Газовая оболочка, окружающая нашу планету Земля, известная как атмосфера, состоит из пяти основных слоев. Эти слои берут начало на поверхности планеты, от уровня моря (иногда ниже) и поднимаются до космического пространства в следующей последовательности:

  • Тропосфера;
  • Стратосфера;
  • Мезосфера;
  • Термосфера;
  • Экзосфера.

В промежутке между каждым из этих основных пяти слоев находятся переходные зоны, называемые «паузами», где происходят изменения температуры, состава и плотности воздуха. Вместе с паузами, атмосфера Земли в общей сложности включает 9 слоев.

Тропосфера: где происходит погода

Из всех слоев атмосферы тропосфера является тем, с которым мы больше всего знакомы (осознаете ли вы это или нет), так как мы живем на ее дне — поверхности планеты. Она окутывает поверхность Земли и простирается вверх на несколько километров. Слово тропосфера означает «изменение шара». Очень подходящее название, так как этот слой, где происходит наша повседневная погода.


Начиная с поверхности планеты, тропосфера поднимается на высоту от 6 до 20 км. Нижняя треть слоя, ближайшая к нам, содержит 50% всех атмосферных газов. Это единственная часть всего состава атмосферы, которая дышит. Благодаря тому, что воздух нагревается снизу земной поверхностью, поглощающей тепловую энергию Солнца, с увеличением высоты температура и давление тропосферы понижаются.

На вершине находится тонкий слой, называемый тропопаузой, который является всего лишь буфером между тропосферой и стратосферой.

Стратосфера: дом озона

Стратосфера — следующий слой атмосферы. Он простирается от 6-20 км до 50 км над земной поверхностью Земли. Это слой, в котором летают большинство коммерческих авиалайнеров и путешествуют воздушные шары.

Здесь воздух не течет вверх и вниз, а движется параллельно поверхности в очень быстрых воздушных потоках. По мере того, как вы поднимаетесь, температура увеличивается, благодаря обилию природного озона (O3) — побочного продукта солнечной радиации и кислорода, который обладает способностью поглощать вредные ультрафиолетовые лучи солнца (любое повышение температуры с высотой в метеорологии, известно как «инверсия»).

Поскольку стратосфера имеет более теплые температуры внизу и более прохладные наверху, конвекция (вертикальные перемещения воздушных масс) встречается редко в этой части атмосферы. Фактически, вы можете рассматривать из стратосферы бушующую в тропосфере бурю, поскольку слой действует как «колпачок» для конвекции, через который не проникают штормовые облака.

После стратосферы снова следует буферный слой, на этот раз называемый стратопаузой.

Мезосфера: средняя атмосфера


Мезосфера находится примерно на расстоянии 50-80 км от поверхности Земли. Верхняя область мезосферы является самым холодным естественным местом на Земле, где температура может опускаться ниже -143° C.

Термосфера: верхняя атмосфера

После мезосферы и мезопаузы следует термосфера, расположенная между 80 и 700 км над поверхностью планеты, и содержит менее 0,01% всего воздуха в атмосферной оболочке. Температуры здесь достигают до +2000° C, но из-за сильной разреженности воздуха и нехватки молекул газа для переноса тепла, эти высокие температуры воспринимаются, как очень холодные.

Экзосфера: граница атмосферы и космоса

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

На высоте около 700-10000 км над земной поверхностью находится экзосфера — внешний край атмосферы, граничащий с космосом. Здесь метеорологические спутники вращаются вокруг Земли.

Как насчет ионосферы?

Ионосфера не является отдельным слоем, а на самом деле этот термин используется для обозначения атмосферы на высоте от 60 до 1000 км. Она включает в себя самые верхние части мезосферы, всю термосферу и часть экзосферы. Ионосфера получила свое название, потому что в этой части атмосферы излучение Солнца ионизируется, когда проходит магнитные поля Земли на севере и юге. Это явления наблюдается с земли как северное сияние.


Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Источник: NatWorld.info

Атмосфера неоднородна как в вертикальном, так и в гори­зонтальном направлении. Как уже говорилось выше, по вер­тикали она делится на ряд сфер и слоев, отличающихся по своим физическим характеристикам. По горизонтали, особенно в своей нижней части, она расчленяется на неоднородные массы воздуха. Ближайший к поверхности земли слой воздуха называется тропосферой.
Тропосфера. Физические свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности. Нижней границей тропосферы является поверхность земли, а верхняя находится в среднем на высотах 8—17 км. Высота тропосферы зависит главным образом от географической ши­роты. Наибольшая ее высота наблюдается в экваториальной зоне: здесь она достигает 16—18 км. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 9—10 км. В средних широтах высота тро­посферы колеблется от 6—8 до 14—16 км, составляя в сред­нем 10—12 км.
Верхняя граница тропосферы испытывает сезонные измене­ния: зимой она ниже, летом выше. Еще значительнее измене­ния высоты тропосферы, зависящие от характера атмосферных процессов.

iv>
редко в течение суток высота верхней границы тропосферы над данным пунктом или районом изменяется даже на несколько километров. Наблюдения показывают, что изменения вертикальной протяженности тропосферы связаны с изменением температуры воздуха.
Тропосфера обладает рядом физических свойств, отличаю­щих ее от всех выше лежащих слоев воздуха. В тропосфере сосредоточена значительная часть массы земной атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Кроме того, от по­верхности земли до верхней границы тропосферы температура понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м поднятия. Воз­дух в тропосфере нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности земли. В соответствии с притоком солнечной энергии температура понижается от экватора к полюсам. Так, средняя температура воздуха у поверхности земли на экваторе достигает 26° выше нуля, а в полярных областях 23° ниже нуля. В то же время над экватором в верхней тропосфере тем­пература равна —75, —80°, а в полярных областях —60, —65°,
Преобладающим горизонтальным переносом воздуха в тро­посфере является западный. Скорость ветра в тропосфере, как правило, с высотой возрастает, достигая максимума на уровне верхней ее границы. Горизонтальный перенос сопровождается вертикальными перемещениями воздуха и турбулентным дви­жением, обеспечивающими непрерывное перемешивание воз­духа во всей тропосфере. Вследствие подъема и опускания больших объемов воздуха образуются и рассеиваются облака, выпадают и прекращаются осадки.

тропосфере развиваются процессы, обусловливающие погоду и ее изменения.
Выше тропосферы расположена стратосфера. От тропо­сферы она отделена переходным слоем, который называется тропопаузой.
Так же как и высота верхней границы тропосферы, высота тропопаузы изменяется от сезона к сезону и ото дня ко дню в зависимости от процессов, развивающихся в тропосфере. Над холодными массами воздуха она располагается очень низко, а над теплыми — высоко. Даже в средних широтах зимой тропопауза нередко находится на высотах 8—9 км, а летом — на высотах 13—15 км. Колебания высоты тропопаузы вызваны рядом причин, среди которых большую роль играет перенос холодных или теплых масс воздуха и охлаждение или нагре­вание воздуха, обусловленное его вертикальными перемеще­ниями. При повышении температуры в тропосфере тропопауза повышается, при понижении температуры опускается.
Стратосфера. По вертикальному делению атмосферы под стратосферой подразумевается слой воздуха, ограниченный «снизу тропопаузой, а сверху уровнем 50—60 км.
По физическим свойствам стратосфера резко отличается от ниже лежащей сферы уже тем, что распределение температуры с высотой здесь иное, чем в тропосфере. Стратосфера очень бедна водяным паром. Здесь не происходят бурные процессы облакообразозания сопровождающиеся выпадением осадков.
Совсем еще недавно предполагали, что стратосфера является сравнительно спокойной средой и что здесь в верти­кальном направлении не происходит перемешивание воздуха.
>
итали также, что температура в стратосфере формируется под действием только лучистого равновесия, т. е. при равенстве поглощения и отражения солнечной радиации.
Новые данные, полученные с помощью радиометеорологи­ческих приборов и метеорологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха со значительными измене­ниями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, наблюдаются значительные вертикальные перемещения, неупо­рядоченные (турбулентные) движения при сильных горизон­тальных воздушных течениях. Все это является результатом неоднородного распределения температуры.
В табл. 2 приведены данные о температуре в верхней тропосфере и стратосфере над различными широтами север­ного полушария.

