Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.

  • 1 Физические свойства
  • 2 Строение атмосферы
    • 2.1 Тропосфера
    • 2.2 Тропопауза
    • 2.3 Стратосфера
    • 2.4 Стратопауза
    • 2.5 Мезосфера
    • 2.6 Мезопауза
    • 2.7 Линия Кармана
    • 2.8 Граница атмосферы Земли
    • 2.9 Термосфера
    • 2.10 Термопауза
    • 2.11 Экзосфера (сфера рассеяния)

  • 3 Физиологические и другие свойства атмосферы
  • 4 История образования атмосферы
    • 4.1 Азот
    • 4.2 Кислород
    • 4.3 Углекислый газ
    • 4.4 Благородные газы
    • 4.5 Загрязнение атмосферы
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Ссылки
  • 8 Литература

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].

iv>

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

Какие слои атмосферы входят в размер Земли

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

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

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

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

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

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

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

Атмосфера (от. греч. ατμός — «пар» и σφαῖρα — «сфера») — газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Атмосфера Земли содержит кислород, используемый большинством живых организмов для дыхания, и диоксид углерода, потребляемый растениями, водорослями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. Атмосфера также является защитным слоем планеты, защищая её обитателей от солнечного ультрафиолетового излучения.

Атмосфера есть у всех массивных тел — планет земного типа, газовых гигантов.

Состав атмосферы

Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), 0,038 % двуокиси углерода, и небольшое количество водорода, гелия, других благородных газов и загрязнителей.

Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО 2 примерно на 10-12 %.Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Начальный состав атмосферы планеты обычно зависит от химических и температурных свойств солнца в период формирования планет и последующего выхода внешних газов. Затем состав газовой оболочки эволюционирует под действием различных факторов.

Атмосфера Венеры и Марса в основном состоят из двуокиси углерода с небольшими добавлениями азота, аргона, кислорода и других газов. Земная атмосфера в большой степени является продуктом живущих в ней организмов. Низкотемпературные газовые гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — могут удерживать в основном газы с низкой молекулярной массой — водород и гелий. Высокотемпературные газовые гиганты, такие как Осирис или 51 Пегаса b, наоборот, не могут её удержать и молекулы их атмосферы рассеиваются в пространстве. Этот процесс протекает медленно, постоянно.

Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.

Кислород , в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода — окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.

Структура атмосферы

Структура атмосферы складывается из двух частей: внутренней- тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы, или ионосферы, и внешней — магнитосферы (экзосферы).

1)Тропосфера – это нижняя часть атмосферы, в которой сосредоточено 34 т.е. ~ 80% всей земной атмосферы. Её высота определяется интенсивностью вертикальных (восходящих или нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности и океана, поэтому толщина тропосферы на экваторе составляет 16 – 18 км, в умеренных широтах 10-11 км, а на полюсах – до 8 км. Температура воздуха в тропосфере на высоте понижается на 0,6ºС на каждые 100м и колеблется от +40 до — 50ºС.

2)Стратосфера находится выше тропосферы и имеет высоту до 50км от поверхности планеты. Температура на высоте до 30км постоянная -50ºС. Затем она начинает повышаться и на высоте 50 км достигает +10ºС.

Верхней границей биосферы являются озоновый экран.

Озоновый экран – это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющей максимальную плотность озона на высоте 20-26 км.

Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7 — 8 км, у экватора в 17-18км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Выше озонового экрана жизнь невозможна из-за жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца. Если спрессовать все молекулы озона, то получится слой ~ 3мм вокруг планеты.

3)Мезосфера – верхняя граница этого слоя располагается до высоты 80км. Главная её особенность – резкое понижение температуры -90ºС у её верхней границы. Здесь фиксируется серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.

4)Ионосфера (термосфера)- располагается до высоты 800 км и для неё характерно значительное повышение температуры:

150км температура +240ºС,

200км температура +500ºС,

600км температура +1500ºС.

Под действием ультрафиолетового излучения Солнца газы находятся в ионизированном состоянии. С ионизацией связано свечение газов и возникновение полярных сияний.

Ионосфера обладает способностью многократного отражения радиоволн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на планете.

5)Экзосфера – располагается выше 800км и простирается до 3000км. Здесь температура >2000ºС. Скорость движения газов приближается к критической ~ 11,2 км/сек. Господствуют атомы водорода и гелия, которые образуют вокруг Земли светящуюся корону, простирающуюся до высоты 20000км.

Функций атмосферы

1) Терморегулирующая – погода и климат на Земле зависит от распределения тепла, давления.

2) Жизнеобеспечивающая.

3) В тропосфере происходит глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс определяющий круговорот воды, теплообмен.

4) Практически все поверхности геологические процессы обусловлены взаимодействием атмосферы, литосферы и гидросферы.

5) Защитная – атмосфера защищает землю от космоса, солнечной радиации и метеоритной пыли.

Функции атмосферы . Без атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна. Человек ежедневно потребляет 12-15 кг. воздуха, вдыхая каждую минуту от 5 до 100л, что значительно превосходит среднесуточную потребность в пище и воде. Кроме того, атмосфера надежно оберегает человека от опасностей, угрожающих ему из космоса: не пропускает метеориты, космические излучения. Без пищи человек может прожить пять недель, без воды — пять дней, без воздуха — пять минут. Нормальная жизнедеятельность людей требует не только воздуха, но и определенной его чистоты. От качества воздуха воздуха зависят здоровье людей, состояние растительного и животного мира, прочность и долговечность конструкций зданий, сооружений. Загрязненный воздух губителен для вод, суши, морей, почв. Атмосфера определяет световой и регулирует тепловой режимы земли, способствует перераспределению тепла на земном шаре. Газовая оболочка предохраняет Землю от чрезмерного остывания и нагревания. Если бы наша планета не была бы окружена воздушной оболочкой, то в течение одних суток амплитуда колебаний температуры достигла бы 200 С. Атмосфера спасает все живущее на Земле от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Велико значение атмосферы в распределении света. Ее воздух разбивает солнечные лучи на миллион мелких лучей, рассеивает их и создает равномерное освещение. Атмосфера служит проводником звуков.

Состав атмосферы. Воздушная оболочка нашей планеты — атмосфера защищает земную поверхность от губительного воздействия на живые организмы ультрафиолетового излучения Солнца. Предохраняет она Землю и от космических частиц — пыли и метеоритов.

Состоит атмосфера из механической смеси газов: 78 % ее объема составляет азот, 21 % — кислород и менее 1 % — гелий, аргон, криптон и другие инертные газы. Количество кислорода и азота в воздухе практически неизменно, потому что азот почти не вступает в соединения с другими веществами, а кислород, который хотя и очень активен и расходуется на дыхание, окисление и горение, все время пополняется растениями.

До высоты примерно 100 км процентное соотношение этих газов остается практически неизменным. Это обусловлено тем, что воздух постоянно перемешивается.

Кроме названных газов в атмосфере содержится около 0,03 % углекислого газа, который обычно концентрируется вблизи от земной поверхности и размещается неравномерно: в городах, промышленных центрах и районах вулканической активности его количество возрастает.

В атмосфере всегда находится некоторое количество примесей — водяного пара и пыли. Содержание водяного пара зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем больше пара вмещает воздух. Благодаря наличию в воздухе парообразной воды возможны такие атмосферные явления, как радуга, рефракция солнечных лучей и т. п.

Пыль в атмосферу поступает во время вулканических извержений, песчаных и пыльных бурь, при неполном сгорании топлива на ТЭЦ и т. д.

Строение атмосферы. Плотность атмосферы меняется с высотой: у поверхности Земли она наивысшая, с поднятием вверх уменьшается. Так, на высоте 5,5 км плотность атмосферы в 2 раза, а на высоте 11 км — в 4 раза меньше, чем в приземном слое.

В зависимости от плотности, состава и свойств газов атмосферу разделяют на пять концентрических слоев (рис. 34).

Рис. 34. Вертикальный разрез атмосферы (стратификация атмосферы)

1. Нижний слой называют тропосферой. Ее верхняя граница проходит на высоте 8-10 км на полюсах и 16-18 км — на экваторе. В тропосфере содержится до 80 % всей массы атмосферы и почти весь водяной пар.

Температура воздуха в тропосфере с высотой понижается на 0,6 °C через каждые 100 м и у верхней ее границы составляет -45-55 °C.

Воздух в тропосфере постоянно перемешивается, перемещается в разных направлениях. Только здесь наблюдаются туманы, дожди, снегопады, грозы, бури и другие погодные явления.

2. Выше расположена стратосфера, которая простирается до высоты 50-55 км. Плотность воздуха и давление в стратосфере незначительны. Разреженный воздух состоит из тех же газов, что и в тропосфере, но в нем больше озона. Наибольшая концентрация озона наблюдается на высоте 15-30 км. Температура в стратосфере повышается с высотой и на верхней границе ее достигает 0 °C и выше. Это объясняется тем, что озон поглощает коротковолновую часть солнечной энергии, в результате чего воздух нагревается.

3. Над стратосферой лежит мезосфера, простирающаяся до высоты 80 км. В ней температура вновь понижается и достигает -90 °C. Плотность воздуха там в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли.

