Straturi de presiune atmosferică. Dimensiunea atmosferei terestre

Compoziția atmosferei.Învelișul de aer al planetei noastre - atmosferă protejează suprafața pământului de efectele nocive asupra organismelor vii radiații ultraviolete Soare. De asemenea, protejează Pământul de particulele cosmice - praf și meteoriți.

Atmosfera este formată dintr-un amestec mecanic de gaze: 78% din volumul său este azot, 21% oxigen și mai puțin de 1% este heliu, argon, cripton și alte gaze inerte. Cantitatea de oxigen și azot din aer este practic neschimbată, deoarece azotul aproape că nu se combină cu alte substanțe, iar oxigenul, care, deși este foarte activ și cheltuit pentru respirație, oxidare și ardere, este reîncărcat constant de plante.

Până la o altitudine de aproximativ 100 km, procentul acestor gaze rămâne practic neschimbat. Acest lucru se datorează faptului că aerul este amestecat în mod constant.

Pe lângă gazele menționate, atmosfera conține aproximativ 0,03% dioxid de carbon, care este de obicei concentrat aproape de suprafata pamantuluiși este distribuită inegal: în orașe, centre industriale și zone de activitate vulcanică, cantitatea acestuia crește.

Există întotdeauna o anumită cantitate de impurități în atmosferă - vapori de apă și praf. Conținutul de vapori de apă depinde de temperatura aerului: cu cât temperatura este mai mare, cu atât aerul poate reține mai mulți vapori. Datorită prezenței apei vaporoase în aer, sunt posibile fenomene atmosferice precum curcubeele, refracția luminii solare etc.

Praful intră în atmosferă în timpul erupțiilor vulcanice, furtunilor de nisip și praf, în timpul arderii incomplete a combustibilului la centralele termice etc.

Structura atmosferei. Densitatea atmosferei se modifică odată cu altitudinea: este cea mai mare la suprafața Pământului și scade pe măsură ce se ridică. Astfel, la o altitudine de 5,5 km densitatea atmosferei este de 2 ori, iar la altitudinea de 11 km este de 4 ori mai mica decat in stratul de suprafata.

În funcție de densitatea, compoziția și proprietățile gazelor, atmosfera este împărțită în cinci straturi concentrice (Fig. 34).

Orez. 34. Secțiunea verticală a atmosferei (stratificarea atmosferei)

1. Stratul inferior se numește troposfera. Limita sa superioară trece la o altitudine de 8-10 km la poli și 16-18 km la ecuator. Troposfera conține până la 80% din masa totală a atmosferei și aproape toți vaporii de apă.

Temperatura aerului din troposferă scade odată cu altitudinea cu 0,6 °C la fiecare 100 m, iar la limita superioară a acesteia este de -45-55 °C.

Aerul din troposferă este amestecat constant, mișcându-se în interior directii diferite. Doar aici se observă cețe, ploi, ninsori, furtuni, furtuni și alte fenomene meteorologice.

2. Situat deasupra stratosferă, care se extinde la o altitudine de 50-55 km. Densitatea și presiunea aerului în stratosferă sunt neglijabile. Aerul subțire este format din aceleași gaze ca și în troposferă, dar conține mai mult ozon. Cea mai mare concentrație de ozon se observă la o altitudine de 15-30 km. Temperatura din stratosferă crește odată cu altitudinea și la limita sa superioară atinge 0 °C și mai mult. Acest lucru se datorează faptului că ozonul absoarbe energia undelor scurte de la soare, determinând încălzirea aerului.

3. Se află deasupra stratosferei mezosferă, extinzându-se la o altitudine de 80 km. Acolo temperatura scade din nou și ajunge la -90 °C. Densitatea aerului acolo este de 200 de ori mai mică decât la suprafața Pământului.

4. Deasupra mezosferei se află termosferă(de la 80 la 800 km). Temperatura din acest strat crește: la o altitudine de 150 km până la 220 °C; la o altitudine de 600 km până la 1500 °C. Gazele atmosferice (azot și oxigen) sunt în stare ionizată. Sub influența radiației solare cu unde scurte, electronii individuali sunt separați de învelișurile atomilor. Ca rezultat, în acest strat - ionosferă apar straturi de particule încărcate. Stratul lor cel mai dens este situat la o altitudine de 300-400 km. Datorită densității scăzute, razele soarelui nu sunt împrăștiate acolo, așa că cerul este negru, stelele și planetele strălucesc puternic pe el.

În ionosferă există aurore, puternic curenti electrici, care provoacă perturbări în câmpul magnetic al Pământului.

5. Peste 800 km este învelișul exterior - exosfera. Viteza de mișcare a particulelor individuale în exosferă se apropie de critică - 11,2 mm/s, astfel încât particulele individuale pot depăși gravitația și pot scăpa în spațiul cosmic.

Sensul atmosferei. Rolul atmosferei în viața planetei noastre este excepțional de mare. Fără ea, Pământul ar fi mort. Atmosfera protejează suprafața Pământului de încălzirea și răcirea extremă. Efectul său poate fi asemănat cu rolul sticlei în sere: permiterea trecerii razelor solare și prevenirea pierderilor de căldură.

Atmosfera protejează organismele vii de radiațiile de unde scurte și corpusculare de la Soare. Atmosfera este mediul în care au loc fenomenele meteorologice, cu care totul este legat activitatea umană. Studiul acestei cochilii se realizează la stațiile meteorologice. Zi și noapte, în orice vreme, meteorologii monitorizează starea stratului inferior al atmosferei. De patru ori pe zi, iar la multe stații pe oră, se măsoară temperatura, presiunea, umiditatea aerului, notează înnorabilitatea, direcția și viteza vântului, cantitatea de precipitații, fenomenele electrice și sonore din atmosferă. Stațiile meteorologice sunt amplasate peste tot: în Antarctica și în pădurile tropicale, pe munții înalți și în întinderi vaste de tundra. De asemenea, se efectuează observații asupra oceanelor de pe nave special construite.

Din anii 30. secolul XX observaţiile au început în atmosfera liberă. Au început să lanseze radiosonde care se ridică la o înălțime de 25-35 km și, folosind echipamente radio, transmit pe Pământ informații despre temperatură, presiune, umiditatea aerului și viteza vântului. În zilele noastre, rachetele meteorologice și sateliții sunt de asemenea folosiți pe scară largă. Acestea din urmă au instalații de televiziune care transmit imagini ale suprafeței pământului și norilor.

| |
5. Învelișul de aer al pământului§ 31. Încălzirea atmosferei

Grosimea atmosferei este de aproximativ 120 km de suprafața Pământului. Masa totală a aerului din atmosferă este (5,1-5,3) 10 18 kg. Dintre acestea, masa aerului uscat este de 5,1352 ±0,0003 10 18 kg, masa totală a vaporilor de apă este în medie de 1,27 10 16 kg.

Tropopauza

Stratul de tranziție de la troposferă la stratosferă, un strat al atmosferei în care scăderea temperaturii odată cu înălțimea încetează.

Stratosferă

Un strat al atmosferei situat la o altitudine de 11 până la 50 km. Caracterizat printr-o ușoară modificare a temperaturii în stratul de 11-25 km (stratul inferior al stratosferei) și o creștere a temperaturii în stratul de 25-40 km de la −56,5 la 0,8 ° (stratul superior al stratosferei sau regiunea de inversare). Atinsă o valoare de aproximativ 273 K (aproape 0 °C) la o altitudine de aproximativ 40 km, temperatura rămâne constantă până la o altitudine de aproximativ 55 km. Această regiune cu temperatură constantă se numește stratopauză și este granița dintre stratosferă și mezosferă.

Stratopauza

Stratul limită al atmosferei dintre stratosferă și mezosferă. În distribuția verticală a temperaturii există un maxim (aproximativ 0 °C).

Mezosfera

Atmosfera Pământului

Limita atmosferei Pământului

Termosferă

Limita superioară este de aproximativ 800 km. Temperatura se ridică la altitudini de 200-300 km, unde atinge valori de ordinul a 1500 K, după care rămâne aproape constantă până la altitudini mari. Sub influența radiației solare ultraviolete și razelor X și a radiației cosmice, are loc ionizarea aerului („aurore”) - principalele regiuni ale ionosferei se află în interiorul termosferei. La altitudini de peste 300 km predomină oxigenul atomic. Limita superioară a termosferei este determinată în mare măsură de activitatea curentă a Soarelui. În perioadele de activitate scăzută - de exemplu, în 2008-2009 - există o scădere vizibilă a dimensiunii acestui strat.

