Размер атмосферы земли. Вертикальное строение атмосферы

Толщина атмосферы - примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере - (5,1-5,3)·10 18 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·10 18 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·10 16 кг.

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

Атмосфера Земли

Граница атмосферы Земли

Термосфера

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

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 сильно разрежёнными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

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

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

Физиологические и другие свойства атмосферы

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

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

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

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

История образования атмосферы

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

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

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

Азот

Образование большого количества азота 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 азотсодержащих 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, т. н. сидератами.

Кислород

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

Благородные газы

Загрязнение атмосферы

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек . Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества 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 в верхних слоях атмосферы, который в свою очередь взаимодействует с парами воды и аммиака, а образующиеся при этом серная кислота (Н 2 SO 4) и сульфат аммония ((NH 4) 2 SO 4) возвращаются на поверхность Земли в виде т. н. кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец Pb(CH 3 CH 2) 4)).

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

См. также

Jacchia (модель атмосферы)

Примечания

Ссылки

Литература

В. В. Парин, Ф. П. Космолинский, Б. А. Душков «Космическая биология и медицина» (издание 2-е, переработанное и дополненное), М.: «Просвещение», 1975, 223 стр.
Н. В. Гусакова «Химия окружающей среды», Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с ISBN 5-222-05386-5
Соколов В. А. Геохимия природных газов, М., 1971;
МакИвен М., Филлипс Л. Химия атмосферы, М., 1978;
Уорк K., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль, пер. с англ., М.. 1980;
Мониторинг фонового загрязнения природных сред. в. 1, Л., 1982.

Земля
История Земли	Возраст Земли Геологическая история Земли Геохронологическая шкала История жизни на Земле Оледенение Земли Парадокс слабого молодого Солнца Теория гигантского столкновения Хронология эволюции
География и геология	Австралия Азия Антарктида Африка Европа Северная Америка Южная Америка Атлантический океан Индийский океан Северный Ледовитый океан

И примесей (аэрозолей). По составу воздух у поверхности земли содержит 78% азота (N 2) и около 21% кислорода (О 2), т.е. на эти два элемента приходится около 99% объема воздуха. Заметная доля принадлежит аргону (Аr) — 0,9%. Важные составные части атмосферы — озон (О 3), углекислый (СО 2), а также водяной пар. Значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности земли и атмосферы.

Углекислый газ является одной из важнейших составных частей питания растений. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов и гниения, расходуется же в процессе усвоения его растениями.

Озон, большая часть которого сосредоточена в так называемом озоновом слое (), служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для живых организмов.

В состав входят также многочисленные взвешенные в нем твердые и жидкие примеси — так называемые аэрозоли. Они имеют естественное и искусственное (антропогенное) происхождение (пыль, сажа, пепел, кристаллики льда и морской соли, капельки воды, микроорганизмы и т.д.).

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание по крайней мере основных газов (N 2 , О 2 , Ar) с высотой изменяется незначительно. Так, на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86%, кислорода — 19, аргона — 0,91, а на высоте 95 км — 77, 21,3 и 0,82% соответственно. Постоянство состава атмосферного воздуха как по вертикали, так и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Современный состав воздуха Земли установился по крайней мере несколько сотен миллионов лет назад и оставался неизменным до тех пор, пока резко не возросла производственная деятельность человека. В текущем столетии отмечается увеличение содержания СО 2 по всему земному шару примерно на 10 — 12%.

Атмосфера имеет сложное строение. В соответствии с изменением температуры с высотой выделяют четыре слоя: тропосферу (до 12 км), стратосферу (до 50 к м), верхние , в которые входят мезосфера (до 80 км) и термосфера, постепенно переходящая в межпланетное пространство. В тропосфере и мезосфере с высотой понижается, а в стратосфере и термосфере, наоборот, повышается.

Тропосфера — нижний слой атмосферы, высота которого изменяется от 8 км над полюсами до 17 км (в среднем 12 км). В ней сосредоточено до 4/5 всей массы атмосферы и почти весь водяной пар. В составе воздуха преобладают азот, кислород, аргон и углекислый газ. Воздух тропосферы нагревается от земной поверхности — поверхности воды и суши. В тропосфере воздух постоянно перемешивается. Конденсируются водяные пары, образуются и , выпадают дожди, происходят и бури. Температура с высотой убывает в среднем на 0,6°С на каждые 100 м, а на верхней границе она составляет — 70°С в районе экватора и -65°С над Северным полюсом.

