Общее

Земная атмосфера являет собой газовою оболочку планеты. Нижняя граница атмосферы проходит возле поверхности земли (гидросфера и земная кора), а верхняя граница является область соприкасающеюся космического пространства (122 км). В себе атмосфера содержит много разных элементов. Основные из них: 78% азот, 20% кислород, 1% аргон, углекислый газ, галий неона, водород и тд. Интересные факты можно посмотреть в конце статьи или перейдя по ссылке.

Атмосфера имеет четко выраженные слои воздуха. Слои воздуха отличаются между собой температурой, разностью газов и их плотностью и давлением. Нужно отметить, что слои стратосфера и тропосфера защищают Землю от солнечной радиации. В высших слоях живой организм может получить смертельную дозу ультрафиолетового солнечного спектра. Для быстрого перехода к нужному слою атмосферы, нажмите на соответствующий слой:

• Тропосфера
• Стратосфера
• Мезосфера
• Линия кармана
• Термосфера
• Экзосфера

Тропосфера — температура, давление, высота

Верхняя граница держится на отметке 8 — 10 км примерно. В умеренных широтах 16 — 18 км, а в полярных 10 — 12 км. Тропосфера — это нижний главный слой атмосферы. В этом слое находится более 80% всей массы атмосферного воздуха и близко 90% всей водяной пары. Именно в тропосфере возникают конвекция и турбулентность, образуются облака, происходят циклоны. Температура понижается с ростом высоты. Градиент: 0,65 °/100 м. Нагретая земля и вода нагревают прилагающий воздух. Нагретый воздух поднимается в верх, охлаждается и образует облака. Температура в верхних границах слоя может достигать — 50/70 °C.

Именно в этом слое происходят изменения климатических погодных условий. В нижнюю границу тропосферы называют приземным, так как он имеет много летучих микроорганизмов и пыли. Скорость ветра увеличивается с увеличением высоты в этом слое.

Тропопауза

Это переходной слой тропосферы к стратосфере. Здесь прекращается зависимость снижения температуры с повышением высоты. Тропопауза — минимальная высота, где вертикальный градиент температуры падает до 0,2°C/100 м. Высота тропопаузы зависит от сильных климатических проявлений, таких как циклоны. Над циклонами высота тропопаузы понижается, а над антициклонами повышается.

Высота слоя стратосферы примерно от 11 до 50 км. Присутствует незначительное изменение температуры на высоте 11 — 25 км. На высоте 25 — 40 км наблюдается инверсия температуры, от 56,5 поднимается до 0,8°C. От 40 км до 55 температура держится на отметке 0°C. Эту область называют — Стратопаузой.

В Стратосфере наблюдают воздействие солнечной радиации на молекулы газа, они диссоциируют на атомы. В этом слое нету почти водяного пара. Современные сверхзвуковые коммерческие самолёты летают на высоте до 20 км из-за стабильных полетных условий. Высотные метеозонды поднимаются на высоту 40 км. Здесь присутствуют устойчивые воздушные течения, скорость их достигает 300 км/ч. Также в этом слое сосредоточен озон, слой который поглощает ультрафиолетовые лучи.

Слой мезосферы начинается примерно на высоте 50 км и заканчивается на отметке 80 — 90 км. Температуры понижается с повышением высоты примерно 0,25-0,3°C/100 м. Основным энергетическим действием здесь является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов (имеет 1 или 2 непарных электронная) т.к. они реализуют свечение атмосферы.

Почти все метеоры сгорают в мезосфере. Ученые назвали эту зону — Игноросферой. Эту зону тяжело исследовать, так как аэродинамическая авиация здесь очень плохая из-за плотности воздуха, которая здесь в 1000 раз меньше чем на Земле. А для запуска искусственных спутников плотность еще очень высокая. Исследования проводят с помощью метеорологических ракет, но это извращенность. Мезопауза переходной слой между мезосферой и термосферой. Имеет температуру минимум -90°C.

Линию кармана называют границей между атмосферой Земли и космосом. Согласно международной авиационной федерацией (ФАИ) высота этой границы — 100 км. Такое определения дали в честь американского ученого Теодора Фон Кармана. Он определил, что примерно на этой высоте плотность атмосферы настолько мала, что аэродинамическая авиация здесь становится невозможная, так как скорость летательного устройства должна быть большей первой космической скорости. На такой высоте теряет смысл понятие звуковой барьер. Здесь управлять летательным аппаратом можно лишь за счет реактивных сил.

Верхняя граница этого слоя примерно 800 км. Температура растёт примерно до высоты 300 км где достигает порядка 1500 К. Выше температура остается неизменной. В этом слое происходит полярное сияние — происходит в следствии воздействия солнечной радиации на воздуха. Также этот процесс называют ионизацией атмосферного кислорода.

Из-за малой разряженности воздуха полёты выше линии Кармана реализуемы только по баллистических траекториях. Все пилотируемые орбитальные полеты (кроме полетов на Луну) происходят в этом слое атмосферы.

Высота экзосферы выше 700 км. Здесь газ сильно разрежён,и происходит процесс диссипации — утечка частиц в межпланетное пространство. Скорость таких частиц может достигать 11,2 км/сек. Рост солнечной активности приводит к расширению толщины этого слоя.

Источник: terasfera.ru

Семінар І

Тема: Сучасне уявлення про будову навколишнього середовища. Зв ‘язки між його елементами.

План

1. Поняття про природне середовище.

2. Атмосфера, як складова природного середовища:

а) значення атмосфери;

б) будова атмосфери (шари);

в) основні складові частини атмосфери.

3. Літосфера.

4. Гідросфера.

Реферати

1. Вплив НТП на стан природного середовища.

2. Демографічні та урбанізаційні процеси і їхній вплив на природне середовище.

3. Уявлення давніх українців про природу.

Література

1. Білявський Г.О., Падун М.М., Фурдуй Р.С. Основи загальної екології.- К.Либідь, 1995.

2. Запольський А.К., СалюкА.І. Основи екології.- К.: Вища школа, 2001.

3. Джигирей В. С. Екологія та охорона навколишнього природного середовища.- К.: Знання, 2000.

4. Лук ‘янова Л.Б. Основи екології.- К.: Вища школа, 2000.

ПРИРОДНЕ СЕРЕДОВИЩЕ

Вивчаючи особливості основних складових при­родного середовища, необхідно пам’ятати, що всі вони тісно пов’язані між собою, залежать одне від одного й чут­ливо реагують на будь-які зміни, а довкілля — це дуже складна, багатофункціональна, споконвічно збалансована єдина система, яка живе й постійно самовідновлюється за­вдяки своїм особливим законам обміну речовин і енергії. Ця система розвивалася та функціонувала мільйони років, але людина на сучасному етапі своєю діяльністю настільки розбалансувала природні зв’язки всієї глобальної екоси­стеми, що вона почала активно деградувати, втрачаючи здатність самовідновлюватися.

Таким чином, природне середовище — це мегаекзосфера постійних взаємодій і взаємопроникнення елементів і процесів чотирьох її складових екзосфер (при поверхневих оболонок): атмосфери, літосфери, гідросфери й біосфери — під впливом екзогенних (зокрема космічних) та ендогенних факторів і діяльності людини. Кожна з екзосфер має свої складові елементи, структуру та особливості. Три з них — атмосфера, літосфера й гідросфера — утворені неживими речовинами і є ареалом функціонування живої речовини — біоти — головного компонента четвертої складової дов­кілля — біосфери.

АТМОСФЕРА

Атмосфера є зовнішньою газовою оболонкою Землі, що сягає від її поверхні в космічний простір приблизно на 3000 км. Історія виникнення та розвитку атмосфери досить складна й тривала, вона налічує близько 3 млрд. років. За цей період склад і властивості атмосфери неодноразово, змінювалися, але протягом останніх 50 млн. років, як вва­жають вчені, вони стабілізувалися.

Маса сучасної атмосфери становить приблизно одну мільйонну частину маси Землі. З висотою різко зменшують­ся щільність і тиск атмосфери, а температура змінюється нерівномірно й складно. Зміна температури в межах ат­мосфери на різних висотах пояснюється неоднаковим по­глинанням сонячної енергії газами. Найінтенсивніше тепло­ві процеси відбуваються у тропосфері, причому атмосфера нагрівається знизу, від поверхні океану та суші.