Termopauza

Regiunea atmosferei adiacente termosferei. În această regiune, absorbția radiației solare este neglijabilă, iar temperatura nu se schimbă efectiv cu altitudinea.

Exosfera (sfera de împrăștiere)

Până la o altitudine de 100 km, atmosfera este un amestec omogen, bine amestecat de gaze. În straturile superioare, distribuția gazelor în funcție de înălțime depinde de greutățile moleculare ale acestora, concentrația de gaze mai grele scade mai repede cu distanța de la suprafața Pământului. Datorită scăderii densității gazelor, temperatura scade de la 0 °C în stratosferă la −110 °C în mezosferă. Cu toate acestea, energia cinetică a particulelor individuale la altitudini de 200-250 km corespunde unei temperaturi de ~150 °C. Peste 200 km se observă fluctuații semnificative ale temperaturii și densității gazelor în timp și spațiu.

La o altitudine de aproximativ 2000-3500 km, exosfera se transformă treptat în așa-numita în apropierea vidului spațial, care este umplut cu particule foarte rarefiate de gaz interplanetar, în principal atomi de hidrogen. Dar acest gaz reprezintă doar o parte din materia interplanetară. Cealaltă parte este formată din particule de praf de origine cometă și meteorică. Pe lângă particulele de praf extrem de rarefiate, în acest spațiu pătrunde radiațiile electromagnetice și corpusculare de origine solară și galactică.

Troposfera reprezintă aproximativ 80% din masa atmosferei, stratosfera - aproximativ 20%; masa mezosferei nu este mai mare de 0,3%, termosfera este mai mică de 0,05% din masa totală a atmosferei. Pe baza proprietăților electrice din atmosferă, se disting neutronosfera și ionosfera. În prezent se crede că atmosfera se extinde până la o altitudine de 2000-3000 km.

În funcție de compoziția gazului din atmosferă, ele emit homosferăŞi heterosferă. Heterosferă- Aceasta este zona în care gravitația afectează separarea gazelor, deoarece amestecul lor la o astfel de altitudine este neglijabil. Aceasta implică o compoziție variabilă a heterosferei. Sub ea se află o parte bine amestecată, omogenă a atmosferei, numită homosferă. Limita dintre aceste straturi se numește turbopauză, se află la o altitudine de aproximativ 120 km.

Proprietăți fiziologice și alte proprietăți ale atmosferei

Deja la o altitudine de 5 km deasupra nivelului mării, o persoană neantrenată începe să se confrunte cu înfometarea de oxigen și, fără adaptare, performanța unei persoane este redusă semnificativ. Zona fiziologică a atmosferei se termină aici. Respirația omului devine imposibilă la o altitudine de 9 km, deși până la aproximativ 115 km atmosfera conține oxigen.

Atmosfera ne furnizează oxigenul necesar pentru a respira. Cu toate acestea, din cauza scăderii presiunii totale a atmosferei, pe măsură ce vă ridicați la altitudine, presiunea parțială a oxigenului scade în mod corespunzător.

În straturile rarefiate de aer, propagarea sunetului este imposibilă. Până la altitudini de 60-90 km, este încă posibilă utilizarea rezistenței aerului și a portanței pentru zborul aerodinamic controlat. Însă pornind de la altitudini de 100-130 km, conceptele de număr M și bariera sonoră, familiare fiecărui pilot, își pierd sensul: trece linia convențională Karman, dincolo de care începe regiunea zborului pur balistic, care nu poate decât controlată cu ajutorul forțelor reactive.

La altitudini de peste 100 km, atmosfera este lipsită de o altă proprietate remarcabilă - capacitatea de a absorbi, de a conduce și de a transmite energie termică prin convecție (adică prin amestecarea aerului). Aceasta înseamnă că diverse elemente ale echipamentelor de pe stația spațială orbitală nu vor putea fi răcite din exterior în același mod cum se face de obicei pe un avion - cu ajutorul jeturilor de aer și radiatoarelor de aer. La această altitudine, ca și în spațiu în general, singura modalitate de a transfera căldură este radiația termică.

Istoria formării atmosferice

Conform teoriei celei mai comune, atmosfera Pământului a avut trei compoziții diferite de-a lungul timpului. Inițial, a constat din gaze ușoare (hidrogen și heliu) captate din spațiul interplanetar. Acesta este așa-numitul atmosfera primara(acum aproximativ patru miliarde de ani). În etapa următoare, activitatea vulcanică activă a dus la saturarea atmosferei cu alte gaze decât hidrogenul (dioxid de carbon, amoniac, vapori de apă). Așa s-a format atmosfera secundara(aproximativ trei miliarde de ani înainte de ziua de azi). Această atmosferă era reconfortantă. În plus, procesul de formare a atmosferei a fost determinat de următorii factori:

• scurgerea gazelor ușoare (hidrogen și heliu) în spațiul interplanetar;
• reacții chimice care apar în atmosferă sub influența radiațiilor ultraviolete, a descărcărilor de fulgere și a altor factori.

Treptat, acești factori au dus la formare atmosfera tertiara, caracterizată printr-un conținut mult mai scăzut de hidrogen și un conținut mult mai mare de azot și dioxid de carbon (format ca urmare a reactii chimice din amoniac şi hidrocarburi).

Azot

Educaţie cantitate mare azotul N 2 se datorează oxidării atmosferei de amoniac-hidrogen de către oxigenul molecular O 2, care a început să iasă de la suprafața planetei ca urmare a fotosintezei, începând cu 3 miliarde de ani. Azotul N2 este, de asemenea, eliberat în atmosferă ca urmare a denitrificării nitraților și a altor compuși care conțin azot. Azotul este oxidat de ozon la NO în atmosfera superioară.

Azotul N 2 reacționează numai în condiții specifice (de exemplu, în timpul descărcării unui fulger). Oxidarea azotului molecular de către ozon în timpul descărcărilor electrice este utilizată în cantități mici în producția industrială de îngrășăminte cu azot. Cianobacteriile (alge albastru-verzi) și bacteriile nodulare care formează simbioză rizobială cu plantele leguminoase, așa-numitele, o pot oxida cu un consum redus de energie și o pot transforma într-o formă biologic activă. gunoi de grajd verde.

Oxigen

Compoziția atmosferei a început să se schimbe radical odată cu apariția organismelor vii pe Pământ, ca urmare a fotosintezei, însoțită de eliberarea de oxigen și absorbția de dioxid de carbon. Inițial, oxigenul a fost cheltuit pentru oxidarea compușilor reduși - amoniac, hidrocarburi, formă feroasă de fier conținută în oceane etc. La sfârșitul acestei etape, conținutul de oxigen din atmosferă a început să crească. Treptat, s-a format o atmosferă modernă cu proprietăți oxidante. Deoarece acest lucru a provocat schimbări grave și abrupte în multe procese care au loc în atmosferă, litosferă și biosferă, acest eveniment a fost numit Catastrofa oxigenului.

Gaze nobile

Poluarea aerului

ÎN în ultima vreme Omul a început să influențeze evoluția atmosferei. Rezultatul activităților sale a fost o creștere constantă semnificativă a conținutului de dioxid de carbon din atmosferă, datorită arderii combustibililor hidrocarburi acumulați în erele geologice anterioare. Cantități uriașe de CO 2 sunt consumate în timpul fotosintezei și absorbite de oceanele lumii. Acest gaz pătrunde în atmosferă datorită descompunerii rocilor carbonatice și a substanțelor organice de origine vegetală și animală, precum și datorită vulcanismului și activității industriale umane. În ultimii 100 de ani, conținutul de CO 2 din atmosferă a crescut cu 10%, cea mai mare parte (360 de miliarde de tone) provenind din arderea combustibilului. Dacă ritmul de creștere a arderii combustibilului continuă, atunci în următorii 200-300 de ani cantitatea de CO 2 din atmosferă se va dubla și ar putea duce la schimbări climatice globale.

Arderea combustibilului este principala sursă de gaze poluante (CO, SO2). Dioxidul de sulf este oxidat de oxigenul atmosferic la SO 3 în straturile superioare ale atmosferei, care la rândul său interacționează cu apa și vaporii de amoniac și acidul sulfuric (H 2 SO 4 ) și sulfatul de amoniu ((NH 4 ) 2 SO 4 rezultați. ) sunt returnate la suprafața Pământului sub forma așa-numitelor. ploaie acidă. Utilizarea motoarelor cu ardere internă conduce la o poluare semnificativă a atmosferei cu oxizi de azot, hidrocarburi și compuși de plumb (tetraetil plumb Pb(CH 3 CH 2) 4)).