T_2
Из данных табл. 2 следует, что в тропосфере на высотах 5 и 9 км разность температур между низкими и высокими широтами достигает 30—35°, причем от низких широт к высо­ким температура постепенно понижается. В стратосфере распределение температуры несколько иное. На уровне 16 км наиболее низкие температуры (—76, —80°) наблюдаются в экваториальной зоне, в средних широтах температура равна —51, —61°, а к высоким широтам она вновь понижается до —64, —68°.


стратосфере экваториальной зоны температура с высотой повышается, достигая на уровне 30 км —46, —50°, а в арктической зоне на этом же уровне наблюдаются темпе­ратуры около —67, —75°.
К лету распределение температуры претерпевает значитель­ные изменения. Как следует из табл. 3, в тропосфере на уров­нях 5 и 9 км температура от низких широт к высоким, как и зимой, понижается, однако разность ее составляет уже около 15°, что объясняется летним прогреванием воздуха в средних и особенно высоких широтах. На уровне 16 км от экваториальной зоны до 80° с. ш. температура повышается до —42, —43°, и даже на уровне 30 км в Арктике она выше, чем в экваториальной зоне.

T_3
Из приведенных данных о распределении температуры по высоте в различных широтных зонах следует, что в верхних слоях стратосферы экваториальной зоны температура воздуха от зимы к лету заметно не изменяется, а в арктической зоне, наоборот, эти изменения весьма значительны.
В табл. 4 приведены величины разностей температур между летом и зимой на разных уровнях в тропосфере и стратосфере и в разных широтных зонах северного полушария.

T_4
Как видно из данных табл.


величины разностей темпера­тур между летом и зимой возрастают от низких широт к высо­ким. На уровне 30 км над полюсом они достигают максимума (40°). То же происходит и в южном полушарии, с той лишь разницей, что в Антарктике на этом уровне величины разно­стей достигают 50—55°.
Мезосфера. Наблюдениями с помощью метеорологиче­ских ракет и косвенными способами установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, про­должается до высот 50—60 км. На этих высотах температура воздуха повышается до 10—20° выше нуля. Выше этого слоя она вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км) составляет —75, —90°. Далее вновь происходит повы­шение температуры с высотой.
На рис. 6 изображены кривые изменения средней темпера­туры воздуха с высотой между поверхностью земли и уровнем 90 км для трех широт: 80, 50 и 20°. Кривые показывают не­однородность строения атмосферы над указанными широтами не только в разные, но в одни и те же сезоны. Легко видеть, что даже в одном сезоне и на одном уровне разности темпе­ратур воздуха между различными широтами превышают 20—30°. При этом неоднородность особенно значительна в слое низких температур в стратосфере (18—30 км), в слое макси­мальных температур в средней мезосфере (50—60 км) и в слое низких температур в верхней мезосфере (75—85 км).

Сезонным распределением температуры обусловлена довольно сложная система воздушных течений в стратосфере и мезосфере.
На рис.


приведены кривые изменения средней скорости ветра с высотой между поверхностью земли и уровнем 90 км для тех же широтных зон, что и на рис. 6. Кривые показывают значительное различие в распределении скорости и направле­ния ветра в январе и июле. Как видно на рисунке, севернее 20° с. ш. в январе преобладают западные ветры со средними максимальными скоростями более 340 км/час. В июле запад­ные ветры господствуют в тропосфере и нижней стратосфере до высот 18—20 км, а выше они переходят в восточные (на рисунке скорости показаны со знаком минус). В нижней термо­сфере ветры вновь становятся западными. Наоборот, зимой выше уровня мезопаузы западные ветры переходят в восточные.

На тех высотах, где падение температуры с высотой сме­няется изотермией или инверсией, обнаружены облака.
В верхней стратосфере на высотах 20—26 км при опреде­ленных условиях (очевидно, при резко выраженных инверсиях) возникают тонкие и неплотные, так называемые перла­мутровые облака, состоящие из кристалликов льда и пере­охлажденных капелек воды (рис. 8).

Облака обнаружены и на высоте около 80 км, т. е. там, где понижение температуры воздуха с высотой прекращается и начинается ее повышение (см. рис. 6). Здесь под инверсион­ным слоем в сумерки летом при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, ярко освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. Эти облака названы серебристыми (рис. 9).