Атмосфера має дуже велике еколо­гічне значення. Вона захищає всі живі організми Землі від згубного впливу космічних випромінювань і ударів метео­ритів, регулює сезонні температурні коливання, врівнова­жує й вирівнює добові. Якби атмосфери не існувало, то коливання добової температури на Землі досягло б ±200 °С. Атмосфера є не лише життєдайним «буфером» між Космосом і поверхнею нашої планети, носієм тепла та вологи, через неї відбуваються також фотосинтез і обмін енергії — головні процеси біосфери.
мосфера впливає на характер і динаміку всіх екзогенних процесів, що відбуваються в лі­тосфері (фізичне та хімічне звітрювання, діяльність вітру, природних вод, мерзлоти, льодовиків). Повітряна оболонка Землі, атмосфера, є однією з най­головніших умов життя. Без їжі людина може жити місяць, без води — тиждень, без повітря не може прожити й двох хвилин. Маса атмосфери колосальна — 5,15-10¹⁵ т. Проте атмосферне повітря можна вважати невичерпним природ­ним ресурсом лише умовно, адже людині для життя потріб­не повітря певної якості. А під впливом антропогенного фактора його хімічний склад і фізичні властивості дедалі погіршуються, на Землі вже практично не залишилося та­ких ділянок, де повітря зберігало б свою первісну чистоту та якість.

Розвиток гідросфери також значною мірою залежав від атмосфери через те, що водний баланс і режим поверхневих і підземних басейнів і акваторій формувалися під впливом режиму опадів і випаровування. Процеси гідросфери і ат­мосфери тісно пов’язані між собою.

Однією з найголовніших складових атмосфери є водя­на пара, яка має велику просторово-часову мінливість і зо­середжена переважно в тропосфері.

Важливою змінною складовою атмосфери є також вуг­лекислий газ, мінливість вмісту якого пов’язана з життє­діяльністю рослин, його розчинністю в морській воді та ді­яльністю людини (промислові й транспортні викиди).

Останнім часом дедалі більшу роль у атмосфері відігра­ють аерозольні пилуваті частки — продукти людської ді­яльності, які можна виявити не лише в тропосфері, але й на великих висотах (щоправда, в мізерних концентраціях). Фізичні процеси, що відбуваються в тропосфері, дуже впли­вають на кліматичні умови різних районів Землі.

Атмосфера складається з таких шарів:

Тропосфера (грец. «троп» — зміна) — це нижня частина атмосфери, яка прилягає до літосфери і в якій знаходиться понад 80 % усієї маси, її висота визначається інтенсивністю вертикальних потоків повітря, викли­каних нагріванням земної поверхні. Тому на екваторі її висота сягає 16-18 км, у помірних широтах —до 10—11 км, а на полюсах —до 8 км. З ви­сотою температура повітря закономірно знижується в середньому на 0,6 °С на кожні 100 м і на висоті 10-15 км досягає -60…-70 °С. Цей шар атмо­сфери істотно впливав на клімат Землі. У ньому містяться значні маси води (у вигляді водяної пари і хмар), пилу й диму, що перемішуються повітря­ними потоками на великі відстані.

(Стратосфера (лат. Stratum—шар) знаходиться вище від тропосфери і простягається на висоту 50 — 55 км над Землею. У ній міститься озоновий шар (25 — 40 км). Вміст озону в атмосфері є до 70 км. Завдяки наявності озонового шару темпера в стратосфері зростає залежно від висоти до 1000 °С.

Мезосфера (грец. «мезос» — середній) шар атмосфери, верхня межа якого сягає висоти 80 км. Головна її особливість зниження температу­ри до 75.- 90 °С (а за деякими даними -120 °С) у її верхній часини. Тут утворюються сріблясті хмари, що складаються з кристаликів льоду.

Іоносфера (термосфера: грец. «термес» —теплий) розмішується на ви­соті більш як 80 км. Температура в цій зоні значно підвищується (понад 1000 °С). Під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця гази пере­бувають у іонізованому стані. З іонізацією пов’язане світіння газів і ви­никнення полярного сяйва. Іоносфера має здатність багаторазово відби­вати радіохвилі (електромагнітні хвилі), що забезпечує дальній радіозв’я­зок на Землі.

Екзосфера (магнітосфера) оточує Землю на висоті понад 800 км. її товщина сягає 200—300 км, а температура перевищує 2000 °С. Далі атмосфера поступово переходить у міжпланетний космічний вакуум. Швидкість руху газів наближається до критичної величини — 11.2 км/с. У ній пере­важно містяться атомарний водень і гелій, які утворюють навколо Землі корону, що поширюється на висоту 20 тис. км.

Атмосфера, яка є нині на Землі, не завжди мала такий склад. Первісна атмосфера Землі, як свідчать геологічні ві­домості, кардинально відрізнялася від теперішньої. Вона була схожа на атмосфери деяких інших планет Сонячної системи, наприклад Венери, й складалася майже повністю з вуглекислого газу з домішками метану, аміаку тощо. Ни­нішня киснево-азотна атмосфера Землі є продуктом біо­сфери. Життя, що існує на нашій планеті, за мільйони років переробило первісну атмосферу.

Сучасна атмосфера складається з таких основних ком­понентів, %: азот (78,084), кисень (20,946), аргон (0,934) вуглекислий газ (0,027), малі домішки — водень, неон, ге­лій, метан, криптон тощо (в сумі близько 0,009). Крім того, в атмосфері є пари води, вміст яких коливається від 0,2 (в полярних широтах) до 3 % (поблизу екватора), а також аерозолі, тобто завислі в повітрі надзвичайно дрібні твер­ді й рідкі частки різних речовин, вміст яких сильно змінюється.

Атмосфера Землі складається з таких шарів (знизу вго­ру): тропосфера (до висоти 18 км), стратосфера (до 50), мезосфера (до 80), термосфера (1 000), екзосфера (1 900), геокорона (20 000 км). Останній шар атмосфери, геокорона, поступово переходить у міжпланетний вакуум. Основна ма­са повітря (90 %) зосереджена в нижньому шарі, тропосфе­рі. Надзвичайно велике значення для біосфери має ще озоносфера—шар атмосфери (стратосфери), збагачений озо­ном. Озоновий шар міститься на висотах 20—50 км і є щи­том, що захищає все живе на Землі від згубної дії жорсто­кого ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Основні складові частини атмосфери — азот, кисень і вуглекислий газ — відіграють дуже важливу роль в біо­сфері. За мільйони років існування біосфери склалися пев­ні кругообіги цих газів. Так, цикл кругообігу азоту стано­вить кілька тисяч років, а вуглекислого газу — всього чоти­ри роки. За ці відрізки часу згадані гази зазнають перетво­рень, надходячи в тканини рослин і тварин, до складу різних мінералів, щоб потім знову повернутися в атмосферу.

Азот — основна складова частина атмосфери. Його ма­са становить 3,7-10¹⁵ т. Азот є обов’язковим компонентом білків, де його міститься 15—19 %. Проте основна маса ат­мосферного азоту знаходиться в малоактивній молекуляр­ній формі. Деякі організми, щоправда, навчилися зв’язува­ти в хімічні сполуки й малоактивний азот. Це азотфіксуючі бактерії, що живуть у особливих бульбочках на коренях бобових рослин. У основному ж рослини споживають спо­луки азоту, переважно нітрати й сполуки амонію. Вони ут­ворюються з оксидів азоту, що виникають у атмосфері за рахунок грозових розрядів і дії ультрафіолетового випро­мінювання Сонця. Деяка кількість сполук азоту надходить у атмосферу також у складі вулканічних газів. Антропоген­на діяльність призводить до значних змін у балансі сполук азоту. Велика кількість оксидів азоту викидається в атмос­феру внаслідок роботи автомобільних і авіаційних двигу­нів, електрозварювання тощо. Дуже багато цих сполук ут­ворювалося під час ядерних вибухів у атмосфері. Оксиди азоту дуже шкідливі, їх наявність у вихлопних газах зумов­лює утворення фотохімічного смогу в містах, кислотні дощі, руйнування захисного озонового шару атмосфери тощо.

