Atmosfera Pământului este eterogenă: la diferite altitudini există diferite densități și presiuni ale aerului, modificări ale temperaturii și compoziției gazelor. Pe baza comportamentului temperaturii aerului ambiant (adică temperatura crește sau scade odată cu înălțimea), în acesta se disting următoarele straturi: troposferă, stratosferă, mezosferă, termosferă și exosferă. Granițele dintre straturi se numesc pauze: sunt 4, deoarece limita superioară a exosferei este foarte neclară și se referă adesea la spațiul apropiat. CU structura generala atmosfera poate fi găsită în diagrama atașată.

Fig.1 Structura atmosferei Pământului. Credit: site-ul web

Cel mai de jos strat atmosferic este troposfera, a cărei limită superioară se numește tropopauză, în funcție de latitudine geografică variază și variază de la 8 km. în polar până la 20 km. în latitudini tropicale. În latitudini medii sau temperate, limita superioară a acesteia se află la altitudini de 10-12 km.Pe parcursul anului, limita superioară a troposferei suferă fluctuații în funcție de fluxul de radiatie solara. Deci, ca rezultat al sondajului polul Sud Pământ, Serviciul Meteorologic al SUA a dezvăluit că din martie până în august sau septembrie are loc o răcire constantă a troposferei, drept urmare pentru o scurtă perioadă în august sau septembrie limita sa se ridică la 11,5 km. Apoi, în perioada septembrie-decembrie, scade rapid și atinge poziția cea mai joasă - 7,5 km, după care înălțimea sa rămâne practic neschimbată până în martie. Acestea. Troposfera atinge cea mai mare grosime vara și cea mai subțire iarna.

Este de remarcat faptul că, pe lângă cele sezoniere, există și fluctuații zilnice ale înălțimii tropopauzei. De asemenea, poziția sa este influențată de cicloni și anticicloni: în primul cade, pentru că Presiunea din ele este mai mică decât în aerul din jur și, în al doilea rând, crește în consecință.

Troposfera conține până la 90% din masa totală a aerului pământului și 9/10 din toți vaporii de apă. Turbulența este foarte dezvoltată aici, în special în straturile apropiate de suprafață și cele mai înalte, se dezvoltă nori de toate nivelurile, se formează cicloni și anticicloni. Și datorită acumulării de gaze cu efect de seră (dioxid de carbon, metan, vapori de apă) reflectate de pe suprafața Pământului razele de soare se dezvoltă efectul de seră.

Efectul de seră este asociat cu o scădere a temperaturii aerului în troposferă odată cu înălțimea (de când Pământul încălzit mai multa caldura eliberări în straturile solului). Gradientul vertical mediu este de 0,65°/100 m (adică temperatura aerului scade cu 0,65° C la fiecare 100 de metri de creștere). Deci, dacă temperatura medie anuală a aerului la suprafața Pământului în apropierea ecuatorului este de +26 °, atunci la limita superioară este -70 °. Temperatura din regiunea tropopauză de deasupra Polului Nord variază pe tot parcursul anului de la -45° vara la -65° iarna.

Odată cu creșterea altitudinii, presiunea aerului scade și ea, ridicându-se la doar 12-20% din nivelul aproape de suprafață la limita superioară a troposferei.

La limita troposferei și stratul de deasupra stratosferei se află un strat al tropopauzei, de 1-2 km grosime. Limitele inferioare ale tropopauzei sunt de obicei considerate a fi un strat de aer în care gradientul vertical scade la 0,2°/100 m față de 0,65°/100 m în regiunile subiacente ale troposferei.

În tropopauză, se observă fluxuri de aer cu o direcție strict definită, numite fluxuri cu jet de mare altitudine sau „curenți cu jet”, formate sub influența rotației Pământului în jurul axei sale și a încălzirii atmosferei cu participarea radiației solare. . Curenții sunt observați la granițele zonelor cu diferențe semnificative de temperatură. Există mai multe centre de localizare a acestor curenți, de exemplu, arctic, subtropical, subpolar și altele. Cunoașterea localizării fluxurilor cu jet este foarte importantă pentru meteorologie și aviație: primul folosește fluxuri pentru prognoza meteo mai precisă, al doilea pentru construirea rutelor de zbor a aeronavelor, deoarece La limitele fluxurilor, există vârtejuri puternice turbulente, asemănătoare micilor vârtejuri, numite „turbulență în cer senin” din cauza absenței norilor la aceste altitudini.

Sub influența curenților cu jet de mare altitudine, se formează adesea rupturi în tropopauză și, uneori, dispare cu totul, deși apoi se formează din nou. Acest lucru este observat mai ales în latitudinile subtropicale, care sunt dominate de un puternic curent subtropical de mare altitudine. În plus, diferența dintre straturile de tropopauză în temperatura ambiantă duce la formarea de goluri. De exemplu, există un decalaj mare între tropopauza polară caldă și joasă și tropopauza înaltă și rece a latitudinilor tropicale. Recent, a apărut și un strat al tropopauzei latitudinilor temperate, care prezintă discontinuități cu cele două straturi anterioare: polar și tropical.