4. Выше мезосферы располагается термосфера (от 80 до 800 км). Температура в этом слое повышается: на высоте 150 км до 220 °C; на высоте 600 км до 1500 °C. Газы атмосферы (азот и кислород) находятся в ионизированном состоянии. Под действием коротковолновой солнечной радиации отдельные электроны отрываются от оболочек атомов. В результате в данном слое — ионосфере возникают слои заряженных частиц. Самый плотный их слой находится на высоте 300-400 км. В связи с небольшой плотностью солнечные лучи там не рассеиваются, поэтому небо черное, на нем ярко светят звезды и планеты.

В ионосфере возникают полярные сияния, образуются мощные электрические токи, которые вызывают нарушения магнитного поля Земли.

5. Выше 800 км расположена внешняя оболочка — экзосфера. Скорость движения отдельных частиц в экзосфере приближается к критической — 11,2 мм/с, поэтому отдельные частицы могут преодолеть земное притяжение и уйти в мировое пространство.

Значение атмосферы. Роль атмосферы в жизни нашей планеты исключительно велика. Без нее Земля была бы мертва. Атмосфера предохраняет поверхность Земли от сильного нагревания и охлаждения. Ее влияние можно уподобить роли стекла в парниках: пропускать солнечные лучи и препятствовать отдаче тепла.

Атмосфера предохраняет живые организмы от коротковолновой и корпускулярной радиации Солнца. Атмосфера — среда, где происходят погодные явления, с которыми связана вся человеческая деятельность. Изучение этой оболочки производится на метеорологических станциях. Днем и ночью, в любую погоду метеорологи ведут наблюдения за состоянием нижнего слоя атмосферы. Четыре раза в сутки, а на многих станциях ежечасно измеряют температуру, давление, влажность воздуха, отмечают облачность, направление и скорость ветра, количество осадков, электрические и звуковые явления в атмосфере. Метеорологические станции расположены всюду: в Антарктиде и во влажных тропических лесах, на высоких горах и на необозримых просторах тундры. Ведутся наблюдения и на океанах со специально построенных кораблей.

С 30-х гг. XX в. начались наблюдения в свободной атмосфере. Стали запускать радиозонды, которые поднимаются на высоту 25-35 км, и при помощи радиоаппаратуры передают на Землю сведения о температуре, давлении, влажности воздуха и скорости ветра. В наше время широко используют также метеорологические ракеты и спутники. Последние имеют телевизионные установки, передающие изображение земной поверхности и облаков.

| |
5. Воздушная оболочка земли § 31. Нагревание атмосферы

Строение атмосферы Земли

Атмосфера – это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущимися вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает наша жизнь.

Своими атмосферами обладают почти все планеты нашей солнечной системы, но только земная атмосфера способна поддерживать жизнь.

Когда 4,5 миллиарда лет назад формировалась наша планета, то, по всей видимости, она была лишена атмосферы. Атмосфера была сформирована в результате вулканических выбросов водяного пара с примесями диоксида углерода, азота и других химических веществ из недр молодой планеты. Но атмосфера может содержать в себе ограниченное количество влаги, поэтому ее избыток в результате конденсации дал начало океанам. Но тогда атмосфера была лишена кислорода. Первые живые организмы, зародившиеся и развившиеся в океане, в результате реакции фотосинтеза (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2) стали выделять небольшие порции кислорода, который стал попадать в атмосферу.

Формирование кислорода в атмосфере Земли привело к образованию озонового слоя на высотах примерно 8 – 30 км. И, тем самым, наша планета приобрела защиту от губительного воздействия ультрафиолетового изучения. Это обстоятельство послужило толчком для дальнейшей эволюции жизненных форм на Земле, т.к. в результате усиления фотосинтеза количество кислорода в атмосфере стало стремительно расти, что способствовало формированию и поддержанию жизненных форм в том числе и на суше.

Сегодня наша атмосфера на 78,1% состоит из азота, на 21% из кислорода, на 0,9% из аргона, на 0,04% из диоксида углерода. Совсем малые доли по сравнению с основными газами составляют неон, гелий, метан, криптон.

На частицы газа, содержащиеся в атмосфере, действует сила притяжения Земли. А, учитывая то, что воздух сжимаем, то его плотность с высотой постепенно убывает, переходя в космическое пространство без четкой границы. Половина всей массы земной атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти – в нижних 10 км, девять десятых – в нижних 20 км. 99% массы атмосферы Земли сосредоточено ниже высоты 30 км, а это всего 0,5% экваториального радиуса нашей планеты.

На уровне моря число атомов и молекул на кубический сантиметр воздуха составляет около 2 * 10 19 , на высоте 600 км всего 2 * 10 7 . На уровне моря атом или молекула пролетает примерно 7 * 10 -6 см, прежде чем столкнуться с другой частицей. На высоте 600 км это расстояние составляет около 10 км. И на уровне моря каждую секунду происходит около 7 * 10 9 таких столкновений, на высоте 600 км – всего около одного в минуту!

Но не только давление меняется с высотой. Меняется и температура. Так, например, у подножия высокой горы может быть достаточно жарко, в то время как вершина горы покрыта снегом и температура там в то же время ниже нуля. А стоит подняться на самолете на высоту примерно 10–11 км, как можно услышать сообщение о том, что за бортом –50 градусов, в то время как у поверхности земли градусов на 60–70 теплее…

Изначально ученые предполагали, что температура с высотой убывает до тех пор, пока не достигает абсолютного нуля (-273,16°C). Но это не так.

Атмосфера Земли состоит из четырех слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера (термосфера). Такое деление на слои принято исходя и из данных об изменении температуры с высотой. Самый нижний слой, где температура воздуха падает с высотой, назвали тропосферой. Слой над тропосферой, где падение температуры прекращается, сменяется изотермией и, наконец, температура начинает повышаться, назвали стратосферой. Слой над стратосферой, в котором температура снова стремительно падает – это мезосфера. И, наконец, тот слой, где снова начинается рост температуры, назвали ионосферой или термосферой.

Тропосфера простирается в среднем в нижних 12 км. Именно в ней происходит формирование нашей погоды. Самые высокие облака (перистые) образуются в самых верхних слоях тропосферы. Температура в тропосфере с высотой понижается адиабатически, т.е. изменение температуры происходит вследствие убывания давления с высотой. Температурный профиль тропосферы во многом обусловлен поступающей к поверхности Земли солнечной радиацией. В результате нагрева поверхности Земли Солнцем формируются конвективные и турбулентные потоки, направленные верх, которые формируют погоду. Стоит заметить, что влияние подстилающей поверхности на нижние слои тропосферы распространяется до высоты примерно 1,5 км. Конечно, исключая горные районы.

Верхней границей тропосферы является тропопауза – изотермический слой. Вспомните характерный вид грозовых облаков, вершина которых представляет собой «выброс» перистых облаков, называемых «наковальней». Эта «наковальня» как раз и «растекается» под тропопаузой, т.к. из-за изотермии восходящие потоки воздуха значительно ослабевают, и облако перестает развиваться по вертикали. Но в особых, редких случаях, вершины кучево-дождевых облаков могут вторгаться в нижние слои стратосферы, преодолевая тропопаузу.

Высота тропопаузы зависит от географической широты. Так, на экваторе она находится на высоте примерно 16 км, и ее температура составляет около –80°C. На полюсах тропопауза расположена ниже – примерно на высоте 8 км. Летом ее температура здесь составляет –40°C, и –60°C зимой. Т.о., несмотря на более высокие температуры у поверхности Земли, тропическая тропопауза намного холоднее, чем у полюсов.

Источник: alluz.ru

Какой слой земной атмосферы самый низкий

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

Общие сведения

Под термином «атмосфера» понимают газовый слой, который окутывает нашу планету и многие другие небесные тела во Вселенной. Он образует оболочку, которая возвышается над Землей на несколько сотен километров. В составе присутствуют разнообразные газы, основным из которых является кислород.

Атмосфера характеризуется:

  • Неоднородностью с физической точки зрения.
  • Повышенной динамичностью.
  • Зависимостью от биологических факторов (высокая уязвимость в случае неблагоприятных явлений).

Основное влияние оказывают на состав и процессы его изменяющие, живые существа (включая, микроорганизмы). Эти процессы продолжаются с момента возникновения атмосферы – несколько миллиардов лет. Защитная оболочка планеты соприкасается с такими образованиями, как литосфера и гидросфера, верхние же границы определить с высокой точность сложно, ученые могут назвать только примерные значения. Атмосфера переходит в межпланетное пространство в экзосфере – на высоте
500-1000 км от поверхности нашей планеты, некоторые источники называют цифру в 3000 км.

Значение атмосферы для жизни на земле велико, так как она предохраняет планету от столкновения с космическими телами, обеспечивает оптимальные показатели для формирования и развития жизни в различных ее формах.
Состав защитной оболочки:

  • Азот – 78%.
  • Кислород – 20,9%.
  • Смесь газовая – 1,1% (эта часть образована такими веществами, как озон, аргон, неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон, углекислый газ, водяные пары).

Газовая смесь выполняет важную функцию – поглощение излишнего количества солнечной энергии. Состав атмосферы изменяются в зависимости от высоты – на высоте 65 км от поверхности Земли азота в ней будет содержаться
уже 86%, кислорода – всего 19%.