Кисень — активний окислювач, що бере участь у хі­мічних реакціях у біосфері, гідросфері та літосфері. Його маса в атмосфері становить 1,5-10¹⁵ т. Основне джерела кисню, яким ми дихаємо й яким, сподіваємося, дихатимуть наші нащадки, це — фотосинтез зелених рослин. У клітинах рослин, де є активна сполука — хлорофіл, за допомогою» сонячної енергії з води й вуглекислого газу виробляється органічна речовина, а побічним продуктом цієї реакції е вільний кисень, що виділяється в атмосферу. Підраховано, що близько 80 % усього кисню в атмосферу постачає морський фітопланктон — мікроскопічні водорості, що жи­вуть у верхніх шарах океану, 20 % кисню виробляє назем­на рослинність, переважно тропічні ліси.

Людина дуже необдумано поводиться з цим неоціненним багатством природи, яким є кисень. Лише один сучасний пасажирський реактивний літак протягом восьми годин по­льоту з Європи в Америку поглинає від 50 до 75 т кисню, викидаючи в атмосферу десятки тонн вуглекислого газу й різних шкідливих сполук. А все людство щорічно витрачає таку кількість кисню, якої вистачило б на дихання 50 млрд. людей! Вже сьогодні промисловість США, ФРН, Японії споживає кисню набагато більше, ніж його є на їх власних територіях, тобто живуть за рахунок інших країн. Якщо до середини XIX ст. вміст кисню в атмосфері зали­шався постійним, бо його утворення дорівнювало витратам, то нині така рівновага порушена за рахунок його зростаю­чого поглинання антропогенним фактором. Людство ство­рило величезну кількість споживачів кисню й жодного йо­го виробника. Дедалі частіше вчені замислюються: чи до­статні резерви кисню в природі, чи надовго їх вистачить? На спалювання палива щорічно витрачається 23 % кисню, що надходить у атмосферу за рахунок фотосинтезу. Якщо до­дати, що діяльність людини призводить до зникнення лісів, пригнічення активності морського фітопланктону, можна зробити невтішний висновок щодо майбутнього стану кис­невого балансу в атмосфері. Вчені твердять, що за рахунок діяльності людини загальна кількість кисню в атмосфері щорічно зменшується на 10 млрд. т.

Вуглекислий газ — активна складова атмосфери, яка є обов’язковим компонентом фотосинтезу рослин. Цей газ утворюється під час спалювання органічних речовин, гниття, виділяється з вулканічними газами. Діяльність лю­дини (знищення лісів, розорювання цілинних земель, урба­нізація, а головне, спалювання мінерального палива й за­бруднення океанів) призводить до збільшення кількості СО₂ в атмосфері. За останні 120 років вміст цього газу в повіт­рі збільшився на 17 % (у середньому на 0,14 % за рік). За останнє десятиріччя це зростання вже становило 0,36 % за рік. Щоправда, більша частина СО₂, а саме 70 %, поглина­ється океанами й біосферою і лише ЗО % залишається в ат­мосфері. Деякі вчені, наприклад М. Будико, прогнозують подвоєння вмісту вуглекислого газу в атмосфері до середи­ни XXI ст., що викличе значне (приблизно на 2,5 %) підви­щення середньорічної температури за рахунок парникового ефекту.

Источник: studopedia.ru

Іноді атмосферу, товстим шаром навколишнє нашупланету, називають п'ятим океаном. Недарма друга назва літака — повітряне судно. Атмосфера являє собою суміш різних газів, серед яких переважають азот і кисень. Саме завдяки останньому на планеті можливе життя в тій формі, до якої ми всі звикли. Крім них, є ще 1% інших складових. Це інертні (які не вступають в хімічні взаємодії) гази, оксид сірки, вуглекислий газ. Також в п'ятому океані містяться механічні домішки: пил, попіл і ін. Всі шари атмосфери в цілому простягаються майже на 480 км від поверхні (дані різні, докладніше на цьому моменті зупинимося далі). Така вражаюча товщина утворює своєрідний непробивний щит, який захищає планету від згубного космічного випромінювання і великих об'єктів.

Розрізняють такі шари атмосфери: тропосфера, за нею йде стратосфера, далі мезосфера і, нарешті, термосфера. Наведений порядок починається у поверхні планети. Щільні шари атмосфери представлені першими двома. Саме вони фільтрують значну частину згубного космічного випромінювання.

Самий нижній шар атмосфери — тропосфера,простягається всього на 12 км над рівнем моря (18 км в тропіках). Тут концентрується до 90% водяної пари, тому хмари формуються в ньому. Велика частина повітря також зосереджена саме тут. Усі наступні шари атмосфери більш холодні, так як близькість до поверхні дозволяє відбитим сонячним променям нагрівати повітря.

Стратосфера простягається майже до 50 км відповерхні. Більшість метеозондов «плавають» у цьому шарі. Також тут можуть літати деякі види літаків. Однією з дивних особливостей є температурний режим: в проміжку від 25 до 40 км починається зростання температури повітря. Від -60 градусів Цельсія вона піднімається майже до 1. Потім спостерігається невелике зниження до нуля, яке зберігається до висоти в 55 км. Верхня межа — це сумно відомий озоновий шар.

Далі майже до 90 км простягається мезосфера. Температура повітря тут різко падає. На кожні 100 метрів підйому спостерігається зниження на 0,3 градуса. Іноді її називають найбільш холодним ділянкою атмосфери. Щільність повітря низька, проте її цілком достатньо для створення опору падаючим метеорів.

Шари атмосфери в звичному розуміннізакінчуються на висоті близько 118 км. Тут формуються знамениті полярні сяйва. Вище починається область термосфери. Через рентгенівських і ультрафіолетових променів відбувається іонізація тих небагатьох молекул повітря, що містяться в цій області. Дані процеси створюють так звану іоносферу (вона часто включається в термосферу, тому окремо не розглядається).

Все, що знаходиться вище 700 км, називаєтьсяекзосфери. Концентрація молекул повітря вкрай незначна, тому вони вільно переміщаються, не відчуваючи опору через зіткнень. Це дозволяє окремим з них накопичувати енергію, відповідну 160 градусам Цельсія, при тому, що навколишня температура низька. Молекули газів розподіляються за обсягом екзосфери у відповідності зі своєю масою, тому найбільш важкі з них можуть бути виявлені тільки в нижній частині шару. Зменшується з висотою тяжіння планети вже не в змозі утримувати молекули, тому космічні високоенергетичні частинки і випромінювання повідомляють молекулам газів імпульс, достатній для того, щоб залишити атмосферу. Ця область є однією з найбільш тривалих: вважається, що атмосфера повністю переходить в космічний вакуум на висотах, великих 2000 км (іноді навіть фігурує число 10000). Штучні супутники планети обертаються по орбітах ще в термосфере.

Всі зазначені числа є орієнтовними, так як кордони атмосферних шарів залежать від ряду факторів, наприклад, від активності Сонця.

</ P>>

Источник: uk.hoboetc.com

Тема 2. Атмосфера – повітряна ковдра планети

Мета

За час вивчення теми Ви дізнаєтеся про:

• будову та значення атмосфери для життя на Землі;
• поняття “погода” та його основні характеристики;
• клімат та основні чинники його формування;
• повітряні маси та їх основні типи;
• циклони й антициклони, атмосферні фронти;
• кліматичні пояси світу та характерні для них типи погоди.

Задачі

Ви навчитеся:

• користуватися метеорологічними приладами: термометром, барометром, флюгером;
• спостерігати за змінами погоди;
• характеризувати добовий та річний хід температур повітря;
• пояснювати причини утворення вітру, хмар та різних видів атмосферних опадів;
• виділяти відмінності між основними видами хмар;
• з’ясовувати причини неоднакової погоди й клімату на різних широтах;
• будувати графіки ходу температур, розу вітрів, діаграми хмарності та опадів;
• оцінювати наслідки впливу господарської діяльності людини на атмосферу.

