La atmósfera terrestre es heterogénea: se observan diferentes densidades y presiones del aire a diferentes alturas, la temperatura y la composición de los gases cambian. En función del comportamiento de la temperatura ambiente (es decir, la temperatura aumenta con la altura o disminuye), se distinguen en ella las siguientes capas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera. Los límites entre las capas se llaman pausas: hay 4 de ellos, porque. el límite superior de la exosfera es muy borroso y con frecuencia se refiere al espacio cercano. DESDE estructura general La atmósfera se puede encontrar en el diagrama adjunto.

Fig.1 La estructura de la atmósfera terrestre. Crédito: sitio web

La capa atmosférica más baja es la troposfera, cuyo límite superior, llamado tropopausa, depende de latitud geográfica varía y oscila entre 8 km. en polar hasta 20 km. en latitudes tropicales. En latitudes medias o templadas, su límite superior se encuentra en altitudes de 10-12 Km. Durante el año, el límite superior de la troposfera experimenta fluctuaciones dependiendo de la afluencia radiación solar. Así, como resultado del sondeo Polo Sur El servicio meteorológico de los EE. UU. encontró que de marzo a agosto o septiembre hay un enfriamiento constante de la troposfera, como resultado de lo cual durante un breve período en agosto o septiembre su límite se eleva a 11,5 km. Luego, entre septiembre y diciembre, desciende rápidamente y alcanza su posición más baja, 7,5 km, después de lo cual su altura permanece prácticamente sin cambios hasta marzo. Esos. La troposfera es más espesa en verano y más delgada en invierno.

Cabe señalar que además de las variaciones estacionales, también existen fluctuaciones diarias en la altura de la tropopausa. Además, su posición está influenciada por ciclones y anticiclones: en el primero, desciende, porque. la presión en ellos es más baja que en el aire circundante y, en segundo lugar, aumenta en consecuencia.

La troposfera contiene hasta el 90% de la masa total del aire de la tierra y 9/10 de todo el vapor de agua. La turbulencia está muy desarrollada aquí, especialmente en las capas cercanas a la superficie y más altas, se desarrollan nubes de todos los niveles, se forman ciclones y anticiclones. Y debido a la acumulación de gases de efecto invernadero (dióxido de carbono, metano, vapor de agua) reflejados desde la superficie de la Tierra rayos de sol se desarrolla el efecto invernadero.

El efecto invernadero está asociado con una disminución de la temperatura del aire en la troposfera con la altura (porque la Tierra se calienta más calor da a las capas superficiales). La pendiente vertical media es de 0,65°/100 m (es decir, la temperatura del aire desciende 0,65° C por cada 100 metros de subida). Entonces, si en la superficie de la Tierra cerca del ecuador, la temperatura promedio anual del aire es de + 26 °, entonces, en el límite superior, -70 °. La temperatura en la región de la tropopausa sobre el Polo Norte varía a lo largo del año de -45° en verano a -65° en invierno.

A medida que aumenta la altitud, la presión del aire también disminuye, alcanzando solo el 12-20% del nivel cercano a la superficie cerca de la troposfera superior.

En el borde de la troposfera y la capa suprayacente de la estratosfera se encuentra la capa de tropopausa, de 1 a 2 km de espesor. La capa de aire en la que el gradiente vertical disminuye a 0,2°/100 m frente a 0,65°/100 m en las regiones subyacentes de la troposfera suele tomarse como los límites inferiores de la tropopausa.

Dentro de la tropopausa se observan corrientes de aire de dirección estrictamente definida, denominadas corrientes en chorro de gran altitud o "jet streams", formadas bajo la influencia de la rotación de la Tierra alrededor de su eje y el calentamiento de la atmósfera con la participación de la radiación solar. Las corrientes se observan en los límites de las zonas con diferencias de temperatura significativas. Hay varios centros de localización de estas corrientes, por ejemplo, ártico, subtropical, subpolar y otros. Conocer la ubicación de las corrientes en chorro es muy importante para la meteorología y la aviación: la primera utiliza las corrientes para obtener pronósticos meteorológicos más precisos, la segunda para construir rutas de vuelo de aeronaves, porque En los límites de flujo hay fuertes remolinos turbulentos, similares a pequeños remolinos, llamados "turbulencia de cielo despejado" debido a la ausencia de nubes a estas alturas.

Bajo la influencia de las corrientes en chorro a gran altura, a menudo se forman rupturas en la tropopausa y, a veces, desaparece por completo, aunque luego se forma de nuevo. Esto se observa con especial frecuencia en latitudes subtropicales en las que domina una poderosa corriente subtropical de gran altitud. Además, la diferencia en las capas de la tropopausa en términos de temperatura del aire ambiente conduce a la formación de roturas. Por ejemplo, existe una gran brecha entre la tropopausa polar cálida y baja y la tropopausa alta y fría de las latitudes tropicales. Recientemente también se ha distinguido una capa de la tropopausa de latitudes templadas, que ha roto con las dos capas anteriores: polar y tropical.

La segunda capa de la atmósfera terrestre es la estratosfera. La estratosfera se puede dividir condicionalmente en 2 regiones. El primero de ellos, situado a una altura de 25 km, se caracteriza por temperaturas casi constantes, que son iguales a las temperaturas capas superiores troposfera sobre un área en particular. La segunda región, o región de inversión, se caracteriza por un aumento de la temperatura del aire hasta altitudes de unos 40 km. Esto se debe a la absorción de la radiación ultravioleta solar por parte del oxígeno y el ozono. En la parte superior de la estratosfera, debido a este calentamiento, la temperatura suele ser positiva o incluso comparable a la temperatura del aire en la superficie.

