Слои атмосферы. Земная атмосфера

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Земля космический корабль (14 Серия) - Атмосфера

✪ Почему атмосферу не втянуло в космический вакуум?

✪ Вход в атмосферу Земли корабля "Союз ТМА-8"

✪ Атмосфера строение, значение, изучение

✪ О. С. Угольников "Верхняя атмосфера. Встреча Земли и космоса"

Субтитры

Граница атмосферы

Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое . Атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно, в экзосфере , начинающейся на высоте 500-1000 км от поверхности Земли .

По определению, предложенному Международной авиационной федерацией , граница атмосферы и космоса проводится по линии Кармана , расположенной на высоте около 100 км, выше которой авиационные полёты становятся полностью невозможными. NASA использует в качестве границы атмосферы отметку в 122 километра (400 000 футов ), где «шаттлы » переключаются с маневрирования с помощью двигателей на аэродинамическое маневрирование .

Физические свойства

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся Cl 2 , SO 2 , NH 3 , СО , O 3 , NO 2 , углеводороды , HCl , , HBr , , пары , I 2 , Br 2 , а также и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль). Самым редким газом в Земной атмосфере является радон (Rn).

Строение атмосферы

Пограничный слой атмосферы

Нижний слой тропосферы (1-2 км толщиной), в котором состояние и свойства поверхности Земли непосредственно влияют на динамику атмосферы.

Тропосфера

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

Тропопауза

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

Стратосфера

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

Стратопауза

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

Мезосфера

Термосфера

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

Термопауза

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

Экзосфера (сфера рассеяния)

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

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

Обзор

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20 %; масса мезосферы - не более 0,3 %, термосферы - менее 0,05 % от общей массы атмосферы.

На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу .

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

Другие свойства атмосферы и воздействие на человеческий организм

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

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

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли на протяжении истории последней перебыла в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера . На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком , водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера . Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

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

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

Азот

Образование большого количества азота N 2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О 2 , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N 2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотосодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N 2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, которые могут быть эффективными сидератами - растениями, которые не истощают, а обогащают почву естественными удобрениями.

Кислород

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

Благородные газы

Загрязнение атмосферы

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом человеческой деятельности стал постоянный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО 2 потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном . Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО 2 в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200-300 лет количество СО 2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата .

Сжигание топлива - основной источник и загрязняющих газов (СО , , SO 2). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO 3 , а оксид азота до NO 2 в верхних слоях атмосферы, которые в свою очередь взаимодействуют с парами воды, а образующиеся при этом серная кислота Н 2 SO 4 и азотная кислота НNO 3 выпадают на поверхность Земли в виде так называемых кислотных дождей. Использование

Атмосфера Земли - воздушная оболочка.

Наличие особого шара над земной поверхностью было доказано еще древними греками, которые называли атмосферу паровой или газовый шар.

Это одна из геосфер планеты, без которой существование всего живого было бы не возможно.

Где находится атмосфера

Атмосфера плотным воздушным слоем окружает планеты, начинаясь от земной поверхности. Соприкасается с гидросферой, покрывает литосферу, уходя далеко в космическое пространство.

Из чего состоит атмосфера

Воздушный слой Земли состоит, в основном, из воздуха, общая масса которого достигает 5,3*1018 килограмм. Из них больная часть – это сухой воздух, а значительно меньше – водяного пара.

Над морем плотность атмосферы равна 1,2 килограмма на метр кубический. Температура в атмосфере может достигать –140,7 градусов, воздух растворяется в воде при нулевой температуре.

В состав атмосферы входят несколько слоев:

Тропосфера;
Тропопауза;
Стратосфера и стратопауза;
Мезосфера и мезопауза;
Особая линия над уровнем моря, которая называется линией Кармана;
Термосфера и термопауза;
Зона рассеивания или экзосфера.

Каждый слой имеет свои особенности, они связаны между собой и обеспечивают функционирование воздушной оболочки планеты.

Границы атмосферы

Самый нижний край атмосферы проходит по гидросфере и верхних слоям литосферы. Верхняя граница начинается в экзосфере, которая находится в 700 километрах от поверхности планеты и пожжет достигать 1,3 тысячи километров.

По некоторым данным атмосфера достигается 10 тысяч километров. Ученые договорились, что верхней границей воздушного слоя должна быть линия Кармана, поскольку тут уже невозможно воздухоплавание.

Благодаря постоянным изучениям в этой сфере, ученые установили, что атмосфера соприкасается с ионосферой на высоте в 118 километрах.

Химически состав

Этот слой Земли состоит из газов и газовых примесей, к которым относятся остатки горения, морская соль, лед, вода, пыль. Состав и масса газов, которые можно обнаружить в атмосфере, практически никогда не меняется, меняется только концентрация воды и углекислого газа.

Состав воды может меняться от 0,2 процента до 2,5 процента, что зависит от широты. Дополнительными элементами является хлор, азот, сера, аммиак, углерод, озон, углеводороды, соляная кислота, фтороводород, бромоводород, йодоводород.

