поглинання і розсіювання світла повітрям і різними частинками (аерозоль, кристали льоду, краплі води) виникають різноманітні оптичні явища: веселка, вінці, гало, міраж та ін. Дальність видимості предметів визначається умовами поширення світла у атмосфері (див. Атмосферна видимість). Від прозорості атмосфери різних довжинах хвиль залежать дальність зв'язку і можливість виявлення об'єктів приладами, зокрема можливість астрономічних спостережень із Землі. Для досліджень оптичної неоднорідності стратосфери та мезосфери важливу роль відіграє явище сутінків. Наприклад, фотографування сутінків з космічних апаратів дозволяє виявляти аерозольні шари. Особливості поширення електромагнітного випромінювання у атмосфері визначають точність методів дистанційного зондування її параметрів. Усі ці питання, як і багато інших, вивчає атмосферна оптика. Рефракція та розсіювання радіохвиль обумовлюють можливості радіоприймання (див. Розповсюдження радіохвиль).

Поширення звуку в атмосфері залежить від просторового розподілу температури та швидкості вітру (див. Атмосферна акустика). Воно цікавить зондування атмосфери дистанційними методами. Вибухи зарядів, що запускаються ракетами в верхню атмосферудали багату інформацію про системи вітрів і перебіг температури в стратосфері та мезосфері. У стійко стратифікованій атмосфері, коли температура падає з висотою повільніше за адіабатичний градієнт (9,8 К/км), виникають так звані внутрішні хвилі. Ці хвилі можуть поширюватися вгору в стратосферу і навіть у мезосферу, де вони згасають, сприяючи посиленню вітру та турбулентності.

Негативний заряд Землі та обумовлене ним електричне поле атмосфера разом із електрично зарядженими іоносферою та магнітосферою створюють глобальний електричний ланцюг. Важливу роль при цьому відіграє утворення хмар та грозової електрики. Небезпека грозових розрядів викликала необхідність розробки методів грозозахисту будівель, споруд, ліній електропередач та зв'язку. Особливу небезпеку це явище є для авіації. Грозові розряди викликають атмосферні радіоперешкоди, що дістали назву атмосфериків (дивись Свистячі атмосферики). Під час різкого збільшення напруженості електричного поля спостерігаються розряди, що світяться, що виникають на вістрях і гострих кутахпредметів, що виступають над земною поверхнею, на окремих вершинах у горах та ін. (Ельма вогні). Атмосфера завжди містить кількість легких і важких іонів, які визначають електричну провідність атмосфери, що сильно змінюється в залежності від конкретних умов. Головні іонізатори повітря біля земної поверхні - випромінювання радіоактивних речовин, що містяться в земній корі та в атмосфері, а також космічні промені. Дивись також Атмосферна електрика.

Вплив людини на атмосферу.Протягом останніх століть відбувалося зростання концентрації парникових газів в атмосфері внаслідок господарської діяльності. Відсотковий вміст вуглекислого газу зріс з 2,8-10 2 двісті років тому до 3,8-10 2 у 2005 році, вміст метану - з 0,7-10 1 приблизно 300-400 років тому до 1,8-10 -4 на початку 21 століття; близько 20% приріст парникового ефекту за останнє століттядали фреони, яких мало був у атмосфері до середини 20 століття. Ці речовини визнані руйнівниками стратосферного озону, і їхнє виробництво заборонено Монреальським протоколом 1987 року. Зростання концентрації вуглекислого газу в атмосфері викликане спалюванням все більших кількостей вугілля, нафти, газу та інших видів вуглецевого палива, а також зведенням лісів, внаслідок чого зменшується поглинання вуглекислого газу шляхом фотосинтезу. Концентрація метану збільшується зі зростанням видобутку нафти та газу (за рахунок його втрат), а також при розширенні посівів рису та збільшенні поголів'я великої рогатої худоби. Все це сприяє потеплінню клімату.

Для зміни погоди розроблено методи активного впливу на атмосферні процеси. Вони застосовуються захисту сільськогосподарських рослин від градобития шляхом розсіювання в грозових хмарах спеціальних реагентів. Існують також методи розсіювання туманів в аеропортах, захисту рослин від заморозків, впливу на хмари з метою збільшення опадів потрібних місцяхабо для розсіювання хмар у моменти масових заходів.

Вивчення атмосфери. Відомості про фізичних процесівв атмосфері отримують насамперед із метеорологічних спостережень, які проводяться глобальною мережею метеорологічних станцій і постів, що постійно діють, розташованих на всіх континентах і на багатьох островах. Щоденні спостереження дають відомості про температуру і вологість повітря, атмосферний тиск і опади, хмарність, вітер та ін. Спостереження за сонячною радіацією та її перетвореннями проводяться на актинометричних станціях. Велике значення вивчення атмосфери мають мережі аерологічних станцій, у яких з допомогою радіозондів виконуються метеорологічні виміри до висоти 30-35 км. На ряді станцій проводяться спостереження за атмосферним озоном, електричними явищамив атмосфері, хімічний склад повітря.