Por encima de la región de inversión hay una capa de temperaturas constantes, que se llama estratopausa y es el límite entre la estratosfera y la mesosfera. Su espesor alcanza los 15 km.

A diferencia de la troposfera, las perturbaciones turbulentas son raras en la estratosfera, pero se observan fuertes vientos horizontales o corrientes en chorro que soplan en zonas estrechas a lo largo de los límites de las latitudes templadas frente a los polos. La posición de estas zonas no es constante: pueden cambiar, expandirse o incluso desaparecer por completo. A menudo, las corrientes en chorro penetran en las capas superiores de la troposfera, o viceversa, las masas de aire de la troposfera penetran en las capas inferiores de la estratosfera. Esta mezcla de masas de aire en áreas de frentes atmosféricos es especialmente característica.

Poco en la estratosfera y vapor de agua. El aire aquí es muy seco y, por lo tanto, hay pocas nubes. Solo a altitudes de 20-25 km, en latitudes altas, se pueden notar nubes de nácar muy delgadas, que consisten en gotas de agua superenfriadas. Durante el día, estas nubes no son visibles, pero con el inicio de la oscuridad, parecen brillar debido a su iluminación por el Sol que ya se ha puesto por debajo del horizonte.

A las mismas alturas (20-25 km.) en la estratosfera inferior se encuentra la llamada capa de ozono, el área con el mayor contenido de ozono, que se forma bajo la influencia de la radiación solar ultravioleta (puede obtener más información sobre este proceso en la pagina). La capa de ozono u ozonosfera es esencial para mantener la vida de todos los organismos que viven en la tierra al absorber los rayos ultravioleta mortales de hasta 290 nm. Es por esta razón que los organismos vivos no viven por encima de la capa de ozono, es el límite superior de propagación de la vida en la Tierra.

Bajo la influencia del ozono, los campos magnéticos también cambian, los átomos rompen las moléculas, se produce la ionización, la nueva formación de gases y otros compuestos químicos.

La capa de la atmósfera por encima de la estratosfera se llama mesosfera. Se caracteriza por una disminución de la temperatura del aire con la altura con un gradiente vertical medio de 0,25-0,3°/100 m, lo que provoca fuertes turbulencias. En los límites superiores de la mesosfera en el área llamada mesopausa, se observaron temperaturas de hasta -138 ° C, que es el mínimo absoluto para toda la atmósfera de la Tierra en su conjunto.

Aquí, dentro de la mesopausa, pasa el límite inferior de la región de absorción activa de rayos X y radiación ultravioleta de longitud de onda corta del Sol. Este proceso de energía se llama transferencia de calor radiante. Como resultado, el gas se calienta y se ioniza, lo que provoca el resplandor de la atmósfera.

A altitudes de 75 a 90 km cerca de los límites superiores de la mesosfera, se observaron nubes especiales que ocupaban vastas áreas en las regiones polares del planeta. Estas nubes se llaman plateadas por su brillo al anochecer, que se debe al reflejo de la luz solar en los cristales de hielo que las componen.

La presión del aire dentro de la mesopausia es 200 veces menor que en la superficie terrestre. Esto sugiere que casi todo el aire de la atmósfera se concentra en sus 3 capas inferiores: la troposfera, la estratosfera y la mesosfera. Las capas superiores de la termosfera y la exosfera representan solo el 0,05% de la masa de toda la atmósfera.

La termosfera se encuentra a altitudes de 90 a 800 km sobre la superficie de la Tierra.

La termosfera se caracteriza por un aumento continuo de la temperatura del aire hasta altitudes de 200-300 km, donde puede alcanzar los 2500°C. El aumento de temperatura se produce debido a la absorción por parte de las moléculas de gas de los rayos X y parte de onda corta de la radiación ultravioleta del Sol. Por encima de los 300 km sobre el nivel del mar, el aumento de temperatura se detiene.

Al mismo tiempo que aumenta la temperatura, disminuye la presión y, en consecuencia, la densidad del aire circundante. Entonces, si en los límites inferiores de la termosfera la densidad es de 1,8 × 10 -8 g / cm 3, entonces en la parte superior ya es de 1,8 × 10 -15 g / cm 3, lo que corresponde aproximadamente a 10 millones - 1 billón de partículas en 1 cm 3 .

Todas las características de la termosfera, como la composición del aire, su temperatura, densidad, están sujetas a fuertes fluctuaciones: según la ubicación geográfica, la estación del año y la hora del día. Incluso la ubicación del límite superior de la termosfera está cambiando.

La capa superior de la atmósfera se llama exosfera o capa de dispersión. Su límite inferior cambia constantemente dentro de límites muy amplios; se tomó como valor medio la altura de 690-800 km. Se establece donde la probabilidad de colisiones intermoleculares o interatómicas puede despreciarse, es decir la distancia media que recorrerá una molécula que se mueve aleatoriamente antes de chocar con otra molécula similar (el llamado camino libre) será tan grande que, de hecho, las moléculas no chocarán con una probabilidad cercana a cero. La capa donde tiene lugar el fenómeno descrito se denomina termopausa.