Al doilea strat al atmosferei terestre este stratosfera. Stratosfera poate fi împărțită aproximativ în două regiuni. Prima dintre ele, situată până la altitudini de 25 km, se caracterizează prin temperaturi aproape constante, care sunt egale cu temperaturile. straturile superioare troposfera pe o anumită zonă. A doua regiune, sau regiune de inversare, se caracterizează printr-o creștere a temperaturii aerului la altitudini de aproximativ 40 km. Acest lucru se întâmplă din cauza absorbției radiațiilor ultraviolete solare de către oxigen și ozon. În partea superioară a stratosferei, datorită acestei încălziri, temperatura este adesea pozitivă sau chiar comparabilă cu temperatura aerului de suprafață.

Deasupra regiunii de inversare există un strat de temperaturi constante, care se numește stratopauză și este granița dintre stratosferă și mezosferă. Grosimea sa ajunge la 15 km.

Spre deosebire de troposferă, perturbațiile turbulente sunt rare în stratosferă, dar există vânturi puternice orizontale sau curente cu jet care sufla în zone înguste de-a lungul limitelor latitudinilor temperate cu fața spre poli. Poziția acestor zone nu este constantă: ele se pot schimba, se pot extinde sau chiar să dispară cu totul. Adesea, fluxurile cu jet pătrund în straturile superioare ale troposferei sau, dimpotrivă, masele de aer din troposferă pătrund în straturile inferioare ale stratosferei. O astfel de amestecare a maselor de aer este tipică în special în zonele fronturilor atmosferice.

Există puțini vapori de apă în stratosferă. Aerul de aici este foarte uscat și, prin urmare, se formează puțini nori. Doar la altitudini de 20-25 km și la latitudini mari se pot observa nori sidefați foarte subțiri formați din picături de apă suprarăcite. În timpul zilei, acești nori nu sunt vizibili, dar odată cu apariția întunericului par să strălucească din cauza iluminării lor de către Soare, care a apus deja sub orizont.

La aceleași altitudini (20-25 km) în stratosfera inferioară se află așa-numitul strat de ozon - zona cu cel mai mare conținut de ozon, care se formează sub influența radiației solare ultraviolete (puteți afla mai multe despre aceasta proces pe pagină). Stratul de ozon sau ozonosfera este de o importanță extremă pentru menținerea vieții tuturor organismelor care trăiesc pe uscat, absorbind razele ultraviolete mortale cu o lungime de undă de până la 290 nm. Din acest motiv, organismele vii nu trăiesc deasupra stratului de ozon; este limita superioară a distribuției vieții pe Pământ.

Sub influența ozonului, câmpurile magnetice se schimbă, de asemenea, atomii și moleculele se dezintegrează, are loc ionizarea și are loc o nouă formare de gaze și alți compuși chimici.

Stratul atmosferei situat deasupra stratosferei se numește mezosferă. Se caracterizează printr-o scădere a temperaturii aerului cu înălțimea cu un gradient vertical mediu de 0,25-0,3°/100 m, ceea ce duce la turbulențe severe. La limitele superioare ale mezosferei, în regiunea numită mezopauză, au fost înregistrate temperaturi de până la -138°C, ceea ce reprezintă minimul absolut pentru întreaga atmosferă a Pământului în ansamblu.

Aici, în mezopauză, se află limita inferioară a regiunii de absorbție activă a razelor X și a radiațiilor ultraviolete cu unde scurte de la Soare. Acest proces energetic se numește transfer de căldură radiantă. Ca rezultat, gazul este încălzit și ionizat, ceea ce face ca atmosfera să strălucească.

La altitudini de 75-90 km la limitele superioare ale mezosferei s-au remarcat nori speciali, ocupand suprafete vaste in regiunile polare ale planetei. Acești nori sunt numiți noctilucenți datorită strălucirii lor la amurg, care este cauzată de reflectarea luminii solare din cristalele de gheață din care sunt alcătuiți acești nori.

Presiunea aerului în mezopauză este de 200 de ori mai mică decât la suprafața pământului. Acest lucru sugerează că aproape tot aerul din atmosferă este concentrat în cele 3 straturi inferioare ale sale: troposferă, stratosferă și mezosferă. Straturile de deasupra, termosfera și exosfera, reprezintă doar 0,05% din masa întregii atmosfere.

Termosfera se află la altitudini de la 90 la 800 km deasupra suprafeței Pământului.

Termosfera se caracterizează printr-o creștere continuă a temperaturii aerului până la altitudini de 200-300 km, unde poate ajunge la 2500°C. Temperatura crește din cauza absorbției razelor X și a radiațiilor ultraviolete cu lungime de undă scurtă de la Soare de către moleculele de gaz. Peste 300 km deasupra nivelului mării, creșterea temperaturii se oprește.