Повітря не має ні запаху, ні кольору, ні смаку. Іноді ми забуваємо про його існування й нам здається, що його немає. Але воно завжди поряд з нами й в середині нас. Воно, займаючи місце, проникає у кожну щілину. Повітря навколо Землі утворює її найлегшу зовнішню оболонку – атмосферу. Вона становить лише одну мільйонну частину від маси нашої планети. Проте повітря дуже багато. Й воно лише на перший погляд невагоме. Загальна маса атмосфери вражає: вона дорівнює вазі мідної кулі діаметром у 10 км! Чому ж ми не відчуваємо цієї маси повітря? Навпаки, саме завдяки ній існує життя на нашій планеті. Атмосфера необхідна не лише для дихання. Вона є нашим захистом від космічного опромінення, різких коливань температури на поверхні планети, надійним щитом від метеоритів.

Прозорі химерні хмари, легкий свіжий вітерець, теплий літній дощ, пухнастий сніг, свіжа роса, грайлива веселка в небі – це все природні явища, пов’язані з атмосферою. Ми їх називаємо погодою й щодня цікавимося, якою вона буде. Але не завжди атмосфера нас радує хорошою погодою. Бувають й сильні зливи, град, штормовий вітер, заморозки, снігові замети, сильний туман, засуха. Людина здавна намагалася пояснити, чому погода не скрізь однакова. Чи можна зменшити вплив її примхливого характеру на людське життя? А чи можна керувати нею й “замовляти” хорошу погоду? Багато таємниць атмосфери вже розгадано вченими. Деякі з них розкриє ця тема, яку ви починаєте вивчать.

§28. Будова атмосфери. Атмосфера і людина

Впродовж тривалої історії Землі виникла її повітряна оболонка – атмосфера, яка захищає нашу планету від метеоритів, перегрівання й переохолодження, забезпечує нормальні умови існування живим організмам.

Пригадайте, завдяки яким процесам сформувалася первинна атмосфера Землі. З чого вона складалася?

Де починається і закінчується атмосфера

Наша планета – великий магніт. Тому атмосферу утримує біля її поверхні сила земного тяжіння. Повітряна оболонка обертається разом з Землею як єдине ціле. Зрозуміло, що нижньою межею атмосфери є тверда поверхня планети. Тому повітряну оболонку можна порівняти з океаном, на дні якого ми живемо. Замість води він заповнений повітрям, тай ж глибини в 200-300 разів більші ніж у справжньому Океані.

Чим далі від поверхні планети, тим сила тяжіння менша. Тому й щільність повітря не однакова на різних висотах. Підраховано, що близько половини всієї маси атмосфери зосереджено у перших п’яти кілометрах над Землею, близько 3/4 – у десятикілометровому шарі та 99,5% – у нижніх 80 км. Але повітря, хоча й дуже розріджене, існує ще вище. Воно непомітно переходить у космічний безповітряний простір. Досить важко встановити, на яких висотах закінчується атмосфера, тобто провести її верхню межу. За різними даними вона знаходиться на висоті від 2000 км до 3000 км. Але сліди земних газів знаходять навіть на висоті 10-12 тисяч кілометрів.

Шари атмосфери

Атмосфера Землі має шарувату будову. Її умовно поділяють на п’ять основних оболонок, які поступово переходять один у другий. Від земної поверхні до висоти 8-18 км підіймається тропосфера (з грецької “тропос” – поворот). У зв’язку з приплюснутою формою нашої планети, сила тяжіння не однакова в різних широтах. Тому верхня межа тропосфери біля екватора сягає 18-20 км, у наших широтах – 10 км, біля полюсів – 8-9 км. У тропосфері зосереджено близько 80% усього атмосферного повітря та завдяки випаруванню з поверхні Океану – майже уся атмосферна вода, з якої формуються хмари й випадають опади. Тобто погода зароджується саме у прилеглому до Землі шарі повітря.

Вище знаходиться стратосфера (з латини “стратум”– шар). Вона тягнеться вище тропосфери до висоти 51-55 км й містить понад 29% повітря атмосфери. Там повітря холодне й сухе. Лише інколи у стратосфері виникають перламутрові хмари – тонкі прозорі утворення з кришталиків криги, які ледь помітні після заходу та перед сходом Сонця.

Вище стратосфери знаходяться верхні шари атмосфери: мезосфера (з грецької “мезо” – середній), термосфера (з грецької “терме” – тепло) та екзосфера (з грецької “езко” – зовні). Вони усі разом концентрують менше 1% атмосферного повітря, якетут дуже розріджене й легко пропускає заряджені частки з Космосу. Ці частки притягуються, як магнітом, до полюсів Землі. Тому там на висоті 80-1000 км спостерігаються яскраві полярні сяйва від кількох хвилин до кількох діб. Світіння буває жовто-зеленим, біло-блакитним, фіолетовим у вигляді плям, смуг, стовпів. У верхніх шарах атмосфери також поширюються радіохвилі, а у періоди підвищеної сонячної активності зароджуються магнітні бурі.

Озоновий шар – скафандр нашої планети

В нижніх шарах атмосфери є важливий для життя на нашій планеті озон. Влітку після сильної зливи з грозою у повітрі можна відчути небувалу свіжість. Це й є озон (з грецької – пахучий) – газ з різким запахом. Він виникає із звичайного кисню під дією електричних розрядів, під час грози. Але біля земної поверхні озон зберігається недовго. В атмосфері він розміщений суцільним шаром на висоті від 10 до 60 км з найбільшою концентрацією на відмітках 20-25 км.

Завдання. З’ясуйте, в яких шарах атмосфери знаходиться озон. В якій частині атмосфери найбільша його концентрація?

Саме озоновий шар захищає живі організми нашої планети від згубного впливу невидимого оком короткохвильового ультрафіолетового опромінення Сонця. Малі дози ультрафіолету мають позитивне значення для всього живого, а великі призводять до загибелі живих клітин. Тому без озонового захисту ми не прожили б й кількох секунд. Вважають, що озоновий шар виник в земній атмосфері завдяки дії на неї ультрафіолетових променів Сонця, від яких тепер він захищає життя на нашій планеті. Крім того, озон попереджує перегрівання планети, поглинаючи тепло, що відходить від Землі.

Що таке “озонова дірка”

У 1982 році вчені світу почали бити на сполох. Над Антарктидою була виявлена “озонова дірка”. З роками вона почала збільшуватися й нині має діаметр понад 1000 км та переміщується до населених районів Австралії. Через 10 років розрив озонового шару виявили над Арктикою. Це вкрай небезпечно для всього живого на нашій планеті. Що ж собою являє “озонова дірка” і хто винен у її утворенні? “Озонова дірка” не являє собою відсутність повітря й повне зникнення у цих місцях озону. Насправді відбувається лише зменшення концентрації озону у повітрі. Але й це несе небезпеку живим істотам. Вважать, що причиною ушкодження озонового шару є господарська діяльність людини, зокрема забруднення повітря газами фреонами, які руйнують озон. Одна молекула фреону здатна знищити 100 тис. молекул озону. Фреони активно використовуються у виробництві холодильників та дезодорантів. Завдяки прийнятим міжнародним угодам нині застосування фреонів різко скоротилося. Але до остаточного подолання проблеми ще далеко, оскільки фреони зберігаються в атмосфері 50-100 років.

Повітря, яким ми дихаємо

З курсу природознавства Вам відомо, що газ, який підтримує дихання – кисень. Проте, атмосферне повітря це не лише кисень. За своїм складом воно являє суміш близько 20 різних газів. Більшу частку повітря складаєазот: понад 79%. Значно меншу – кисень: майже 21%. Ще 1% становлять інші гази, в тому числі 0,03% – вуглекислий газ. Крім того у повітрі є багато домішок: частинки пилу, сажа, дим, пари води та інші речовини.

Завдання. Пригадайте з курсу природознавства, як живляться зелені рослини. Що таке фотосинтез? За яких умов він відбувається?

Постійний склад атмосферного повітря зберігається до висоти 94 км, а вище змінюється: там зростає вміст легких газів. Вище 1000 км атмосфера складається з водню та гелію, а вище 1500 км – майже виключно з одного гелію.

Сучасний склад повітря атмосфери склався завдяки життєдіяльності рослин і підтримується незмінним протягом кількох сотень мільйонів років. Первинна атмосфера Землі була іншою за складом: кисень був майже відсутній, багато було вуглекислого газу та отруйних речовин.

Завдання. Поміркуйте, як рослини змогли змінити газовий склад атмосферного повітря.