El límite superior de la exosfera se encuentra a altitudes de 2-3 mil km. Está fuertemente borroso y pasa gradualmente al vacío del espacio cercano. A veces, por esta razón, la exosfera se considera parte del espacio exterior, y su límite superior se toma como una altura de 190 mil km, en la que el efecto de la presión de la radiación solar sobre la velocidad de los átomos de hidrógeno supera la atracción gravitacional de la tierra. Este es el llamado. la corona de la tierra, que está formada por átomos de hidrógeno. La densidad de la corona terrestre es muy baja: solo 1000 partículas por centímetro cúbico, pero incluso este número es más de 10 veces mayor que la concentración de partículas en el espacio interplanetario.

Debido al aire extremadamente enrarecido de la exosfera, las partículas se mueven alrededor de la Tierra en órbitas elípticas sin chocar entre sí. Algunos de ellos, moviéndose a lo largo de trayectorias abiertas o hiperbólicas con velocidades cósmicas (átomos de hidrógeno y helio), abandonan la atmósfera y van al espacio exterior, por lo que la exosfera se llama esfera de dispersión.

ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA

Atmósfera(del otro griego ἀτμός - vapor y σφαῖρα - bola) - una capa gaseosa (geosfera) que rodea el planeta Tierra. Su superficie interior cubre la hidrosfera y parcialmente la corteza terrestre, el exterior limita con la parte cercana a la Tierra del espacio exterior.

Propiedades físicas

El espesor de la atmósfera está a unos 120 km de la superficie de la Tierra. La masa total de aire en la atmósfera es (5.1-5.3) 10 18 kg. De estos, la masa de aire seco es (5.1352 ± 0.0003) 10 18 kg, la masa total de vapor de agua es en promedio 1.27 10 16 kg.

La masa molar del aire limpio y seco es de 28,966 g/mol, la densidad del aire en la superficie del mar es de aproximadamente 1,2 kg/m 3 . La presión a 0 °C al nivel del mar es de 101,325 kPa; temperatura crítica - -140,7 ° C; presión crítica - 3,7 MPa; Cp a 0 °C - 1,0048 10 3 J/(kg K), Cv - 0,7159 10 3 J/(kg K) (a 0 °C). La solubilidad del aire en agua (en masa) a 0 ° C - 0,0036%, a 25 ° C - 0,0023%.

Para “condiciones normales” en la superficie terrestre se toman: densidad 1,2 kg/m 3 , presión barométrica 101,35 kPa, temperatura más 20°C y humedad relativa 50%. Estos indicadores condicionales tienen un valor puramente de ingeniería.

La estructura de la atmósfera.

La atmósfera tiene una estructura en capas. Las capas de la atmósfera difieren entre sí en la temperatura del aire, su densidad, la cantidad de vapor de agua en el aire y otras propiedades.

Troposfera(griego antiguo τρόπος - "giro", "cambio" y σφαῖρα - "bola") - la capa más baja y más estudiada de la atmósfera, de 8 a 10 km de altura en las regiones polares, hasta 10 a 12 km en latitudes templadas, en el ecuador - 16-18 km.

Al ascender en la troposfera, la temperatura desciende una media de 0,65 K cada 100 my alcanza los 180-220 K en la parte superior. Esta capa superior de la troposfera, en la que se detiene el descenso de la temperatura con la altura, se denomina tropopausa. La siguiente capa de la atmósfera por encima de la troposfera se llama estratosfera.

Más del 80% de la masa total del aire atmosférico se concentra en la troposfera, la turbulencia y la convección están muy desarrolladas, la parte predominante del vapor de agua se concentra, se forman nubes, también se forman frentes atmosféricos, se desarrollan ciclones y anticiclones, así como otros procesos que determinan el tiempo y el clima. Los procesos que ocurren en la troposfera se deben principalmente a la convección.

La parte de la troposfera dentro de la cual se pueden formar glaciares en la superficie terrestre se llama quionosfera.

tropopausa(del griego τροπος - giro, cambio y παῦσις - parada, cesación) - la capa de la atmósfera en la que se detiene la disminución de la temperatura con la altura; capa de transición de la troposfera a la estratosfera. En la atmósfera terrestre, la tropopausa se encuentra en altitudes de 8-12 km (sobre el nivel del mar) en las regiones polares y hasta 16-18 km sobre el ecuador. La altura de la tropopausa también depende de la época del año (la tropopausa es más alta en verano que en invierno) y de la actividad ciclónica (es más baja en ciclones y más alta en anticiclones)

El espesor de la tropopausa varía desde varios cientos de metros hasta 2-3 kilómetros. En los subtrópicos, se observan rupturas de la tropopausa debido a poderosas corrientes en chorro. La tropopausa sobre ciertas áreas a menudo se destruye y se vuelve a formar.

Estratosfera(del latín estrato - piso, capa) - una capa de la atmósfera, ubicada a una altitud de 11 a 50 km. Son típicos un ligero cambio de temperatura en la capa de 11-25 km (la capa inferior de la estratosfera) y su aumento en la capa de 25-40 km de -56,5 a 0,8 °C (la capa superior de la estratosfera o región de inversión). Habiendo alcanzado un valor de unos 273 K (casi 0 °C) a una altitud de unos 40 km, la temperatura permanece constante hasta una altitud de unos 55 km. Esta región de temperatura constante se llama estratopausa y es el límite entre la estratosfera y la mesosfera. La densidad del aire en la estratosfera es decenas y cientos de veces menor que al nivel del mar.