Стратосфера — второй слой атмосферы, расположенный над тропосферой. Он простирается до высоты 50 км. Газы в стратосфере постоянно перемешиваются, в нижней ее части наблюдаются устойчивые так называемые струйные течения воздуха скоростью до 300 км/ч. Цвет неба в стратосфере кажется не голубым, как в тропосфере, а фиолетовым. Это объясняется разреженностью воздуха, в результате которой солнечные лучи почти не рассеиваются. В стратосфере очень мало водяных паров, нет активных процессов облакообразования и осадков. Изредка в стратосфере на высоте » 30 км в высоких широтах возникают тонкие яркие облака, называемые перламутровыми. Именно в стратосфере, примерно на высоте 20-30 км выделяется слой максимальной концентрации озона — озоновый слой (озоновый экран, озоносфера). Благодаря озону температура в стратосфере и на верхней границе оказывается в пределах +50 +55°С.

Выше стратосферы располагаются высокие слои атмосферы — мезосфера и термосфера.

Мезосфера — средняя сфера простирается от 40-45 до 80-85 км. Цвет неба в мезосфере кажется черным, днем и ночью видны яркие немерцающие звезды. Температура снижается до 75-90°С ниже нуля.

Термосфера простирается от мезосферы и выше. Ее верхнюю границу предполагают на высоте 800 км. Преимущественно состоит из ионов, образовавшихся под влиянием космических лучей, действие которых на молекулы газа приводит к их распаду на заряженные частицы атомов. Слой ионов в термосфере называют ионосферой, для которой характерна высокая наэлектризованность и от которой, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны. В ионосфере возникают — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц.

Термосфера характеризуется нарастающим повышением температуры: на высоте 150 км она достигает 220-240°С; на высоте 500-600 км превышает 1500°С.

Выше термосферы (т.е. выше 800 км) расположена внешняя сфера, сфера рассеивания — экзосфера, простирающаяся до нескольких тысяч километров.

Условно считается, что атмосфера простирается до высоты 3000 км.

10,045×10 3 Дж/(кг*К)(в интервале температур от 0-100°С), C v 8,3710*10 3 Дж/(кг*К) (0-1500°С). Растворимость воздуха в воде при 0°С 0,036%, при 25°С - 0,22%.

Состав атмосферы

История образования атмосферы

Ранняя история

В настоящее время наука не может со стопроцентной точностью проследить все этапы образования Земли. Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в четырёх 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 (углеводородами, аммиаком , водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера . Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

постоянная утечка водорода в межпланетное пространство ;
химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Появление жизни и кислорода

С появлением на Земле живых организмов в результате фотосинтеза , сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа, состав атмосферы начал меняться. Существуют, однако, данные (анализ изотопного состава кислорода атмосферы и выделяющегося при фотосинтезе), свидетельствующие в пользу геологического происхождения атмосферного кислорода.

Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленых соединений - углеводородов , закисной формы железа , содержавшейся в океанах и др. По окончанию данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти.

В 1990-x годах были проведены эксперименты по созданию замкнутой экологической системы («Биосфера 2»), в ходе которых не удалось создать стабильную систему, обладающую единым составом воздуха. Влияние микроорганизмов привело к снижению уровня кислорода и увеличению количества углекислого газа.

Азот

Образование большого количества N 2 обусловлено окислением первичной аммиачно-водородной атмосферы молекулярным О 2 , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, как предполагается, около 3 млрд. лет назад (по другой версии, кислород атмосферы имеет геологическое происхождение). Азот окисляется до NO в верхних слоях атмосферы, используется в промышленности и связывается азотфиксирующими бактериями, в то же время N 2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и др. азотсодержащих соединений.

Азот N 2 инертный газ и вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окислять его и переводить в биологическую форму могут цианобактерии, некоторые бактерии (например клубеньковые, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями).

Окисление молекулярного азота электрическиими разрядами используется при промышленном изготовлении азотных удобрений, он же привёл к образованию уникальных месторождений селитры в чилийской пустыне Атакама .