Concomitent cu creșterea temperaturii, presiunea și, în consecință, densitatea aerului din jur scade. Deci, dacă la limitele inferioare ale termosferei densitatea este de 1,8 × 10 -8 g/cm3, atunci la limitele superioare este deja de 1,8 × 10 -15 g/cm3, ceea ce corespunde aproximativ la 10 milioane - 1 miliard de particule. la 1 cm3.

Toate caracteristicile termosferei, cum ar fi compoziția aerului, temperatura, densitatea acestuia, sunt supuse unor fluctuații puternice: în funcție de locația geografică, sezonul anului și ora din zi. Chiar și locația limitei superioare a termosferei se schimbă.

Stratul superior al atmosferei se numește exosferă sau strat de împrăștiere. Limita sa inferioară se modifică constant în limite foarte largi; Înălțimea medie este considerată a fi 690-800 km. Se instalează acolo unde probabilitatea de coliziuni intermoleculare sau interatomice poate fi neglijată, adică. distanța medie pe care o va parcurge o moleculă în mișcare haotică înainte de a se ciocni cu o altă moleculă similară (așa-numita cale liberă) va fi atât de mare încât, de fapt, moleculele nu se vor ciocni cu o probabilitate apropiată de zero. Stratul în care apare fenomenul descris se numește pauză termică.

Limita superioară a exosferei se află la altitudini de 2-3 mii km. Este foarte neclară și se transformă treptat într-un vid din apropierea spațiului. Uneori, din acest motiv, exosfera este considerată parte a spațiului cosmic, iar limita sa superioară este considerată a fi o înălțime de 190 mii km, la care influența presiunii radiației solare asupra vitezei atomilor de hidrogen depășește atracția gravitațională a Pământ. Acesta este așa-numitul coroana terestră, formată din atomi de hidrogen. Densitatea coroanei terestre este foarte mică: doar 1000 de particule pe centimetru cub, dar acest număr este de peste 10 ori mai mare decât concentrația de particule din spațiul interplanetar.

Datorită rarefării extreme a aerului din exosferă, particulele se mișcă în jurul Pământului pe orbite eliptice fără a se ciocni între ele. Unele dintre ele, deplasându-se de-a lungul traiectoriilor deschise sau hiperbolice cu viteze cosmice (atomi de hidrogen și heliu), părăsesc atmosfera și merg în spațiul cosmic, motiv pentru care exosfera este numită sfera de împrăștiere.

STRUCTURA ATMOSFEREI

Atmosfera(din greaca veche ἀτμός - abur și σφαῖρα - bilă) - învelișul de gaz (geosfera) care înconjoară planeta Pământ. Suprafața sa interioară acoperă hidrosfera și parțial Scoarta terestra, cel exterior se învecinează cu partea apropiată a Pământului a spațiului cosmic.

Proprietăți fizice

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 (5,1352 ± 0,0003) 10 18 kg, masa totală a vaporilor de apă este în medie de 1,27 10 16 kg.

Masa molară a aerului curat uscat este de 28,966 g/mol, iar densitatea aerului la suprafața mării este de aproximativ 1,2 kg/m3. Presiunea la 0 °C la nivelul mării este de 101,325 kPa; temperatura critică - −140,7 °C; presiune critică - 3,7 MPa; Cp la 0°C - 1,0048.103 J/(kg.K), Cv - 0.7159.103 J/(kg.K) (la 0°C). Solubilitatea aerului în apă (în masă) la 0 °C - 0,0036%, la 25 °C - 0,0023%.

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.

Structura atmosferei

Atmosfera are o structură stratificată. Straturile atmosferei diferă unele de altele prin temperatura aerului, densitatea acestuia, cantitatea de vapori de apă din aer și alte proprietăți.

troposfera(greaca veche τρόπος - „întoarcere”, „schimbare” și σφαῖρα - „minge”) - stratul inferior, cel mai studiat al atmosferei, cu o înălțime de 8-10 km în regiunile polare, până la 10-12 km în latitudinile temperate, la ecuator - 16-18 km.

La creșterea în troposferă, temperatura scade în medie cu 0,65 K la fiecare 100 m și ajunge la 180-220 K în partea superioară. Acest strat superior al troposferei, în care scăderea temperaturii odată cu înălțimea încetează, se numește tropopauză. Următorul strat al atmosferei, situat deasupra troposferei, se numește stratosferă.

Mai mult de 80% din masa totală a aerului atmosferic este concentrată în troposferă, turbulența și convecția sunt foarte dezvoltate, partea predominantă a vaporilor de apă este concentrat, apar nori, se formează fronturi atmosferice, se dezvoltă cicloni și anticicloni, precum și alte procese. care determină vremea și clima. Procesele care au loc în troposferă sunt cauzate în primul rând de convecție.