Es en la estratosfera donde se encuentra la capa de ozonosfera ("capa de ozono") (a una altitud de 15-20 a 55-60 km), que determina el límite superior de la vida en la biosfera. El ozono (O 3 ) se forma como resultado de reacciones fotoquímicas con mayor intensidad a una altitud de ~30 km. La masa total de O 3 a presión normal sería una capa de 1,7-4,0 mm de espesor, pero incluso esto es suficiente para absorber la radiación solar ultravioleta que es dañina para la vida. La destrucción de O 3 ocurre cuando interactúa con radicales libres, NO, compuestos que contienen halógenos (incluidos los "freones").

La mayor parte de la radiación ultravioleta de longitud de onda corta (180-200 nm) se retiene en la estratosfera y se transforma la energía de las ondas cortas. Bajo la influencia de estos rayos, los campos magnéticos cambian, las moléculas se rompen, se produce ionización, nueva formación de gases y otros compuestos químicos. Estos procesos se pueden observar en forma de auroras boreales, relámpagos y otros resplandores.

En la estratosfera y capas superiores, bajo la influencia de la radiación solar, las moléculas de gas se disocian en átomos (por encima de 80 km, CO 2 y H 2 se disocian, por encima de 150 km - O 2, por encima de 300 km - N 2). A una altitud de 200-500 km, la ionización de gases también ocurre en la ionosfera; a una altitud de 320 km, la concentración de partículas cargadas (O + 2, O - 2, N + 2) es ~ 1/300 de la concentración de partículas neutras. EN capas superiores atmósfera contiene radicales libres - OH, HO 2, etc.

Casi no hay vapor de agua en la estratosfera.

Los vuelos a la estratosfera comenzaron en la década de 1930. Es ampliamente conocido el vuelo en el primer globo estratosférico (FNRS-1), que Auguste Picard y Paul Kipfer realizaron el 27 de mayo de 1931 a una altura de 16,2 km. Los aviones comerciales supersónicos y de combate modernos vuelan en la estratosfera a altitudes generalmente de hasta 20 km (aunque el techo dinámico puede ser mucho mayor). Los globos meteorológicos de gran altitud se elevan hasta 40 km; el récord de un globo no tripulado es de 51,8 km.

Recientemente, en los círculos militares de los Estados Unidos, se ha prestado mucha atención al desarrollo de las capas de la estratosfera por encima de los 20 km, a menudo llamado "preespacio" (Ing. « cerca del espacio» ). Se supone que los dirigibles no tripulados y los aviones que funcionan con energía solar (como el Pathfinder de la NASA) podrán permanecer a una altitud de unos 30 km durante mucho tiempo y proporcionar observación y comunicación en áreas muy extensas, sin dejar de ser vulnerables a los sistemas de defensa aérea; tales dispositivos serán muchas veces más baratos que los satélites.

estratopausia- la capa de la atmósfera, que es el límite entre dos capas, la estratosfera y la mesosfera. En la estratosfera, la temperatura aumenta con la altitud, y la estratopausa es la capa donde la temperatura alcanza su máximo. La temperatura de la estratopausa es de aproximadamente 0 °C.

Este fenómeno se observa no solo en la Tierra, sino también en otros planetas con atmósfera.

En la Tierra, la estratopausa se encuentra a una altitud de 50 a 55 km sobre el nivel del mar. La presión atmosférica es aproximadamente 1/1000 de la presión al nivel del mar.

mesosfera(del griego μεσο- - "medio" y σφαῖρα - "bola", "esfera") - la capa de la atmósfera en altitudes de 40-50 a 80-90 km. Se caracteriza por un aumento de la temperatura con la altura; la temperatura máxima (alrededor de +50°C) se encuentra a una altitud de unos 60 km, después de lo cual la temperatura comienza a disminuir a -70° o -80°C. Tal disminución de la temperatura está asociada con la absorción energética de la radiación solar (radiación) por parte del ozono. El término fue adoptado por la Unión Geográfica y Geofísica en 1951.

La composición gaseosa de la mesosfera, así como la de las capas atmosféricas inferiores, es constante y contiene aproximadamente un 80 % de nitrógeno y un 20 % de oxígeno.

La mesosfera está separada de la estratosfera subyacente por la estratopausa y de la termosfera suprayacente por la mesopausa. La mesopausia coincide básicamente con la turbopausa.

Los meteoritos comienzan a brillar y, por regla general, se queman por completo en la mesosfera.

Pueden aparecer nubes noctilucentes en la mesosfera.

Para los vuelos, la mesosfera es una especie de "zona muerta": el aire aquí está demasiado enrarecido para soportar aviones o globos (a una altitud de 50 km, la densidad del aire es 1000 veces menor que al nivel del mar), y al mismo tiempo tiempo demasiado denso para vuelos artificiales satélites en una órbita tan baja. Los estudios directos de la mesosfera se realizan principalmente con la ayuda de cohetes meteorológicos suborbitales; en general, la mesosfera se ha estudiado peor que otras capas de la atmósfera, en relación con lo cual los científicos la llamaron "ignorosfera".

mesopausia

mesopausia La capa de la atmósfera que separa la mesosfera y la termosfera. En la Tierra, se encuentra a una altitud de 80-90 km sobre el nivel del mar. En la mesopausia, hay un mínimo de temperatura, que ronda los -100 °C. Abajo (a partir de una altura de unos 50 km) la temperatura desciende con la altura, arriba (hasta una altura de unos 400 km) vuelve a subir. La mesopausa coincide con el límite inferior de la región de absorción activa de rayos X y la radiación ultravioleta de longitud de onda más corta del Sol. A esta altitud se observan nubes plateadas.