Зміна газового складу повітря людиною та глобальне потепління

Постійний вміст газів у атмосфері забезпечує існування стабільних природний умов на Землі. Але через негативний вплив господарської діяльності людини на навколишнє середовище газовий склад повітря почав змінюватися, що призводить до поступового наростання негативних явищ. Спостереження показали, що протягом ХХ ст. температура повітря по всій планеті зросла приблизно на 1,5^ОС, а до 2050 року збільшиться ще на 3-4^ОС. Здавалося б зовсім небагато. Але в останній льодовиковий період температура повітря була всього на 5^ОС нижчою, ніж тепер і цього було достатньо для насування великих мас криги з півночі. Явище глобального потепління називають парниковим ефектом. Його викликає зростання частки вуглекислого газу у повітрі. Він виконує в атмосфері ту ж роль, що й скло у парнику або теплиці: пропускає сонячні промені, які нагрівають земну поверхню, але затримують тепло, що відходить від Землі. Тому планета більше нагрівається. Частка вуглекислого газу у повітрязбільшується, а кисню стає менше через те, що нині людина спалює багато нафтопродуктів, природного газу, вугілля. Все це необхідно для роботи транспорту та виробництва.

Наслідки глобального потепління можуть бути катастрофічними. Вже тепер спостерігається відступ льодовиків в горах та посилене танення криги в Антарктиді й Арктиці. Це у свою чергу стане причиною підняття рівня Світового океану й затоплення великих прибережних територій. До того ж повсюдно зміняться погодні умови, що призведе до великих змін навколишнього середовища. Щоб не допустити наростання парникового ефекту, вчені працюють над створення нових екологічно чистих видів палива та енергії.

Забруднення атмосфери та його наслідки

Активний розвиток транспорту та промисловості загострив проблему зростання домішок у повітрі, тобто його забруднення. Колись серед забруднювачів переважали пил, сажа, попіл. Нині до них приєдналися невидимі оком отруйні хімічні речовини: чадний газ, сполуки сірки, важкі метали, радіоактивні речовини. Всі вони вкрай небезпечні для здоров’я людини, пригнічують життєдіяльність рослин, руйнують будівлі та пам’ятки архітектури.

Наслідком забруднення повітря є кислі опади, що виникають через викиди у повітря сполук сірки та азоту, які з’єднуючись з парами води утворюють кислоту. Такі опади призводять до загибелі рослин, водних організмів, знижують родючість ґрунтів, поступово руйнують будівлі. Кислі опади бувають в країнах Європи, США, Канаді, трапляються й у промислових районах України.

У великих промислових містах бувають смоги (з англійської – дим) – отруйні суміші диму й газів у повітрі. Іноді вони поєднуються з туманами. Смоги призводять до серйозних захворювання органів дихання та кровообігу людей.

Неконтрольовані зміни у складі повітря призвели до того, що атмосфера вже не в змозі у повному обсягу виконувати всі свої функції. Це поставило людство на межу виживання. Для подолання негативних наслідків забруднення атмосфери та зміни її газового складу слід удосконалювати виробництво в бік зменшення його відходів, активно застосовувати на транспорті й промислових підприємствах очисні спорудження, зберігати лісові масиви тощо.

Висновки

1.Атмосфера – повітряна оболонка Землі, яка простягається від її поверхні до висоти 2000-3000 км.
2.Атмосфера має шарувату будову й складається з п’яти основних оболонок: тропосфери, стратосфери, мезосфери, термосфери та екзосфери. 80% повітря та майже вся вода концентруються у тропосфері.
3.Озоновий шар, який захищає живі істоти від ультрафіолетових променів знаходиться у тропосфері на висоті 20-25 км.
4.Атмосферне повітря являє собою суміш газів. У нижніх шарах атмосфери в його складі переважають азот (78%) та кисень (21%). Серед інших газів важливе значення має сталість частки вуглекислого газу – 0,03%. Домішками у повітря є пил, сажа, дим, водяна пара.
5.Господарська діяльність людини негативно впливає на атмосферу. Її наслідками є зміна газового складу повітря та його забруднення. Це призводить до “озонових дірок”, парникового ефекту, кислих опадів, смогів, що негативно впливає на життя людини.

Питання для самоконтролю

1.Що таке атмосфера? Де проходять її верхні межі?
2.Назвіть основні шари атмосфери. Чи вирізняється тропосфера?
3.Де в атмосфері знаходиться озонових шар? Яку від відіграє роль?
4.Розкажіть про склад атмосферного повітря. Яке значення для живих організмів мають його різні складові?
5.Як впливає господарська діяльність людини на атмосферу? Як можна запобігти цьому негативному впливу?
6.Поміркуйте, яке значення має атмосфера Землі у формуванні її природи.

---

Загальна географія, 6 клас.

Надіслано викладачами Міжнародного ліцею Гранд

С.Г. Кобернік, Р.Р. Коваленко

Источник: www.edufuture.biz

Основные свойства атмосферы Земли

Атмосфера — это наш защитный купол от всяческого рода угроз из космоса. В ней сгорает большая часть метеоритов, которые падают на планету, а ее озоновый слой служит фильтром против ультрафиолетового излучения Солнца, энергия которого смертельна для живых существ. Кроме того, именно атмосфера поддерживает комфортную температуру у поверхности Земли — если бы не парниковый эффект, достигаемый за счет многократного отражения солнечных лучей от облаков, Земля была бы в среднем на 20-30 градусов холоднее. Кругооборот воды в атмосфере и движение воздушных масс не только уравновешивают температуру и влажность, но и создают земное разнообразие ландшафтных форм и минералов — такого богатства не встретить нигде в Солнечной системе.

Масса атмосферы составляет 5,2×10¹⁸ килограмм. Хотя газовые оболочки распространяются на многие тысячи километров от Земли, ее атмосферой считаются лишь те, которые вращаются вокруг оси со скоростью, равной скорости вращения планеты. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет около 1000 километров, плавно переходя в космическое пространство в верхнем слое, экзосфере (от др. греческого «внешний шар»).

Состав атмосферы Земли. История развития

Хотя воздух и кажется однородным, он представляет собой смесь разнообразных газов. Если брать только те, которые занимают хотя бы тысячную долю объема атмосферы, их уже будет 12. Если же смотреть на общую картину, то в воздухе одновременно находится вся таблица Менделеева!

Однако добиться такого разнообразия Земле удалось не сразу. Только благодаря уникальным совпадениям химических элементов и наличию жизни атмосфера Земли стала столь сложной. Наша планета сохранила геологические следы этих процессов, что позволяет нам заглянуть на миллиарды лет назад:

• Первыми газами, которые окутали молодую Землю 4,3 миллиарда лет назад, были водород и гелий — фундаментальные составляющие атмосферы газовых гигантов вроде Юпитера. Это самые элементарные вещества — из них состояли остатки туманности, родившей Солнце и окружающие его планеты, и они обильно оседали вокруг гравитационных центров-планет. Их концентрация была не очень высока, а низкая атомная масса позволяла им улетучиваться в космос, что они делают до сих пор. На сегодняшний день их общая удельная масса составляет 0,00052% от общей массы атмосферы Земли (0,00002% водорода и 0,0005% гелия), что совсем мало.
• Однако внутри самой Земли крылась уйма веществ, которые стремились вырваться из раскаленных недр. Из вулканов было выброшено громадное количество газов — в первую очередь аммиак, метан и углекислый газ, а также сера. Аммиак и метан впоследствии разложились на азот, который ныне занимает львиную долю массы атмосферы Земли — 78%.

• Но настоящая революция в составе атмосферы Земли произошла вместе с приходом кислорода. Он появлялся и естественным путем — раскаленная мантия молодой планеты активно избавлялась от газов, запертых под земной корой. Кроме того, водяные пары, извергаемые вулканами, расщеплялись под воздействием солнечного ультрафиолета на водород и кислород.

Однако такой кислород не мог долго задерживаться в атмосфере. Он вступал в реакции с угарным газом, свободным железом, серой и множеством других элементов на поверхности планеты — а высокие температуры и солнечное излучение катализировало химические процессы. Изменило эту ситуацию только появление живых организмов.