Состав атмосферы
Состав атмосферы

Составные элементы атмосферы

Разнообразный состав атмосферы Земли позволяет ей выполнять различные функции и оберегать жизнь на планете. Основные его элементы:

  • Углекислый газ (CO₂) – является неотъемлемым компонентом, задействованным в процессе питания растений (фотосинтезе). Выделяется он в атмосферу благодаря дыханию всех живых организмов, гниению и горению органических веществ. Если углекислый газ исчезнет, то вместе с ним перестанут существовать и растения.
  • Кислород (O₂) – обеспечивает оптимальную среду для жизни всех организмов на планете, обязателен для дыхания. С его исчезновением прекратиться жизнь для 99% организмов на планете.
  • Озон (O3) – газ, который выступает естественным поглотителем ультрафиолета, выделяемого солнечным излучением. Его излишки негативно влияют на живые организмы. Газ формирует особый слой в атмосфере —озоновый экран. Под влияние внешних условий и деятельности человека он начинает постепенно разрушаться, поэтому важно проводить мероприятия для восстановления озонового слоя нашей планеты, чтобы сохранить на ней жизнь.

Также в составе атмосферы присутствуют водяные пары – они определяют влажность воздуха. Процентное содержание этого компонента зависит от разных факторов. Влияние оказывают:

  • Показатели температуры воздуха.
  • Расположение местности (территория).
  • Сезонность.

Оказывает влияние на количество водяного пара и температура – если она низкая, то концентрация не превышает 1%, при повышенной – достигает показателей в 3-4%.
Дополнительно в составе земной атмосферы присутствуют твердые и жидкие примеси – сажа, пепел, морская соль, разнообразные микроорганизмы, пыль, капли воды.

Атмосфера: ее слои

Необходимо знать строение атмосферы земли по слоям, чтобы иметь полное представление о том, чем ценна для нас эта газовая оболочка. Они выделяются потому, что состав и плотность газовой смеси на разных высотах неодинаковы. Каждый из слоев отличается по химическому составу и выполняемым функциям. Расположить атмосферные слои земли по порядку следует так:

Тропосфера – располагается ближе остальных к земной поверхности. Высоты этого слоя достигают 16-18 км в тропических зонах и 9 км в среднем над полюсами. В этом слое концентрируется до 90% всего водяного пара. Именно в тропосфере происходит процесс образования облаков. Также здесь наблюдаются движение воздуха, турбулентность и конвекция. Температурные показатели различны и составляют от +45 до -65 градусов — в тропиках и на полюсах, соответственно. С повышением на 100 метров наблюдается понижение температуры на 0,6 градуса. Именно тропосфера по причине скопления водяного пара и воздуха отвечает за циклонические процессы. Соответственно, правильным ответом на вопрос, как называется слой атмосферы земли в котором развиваются циклоны и антициклоны будет название этого атмосферного слоя.

Стратосфера – этот слой располагается на высоте 11-50 км от поверхности планеты. В нижней его зоне температурные показатели стремятся к значениям в -55. В стратосфере имеется зона инверсии – граница между этим слоем и следующим, называемым мезосферой. Температурные показатели достигают значений в +1 градус. Самолеты летают в нижней зоне стратосферы.

Озоновый слой – небольшой по высоте участок на границе между стратосферой и мезосферой, но именно озоновый слой атмосферы предохраняет все живое на земле от действия ультрафиолета. Также он отделяет комфортные и благоприятные условия для существования живых организмов и суровые космические, где невозможно выжить без специальных условий даже бактериям. Образовался он в результате взаимодействия органических компонентов и кислорода, который контактирует с ультрафиолетовым излучением и вступает в фотохимическую реакцию, что позволяет получить газ под названием озон. Так как озон поглощает ультрафиолет, он способствует нагреву атмосферу, поддерживая оптимальные для жизни в ее привычном виде, условия. Соответственно, отвечать на вопрос: слой какого газа защищает землю от космической радиации и чрезмерного солнечного излучения, следует озон.

Рассматривая слои атмосферы по порядку от поверхности земли следует отметить, что следующей идет мезосфера. Она располагается на высоте 50-90 км от поверхности планеты. Температурные показатели – от 0 до -143 градусов (нижняя и верхняя границы). Она защищает Землю от метеоритов, которые сгорают, проходя через
нее – явление свечения воздуха. Давление газов в этой части атмосферы крайне маленькое, что не позволяет изучить мезосферу полностью, так как специальное оборудование, включая спутники или зонды, не могут там работать.

Термосфера – слой атмосферы, который располагается на высоте 100 км над уровнем моря. Это нижняя граница, которая носит название линия Кармана. Ученые условно определили, что здесь начинается космос. Непосредственная толщина термосферы достигает 800 км. Температурные показатели достигают 1800 градусов, но сохранить обшивку космических аппаратов и ракет в целости позволяет незначительная концентрация воздуха. В этом слое земной атмосферы возникает особое
явление — северное сияние – особый вид свечения, который можно наблюдать в некоторых регионах планеты. Появляются они вследствие взаимодействия нескольких факторов — ионизации воздуха и действия на него космического излучения и радиации.

Какой слой атмосферы находится дальше всего от земли – Экзосфера. Здесь находится зона рассеивания воздуха, так как концентрация газов небольшая, в результате чего происходит их постепенный выход за пределы атмосферы. Этот слой располагается на высоте 700 км над поверхностью Земли. Основной элемент, составляющий этого слоя – водород. В атомарном состоянии можно встретить такие вещества, как кислород или азот, которые будут сильно ионизированы солнечным излучением.
Размеры экзосферы Земли достигают 100 тысяч км от планеты.

Состав атмосферы Земли
Состав атмосферы Земли

Интересные сведения и научные факты

Изучая слои атмосферы по порядку от поверхности земли, люди получили много ценной информации, которая помогает в развитии и совершенствовании технологических возможностей. Некоторые факты являются удивительными, но именно их наличие позволило живым организмам успешно развиваться.

Известно, что вес атмосферы составляет более 5 квадриллионов тонн. Слои способны передавать звуки до достижения 100 км от поверхности планеты, выше это свойство исчезает, так как изменяется состав газов.
Атмосферные движения существуют, потому что нагрев Земли различается. Поверхность на полюсах холодная, а ближе к тропикам прогрев увеличивается, на температурные показатели оказывают влияние циклонические вихри, сезоны, время суток. Силу давления атмосферы можно узнать – для этой цели используется барометр. Ученые в результате наблюдений установили, что наличие защитных слоев позволяет не допустить контакта с поверхностью планеты метеоритов общей массой 100 тонн ежедневно.

Интересным фактом является то, что состав воздуха (смесь газов в слоях) оставалась неизменной на протяжении длительного временного промежутка – известно о нескольких сотнях миллионов лет. Значительные изменения происходят в последние столетия – с того момента, как человечество переживает значительный подъем производства.

Давление, оказываемое атмосферой, отражается на самочувствии людей. Нормальными для 90% считаются показатели в 760 мм ртутного столба, такое значение должно возникать при 0 градусов. Нужно учитывать, что это значение справедливо для тех участков земной суши, где уровень моря проходит с ней в одной полосе (без перепадов). Чем больше высота, тем ниже будет давление. Также оно изменяется во время прохождения циклонов, так как изменения происходят не только по вертикали, но и по горизонтали.

Физиологическая зона земной атмосферы составляет 5 км, после прохождения этой отметки у человека начинает проявляться особое состояние — кислородное голодание. При этом процессе у 95% людей наблюдается выраженное снижение работоспособности, также значительно ухудшается самочувствие даже у подготовленного и тренированного человека.

Именно поэтому значение атмосферы для жизни на земле велико – люди и большинство живых организмов не смогут существовать без этой газовой смеси. Благодаря их наличию появилась возможность развития привычной для современного общества жизни на Земле. Необходимо оценивать ущерб, который наносится производственной деятельностью, проводить мероприятия по очистке воздуха, чтобы снизить концентрацию определенных видов газов и привнести те, которых недостаточно для нормального состава. Важно задуматься уже сейчас о дальнейших мерах сохранения и восстановления слоев атмосферы, чтобы сохранить оптимальные условия для будущих поколений.