La mesopausa existe no solo en la Tierra, sino también en otros planetas con atmósfera.

Línea Karman- altura sobre el nivel del mar, que se acepta convencionalmente como el límite entre la atmósfera terrestre y el espacio.

Según lo definido por la Fédération Aéronautique Internationale (FAI), la Línea Karman se encuentra a una altitud de 100 km sobre el nivel del mar.

La altura lleva el nombre de Theodor von Karman, un científico estadounidense de origen húngaro. Fue el primero en determinar que aproximadamente a esta altura la atmósfera se vuelve tan enrarecida que la aeronáutica se vuelve imposible, ya que la velocidad de la aeronave, necesaria para crear suficiente sustentación, se vuelve mayor que la primera velocidad cósmica, y por lo tanto, para alcanzar mayores altitudes, es necesario utilizar los medios de la astronáutica.

La atmósfera de la Tierra continúa más allá de la línea de Karman. La parte exterior de la atmósfera terrestre, la exosfera, se extiende hasta una altitud de 10.000 km o más, a tal altitud la atmósfera se compone principalmente de átomos de hidrógeno que pueden salir de la atmósfera.

Llegar a la Línea Karman fue la primera condición para el Premio Ansari X, ya que esta es la base para reconocer el vuelo como un vuelo espacial.

El espacio está lleno de energía. La energía llena el espacio de manera desigual. Hay lugares de su concentración y descarga. De esta manera se puede estimar la densidad. El planeta es un sistema ordenado, con la máxima densidad de materia en el centro y con una disminución gradual de la concentración hacia la periferia. Las fuerzas de interacción determinan el estado de la materia, la forma en que existe. La física describe el estado agregado de las sustancias: sólido, líquido, gas y así sucesivamente.

La atmósfera es el medio gaseoso que rodea al planeta. La atmósfera de la Tierra permite el libre movimiento y permite el paso de la luz, creando un espacio en el que prospera la vida.

El área desde la superficie de la tierra hasta una altura de aproximadamente 16 kilómetros (desde el ecuador hasta los polos, un valor menor, también depende de la estación) se llama troposfera. La troposfera es la capa que contiene alrededor del 80% del aire de la atmósfera y casi todo el vapor de agua. Es aquí donde tienen lugar los procesos que dan forma al clima. La presión y la temperatura disminuyen con la altura. La razón de la disminución de la temperatura del aire es un proceso adiabático, cuando el gas se expande, se enfría. En el límite superior de la troposfera, los valores pueden llegar a -50, -60 grados centígrados.

Luego viene la estratosfera. Se extiende hasta 50 kilómetros. En esta capa de la atmósfera, la temperatura aumenta con la altura, adquiriendo un valor en el punto más alto de unos 0 C. El aumento de temperatura se produce por el proceso de absorción de los rayos ultravioleta por parte de la capa de ozono. La radiación provoca una reacción química. Las moléculas de oxígeno se descomponen en átomos individuales que pueden combinarse con moléculas de oxígeno normales para formar ozono.

La radiación del sol con longitudes de onda entre 10 y 400 nanómetros se clasifica como ultravioleta. Cuanto más corta es la longitud de onda de la radiación UV, mayor es el peligro que representa para los organismos vivos. Sólo una pequeña fracción de la radiación alcanza la superficie terrestre, además, la parte menos activa de su espectro. Esta característica de la naturaleza le permite a una persona obtener un bronceado saludable.

La siguiente capa de la atmósfera se llama Mesosfera. Límites desde aproximadamente 50 km hasta 85 km. En la mesosfera, la concentración de ozono, que podría atrapar la energía UV, es baja, por lo que la temperatura vuelve a descender con la altura. En el punto máximo, la temperatura desciende a -90 C, algunas fuentes indican un valor de -130 C. La mayoría de los meteoroides se queman en esta capa de la atmósfera.

La capa de la atmósfera que se extiende desde una altura de 85 km hasta una distancia de 600 km de la Tierra se llama termosfera. La termosfera se encuentra por primera vez radiación solar, incluido el llamado ultravioleta de vacío.

El aire retrasa la radiación ultravioleta del vacío, lo que calienta esta capa de la atmósfera a temperaturas enormes. Sin embargo, dado que la presión aquí es extremadamente baja, este gas aparentemente incandescente no tiene el mismo efecto en los objetos que en las condiciones de la superficie terrestre. Por el contrario, los objetos colocados en dicho entorno se enfriarán.

A una altitud de 100 km, pasa la línea condicional "Línea Karman", que se considera el comienzo del espacio.

Las auroras ocurren en la termosfera. En esta capa de la atmósfera, el viento solar interactúa con el campo magnético del planeta.

ultima capa de la atmósfera es la exosfera, la capa exterior que se extiende por miles de kilómetros. La exosfera es prácticamente lugar vacío Sin embargo, el número de átomos que vagan aquí es un orden de magnitud mayor que en el espacio interplanetario.

La persona respira aire. La presión normal es de 760 milímetros de mercurio. A una altitud de 10.000 m, la presión es de unos 200 mm. rt. Arte. A esta altura, una persona probablemente pueda respirar, al menos no durante mucho tiempo, pero esto requiere preparación. El estado obviamente será inoperante.