Poluarea cu aerosoli a atmosferei este cauzată atât de cauze naturale (erupții vulcanice, furtuni de praf, antrenare de picături de apă de mare și polen de plante etc.) cât și activitate economică oameni (exploatarea minereului și materiale de constructii, arderea combustibilului, producția de ciment etc.). Emisia intensivă la scară largă de particule solide în atmosferă este una dintre cele mai importante motive posibile schimbări ale climei planetei.

Vezi de asemenea

• Jacchia (model de atmosferă)

Note

Legături

Literatură

1. V. V. Parin, F. P. Kosmolinsky, B. A. Dushkov„Biologie și medicină spațială” (ediția a II-a, revizuită și extinsă), M.: „Prosveshcheniye”, 1975, 223 p.
2. N. V. Gusakova"Chimie mediu", Rostov-pe-Don: Phoenix, 2004, 192 cu ISBN 5-222-05386-5
3. Sokolov V. A. Geochimia gazelor naturale, M., 1971;
4. McEwen M., Phillips L. Atmospheric Chemistry, M., 1978;
5. Wark K., Warner S. Poluarea aerului. Surse și control, trad. din engleză, M.. 1980;
6. Monitorizarea poluării de fond a mediilor naturale. V. 1, L., 1982.

Pământ
Istoria Pământului	Vârsta Pământului Istoria geologică a Pământului Scala geocronologică Istoria vieții pe Pământ Glaciația Pământului Paradoxul tânărului slab Soare Teoria impactului gigantului Cronologia evoluției
Geografie și geologie	Australia Asia Antarctica Africa Europa America de Nord America de Sud Oceanul Atlantic Oceanul Indian Oceanul Arctic

Învelișul gazos care înconjoară planeta noastră Pământ, cunoscut sub numele de atmosferă, este format din cinci straturi principale. Aceste straturi își au originea pe suprafața planetei, de la nivelul mării (uneori mai jos) și se ridică în spațiul cosmic în următoarea secvență:

• troposfera;
• Stratosferă;
• Mezosfera;
• Termosferă;
• Exosfera.

Diagrama principalelor straturi ale atmosferei terestre

Între fiecare dintre aceste cinci straturi principale se află zone de tranziție numite „pauze” unde apar modificări ale temperaturii, compoziției și densității aerului. Împreună cu pauzele, atmosfera Pământului include un total de 9 straturi.

Troposfera: unde apare vremea

Dintre toate straturile atmosferei, troposfera este cea cu care suntem cel mai familiar (fie că îți dai seama sau nu), din moment ce trăim pe fundul ei - suprafața planetei. Acesta învăluie suprafața Pământului și se extinde în sus pe câțiva kilometri. Cuvântul troposferă înseamnă „schimbarea globului”. Un nume foarte potrivit, deoarece acest strat este locul unde apare vremea noastră de zi cu zi.

Pornind de la suprafața planetei, troposfera se ridică la o înălțime de 6 până la 20 km. Treimea inferioară a stratului, cea mai apropiată de noi, conține 50% din toate gazele atmosferice. Aceasta este singura parte din întreaga atmosferă care respiră. Datorită faptului că aerul este încălzit de jos de suprafața pământului, care absoarbe energia termică a Soarelui, temperatura și presiunea troposferei scad odată cu creșterea altitudinii.

În vârf este strat subțire, numită tropopauză, care este doar un tampon între troposferă și stratosferă.

Stratosfera: casa ozonului

Stratosfera este următorul strat al atmosferei. Se întinde de la 6-20 km până la 50 km deasupra suprafeței Pământului. Acesta este stratul în care zboară majoritatea avioanelor comerciale și călătoresc baloanele cu aer cald.

Aici aerul nu curge în sus și în jos, ci se mișcă paralel cu suprafața în curenți de aer foarte mari. Pe măsură ce te ridici, temperatura crește, datorită abundenței de ozon natural (O3), un produs secundar al radiației solare și al oxigenului, care are capacitatea de a absorbi razele ultraviolete dăunătoare ale soarelui (orice creștere a temperaturii cu altitudinea este cunoscută în meteorologie). ca o „inversie”).

Deoarece stratosfera are temperaturi mai calde în partea de jos și temperaturi mai reci în partea de sus, convecția (mișcarea verticală a maselor de aer) este rară în această parte a atmosferei. De fapt, din stratosferă puteți vedea o furtună care dezlănțuie în troposferă, deoarece stratul acționează ca un capac de convecție care împiedică pătrunderea norilor de furtună.

După stratosferă există din nou un strat tampon, numit de data aceasta stratopauză.

Mezosfera: atmosfera mijlocie

Mezosfera este situată la aproximativ 50-80 km de suprafața Pământului. Mezosfera superioară este cel mai rece loc natural de pe Pământ, unde temperaturile pot scădea sub -143°C.

Termosfera: atmosfera superioara

După mezosferă și mezopauză vine termosfera, situată între 80 și 700 km deasupra suprafeței planetei, și conține mai puțin de 0,01% din aerul total din învelișul atmosferic. Temperaturile aici ajung până la +2000° C, dar din cauza rarefării puternice a aerului și a lipsei moleculelor de gaz pentru a transfera căldura, acestea temperaturi ridicate sunt percepute ca fiind foarte reci.

Exosfera: granița dintre atmosferă și spațiu

La o altitudine de aproximativ 700-10.000 km deasupra suprafeței pământului se află exosfera - marginea exterioară a atmosferei, învecinată cu spațiul. Aici sateliții meteo orbitează în jurul Pământului.

Dar ionosfera?

Ionosfera nu este un strat separat, dar de fapt termenul este folosit pentru a se referi la atmosfera între 60 și 1000 km altitudine. Include părțile superioare ale mezosferei, întreaga termosferă și o parte a exosferei. Ionosfera își primește numele deoarece este în această parte a atmosferei în care radiațiile soarelui sunt ionizate pe măsură ce trece prin ele. câmpuri magnetice Aterizează pe și. Acest fenomen este observat de la sol ca aurora boreală.

La nivelul mării 1013,25 hPa (aproximativ 760 mmHg). Temperatura medie globală a aerului la suprafața Pământului este de 15°C, cu temperaturi variind de la aproximativ 57°C în deșerturile subtropicale până la -89°C în Antarctica. Densitatea și presiunea aerului scad odată cu înălțimea conform unei legi apropiate de exponențial.

Structura atmosferei. Pe verticală, atmosfera are o structură stratificată, determinată în principal de caracteristicile distribuției verticale a temperaturii (figura), care depinde de locația geografică, anotimp, ora din zi etc. Stratul inferior al atmosferei - troposfera - se caracterizează printr-o scădere a temperaturii cu înălțimea (cu aproximativ 6°C la 1 km), înălțimea sa de la 8-10 km în latitudini polare până la 16-18 km la tropice. Datorită scăderii rapide a densității aerului cu înălțimea, aproximativ 80% din masa totală a atmosferei se află în troposferă. Deasupra troposferei se află stratosfera, un strat care se caracterizează în general printr-o creștere a temperaturii odată cu înălțimea. Stratul de tranziție dintre troposferă și stratosferă se numește tropopauză. În stratosfera inferioară, până la un nivel de aproximativ 20 km, temperatura se schimbă puțin odată cu înălțimea (așa-numita regiune izotermă) și adesea chiar scade ușor. Peste aceasta, temperatura crește din cauza absorbției radiațiilor UV de la Soare de către ozon, la început lent, și mai rapid de la un nivel de 34-36 km. Limita superioară a stratosferei - stratopauza - este situată la o altitudine de 50-55 km, corespunzătoare temperaturii maxime (260-270 K). Stratul atmosferei situat la o altitudine de 55-85 km, unde temperatura scade din nou odată cu înălțimea, se numește mezosferă la limita sa superioară - mezopauza - temperatura ajunge la 150-160 K vara, iar 200-230; K în timpul iernii Deasupra mezopauzei începe termosfera - un strat caracterizat printr-o creștere rapidă a temperaturii, ajungând la 800-1200 K la o altitudine de 250 km. meteorii sunt incetiniti si arse, asa ca actioneaza ca un strat protector al Pamantului. Chiar mai sus este exosfera, de unde gazele atmosferice sunt dispersate în spațiu datorită disipării și unde are loc o tranziție treptată de la atmosferă la spațiul interplanetar.