Предполагается, что серебристые облака состоят из ледяных кристаллов. Они, как и перламутровые облака, по-видимому, возникают благодаря скоплению водяного пара над слоем инверсии температуры (И. А. Хвостиков). Роль ядер конденса­ции здесь, вероятно, играет космическая пыль. Уровень рас­положения серебристых облаков, очевидно, определяется за­держивающим слоем, образующимся в связи с повышением температуры с высотой при переходе из мезосферы в выше лежащий слой — термосферу.
Наблюдениями за серебристыми облаками установлено, что летом на их уровне ветры обладают большой изменчивостью. Скорости ветра колеблются в больших пределах (от 50—60 до нескольких сотен километров в час).
Термосфера. Выше мезосферы расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По данным, полученным с помощью ракет и косвенных мето­дов определения температуры, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км температура воздуха достигает 220—240°, а на уровне 200 км она превышает 500°. Выше тем­пература продолжает расти и на верхней границе термосферы, на уровне 700—800 км, превышает 1000°. Однако для высоких слоев атмосферы понятие «температура» приобретает иной смысл.
Известно, что температура газа определяется средней ско­ростью движения молекул. В нижней, плотной части атмо­сферы столкновение молекул происходит часто и кинетическая энергия их в среднем одна и та же. Если молекулы воздуха поглощают большое количество лучистой энергии, то они при­обретают большую кинетическую энергию и мгновенно проис­ходит обмен энергией между молекулами. Поэтому они обла­дают одинаковой кинетической энергией, а следовательно, и температурой.
В высоких слоях атмосферы, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энер­гии скорость молекул в промежутке между столкновениями их сильно изменяется; к тому же молекулы легких газов имеют большую скорость, чем молекулы тяжелых газов. Поэтому тем­пература этих газов может быть различной.
Чрезвычайно высокие температуры в термосфере свидетель­ствуют лишь о том, что в этой весьма неплотной среде редкие молекулы перемещаются с огромной скоростью. Тело, находя­щееся здесь, не ощущает даже температур 1000—2000°. В тер­мосфере сгорает, не долетая до поверхности земли, основная часть метеоритов.
Наиболее интересной особенностью атмосферы выше 60 км является ее ионизация, т. е. наличие в ней огромного количе­ства электрически заряженных частиц — ионов. Атмосфера становится электропроводной вследствие ионизации в тех слу­чаях, когда наблюдается наибольшая концентрация ионов. Так как ионизация характерна для термосферы, последнюю назы­вают также и ионосферой. Ионизация воздуха протекает под действием ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца.
Процесс ионизации наиболее интенсивно происходит в мощ­ных слоях, ограниченных высотами 60—80 и 320—400 км. В этих слоях существуют оптимальные условия для ионизация. Здесь плотность воздуха заметно больше, чем в верхней атмо­сфере, а поступление ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца достаточно для процесса ионизации.
По интенсивности процесса ионизации ионосфера делится на ряд слоев. Один из них (слой Е) находится на высоте около 100 км, слои F1 и F2— соответственно на высотах 150—180 и 220—400 км. В слое 60—80 км, т. е. в верхней мезосфере (слой D), процесс ионизации происходит слабее.
Отличительной особенностью ионосферы является ее влияние на распространение радиоволн. В ионизированных слоях радиоволны преломляются, отражаются и поглощаются.
Слой D распространяется до уровня 80 км. Здесь длинные радиоволны поглощаются больше, чем отражаются, что объяс­няется большей плотностью этого слоя. Остальные ионосферные слои (Е, F1 и F2) отражают преимущественно средние и корот­кие радиоволны, особенно слой F2, располагающийся на уровне 220—400 км.
Сильное поглощение коротких радиоволн в ионосфере вы­зывает нарушение радиосвязи. Это явление связано с измене­нием солнечной активности. На Солнце временами возникают солнечные пятна, сопровождающиеся усилением ультрафиоле­тового излучения. При этих процессах увеличивается электрон­ная плотность ионосферы и поглощение радиоволн в дневные часы, приводящее к нарушению нормальной работы радио­связи на коротких волнах. Объясняется это тем, что при уси­лении излучения Солнца заряженные частицы (корпускулы) под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается их свечение. Так возникают полярные сияния, имеющие вид красивых многокра­сочных дуг и драпри, загорающихся в ночном небе преимуще­ственно в высоких широтах Земли. Полярные сияния сопро­вождаются сильными магнитными бурями.
Путем фотографирования полярных сияний из двух пунк­тов, находящихся на расстоянии нескольких десятков кило­метров, с большой точностью определяется высота сияния. Обычно нижний край полярных сияний располагается на вы­соте около 100 км, верхняя их часть обнаруживается на высоте нескольких сотен километров, а иногда на уровне около 1000 км.
Несмотря на выяснение природы полярных сияний, остается еще много нерешенных вопросов. До сих пор неизвестны при­чины многообразия форм полярных сияний, игры красок и пр.
При сильных магнитных бурях полярное сияние становится видимым и в средних широтах, а в редких случаях даже в тро­пической зоне. Интенсивное сияние, наблюдавшееся 21 — 22 января 1957 г., было видно почти во всех южных районах СССР.
В 50-х годах с помощью ракет и искусственных спутников Земли впервые удалось произвести зондирование ионосферы. Процессы, происходящие в ионосфере, изучаются и косвенными методами — по интенсивности и характеру таких явлений, как свечение ночного неба, полярные сияния и др.
Экзосфера — сфера рассеяния — самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она изучена менее всего. По данным, полученным с помощью косвенных методов наблюдений и теоретических расчетов, температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. В отличие от нижней ионосферы, в экзосфере газы настолько разрежены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.
Еще сравнительно недавно предполагали, что условная гра­ница атмосферы лежит на высоте около 1000 км. Однако по торможению искусственных спутников Земли установлено, что на высотах 700—800 км в 1 см3 содержится до 160 тысяч поло­жительных ионов атомарного кислорода и азота. Это указы­вает, что разреженные слои атмосферы простираются до вы­соты 2000 км и более.
На рис. 10 представлен схематический вертикальный разрез атмосферы; по вертикальной шкале отложены высота и давле­ние воздуха, сплошная кривая характеризует изменение тем­пературы воздуха с высотой. На соответствующих высотах изображены главнейшие явления, наблюдающиеся в атмо­сфере, а также максимальные высоты, достигнутые радиозондами и другими средствами зондирования атмосферы.