Благородные газы

Сжигание топлива - основной источник загрязняющих газов (CО , NO, SO 2). Диоксид серы окисляется О 2 воздуха до SO 3 в высших слоях атмосферы, который взаимодействует с парами Н 2 О и NH 3 , а образующиеся при этом Н 2 SO 4 и (NН 4) 2 SO 4 возвращаются на поверхность Земли вместе с атмосферными осадками. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями Рb .

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

Строение атмосферы и характеристика отдельных оболочек

Физическое состояние атмосферы определяется погодой и климатом . Основные параметры атмосферы: плотность воздуха, давление, температура и состав. С увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление уменьшаются. Температура меняется также в зависимости от изменения высоты. Вертикальное строение атмосферы характеризуется различными температурными и электрическими свойствами, разным состоянием воздуха. В зависимости от температуры в атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния). Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют соответственно тропопауза, стратопауза и т. п.

Тропосфера

Стратосфера

В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180-200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний , зарниц, и др. свечений.

В стратосфере и более высоких слоях под воздействия солнечной радиации молекулы газов диссоциируют - на атомы (выше 80 км диссоциируют СО 2 и Н 2 , выше 150 км - О 2 , выше 300 км - Н 2). На высоте 100-400 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О + 2 , О − 2 , N + 2) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы - ОН , НО 2 и др.

В стратосфере почти нет водяного пара.

Мезосфера

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°С в стратосфере до −110°С в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~1500°С. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000-3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме этих чрезвычайно разреженных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

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

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

Свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

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

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

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

Строение и состав атмосферы Земли, нужно сказать, не всегда были постоянными величинами в тот или иной период развития нашей планеты. Сегодня вертикальное строение этого элемента, имеющего общую «толщину» 1,5-2,0 тыс. км, представлено несколькими основными слоями, в том числе:

Тропосферой.
Тропопаузой.
Стратосферой.
Стратопаузой.
Мезосферой и мезопаузой.
Термосферой.
Экзосферой.

Основные элементы атмосферы

Тропосфера представляет собой слой, в котором наблюдаются сильные вертикальные и горизонтальные движения, именно здесь формируется погода, осадочные явления, климатические условия. Она простирается на 7-8 километров от поверхности планеты почти повсеместно, за исключением полярных регионов (там - до 15 км). В тропосфере наблюдается постепенное понижение температуры, приблизительно на 6,4°С с каждым километром высоты. Этот показатель может отличаться для разных широт и времен года.

Состав атмосферы Земли в этой части представлен следующими элементами и их процентными долями:

Азот - около 78 процентов;

Кислород - почти 21 процент;

Аргон - около одного процента;

Углекислый газ - менее 0.05 %.

Единый состав до высоты 90 километров

Кроме того, здесь можно найти пыль, капельки воды, водяной пар, продукты горения, кристаллики льда, морские соли, множество аэрозольных частиц и др. Такой состав атмосферы Земли наблюдается приблизительно до девяноста километров высоты, поэтому воздух примерно одинаков по химическому составу, не только в тропосфере, но и в вышележащих слоях. Но там атмосфера имеет принципиально другие физические свойства. Слой же, который имеет общий химический состав, называют гомосферой.

Какие элементы еще входят в состав атмосферы Земли? В процентах (по объему, в сухом воздухе) здесь представлены такие газы как криптон (около 1.14 х 10 -4), ксенон (8.7 х 10 -7), водород (5.0 х 10 -5), метан (около 1.7 х 10 -4), закись азота (5.0 х 10 -5) и др. В процентах по массе из перечисленных компонентов больше всего закиси азота и водорода, далее следует гелий, криптон и пр.

Физические свойства разных атмосферных слоев

Физические свойства тропосферы тесно связаны с ее прилеганием к поверхности планеты. Отсюда отраженное солнечное тепло в форме инфракрасных лучей направляется обратно вверх, включая процессы теплопроводности и конвекции. Именно поэтому с удалением от земной поверхности падает температура. Такое явление наблюдается до высоты стратосферы (11-17 километров), потом температура становится практически неизменной до отметки 34-35 км, и далее идет опять рост температур до высот в 50 километров (верхняя граница стратосферы). Между стратосферой и тропосферой есть тонкий промежуточный слой тропопаузы (до 1-2 км), где наблюдаются постоянные температуры над экватором - около минус 70°С и ниже. Над полюсами же тропопауза «прогревается» летом до минус 45°С, зимой температуры здесь колеблются около отметки -65°С.