Compoziția atmosferică. Până la o altitudine de aproximativ 100 km, atmosfera este aproape omogenă ca compoziție chimică și greutatea moleculară medie a aerului (aproximativ 29) este constantă. În apropierea suprafeței Pământului, atmosfera este formată din azot (aproximativ 78,1% din volum) și oxigen (aproximativ 20,9%) și conține, de asemenea, cantități mici de argon, dioxid de carbon (dioxid de carbon), neon și alte componente permanente și variabile (vezi Aerul). ).

În plus, atmosfera conține cantități mici de ozon, oxizi de azot, amoniac, radon etc. Conținutul relativ al principalelor componente ale aerului este constant în timp și uniform în diferite zone geografice. Conținutul de vapori de apă și ozon este variabil în spațiu și timp; În ciuda conținutului scăzut, rolul lor în procesele atmosferice este foarte semnificativ.

Peste 100-110 km are loc disocierea moleculelor de oxigen, dioxid de carbon și vapori de apă, astfel încât masa moleculară a aerului scade. La o altitudine de aproximativ 1000 km, încep să predomine gazele uşoare - heliu şi hidrogen, iar chiar mai sus atmosfera Pământului se transformă treptat în gaz interplanetar.

Cea mai importantă componentă variabilă a atmosferei este vaporii de apă, care intră în atmosferă prin evaporarea de la suprafața apei și a solului umed, precum și prin transpirație de către plante. Conținutul relativ de vapori de apă variază la suprafața pământului de la 2,6% la tropice până la 0,2% la latitudini polare. Cade rapid cu înălțimea, scăzând la jumătate deja la o altitudine de 1,5-2 km. În coloana verticală a atmosferei la latitudini temperate conține aproximativ 1,7 cm de „strat de apă sedimentată”. Când vaporii de apă se condensează, se formează nori, din care precipitațiile atmosferice cad sub formă de ploaie, grindină și zăpadă.

O componentă importantă a aerului atmosferic este ozonul, concentrat 90% în stratosferă (între 10 și 50 km), aproximativ 10% din acesta aflându-se în troposferă. Ozonul asigură absorbția radiațiilor UV dure (cu o lungime de undă mai mică de 290 nm), iar acesta este rolul său protector pentru biosferă. Valorile conținutului total de ozon variază în funcție de latitudine și sezon în intervalul de la 0,22 la 0,45 cm (grosimea stratului de ozon la presiunea p = 1 atm și temperatura T = 0°C). ÎN găuri de ozon observat primăvara în Antarctica de la începutul anilor 1980, conținutul de ozon poate scădea până la 0,07 cm Crește de la ecuator la poli și are un ciclu anual cu un maxim primăvara și un minim toamna, iar amplitudinea anuală. ciclul este mic la tropice și crește la latitudini mari O componentă variabilă semnificativă a atmosferei este dioxidul de carbon, al cărui conținut în atmosferă a crescut cu 35% în ultimii 200 de ani, ceea ce se explică în principal prin factorul antropic. Se observă variabilitatea sa latitudinală și sezonieră, asociată cu fotosinteza plantelor și solubilitatea în apa de mare (conform legii lui Henry, solubilitatea unui gaz în apă scade odată cu creșterea temperaturii).

Rol important Aerosolul atmosferic - particule solide și lichide suspendate în aer cu dimensiuni variind de la câțiva nm la zeci de microni - joacă un rol în modelarea climei planetei. Există aerosoli de origine naturală și antropică. Aerosolul se formează în procesul de reacții în fază gazoasă din produsele vieții plantelor și ale activității economice umane, erupții vulcanice, ca urmare a prafului care se ridică de vânt de la suprafața planetei, în special din regiunile sale deșertice, și este, de asemenea, formată din praful cosmic căzut în straturile superioare ale atmosferei. Cea mai mare parte a aerosolului este concentrat în troposferă, aerosolul din erupțiile vulcanice formează așa-numitul strat Junge la o altitudine de aproximativ 20 km. Cea mai mare cantitate de aerosoli antropici intră în atmosferă ca urmare a funcționării vehiculelor și centralelor termice, a producției chimice, a arderii combustibilului etc. Prin urmare, în unele zone compoziția atmosferei este semnificativ diferită de aerul obișnuit, ceea ce a necesitat crearea unui serviciu special de observare și monitorizare a nivelului de poluare a aerului atmosferic.

Evoluția atmosferei. Atmosfera modernă este aparent de origine secundară: s-a format din gazele eliberate de învelișul solid al Pământului după ce formarea planetei a fost finalizată cu aproximativ 4,5 miliarde de ani în urmă. Pe parcursul istoriei geologice a Pământului, atmosfera a suferit modificări semnificative în compoziția sa sub influența mai multor factori: disiparea (volatilizarea) gazelor, în principal a celor mai ușoare, în spațiul cosmic; eliberarea de gaze din litosferă ca urmare a activității vulcanice; reacții chimice dintre componentele atmosferei și rocile care alcătuiesc scoarța terestră; reacții fotochimice în atmosfera însăși sub influența radiației UV solare; acumularea (captarea) materiei din mediul interplanetar (de exemplu, materie meteorică). Dezvoltarea atmosferei este strâns legată de procesele geologice și geochimice, iar în ultimii 3-4 miliarde de ani și de activitatea biosferei. O parte semnificativă a gazelor care alcătuiesc atmosfera modernă (azot, dioxid de carbon, vapori de apă) au apărut în timpul activității vulcanice și a intruziunii, care le-au transportat din adâncurile Pământului. Oxigenul a apărut în cantități apreciabile în urmă cu aproximativ 2 miliarde de ani, ca urmare a activității organismelor fotosintetice care au apărut inițial în ape de suprafata ocean.

Pe baza datelor privind compoziția chimică a zăcămintelor de carbonat, s-au obținut estimări ale cantității de dioxid de carbon și oxigen din atmosfera trecutului geologic. De-a lungul Fanerozoicului (ultimii 570 de milioane de ani din istoria Pământului), cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă a variat foarte mult în funcție de nivelul activității vulcanice, temperatura oceanului și rata fotosintezei. În cea mai mare parte a acestui timp, concentrația de dioxid de carbon din atmosferă a fost semnificativ mai mare decât în ​​prezent (de până la 10 ori). Cantitatea de oxigen din atmosfera fanerozoică s-a schimbat semnificativ, cu o tendință predominantă spre creșterea acesteia. În atmosfera precambriană, masa de dioxid de carbon era, de regulă, mai mare, iar masa de oxigen era mai mică în comparație cu atmosfera fanerozoică. Fluctuațiile cantității de dioxid de carbon au avut un impact semnificativ asupra climei în trecut, crescând efectul de seră odată cu creșterea concentrațiilor de dioxid de carbon, făcând clima mult mai caldă în toată partea principală a Fanerozoicului în comparație cu epoca modernă.

Atmosfera si viata. Fără atmosferă, Pământul ar fi o planetă moartă. Viața organică are loc în strânsă interacțiune cu atmosfera și clima și vremea asociate. Nesemnificativă ca masă în comparație cu planeta în ansamblu (aproximativ o parte dintr-un milion), atmosfera este o condiție indispensabilă pentru toate formele de viață. Cele mai importante dintre gazele atmosferice pentru viața organismelor sunt oxigenul, azotul, vaporii de apă, dioxidul de carbon și ozonul. Când dioxidul de carbon este absorbit de plantele fotosintetice, se creează materia organică, care este folosită ca sursă de energie de marea majoritate a ființelor vii, inclusiv de oameni. Oxigenul este necesar pentru existența organismelor aerobe, pentru care fluxul de energie este asigurat de reacțiile de oxidare a materiei organice. Azotul, asimilat de unele microorganisme (fixatori de azot), este necesar pentru nutriția minerală a plantelor. Ozonul, care absoarbe radiațiile UV dure de la Soare, slăbește semnificativ această parte a radiației solare dăunătoare vieții. Condensarea vaporilor de apă în atmosferă, formarea norilor și precipitațiile ulterioare furnizează apă pe uscat, fără de care nu sunt posibile forme de viață. Activitatea vitală a organismelor din hidrosferă este determinată în mare măsură de cantitatea și compoziția chimică a gazelor atmosferice dizolvate în apă. Deoarece compoziția chimică a atmosferei depinde în mod semnificativ de activitățile organismelor, biosfera și atmosfera pot fi considerate ca parte a unui singur sistem, a cărui întreținere și evoluție (vezi Ciclurile biogeochimice) a fost de mare importanță pentru modificarea compoziției atmosferei. atmosferă de-a lungul istoriei Pământului ca planetă.