Partea troposferei în care este posibilă formarea ghețarilor pe suprafața pământului se numește chionosferă.

Tropopauza(din grecescul τροπος - întoarcere, schimbare și παῦσις - oprire, terminare) - un strat al atmosferei în care scăderea temperaturii cu înălțimea încetează; strat de tranziție de la troposferă la stratosferă. În atmosfera terestră, tropopauza este situată la altitudini de la 8-12 km (peste nivelul mării) în regiunile polare și până la 16-18 km deasupra ecuatorului. Înălțimea tropopauzei depinde și de perioada anului (vara tropopauza este situată mai sus decât iarna) și de activitatea ciclonică (în cicloni este mai scăzută, iar în anticicloni este mai mare)

Grosimea tropopauzei variază de la câteva sute de metri până la 2-3 kilometri. În zonele subtropicale, se observă pauze de tropopauză din cauza curenților puternici de jet. Tropopauza din anumite zone este adesea distrusă și reformată.

Stratosferă(din latină stratum - pardoseală, strat) - 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 ° C (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. Densitatea aerului în stratosferă este de zeci și sute de ori mai mică decât la nivelul mării.

În stratosferă se află stratul de ozon („stratul de ozon”) (la o altitudine de 15-20 până la 55-60 km), ceea ce determină limita superioară a vieții în biosferă. Ozonul (O 3) se formează ca rezultat al reacțiilor fotochimice cel mai intens la o altitudine de ~30 km. Masa totală de O 3 s-ar ridica la un strat de 1,7-4,0 mm grosime la presiune normală, dar acest lucru este suficient pentru a absorbi radiațiile ultraviolete care distrug viața de la Soare. Distrugerea O 3 are loc atunci când interacționează cu radicalii liberi, NO și compușii care conțin halogen (inclusiv „freoni”).

În stratosferă, cea mai mare parte a undelor scurte a radiației ultraviolete (180-200 nm) este reținută, iar energia undelor scurte este transformată. Sub influența acestor raze, câmpurile magnetice se modifică, moleculele se dezintegrează, are loc ionizarea și are loc o nouă formare de gaze și alți compuși chimici. Aceste procese pot fi observate sub formă de aurore boreale, fulgere și alte străluciri.

În stratosferă și în straturile superioare, sub influența radiației solare, moleculele de gaz se disociază în atomi (peste 80 km CO 2 și H 2 se disociază, peste 150 km - O 2, peste 300 km - N 2). La o altitudine de 200-500 km, ionizarea gazelor are loc și în ionosferă; la o altitudine de 320 km, concentrația particulelor încărcate (O + 2, O - 2, N + 2) este ~ 1/300 din concentrația de particule neutre. ÎN straturile superioare atmosferă există radicali liberi - OH, HO 2 etc.

Aproape că nu există vapori de apă în stratosferă.

Zborurile în stratosferă au început în anii 1930. Zborul pe primul balon stratosferic (FNRS-1), care a fost realizat de Auguste Picard și Paul Kipfer la 27 mai 1931 la o altitudine de 16,2 km, este larg cunoscut. Avioanele comerciale moderne de luptă și supersonice zboară în stratosferă la altitudini în general de până la 20 km (deși plafonul dinamic poate fi mult mai mare). Baloanele meteorologice de mare altitudine se ridică până la 40 km; recordul pentru un balon fără pilot este de 51,8 km.

Recent, în cercurile militare americane, s-a acordat multă atenție dezvoltării straturilor stratosferei de peste 20 km, adesea numite „pre-spațiu”. « aproape de spațiu» ). Se presupune că dirijabilele fără pilot și aeronavele alimentate cu energie solară (cum ar fi NASA Pathfinder) vor putea rămâne la o altitudine de aproximativ 30 km pentru o lungă perioadă de timp și vor putea asigura supraveghere și comunicații către zone foarte mari, rămânând în același timp puțin vulnerabile la apărarea aeriană. sisteme; Astfel de dispozitive vor fi de multe ori mai ieftine decât sateliții.

Stratopauza- un strat al atmosferei care este limita dintre două straturi, stratosfera și mezosfera. În stratosferă, temperatura crește odată cu creșterea altitudinii, iar stratopauza este stratul în care temperatura atinge maximul. Temperatura stratopauzei este de aproximativ 0 °C.

Acest fenomen se observă nu numai pe Pământ, ci și pe alte planete care au atmosferă.

Pe Pământ, stratopauza este situată la o altitudine de 50 - 55 km deasupra nivelului mării. Presiunea atmosferică este de aproximativ 1/1000 față de nivelul mării.