Отдельную часть занимают ртуть, йод, бром, оксид азота. Кроме того, в тропосфере встречается жидкие и твердые частицы, которые называются аэрозоль. В атмосфере встречается один из самых редких газов на планете – радон.

По химическому составу – азот занимает более 78% атмосферы, кислорода – почти 21%, углекислый газ – 0,03%, аргон – почти 1%, суммарное количество вещества составляет менее 0,01%. Такой состав воздуха сформировался, когда планета только возникла и стала развиваться.

С появлением человека, который постепенно перешел к производству, химический состав изменился. В частности, постоянно увеличивается количество углекислого газа.

Функции атмосферы

Газы, находящиеся в воздушном слое, выполняют самые разные функции. Во-первых, поглощают лучи и лучистую энергию. Во-вторых, влияют на формирование температуры в атмосфере и на Земле. В-третьих, обеспечивает жизнь и ее течение на Земле.

Кроме того, этот слой обеспечивает терморегуляцию, от чего зависит погода и климат, режим распределения тепла и атмосферного давления. Тропосфера помогает регулировать потоки воздушных масс, определять движение воды, процессы теплового обмена.

Атмосфера постоянно взаимодействует с литосферой, гидросферой, обеспечивая геологические процессы. Самой главной функцией является то, что происходит защита от пыли метеоритного происхождения, от влияния космоса и солнца.

Факты

Кислород обеспечивает на Земле разложении органических вещество твердой породы, что очень важно при выбросах, разложении пород, окисления организмов.
Углекислый газ способствует тому, что происходит фотосинтез, а также способствует пропусканию коротких волн солнечной радиации, поглощению тепловых длинных волн. Если это не происходит, тогда наблюдается так называемый парниковый эффект.
Одной из основных проблем, связанных с атмосферой, является загрязнение, что происходит из-за работы предприятий и автомобильных выхлопов. Поэтому во многих странах введен специальный экологический контроль, а на международном уровне предпринимаются специальные механизмы регулирования выбросов и парникового эффекта.

Атмосфера - это воздушная оболочка, которая окружает Землю и связанная с ней силой тяжести. Атмосфера участвует в суточном вращении и годовом движении нашей планеты. Воздух атмосферы - смесь газов, в котором находятся во взвешенном состоянии жидкие (капельки воды) и твердые частицы (дым, пыль). Газовый состав атмосферы является неизменным до высоты 100-110 км, что обусловлено равновесием в природе. Объемные доли газов составляют: азот - 78%, кислород - 21%, инертные газы (аргон, ксенон, криптон) - 0,9%, углерод - 0,03%. Кроме того, в атмосфере всегда присутствует водяной пар.

Кроме биологических процессов, кислород, азот и углерод активно участвуют в химическом выветривании горных пород. Очень важна роль озона 03 поглощающий большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, в больших дозах опасен для живых организмов. Твердые частицы, которых особенно много над городами, служат ядрами конденсации (вокруг них образуются капли воды и снежинки).

Высота, границы и строение атмосферы

Верхнюю границу атмосферы условно проводят на высоте около 1000 км, хотя она прослеживается гораздо выше - до 20 000 км, но там она очень разрежена.

Через различный характер изменений температуры воздуха с высотой, других физических свойств в атмосфере выделяют несколько частей, которые отделяются друг от друга переходными слоями.

Тропосфера - самый низкий и плотный слой атмосферы. Его верхнюю границу проводят на высоте 18 км над экватором и 8-12 км - над полюсами. Температура в тропосфере снижается в среднем на 0,6 ° С на каждые 100 м. Для нее характерны значительные горизонтальные различия в распределении температуры, давления, скорости ветра, а также образование облаков и осадков. В тропосфере происходит интенсивный вертикальное движение воздуха - конвекция. Именно в этом нижнем слое атмосферы в основном формируется погода. Здесь сосредоточена почти вся водяной пар атмосферы.

Стратосфера распространяется в основном до высоты 50 км. Концентрация озона на высоте 20-25 км достигает наибольших значений, образуя озоновый экран. Температура воздуха в стратосфере, как правило, повышается с высотой в среднем на 1-2 ° С на 1 км, достигая на верхней границе 0 ° С и выше. Это происходит за счет поглощения озоном солнечной энергии. В стратосфере почти нет водяного пара и облаков, а ураганные ветры дуют со скоростью до 300- 400 км / ч.

В мезосфере температура воздуха снижается до -60 ...- 100 ° С, происходят интенсивные вертикальные и горизонтальные перемещения воздуха.

В верхних слоях термосферы, где воздух очень ионизированный, температура вновь повышается до 2000 ° С. Здесь наблюдаются полярные сияния и магнитные бури.

Атмосфера играет большую роль в жизни Земли. Она предотвращает чрезмерное нагревание земной поверхности днем и охлаждению ее ночью, перераспределяет влагу на Земле, защищает ее поверхность от падений метеоритов. Наличие атмосферы является непременным условием существования органической жизни на нашей планете.