Bilanțele de radiații, căldură și apă ale atmosferei. Radiația solară este practic singura sursă de energie pentru toate procesele fizice din atmosferă. Caracteristica principală regimul de radiație al atmosferei - așa-numitul efect de seră: atmosfera transmite destul de bine radiația solară la suprafața pământului, dar absoarbe în mod activ radiația termică cu undă lungă de la suprafața pământului, o parte din care revine la suprafață sub formă de contra. radiații, compensând pierderea de căldură radiativă de la suprafața pământului (vezi Radiația atmosferică). În absența unei atmosfere, temperatura medie a suprafeței terestre ar fi de -18°C, dar în realitate este de 15°C. Radiația solară care intră este parțial (aproximativ 20%) absorbită în atmosferă (în principal de vapori de apă, picături de apă, dioxid de carbon, ozon și aerosoli) și este, de asemenea, împrăștiată (aproximativ 7%) de particulele de aerosoli și fluctuațiile de densitate (împrăștiere Rayleigh) . Radiația totală care ajunge la suprafața pământului este parțial (aproximativ 23%) reflectată de aceasta. Coeficientul de reflectare este determinat de reflectivitatea suprafeței subiacente, așa-numitul albedo. În medie, albedo-ul Pământului pentru fluxul integral al radiației solare este aproape de 30%. Acesta variază de la câteva procente (sol uscat și pământ negru) până la 70-90% pentru zăpada proaspăt căzută. Schimbul de căldură radiativ între suprafața pământului și atmosferă depinde în mod semnificativ de albedo și este determinat de radiația efectivă a suprafeței pământului și de contraradiația atmosferei absorbită de acesta. Suma algebrică a fluxurilor de radiații care intră în atmosfera Pământului din spațiul cosmic și o părăsesc înapoi se numește bilanțul radiațiilor.

Transformările radiației solare după absorbția acesteia de către atmosferă și suprafața pământului determină echilibrul termic al Pământului ca planetă. Principala sursă de căldură pentru atmosferă este suprafața pământului; căldura din acesta este transferată nu numai sub formă de radiație cu undă lungă, ci și prin convecție și este eliberată și în timpul condensării vaporilor de apă. Ponderea acestor afluxuri de căldură este în medie de 20%, 7% și, respectiv, 23%. Aici se adaugă și aproximativ 20% din căldură datorită absorbției radiației solare directe. Fluxul radiației solare pe unitatea de timp printr-o singură zonă perpendiculară pe razele solare și situată în afara atmosferei la o distanță medie de la Pământ la Soare (așa-numita constantă solară) este egal cu 1367 W/m2, modificările sunt 1-2 W/m2 în funcție de ciclul de activitate solară. Cu un albedo planetar de aproximativ 30%, afluxul global mediu în timp de energie solară către planetă este de 239 W/m2. Deoarece Pământul ca planetă emite în medie aceeași cantitate de energie în spațiu, atunci, conform legii Stefan-Boltzmann, temperatura efectivă radiația termică cu undă lungă de ieșire 255 K (-18°C). În același timp, temperatura medie a suprafeței pământului este de 15°C. Diferența de 33°C apare din cauza efect de seră.

Bilanțul de apă al atmosferei corespunde în general egalității cantității de umiditate evaporată de pe suprafața Pământului și cantității de precipitații care cad pe suprafața Pământului. Atmosfera de deasupra oceanelor primește mai multă umiditate din procesele de evaporare decât cea de pe uscat și pierde 90% sub formă de precipitații. Excesul de vapori de apă peste oceane este transportat către continente de curenții de aer. Cantitatea de vapori de apă transferați în atmosferă de la oceane pe continente este egală cu volumul râurilor care se varsă în oceane.

Mișcarea aerului. Pământul este sferic, așa că mult mai puțină radiație solară ajunge la latitudinile sale înalte decât la tropice. Ca urmare, apar contraste mari de temperatură între latitudini. Distribuția temperaturii este, de asemenea, semnificativ afectată de poziție relativă oceane și continente. Datorită masei mari de ape oceanice și capacității mari de căldură a apei, fluctuațiile sezoniere ale temperaturii suprafeței oceanului sunt mult mai mici decât pe uscat. În acest sens, la latitudinile mijlocii și înalte, temperatura aerului peste oceane vara este vizibil mai scăzută decât pe continente și mai ridicată iarna.

Încălzirea neuniformă a atmosferei în diferite zone glob determină o distribuţie neomogenă spaţial presiunea atmosferică. La nivelul mării, distribuția presiunii se caracterizează prin valori relativ scăzute în apropierea ecuatorului, crește în zonele subtropicale (centri de presiune înaltă) și scade la latitudini medii și înalte. În același timp, pe continentele de latitudini extratropicale, presiunea este de obicei crescută iarna și scăzută vara, ceea ce este asociat cu distribuția temperaturii. Sub influența unui gradient de presiune, aerul experimentează o accelerație direcționată din zonele de înaltă presiune către zonele de joasă presiune, ceea ce duce la mișcarea maselor de aer. Masele de aer în mișcare sunt afectate și de forța de deviere a rotației Pământului (forța Coriolis), de forța de frecare, care scade odată cu înălțimea și, pentru traiectorii curbe, de forța centrifugă. Amestecarea turbulentă a aerului este de mare importanță (vezi Turbulența în atmosferă).

Asociat cu distribuția presiunii planetare sistem complex curenţii de aer (circulaţia atmosferică generală). În planul meridional, în medie, se pot urmări două sau trei celule de circulație meridională. În apropierea ecuatorului, aerul încălzit urcă și coboară în zonele subtropicale, formând o celulă Hadley. Aerul celulei Ferrell inversă coboară și el acolo. La latitudini mari, o celulă polară dreaptă este adesea vizibilă. Vitezele de circulație meridiane sunt de ordinul a 1 m/s sau mai puțin. Datorită forței Coriolis, în cea mai mare parte a atmosferei se observă vânturi de vest cu viteze în troposfera mijlocie de aproximativ 15 m/s. Există sisteme eoliene relativ stabile. Acestea includ alizee - vânturi care suflă din zonele de presiune înaltă din subtropicale către ecuator cu o componentă estică vizibilă (de la est la vest). Musonii sunt destul de stabili - curenți de aer care au un caracter sezonier clar definit: ei sufla din ocean către continent vara și în direcția opusă iarna. Musonii din Oceanul Indian sunt deosebit de regulați. La latitudinile mijlocii, mișcarea maselor de aer este în principal spre vest (de la vest la est). Aceasta este o zonă de fronturi atmosferice pe care apar vârtejuri mari - cicloni și anticicloni, care acoperă multe sute și chiar mii de kilometri. Ciclonii apar și la tropice; aici sunt diferite dimensiuni mai mici, dar cu viteze foarte mari ale vântului atingând forța uraganului (33 m/s sau mai mult), așa-numiții cicloni tropicali. În Oceanul Atlantic și estul Pacificului sunt numite uragane, iar în vestul Oceanului Pacific sunt numite taifunuri. În troposfera superioară și stratosfera inferioară, în zonele care separă celula de circulație meridională directă Hadley și celula Ferrell inversă, relativ înguste, cu lățime de sute de kilometri, se observă adesea fluxuri cu jet cu limite clar definite, în care vântul ajunge la 100-150. si chiar 200 m/ Cu.

Clima și vremea. Diferența în cantitatea de radiație solară care ajunge la diferite latitudini la o varietate de proprietăți fizice suprafața pământului, determină diversitatea climelor pământului. De la ecuator până la latitudinile tropicale, temperatura aerului de la suprafața pământului este în medie de 25-30°C și variază puțin pe parcursul anului. În centura ecuatorială, sunt de obicei multe precipitații, ceea ce creează condiții de exces de umiditate acolo. În zonele tropicale, precipitațiile scad și în unele zone devin foarte scăzute. Aici sunt vastele deșerturi ale Pământului.

În latitudinile subtropicale și mijlocii, temperatura aerului variază semnificativ pe parcursul anului, iar diferența dintre temperaturile de vară și cea de iarnă este deosebit de mare în zonele continentelor departe de oceane. Astfel, în unele zone ale Siberiei de Est, intervalul anual de temperatură a aerului ajunge la 65°C. Condițiile de umidificare la aceste latitudini sunt foarte diverse, depind în principal de regimul de circulație generală a atmosferei și variază semnificativ de la an la an.