Газовый состав атмосферы Земли включает в себя такой важный элемент, как озон. Его относительно немного у поверхности (десять в минус шестой степени от процента), так как газ образуется под воздействием солнечных лучей из атомарного кислорода в верхних частях атмосферы. В частности, больше всего озона на высоте около 25 км, а весь «озоновый экран» расположен в областях от 7-8 км в области полюсов, от 18 км на экваторе и до пятидесяти километров в общем над поверхностью планеты.

Атмосфера защищает от солнечной радиации

Состав воздуха атмосферы Земли играет очень важную роль в сохранении жизни, так как отдельные химические элементы и композиции удачно ограничивают доступ солнечной радиации к земной поверхности и живущим на ней людям, животным, растениям. Например, молекулы водяного пара эффективно поглощают почти все диапазоны инфракрасного излучения, за исключением длин в интервале от 8 до 13 мкм. Озон же поглощает ультрафиолет вплоть до длины волн в 3100 А. Без его тонкого слоя (составит всего в среднем 3 мм, если его расположить на поверхности планеты) обитаемы могут быть только воды на глубине более 10 метров и подземные пещеры, куда не доходит солнечная радиация.

Ноль по Цельсию в стратопаузе

Между двумя следующими уровнями атмосферы, стратосферой и мезосферой, существует примечательный слой - стратопауза. Он приблизительно соответствует высоте озонных максимумов и здесь наблюдается относительно комфортная для человека температура - около 0°С. Выше стратопаузы, в мезосфере (начинается где-то на высоте 50 км и заканчивается на высоте 80-90 км), наблюдается опять же падение температур с увеличением расстояния от поверхности Земли (до минус 70-80°С). В мезосфере обычно полностью сгорают метеоры.

В термосфере - плюс 2000 К!

Химический состав атмосферы Земли в термосфере (начинается после мезопаузы с высот около 85-90 до 800 км) определяет возможность такого явления, как постепенный нагрев слоев весьма разреженного «воздуха» под воздействием солнечного излучения. В этой части «воздушного покрывала» планеты встречаются температуры от 200 до 2000 К, которые получаются в связи с ионизацией кислорода (выше 300 км находится атомарный кислород), а также рекомбинацией атомов кислорода в молекулы, сопровождающейся выделением большого количества тепла. Термосфера - это место возникновения полярных сияний.

Выше термосферы находится экзосфера - внешний слой атмосферы, из которого легкие и быстро перемещающиеся атомы водорода могут уходить в космическое пространство. Химический состав атмосферы Земли здесь представлен больше отдельными атомами кислорода в нижних слоях, атомами гелия в средних, и почти исключительно атомами водорода - в верхних. Здесь господствуют высокие температуры - около 3000 К и отсутствует атмосферное давление.

Как образовалась земная атмосфера?

Но, как уже упоминалось выше, такой состав атмосферы планета имела не всегда. Всего существует три концепции происхождения этого элемента. Первая гипотеза предполагает, что атмосфера была взята в процессе аккреции из протопланетного облака. Однако сегодня эта теория подвергается существенной критике, так как такая первичная атмосфера должна была быть разрушена солнечным «ветром» от светила в нашей планетной системе. Кроме того, предполагается, что летучие элементы не могли удержаться в зоне образования планет по типу земной группы из-за слишком высоких температур.

Состав первичной атмосферы Земли, как предполагает вторая гипотеза, мог быть сформирован за счет активной бомбардировки поверхности астероидами и кометами, которые прибыли из окрестностей Солнечной системы на ранних этапах развития. Подтвердить или опровергнуть эту концепцию достаточно сложно.

Эксперимент в ИДГ РАН

Самой правдоподобной представляется третья гипотеза, которая считает, что атмосфера появилась в результате выделения газов из мантии земной коры приблизительно 4 млрд. лет назад. Эту концепцию удалось проверить в ИДГ РАН в ходе эксперимента под названием «Царев 2», когда в вакууме был разогрет образец вещества метеорного происхождения. Тогда было зафиксировано выделение таких газов как Н 2 , СН 4 , СО, Н 2 О, N 2 и др. Поэтому ученые справедливо предположили, что химический состав первичной атмосферы Земли включал в себя водяной и углекислый газ, пары фтороводорода (HF), угарного газа (CO), сероводорода (H 2 S), соединений азота, водород, метан (СН 4), пары аммиака (NH 3), аргон и др. Водный пар из первичной атмосферы участвовал в образовании гидросферы, углекислый газ оказался в большей мере в связанном состоянии в органических веществах и горных породах, азот перешел в состав современного воздуха, а также опять в осадочные породы и органические вещества.

