Книга по ботаника 

Състав на диаграма на земната атмосфера. Какво е атмосфера? Земната атмосфера: структура, значение

Атмосферата е външната обвивка небесни тела... На различни планети той се различава по състав, химически и физични свойства... Какви са основните свойства на земната атмосфера? В какво се състои? Как и кога възникна? Ще разберем за това по -нататък.

Формиране на атмосфера

Атмосферата е смес от газове, които обгръщат планетата отвън и се държат заедно от нейните гравитационни сили. По време на формирането си нашата планета все още нямаше газова обвивка. Той се формира малко по -късно и успява да се промени няколко пъти. Не е известно до края какви са основните свойства на атмосферата тогава.

Учените предполагат, че първата атмосфера е взета от слънчевата мъглявина и се състои от хелий и водород. Високите температури на планетата и въздействието на слънчевия вятър бързо унищожиха тази обвивка.

Следващата атмосфера се образува от вулкани, които отделят газове от нея. Тя е тънка и се състои от парникови газове (метан, въглероден диоксид, амоняк), водни пари и киселини.

Преди два милиарда години състоянието на атмосферата започна да се трансформира в настоящето. В това участват външни процеси (изветряне, активност на Слънцето) на планетата и първите бактерии и водорасли, поради отделянето на кислород от тях.

Състав и свойства на атмосферата

Газовата обвивка на нашата планета няма ясен ръб. Външният му контур се замъглява и постепенно се превръща в пространство, сливайки се с него в хомогенна маса. Вътрешният ръб на черупката е в контакт с кораи хидросферата на Земята.

Какви са основните свойства на атмосферата до голяма степен се определя от нейния състав. По -голямата част от него е представена от газове. Основният дял пада на азота (75,5%) и кислорода (23,1%). Освен тях атмосферният въздух се състои от аргон, въглероден диоксид, водород, метан, хелий, ксенон и др.

Концентрацията на веществата практически не се променя. Променливите стойности са характерни за водата и се определят от количеството растителност. Водата се съдържа под формата на водни пари. Количеството му варира в зависимост от географските ширини и е до 2,5%. Атмосферата съдържа също продукти на горенето, морска сол, прахови примеси, лед под формата на малки кристали.

Физически свойства на атмосферата

Основните свойства на атмосферата са налягане, влажност, температура и плътност. Във всеки от слоевете на атмосферата техните стойности са различни. Въздухът на земната обвивка е множество молекули различни вещества... Силите на гравитацията ги държат в рамките на планетата, привличайки ги по -близо до нейната повърхност.

Най -много молекули има на дъното, така че плътността и налягането там са по -високи. Те намаляват с височината и в космоса стават почти невидими. В долната атмосфера налягането намалява с 1 mm Hg. Изкуство. на всеки 10 метра.

За разлика от повърхността на планетата, атмосферата не се нагрява от Слънцето. Следователно, колкото по -близо до Земята, толкова по -висока е температурата. На всеки сто метра тя намалява с около 0,6 градуса. В горната част на тропосферата достига -56 градуса.

Параметрите на въздуха са силно повлияни от съдържанието на вода в него, тоест влажност. Общата маса на въздуха на планетата е (5.1-5.3) · 10 18 kg, където делът на водната пара е 1.27 · 10 16 kg. Тъй като свойствата на атмосферата в различните области са различни, се извеждат стандартни стойности, които се приемат като "нормални условия" на земната повърхност:

Структурата на газовата обвивка на Земята

Характерът на газовата обвивка се променя с височина. В зависимост от основните свойства на атмосферата тя се разделя на няколко слоя:

  • тропосфера;
  • стратосфера;
  • мезосфера;
  • термосфера;
  • екзосфера.

Основният параметър за диференциация е температурата. Между слоевете се разграничават гранични области, наречени паузи, в които е фиксиран постоянен температурен индикатор.

Тропосферата е най -ниският слой. Границата му минава на височина от 8 до 18 километра, в зависимост от географската ширина. Той е най -висок на линията на екватора. Приблизително 80% от масата на въздуха в атмосферата пада точно върху тропосферата.

Външният слой на атмосферата е представен от екзосферата. Долната му граница и дебелина зависят от активността на Слънцето. На Земята екзосферата започва на височина от 500 до 1000 километра и достига сто хиляди километра. Отдолу е наситен с кислород и азот, отгоре - с водород и други леки газове.

Ролята на атмосферата

Атмосферата е въздухът, който дишаме. Без него човек няма да живее дори пет минути. Той насища всички клетки на растения и животни, улеснявайки обмена на енергия между тялото и външната среда.

Атмосферата е филтърът на планетата. Преминавайки през него, слънчевата радиация се разсейва. Това намалява неговата интензивност и вредата, която може да причини, когато е концентрирана. Черупката играе ролята на щита на Земята, в горните слоевекоято изгаря много метеорити и комети, като не достига повърхността на планетата.

Температурата, плътността, влажността и налягането на атмосферата оформят климата и метеорологичните условия. Атмосферата участва в разпределението на топлината на планетата. Без него температурата ще се колебае в рамките на двеста градуса.

Черупката на Земята участва в циркулацията на вещества, е местообитание на някои живи същества и допринася за предаването на звуци. Отсъствието му би направило невъзможно съществуването на живот на планетата.

Тропосфера

Горната му граница е на надморска височина 8-10 км в полярни, 10-12 км в умерени и 16-18 км в тропически ширини; по -ниска през зимата, отколкото през лятото. Долният, основен слой на атмосферата съдържа повече от 80% от общата маса атмосферен въздухи около 90% от всички водни пари, налични в атмосферата. Турбуленцията и конвекцията са силно развити в тропосферата, появяват се облаци, развиват се циклони и антициклони. Температурата намалява с увеличаване на надморската височина със среден вертикален наклон от 0,65 ° / 100 m

Тропопауза

Преходният слой от тропосферата към стратосферата, слоят от атмосферата, в който температурата намалява с височина, спира.