Mezosfera(din greacă μεσο- - „mijloc” și σφαῖρα - „minge”, „sferă”) - un strat al atmosferei la altitudini de la 40-50 la 80-90 km. Caracterizat printr-o creștere a temperaturii cu altitudinea; temperatura maximă (aproximativ +50°C) este situată la o altitudine de aproximativ 60 km, după care temperatura începe să scadă la −70° sau −80°C. Această scădere a temperaturii este asociată cu absorbția puternică a radiației solare (radiația) de către ozon. Termenul a fost adoptat de Uniunea Geografică și Geofizică în 1951.

Compoziția gazoasă a mezosferei, ca și cea a straturilor atmosferice subiacente, este constantă și conține aproximativ 80% azot și 20% oxigen.

Mezosfera este separată de stratosfera subiacentă prin stratopauză și de termosfera de deasupra prin mezopauză. Mezopauza coincide practic cu turbopauza.

Meteorii încep să strălucească și, de regulă, ard complet în mezosferă.

În mezosferă pot apărea nori noctilucenți.

Pentru zboruri, mezosfera este un fel de „zonă moartă” - aerul de aici este prea rarefiat pentru a susține avioane sau baloane (la o altitudine de 50 km densitatea aerului este de 1000 de ori mai mică decât la nivelul mării) și, în același timp prea dens pentru zboruri artificiale sateliți pe o orbită atât de joasă. Studiile directe ale mezosferei sunt efectuate în principal folosind rachete meteorologice suborbitale; În general, mezosfera a fost studiată mai puțin bine decât alte straturi ale atmosferei, motiv pentru care oamenii de știință au poreclit-o „ignorosferă”.

Mezopauza

Mezopauza- un strat al atmosferei care separă mezosfera de termosfera. Pe Pământ se află la o altitudine de 80-90 km deasupra nivelului mării. La mezopauză există o temperatură minimă, care este de aproximativ -100 °C. Mai jos (începând de la o altitudine de aproximativ 50 km) temperatura scade odată cu înălțimea, mai sus (până la o altitudine de aproximativ 400 km) se ridică din nou. Mezopauza coincide cu limita inferioară a regiunii de absorbție activă a razelor X și a radiației ultraviolete cu unde scurte de la Soare. La această altitudine se observă nori noctilucenți.

Mezopauza apare nu numai pe Pământ, ci și pe alte planete care au atmosferă.

Linia Karman- altitudinea deasupra nivelului mării, care este convențional acceptată ca graniță între atmosfera Pământului și spațiu.

Conform definiției Fédération Aéronautique Internationale (FAI), linia Karman este situată la o altitudine de 100 km deasupra nivelului mării.

Înălțimea a fost numită după Theodore von Karman, un om de știință american de origine maghiară. El a fost primul care a stabilit că la aproximativ această altitudine atmosfera devine atât de rarefiată încât aeronautica devine imposibilă, deoarece viteza aeronavei necesară pentru a crea suficientă portanță devine mai mare decât prima viteză cosmică și, prin urmare, pentru a atinge altitudini mai mari este necesar. să folosească astronautica.

Atmosfera Pământului continuă dincolo de linia Karman. Partea exterioară a atmosferei pământului, exosfera, se extinde la o altitudine de 10 mii de km sau mai mult; la această altitudine, atmosfera constă în principal din atomi de hidrogen care sunt capabili să părăsească atmosfera.

Realizarea Liniei Karman a fost prima condiție pentru primirea Premiului Ansari X, deoarece aceasta este baza pentru recunoașterea zborului ca zbor spațial.

Spațiul este plin de energie. Energia umple spațiul în mod neuniform. Există locuri de concentrare și descărcare. În acest fel puteți estima densitatea. Planeta este un sistem ordonat, cu o densitate maximă a materiei în centru și o scădere treptată a concentrației spre periferie. Forțele de interacțiune determină starea materiei, forma în care aceasta există. Fizica descrie starea de agregare a substanțelor: solid, lichid, gaz și așa mai departe.

Atmosfera este mediul gazos care înconjoară planeta. Atmosfera Pământului permite mișcarea liberă și permite trecerea luminii, creând spațiu în care viața prosperă.

Suprafața de la suprafața pământului până la o altitudine de aproximativ 16 kilometri (de la ecuator la poli valoarea este mai mică, depinde și de anotimp) se numește troposferă. Troposfera este un strat în care se concentrează aproximativ 80% din tot aerul atmosferic și aproape toți vaporii de apă. Aici au loc procesele care modelează vremea. Presiunea și temperatura scad odată cu altitudinea. Motivul scăderii temperaturii aerului este un proces adiabatic; în timpul expansiunii, gazul se răcește. La limita superioară a troposferei, valorile pot ajunge la -50, -60 de grade Celsius.

Urmează Stratosfera. Se întinde până la 50 de kilometri. În acest strat al atmosferei, temperatura crește odată cu înălțimea, dobândind o valoare în punctul de vârf de aproximativ 0 C. Creșterea temperaturii este cauzată de procesul de absorbție a razelor ultraviolete de către stratul de ozon. Radiația provoacă o reacție chimică. Moleculele de oxigen se descompun în atomi unici, care se pot combina cu molecule normale de oxigen pentru a forma ozon.