Газовый хвост Земли. При высоких температурах на ус­ловной границе атмосферы скорости молекул достигают при­близительно 12 км/сек. При таких скоростях частицы газов . постепенно уходят из области действия земного притяжения в межпланетное пространство. Это осуществляется в течение длительного времени. Так, например, частицы водорода, по­падая на высоты около 300 км, переходят в межпланетное про­странство в течение нескольких лет, а частицы гелия — в тече­ние миллионов лет. Более тяжелые газы уходят за пределы земной атмосферы еще медленнее.
Исследование ночного свечения неба показывает, что форма воздушной оболочки Земли не шарообразна: рукав чрезвы­чайно разреженных газов наподобие хвоста кометы тянется от внешних слоев земной атмосферы в плоскости эклиптики в неосвещенной стороне нашей планеты. Судя по спектру, газо­вый хвост Земли состоит из кислорода и азота.
Газовый хвост Земли, по-видимому, образуется в резуль­тате давления солнечных лучей на верхние слои атмосферы.
Всего несколько лет назад предполагали, что за пределами земной атмосферы, в межпланетном пространстве, газы очень разрежены и концентрация частиц в них не превышает несколь­ких единиц в 1 см3. В настоящее время установлено, что меж­планетное пространство является сравнительно плотной средой с концентрацией, равной сотням частиц в 1 см3. Однако меж­планетная среда, как и природа газового хвоста Земли, еще не достаточно изучена.

  • ← Методы исследования атмосферы
  • Энергия солнца →

Источник: collectedpapers.com.ua

Физические свойства

Толщина атмосферы — примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)·1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура — −140,7 °C; критическое давление — 3,7 МПа; Cp при 0 °C — 1,0048·103 Дж/(кг·К), Cv — 0,7159·103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %.

За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Строение атмосферы

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

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

Стратосфера

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

Стратопауза

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

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Граница атмосферы Земли

Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров[1]. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

Термосфера

Верхний предел — около 800 км. Температура растёт до высот 200—300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности — например, в 2008—2009 гг — происходит заметное уменьшение размеров этого слоя[2].