• Во-первых, они начали выделять столько кислорода, что он не только окислил все вещества на поверхности, но и начал накапливаться — за пару миллиардов лет его количество выросло с ноля до 21% процента всей массы атмосферы.
• Во-вторых, живые организмы активно использовали углерод атмосферы для построения собственных скелетов. В итоге их деятельности земная кора пополнилась целыми геологическими пластами органических материалов и ископаемых, а углекислого газа стало куда меньше

• И, наконец, избыток кислорода сформировал озоновый слой, который стал защищать живые организмы от ультрафиолета. Жизнь стала эволюционировать активнее и приобретать новые, более сложные формы — среди бактерий и водорослей стали появляться высокоорганизованные существа. Сегодня в озон занимает всего 0,00001% всей массы Земли.

Вам уже наверняка известно, что синий цвет неба на Земле тоже создается кислородом — из всего радужного спектра Солнца он лучше всего рассеивает короткие волны света, отвечающие за синий цвет. Этот же эффект действует в космосе — на расстоянии Земля будто окутывается голубой дымкой, а издали и вовсе превращается в синюю точку.

Кроме того, в атмосфере в значительном количестве присутствуют благородные газы. Среди них больше всего аргона, доля которого в атмосфере составляет 0,9–1%. Его источник — ядерные процессы в глубинах Земли, а попадает на поверхность он через микротрещины в литосферных плитах и вулканические извержения (таким же образом появляется гелий в атмосфере). Из-за своих физических особенностей благородные газы поднимаются в верхние слои атмосферы, где улетучиваются в космическое пространство.

Как мы можем видеть, состав атмосферы Земли менялся уже не раз, и притом очень сильно — но на это понадобились миллионы лет. С другой стороны, жизненно важные явления очень устойчивы — озоновый слой будет существовать и функционировать, даже если на Земле будет в 100 раз меньше кислорода. На фоне общей истории планеты, деятельность человека не оставила серьезных следов. Однако в локальных масштабах цивилизация способна создавать проблемы — по крайней мере, для себя. Загрязнители воздуха уже сделали жизнь жителей китайского Пекина опасной — а громадные облака грязного тумана над большими городами видны даже из космоса.

Структура атмосферы

Однако экзосфера — это не единственный особый слой нашей атмосферы. Их существует немало, и каждый из них обладает своими уникальными характеристиками. Давайте рассмотрим несколько основных:

Тропосфера

Самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы называется тропосферой. Читатель статьи сейчас находится именно в его «придонной» части — если, конечно, он не является одним из 500 тысяч человек, которые летят прямо сейчас в самолете. Верхний предел тропосферы зависит от широты (помните о центробежной силе вращения Земли, из-за которой планета шире на экваторе?) и колеблется от 7 километров на полюсах до 20 километров на экваторе. Также размеры тропосферы зависит от сезона — чем теплее воздух, тем выше поднимается верхний предел.

Название «тропосфера» происходит от древнегреческого слова «tropos», которое переводится как «поворот, изменение». Это достаточно точно отображает свойства слоя атмосферы — он наиболее динамичный и продуктивный. Именно в тропосфере собираются облака и циркулирует вода, создаются циклоны и антициклоны и генерируются ветра — происходят все те процессы, которые мы называем «погода» и «климат». Кроме того, это самый массивный и плотный слой — на него приходится 80% массы атмосферы и почти все содержание воды в ней. Тут же обитает большая часть живых организмов.

Всем известно, что чем выше подниматься, тем холоднее становится. Это действительно так — каждые 100 метров вверх температура воздуха падает на 0,5-0,7 градуса. Тем не менее принцип работает только в тропосфере — дальше температура с ростом высоты начинает повышаться. Зона между тропосферой и стратосферой, где температура остается неизменной, называется тропопаузой. А еще с высотой убыстряется течение ветра — на 2–3 км/с на километр ввысь. Поэтому пара- и дельтапланеристы предпочитают для полетов возвышенные плато и горы — там всегда удастся «поймать волну».

Уже упомянутое воздушное дно, где атмосфера контактирует с литосферой, называется приземным пограничным слоем. Его роль в циркуляции атмосферы невероятно велика — отдача тепла и излучения от поверхности создает ветры и перепады давления, а горы и другие неровности рельефа направляют и разделяют их. Тут же происходит водообмен — за 8–12 дней вся вода, взятая из океанов и поверхности, возвращается обратно, превращая тропосферу в своеобразный водный фильтр.

• Интересный факт — на водообмене с атмосферой завязан важный процесс в жизнедеятельности растений — транспирация. С ее помощью флора планеты активно влияет на климат — так, большие зеленые массивы смягчают погоду и перепады температуры. Растения в насыщенных водой местах испаряют 99% воды, взятой из почвы. К примеру, гектар пшеницы за лето выбрасывает в атмосферу 2–3 тысячи тонн воды — это значительно больше, чем могла бы отдать безжизненная почва.

Нормальное давление у поверхности Земли — около 1000 миллибар. Эталоном считается давление в 1013 мБар, которое составляет одну «атмосферу» — с этой единицей измерения вы уже наверняка сталкивались. С ростом высоты давление стремительно падает: у границ тропосферы (на высоте 12 километров) оно составляет уже 200 мБар, а на высоте 45 километров и вовсе падает до 1 мБар. Поэтому не странно, что именно в насыщенной тропосфере собрано 80% все массы атмосферы Земли.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся в диапазоне между 8 км высоты (на полюсе) и 50 км (на экваторе), называется стратосферой. Название происходит от др. греческого слова «stratos», которое значит «настил, слой». Это крайне разреженная зона атмосферы Земли, в которой почти нет водного пара. Давление воздуха в нижней части стратосферы в 10 раз меньше приповерхностного, а в верхней части — в 100 раз.

В разговоре о тропосферу мы уже узнали, что температура в ней понижается в зависимости от высоты. В стратосфере все происходит с точностью до наоборот — с набором высоты температура вырастает от –56°C до 0–1°С. Прекращается нагрев в стратопаузе, границе между страто- и мезосферами.

 

Жизнь и человек в стратосфере

Пассажирские лайнеры и сверхзвуковые самолеты обычно летают в нижних слоях стратосферы — это не только защищает их от нестабильности воздушных потоков тропосферы, но и упрощает их движение за счет малого аэродинамического сопротивления. А низкие температуры и разреженность воздуха позволяют оптимизировать потребление топлива, что особенно важно для дальних перелетов.

Однако существует технический предел высоты для самолета — приток воздуха, которого в стратосфере так мало, необходим для работы реактивных двигателей. Соответственно, для достижения нужного давления воздуха в турбине самолету приходится двигаться быстрее скорости звука. Поэтому высоко в стратосфере (на высоте 18–30 километров) могут передвигаться только боевые машины и сверхзвуковые самолеты вроде «Конкордов». Так что основными «обитателями» стратосферы являются метеорологические зонды, прикрепленные к воздушным шарам — там они могут оставаться длительное время, собирая информацию о динамике нижележащей тропосферы.

Читателю уже наверняка известно, что вплоть до самого озонового слоя в атмосфере встречаются микроорганизмы — так называемый аэропланктон. Однако не одни бактерии способны выживать в стратосфере. Так, однажды в двигатель самолета на высоте 11,5 тысячи километров попал африканский сип — особая разновидность грифа. А некоторые утки во время миграций спокойно пролетают над Эверестом.

Но самым большим существом, побывавшим в стратосфере, остается человек. Текущий рекорд по высоте был установлен Аланом Юстасом — вице-президентом компании Google. В день прыжка ему было 57 лет! На специальном воздушном шаре он поднялся на высоту 41 километр над уровнем моря, а затем спрыгнул вниз с парашютом. Скорость, которую он развил в пиковый момент падения, составила 1342 км/ч — больше скорости звука! Одновременно Юстас стал первым человеком, самостоятельно преодолевшим звуковой порог скорости (не считая скафандра для поддержки жизнедеятельности и парашютов для приземления в целом виде).

• Интересный факт — для того чтобы отсоединиться от воздушного шара, Юстасу понадобилось взрывное устройство — вроде того, что используется космическими ракетами при отсоединении ступеней.