Radiația de la soare cu lungimi de undă între 10 și 400 de nanometri este clasificată drept ultravioletă. Cu cât lungimea de undă a radiației UV este mai mică, cu atât pericolul pe care îl reprezintă pentru organismele vii este mai mare. Doar o mică parte din radiație ajunge la suprafața Pământului și partea mai puțin activă a spectrului său. Această caracteristică a naturii permite unei persoane să obțină un bronz sănătos.

Următorul strat al atmosferei se numește Mezosferă. Limite de la aproximativ 50 km până la 85 km. În mezosferă, concentrația de ozon, care ar putea capta energia UV, este scăzută, astfel încât temperatura începe din nou să scadă odată cu înălțimea. În punctul de vârf, temperatura scade la -90 C, unele surse indică o valoare de -130 C. Majoritatea meteoroizilor ard în acest strat al atmosferei.

Stratul atmosferei, care se întinde de la o înălțime de 85 km până la o distanță de 600 km de Pământ, se numește Termosferă. Termosfera este prima care se întâlnește radiatie solara, inclusiv așa-numitul ultraviolet în vid.

Vidul UV este reținut de aer, încălzind astfel acest strat al atmosferei la temperaturi enorme. Cu toate acestea, deoarece presiunea aici este extrem de scăzută, acest gaz aparent fierbinte nu are același efect asupra obiectelor ca în condițiile de pe suprafața pământului. Dimpotrivă, obiectele plasate într-un astfel de mediu se vor răci.

La o altitudine de 100 km trece linia convențională „linia Karman”, care este considerată a fi începutul spațiului.

Aurorele apar în termosferă. În acest strat al atmosferei, vântul solar interacționează cu câmpul magnetic al planetei.

Ultimul strat Atmosfera este Exosfera, învelișul exterior extinzându-se pe mii de kilometri. Exosfera este practic loc gol Cu toate acestea, numărul de atomi care rătăcesc aici este cu un ordin de mărime mai mare decât în spațiul interplanetar.

Un bărbat respiră aer. Presiunea normală este de 760 de milimetri de mercur. La o altitudine de 10.000 m presiunea este de aproximativ 200 mm. rt. Artă. La o astfel de înălțime o persoană poate să respire, cel puțin pentru o perioadă scurtă de timp, dar acest lucru necesită pregătire. Statul va fi clar inoperabil.

Compoziția gazelor atmosferice: 78% azot, 21% oxigen, aproximativ un procent de argon; restul este un amestec de gaze reprezentând cea mai mică fracțiune din total.

10,045×103 J/(kg*K) (în intervalul de temperatură de la 0-100°C), C v 8,3710*103 J/(kg*K) (0-1500°C). Solubilitatea aerului în apă la 0°C este de 0,036%, la 25°C - 0,22%.

Compoziția atmosferică

Istoria formării atmosferice

Istoria timpurie

În prezent, știința nu poate urmări toate etapele formării Pământului cu o precizie sută la sută. 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. În etapa următoare, activitatea vulcanică activă a dus la saturarea atmosferei cu alte gaze decât hidrogenul (hidrocarburi, amoniac, vapori de apă). Așa s-a format atmosfera secundara. Această atmosferă era reconfortantă. În plus, procesul de formare a atmosferei a fost determinat de următorii factori:

scurgere constantă de hidrogen în spațiul interplanetar;
reacții chimice care au loc în atmosferă sub influența radiațiilor ultraviolete, descărcări de fulgereși alți factori.

Treptat, acești factori au dus la formare atmosfera tertiara, caracterizat printr-un continut mult mai mic de hidrogen si un continut mult mai mare de azot si dioxid de carbon(format ca urmare reacții chimice din amoniac şi hidrocarburi).

Apariția vieții și a oxigenului

Odată cu apariția organismelor vii pe Pământ ca urmare a fotosintezei, însoțită de eliberarea de oxigen și absorbția dioxidului de carbon, compoziția atmosferei a început să se schimbe. Există totuși date (analiza compoziției izotopice a oxigenului atmosferic și cea eliberată în timpul fotosintezei) care indică originea geologică a oxigenului atmosferic.

Inițial, oxigenul a fost cheltuit pentru oxidarea compușilor reduși - hidrocarburi, formă feroasă de fier conținută în oceane etc. La sfârșitul acestei etape, conținutul de oxigen din atmosferă a început să crească.

În anii 1990, au fost efectuate experimente pentru a crea un sistem ecologic închis („Biosfera 2”), timp în care nu a fost posibil să se creeze un sistem stabil cu o compoziție uniformă a aerului. Influența microorganismelor a dus la scăderea nivelului de oxigen și la creșterea cantității de dioxid de carbon.