Стратосфера

Слоят на атмосферата, разположен на височина от 11 до 50 км. Лека промяна в температурата в слоя от 11-25 km (долният слой на стратосферата) и увеличаването му в слоя 25-40 km от -56,5 до 0,8 ° C (горният слой на стратосферата или зоната на инверсия) са характерни. След като достигна стойност от около 273 K (почти 0 ° C) на височина около 40 km, температурата остава постоянна до надморска височина от около 55 km. Тази област с постоянна температура се нарича стратопауза и е границата между стратосферата и мезосферата.

Стратопауза

Граничният слой на атмосферата между стратосферата и мезосферата. Вертикалното разпределение на температурата има максимум (около 0 ° C).

Мезосфера

Мезосферата започва на височина 50 км и се простира до 80-90 км. Температурата намалява с височина със среден вертикален градиент (0,25-0,3) ° / 100 м. Основният енергиен процес е лъчист топлопренос. Сложните фотохимични процеси, включващи свободни радикали, вибрационно възбудени молекули и т.н., карат атмосферата да свети.

Мезопауза

Преходен слой между мезосферата и термосферата. Има минимум във вертикалното разпределение на температурата (около -90 ° C).

Джобна линия

Височина над морското равнище, която условно се приема като граница между земната атмосфера и космоса. Линията Карман се намира на височина 100 км над морското равнище.

Границата на земната атмосфера

Термосфера

Горната граница е около 800 км. Температурата се повишава до надморска височина 200-300 км, където достига стойности от порядъка на 1500 К, след което остава почти постоянна до голяма надморска височина. Под въздействието на ултравиолетова и рентгенова слънчева радиация и космическа радиация настъпва йонизация на въздуха („полярни светлини“) - основните области на йоносферата лежат вътре в термосферата. На надморска височина над 300 км преобладава атомният кислород. Горната граница на термосферата до голяма степен се определя от текущата активност на Слънцето. По време на периоди на ниска активност се наблюдава забележимо намаляване на размера на този слой.

Термопауза

Областта на атмосферата, съседна на върха на термосферата. В тази област поглъщането на слънчевата радиация е незначително и температурата всъщност не се променя с надморската височина.

Екзосфера (кълбо от разпръскване)

Атмосферни слоеве до височина 120 км

Екзосферата е зона на разсейване, външната част на термосферата, разположена над 700 км. Газът в екзосферата е много разреден и от тук идва изтичането на частиците му в междупланетното пространство (разсейване).

До надморска височина от 100 км атмосферата представлява хомогенна, добре смесена смес от газове. При по -високите слоеве разпределението на газовете по височината зависи от тяхното молекулни тегла, концентрацията на по -тежки газове намалява по -бързо с разстоянието от земната повърхност. Поради намаляването на плътността на газовете температурата спада от 0 ° C в стратосферата до -110 ° C в мезосферата. но кинетична енергияотделни частици на височина 200-250 км съответстват на температура ~ 150 ° С. Над 200 км се наблюдават значителни колебания в температурата и плътността на газовете във времето и пространството.

На надморска височина от около 2000-3500 км, екзосферата постепенно преминава в така наречения близкокосмически вакуум, който е изпълнен със силно разредени частици междупланетен газ, главно водородни атоми. Но този газ е само малка част от междупланетното вещество. Другата част се състои от прахоподобни частици с кометен и метеорен произход. В допълнение към изключително разредените прахоподобни частици, в това пространство прониква електромагнитна и корпускуларна радиация от слънчев и галактически произход.

Тропосферата представлява около 80% от масата на атмосферата, стратосферата - около 20%; масата на мезосферата - не повече от 0,3%, термосферата - по -малко от 0,05% от обща масаатмосфера. Въз основа на електрическите свойства в атмосферата се разграничават неутросферата и йоносферата. В момента се смята, че атмосферата се простира до надморска височина 2000-3000 км.

В зависимост от състава на газа в атмосферата се разграничават хомосфера и хетеросфера. Хетеросферата е област, в която гравитацията влияе върху отделянето на газовете, тъй като смесването им на тази височина е незначително. Оттук и променливият състав на хетеросферата. Под него се намира добре смесена част от атмосферата, хомогенна по състав, наречена хомосфера. Границата между тези слоеве се нарича турбопауза; тя се намира на височина около 120 км.

Атмосферата се простира нагоре за много стотици километри. Горната му граница, на височина около 2000-3000 км,до известна степен е условно, тъй като газовете, неговите съставки, постепенно изтъняващи, преминават в световното пространство. Промяна с височина химичен съставатмосфера, налягане, плътност, температура и други нейни физични свойства. Както бе споменато по -рано, химическият състав на въздуха до височина 100 кмне се променя съществено. Малко по -високата атмосфера също се състои главно от азот и кислород. Но на надморска височина 100-110 км,под въздействието на ултравиолетовата радиация от слънцето кислородните молекули се разделят на атоми и се появява атомен кислород. Над 110-120 кмпочти целият кислород става атомен. Предполага се, че над 400-500 кмгазовете, които изграждат атмосферата, също са в атомно състояние.

Въздушното налягане и плътността бързо намаляват с височината. Въпреки че атмосферата се простира нагоре за стотици километри, по -голямата част от нея се намира в доста тънък слой, съседен на земната повърхност в най -ниските й части. И така, в слоя между морското равнище и височините 5-6 кмполовината от масата на атмосферата е концентрирана, в слоя 0-16 км-90%, а в слоя 0-30 км- 99%. Същото бързо намаляване на въздушната маса се случва над 30 км.Ако теглото е 1 m 3въздухът на повърхността на земята е 1033 g, след това на височина 20 кмтой е равен на 43 g и на височина 40 кмсамо 4 гр

На височина 300-400 кми по -горе, въздухът е толкова разреден, че плътността му се променя многократно през деня. Изследванията показват, че тази промяна в плътността е свързана с положението на Слънцето. Най -високата плътност на въздуха е около обяд, най -ниската е през нощта. Това се дължи отчасти на факта, че горната атмосфера реагира на промяна електромагнитно излъчванеСлънцето.