Дані наземних станцій доповнюються спостереженнями на океанах, де діють судна погоди, що постійно перебувають у певних районах Світового океану, а також метеорологічними відомостями, одержуваними з науково-дослідних та інших судів.

Все більший обсяг відомостей про атмосферу останні десятиліття отримують за допомогою метеорологічних супутників, на яких встановлені прилади для фотографування хмар і вимірювання потоків ультрафіолетової, інфрачервоної та мікрохвильової радіації Сонця. Супутники дозволяють отримувати відомості про вертикальні профілі температури, хмарність та її водозапас, елементи радіаційного балансуатмосфери, про температуру поверхні океану та ін. Використовуючи вимірювання рефракції радіосигналів із системи навігаційних супутників, вдається визначати в атмосфері вертикальні профілі щільності, тиску та температури, а також вмісту вологи. За допомогою супутників стало можливим уточнити величину сонячної постійної та планетарного альбедо Землі, будувати карти радіаційного балансу системи Земля – атмосфери, вимірювати вміст та мінливість малих атмосферних домішок, вирішувати багато інших завдань фізики атмосфери та моніторингу навколишнього середовища.

Літ.: Будико М. І. Клімат у минулому та майбутньому. Л., 1980; Матвєєв Л. Т. Курс загальної метеорології. Фізики атмосфери. 2-ге вид. Л., 1984; Будико М. І., Ронов А. Б., Яншин А. Л. Історія атмосфери. Л., 1985; Хргіан А. Х. Фізика атмосфери. М., 1986; Атмосфера: Довідник. Л., 1991; Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорологія та кліматологія. 5-те вид. М., 2001.

Г. С. Голіцин, Н. А. Зайцева.

Атмосфера – газова оболонка нашої планети, яка обертається разом із Землею. Газ, що у атмосфері, називають повітрям. Атмосфера стикається з гідросферою та частково покриває літосферу. А ось верхні межі визначити важко. Умовно прийнято вважати, що атмосфера простягається нагору приблизно на три тисячі кілометрів. Там вона плавно перетікає у безповітряний простір.

Хімічний склад атмосфери Землі

Формування хімічного складу атмосфери розпочалося близько чотирьох мільярдів років тому. Спочатку атмосфера складалася лише з легких газів – гелію та водню. На думку вчених, вихідними передумовами створення газової оболонки навколо Землі стали виверження вулканів, які разом з лавою викидали величезну кількість газів. Надалі розпочався газообмін з водними просторами, з живими організмами, з продуктами їхньої діяльності. Склад повітря поступово змінювався і в сучасному виглядізафіксувався кілька мільйонів років тому.

Головні складові атмосфери це азот (близько 79%) і кисень (20%). Відсоток, що залишився (1%) припадає на такі гази: аргон, неон, гелій, метан, вуглекислий газ, водень, криптон, ксенон, озон, аміак, двоокису сірки і азоту, закис азоту і окис вуглецю, що входять в цей один відсоток.

Крім того, в повітрі міститься водяна пара і тверді частинки (пилок рослин, пил, кристали солі, домішки аерозолів).

Останнім часом вчені відзначають не якісне, а кількісна змінадеяких інгредієнтів повітря. І причина тому – людина та її діяльність. Лише за останні 100 років вміст вуглекислого газу значно зріс! Це загрожує багатьма проблемами, найбільш глобальна з яких – зміна клімату.

Формування погоди та клімату

Атмосфера грає найважливішу рольу формуванні клімату та погоди на Землі. Дуже багато залежить від кількості сонячних променів, від характеру поверхні, що підстилає, і атмосферної циркуляції.

Розглянемо чинники з порядку.

1. Атмосфера пропускає тепло сонячних променів та поглинає шкідливу радіацію. Про те, що промені Сонця падають різні ділянки Землі під різними кутами, знали ще древні греки. Саме слово "клімат" у перекладі з давньогрецької означає "нахил". Так, на екваторі сонячні промені падають практично прямовисно, тому тут дуже спекотно. Чим ближче до полюсів, тим більше кутнахилу. І температура знижується.

2. Через нерівномірне нагрівання Землі в атмосфері формуються повітряні течії. Вони класифікуються за своїми розмірами. Найменші (десятки та сотні метрів) – це місцеві вітри. Далі йдуть мусони та пасати, циклони та антициклони, планетарні фронтальні зони.

Усі ці повітряні маси постійно переміщуються. Деякі їх досить статичні. Наприклад, пасати, які дмуть від субтропіків до екватора. Рух інших багато в чому залежить від атмосферного тиску.

3. Атмосферний тиск – ще один фактор, що впливає на формування клімату. Це тиск повітря на поверхню ґрунту. Як відомо, повітряні маси переміщаються з області з підвищеним атмосферним тиском у бік області, де тиск нижче.