Azot

Formarea unei cantități mari de N 2 se datorează oxidării atmosferei primare de amoniac-hidrogen cu O 2 molecular, care a început să iasă de la suprafața planetei ca urmare a fotosintezei, se presupune că acum aproximativ 3 miliarde de ani (conform la o altă versiune, oxigenul atmosferic este de origine geologică). Azotul este oxidat la NO în straturile superioare ale atmosferei, folosit în industrie și legat de bacteriile fixatoare de azot, în timp ce N2 este eliberat în atmosferă ca urmare a denitrificării nitraților și a altor compuși care conțin azot.

Azotul N 2 este un gaz inert și reacționează numai în condiții specifice (de exemplu, în timpul unei descărcări de fulgere). Cianobacteriile și unele bacterii (de exemplu, bacteriile nodulare care formează simbioză rizobială cu plantele leguminoase) o pot oxida și transforma în formă biologică.

Oxidarea azotului molecular prin descărcări electrice este utilizată în productie industriala îngrășăminte cu azot, a dus, de asemenea, la formarea de zăcăminte unice de salitre în deșertul chilian Atacama.

gaze nobile

Arderea combustibilului este principala sursă de gaze poluante (CO, NO, SO2). Dioxidul de sulf este oxidat de aerul O 2 la SO 3 în straturile superioare ale atmosferei, care interacționează cu vaporii de H 2 O și NH 3, iar H 2 SO 4 și (NH 4) 2 SO 4 rezultate se întorc la suprafața Pământului. împreună cu precipitare. Utilizarea motoarelor cu ardere internă duce la o poluare semnificativă a atmosferei cu oxizi de azot, hidrocarburi și compuși de Pb.

Poluarea atmosferei cu aerosoli se datorează ambelor cauze naturale (erupții vulcanice, furtuni de praf, antrenare de picături apa de mareși particule de polen vegetal etc.) și activitate economică oameni (exploatarea minereului și materiale de construcții, 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.

Structura atmosferei și caracteristicile cochiliilor individuale

Starea fizică a atmosferei este determinată de vreme și climă. Parametrii de bază ai atmosferei: densitatea aerului, presiunea, temperatura și compoziția. Pe măsură ce altitudinea crește, densitatea aerului și presiunea atmosferică scad. Temperatura se modifică, de asemenea, odată cu schimbările de altitudine. Structura verticală Atmosfera se caracterizează prin temperatură și proprietăți electrice diferite, condiții diferite de aer. În funcție de temperatura din atmosferă, se disting următoarele straturi principale: troposferă, stratosferă, mezosferă, termosferă, exosferă (sfera de împrăștiere). Regiunile de tranziție ale atmosferei dintre cochiliile vecine se numesc tropopauză, stratopauză etc.

troposfera

Stratosferă

În stratosferă și în straturile superioare, sub influența radiației solare, moleculele de gaz se disociază în atomi (peste 80 km CO 2 și H 2 se disociază, peste 150 km - O 2, peste 300 km - H 2). La o altitudine de 100-400 km, ionizarea gazelor are loc și în ionosferă; la o altitudine de 320 km, concentrația particulelor încărcate (O + 2, O - 2, N + 2) este ~ 1/300 din concentrația de particule neutre. În straturile superioare ale atmosferei există radicali liberi - OH, HO 2 etc.

Aproape că nu există vapori de apă în stratosferă.

Mezosfera

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 gazului, 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-numitul vid din spațiul apropiat, 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 aceste particule 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 homosferăȘi 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 atmosferice

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 respirație. 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 normal presiune atmosferică este de 110 mm Hg. Art., presiunea dioxidului de carbon - 40 mm Hg. Art., iar vaporii de apă −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.

Toți cei care au zburat într-un avion sunt obișnuiți cu acest tip de mesaj: „zborul nostru are loc la o altitudine de 10.000 m, temperatura de afară este de 50 ° C”. Nu pare nimic deosebit. Cu cât este mai departe de suprafața Pământului încălzită de Soare, cu atât este mai rece. Mulți oameni cred că temperatura scade continuu odată cu altitudinea și că temperatura scade treptat, apropiindu-se de temperatura spațiului. Apropo, oamenii de știință au crezut așa până la sfârșitul secolului al XIX-lea.

Să aruncăm o privire mai atentă asupra distribuției temperaturii aerului pe Pământ. Atmosfera este împărțită în mai multe straturi, care reflectă în primul rând natura schimbărilor de temperatură.