Озоновый слой

А еще на границе между стратосферой и мезоферой находится знаменитый озоновый слой. Он защищает поверхность Земли от воздействия ультрафиолетовых лучей, а заодно служит верхней границей распространения жизни на планете — выше него температура, давление и космическое излучение быстро положат конец даже самым стойким бактериям.

Откуда же взялся этот щит? Ответ невероятен — он был создан живыми организмами, точнее — кислородом, которые разнообразные бактерии, водоросли и растения выделяли с незапамятных времен. Поднимаясь высоко по атмосфере, кислород контактирует с ультрафиолетовым излучением и вступает в фотохимическую реакцию. В итоге из обычного кислорода, которым мы дышим, O₂, получается озон — O₃.

Парадоксально, но созданный излучением Солнца озон защищает нас от этого же излучения! А еще озон не отражает, а поглощает ультрафиолет — тем самым он нагревает атмосферу вокруг себя.

Мезосфера

Мы уже упоминали, что над стратосферой — точнее, над стратопаузой, пограничной прослойкой стабильной температуры — находится мезосфера. Этот относительно небольшой слой располагается между 40–45 и 90 километров высоты и является самым холодным местом в нашей планете — в мезопаузе, верхнем слое мезосферы, воздух охлаждается до –143°C.

Мезосфера является наименее изученной частью атмосферы Земли. Экстремально малое давление газов, которое от тысячи до десяти тысяч раз ниже поверхностного, ограничивает движение воздушных шаров — их подъемная сила доходит до нуля, и они попросту зависают на месте. То же происходит с реактивными самолетами — аэродинамика крыла и корпуса самолета теряют свой смысл. Поэтому летать в мезосфере могут либо ракеты, либо самолеты с ракетными двигателями — ракетопланы. К таким относится ракетоплан X-15, который удерживает позицию самого быстрого самолета в мире: он достиг высоты в 108 километров и скорости 7200 км/ч — в 6,72 раза больше скорости звука.

Однако рекордный полет X-15 составил всего 15 минут. Это символизирует общую проблему движущихся в мезосфере аппаратов — они слишком быстры, чтобы провести какие-либо основательные исследования, и находятся на заданной высоте недолго, улетая выше или падая вниз. Также мезосферу нельзя исследовать при помощи спутников или суборбитальных зондов — пусть давление в этом слое атмосферы и низкое, оно тормозит (а порой и сжигает) космические аппараты. Из-за этих сложностей ученые часто называют мезосферу «незнайкосферой» (от англ. «ignorosphere», где «ignorance» — невежество, незнание).

А еще именно в мезосфере сгорает большинство метеоров, падающих на Землю — именно там вспыхивает метеоритный поток Персеиды, известный как «августовский звездопад». Световой эффект происходит тогда, когда космическое тело входит в атмосферу Земли под острым углом со скоростью больше 11 км/ч — от силы трения метеорит загорается.

Растеряв свою массу в мезосфере, остатки «пришельцев» оседают на Землю в виде космической пыли — каждый день на планету попадает от 100 до 10 тысяч тонн метеоритного вещества. Поскольку отдельные пылинки очень легкие, на путь к поверхности Земли у них уходит до одного месяца! Попадая в тучи, они утяжеляют их и даже иногда вызывают дожди — как вызывает их вулканический пепел или частицы от ядерных взрывов. Однако сила влияния космической пыли на дождеобразование считается небольшой — даже 10 тысяч тонн маловато, чтобы серьезно изменить естественную циркуляцию атмосферы Земли.

Термосфера

Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана незримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.

С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!

Горячо, не правда ли? При температуре в 1538°C начинает плавиться железо — как же тогда космические аппараты остаются целыми в термосфере? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока — но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.

• На заметку. Когда речь идет о высоких температурах, всегда стоит учитывать плотность раскаленной материи — так, ученые на Андронном Коллайдере действительно могут нагреть вещество до температуры Солнца. Но очевидно, что это будут отдельные молекулы — одного грамма вещества звезды хватило бы для мощнейшего взрыва. Поэтому не стоит верить желтой прессе, которая обещает нам скорый конец света от «рук» Коллайдера, как и не стоит бояться жара в термосфере.

Термосфера и космонавтика

Термосфера фактически является открытым космосом — именно в ее пределах пролегала орбита первого советского «Спутника». Там же был апоцентр — наивысшая точка над Землей — полета корабля «Восток-1» с Юрием Гагариным на борту. Многие искусственные спутники для изучения поверхности Земли, океана и атмосферы, вроде спутников Google Maps, тоже запускаются на эту высоту. Поэтому если речь идет о НОО (Низкой Опорной Орбите, расхожий термин в космонавтике), в 99% случаев она находится в термосфере.

Орбитальные полеты людей и животных не просто так происходят в термосфере. Дело в том, что в ее верхней части, на высоте от 500 километров, простираются радиационные пояса Земли. Именно там заряженные частицы солнечного ветра ловятся и накапливаются магнитосферой. Длительное нахождение в радиационных поясах приносит непоправимый вред живым организмам и даже электронике — поэтому все высокоорбитальные аппараты обладают защитой от радиации.

Полярные сияния

В полярных широтах часто появляется зрелищное и грандиозное зрелище — полярные сияния. Они выглядят как длинные светящиеся дуги разнообразных цветов и форм, которые переливаются в небе. Их появлению Земля обязана своей магнитосферой — а, точнее, прорехами в ней возле полюсов. Заряженные частицы солнечного ветра прорываются внутрь, заставляя атмосферу светиться. Полюбоваться на самые зрелищные сияния и узнать подробнее их происхождение можно тут.

Сейчас сияния являются обыденностью для жителей приполярных стран, таких как Канада или Норвегия, а также обязательным пунктом в программе любого туриста — однако раньше им приписывались сверхъестественные свойства. В разноцветных огнях людям древности виделись врата в рай, мифические существа и костры духов, а их поведение считали прорицаниями. И наших предков можно понять — даже образование и вера в собственный разум порой не могут сдержать благоговения перед силами природы.

Экзосфера

Последний слой атмосферы Земли, нижняя граница которого проходит на высоте 700 километров — это экзосфера (от др. греческого коря «экзо» — вне, снаружи). Она невероятно рассеянная и состоит преимущественно из атомов легчайшего элемента — водорода; также попадаются отдельные атомы кислорода  и азота, которые сильно ионизированы всепроникающим излучением Солнца.

Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.

Выветривание атмосферы

А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.

Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь. Кроме того, часть потерянного вещества со временем возвращается обратно в атмосферу. А важные газы вроде кислорода или углекислого газа попросту слишком тяжелы, чтобы массово покидать Землю — поэтому не стоит бояться, что атмосфера нашей Земли улетучится.

• Интересный факт — «пророки» конца света часто говорят, что если ядро Земли перестанет вращаться, атмосфера быстро выветрится под напором солнечного ветра. Однако наш читатель знает, что удерживают атмосферу возле Земли силы гравитации, которые будут действовать вне зависимости от вращения ядра. Ярким доказательством этого служит Венера, у которой неподвижное ядро и слабое магнитное поле, но зато атмосфера в 93 раза плотнее и тяжелее земной. Однако это не значит, что прекращение динамики земного ядра безопасно — тогда исчезнет магнитное поле планеты. Его роль важна не столько в сдерживании атмосферы, сколько в защите от заряженных частиц солнечного ветра, которые легко превратят нашу планету в радиоактивную пустыню.

Облака

Вода на Земле существует не только в необъятном океане и многочисленных реках. Около 5,2 ×10¹⁵ килограмм воды находится в атмосфере. Она присутствует практически везде — доля пара в воздухе колеблется от 0,1% до 2,5% объема в зависимости от температуры и местоположения. Однако больше всего воды собрано в облаках, где она хранится не только в виде газа, но и в маленьких капельках и ледяных кристаллах. Концентрация воды в тучах достигает 10г/м³ — а так как облака достигают объема в несколько кубических километров, масса воды в них исчисляется десятками и сотнями тонн.

Облака — это самое заметное образование нашей Земли; они видны даже с Луны, где очертания континентов размываются перед невооруженным глазом. И это не странно — ведь тучами постоянно покрыто больше 50% Земли!