Термопауза

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

Экзосфера (сфера рассеяния)

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

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

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

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

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

Физиологические и другие свойства атмосферы

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

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

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

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

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

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад)[источник не указан 401 день]. На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов лет[источник не указан 326 дней] до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

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

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

Азот

Образование большого количества азота N2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О2, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.

Кислород

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

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.

Углекислый газ

Содержание в атмосфере СО2 зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего — от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4·1012 тонн[1]) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

Благородные газы

Источник инертных газов — аргона, гелия и криптона — вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом и атмосфера в частности обеднены инертными газами по сравнению с космосом. Считается, что причина этого заключена в непрерывной утечке газов в межпланетное пространство[источник не указан 326 дней].

Загрязнение атмосферы

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО2 потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО2 в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200—300 лет количество СО2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Сжигание топлива — основной источник и загрязняющих газов (СО, NO, SO2). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO3 в верхних слоях атмосферы, который в свою очередь взаимодействует с парами воды и аммиака, а образующиеся при этом серная кислота (Н2SO4) и сульфат аммония ((NH4)2SO4) возвращаются на поверхность Земли в виде т. н. кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец Pb(CH3CH2)4)).

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

См. также

  • Воздух
  • Небо
  • Диффузное излучение неба
  • Стандартная атмосфера
  • Список параметров атмосферы стандартной
  • Модель верхней атмосферы Земли
  • Jacchia (модель атмосферы)
  • Геохимический цикл углерода
  • Изменение климата
  • Загрязнение атмосферы
  • Озоновый слой
  • Парниковый эффект
  • Космическое пространство

Ссылки

  • Леса Мира как резервуар углерода

Источник: dic.academic.ru

Строение атмосферы Земли

Глядя на небо, особенно когда оно совершенно безоблачно, очень сложно даже предположить, что оно имеет такую сложную и многослойную структуру, что температура там на различных высотах очень сильно отличается, и что именно там, в высоте, происходят важнейшие процессы для всей флоры и фауны на Земле.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Если бы не такой сложный состав газового покрова планеты, то здесь бы просто не было никакой жизни и даже возможности для ее зарождения.

Первые попытки изучить эту часть окружающего мира были предприняты еще древними греками, но те не могли зайти в своих умозаключениях слишком далеко, так как не обладали необходимой технической базой. Они не видели границы разных слоев, не могли измерить их температуру, изучить компонентный состав и т. д.

В основном только погодные явления наталкивали самые прогрессивные умы на размышления о том, что видимое небо не такое простое, как кажется.

Считается, что структура современной газовой оболочки вокруг Земли образовалась в три этапа. Сначала была первичная атмосфера из водорода и гелия, захваченных из космического пространства.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Потом извержение вулканов наполнило воздух массой других частиц, и возникла вторичная атмосфера. После прохождения всех основных химических реакций и процессов релаксации частиц, возникла нынешняя ситуация.

Слои атмосферы по порядку от поверхности земли и их характеристика

Структура газовой оболочки планеты достаточно сложная и многообразная. Рассмотрим ее более подробно, постепенно дойдя на самых верхних уровней.

Тропосфера

Если не считать пограничный слой, тропосфера представляет собой самый нижний слой атмосферы. Простирается она на высоту приблизительно 8-10 км над поверхностью земли в полярных регионах, на 10-12 км в умеренном климате, а в тропических частях – на 16-18 километров.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Воздух тропосферы содержит в себе основную живительную силу для всего живого на земле. Здесь содержится около 80% от всего имеющегося атмосферного воздуха, более 90% водяного пара, именно здесь образуются облака, циклоны и прочие атмосферные явления.

Интересно отметить постепенное снижение температуры при поднятии от поверхности планеты. Ученые подсчитали, что на каждые 100 м высоты температура убывает примерно на 0,6-0,7 градусов.

Стратосфера

Следующий важнейший слой – стратосфера. Высота стратосферы составляет примерно 45-50 километров. Начинается она с 11 км и здесь уже преобладают отрицательные температуры, достигая целых -57°С.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Чем важен этот слой для человека, всех животных и растений? Именно здесь, на высоте 20-25 километров, находится озоновый слой – он задерживает ультрафиолетовые лучи, исходящие от солнца, и уменьшает их разрушительное воздействие на флору и фауну до приемлемого значения.