Промяната в температурата на въздуха с височината също се случва неравномерно. По естеството на промяната на температурата с височина атмосферата е разделена на няколко сфери, между които има преходни слоеве, така наречените паузи, където температурата се променя малко с височината.

Ето имената и основните характеристики на сферите и преходните слоеве.

Ето основните данни за физическите свойства на тези сфери.

Тропосфера. Физическите свойства на тропосферата до голяма степен се определят от влиянието земната повърхност, което е долната му граница. Най -високата тропосферна височина се наблюдава в екваториалните и тропическите зони. Тук тя достига 16-18 кми относително малко подлежи на ежедневни и сезонни промени. Над полярните и прилежащите райони горната граница на тропосферата лежи средно на ниво 8-10 км.В средните ширини тя варира от 6-8 до 14-16 км.

Вертикалната дебелина на тропосферата зависи значително от естеството на атмосферните процеси. Често през деня горната граница на тропосферата над дадена точка или област пада или се издига с няколко километра. Това се дължи главно на промените в температурата на въздуха.

Повече от 4/5 от масата на земната атмосфера и почти всички водни пари, съдържащи се в нея, са концентрирани в тропосферата. В допълнение, от повърхността на земята до горната граница на тропосферата температурата намалява средно с 0,6 ° на всеки 100 м или 6 ° на 1 кмповдигащ настроението . Това се дължи на факта, че въздухът в тропосферата се нагрява и охлажда главно от земната повърхност.

В съответствие с притока на слънчева енергия температурата намалява от екватора до полюсите. Така че средната температура на въздуха в близост до земната повърхност на екватора достига + 26 °, над полярните области през зимата -34 °, -36 °, а през лятото около 0 °. Така температурната разлика между екватора и полюса е 60 ° през зимата и само 26 ° през лятото. Вярно е, че такива ниски температури в Арктика през зимата се наблюдават само близо до повърхността на земята поради охлаждането на въздуха над ледените простори.

През зимата в Централна Антарктида температурата на въздуха на повърхността на ледената покривка е още по -ниска. На гара Восток през август 1960 г. е регистрирана най -ниската температура на земното кълбо --88,3 °, а най -често в Централна Антарктида е равна на -45 °, -50 °.

От височината температурната разлика между екватора и полюса намалява. Например, на височина 5 кмна екватора температурата достига -2 °, -4 °, и на същата надморска височина в Централна Арктика, -37 °, -39 ° през зимата и -19 °, -20 ° през лятото; следователно температурната разлика през зимата е 35-36 °, а през лятото 16-17 °. В южното полукълбо тези разлики са малко по -големи.

Енергията на атмосферната циркулация може да се определи чрез екваторно-полюсни температурни договори. Тъй като големината на температурните контрасти е по -голяма през зимата, атмосферните процеси са по -интензивни, отколкото през лятото. Това обяснява и факта, че преобладаващите западни ветровепрез зимата в тропосферата те имат по -високи скорости, отколкото през лятото. В този случай скоростта на вятъра, като правило, се увеличава с височина, достигайки максимум на горната граница на тропосферата. Хоризонталният транспорт е придружен от вертикални въздушни движения и турбулентно (разстройно) движение. В резултат на покачването и спадането на големи обеми въздух се образуват и разпръскват облаци, появяват се валежи и спират. Преходният слой между тропосферата и надлежащата сфера е тропопауза.Над нея се намира стратосферата.

Стратосфера се простира от височини 8-17 до 50-55 км.Открит е в началото на нашия век. По отношение на физическите свойства стратосферата рязко се различава от тропосферата по това, че температурата на въздуха тук, като правило, се повишава средно с 1 - 2 ° на километър изкачване и на горната граница, на височина 50- 55 км,дори става положителен. Повишаването на температурата в тази област е причинено от наличието на озон (O 3) тук, който се образува под въздействието на ултравиолетовата радиация от Слънцето. Озоновият слой заема почти цялата стратосфера. Стратосферата е много бедна на водни пари. Няма насилствени процеси на образуване на облаци и валежи.

Съвсем наскоро се прие, че стратосферата е относително спокойна среда, където няма смесване на въздуха, както в тропосферата. Следователно се смята, че газовете в стратосферата са разделени на слоеве в съответствие с тяхното специфично тегло. Оттук и името на стратосферата („stratus“ - наслоено). Предполага се също, че температурата в стратосферата се формира под влиянието на радиационното равновесие, тоест когато погълнатата и отразената слънчева радиация са равни.

Нови данни, получени с помощта на радиозонди и метеорологични ракети, показват, че в стратосферата, както и в горната тропосфера, има интензивна циркулация на въздуха с големи промени в температурата и вятъра. Тук, както и в тропосферата, въздухът изпитва значителни вертикални измествания, турбулентни движения със силни хоризонтални въздушни течения. Всичко това е резултат от неравномерно разпределение на температурата.

Преходният слой между стратосферата и надлежащата сфера е стратопауза.Преди обаче да пристъпим към характеризиране на висшите слоеве на атмосферата, нека се запознаем с т. Нар. Озоносфера, чиито граници приблизително съответстват на границите на стратосферата.

Озон в атмосферата. Озонът играе важна роля в създаването на режим на температура и въздушни течения в стратосферата. Озонът (O 3) се усеща от нас след гръмотевична буря, когато вдишваме чист въздух с приятен послевкус. Тук обаче не говорим за този озон, образуван след гръмотевична буря, а за озона, съдържащ се в слоя 10-60. кмс максимум на височина 22-25 км.Озонът се произвежда от ултравиолетовите лъчи на слънцето и въпреки че общото количество е незначително, играе важна роля в атмосферата. Озонът има способността да абсорбира ултравиолетовата радиация от Слънцето и по този начин защитава животното и зеленчуков святот разрушителното му действие. Дори тази незначителна част от ултравиолетовите лъчи, която достига до повърхността на земята, изгаря тялото силно, когато човек е прекалено пристрастен към слънчевите бани.