В теплообмене Земли облака играют невероятно важную роль. Зимой они захватывают солнечные лучи, повышая температуру под собой за счет парникового эффекта, а летом экранируют громадную энергию Солнца. Также облака уравновешивают перепады температуры между днем и ночью. К слову, именно из-за их отсутствия пустыни так сильно остывают ночью — все накопленное песком и скалами тепло беспрепятственно улетает ввысь, когда в других регионах его удерживают тучи.

Преобладающее большинство туч формируются у поверхности Земли, в тропосфере, однако в своем дальнейшем развитии они принимают самые разнообразные формы и свойства. Их разделение весьма полезно — появление туч различных видов может не только помочь предсказывать погоду, но и определять наличие примесей в воздухе! Давайте рассмотрим основные типы облаков подробнее.

Облака нижнего яруса

Тучи, которые опускаются ниже всего над землей, относят к облакам нижнего яруса. Им характерна высокая однородность и низкая масса — когда они опускаются на землю, ученые-метеорологи не отделяют их от обычного тумана. Тем не менее разница между ними есть — одни просто заслоняют небо, а другие могут разразиться большими дождями и снегопадами.

• К тучам, способным дать сильные осадки, относятся слоисто-дождевые облака. Они самые большие среди туч нижнего яруса: их толщина достигает нескольких километров, а линейные измерения превышают тысячи километров. Они представляют собой однородную серую массу — взгляните на небо во время продолжительного дождя, и вы наверняка увидите слоисто-дождевые облака.
• Другой вид облаков нижнего яруса — это слоисто-кучевые облака, поднимающиеся над землей на 600–1500 метров. Они представляют собой группы из сотен серо-белых туч, разделенных небольшими просветами. Такие облака мы обычно видим в дни переменной облачности. С них редко идет дождь или снег.
• Последний вид нижних облаков — это обычные слоистые облака; именно они застилают небо в пасмурные дни, когда с неба пускается мелкая морось. Они очень тонкие и низкие — высота слоистых облаков в максимуме достигает 400–500 метров. Их структура очень напоминает строение тумана — опускаясь ночью к самой земле, они часто создают густую утреннюю дымку.

Облака вертикального развития

У туч нижнего яруса есть старшие братья — облака вертикального развития. Хотя их нижняя граница пролегает на небольшой высоте в 800–2000 километров, облака вертикального развития серьезно устремляются вверх — их толщина может достигать 12–14 километров, что подталкивает их верхний предел к границам тропосферы. Еще такие облака называют конвективными: из-за больших размеров вода в них приобретает разную температуру, что порождает конвекцию — процесс перемещения горячих масс наверх, и холодных — вниз. Поэтому в облаках вертикального развития одновременно существуют водный пар, мелкие капельки, снежинки и даже целые кристаллы льда.

• Основным типом вертикальных облаков являются кучевые облака — громадные белые тучи, напоминающие рваные куски ваты или айсберги. Для их существования необходима высокая температура воздуха — поэтому в средней полосе России они появляются только летом и тают к ночи. Их толщина достигает нескольких километров.

• Однако когда кучевые облака имеют возможность собраться вместе, они создают куда более грандиозную форму — кучево-дождевые облака. Именно с них идут сильные ливни, град и грозы летом. Существуют они только несколько часов, но при этом разрастаются ввысь до 15 километров — верхняя их часть достигает температуры –10°C и состоит из кристалликов льда.На верхушках самых больших кучево-дождевых туч формируются «наковальни» — плоские области, напоминающие гриб или перевернутый утюг. Это происходит на тех участках, где облако достигает границы стратосферы — физика не позволяет распространяться дальше, из-за чего кучево-дождевая туча расползается вдоль предела высоты.

• Интересный факт — мощные кучево-дождевые облака формируются в местах извержений вулканов, ударов метеоритов и ядерных взрывов. Эти тучи являются самыми большими — их границы достигают даже стратосферы, выбираясь на высоту 16 километров. Будучи насыщенными испаренной водой и микрочастицами, они извергают мощные грозовые ливни — в большинстве случаев этого достаточно, чтобы потушить связанные с катаклизмом возгорания. Вот такой вот природный пожарный 🙂

Облака среднего яруса

В промежуточной части тропосферы (на высоте от 2–7 километров в средних широтах) находятся облака среднего яруса. Им свойственны большие площади — на них меньше влияют восходящие потоки от земной поверхности и неровности ландшафта — и небольшая толщина в несколько сот метров. Это те облака, которые «наматываются» вокруг острых пиков гор и зависают возле них.

Сами облака среднего яруса делятся на два основных типа — высокослоистые и высококучевые.

• Высокослоистые облака — это одна из составляющих сложных атмосферных масс. Они представляют собой однородную, серовато-синюю пелену, через которую видны Солнце и Луна — хотя протяженность высокослоистых облаков составляет тысячи километров, их толщина составляет всего несколько километров. Серая плотная пелена, которая видна из иллюминатора самолета, летящего на большой высоте — это именно высокослоистые облака. Часто из них идут длительные дожди или снег.

• Высококучевые облака, напоминающие мелкие куски рваной ваты или тонкие параллельные полосы, встречаются в теплую пору года — они образуются при поднятии теплых воздушных масс на высоту 2–6 километров. Высококучевые облака служат верным индикатором грядущей перемены погоды и приближения дождя — создать их может не только естественная конвекция атмосферы, но и наступления холодных воздушных масс. С них редко идет дождь — однако тучи могут сбиться вместе и создать одно большое дождевое облако.

К слову о тучах возле гор — на фотографиях (а, может, и вживую) вы наверняка не раз видели круглые облака, напоминающие ватные диски, которые зависают слоями над горной вершиной. Дело в том, что облака среднего яруса часто бывают лентикулярными или линзовидными — разделенными на несколько параллельных слоев. Их создают воздушные волны, образующиеся при обтекании ветром крутых пиков. Линзовидные тучи также особенны тем, что висят на месте даже при самом сильном ветре. Это делает возможным их природа — поскольку такие облака создаются в местах контакта нескольких воздушных потоков, они находятся в относительно стабильной позиции.

Облака верхнего яруса

Последний уровень обычных туч, которые поднимаются до нижних пределов стратосферы, называется верхним ярусом. Высота таких облаков достигает 6–13 километров — там очень холодно, и потому облака на верхнем ярусе состоят из мелких льдинок. Из-за их волокнистой растянутой формы, напоминающей перья, высокие облака также называются перистыми — хотя причуды атмосферы часто придают им форму когтей, хлопьев и даже рыбьих скелетов. Осадки, которые образуются с них, никогда не достигают земли — но само присутствие перистых облаков служит древним способом предсказывать погоду.

• Чисто-перистые облака являются самыми протяженными среди туч верхнего яруса — длина отдельного волокна может достигать десятка километров. Так как кристаллы льда в тучах достаточно большие, чтобы ощущать на себе притяжение Земли, перистые облака «падают» целыми каскадами — расстояние между верхней и нижней точкой отдельно взятого облака может достигать 3-4 километров! По сути, перистые тучи — это громадные «ледопады». Именно различия в форме кристаллов воды создают их волокнистую, потокообразную форму.

• В этом классе попадаются и практически невидимые облака — перисто-слоистые облака. Они образуются тогда, когда большие массы приповерхностного воздуха поднимаются ввысь — на большой высоте их влажности достаточно для формирования облака. Когда сквозь них просвечивает Солнце или Луна, появляется гало — сияющий радужный диск из рассеянных лучей.

Серебристые облака

В отдельный класс стоит выделить серебристые облака — самые высокие тучи на Земле. Они забираются на высоту 80 километров, что даже выше стратосферы! Кроме того, они имеют необычный состав — в отличие от других облаков, они состоят из метеоритной пыли и метана, а не воды. Эти тучи видны только после заката или перед рассветом — лучи Солнца, проникающие из-за горизонта, подсвечивают серебристые облака, которые в течение дня остаются невидимыми на высоте.

Серебристые облака представляют собой невероятно красивое зрелище  — однако чтобы увидеть их в Северном полушарии, нужны особые условия. А еще их загадку было не так просто разгадать — ученые в бессилии отказывались в них верить, объявляя серебристые тучи оптической иллюзией. Посмотреть на необычные облака и узнать о их секретах вы можете из нашей специальной статьи.

Источник: SpaceGid.com