La composición de los gases de la atmósfera: 78% nitrógeno, 21% oxígeno, alrededor de un porcentaje de argón, todo lo demás es una mezcla de gases que representa la fracción más pequeña del total.

10.045×10 3 J/(kg*K) (en el rango de temperatura de 0-100°C), Cv 8.3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). La solubilidad del aire en agua a 0°C es 0,036%, a 25°C - 0,22%.

Composición de la atmósfera

Historia de la formación de la atmósfera.

Historia temprana

En la actualidad, la ciencia no puede rastrear todas las etapas de la formación de la Tierra con un 100% de precisión. Según la teoría más común, la atmósfera de la Tierra ha tenido cuatro composiciones diferentes a lo largo del tiempo. Inicialmente, consistía en gases ligeros (hidrógeno y helio) capturados del espacio interplanetario. Este llamado atmósfera primaria. En la siguiente etapa, la actividad volcánica activa condujo a la saturación de la atmósfera con gases distintos al hidrógeno (hidrocarburos, amoníaco, vapor de agua). Así es como atmósfera secundaria. Este ambiente fue reparador. Además, el proceso de formación de la atmósfera estuvo determinado por los siguientes factores:

fuga constante de hidrógeno al espacio interplanetario;
reacciones químicas que ocurren en la atmósfera bajo la influencia de la radiación ultravioleta, descargas de rayos y algunos otros factores.

Gradualmente, estos factores llevaron a la formación atmósfera terciaria, caracterizado por un contenido mucho más bajo de hidrógeno y un contenido mucho más alto de nitrógeno y dióxido de carbono(formado como resultado reacciones químicas de amoníaco e hidrocarburos).

El surgimiento de la vida y el oxígeno.

Con la llegada de los organismos vivos a la Tierra como resultado de la fotosíntesis, acompañada de la liberación de oxígeno y la absorción de dióxido de carbono, la composición de la atmósfera comenzó a cambiar. Sin embargo, hay datos (un análisis de la composición isotópica del oxígeno atmosférico y el liberado durante la fotosíntesis) que dan testimonio a favor del origen geológico del oxígeno atmosférico.

Inicialmente, el oxígeno se gastó en la oxidación de compuestos reducidos: hidrocarburos, la forma ferrosa del hierro contenido en los océanos, etc. Al final de esta etapa, el contenido de oxígeno en la atmósfera comenzó a crecer.

En la década de 1990, se llevaron a cabo experimentos para crear un sistema ecológico cerrado ("Biosfera 2"), durante el cual no fue posible crear un sistema estable con una sola composición de aire. La influencia de los microorganismos provocó una disminución en el nivel de oxígeno y un aumento en la cantidad de dióxido de carbono.

Nitrógeno

La formación de una gran cantidad de N 2 se debe a la oxidación de la atmósfera primaria de amoníaco-hidrógeno por parte del O 2 molecular, que comenzó a salir de la superficie del planeta como resultado de la fotosíntesis, como era de esperar, hace unos 3 mil millones de años. (según otra versión, el oxígeno atmosférico es de origen geológico). El nitrógeno se oxida a NO en la atmósfera superior, se utiliza en la industria y se une a las bacterias fijadoras de nitrógeno, mientras que el N 2 se libera a la atmósfera como resultado de la desnitrificación de los nitratos y otros compuestos que contienen nitrógeno.

El nitrógeno N 2 es un gas inerte y reacciona solo en condiciones específicas (por ejemplo, durante la descarga de un rayo). Puede ser oxidado y convertido en una forma biológica por cianobacterias, algunas bacterias (por ejemplo, bacterias de nódulos que forman simbiosis de rizobios con leguminosas).

La oxidación de nitrógeno molecular por descargas eléctricas se utiliza en producción industrial fertilizantes nitrogenados, también condujo a la formación de depósitos de salitre únicos en el desierto de Atacama chileno.

Gases nobles

La combustión de combustibles es la principal fuente de gases contaminantes (CO , NO, SO 2 ). El dióxido de azufre es oxidado por el aire O 2 a SO 3 en la atmósfera superior, que interactúa con los vapores de H 2 O y NH 3, y el H 2 SO 4 y (NH 4) 2 SO 4 resultantes regresan a la superficie de la Tierra junto con precipitación. El uso de motores de combustión interna conduce a una importante contaminación del aire con óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y compuestos de Pb.

La contaminación de la atmósfera por aerosoles se debe tanto a causas naturales (erupciones volcánicas, tormentas de polvo, agua de mar y partículas de polen de plantas, etc.), y actividad económica humanos (minera de minerales y materiales de construcción, quema de combustibles, producción de cemento, etc.). La remoción intensiva a gran escala de material particulado a la atmósfera es uno de los Posibles Causas cambio climático planetario.

La estructura de la atmósfera y las características de las capas individuales.

El estado físico de la atmósfera está determinado por el tiempo y el clima. Los principales parámetros de la atmósfera: densidad del aire, presión, temperatura y composición. A medida que aumenta la altitud, la densidad del aire y la presión atmosférica disminuyen. La temperatura también cambia con el cambio de altitud. Estructura vertical La atmósfera se caracteriza por diferentes temperaturas y propiedades eléctricas, diferentes condiciones del aire. Dependiendo de la temperatura en la atmósfera, se distinguen las siguientes capas principales: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera, exosfera (esfera de dispersión). Las regiones de transición de la atmósfera entre capas adyacentes se denominan tropopausa, estratopausa, etc., respectivamente.