Количеството на озона не е същото различни частиЗемята. Има повече озон във високите географски ширини, по -малко в средните и ниските географски ширини и това количество се променя в зависимост от смяната на сезоните на годината. Повече озон през пролетта, по -малко озон през есента. Освен това неговите непериодични колебания възникват в зависимост от хоризонталната и вертикалната циркулация на атмосферата. Много атмосферни процеси са тясно свързани със съдържанието на озон, тъй като той влияе пряко върху температурното поле.

През зимата, при полярни нощни условия, на високи географски ширини в озоновия слой, въздухът се излъчва и охлажда. В резултат на това в стратосферата на високи географски ширини (в Арктика и Антарктика) през зимата се образува студен регион, стратосферен циклонен вихър с големи хоризонтални наклони на температура и налягане, причинявайки западни ветрове над средните ширини Глобусът.

През лятото, през полярен ден, на високи географски ширини, озоновият слой поглъща слънчевата топлина и затопля въздуха. В резултат на повишаване на температурата в стратосферата на високи географски ширини се образува топлинна област и стратосферен антициклоничен вихър. Следователно, над средните ширини на земното кълбо над 20 кмпрез лятото в стратосферата преобладават източни ветрове.

Мезосфера. Наблюденията с помощта на метеорологични ракети и други методи са установили, че общото повишаване на температурата, наблюдавано в стратосферата, завършва на височини 50-55 км.Над този слой температурата отново намалява и на горната граница на мезосферата (около 80 км)достига -75 °, -90 °. Освен това температурата отново се повишава с височината.

Интересно е да се отбележи, че намаляването на температурата с надморска височина, характерно за мезосферата, се случва по различен начин на различни географски ширини и през цялата година. В ниските географски ширини спадът на температурата се случва по -бавно, отколкото в големите географски ширини: средният вертикален температурен градиент за мезосферата е съответно 0,23 ° - 0,31 ° на 100. мили 2,3 ° -3,1 ° за 1 км.През лятото тя е много по -голяма, отколкото през зимата. Както показват последните изследвания във високи географски ширини, температурата на горната граница на мезосферата през лятото е с няколко десетки градуса по -ниска, отколкото през зимата. В горната мезосфера на височина около 80 кмв слоя мезопауза намаляването на температурата с височина спира и започва да се покачва. Тук, под инверсионния слой привечер или преди изгрев слънце при ясно време, под хоризонта има блестящи тънки облаци, осветени от слънцето. На тъмния фон на небето те блестят със сребристо-синя светлина. Следователно тези облаци се наричат ​​сребристи.

Природата на нощните облаци все още не е добре разбрана. Дълго време се смяташе, че те са съставени от вулканичен прах. Отсъствието на оптични явления, присъщи на истинските вулканични облаци, доведе до отхвърляне на тази хипотеза. Тогава беше предложено, че светещи облацисе състои от космически прах... V последните годиние предложена хипотеза, че тези облаци са съставени от ледени кристали, като обикновени облаци цир. Разположението на нощни облаци се определя от забавящия слой поради инверсия на температуратапо време на прехода от мезосферата към термосферата на височина около 80 км.Тъй като в субинверсионния слой температурата достига -80 ° и по -ниска, тук се създават най -благоприятните условия за кондензация на водни пари, които навлизат тук от стратосферата в резултат на вертикално движение или чрез турбулентна дифузия. Обикновено нощните облаци се наблюдават през лятото, понякога в много голям брой и в продължение на няколко месеца.

Наблюденията на нощни облаци са установили, че през лятото на тяхното ниво ветровете са силно променливи. Скоростта на вятъра варира в широки граници: от 50-100 до няколкостотин километра в час.

Температура на височина. Визуално представяне на естеството на разпределението на температурата с височина, между земната повърхност и височини 90-100 км, през зимата и лятото в северното полукълбо, е дадено на фигура 5. Повърхностите, разделящи сферите, са показани тук с удебелен шрифт пунктирани линии. В самото дъно тропосферата се откроява добре с характерно понижение на температурата с височина. Над тропопаузата, в стратосферата, напротив, температурата обикновено се повишава с надморска височина и на височини 50-55 кмдостига + 10 °, -10 °. Нека обърнем внимание на важен детайл. През зимата, в стратосферата на високи географски ширини, температурата над тропопаузата пада от -60 до -75 ° и само над 30 кмотново се повишава до -15 °. През лятото, започвайки от тропопаузата, температурата се повишава с надморска височина и с 50 кмдостига + 10 °. Над стратопаузата температурата отново започва да намалява с надморска височина и на ниво 80 кмне надвишава -70 °, -90 °.

Фигура 5 показва, че в слой 10-40 кмтемпературата на въздуха през зимата и лятото във високите географски ширини е рязко различна. През зимата, при полярни нощни условия, температурата тук достига -60 °, -75 °, а през лятото минимум -45 ° е близо до тропопаузата. Над тропопаузата температурата се повишава и на височина 30-35 кме само -30 °, -20 °, което се причинява от затоплянето на въздуха в озоновия слой в условията на полярен ден. От фигурата следва също, че дори през същия сезон и на същото ниво температурата не е еднаква. Тяхната разлика между различните географски ширини надвишава 20-30 °. В същото време хетерогенността е особено значима в слоя с ниски температури (18-30 км)и в слоя с максимални температури (50-60 км)в стратосферата, както и в слоя с ниски температури в горната мезосфера (75-85км).


Средните температури, показани на фигура 5, са получени от наблюдения в северното полукълбо, но, съдейки по наличната информация, те могат да бъдат приписани на южното полукълбо. Някои различия се откриват главно на високи географски ширини. Над Антарктида през зимата температурата на въздуха в тропосферата и долната стратосфера е значително по -ниска, отколкото в Централна Арктика.

Ветрове на височина. Сезонното разпределение на температурата е отговорно за доста сложна система от въздушни течения в стратосферата и мезосферата.