Состав первичной атмосферы Земли не позволил бы современным людям находиться в ней без дыхательных аппаратов, так как кислорода в требуемых количествах тогда не было. Этот элемент в значительных объемах появился полтора миллиарда лет назад, как полагают, в связи с развитием процесса фотосинтеза у сине-зеленых и других водорослей, которые являются древнейшими обитателями нашей планеты.

Минимум кислорода

На то, что состав атмосферы Земли изначально был почти бескислородным, указывает то, что в древнейших (катархейских) породах находят легкоокисляемый, но не окисленный графит (углерод). Впоследствии появились так называемые полосчатые железные руды, которые включали в себя прослойки обогащенных окислов железа, что означает появление на планете мощного источника кислорода в молекулярной форме. Но эти элементы попадались только периодически (возможно, те же водоросли или другие продуценты кислорода появились небольшими островками в бескислородной пустыне), в то время как остальной мир был анаэробным. В пользу последнего говорит то, что легко окисляемый пирит находили в виде гальки, обработанной течением без следов химических реакций. Так как текучие воды не могут быть плохо аэрированными, выработалась точка зрения, что атмосфера до начала кембрия содержала менее одного процента кислорода от сегодняшнего состава.

Революционное изменение состава воздуха

Приблизительно в середине протерозоя (1,8 млрд. лет назад) произошла «кислородная революция», когда мир перешел к аэробному дыханию, в ходе которого из одной молекулы питательного вещества (глюкоза) можно получать 38, а не две (как при анаэробном дыхании) единицы энергии. Состав атмосферы Земли, в части кислорода, стал превышать один процент от современного, стал возникать озоновый слой, защищающий организмы от радиации. Именно от нее «скрывались» под толстыми панцирями, к примеру, такие древние животные, как трилобиты. С тех пор и до нашего времени содержание основного «дыхательного» элемента постепенно и медленно возрастало, обеспечивая многообразие развития форм жизни на планете.

СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

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

Физические свойства

Толщина атмосферы - примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере - (5,1-5,3)·10 18 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352 ±0,0003)·10 18 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·10 16 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м 3 . Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура - −140,7 °C; критическое давление - 3,7 МПа; C p при 0 °C - 1,0048·10 3 Дж/(кг·К), C v - 0,7159·10 3 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C - 0,0036 %, при 25 °C - 0,0023 %.

За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м 3 , барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Строение атмосферы

Атмосфера имеет слоистое строение. Слои атмосферы отличаются друг от друга температурой воздуха, его плотностью, количеством водяного пара в воздухе и другими свойствами.

Тропосфе́ра (др.-греч. τρόπος - «поворот», «изменение» и σφαῖρα - «шар») - нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8-10 км, в умеренных широтах до 10-12 км, на экваторе - 16-18 км.

При подъёме в тропосфере температура понижается в среднем на 0,65 К через каждые 100 м и достигает 180-220 K в верхней части. Этот верхний слой тропосферы, в котором снижение температуры с высотой прекращается, называюттропопаузой. Следующий, расположенный выше тропосферы, слой атмосферы называется стратосфера.

В тропосфере сосредоточено более 80 % всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются и атмосферные фронты, развиваютсяциклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. Происходящие в тропосфере процессы обусловлены, прежде всего, конвекцией.

Часть тропосферы, в пределах которой на земной поверхности возможно зарождение ледников, называется хионосфера .

Тропопа́уза (от греч. τροπος - поворот, изменение и παῦσις - остановка, прекращение) - слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой; переходный слой от тропосферы к стратосфере. В земной атмосфере тропопауза расположена на высотах от 8-12 км (над уровнем моря) в полярных районах и до 16-18 км над экватором. Высота тропопаузы зависит также от времени года (летом тропопауза расположена выше, чем зимой) и циклонической деятельности (в циклонах она ниже, а в антициклонах - выше)

Толщина тропопаузы составляет от нескольких сотен метров до 2-3 километров. В субтропиках наблюдаются разрывы тропопаузы, обусловленные мощными струйными течениями. Тропопауза над отдельными районами часто разрушается и формируется заново.