Troposfera

Estratosfera

En la estratosfera y capas superiores, bajo la influencia de la radiación solar, las moléculas de gas se disocian en átomos (por encima de 80 km, CO 2 y H 2 se disocian, por encima de 150 km - O 2, por encima de 300 km - H 2). A una altitud de 100–400 km, la ionización de gases también ocurre en la ionosfera; a una altitud de 320 km, la concentración de partículas cargadas (O + 2, O − 2, N + 2) es ~ 1/300 de la concentración de partículas neutras. En las capas superiores de la atmósfera hay radicales libres: OH, HO 2, etc.

Casi no hay vapor de agua en la estratosfera.

mesosfera

Hasta una altura de 100 km, la atmósfera es una mezcla homogénea y bien mezclada de gases. En las capas superiores, la distribución de los gases en altura depende de sus masas moleculares, la concentración de los gases más pesados disminuye más rápido con la distancia a la superficie terrestre. Debido a la disminución de la densidad del gas, la temperatura desciende de 0°С en la estratosfera a −110°С en la mesosfera. Sin embargo, la energía cinética de partículas individuales a altitudes de 200–250 km corresponde a una temperatura de ~1500°C. Por encima de los 200 km, se observan fluctuaciones significativas en la temperatura y la densidad del gas en el tiempo y el espacio.

A una altitud de aproximadamente 2000-3000 km, la exosfera pasa gradualmente al llamado vacío del espacio cercano, que está lleno de partículas altamente enrarecidas de gas interplanetario, principalmente átomos de hidrógeno. Pero este gas es solo una parte de la materia interplanetaria. La otra parte está compuesta por partículas similares al polvo de origen cometario y meteórico. Además de estas partículas extremadamente enrarecidas, en este espacio penetran radiaciones electromagnéticas y corpusculares de origen solar y galáctico.

La troposfera representa alrededor del 80% de la masa de la atmósfera, la estratosfera alrededor del 20%; la masa de la mesosfera no supera el 0,3%, la termosfera es inferior al 0,05% de la masa total de la atmósfera. Según las propiedades eléctricas de la atmósfera, se distinguen la neutrosfera y la ionosfera. Actualmente se cree que la atmósfera se extiende hasta una altitud de 2000-3000 km.

Dependiendo de la composición del gas en la atmósfera, emiten homósfera Y heterosfera. heterosfera- esta es un área donde la gravedad afecta la separación de gases, ya que su mezcla a tal altura es despreciable. De aquí se sigue la composición variable de la heterosfera. Debajo se encuentra una parte homogénea y bien mezclada de la atmósfera llamada homosfera. El límite entre estas capas se llama turbopausa, se encuentra a una altitud de unos 120 km.

Propiedades atmosféricas

Ya a una altitud de 5 km sobre el nivel del mar, una persona no entrenada desarrolla falta de oxígeno y, sin adaptación, el rendimiento de una persona se reduce significativamente. Aquí es donde termina la zona fisiológica de la atmósfera. La respiración humana se vuelve imposible a una altitud de 15 km, aunque hasta unos 115 km la atmósfera contiene oxígeno.

La atmósfera nos proporciona el oxígeno que necesitamos para respirar. Sin embargo, debido a la disminución de la presión total de la atmósfera, a medida que se asciende, la presión parcial de oxígeno también disminuye en consecuencia.

Los pulmones humanos contienen constantemente alrededor de 3 litros de aire alveolar. La presión parcial de oxígeno en el aire alveolar a condiciones normales presión atmosférica es de 110 mm Hg. Art., presión de dióxido de carbono - 40 mm Hg. Art., y vapor de agua −47 mm Hg. Arte. Con el aumento de la altitud, la presión de oxígeno cae y la presión total de vapor de agua y dióxido de carbono en los pulmones permanece casi constante, alrededor de 87 mm Hg. Arte. El flujo de oxígeno hacia los pulmones se detendrá por completo cuando la presión del aire circundante sea igual a este valor.

A una altitud de unos 19-20 km, la presión atmosférica cae a 47 mm Hg. Arte. Por lo tanto, a esta altura, el agua y el líquido intersticial comienzan a hervir en el cuerpo humano. Fuera de la cabina presurizada a estas altitudes, la muerte ocurre casi instantáneamente. Por lo tanto, desde el punto de vista de la fisiología humana, el "espacio" comienza ya a una altitud de 15 a 19 km.

Densas capas de aire, la troposfera y la estratosfera, nos protegen de los efectos dañinos de la radiación. Con suficiente rarefacción del aire, a altitudes de más de 36 km, la radiación ionizante, rayos cósmicos primarios, tiene un efecto intenso en el cuerpo; a altitudes de más de 40 km, opera la parte ultravioleta del espectro solar, que es peligrosa para los humanos.

Todos los que han volado en un avión están acostumbrados a este tipo de mensajes: “nuestro vuelo está a una altitud de 10.000 m, la temperatura por la borda es de 50 °C”. No parece nada especial. Cuanto más lejos de la superficie de la Tierra calentada por el Sol, más frío. Mucha gente piensa que la disminución de la temperatura con la altura continúa y gradualmente la temperatura desciende, acercándose a la temperatura del espacio. Por cierto, los científicos pensaron así hasta finales del siglo XIX.