Усього виділено 7 зон. Екватор – зона низького тиску. Далі, по обидва боки від екватора до тридцятих широт - область високого тиску. Від 30 ° до 60 ° - знову низький тиск. А від 60 ° до полюсів – зона високого тиску. Між цими зонами циркулюють повітряні маси. Ті, що йдуть із моря на сушу, несуть дощі та негоду, а ті, що дмуть із континентів – ясну та суху погоду. У місцях, де повітряні течії стикаються, утворюються зони атмосферного фронту, які характеризуються опадами та ненависною, вітряною погодою.

Вчені довели, що від атмосферного тиску залежить навіть здоров'я людини. За міжнародними стандартами нормальний атмосферний тиск – 760 мм рт. стовпа за температури 0°C. Цей показник розрахований на ті ділянки суші, які знаходяться практично нарівні з рівнем моря. З висотою тиск знижується. Тому, наприклад, для Санкт-Петербурга 760 мм рт. - це норма. А ось для Москви, яка розташована вище, нормальний тиск – 748 мм рт.ст.

Тиск змінюється не тільки по вертикалі, а й по горизонталі. Особливо це відчувається під час проходження циклонів.

Будова атмосфери

Атмосфера нагадує листковий пиріг. І кожний шар має свої особливості.

. Тропосфера- Найближчий до Землі шар. "Товщина" цього шару змінюється при віддаленні від екватора. Над екватором шар простягається вгору на 16-18 км, в помірних зонах – на 10-12 км, на полюсах – на 8-10 км.

Саме тут міститься 80% усієї маси повітря та 90% водяної пари. Тут утворюються хмари, виникають циклони та антициклони. Температура повітря залежить від висоти. В середньому вона знижується на 0,65 ° C на кожні 100 метрів.

. Тропопауза- Перехідний шар атмосфери. Його висота – від кількох сотень метрів до 1-2 км. Температура повітря влітку вища, ніж узимку. Так, наприклад, над полюсами взимку -65 ° C. А над екватором будь-якої пори року тримається -70 ° C.

. Стратосфера- Це шар, верхня межа якого проходить на висоті 50-55 км. Турбулентність тут низька, вміст водяної пари в повітрі – незначний. Проте дуже багато озону. Максимальна його концентрація – на висоті 20-25 км. У стратосфері температура повітря починає підвищуватися і досягає позначки +0,8 ° C. Це зумовлено тим, що озоновий шар взаємодіє з ультрафіолетовим випромінюванням.

. Стратопауза- невисокий проміжний шар між стратосферою та наступною за нею мезосферою.

. Мезосфера- верхня межа цього шару – 80-85 кілометрів. Тут відбуваються складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів. Саме вони забезпечують те ніжне блакитне сяйво нашої планети, яке бачиться з космосу.

У мезосфері згоряє більшість комет та метеоритів.

. Мезопауза- наступний проміжний шар, температура повітря в якому -90°.

. Термосфера- Нижня границяпочинається висоті 80 - 90 км, а верхня межа шару проходить приблизно за позначкою 800 км. Температура повітря зростає. Вона може змінюватись від +500°C до +1000°C. Протягом доби температурні коливання складають сотні градусів! Але повітря тут настільки розріджене, що розуміння терміна "температура" як ми його уявляємо, тут не доречно.

. Іоносфера- поєднує мезосферу, мезопаузу та термосферу. Повітря тут складається в основному з молекул кисню та азоту, а також із квазінейтральної плазми. Сонячні промені, потрапляючи в іоносферу, сильно іонізують молекули повітря. У нижньому шарі (до 90 км) ступінь іонізація низька. Що вище, то більше вписувалося іонізація. Так, на висоті 100–110 км електрони концентруються. Це сприяє відображенню коротких та середніх радіохвиль.

Найважливіший шар іоносфери – верхній, що знаходиться на висоті 150-400 км. Його особливість у тому, що він відображає радіохвилі, а це сприяє передачі радіосигналів на значні відстані.

Саме в іоносфері відбувається таке явище, як полярне сяйво.

. Екзосфера- складається з атомів кисню, гелію та водню. Газ у цьому шарі дуже розріджений і часто атоми водню вислизають у космічний простір. Тому цей шар і називають "зоною розсіювання".

Першим ученим, який припустив, що наша атмосфера має вагу, був італієць Е. Торрічеллі. Остап Бендер, наприклад, у романі "Золоте теля" журився, що на кожну людину тисне повітряний стовп вагою 14 кг! Але великий комбінатор трохи помилявся. Доросла людина відчуває на себе тиск 13-15 тонн! Але ми не відчуваємо цієї тяжкості, тому що атмосферний тиск урівноважується внутрішнім тиском людини. Вага нашої атмосфери складає 5300000000000 000 тонн. Цифра колосальна, хоча це лише мільйонна частина ваги нашої планети.