Стратосфе́ра (от лат. stratum - настил, слой) - слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузойи является границей между стратосферой и мезосферой. Плотность воздуха в стратосфере в десятки и сотни раз меньше чем на уровне моря.

Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15-20 до 55-60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О 3) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общая масса О 3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7-4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Разрушение О 3 происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»).

В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют - на атомы (выше 80 км диссоциируют СО 2 и Н 2 , выше 150 км - О 2 , выше 300 км - N 2). На высоте 200-500 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О + 2 , О − 2 , N + 2) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы - ОН , НО 2 и др.

В стратосфере почти нет водяного пара.

Полёты в стратосферу начались в 1930-годах. Широко известен полёт на первом стратостате (FNRS-1), который совершили Огюст Пикар и Пауль Кипфер 27 мая 1931 г. на высоту 16,2 км. Современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолёты летают в стратосфере на высотах в основном до 20 км (хотя динамический потолок может быть значительно выше). Высотные метеозонды поднимаются до 40 км; рекорд для беспилотного аэростата составляет 51,8 км.

В последнее время в военных кругах США большое внимание уделяют освоению слоёв стратосферы выше 20 км, часто называемых «предкосмосом» (англ. « near space » ). Предполагается, что беспилотные дирижабли и самолёты на солнечной энергии (наподобие NASA Pathfinder) смогут длительное время находиться на высоте порядка 30 км и обеспечивать наблюдением и связью очень большие территории, оставаясь при этом малоуязвимыми для средств ПВО; такие аппараты будут во много раз дешевле спутников.

Стратопа́уза - слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя слоями, стратосферой и мезосферой. В стратосфере температура повышается с увеличением высоты, а стратопауза является слоем, где температура достигает максимума. Температура стратопаузы - около 0 °C.

Данное явление наблюдается не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.

На Земле стратопауза находится на высоте 50 - 55 км над уровнем моря. Атмосферное давление составляет около 1/1000 от давления на уровне моря.

Мезосфе́ра (от греч. μεσο- - «средний» и σφαῖρα - «шар», «сфера») - слой атмосферы на высотах от 40-50 до 80-90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум (порядка +50°C) температуры расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое понижение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном. Термин принят Географическим и геофизическим союзом в 1951 году.

Газовый состав мезосферы, как и расположенных ниже атмосферных слоев, постоянен и содержит около 80 % азота и 20 % кислорода.

Мезосфера отделяется от нижележащей стратосферы стратопаузой, а от вышележащей термосферы - мезопаузой. Мезопауза в основном совпадает с турбопаузой.

Метеоры начинают светиться и, как правило, полностью сгорают в мезосфере.

В мезосфере могут появляться серебристые облака.

Для полётов мезосфера представляет собой своего рода «мёртвую зону» - воздух здесь слишком разрежен, чтобы поддерживать самолёты или аэростаты (на высоте 50 км плотность воздуха в 1000 раз меньше, чем на уровне моря), и в то же время слишком плотен для полётов искусственных спутников на такой низкой орбите. Прямые исследования мезосферы проводятся в основном с помощью суборбитальных метеорологических ракет; в целом мезосфера изучена хуже других слоёв атмосферы, в связи с чем учёные прозвали её «игноросферой».

Мезопа́уза

Мезопа́уза - слой атмосферы, разделяющий мезосферу и термосферу. На Земле располагается на высоте 80-90 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около −100 °C. Ниже (начиная от высоты около 50 км) температура падает с высотой, выше (до высоты около 400 км) - снова растёт. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. На этой высоте наблюдаются серебристые облака.

Мезопауза есть не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.

Линия Ка́рмана - высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом.

В соответствии с определением Международной авиационной федерации (ФАИ), линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Название высота получила по имени Теодора фон Кармана, американского учёного венгерского происхождения. Он первый определил, что примерно на этой высоте атмосфера становится настолько разрежённой, что аэронавтика становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, становится больше первой космической скорости, и поэтому для достижения бо́льших высот необходимо пользоваться средствамикосмонавтики.

Атмосфера Земли продолжается и за линией Кармана. Внешняя часть земной атмосферы, экзосфера, простирается до высоты 10 тыс. км и более, на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу.

Достижение Линии Кармана являлось первым условием для получения приза Ansari X Prize, так как это является основанием для признания полёта космическим.