Echemos un vistazo más de cerca a la distribución de la temperatura del aire sobre la Tierra. La atmósfera se divide en varias capas, que reflejan principalmente la naturaleza de los cambios de temperatura.

La capa inferior de la atmósfera se llama troposfera, que significa "esfera de rotación". Todos los cambios en el tiempo y el clima son el resultado de procesos físicos que ocurren precisamente en esta capa. El límite superior de esta capa se encuentra donde la disminución de la temperatura con la altura es reemplazada por su aumento, aproximadamente en una altitud de 15-16 km sobre el ecuador y 7-8 km sobre los polos. Al igual que la Tierra misma, la atmósfera bajo la influencia de la rotación de nuestro planeta también se aplana un poco sobre los polos y se hincha sobre el ecuador. Sin embargo, este efecto es mucho más fuerte en la atmósfera que en la capa sólida de la Tierra.En la dirección desde la superficie de la Tierra hasta el límite superior de la troposfera, la temperatura del aire desciende.Por encima del ecuador temperatura mínima el aire es de unos -62 °C, y sobre los polos de unos -45 °C. En latitudes templadas, más del 75% de la masa de la atmósfera se encuentra en la troposfera. En los trópicos, alrededor del 90% de la masa de la atmósfera se encuentra dentro de la troposfera.

En 1899, se encontró un mínimo en el perfil de temperatura vertical a cierta altura, y luego la temperatura aumentó ligeramente. El comienzo de este aumento significa la transición a la siguiente capa de la atmósfera - a estratosfera, que significa "esfera de capa". El término estratosfera significa y refleja la idea anterior de la singularidad de la capa que se encuentra sobre la troposfera. La estratosfera se extiende hasta una altura de unos 50 km sobre la superficie de la tierra. Su característica es , en particular, un fuerte aumento en la temperatura del aire Este aumento en la temperatura se explica reacción de formación de ozono - una de las principales reacciones químicas que ocurren en la atmósfera.

La mayor parte del ozono se concentra en altitudes de unos 25 km, pero en general la capa de ozono es un caparazón fuertemente estirado a lo largo de la altura, que cubre casi toda la estratosfera. La interacción del oxígeno con los rayos ultravioleta es uno de los procesos favorables en la atmósfera terrestre que contribuyen al mantenimiento de la vida en la tierra. La absorción de esta energía por el ozono impide su flujo excesivo hacia la superficie terrestre, donde se crea exactamente el nivel de energía adecuado para la existencia de formas de vida terrestres. La ozonosfera absorbe parte de la energía radiante que atraviesa la atmósfera. Como resultado, en la ozonosfera se establece un gradiente vertical de temperatura del aire de aproximadamente 0,62 °C por cada 100 m, es decir, la temperatura aumenta con la altura hasta el límite superior de la estratosfera - la estratopausa (50 km), alcanzando, según algunos datos, 0°C.

En altitudes de 50 a 80 km existe una capa de la atmósfera llamada mesosfera. La palabra "mesosfera" significa "esfera intermedia", aquí la temperatura del aire continúa disminuyendo con la altura. Por encima de la mesosfera, en una capa llamada termosfera, la temperatura vuelve a subir con la altitud hasta unos 1000°C y luego desciende muy rápidamente a -96°C. Sin embargo, no cae indefinidamente, luego la temperatura vuelve a subir.

termosfera es la primera capa ionosfera. A diferencia de las capas mencionadas anteriormente, la ionosfera no se distingue por la temperatura. La ionosfera es una región de naturaleza eléctrica que hace posibles muchos tipos de comunicaciones por radio. La ionosfera se divide en varias capas, designándolas con las letras D, E, F1 y F2. Estas capas también tienen nombres especiales. La división en capas se debe a varias razones, entre las cuales la más importante es la influencia desigual de las capas en el paso de las ondas de radio. La capa más baja, D, absorbe principalmente las ondas de radio y, por lo tanto, evita que se sigan propagando. La capa E mejor estudiada se encuentra a una altitud de unos 100 km sobre la superficie terrestre. También se denomina capa de Kennelly-Heaviside por los nombres de los científicos estadounidenses e ingleses que la descubrieron de forma simultánea e independiente. La capa E, como un espejo gigante, refleja las ondas de radio. Gracias a esta capa, las ondas de radio largas viajan distancias más largas de lo que se esperaría si se propagaran solo en línea recta, sin ser reflejadas desde la capa E. La capa F también tiene propiedades similares, también llamada capa de Appleton. Junto con la capa de Kennelly-Heaviside, refleja las ondas de radio hacia las estaciones de radio terrestres. Tal reflexión puede ocurrir en varios ángulos. La capa de Appleton se encuentra a una altitud de unos 240 km.

La región más externa de la atmósfera, la segunda capa de la ionosfera, a menudo se denomina exosfera. Este término indica la existencia de las afueras del espacio cerca de la Tierra. Es difícil determinar exactamente dónde termina la atmósfera y comienza el espacio, porque con la altura la densidad gases atmosféricos disminuye gradualmente y la atmósfera misma se convierte gradualmente en casi un vacío, en el que solo se encuentran las moléculas individuales. Ya a una altitud de unos 320 km, la densidad de la atmósfera es tan baja que las moléculas pueden viajar más de 1 km sin chocar entre sí. La parte más externa de la atmósfera sirve como su límite superior, que se encuentra en altitudes de 480 a 960 km.

Se puede encontrar más información sobre los procesos en la atmósfera en el sitio web "Clima terrestre"