În latitudinile polare, temperatura rămâne scăzută pe tot parcursul anului, chiar dacă există o variație sezonieră notabilă. Acest lucru contribuie la distribuția pe scară largă a stratului de gheață pe oceane și pe uscat și pe permafrost, care ocupă peste 65% din suprafața sa în Rusia, în principal în Siberia.

În ultimele decenii, schimbările au devenit din ce în ce mai vizibile climatul global. Temperaturile cresc mai mult la latitudini mari decât la latitudini joase; mai mult iarna decât vara; mai mult noaptea decât ziua. Pe parcursul secolului XX, temperatura medie anuală a aerului la suprafața pământului în Rusia a crescut cu 1,5-2°C, iar în anumite zone ale Siberiei s-a observat o creștere de câteva grade. Acest lucru este asociat cu o creștere a efectului de seră din cauza creșterii concentrației de urme de gaze.

Vremea este determinată de condițiile de circulație atmosferică și localizare geografică teren, este cel mai stabil la tropice și cel mai variabil la latitudini medii și înalte. Vremea se schimbă cel mai mult în zonele cu masele de aer în schimbare cauzate de trecerea fronturilor atmosferice, ciclonii și anticiclonii purtând precipitații și vântul sporit. Datele pentru prognoza meteo sunt colectate de la stațiile meteorologice de la sol, nave și aeronave și de la sateliții meteorologici. Vezi și Meteorologie.

Fenomene optice, acustice și electrice din atmosferă. Când radiațiile electromagnetice se propagă în atmosferă, ca urmare a refracției, absorbției și împrăștierii luminii prin aer și diferite particule (aerosoli, cristale de gheață, picături de apă), apar diverse fenomene optice: curcubee, coroane, halouri, miraj etc. împrăștierea luminii determină înălțimea aparentă a bolții cerului și culoarea albastră a cerului. Gama de vizibilitate a obiectelor este determinată de condițiile de propagare a luminii în atmosferă (vezi Vizibilitatea atmosferică). Transparența atmosferei la diferite lungimi de undă determină domeniul de comunicare și capacitatea de a detecta obiecte cu instrumente, inclusiv posibilitatea de observații astronomice de la suprafața Pământului. Pentru studiile neomogenităților optice ale stratosferei și mezosferei, fenomenul crepuscular joacă un rol important. De exemplu, fotografierea amurgului cu nava spatiala permite detectarea straturilor de aerosoli. Caracteristicile propagării radiațiilor electromagnetice în atmosferă determină acuratețea metodelor de teledetecție a parametrilor săi. Toate aceste întrebări, precum și multe altele, sunt studiate de optica atmosferică. Refracția și împrăștierea undelor radio determină posibilitățile de recepție radio (vezi Propagarea undelor radio).

Propagarea sunetului în atmosferă depinde de distribuția spațială a temperaturii și de viteza vântului (vezi Acustica atmosferică). Este de interes pentru detectarea atmosferei prin metode de la distanță. Exploziile de încărcături lansate de rachete în atmosfera superioară au oferit informații bogate despre sistemele eoliene și variațiile de temperatură din stratosferă și mezosferă. Într-o atmosferă stabil stratificată, când temperatura scade cu înălțimea mai lent decât gradientul adiabatic (9,8 K/km), apar așa-numitele unde interne. Aceste valuri se pot propaga în sus în stratosferă și chiar în mezosferă, unde se atenuează, contribuind la creșterea vântului și a turbulențelor.

Sarcina negativă a Pământului și câmpul electric rezultat, atmosfera, împreună cu ionosfera și magnetosfera încărcate electric, creează o globală circuit electric. Formarea norilor și a electricității furtunii joacă un rol important în acest sens. Pericolul descărcărilor de trăsnet a impus dezvoltarea unor metode de protecție împotriva trăsnetului pentru clădiri, structuri, linii electrice și comunicații. Acest fenomen prezintă un pericol deosebit pentru aviație. Descărcările fulgerelor provoacă interferențe radio atmosferice, numite atmosfere (vezi Fluierul atmosferei). În timpul crestere brusca intensitatea câmpului electric, descărcări luminoase care apar pe vârfuri și colțuri ascuțite obiecte proeminente deasupra suprafeței pământului, pe vârfuri individuale din munți etc. (lumini Elma). Atmosfera conține întotdeauna o cantitate foarte variabilă de ioni ușori și grei, în funcție de condițiile specifice, care le determină conductivitate electrică atmosferă. Principalii ionizatori ai aerului de lângă suprafața pământului sunt radiațiile substanțelor radioactive conținute în scoarta terestrași în atmosferă, precum și razele cosmice. Vezi și Electricitate atmosferică.

Influența omului asupra atmosferei.În ultimele secole, s-a înregistrat o creștere a concentrației de gaze cu efect de seră în atmosferă din cauza activităților economice umane. Procentul de dioxid de carbon a crescut de la 2,8-10 2 acum două sute de ani la 3,8-10 2 în 2005, conținutul de metan - de la 0,7-10 1 cu aproximativ 300-400 de ani în urmă la 1,8-10 -4 la începutul secolului 21. secol; aproximativ 20% din creșterea efectului de seră în ultimul secol a provenit de la freoni, care au fost practic absenți în atmosferă până la mijlocul secolului al XX-lea. Aceste substanțe sunt recunoscute ca distrugătoare de ozon stratosferic, iar producția lor este interzisă de Protocolul de la Montreal din 1987. Creșterea concentrației de dioxid de carbon din atmosferă este cauzată de arderea cantităților din ce în ce mai mari de cărbune, petrol, gaz și alte tipuri de combustibili de carbon, precum și defrișarea pădurilor, ceea ce are ca rezultat o scădere a absorbției. de dioxid de carbon prin fotosinteză. Concentrația de metan crește odată cu creșterea producției de petrol și gaze (datorită pierderilor acesteia), precum și odată cu extinderea culturilor de orez și cu creșterea numărului de vite. Toate acestea contribuie la încălzirea climei.

Pentru a schimba vremea, au fost dezvoltate metode care să influențeze activ procesele atmosferice. Ele sunt folosite pentru a proteja plantele agricole de grindină prin dispersarea de reactivi speciali în nori de tunet. Există, de asemenea, metode de împrăștiere a ceții în aeroporturi, de protejare a plantelor de îngheț, de influențare a norilor pentru a crește precipitațiile în zonele dorite sau de dispersarea norilor în timpul evenimentelor publice.

Studiul atmosferei. Informațiile despre procesele fizice din atmosferă sunt obținute în primul rând din observațiile meteorologice, care sunt efectuate de o rețea globală de stații și posturi meteorologice care funcționează permanent, situate pe toate continentele și pe multe insule. Observațiile zilnice oferă informații despre temperatura și umiditatea aerului, presiunea atmosferică și precipitații, înnorare, vânt etc. Observațiile radiației solare și transformările acesteia se efectuează la stațiile actinometrice. De mare importanță pentru studiul atmosferei sunt rețelele de stații aerologice la care sunt folosite radiosonde pentru a efectua măsurători meteorologice până la o altitudine de 30-35 km. La o serie de stații se efectuează observații ale ozonului atmosferic, fenomenelor electrice din atmosferă și compoziția chimică a aerului.

Datele de la stațiile terestre sunt completate de observații asupra oceanelor, unde operează „nave meteorologice”, situate constant în anumite zone ale Oceanului Mondial, precum și informații meteorologice primite din cercetare și alte nave.

În ultimele decenii, o cantitate din ce în ce mai mare de informații despre atmosferă a fost obținută cu ajutorul sateliților meteorologici, care poartă instrumente pentru fotografiarea norilor și măsurarea fluxurilor de radiații ultraviolete, infraroșii și cu microunde de la Soare. Sateliții fac posibilă obținerea de informații despre profilele verticale ale temperaturii, înnorații și aprovizionarea cu apă, elemente balanța radiațiilor atmosferă, temperatura suprafeței oceanului etc. Utilizând măsurători ale refracției semnalelor radio de la un sistem de sateliți de navigație, este posibil să se determine profile verticale de densitate, presiune și temperatură, precum și conținutul de umiditate din atmosferă. Cu ajutorul sateliților, a devenit posibil să se clarifice valoarea constantei solare și albedo planetar al Pământului, să se construiască hărți ale balanței radiațiilor sistemului Pământ-atmosfera, să se măsoare conținutul și variabilitatea poluanților atmosferici mici și să se rezolve multe alte probleme de fizică atmosferică și monitorizarea mediului.