Фигура 6 показва вертикален разрез на вятърното поле в атмосферата между земната повърхност и височина 90 кмпрез зимата и през лятото Северното полукълбо... Изолиниите показват средните скорости на преобладаващия вятър (в Госпожица).От фигурата следва, че режимът на вятъра през зимата и лятото в стратосферата е рязко различен. През зимата както в тропосферата, така и в стратосферата преобладават западните ветрове с максимални скорости, равни на около


100 м / секна височина 60-65 км.През лятото западните ветрове преобладават само до височини 18-20 км.Отгоре те стават източни, с максимални скорости до 70 м / секна височина 55-60км.

През лятото над мезосферата ветровете стават западни, а през зимата - източно.

Термосфера. Термосферата се намира над мезосферата, която се характеризира с повишаване на температурата свисочина. Според получените данни, главно с помощта на ракети, е установено, че в термосферата вече на ниво 150 кмтемпературата на въздуха достига 220-240 °, а при 200 кмповече от 500 °. По-горе температурата продължава да се повишава и на ниво 500-600 кмнадвишава 1500 °. Въз основа на данни, получени по време на изстрелвания изкуствени спътнициУстановено е, че в горната термосфера температурата достига около 2000 ° и се колебае значително през деня. Възниква въпросът как да се обясни такава висока температура във високите слоеве на атмосферата. Припомнете си, че температурата на газ е мярка за средната скорост на движение на молекулите. В долната, най -плътната част на атмосферата молекулите на газовете, съставляващи въздуха, при движение често се сблъскват помежду си и незабавно прехвърлят кинетична енергия една към друга. Следователно кинетичната енергия в плътна среда е средно същата. При високи слоеве, където плътността на въздуха е много ниска, сблъсъците между молекулите, разположени на големи разстояния, са по -редки. Когато се абсорбира енергия, скоростта на молекулите в интервала между сблъсъците се променя значително; освен това молекулите на по -леките газове се движат с по -висока скорост от молекулите на тежките газове. В резултат на това температурата на газовете може да бъде различна.

В разредените газове има относително малко молекули с много малки размери (леки газове). Ако се движат с високи скорости, тогава температурата в даден обем въздух ще бъде висока. В термосферата във всеки кубичен сантиметърВъздухът съдържа десетки и стотици хиляди молекули на различни газове, докато на повърхността на земята има около стотици милиони милиарди. Следователно, прекомерно високи стойноститемпературите във високи слоеве на атмосферата, показващи скоростта на движение на молекулите в тази много хлабава среда, не могат да причинят дори леко загряване на тялото, разположено тук. Точно както човек не усеща високата температура под ослепителното осветление на електрическите лампи, въпреки че нишките в разредена среда моментално се нагряват до няколко хиляди градуса.

В долната термосфера и мезосфера основната част от метеорните потоци изгаря, преди да достигне повърхността на земята.

Налична информация за атмосферните слоеве над 60-80 кмвсе още са недостатъчни за окончателни заключения относно структурата, режима и процесите, които се развиват в тях. Известно е обаче, че в горната мезосфера и долната термосфера температурният режим се създава в резултат на превръщането на молекулен кислород (О 2) в атомен (О), което се случва под действието на ултравиолетова слънчева радиация. В термосферата температурният режим е силно повлиян от корпускуларни, рентгенови и др. ултравиолетово лъчение от слънцето. Тук дори през деня има резки промени в температурата и вятъра.

Йонизация на атмосферата. Най-интересната характеристика на атмосферата над 60-80 кме тя йонизация,процес на образование голямо количествоелектрически заредени частици - йони. Тъй като йонизацията на газовете е характерна за долната термосфера, тя се нарича още йоносфера.

Газовете в йоносферата са предимно в атомно състояние. Под въздействието на ултравиолетовото и корпускуларното излъчване на Слънцето, които имат висока енергия, протича процесът на отделяне на електрони от неутрални атоми и молекули на въздуха. Такива атоми и молекули, които са загубили един или повече електрони, стават положително заредени и свободният електрон може да се прикрепи отново към неутрален атом или молекула и да ги надари с отрицателния си заряд. Такива положително и отрицателно заредени атоми и молекули се наричат йони,и газове - йонизирантоест получи електрически заряд. При по -висока концентрация на йони, газовете стават електрически проводими.

Процесът на йонизация протича най-интензивно в дебели слоеве, ограничени от височини 60-80 и 220-400 км.В тези слоеве има оптимални условия за йонизация. Тук плътността на въздуха е забележимо по -висока, отколкото в горните слоеве на атмосферата, а притокът на ултравиолетова и корпускуларна радиация от Слънцето е достатъчен за процеса на йонизация.

Откриването на йоносферата е едно от най -важните и блестящи постижения на науката. След всичко отличителна чертайоносферата е нейното влияние върху разпространението на радиовълни. В йонизираните слоеве радиовълните се отразяват и поради това става възможна радио комуникацията на дълги разстояния. Заредените атоми-йони отразяват къси радиовълни и те отново се връщат на земната повърхност, но вече на значително разстояние от мястото на радиопредаване. Очевидно късите радиовълни правят този път няколко пъти и по този начин се осигурява радио комуникация на дълги разстояния. Ако не беше йоносферата, трябваше да се построят скъпи радиорелейни линии за предаване на сигнали от радиостанции на дълги разстояния.

Известно е обаче, че понякога радио комуникациите на къси дължини на вълните се нарушават. Това се случва в резултат на хромосферни изблици на Слънцето, поради което ултравиолетовото излъчване на Слънцето рязко се увеличава, което води до силни смущения на йоносферата и магнитното поле на Земята - магнитни бури. По време на магнитни бури радио комуникацията е нарушена, тъй като движението на заредени частици зависи от магнитното поле. По време на магнитни бури е по -малко вероятно йоносферата да отразява радиовълните или да ги предава в космоса. Главно с промяна слънчева активностпридружено от увеличаване на ултравиолетовото излъчване, увеличаване на електронната плътност на йоносферата и поглъщане на радиовълни през деня, което води до нарушаване на работата на радиокомуникациите при къси вълни.