 

Источник: CosmosPlanet.ru

Строение атмосферы

По вер­ти­ка­ли А. име­ет слои­стую струк­ту­ру, оп­ре­де­ляе­мую гл. обр. осо­бен­но­стя­ми вер­ти­каль­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры (рис.), ко­то­рое за­ви­сит от гео­гра­фич. по­ло­же­ния, се­зо­на, вре­ме­ни су­ток и т. д. Ниж­ний слой А. – тро­по­сфе­ра – ха­рак­те­ри­зу­ет­ся па­де­ни­ем темп-ры с вы­со­той (при­мер­но на 6 °C на 1 км), его вы­со­та от 8–10 км в по­ляр­ных ши­ро­тах до 16–18 км в тро­пи­ках. Бла­го­да­ря бы­ст­ро­му убы­ва­нию плот­но­сти воз­ду­ха с вы­со­той в тро­по­сфе­ре на­хо­дит­ся ок. 80% всей мас­сы А. Над тро­по­сфе­рой рас­по­ла­га­ет­ся стра­то­сфе­ра – слой, ко­то­рый ха­рак­те­ри­зу­ет­ся в об­щем по­вы­ше­ни­ем темп-ры с вы­со­той. Пе­ре­ход­ный слой ме­ж­ду тро­по­сфе­рой и стра­то­сфе­рой на­зы­ва­ет­ся тро­по­пау­зой. В ниж­ней стра­то­сфе­ре до уров­ня ок. 20 км темп-ра ма­ло ме­ня­ет­ся с вы­со­той (т. н. изо­тер­мич. об­ласть) и не­ред­ко да­же не­зна­чи­тель­но умень­ша­ет­ся. Вы­ше темп-ра воз­рас­та­ет из-за по­гло­ще­ния УФ-ра­диа­ции Солн­ца озо­ном, вна­ча­ле мед­лен­но, а с уров­ня 34–36 км – бы­ст­рее. Верх­няя гра­ни­ца стра­то­сфе­ры – стра­то­пау­за – рас­по­ло­же­на на выс. 50–55 км, со­от­вет­ст­вую­щей мак­си­му­му темп-ры (260–270 К). Слой А., рас­по­ло­жен­ный на выс. 55–85 км, где темп-ра сно­ва па­да­ет с вы­со­той, на­зы­ва­ет­ся ме­зо­сфе­рой, на его верх­ней гра­ни­це – ме­зо­пау­зе – темп-ра дос­ти­га­ет ле­том 150–160 К, а зи­мой 200–230 К. Над ме­зо­пау­зой на­чи­на­ет­ся тер­мо­сфе­ра – слой, ха­рак­те­ри­зую­щий­ся бы­ст­рым по­вы­ше­ни­ем темп-ры, дос­ти­гаю­щей на выс. 250 км зна­че­ний 800–1200 К. В тер­мо­сфе­ре по­гло­ща­ет­ся кор­пус­ку­ляр­ная и рент­ге­нов­ская ра­диа­ция Солн­ца, тор­мо­зят­ся и сго­ра­ют ме­тео­ры, по­это­му она вы­пол­ня­ет функ­цию за­щит­но­го слоя Зем­ли. Ещё вы­ше на­хо­дит­ся эк­зо­сфе­ра, от­ку­да ат­мо­сфер­ные га­зы рас­сеи­ва­ют­ся в ми­ро­вое про­стран­ст­во за счёт дис­си­па­ции и где про­ис­хо­дит по­сте­пен­ный пе­ре­ход от А. к меж­пла­нет­но­му про­стран­ст­ву.

Состав атмосферы

До выс. ок. 100 км А. прак­ти­че­ски од­но­род­на по хи­мич. со­ста­ву и ср. мо­ле­ку­ляр­ная мас­са воз­ду­ха (ок. 29) в ней по­сто­ян­на. Вбли­зи по­верх­но­сти Зем­ли А. со­сто­ит из азо­та (ок. 78,1% по объёму) и ки­сло­ро­да (ок. 20,9%), а так­же со­дер­жит ма­лые ко­ли­че­ст­ва ар­го­на, ди­ок­си­да уг­ле­ро­да (уг­ле­ки­сло­го га­за), не­она и др. по­сто­ян­ных и пе­ре­мен­ных ком­по­нен­тов (см. Воз­дух).

Кро­ме то­го, А. со­дер­жит не­боль­шие ко­ли­че­ст­ва озо­на, ок­си­дов азо­та, ам­миа­ка, ра­до­на и др. От­но­сит. со­дер­жа­ние осн. со­став­ляю­щих воз­ду­ха по­сто­ян­но во вре­ме­ни и од­но­род­но в раз­ных гео­гра­фич. рай­онах. Со­дер­жа­ние во­дя­но­го па­ра и озо­на пе­ре­мен­но в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни; не­смот­ря на ма­лое со­дер­жа­ние, их роль в ат­мо­сфер­ных про­цес­сах весь­ма су­ще­ст­вен­на.

Вы­ше 100–110 км про­ис­хо­дит дис­со­циа­ция мо­ле­кул ки­сло­ро­да, уг­ле­ки­сло­го га­за и во­дя­но­го па­ра, по­это­му мо­ле­ку­ляр­ная мас­са воз­ду­ха умень­ша­ет­ся. На выс. ок. 1000 км на­чи­на­ют пре­об­ла­дать лёг­кие га­зы – ге­лий и во­до­род, а ещё вы­ше А. Зем­ли по­сте­пен­но пе­ре­хо­дит в меж­пла­нет­ный газ.

Наи­бо­лее важ­ная пе­ре­мен­ная ком­по­нен­та А. – во­дя­ной пар, ко­то­рый по­сту­па­ет в А. при ис­па­ре­нии с по­верх­но­сти во­ды и влаж­ной поч­вы, а так­же пу­тём транс­пи­ра­ции рас­те­ния­ми. От­но­сит. со­дер­жа­ние во­дя­но­го па­ра ме­ня­ет­ся у зем­ной по­верх­но­сти от 2,6% в тро­пи­ках до 0,2% в по­ляр­ных ши­ро­тах. С вы­со­той оно бы­ст­ро па­да­ет, убы­вая на­по­ло­ви­ну уже на выс. 1,5–2 км. В вер­ти­каль­ном стол­бе А. в уме­рен­ных ши­ро­тах со­дер­жит­ся ок. 1,7 см «слоя оса­ж­дён­ной во­ды». При кон­ден­са­ции во­дя­но­го па­ра об­ра­зу­ют­ся об­ла­ка, из ко­то­рых вы­па­да­ют осад­ки ат­мо­сфер­ные в ви­де до­ж­дя, гра­да, сне­га.

Важ­ной со­став­ляю­щей ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха яв­ля­ет­ся озон, со­сре­до­то­чен­ный на 90% в стра­то­сфе­ре (ме­ж­ду 10 и 50 км), ок. 10% его на­хо­дит­ся в тро­по­сфе­ре. Озон обес­пе­чи­ва­ет по­гло­ще­ние жё­ст­кой УФ-ра­диа­ции (с дли­ной вол­ны ме­нее 290 нм), и в этом – его за­щит­ная роль для био­сфе­ры. Зна­че­ния об­ще­го со­дер­жа­ния озо­на ме­ня­ют­ся в за­ви­си­мо­сти от ши­ро­ты и се­зо­на в пре­де­лах от 0,22 до 0,45 см (тол­щи­на слоя озо­на при дав­ле­нии $p=$ 1 атм и темп-ре $T=$ 0 °C). В озо­но­вых ды­рах, на­блю­дае­мых вес­ной в Ан­тарк­ти­ке с нач. 1980-х гг., со­дер­жа­ние озо­на мо­жет па­дать до 0,07 см. Оно уве­ли­чи­ва­ет­ся от эк­ва­то­ра к по­лю­сам и име­ет го­до­вой ход с мак­си­му­мом вес­ной и ми­ни­му­мом осе­нью, при­чём ам­пли­ту­да го­до­во­го хо­да ма­ла в тро­пи­ках и рас­тёт к вы­со­ким ши­ро­там. Су­ще­ст­вен­ной пе­ре­мен­ной ком­по­нен­той А. яв­ля­ет­ся уг­ле­кис­лый газ, со­дер­жа­ние ко­то­ро­го в ат­мо­сфе­ре за по­след­ние 200 лет вы­рос­ло на 35%, что объ­яс­ня­ет­ся в осн. ан­тро­по­ген­ным фак­то­ром. На­блю­да­ет­ся его ши­рот­ная и се­зон­ная из­мен­чи­вость, свя­зан­ная с фо­то­син­те­зом рас­те­ний и рас­тво­ри­мо­стью в мор­ской во­де (со­глас­но за­ко­ну Ген­ри, рас­тво­ри­мость га­за в во­де умень­ша­ет­ся с рос­том её темп-ры).

Важ­ную роль в фор­ми­ро­ва­нии кли­ма­та пла­не­ты иг­ра­ет ат­мо­сфер­ный аэ­ро­золь – взве­шен­ные в воз­ду­хе твёр­дые и жид­кие час­ти­цы раз­ме­ром от не­сколь­ких нм до де­сят­ков мкм. Раз­ли­ча­ют­ся аэ­ро­зо­ли ес­те­ст­вен­но­го и ан­тро­по­ген­но­го про­ис­хо­ж­де­ния. Аэ­ро­золь об­ра­зу­ет­ся в про­цес­се га­зо­фаз­ных ре­ак­ций из про­дук­тов жиз­не­дея­тель­но­сти рас­те­ний и хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка, вул­ка­нич. из­вер­же­ний, в результате подъ­ё­ма пы­ли вет­ром с по­верх­но­сти пла­не­ты, осо­бен­но с её пус­тын­ных ре­гио­нов, а так­же об­ра­зу­ет­ся из кос­мич. пы­ли, по­па­даю­щей в верх­ние слои А. Бóльшая часть аэ­ро­зо­ля со­сре­до­то­че­на в тро­по­сфе­ре, аэ­ро­золь от вул­ка­нич. из­вер­же­ний об­ра­зу­ет т. н. слой Юн­ге на выс. ок. 20 км. Наи­боль­шее ко­ли­че­ст­во ан­тро­по­ген­но­го аэ­ро­зо­ля по­па­да­ет в А. в ре­зуль­та­те ра­бо­ты ав­то­транс­пор­та и ТЭЦ, хи­мич. про­из­водств, сжи­га­ния то­п­ли­ва и др. Поэтому в не­ко­то­рых рай­онах со­став А. за­мет­но от­ли­ча­ет­ся от обыч­но­го воз­ду­ха, что по­тре­бо­ва­ло соз­да­ния спец. служ­бы на­блю­де­ний и кон­тро­ля за уров­нем за­гряз­не­ния ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха.