Lit.: Budyko M.I. Clima în trecut și viitor. L., 1980; Matveev L. T. Curs de meteorologie generală. Fizica atmosferei. a 2-a ed. L., 1984; Budyko M.I., Ronov A.B., Yanshin A.L. Istoria atmosferei. L., 1985; Khrgian A. Kh. Fizica atmosferei. M., 1986; Atmosferă: Director. L., 1991; Khromov S.P., Petrosyants M.A. Meteorologie și climatologie. a 5-a ed. M., 2001.

G. S. Golitsyn, N. A. Zaitseva.

Limita sa superioară se află la o altitudine de 8-10 km în latitudini polare, 10-12 km în latitudinile temperate și 16-18 km în latitudini tropicale; mai scăzut iarna decât vara. Stratul inferior, principal al atmosferei. Conține mai mult de 80% din masa totală a aerului atmosferic și aproximativ 90% din toți vaporii de apă prezenți în atmosferă. Turbulența și convecția sunt foarte dezvoltate în troposferă, apar norii și se dezvoltă cicloni și anticicloni. Temperatura scade odată cu creșterea altitudinii cu un gradient vertical mediu de 0,65°/100 m

Următoarele sunt acceptate ca „condiții normale” la suprafața Pământului: densitate 1,2 kg/m3, presiune barometrică 101,35 kPa, temperatură plus 20 °C și umiditate relativă 50%. Acești indicatori condiționali au o semnificație pur inginerească.

Stratosferă

Un strat al atmosferei situat la o altitudine de 11 până la 50 km. Caracterizat printr-o ușoară modificare a temperaturii în stratul de 11-25 km (stratul inferior al stratosferei) și o creștere a temperaturii în stratul de 25-40 km de la −56,5 la 0,8 ° (stratul superior al stratosferei sau regiunea de inversare). Atinsă o valoare de aproximativ 273 K (aproape 0 ° C) la o altitudine de aproximativ 40 km, temperatura rămâne constantă până la o altitudine de aproximativ 55 km. Această regiune cu temperatură constantă se numește stratopauză și este granița dintre stratosferă și mezosferă.

Stratopauza

Stratul limită al atmosferei dintre stratosferă și mezosferă. În distribuția verticală a temperaturii există un maxim (aproximativ 0 °C).

Mezosfera

Mezopauza

Strat de tranziție între mezosferă și termosferă. Există un minim în distribuția verticală a temperaturii (aproximativ -90°C).

Linia Karman

Înălțimea deasupra nivelului mării, care este convențional acceptată ca graniță între atmosfera Pământului și spațiu.

Termosferă

Limita superioară este de aproximativ 800 km. Temperatura se ridică la altitudini de 200-300 km, unde atinge valori de ordinul a 1500 K, după care rămâne aproape constantă până la altitudini mari. Sub influența radiației solare ultraviolete și razelor X și a radiației cosmice, are loc ionizarea aerului („aurore”) - principalele regiuni ale ionosferei se află în interiorul termosferei. La altitudini de peste 300 km predomină oxigenul atomic.

Exosfera (sfera de împrăștiere)

Până la o altitudine de 100 km, atmosfera este un amestec omogen, bine amestecat de gaze. În straturile superioare, distribuția gazelor în funcție de înălțime depinde de greutățile moleculare ale acestora, concentrația de gaze mai grele scade mai repede cu distanța de la suprafața Pământului. Datorită scăderii densității gazelor, temperatura scade de la 0 °C în stratosferă la -110 °C în mezosferă. Cu toate acestea, energia cinetică a particulelor individuale la altitudini de 200-250 km corespunde unei temperaturi de ~1500°C. Peste 200 km se observă fluctuații semnificative ale temperaturii și densității gazelor în timp și spațiu.

La o altitudine de aproximativ 2000-3000 km, exosfera se transformă treptat în așa-numita în apropierea vidului spațial, care este umplut cu particule foarte rarefiate de gaz interplanetar, în principal atomi de hidrogen. Dar acest gaz reprezintă doar o parte din materia interplanetară. Cealaltă parte este formată din particule de praf de origine cometă și meteorică. Pe lângă particulele de praf extrem de rarefiate, în acest spațiu pătrunde radiațiile electromagnetice și corpusculare de origine solară și galactică.

Troposfera reprezintă aproximativ 80% din masa atmosferei, stratosfera - aproximativ 20%; masa mezosferei nu este mai mare de 0,3%, termosfera este mai mică de 0,05% din masa totală a atmosferei. Pe baza proprietăților electrice din atmosferă, se disting neutronosfera și ionosfera. În prezent se crede că atmosfera se extinde până la o altitudine de 2000-3000 km.

În funcție de compoziția gazului din atmosferă, ele emit homosferăŞi heterosferă. Heterosferă- Aceasta este zona în care gravitația afectează separarea gazelor, deoarece amestecul lor la o astfel de altitudine este neglijabil. Aceasta implică o compoziție variabilă a heterosferei. Sub ea se află o parte bine amestecată, omogenă a atmosferei, numită homosferă. Limita dintre aceste straturi se numește turbopauză, se află la o altitudine de aproximativ 120 km.

Proprietăți fizice

Grosimea atmosferei este de aproximativ 2000 - 3000 km de suprafața Pământului. Masa totală de aer este (5,1-5,3)?10 18 kg. Masa molară a aerului curat uscat este 28,966. Presiune la 0 °C la nivelul mării 101,325 kPa; temperatura critică -140,7 °C; presiune critica 3,7 MPa; C p 1,0048?10? J/(kg K)(la 0 °C), C v 0,7159 10? J/(kg K) (la 0 °C). Solubilitatea aerului în apă la 0°C este de 0,036%, la 25°C - 0,22%.

Proprietăți fiziologice și alte proprietăți ale atmosferei

Deja la o altitudine de 5 km deasupra nivelului mării, o persoană neantrenată începe să se confrunte cu înfometarea de oxigen și, fără adaptare, performanța unei persoane este redusă semnificativ. Zona fiziologică a atmosferei se termină aici. Respirația omului devine imposibilă la o altitudine de 15 km, deși până la aproximativ 115 km atmosfera conține oxigen.

Atmosfera ne furnizează oxigenul necesar pentru a respira. Cu toate acestea, din cauza scăderii presiunii totale a atmosferei, pe măsură ce vă ridicați la altitudine, presiunea parțială a oxigenului scade în mod corespunzător.

Plămânii umani conțin în mod constant aproximativ 3 litri de aer alveolar. Presiunea parțială a oxigenului în aerul alveolar la presiunea atmosferică normală este de 110 mmHg. Art., presiunea dioxidului de carbon - 40 mm Hg. Art., si vapori de apa - 47 mm Hg. Artă. Odată cu creșterea altitudinii, presiunea oxigenului scade, iar presiunea totală a vaporilor de apă și dioxid de carbon din plămâni rămâne aproape constantă - aproximativ 87 mm Hg. Artă. Furnizarea de oxigen a plămânilor se va opri complet atunci când presiunea aerului ambiant devine egală cu această valoare.

La o altitudine de aproximativ 19-20 km, presiunea atmosferică scade la 47 mm Hg. Artă. Prin urmare, la această altitudine, apa și lichidul interstițial încep să fiarbă în corpul uman. În afara cabinei presurizate la aceste altitudini, moartea are loc aproape instantaneu. Astfel, din punctul de vedere al fiziologiei umane, „spațiul” începe deja la o altitudine de 15-19 km.

Straturile dense de aer - troposfera și stratosfera - ne protejează de efectele dăunătoare ale radiațiilor. Cu suficientă rarefiere a aerului, la altitudini mai mari de 36 km, radiațiile ionizante - razele cosmice primare - au un efect intens asupra organismului; La altitudini de peste 40 km, partea ultravioletă a spectrului solar este periculoasă pentru oameni.

Pe măsură ce ne ridicăm la o înălțime din ce în ce mai mare deasupra suprafeței Pământului, fenomene cunoscute observate în straturile inferioare ale atmosferei, cum ar fi propagarea sunetului, apariția ridicării și rezistenței aerodinamice, transferul de căldură prin convecție etc., slăbesc treptat și apoi dispar complet. .