Очень интересно отметить, что стратосфера поглощает многие типы излучения, которые идут на землю от солнца, других звезд и космического пространства. Полученная энергия от этих частиц идет на ионизацию находящихся здесь молекул и атомов, появляются различные химические соединения.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Все это приводит к такому известному и красочному явлению, как северное сияние.

Мезосфера

Мезосфера начинается примерно с 50 и простирается до 90 километров. Градиент, или перепад температуры с изменением высоты, здесь уже не столь большой, как в нижних слоях. В верхних границах данной оболочки температура равна около -80°С. Состав этой области включает в себя примерно 80% азота, а также 20% кислорода.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Важно отметить, что мезосфера – своего рода мертвая зона для любых летательных устройств. Самолеты не могут здесь летать, так как воздух чрезмерно разрежен, спутники же на такой низкой высоте не летают, так как для них имеющаяся плотность воздуха очень большая.

Еще одна интересная характеристика мезосферы – именно здесь сгорают налетающие на планету метеориты. Изучение таких отдаленных от земли слоев происходит с помощью специальных ракет, но эффективность процесса невелика, поэтому изученность региона оставляет желать лучшего.

Термосфера

Сразу после рассмотренного слоя идет термосфера, высота в км которой простирается на целых 800 км. В некотором роде это уже почти открытый космос. Здесь наблюдается агрессивное воздействие космического излучения, радиации, солнечного излучения.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Все это порождает такое замечательное и красивое явление, как полярное сияние.

Самый низкий слой термосферы нагревается до температуры примерно 200 К и больше. Происходит это благодаря элементарным процессам между атомами и молекулами, их рекомбинацией и излучения.

Верхние слои же нагреваются благодаря протекающим здесь магнитным бурям, электрическим токам, которые при этом генерируются. Температура слоя неравномерна и может очень существенно колебаться.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

В термосфере происходит полет большинства искусственных спутников, баллистических тел, пилотируемых станций и т.д. Также здесь производятся испытания запусков разного рода оружия, ракет.

Экзосфера

Экзосфера, или как она еще называется сфера рассеяния, — это самый верхний уровень нашей атмосферы, ее предел, за которым следует межпланетное космическое пространство. Начинается экзосфера с высоты примерно в 800-1000 километров.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Плотные слои остались позади и здесь воздух предельно разрежен, любые попавшие со стороны частицы просто уносятся в космос в силу очень слабого действия силы гравитации.

Заканчивается данная оболочка на высоте приблизительно 3000-3500 км, и здесь уже почти нет никаких частиц. Данная зона называется ближнекосмическим вакуумом. Здесь преобладают не отдельные частицы в своем обычном состоянии, а плазма, чаще всего полностью ионизированная.

Значение атмосферы в жизни Земли

Вот так выглядят все основные уровни устройства атмосферы нашей планеты. Подробная ее схема может включать и другие регионы, но они имеют уже второстепенное значение.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Важно отметить, что атмосфера играет для жизни на Земле решающую роль. Много озона в ее стратосфере позволяют флоре и фауне спасаться от убийственного действия радиации и излучения из космоса.

Также именно здесь формируется погода, происходят все атмосферные явления, зарождаются и умирают циклоны, ветры, устанавливается то или иное давление. Все это имеет прямое воздействие на состояние человека, всех живых организмов и растений.

Ближайший слой, тропосфера, дает нам возможность дышать, насыщает кислородом все живое и позволяет ему жить. Даже небольшие отклонения в структуре и компонентном составе атмосферы способны самым пагубным образом повлиять на все живое.

Именно поэтому сейчас развернулась такая кампания против вредных выбросов от авто и производства, экологи бьют тревогу по поводу толщины озонного шара, партия Зелёных и ей подобные ратуют за максимальное сохранение природы. Только так можно продлить нормальную жизнь на земле и не сделать ее невыносимой в климатическом плане.

Источник: 1001student.ru

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы называется

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

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

Стратосфера

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

Стратопауза

Мезосфера

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. Линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Граница атмосферы Земли

Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

Термосфера

Термопауза

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

 

Экзосфера (сфера рассеяния)

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

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

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

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

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

Источник: meteoinfo.ru