Эволюция атмосферы

Совр. А. име­ет, по-ви­ди­мо­му, вто­рич­ное про­ис­хо­ж­де­ние: она об­ра­зо­ва­лась из га­зов, вы­де­лен­ных твёр­дой обо­лоч­кой Зем­ли по­сле за­вер­ше­ния фор­ми­ро­ва­ния пла­не­ты ок. 4,5 млрд. лет на­зад. В те­че­ние гео­ло­гич. ис­то­рии Зем­ли А. пре­тер­пе­ва­ла зна­чит. из­ме­не­ния сво­его со­ста­ва под влия­ни­ем ря­да фак­то­ров: дис­си­па­ции (уле­ту­чи­ва­ния) га­зов, пре­им. бо­лее лёг­ких, в кос­мич. про­стран­ст­во; вы­де­ле­ния га­зов из ли­то­сфе­ры в ре­зуль­та­те вул­ка­нич. дея­тель­но­сти; хи­мич. ре­ак­ций ме­ж­ду ком­по­нен­та­ми А. и по­ро­да­ми, сла­гаю­щи­ми зем­ную ко­ру; фо­то­хи­мич. ре­ак­ций в са­мой А. под влия­ни­ем сол­неч­но­го УФ-из­лу­че­ния; ак­кре­ции (за­хва­та) ма­те­рии меж­пла­нет­ной сре­ды (напр., ме­те­ор­но­го ве­ще­ст­ва). Раз­ви­тие А. тес­но свя­за­но с гео­ло­гич. и гео­хи­мич. про­цес­са­ми, а по­след­ние 3–4 млрд. лет так­же с дея­тель­но­стью био­сфе­ры. Зна­чит. часть га­зов, со­став­ляю­щих совр. А. (азот, уг­ле­кис­лый газ, во­дя­ной пар), воз­ник­ла в хо­де вул­ка­нич. дея­тель­но­сти и ин­тру­зии, вы­но­сив­шей их из глу­бин Зем­ли. Ки­сло­род поя­вил­ся в за­мет­ных ко­ли­че­ст­вах ок. 2 млрд. лет то­му на­зад как ре­зуль­тат дея­тель­но­сти фо­то­син­те­зи­рую­щих ор­га­низ­мов, пер­во­на­чаль­но за­ро­див­ших­ся в по­верх­но­ст­ных во­дах океа­на.

По дан­ным о хи­мич. со­ста­ве кар­бо­нат­ных от­ло­же­ний по­лу­че­ны оцен­ки ко­ли­че­ст­ва уг­ле­ки­сло­го га­за и ки­сло­ро­да в А. гео­ло­ги­чес­ко­го про­шло­го. На про­тя­же­нии фа­не­ро­зоя (по­след­ние 570 млн. лет ис­то­рии Зем­ли) ко­ли­че­ст­во уг­ле­ки­с­ло­го га­за в А. из­ме­ня­лось в ши­ро­ких пре­де­лах в со­от­вет­ст­вии с уров­нем вул­ка­нич. ак­тив­но­сти, темп-рой океа­на и уров­нем фо­то­син­те­за. Боль­шую часть это­го вре­ме­ни кон­цен­тра­ция уг­ле­ки­сло­го га­за в А. бы­ла зна­чи­тель­но вы­ше со­вре­мен­ной (до 10 раз). Ко­ли­че­ст­во ки­с­ло­ро­да в А. фа­не­ро­зоя су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­лось, при­чём пре­об­ла­да­ла тен­ден­ция к его уве­ли­че­нию. В А. до­кем­брия мас­са уг­ле­ки­сло­го га­за бы­ла, как пра­ви­ло, боль­ше, а мас­са ки­сло­ро­да – мень­ше по срав­не­нию с А. фа­не­ро­зоя. Ко­ле­ба­ния ко­ли­че­ст­ва уг­ле­ки­сло­го га­за ока­зы­ва­ли в про­шлом су­ще­ст­вен­ное влия­ние на кли­мат, уси­ли­вая пар­ни­ко­вый эф­фект при рос­те кон­цен­тра­ции уг­ле­ки­сло­го га­за, бла­го­да­ря че­му кли­мат на про­тя­же­нии осн. час­ти фа­не­ро­зоя был го­раз­до те­п­лее по срав­не­нию с совр. эпо­хой.

Атмосфера и жизнь

Без А. Зем­ля бы­ла бы мёрт­вой пла­не­той. Ор­га­нич. жизнь про­те­ка­ет в тес­ном взаи­мо­дей­ст­вии с А. и свя­зан­ны­ми с ней кли­ма­том и по­го­дой. Не­зна­чи­тель­ная по мас­се по срав­не­нию с пла­не­той в це­лом (при­мер­но мил­ли­он­ная часть), А. яв­ля­ет­ся не­пре­мен­ным ус­ло­ви­ем для всех форм жиз­ни. Наи­боль­шее зна­че­ние из ат­мо­сфер­ных га­зов для жиз­не­дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов име­ют ки­сло­род, азот, во­дя­ной пар, уг­ле­кис­лый газ, озон. При по­гло­ще­нии уг­ле­ки­сло­го га­за фо­то­син­те­зи­рую­щи­ми рас­те­ния­ми соз­да­ёт­ся ор­га­нич. ве­ще­ст­во, ис­поль­зуе­мое как ис­точ­ник энер­гии по­дав­ляю­щим боль­шин­ст­вом жи­вых су­ществ, вклю­чая че­ло­ве­ка. Кис­лород не­об­хо­дим для су­ще­ст­во­ва­ния аэроб­ных ор­га­низ­мов, для ко­то­рых при­ток энер­гии обес­пе­чи­ва­ет­ся ре­ак­ция­ми окис­ле­ния ор­га­нич. ве­ще­ст­ва. Азот, ус­ваи­вае­мый не­ко­то­ры­ми мик­ро­ор­га­низ­ма­ми (азо­то­фик­са­то­ра­ми), не­об­хо­дим для ми­нер. пи­та­ния рас­те­ний. Озон, по­гло­щаю­щий жё­ст­кое УФ-из­лу­че­ние Солн­ца, зна­чи­тель­но ос­лаб­ля­ет эту вред­ную для жиз­ни часть сол­неч­ной ра­диа­ции. Кон­ден­са­ция во­дя­но­го па­ра в А., об­ра­зо­ва­ние об­ла­ков и по­сле­дую­щее вы­па­де­ние ат­мо­сфер­ных осад­ков по­став­ля­ют на су­шу во­ду, без ко­то­рой не­воз­мож­ны ни­ка­кие фор­мы жиз­ни. Жиз­не­дея­тель­ность ор­га­низ­мов в гид­ро­сфе­ре во мно­гом оп­ре­де­ля­ет­ся ко­ли­че­ст­вом и хи­мич. со­ста­вом ат­мо­сфер­ных га­зов, рас­тво­рён­ных в во­де. По­сколь­ку хи­мич. со­став А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов, био­сфе­ру и А. мож­но рас­смат­ри­вать как часть еди­ной сис­те­мы, под­дер­жа­ние и эво­лю­ция ко­то­рой (см. Био­гео­хи­ми­че­ские цик­лы) име­ла боль­шое зна­че­ние для из­ме­не­ния со­ста­ва А. на про­тя­же­нии ис­то­рии Зем­ли как пла­не­ты.

Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы

Сол­неч­ная ра­диа­ция яв­ля­ет­ся прак­ти­че­ски единств. ис­точ­ни­ком энер­гии для всех фи­зич. про­цес­сов в А. Глав­ная осо­бен­ность ра­ди­ац. ре­жи­ма А. – т. н. пар­ни­ко­вый эф­фект: А. дос­та­точ­но хо­ро­шо про­пус­ка­ет к зем­ной по­верх­но­сти сол­неч­ную ра­диа­цию, но ак­тив­но по­гло­ща­ет те­п­ло­вое длин­но­вол­но­вое из­лу­че­ние зем­ной по­верх­но­сти, часть ко­то­ро­го воз­вра­ща­ет­ся к по­верх­но­сти в фор­ме встреч­но­го из­лу­че­ния, ком­пен­си­рую­ще­го ра­ди­ац. по­те­рю те­п­ла зем­ной по­верх­но­стью (см. Ат­мос­фер­ное из­лу­че­ние). В от­сут­ст­вие А. ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти бы­ла бы –18 °C, в дей­ст­ви­тель­но­сти она 15 °C. При­хо­дя­щая сол­неч­ная ра­диа­ция час­тич­но (ок. 20%) по­гло­ща­ет­ся в А. (гл. обр. во­дя­ным па­ром, ка­п­ля­ми во­ды, уг­ле­кис­лым га­зом, озо­ном и аэ­ро­зо­ля­ми), а так­же рас­сеи­ва­ет­ся (ок. 7%) на час­ти­цах аэ­ро­зо­ля и флук­туа­ци­ях плот­но­сти (рэ­ле­ев­ское рас­сея­ние). Сум­мар­ная ра­диа­ция, дос­ти­гая зем­ной по­верх­но­сти, час­тич­но (ок. 23%) от­ра­жа­ет­ся от неё. Ко­эф. от­ра­же­ния оп­ре­де­ля­ет­ся от­ра­жат. спо­соб­но­стью под­сти­лаю­щей по­верх­но­сти, т. н. аль­бе­до. В сред­нем аль­бе­до Зем­ли для ин­те­граль­но­го по­то­ка сол­неч­ной ра­диа­ции близ­ко к 30%. Оно ме­ня­ет­ся от не­сколь­ких про­цен­тов (су­хая поч­ва и чер­но­зём) до 70–90% для свеже­вы­пав­ше­го сне­га. Ра­ди­ац. те­п­ло­об­мен ме­ж­ду зем­ной по­верх­но­стью и А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от аль­бе­до и оп­ре­де­ля­ет­ся эф­фек­тив­ным из­лу­че­ни­ем по­верх­но­сти Зем­ли и по­гло­щён­ным ею про­ти­во­из­лу­че­ни­ем А. Ал­геб­ра­ич. сум­ма по­то­ков ра­диа­ции, вхо­дя­щих в зем­ную ат­мо­сфе­ру из кос­мич. про­стран­ст­ва и ухо­дя­щих из неё об­рат­но, на­зы­ва­ет­ся ра­диа­ци­он­ным ба­лан­сом.

Пре­об­ра­зо­ва­ния сол­неч­ной ра­диа­ции по­сле её по­гло­ще­ния А. и зем­ной по­верх­но­стью оп­ре­де­ля­ют те­п­ло­вой ба­ланс Зем­ли как пла­не­ты. Гл. ис­точ­ник те­п­ла для А. – зем­ная по­верх­ность; те­п­ло­та от неё пе­ре­да­ёт­ся не толь­ко в ви­де длин­но­вол­но­во­го из­лу­че­ния, но и пу­тём кон­век­ции, а так­же вы­де­ля­ет­ся при кон­ден­са­ции во­дя­но­го па­ра. До­ли этих при­то­ков те­п­ло­ты рав­ны в ср. 20%, 7% и 23% со­от­вет­ст­вен­но. Сю­да же до­бав­ля­ет­ся ок. 20% те­п­ло­ты за счёт по­гло­ще­ния пря­мой сол­неч­ной ра­диа­ции. По­ток сол­неч­ной ра­диа­ции за еди­ни­цу вре­ме­ни че­рез еди­нич­ную пло­щад­ку, пер­пен­ди­ку­ляр­ную сол­неч­ным лу­чам и рас­по­ло­жен­ную вне А. на ср. рас­стоя­нии от Зем­ли до Солн­ца (т. н. сол­неч­ная по­сто­ян­ная), ра­вен 1367 Вт/м2, из­ме­не­ния со­став­ля­ют 1–2 Вт/м2 в за­ви­си­мо­сти от цик­ла сол­неч­ной ак­тив­но­сти. При пла­не­тар­ном аль­бе­до ок. 30% средний по вре­ме­ни гло­баль­ный при­ток сол­неч­ной энер­гии к пла­не­те со­став­ля­ет 239 Вт/м2. По­сколь­ку Зем­ля как пла­не­та ис­пус­ка­ет в кос­мос в сред­нем та­кое же ко­ли­че­ст­во энер­гии, то, со­глас­но за­ко­ну Сте­фа­на – Больц­ма­на, эф­фек­тив­ная темп-ра ухо­дя­ще­го те­п­ло­во­го длин­но­вол­но­во­го из­лу­че­ния 255 К (–18 °C). В то же вре­мя ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти со­став­ля­ет 15 °C. Раз­ни­ца в 33 °C воз­ни­ка­ет за счёт пар­ни­ко­во­го эф­фек­та.

Вод­ный ба­ланс А. в це­лом со­от­вет­ст­ву­ет ра­вен­ст­ву ко­ли­че­ст­ва вла­ги, ис­па­рив­шей­ся с по­верх­но­сти Зем­ли, ко­ли­че­ст­ву осад­ков, вы­па­даю­щих на зем­ную по­верх­ность. А. над океа­на­ми по­лу­ча­ет боль­ше вла­ги от про­цес­сов ис­па­ре­ния, чем над су­шей, а те­ря­ет в ви­де осад­ков 90%. Из­бы­ток во­дя­но­го па­ра над океа­на­ми пе­ре­но­сит­ся на кон­ти­нен­ты воз­душ­ны­ми по­то­ка­ми. Ко­ли­че­ст­во во­дя­но­го па­ра, пе­ре­но­си­мо­го в А. с океа­нов на кон­ти­нен­ты, рав­но объ­ё­му сто­ка рек, впа­даю­щих в океа­ны.

Движение воздуха

Зем­ля име­ет ша­ро­об­раз­ную фор­му, по­это­му к её вы­со­ким ши­ро­там при­хо­дит го­раз­до мень­ше сол­неч­ной ра­диа­ции, чем к тро­пи­кам. Вслед­ст­вие это­го ме­ж­ду ши­ро­та­ми воз­ни­ка­ют боль­шие тем­пе­ра­тур­ные кон­т­расты. На рас­пре­де­ле­ние темп-ры в су­ще­ст­вен­ной ме­ре влия­ет так­же вза­им­ное рас­по­ло­же­ние океа­нов и кон­ти­нен­тов. Из-за боль­шой мас­сы океа­нич. вод и вы­со­кой те­п­ло­ём­ко­сти во­ды се­зон­ные ко­ле­ба­ния темп-ры по­верх­но­сти океа­на зна­чи­тель­но мень­ше, чем су­ши. В свя­зи с этим в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха над океа­на­ми ле­том за­мет­но ни­же, чем над кон­ти­нен­та­ми, а зи­мой – вы­ше.

Не­оди­на­ко­вый ра­зо­грев А. в раз­ных об­лас­тях зем­но­го ша­ра вы­зы­ва­ет не­од­но­род­ное по про­стран­ст­ву рас­пре­де­ле­ние ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния. На уров­не мо­ря рас­пре­де­ле­ние дав­ле­ния ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­но­си­тель­но низ­ки­ми зна­че­ния­ми вбли­зи эк­ва­то­ра, уве­ли­че­ни­ем в суб­тро­пи­ках (по­ясá вы­со­ко­го дав­ле­ния) и по­ни­же­ни­ем в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах. При этом над ма­те­ри­ка­ми вне­тро­пич. ши­рот дав­ле­ние зи­мой обыч­но по­вы­ше­но, а ле­том по­ни­же­но, что свя­за­но с рас­пре­де­ле­ни­ем темп-ры. Под дей­ст­ви­ем гра­ди­ен­та дав­ле­ния воз­дух ис­пы­ты­ва­ет ус­ко­ре­ние, на­прав­лен­ное от об­лас­тей с вы­со­ким дав­ле­ни­ем к об­лас­тям с низ­ким, что при­во­дит к пе­ре­ме­ще­нию масс воз­ду­ха. На дви­жу­щие­ся воз­душ­ные мас­сы дей­ст­ву­ют так­же от­кло­няю­щая си­ла вра­ще­ния Зем­ли (си­ла Ко­рио­ли­са), си­ла тре­ния, убы­ваю­щая с вы­со­той, а при кри­во­ли­ней­ных тра­ек­то­ри­ях и цен­тро­беж­ная си­ла. Боль­шое зна­че­ние име­ет тур­бу­лент­ное пе­ре­ме­ши­ва­ние воз­ду­ха (см. Тур­бу­лент­ность в ат­мос­фе­ре).