Според нови проучвания има зони в мощен йонизиран слой, където концентрацията на свободни електрони достига малко по -висока концентрация, отколкото в съседните слоеве. Известни са четири такива зони, които са разположени на височини около 60-80, 100-120, 180-200 и 300-400 кми обозначени с букви д, E, F 1 и F 2 ... С нарастващото излъчване на Слънцето заредените частици (корпускули) се отклоняват към високите ширини под въздействието на магнитното поле на Земята. Влизайки в атмосферата, корпускулите засилват йонизацията на газовете толкова много, че те започват да светят. Ето как полярни светлини- под формата на красиви многоцветни дъги, които светят в нощното небе главно във високите географски ширини на Земята. Полярните сияния са придружени от силни магнитни бури... В такива случаи полярните сияния стават видими в средните ширини, а в редки случаи дори в тропиците. Например интензивното сияние, наблюдавано на 21-22 януари 1957 г., беше видимо в почти всички южни райони на страната ни.

Снимайки полярни сияния от две точки, разположени на разстояние няколко десетки километри, височината на полярното сияние се определя с голяма точност. Обикновено полярните сияния се намират на височина около 100 км,те често се намират на височина от няколкостотин километра, а понякога и на ниво от около 1000 км.Въпреки че природата на полярните сияния е изяснена, все още има много нерешени въпроси, свързани с това явление. Причините за разнообразието от форми на полярни сияния все още са неизвестни.

Според третия съветски спътник между височини 200 и 1000 кмпрез деня преобладават положителните йони на разделен молекулен кислород, т.е. атомен кислород (О). Съветските учени изследват йоносферата с помощта на изкуствени спътници от серията Cosmos. Американски учени също изучават йоносферата с помощта на спътници.

Повърхността, отделяща термосферата от екзосферата, варира в зависимост от промените в слънчевата активност и други фактори. По вертикала тези колебания достигат 100-200 кми още.

Екзосфера (сфера на дисперсия) - най -горната част на атмосферата, разположена над 800 км.Той е малко проучен. Според данни от наблюденията и теоретични изчисления, температурата в екзосферата с височина се увеличава вероятно до 2000 °. За разлика от долната йоносфера, газовете в екзосферата са толкова разредени, че техните частици, движещи се от огромни скорости, почти никога не се срещат.

Съвсем наскоро се прие, че условната граница на атмосферата е на височина около 1000 км.Въз основа на забавянето на изкуствените земни спътници обаче беше установено, че на височина 700-800 кмв 1 см 3съдържа до 160 хиляди положителни йона на атомен кислород и азот. Това предполага, че заредените слоеве на атмосферата се простират в космоса на много по -голямо разстояние.

При високи температурина конвенционалната граница на атмосферата скоростите на газовите частици достигат приблизително 12 км / сек.При тези скорости газовете постепенно напускат тежестта в междупланетното пространство. Това се случва от дълго време. Например частици водород и хелий се отстраняват в междупланетното пространство за няколко години.

При изследването на високите слоеве на атмосферата са получени богати данни както от спътници от сериите "Космос" и "Електрон", така и от геофизични ракети и космически станции"Марс-1", "Луна-4" и др. Преките наблюдения на астронавти също бяха ценни. Така, според снимки, направени в космоса от В. Николаева-Терешкова, е установено, че на височина 19 кмима прахов слой от Земята. Това беше потвърдено от данните, получени от екипажа на космическия кораб „Восход”. Очевидно има тясна връзка между праховия слой и т.нар седефени облаципонякога се наблюдава на височина около 20-30км.

От атмосферата до космоса. Предишни предположения, че извън земната атмосфера, в междупланетното

пространство, газовете са много разредени и концентрацията на частици не надвишава няколко единици на 1 см 3,не се сбъдна. Изследванията показват, че околоземното пространство е изпълнено с заредени частици. На тази основа беше изложена хипотеза за съществуването на зони около Земята със забележимо повишено съдържание на заредени частици, т.е. радиационни колани- вътрешен и външен. Новите данни помогнаха за изясняване. Оказа се, че има и заредени частици между вътрешния и външния радиационен пояс. Броят им варира в зависимост от геомагнитната и слънчевата активност. Така според новото допускане вместо радиационни пояси има радиационни зони без ясно определени граници. Границите на радиационните зони се променят в зависимост от слънчевата активност. Когато се засили, тоест когато на Слънцето се появят петна и струи газ, изхвърлени на стотици хиляди километри, потокът от космически частици се увеличава, които захранват радиационните зони на Земята.

Радиационните зони са опасни за хората, летящи с космически кораби. Следователно преди полета в космоса се определят състоянието и положението на радиационните зони, а орбитата на космическия кораб се избира така, че да преминава извън зоните с повишена радиация. Високите слоеве на атмосферата, както и космическото пространство близо до Земята, все още са слабо проучени.

При изследването на високите слоеве на атмосферата и околоземното пространство се използват богатите данни, получени от спътниците и космическите станции от серията "Космос".

Високите слоеве на атмосферата са най -слабо проучени. но съвременни методинейното изследване ни позволява да се надяваме, че през следващите години човек ще знае много подробности за структурата на атмосферата, в дъното на която живее.

В заключение представяме схематичен вертикален разрез на атмосферата (фиг. 7). Тук се изобразяват вертикални височини в километри и въздушно налягане в милиметри, а хоризонтално - температура. Плътната крива показва промяната в температурата на въздуха с височина. Най -важните явления, наблюдавани в атмосферата, както и максималните височини, достигнати от радиозонди и други средства за измерване на атмосферата, също се отбелязват на съответните височини.

- Източник-

Погосян, Н.П. Атмосфера на Земята / H.P. Погосян [и др.]. - М.: Образование, 1970.- 318 с.

Преглеждания на публикации: 163

Атмосферният въздух се състои от азот (77.99%), кислород (21%), инертни газове (1%) и въглероден диоксид (0.01%). Делът на въглеродния диоксид се увеличава с течение на времето поради отделянето на продукти от изгарянето на горивото в атмосферата, а освен това намалява площта на горите, които абсорбират въглероден диоксид и отделят кислород.

Атмосферата съдържа и малко количество озон, който е концентриран на височина около 25-30 км и образува така наречения озонов слой. Този слой създава бариера за слънчевата ултравиолетова радиация, която е опасна за живите организми на Земята.