În straturile rarefiate de aer, propagarea sunetului este imposibilă. Până la altitudini de 60-90 km, este încă posibilă utilizarea rezistenței aerului și a portanței pentru zborul aerodinamic controlat. Însă pornind de la altitudini de 100-130 km, conceptele de număr M și de barieră a sunetului, familiare fiecărui pilot, își pierd sensul acolo trece Linia Karman convențională, dincolo de care începe sfera zborului pur balistic, care nu poate decât; controlată cu ajutorul forțelor reactive.

La altitudini de peste 100 km, atmosfera este lipsită de o altă proprietate remarcabilă - capacitatea de a absorbi, conduce și transmite energie termică prin convecție (adică prin amestecarea aerului). Aceasta înseamnă că diverse elemente ale echipamentelor de pe stația spațială orbitală nu vor putea fi răcite din exterior în același mod cum se face de obicei pe un avion - cu ajutorul jeturilor de aer și radiatoarelor de aer. La această altitudine, ca și în spațiu în general, singura modalitate de a transfera căldură este radiația termică.

Compoziția atmosferică

Atmosfera Pământului este formată în principal din gaze și diverse impurități (praf, picături de apă, cristale de gheață, săruri de mare, produse de ardere).

Concentrația gazelor care formează atmosfera este aproape constantă, cu excepția apei (H 2 O) și a dioxidului de carbon (CO 2).

Compoziția aerului uscat

Gaz	Conţinut în volum,%	Conţinut în greutate,%
Azot	78,084	75,50
Oxigen	20,946	23,10
Argon	0,932	1,286
Apă	0,5-4	-
dioxid de carbon	0,032	0,046
Neon	1,818×10 −3	1,3×10 −3
Heliu	4,6×10 −4	7,2×10 −5
Metan	1,7×10 −4	-
Krypton	1,14×10 −4	2,9×10 −4
Hidrogen	5×10 −5	7,6×10 −5
Xenon	8,7×10 −6	-
Protoxid de azot	5×10 −5	7,7×10 −5

Pe lângă gazele indicate în tabel, atmosfera conține SO 2, NH 3, CO, ozon, hidrocarburi, HCl, vapori, I 2, precum și multe alte gaze în cantități mici. Troposfera conține în mod constant o cantitate mare de particule solide și lichide în suspensie (aerosoli).

Istoria formării atmosferice

Conform celei mai comune teorii, atmosfera Pământului a avut patru compoziții diferite de-a lungul timpului. Inițial, a constat din gaze ușoare (hidrogen și heliu) captate din spațiul interplanetar. Acesta este așa-numitul atmosfera primara(acum aproximativ patru miliarde de ani). În etapa următoare, activitatea vulcanică activă a dus la saturarea atmosferei cu alte gaze decât hidrogenul (dioxid de carbon, amoniac, vapori de apă). Așa s-a format atmosfera secundara(aproximativ trei miliarde de ani înainte de ziua de azi). Această atmosferă era reconfortantă. În plus, procesul de formare a atmosferei a fost determinat de următorii factori:

• scurgerea gazelor ușoare (hidrogen și heliu) în spațiul interplanetar;
• reacții chimice care apar în atmosferă sub influența radiațiilor ultraviolete, a descărcărilor de fulgere și a altor factori.

Treptat, acești factori au dus la formare atmosfera tertiara, caracterizată printr-un conținut mult mai scăzut de hidrogen și un conținut mult mai mare de azot și dioxid de carbon (format ca urmare a reacțiilor chimice din amoniac și hidrocarburi).

Azot

Formarea unei cantități mari de N 2 se datorează oxidării atmosferei de amoniac-hidrogen de către O 2 molecular, care a început să iasă de la suprafața planetei ca urmare a fotosintezei, începând cu 3 miliarde de ani. N2 este, de asemenea, eliberat în atmosferă ca urmare a denitrificării nitraților și a altor compuși care conțin azot. Azotul este oxidat de ozon la NO în atmosfera superioară.

Azotul N 2 reacționează numai în condiții specifice (de exemplu, în timpul descărcării unui fulger). Oxidarea azotului molecular de către ozon în timpul descărcărilor electrice este utilizată în producția industrială de îngrășăminte cu azot. Cianobacteriile (alge albastru-verzi) și bacteriile nodulare care formează simbioză rizobială cu plantele leguminoase, așa-numitele, o pot oxida cu un consum redus de energie și o pot transforma într-o formă biologic activă. gunoi de grajd verde.

Oxigen

Compoziția atmosferei a început să se schimbe radical odată cu apariția organismelor vii pe Pământ, ca urmare a fotosintezei, însoțită de eliberarea de oxigen și absorbția de dioxid de carbon. Inițial, oxigenul a fost cheltuit pentru oxidarea compușilor reduși - amoniac, hidrocarburi, formă feroasă de fier conținută în oceane etc. La sfârșitul acestei etape, conținutul de oxigen din atmosferă a început să crească. Treptat, s-a format o atmosferă modernă cu proprietăți oxidante. Deoarece a provocat schimbări majore și abrupte în multe procese care au loc în atmosferă, litosferă și biosferă, evenimentul a fost numit dezastrul oxigenului.

dioxid de carbon

Conținutul de CO 2 din atmosferă depinde de activitatea vulcanică și de procesele chimice din învelișul pământului, dar mai ales - de intensitatea biosintezei și descompunerii materiei organice din biosfera Pământului. Aproape întreaga biomasă actuală a planetei (aproximativ 2,4 × 10 12 tone) se formează din cauza dioxidului de carbon, azotului și vaporilor de apă conținute în aerul atmosferic. Organele îngropate în ocean, mlaștini și păduri se transformă în cărbune, petrol și gaze naturale. (vezi ciclul geochimic al carbonului)

Gaze nobile

Poluarea aerului

Recent, oamenii au început să influențeze evoluția atmosferei. Rezultatul activităților sale a fost o creștere constantă semnificativă a conținutului de dioxid de carbon din atmosferă, datorită arderii combustibililor hidrocarburi acumulați în erele geologice anterioare. Cantități uriașe de CO 2 sunt consumate în timpul fotosintezei și absorbite de oceanele lumii. Acest gaz pătrunde în atmosferă datorită descompunerii rocilor carbonatice și a substanțelor organice de origine vegetală și animală, precum și datorită vulcanismului și activității industriale umane. În ultimii 100 de ani, conținutul de CO 2 din atmosferă a crescut cu 10%, cea mai mare parte (360 de miliarde de tone) provenind din arderea combustibilului. Dacă ritmul de creștere a arderii combustibilului continuă, atunci în următorii 50-60 de ani cantitatea de CO 2 din atmosferă se va dubla și ar putea duce la schimbări climatice globale.

Arderea combustibilului este principala sursă de gaze poluante (CO, SO2). Dioxidul de sulf este oxidat de oxigenul atmosferic la SO 3 în straturile superioare ale atmosferei, care la rândul său interacționează cu apa și vaporii de amoniac și acidul sulfuric (H 2 SO 4 ) și sulfatul de amoniu ((NH 4 ) 2 SO 4 rezultați. ) sunt returnate la suprafața Pământului sub forma așa-numitelor. ploaie acidă. Utilizarea motoarelor cu ardere internă conduce la o poluare semnificativă a atmosferei cu oxizi de azot, hidrocarburi și compuși de plumb (tetraetil plumb Pb(CH 3 CH 2) 4)).

Poluarea cu aerosoli a atmosferei este cauzată atât de cauze naturale (erupții vulcanice, furtuni de praf, antrenare de picături de apă de mare și polen de plante etc.), cât și activități economice umane (exploatarea minereurilor și materialelor de construcție, arderea combustibilului, fabricarea cimentului etc.). ). Eliberarea intensă la scară largă de particule în atmosferă este una dintre posibilele cauze ale schimbărilor climatice de pe planetă.

Literatură

1. V. V. Parin, F. P. Kosmolinsky, B. A. Dushkov „Biologie și medicină spațială” (ediția a II-a, revizuită și extinsă), M.: „Prosveshchenie”, 1975, 223 p.
2. N. V. Gusakova „Chimia mediului”, Rostov-pe-Don: Phoenix, 2004, 192 cu ISBN 5-222-05386-5
3. Sokolov V. A.. Geochimia gazelor naturale, M., 1971;
4. McEwen M., Phillips L.. Atmospheric Chemistry, M., 1978;
5. Wark K., Warner S., Poluarea aerului. Surse și control, trad. din engleză, M.. 1980;
6. Monitorizarea poluării de fond a mediilor naturale. V. 1, L., 1982.

Vezi de asemenea

Legături

Atmosfera Pământului