Солнечная радиация. Нагрев атмосферы

Солнце излучает огромное количество энергии, только маленькую долю которой получает Земля.

Излучение Солнцем света и тепла называют солнечной радиацией. Солнечная радиация, прежде чем достичь земной поверхности, проходит долгий путь в атмосфере. Преодолевая его, она в значительной мере поглощается и рассеивается воздушной оболочкой. Радиацию, которая непосредственно достигает земной поверхности в виде прямых лучей, называют прямой радиацией. Часть радиации, рассеивается в атмосфере, также попадает на поверхность Земли в форме рассеянной радиации.

Совокупность прямой и рассеянной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, называют суммарной солнечной радиацией. Атмосфера поглощает порядка 20% солнечной радиации, поступающей на ее верхнюю границу. Еще 34% радиации отражается от поверхности Земли и атмосферы (отраженная радиация). 46% солнечной радиации поглощает земная поверхность. Такую радиацию называют поглощенной (впитанной).

Отношение интенсивности отраженной солнечной радиации интенсивности всей лучистой энергии Солнца, поступающей на верхнюю границу атмосферы, называют альбедо Земли и выражают в процентах.

Итак, альбедо нашей планеты вместе с ее атмосферой составляет в среднем 34%. Величина альбедо на разных широтах имеет значительные отличия, связанные с цветом поверхности, растительностью, облачностью и тому подобное. Участок поверхности, покрытая свежим снегом, отражает 80-85% радиации, травяной растительностью и песком - соответственно 26% и ЗО%, а водой - только 5%.

Количество солнечной энергии, получаемой отдельными участками Земли, зависит прежде всего от угла падения солнечных лучей. Чем прямовиснише они падают (т.е. большая высота Солнца над горизонтом), тем большее количество солнечной энергии попадает на единицу площади.

Зависимость величины суммарной радиации от угла падения лучей обусловлена двумя причинами. Во-первых, чем меньше угол падения солнечных лучей, тем на большую площадь распределяется этот поток света и тем меньше энергии приходится на единицу поверхности. Во-вторых, чем меньше угол падения, тем длиннее путь проходит луч в атмосфере.

На величину солнечной радиации, которая попадает на земную поверхность влияет, и прозрачность атмосферы, особенно облачность. Зависимость солнечной радиации от угла падения солнечных лучей и прозрачности атмосферы обусловливает зональный характер ее распределения. Различия в величине суммарной солнечной радиации на одной широте вызванные, в основном, облачностью.

Количество тепла, поступающего на земную поверхность, определяют в калориях на единицу площади (1 см) за единицу времени (1 год).

Поглощенная радиация расходуется на нагрев тонкого приповерхностного слоя Земли и испарения воды. Нагретая земная поверхность передает тепло в окружающую среду благодаря излучению, теплопроводности, конвекции и конденсации водяного пара.

Изменения температуры воздуха в зависимости от географической широты места и от высоты над уровнем океана

Суммарная радиация уменьшается от экваториально-тропических широт к полюсам. Она максимальная - около 850 Дж / м2 в год (200 ккал / см2 в год) - в тропических пустынях, где прямая солнечная, радиация через большую высоту Солнца и безоблачное небо интенсивная. В летнее полугодие различия в поступлении суммарной солнечной радиации между низкими и высокими широтами сглаживаются. Это происходит за счет большей продолжительности освещения Солнцем, особенно в полярных районах, где полярный день длится даже полгода.

Хотя суммарная солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, частично отражается ней, однако большая ее часть поглощается земной поверхностью и превращается в теплоту. Часть суммарной радиации, остается после ее расходы на отражение и на тепловое излучение земной поверхности, называется радиационным балансом (остаточной радиацией). В целом за год всюду на Земле он положительный, за исключением высоких ледяных пустынь Антарктиды и Гренландии. Радиационный баланс закономерно уменьшается по направлению от экватора к полюсам, где он близок к нулю.

Соответственно и температура воздуха распределяется зонально, то есть уменьшается в направлении от экватора к полюсам. .Температура Воздуха зависит также от высоты местности над уровнем моря: чем выше местность, тем температура ниже.

Существенное влияние на температуру воздуха распределение суши и воды. Поверхность суши быстро нагревается, но быстро и охлаждается, а поверхность воды нагревается медленнее, однако дольше сохраняет тепло и медленнее отдает его в воздух.

В результате различной интенсивности нагрева и охлаждения поверхности Земли днем и ночью, в теплую и холодную времени года, температура воздуха меняется в течение суток и года.

Для определения температуры воздуха используют термометры. ее измеряют 8 раз в сутки и выводят среднюю за сутки. При среднесуточной температуре рассчитывают среднемесячные. Именно их, как правило, показывают на климатических картах изотермами (линиями, которые соединяют точки с одинаковой температурой за определенный промежуток времени). Для характеристики температур чаще всего берут среднемесячные январские и июльские показатели, реже годовых. ,

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

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