С пла­не­тар­ным рас­пре­де­ле­ни­ем дав­ле­ния свя­за­на слож­ная сис­те­ма воз­душ­ных те­че­ний (об­щая цир­ку­ля­ция ат­мо­сфе­ры). В ме­ри­дио­наль­ной плос­ко­сти в сред­нем про­сле­жи­ва­ют­ся две или три ячей­ки ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции. Вбли­зи эк­ва­то­ра на­гре­тый воз­дух под­ни­ма­ет­ся и опус­ка­ет­ся в суб­тро­пи­ках, об­ра­зуя ячей­ку Хэд­ли. Там же опус­ка­ет­ся воз­дух об­рат­ной ячей­ки Фер­ре­ла. В вы­со­ких ши­ро­тах час­то про­сле­жи­ва­ет­ся пря­мая по­ляр­ная ячей­ка. Ско­ро­сти ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции по­ряд­ка 1 м/с или мень­ше. Из-за дей­ст­вия си­лы Ко­рио­ли­са в боль­шей час­ти А. на­блю­да­ют­ся зап. вет­ры со ско­ро­стя­ми в сред­ней тро­по­сфе­ре ок. 15 м/с. Су­ще­ст­ву­ют срав­ни­тель­но ус­той­чи­вые сис­те­мы вет­ров. К ним от­но­сят­ся пас­са­ты – вет­ры, дую­щие от поя­сов вы­со­ко­го дав­ле­ния в суб­тро­пи­ках к эк­ва­то­ру с за­мет­ной вост. со­став­ляю­щей (с во­сто­ка на за­пад). Дос­та­точ­но ус­той­чи­вы мус­соны – воз­душ­ные те­че­ния, имею­щие чёт­ко вы­ра­жен­ный се­зон­ный ха­рак­тер: они ду­ют с океа­на на ма­те­рик ле­том и в про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нии зи­мой. Осо­бен­но ре­гу­ляр­ны мус­со­ны Ин­дий­ско­го ок. В сред­них ши­ро­тах дви­же­ние воз­душ­ных масс име­ет в осн. зап. на­прав­ле­ние (с за­па­да на вос­ток). Это зо­на атмо­сфер­ных фрон­тов, на ко­то­рых воз­ни­ка­ют круп­ные вих­ри – ци­кло­ны и ан­ти­ци­кло­ны, ох­ва­ты­ваю­щие мн. сот­ни и да­же ты­ся­чи ки­ло­мет­ров. Ци­кло­ны воз­ни­ка­ют и в тро­пи­ках; здесь они от­ли­ча­ют­ся мень­ши­ми раз­ме­ра­ми, но очень боль­ши­ми ско­ро­стя­ми вет­ра, дос­ти­гаю­ще­го ура­ган­ной си­лы (33 м/с и бо­лее), т. н. тро­пи­че­ские ци­кло­ны. В Ат­лан­ти­ке и на вос­то­ке Ти­хо­го ок. они на­зы­вают­ся ура­га­на­ми, а на за­па­де Ти­хо­го ок. – тай­фу­на­ми. В верх­ней тро­по­сфе­ре и ниж­ней стра­то­сфе­ре в об­лас­тях, раз­де­ляю­щих пря­мую ячей­ку ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции Хэд­ли и об­рат­ную ячей­ку Фер­ре­ла, час­то на­блю­да­ют­ся срав­ни­тель­но уз­кие, в сот­ни ки­ло­мет­ров ши­ри­ной, струй­ные те­че­ния с рез­ко очер­чен­ны­ми гра­ни­ца­ми, в пре­де­лах ко­то­рых ве­тер дос­ти­га­ет 100–150 и да­же 200 м/с.

Климат и погода

Раз­ли­чие в ко­ли­че­ст­ве сол­неч­ной ра­диа­ции, при­хо­дя­щей на раз­ных ши­ро­тах к раз­но­об­раз­ной по фи­зич. свой­ст­вам зем­ной по­верх­но­сти, оп­ре­де­ля­ет мно­го­об­ра­зие кли­ма­тов Зем­ли. От эк­ва­то­ра до тро­пич. ши­рот темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в ср. 25–30 °C и ма­ло ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да. В эк­ва­то­ри­аль­ном поя­се обыч­но вы­па­да­ет мно­го осад­ков, что соз­да­ёт там ус­ло­вия из­бы­точ­но­го ув­лаж­не­ния. В тро­пич. поя­сах ко­ли­че­ст­во осад­ков умень­ша­ет­ся и в ря­де об­лас­тей ста­но­вит­ся очень ма­лым. Здесь рас­по­ла­га­ют­ся об­шир­ные пус­ты­ни Зем­ли.

В суб­тро­пич. и сред­них ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха зна­чи­тель­но ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да, при­чём раз­ни­ца ме­ж­ду темп-ра­ми ле­та и зи­мы осо­бен­но ве­ли­ка в уда­лён­ных от океа­нов об­лас­тях кон­ти­нен­тов. Так, в не­ко­то­рых рай­онах Вост. Си­би­ри го­до­вая ам­пли­ту­да темп-ры воз­ду­ха дос­ти­га­ет 65 °C. Ус­ло­вия ув­лаж­не­ния в этих ши­ро­тах весь­ма раз­но­об­раз­ны, за­ви­сят в осн. от ре­жи­ма об­щей цир­ку­ля­ции А. и су­ще­ст­вен­но ме­ня­ют­ся от го­да к го­ду.

В по­ляр­ных ши­ро­тах темп-ра ос­та­ёт­ся низ­кой в те­че­ние все­го го­да, да­же при на­ли­чии её за­мет­но­го се­зон­но­го хо­да. Это спо­соб­ст­ву­ет ши­ро­ко­му рас­про­стра­не­нию ле­до­во­го по­кро­ва на океа­нах и су­ше и мно­го­лет­не­мёрз­лых по­род, за­ни­маю­щих в Рос­сии св. 65% её пло­ща­ди, в осн. в Си­би­ри.

За по­след­ние де­ся­ти­ле­тия ста­ли всё бо­лее за­мет­ны из­ме­не­ния гло­баль­но­го кли­ма­та. Темп-ра по­вы­ша­ет­ся боль­ше в вы­со­ких ши­ро­тах, чем в низ­ких; боль­ше зи­мой, чем ле­том; боль­ше но­чью, чем днём. За 20 в. ср.-го­до­вая темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в Рос­сии вы­рос­ла на 1,5–2 °C, при­чём в отд. рай­онах Си­би­ри на­блю­да­ет­ся по­вы­ше­ние на неск. гра­ду­сов. Это свя­зы­ва­ет­ся с уси­ле­ни­ем пар­ни­ко­во­го эф­фек­та вслед­ст­вие рос­та кон­цен­тра­ции ма­лых га­зо­вых при­ме­сей.

По­го­да оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми цир­ку­ля­ции А. и гео­гра­фич. по­ло­же­ни­ем ме­ст­но­сти, она наи­бо­лее ус­той­чи­ва в тро­пи­ках и наи­бо­лее из­мен­чи­ва в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах. Бо­лее все­го по­го­да ме­ня­ет­ся в зо­нах сме­ны воз­душ­ных масс, обу­слов­лен­ных про­хо­ж­де­ни­ем ат­мо­сфер­ных фрон­тов, ци­кло­нов и ан­ти­ци­кло­нов, не­су­щих осад­ки и уси­ле­ние вет­ра. Дан­ные для про­гно­за по­го­ды со­би­ра­ют­ся на на­зем­ных ме­тео­стан­ци­ях, мор­ских и воз­душ­ных су­дах, с ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков. См. так­же Ме­тео­ро­ло­гия.

Оптические, акустические и электрические явления в атмосфере

При рас­про­стра­не­нии элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. в ре­зуль­та­те реф­рак­ции, по­гло­ще­ния и рас­сея­ния све­та воз­ду­хом и разл. час­ти­ца­ми (аэ­ро­золь, кри­стал­лы льда, ка­п­ли во­ды) воз­ни­ка­ют раз­но­об­раз­ные оп­тич. яв­ле­ния: ра­ду­га, вен­цы, га­ло, ми­раж и др. Рас­сея­ние све­та обу­слов­ли­ва­ет ви­ди­мую вы­со­ту не­бес­но­го сво­да и го­лу­бой цвет не­ба. Даль­ность ви­ди­мо­сти пред­ме­тов оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми рас­про­стра­не­ния све­та в А. (см. Ат­мо­сфер­ная ви­ди­мость). От про­зрач­но­сти А. на разл. дли­нах волн за­ви­сят даль­ность свя­зи и воз­мож­ность об­на­ру­же­ния объ­ек­тов при­бо­ра­ми, в т. ч. воз­мож­ность ас­тро­но­мич. на­блю­де­ний с по­верх­но­сти Зем­ли. Для ис­сле­до­ва­ний оп­тич. не­од­но­род­но­стей стра­то­сфе­ры и ме­зо­сфе­ры важ­ную роль иг­ра­ет яв­ле­ние су­ме­рек. Напр., фо­то­гра­фи­ро­ва­ние су­ме­рек с кос­мич. ап­па­ра­тов по­зво­ля­ет об­на­ру­жи­вать аэ­ро­золь­ные слои. Осо­бен­но­сти рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. оп­ре­де­ля­ют точ­ность ме­то­дов дис­тан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния её па­ра­мет­ров. Все эти во­про­сы, как и мн. дру­гие, изу­ча­ет ат­мо­сфер­ная оп­ти­ка. Реф­рак­ция и рас­сея­ние ра­дио­волн обу­слов­ли­ва­ют воз­мож­но­сти ра­дио­приё­ма (см. Рас­про­стра­не­ние ра­дио­волн).