Освен това атмосферата съдържа водни пари и различни примеси - прахови частици, вулканична пепел, сажди и др. Концентрацията на примеси е по -висока на повърхността на земята и в определени области: горе големи градове, пустини.

Тропосфера- отдолу, той съдържа по -голямата част от въздуха и. Височината на този слой не е еднаква: от 8-10 км в тропиците до 16-18 км на екватора. в тропосферата тя намалява с увеличаване: с 6 ° С за всеки километър. Формират се метеорологични форми в тропосферата, ветрове, валежи, облаци, циклони и антициклони.

Следващият слой на атмосферата е стратосфера... Въздухът в него е много по -разреден, в него има много по -малко водни пари. Температурата в долната част на стратосферата е -60 --80 ° C и намалява с увеличаване на надморската височина. Озоновият слой се намира в стратосферата. Стратосферата се характеризира с висока скорост на вятъра (до 80-100 m / s).

Мезосфера- средният слой на атмосферата, разположен над стратосферата на височини от 50 до S0-S5 км. Мезосферата се характеризира с намаляване на средната температура с надморска височина от 0 ° С на долната граница до -90 ° С на горната граница. Близо до горната граница на мезосферата се наблюдават нощни облаци, осветени от слънцето през нощта. Въздушното налягане в горната граница на мезосферата е 200 пъти по -ниско, отколкото на земната повърхност.

Термосфера- разположена над мезосферата, на височина от SO до 400-500 км, температурата в нея първоначално бавно, а след това бързо започва отново да се покачва. Причината е поглъщането на ултравиолетова радиация от Слънцето на височина 150-300 км. В термосферата температурата се повишава непрекъснато до надморска височина от около 400 км, където достига 700 - 1500 ° C (в зависимост от слънчевата активност). Под въздействието на ултравиолетово и рентгеново и космическо излъчване възниква и йонизация на въздуха („полярни светлини“). Основните области на йоносферата се намират в рамките на термосферата.

Екзосфера- външният, най -разредения слой на атмосферата, той започва на височина 450 000 км, а горната му граница се намира на разстояние няколко хиляди км от земната повърхност, където концентрацията на частици става същата като в междупланетното пространство . Екзосферата е съставена от йонизиран газ (плазма); долната и средната част на екзосферата са съставени главно от кислород и азот; с увеличаване на надморската височина относителната концентрация на леки газове, особено йонизиран водород, нараства бързо. Температура в екзосферата 1300-3000 ° С; расте слабо с височина. В екзосферата радиационните пояси на Земята са основно разположени.

10.045 × 10 3 J / (kg * K) (в температурния диапазон от 0-100 ° C), C v 8.3710 * 10 3 J / (kg * K) (0-1500 ° C). Разтворимостта на въздуха във вода при 0 ° С е 0.036%, при 25 ° С - 0.22%.

Състав на атмосферата

Историята на формирането на атмосферата

Ранна история

Понастоящем науката не може да проследи с абсолютна точност всички етапи на формирането на Земята. Според най -разпространената теория, земната атмосфера във времето е била в четири различни състава. Първоначално се състоеше от леки газове (водород и хелий), уловени от междупланетното пространство. Това е т.нар първична атмосфера... На следващия етап активната вулканична дейност доведе до насищане на атмосферата с газове, различни от водород (въглеводороди, амоняк, водни пари). Така се формира вторична атмосфера... Атмосферата беше възстановителна. Освен това процесът на образуване на атмосфера се определя от следните фактори:

  • постоянно изтичане на водород в междупланетното пространство;
  • химични реакции в атмосферата под въздействието на ултравиолетова радиация, светкавични разряди и някои други фактори.

Постепенно тези фактори доведоха до формирането третична атмосфера, характеризиращо се с много по -ниско съдържание на водород и много по -високо съдържание на азот и въглероден диоксид (образувано в резултат на химична реакцияот амоняк и въглеводороди).

Появата на живот и кислород

С появата на живи организми на Земята в резултат на фотосинтеза, придружена от отделянето на кислород и усвояването на въглеродния диоксид, съставът на атмосферата започва да се променя. Съществуват обаче данни (анализ на изотопния състав на атмосферния кислород и освободен по време на фотосинтезата), които свидетелстват в полза на геоложкия произход на атмосферния кислород.

Първоначално кислородът се изразходва за окисляване на редуцирани съединения - въглеводороди, желязната форма на желязо, съдържаща се в океаните и т. Н. В края на този етап съдържанието на кислород в атмосферата започва да расте.

През 90 -те години на миналия век бяха проведени експерименти за създаване на затворена екологична система („Биосфера 2“), по време на която не беше възможно да се създаде стабилна система с един въздушен състав. Влиянието на микроорганизмите е довело до намаляване на нивата на кислород и увеличаване на количеството въглероден диоксид.

Азот

Образуването на голямо количество N 2 се дължи на окисляването на първичната амонячно-водородна атмосфера от молекула O 2, която започна да тече от повърхността на планетата в резултат на фотосинтеза, както се предполага, преди около 3 милиарда години (според друга версия, атмосферният кислород е с геоложки произход). Азотът се окислява до NO в горната атмосфера, използва се в промишлеността и се свързва с азотфиксиращи бактерии, докато N 2 се отделя в атмосферата в резултат на денитрификация на нитрати и други азотсъдържащи съединения.

Азотът N 2 е инертен газ и реагира само при специфични условия (например при удар от мълния). Тя може да бъде окислена и превърната в биологична форма от цианобактерии, някои бактерии (например възли, образуващи ризобиална симбиоза с бобови растения).

Окисляването на молекулярния азот чрез електрически разряди се използва в промишленото производство на азотни торове и също така доведе до образуването на уникални находища на нитрати в чилийската пустиня Атакама.

Благородни газове

Изгарянето на гориво е основният източник на замърсяващи газове (CO, NO, SO 2). Серен диоксид се окислява от O 2 на въздуха до SO 3 в горните слоеве на атмосферата, който взаимодейства с парите на H 2 O и NH 3 и получените H 2 SO 4 и (NH 4) 2 SO 4 се връщат към земната повърхност заедно с валежите. Използването на двигатели с вътрешно горене води до значително замърсяване на атмосферата с азотни оксиди, въглеводороди и съединения на Pb.