Рас­про­стра­не­ние зву­ка в А. за­ви­сит от про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры и ско­ро­сти вет­ра (см. Ат­мо­сфер­ная аку­сти­ка). Оно пред­став­ля­ет ин­те­рес для зон­ди­ро­ва­ния А. дис­танц. ме­то­да­ми. Взры­вы за­ря­дов, за­пус­кае­мых ра­ке­та­ми в верх­нюю А., да­ли бо­га­тую ин­фор­ма­цию о сис­те­мах вет­ров и хо­де темп-ры в стра­то­сфе­ре и ме­зо­сфе­ре. В ус­той­чи­во стра­ти­фи­ци­ро­ван­ной А., ко­гда темп-ра па­да­ет с вы­со­той мед­лен­нее адиа­ба­ти­че­ско­го гра­ди­ен­та (9,8 К/км), воз­ни­ка­ют т. н. внут­рен­ние вол­ны. Эти вол­ны мо­гут рас­про­стра­нять­ся вверх в стра­то­сфе­ру и да­же в ме­зо­сфе­ру, где они за­ту­ха­ют, спо­соб­ст­вуя уси­ле­нию вет­ра и тур­бу­лент­но­сти.

От­ри­ца­тель­ный за­ряд Зем­ли и обу­с­лов­лен­ное им элек­трич. по­ле А. вме­сте с элек­три­че­ски за­ря­жен­ны­ми ио­но­сфе­рой и маг­ни­то­сфе­рой соз­да­ют гло­баль­ную элек­трич. цепь. Важ­ную роль при этом иг­ра­ет об­ра­зо­ва­ние об­ла­ков и гро­зо­во­го элек­три­че­ст­ва. Опас­ность гро­зо­вых раз­ря­дов вы­зва­ла не­об­хо­ди­мость раз­ра­бот­ки ме­то­дов гро­зо­за­щи­ты зда­ний, со­ору­же­ний, ли­ний элек­тро­пе­ре­дач и свя­зи. Осо­бую опас­ность это яв­ле­ние пред­став­ля­ет для авиа­ции. Гро­зо­вые раз­ря­ды вы­зы­ва­ют ат­мо­сфер­ные ра­дио­по­ме­хи, по­лу­чив­шие назв. ат­мо­сфе­ри­ков (см. Сви­стя­щие ат­мо­сфе­ри­ки). Во вре­мя рез­ко­го уве­ли­че­ния на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля на­блю­да­ют­ся све­тя­щие­ся раз­ря­ды, воз­ни­каю­щие на ост­ри­ях и ост­рых уг­лах пред­ме­тов, вы­сту­паю­щих над зем­ной по­верх­но­стью, на отд. вер­ши­нах в го­рах и др. (Эль­ма ог­ни). А. все­гда со­дер­жит силь­но ме­няю­ще­еся в за­ви­си­мо­сти от кон­крет­ных ус­ло­вий ко­ли­че­ст­во лёг­ких и тя­жё­лых ио­нов, ко­то­рые оп­ре­де­ля­ют элек­трич. про­во­ди­мость А. Глав­ные ио­ни­за­то­ры воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти – из­лу­че­ние ра­дио­ак­тив­ных ве­ществ, со­дер­жа­щих­ся в зем­ной ко­ре и в А., а так­же кос­мич. лу­чи. См. так­же Ат­мо­сфер­ное элек­три­чест­во.

Влияние человека на атмосферу

В те­че­ние по­след­них сто­ле­тий про­ис­хо­дил рост кон­цен­тра­ции пар­ни­ко­вых га­зов в А. вслед­ст­вие хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка. Про­цент­ное со­дер­жа­ние уг­ле­ки­сло­го га­за воз­рос­ло с 2,86 10–2 две­сти лет на­зад до 3,8·10–2 в 2005, со­дер­жа­ние ме­та­на – с 0,7· 10–4 при­мер­но 300–400 лет на­зад до 1,8·10–4 в нач. 21 в.; ок. 20% в при­рост пар­ни­ко­во­го эф­фек­та за по­след­нее сто­ле­тие да­ли фре­о­ны, ко­то­рых прак­ти­че­ски не бы­ло в А. до сер. 20 в. Эти ве­ще­ст­ва при­зна­ны раз­ру­ши­те­ля­ми стра­то­сфер­но­го озо­на, и их про­изводство за­пре­ще­но Мон­ре­аль­ским про­то­ко­лом 1987. Рост кон­цен­тра­ции уг­ле­ки­сло­го га­за в А. вы­зван сжи­га­ни­ем всё воз­рас­таю­щих ко­ли­честв уг­ля, неф­ти, га­за и др. ви­дов уг­ле­род­но­го то­п­ли­ва, а так­же све­де́­ни­ем ле­сов, в ре­зуль­та­те че­го умень­ша­ет­ся по­гло­ще­ние уг­ле­ки­сло­го га­за пу­тём фо­то­син­те­за. Кон­цен­тра­ция ме­та­на уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том до­бы­чи неф­ти и га­за (за счёт его по­терь), а так­же при рас­ши­ре­нии по­се­вов ри­са и уве­ли­че­нии по­го­ло­вья круп­но­го ро­га­то­го ско­та. Всё это спо­соб­ст­ву­ет по­те­п­ле­нию кли­ма­та.

Для из­ме­не­ния по­го­ды раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды ак­тив­но­го воз­дей­ст­вия на ат­мо­сфер­ные про­цес­сы. Они при­ме­ня­ют­ся для за­щи­ты с.-х. рас­те­ний от гра­до­би­тия пу­тём рас­сеи­ва­ния в гро­зо­вых об­ла­ках спец. реа­ген­тов. Су­ще­ст­ву­ют так­же ме­то­ды рас­сея­ния ту­ма­нов в аэ­ро­пор­тах, за­щи­ты рас­те­ний от за­мо­роз­ков, воз­дей­ст­вия на об­ла­ка с це­лью уве­ли­че­ния осад­ков в нуж­ных мес­тах или для рас­сея­ния об­ла­ков в мо­мен­ты мас­со­вых ме­ро­прия­тий.

Изучение атмосферы

Све­де­ния о фи­зич. про­цес­сах в А. по­лу­ча­ют пре­ж­де все­го из ме­тео­ро­ло­гических на­блю­де­ний, ко­то­рые про­во­дят­ся гло­баль­ной се­тью по­сто­ян­но дей­ст­вую­щих ме­тео­ро­ло­гич. стан­ций и по­стов, рас­по­ло­жен­ных на всех кон­ти­нен­тах и на мн. ост­ро­вах. Еже­днев­ные на­блю­де­ния да­ют све­де­ния о темп-ре и влаж­но­сти воз­ду­ха, ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии и осад­ках, об­лач­но­сти, вет­ре и др. На­блю­де­ния за сол­неч­ной ра­диа­ци­ей и её пре­об­ра­зо­ва­ния­ми про­во­дят­ся на ак­ти­но­мет­рич. стан­ци­ях. Боль­шое зна­че­ние для изу­че­ния А. име­ют се­ти аэ­ро­ло­гич. стан­ций, на ко­то­рых при по­мо­щи ра­дио­зон­дов вы­пол­ня­ют­ся ме­тео­ро­ло­гич. из­ме­ре­ния до выс. 30–35 км. На ря­де стан­ций про­во­дят­ся на­блю­де­ния за ат­мо­сфер­ным озо­ном, элек­трич. яв­ле­ния­ми в А., хи­мич. со­ста­вом воз­ду­ха.

Дан­ные на­зем­ных стан­ций до­пол­ня­ют­ся на­блю­де­ния­ми на океа­нах, где дей­ст­ву­ют «су­да по­го­ды», по­сто­ян­но на­хо­дя­щие­ся в оп­ре­де­лён­ных рай­онах Ми­ро­во­го ок., а так­же ме­тео­ро­ло­гич. све­де­ния­ми, по­лу­чае­мы­ми с н.-и. и др. су­дов.

Всё боль­ший объ­ём све­де­ний об А. в по­след­ние де­ся­ти­ле­тия по­лу­ча­ют с по­мо­щью ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков, на ко­то­рых ус­та­нов­ле­ны при­бо­ры для фо­тогра­фи­ро­ва­ния об­ла­ков и из­ме­ре­ния по­то­ков ульт­ра­фио­ле­то­вой, ин­фра­крас­ной и мик­ро­вол­но­вой ра­диа­ции Солн­ца. Спут­ни­ки по­зво­ля­ют по­лу­чать све­де­ния о вер­ти­каль­ных про­фи­лях темп-ры, об­лач­но­сти и её во­до­за­па­се, эле­мен­тах ра­ди­ац. ба­лан­са А., о темп-ре по­верх­но­сти океа­на и др. Ис­поль­зуя из­ме­ре­ния реф­рак­ции ра­дио­сиг­на­лов с сис­те­мы на­ви­гац. спут­ни­ков, уда­ёт­ся оп­ре­де­лять в А. вер­ти­каль­ные про­фи­ли плот­но­сти, дав­ле­ния и темп-ры, а так­же вла­го­со­дер­жа­ния. С по­мо­щью спут­ни­ков ста­ло воз­мож­ным уточ­нить ве­ли­чи­ну сол­неч­ной по­сто­ян­ной и пла­не­тар­но­го аль­бе­до Зем­ли, стро­ить кар­ты ра­ди­ац. ба­лан­са сис­те­мы Зем­ля – А., из­ме­рять со­дер­жа­ние и из­мен­чи­вость ма­лых ат­мо­сфер­ных при­ме­сей, ре­шать мн. др. за­да­чи фи­зи­ки ат­мо­сфе­ры и мо­ни­то­рин­га ок­ру­жаю­щей сре­ды.

Источник: bigenc.ru