Аерозолното замърсяване на атмосферата се причинява от двете естествени причини(вулканични изригвания, прахови бури, увличане на капчици морска вода и частици цветен прашец и др.), и икономически дейностичовешки (добив на руди и строителни материали, изгаряне на гориво, производство на цимент и др.). Интензивното мащабно отстраняване на прахови частици в атмосферата е едно от възможни причиниизменението на климата на планетата.

Структурата на атмосферата и характеристиките на отделните черупки

Физическото състояние на атмосферата се определя от времето и климата. Основните параметри на атмосферата: плътност на въздуха, налягане, температура и състав. С увеличаване на надморската височина плътността на въздуха и атмосферното налягане намаляват. Температурата също се променя с промяна на височината. Вертикалната структура на атмосферата се характеризира с различни температурни и електрически свойства, различни условия на въздуха. В зависимост от температурата в атмосферата се разграничават следните основни слоеве: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, екзосфера (разсейваща сфера). Преходните области на атмосферата между съседни черупки се наричат ​​съответно тропопауза, стратопауза и т.н.

Тропосфера

Стратосфера

В стратосферата по-голямата част от късовълновата част на ултравиолетовата радиация (180-200 nm) се задържа и настъпва трансформация на късовълнова енергия. Под въздействието на тези лъчи се променят магнитни полета, молекулите се разпадат, настъпва йонизация, ново образуване на газове и други химични съединения. Тези процеси могат да се наблюдават под формата на северно сияние, мълния и друго сияние.

В стратосферата и по -високите слоеве, под въздействието на слънчевата радиация, газовите молекули се дисоциират - на атоми (над 80 km CO 2 и H 2 дисоциират, над 150 km - O 2, над 300 km - H 2). На височина 100-400 км, йонизацията на газ се случва и в йоносферата; на височина 320 км концентрацията на заредени частици (O + 2, O - 2, N + 2) е ~ 1/300 от концентрацията от неутрални частици. В горните слоеве на атмосферата присъстват свободни радикали - OH, HO 2 и др.

В стратосферата почти няма водни пари.

Мезосфера

До надморска височина от 100 км атмосферата представлява хомогенна, добре смесена смес от газове. В по -високите слоеве разпределението на газовете по височината зависи от техните молекулни маси, концентрацията на по -тежки газове намалява по -бързо с разстоянието от земната повърхност. Поради намаляване на плътността на газовете температурата намалява от 0 ° С в стратосферата до -110 ° С в мезосферата. Кинетичната енергия на отделните частици обаче на височина 200-250 км съответства на температура ~ 1500 ° С. Над 200 км се наблюдават значителни колебания в температурата и плътността на газовете във времето и пространството.

На надморска височина от около 2000-3000 км екзосферата постепенно преминава в така наречения близкокосмически вакуум, който е изпълнен със силно разредени частици междупланетен газ, главно водородни атоми. Но този газ е само малка част от междупланетното вещество. Другата част се състои от прахоподобни частици с кометен и метеорен произход. В допълнение към тези изключително разредени частици, в това пространство прониква електромагнитно и корпускуларно излъчване от слънчев и галактически произход.

Тропосферата представлява около 80% от масата на атмосферата, стратосферата - около 20%; масата на мезосферата е не повече от 0,3%, термосферата е по -малко от 0,05% от общата маса на атмосферата. Въз основа на електрическите свойства в атмосферата се разграничават неутросферата и йоносферата. В момента се смята, че атмосферата се простира до надморска височина 2000-3000 км.

В зависимост от състава на газа в атмосферата, хомосфераи хетеросфера. Хетеросфера- това е областта, в която гравитацията влияе върху отделянето на газовете, тъй като смесването им на тази височина е незначително. Оттук и променливият състав на хетеросферата. Под него се намира добре смесена, хомогенна по състав част от атмосферата, наречена хомосфера. Границата между тези слоеве се нарича турбопауза; тя се намира на височина около 120 км.

Свойства на атмосферата

Вече на височина 5 км над морското равнище, необучен човек развива кислороден глад и без адаптация, работоспособността на човека е значително намалена. Тук физиологичната зона на атмосферата свършва. Човешкото дишане става невъзможно на височина 15 км, въпреки че атмосферата съдържа кислород до около 115 км.

Атмосферата ни доставя кислорода, от който се нуждаем, за да дишаме. Въпреки това, поради спада на общото налягане на атмосферата, когато се издига до надморска височина, парциалното налягане на кислорода също намалява съответно.

Човешките бели дробове постоянно съдържат около 3 литра алвеоларен въздух. Парциалното налягане на кислорода в алвеоларния въздух при нормално атмосферно налягане е 110 mm Hg. Чл., Налягането на въглеродния диоксид е 40 mm Hg. Чл., И водни пари -47 mm Hg. Изкуство. С увеличаване на надморската височина налягането на кислорода спада, а общото налягане на водната пара и въглеродния диоксид в белите дробове остава почти постоянно - около 87 mm Hg. Изкуство. Притокът на кислород към белите дробове ще спре напълно, когато налягането на околния въздух стане равно на тази стойност.

На височина от около 19-20 км атмосферното налягане спада до 47 mm Hg. Изкуство. Следователно на тази височина водата и интерстициалната течност започват да кипят в човешкото тяло. Извън кабината под налягане, на тези височини, смъртта настъпва почти мигновено. Така от гледна точка на човешката физиология "космосът" започва вече на височина 15-19 км.

Плътните слоеве въздух - тропосфера и стратосфера - ни предпазват от вредното въздействие на радиацията. При достатъчно разреждане на въздуха, на надморска височина над 36 км, йонизиращата радиация - първичните космически лъчи - упражнява интензивен ефект върху тялото; на надморска височина над 40 км, действа ултравиолетовата част на слънчевия спектър, която е опасна за хората.