Stratul inferior al atmosferei se numește troposfera, care înseamnă „sfera de rotație.” Toate schimbările de vreme și climă sunt rezultatul proceselor fizice care au loc tocmai în acest strat. Limita superioară a acestui strat este situată acolo unde scăderea temperaturii cu înălțimea este înlocuită de creșterea acesteia - aproximativ la o altitudine de 15-16 km deasupra ecuatorului și 7-8 km deasupra polilor.Ca și Pământul însuși, atmosfera, sub influența rotației planetei noastre, este și ea oarecum turtită deasupra polilor și se umflă deasupra ecuatorului. Cu toate acestea, acest efect se exprimă în atmosferă mult mai puternic decât în învelișul solid al Pământului.În direcția de la suprafața Pământului spre La limita superioară a troposferei, temperatura aerului scade.Deasupra ecuatorului temperatura minima aerul este de aproximativ -62°C, iar deasupra polilor aproximativ -45°C. La latitudini temperate, peste 75% din masa atmosferei se află în troposferă. La tropice, aproximativ 90% din masa atmosferei este situată în troposferă.

În 1899, s-a găsit un minim în profilul vertical de temperatură la o anumită altitudine, iar apoi temperatura a crescut ușor. Începutul acestei creșteri înseamnă trecerea la următorul strat al atmosferei - la stratosferă, care înseamnă „sfera stratului”. Termenul stratosferă înseamnă și reflectă ideea anterioară a unicității stratului situat deasupra troposferei. Stratosfera se extinde la o altitudine de aproximativ 50 km deasupra suprafeței pământului. Particularitatea sa este , în special, o creștere bruscă a temperaturii aerului.Această creștere a temperaturii se explică reacția de formare a ozonului este una dintre principalele reacții chimice care au loc în atmosferă.

Cea mai mare parte a ozonului este concentrată la altitudini de aproximativ 25 km, dar, în general, stratul de ozon este o înveliș foarte extins, care acoperă aproape toată stratosfera. Interacțiunea oxigenului cu razele ultraviolete este unul dintre procesele benefice din atmosfera pământului care contribuie la menținerea vieții pe Pământ. Absorbția acestei energii de către ozon previne curgerea excesivă a acesteia la suprafața pământului, unde se creează exact nivelul de energie care este potrivit pentru existența formelor de viață terestre. Ozonosfera absoarbe o parte din energia radiantă care trece prin atmosferă. Ca urmare, în ozonosferă se stabilește un gradient vertical de temperatură a aerului de aproximativ 0,62°C la 100 m, adică temperatura crește odată cu altitudinea până la limita superioară a stratosferei - stratopauza (50 km), ajungând, conform unele date, 0°C.

La altitudini de la 50 la 80 km există un strat al atmosferei numit mezosferă. Cuvântul „mezosferă” înseamnă „sferă intermediară”, unde temperatura aerului continuă să scadă odată cu înălțimea. Deasupra mezosferei, într-un strat numit termosferă, temperatura crește din nou cu altitudinea până la aproximativ 1000°C, iar apoi scade foarte repede la -96°C. Cu toate acestea, nu scade la infinit, apoi temperatura crește din nou.

Termosferă este primul strat ionosferă. Spre deosebire de straturile menționate anterior, ionosfera nu se distinge prin temperatură. Ionosfera este o zonă de natură electrică care face posibile multe tipuri de comunicații radio. Ionosfera este împărțită în mai multe straturi, desemnate prin literele D, E, F1 și F2. Aceste straturi au și denumiri speciale. Separarea în straturi este cauzată de mai multe motive, printre care cel mai important este influența inegală a straturilor asupra trecerii undelor radio. Stratul cel mai de jos, D, absoarbe în principal undele radio și astfel împiedică propagarea lor ulterioară. Cel mai bine studiat stratul E este situat la o altitudine de aproximativ 100 km deasupra suprafeței pământului. Este numit și stratul Kennelly-Heaviside după numele oamenilor de știință americani și englezi care l-au descoperit simultan și independent. Stratul E, ca o oglindă uriașă, reflectă undele radio. Datorită acestui strat, undele radio lungi parcurg distanțe mai mari decât ar fi de așteptat dacă s-ar propaga doar în linie dreaptă, fără a fi reflectate de stratul E. Stratul F are proprietăți similare.Se mai numește și stratul Appleton. Împreună cu stratul Kennelly-Heaviside, reflectă undele radio către stațiile radio terestre.O astfel de reflexie poate avea loc în diferite unghiuri. Stratul Appleton este situat la o altitudine de aproximativ 240 km.

Regiunea cea mai exterioară a atmosferei, al doilea strat al ionosferei, este adesea numită exosfera. Acest termen se referă la existența periferiei spațiului în apropierea Pământului. Este dificil de determinat exact unde se termină atmosfera și unde începe spațiul, deoarece densitatea crește odată cu înălțimea. gazele atmosferice scade treptat, iar atmosfera însăși se transformă treptat într-un vid, în care apar doar molecule individuale. Deja la o altitudine de aproximativ 320 km, densitatea atmosferei este atât de scăzută încât moleculele pot călători mai mult de 1 km fără să se ciocnească între ele. Partea cea mai exterioară a atmosferei servește drept graniță superioară, care este situată la altitudini de la 480 la 960 km.

Mai multe informații despre procesele din atmosferă pot fi găsite pe site-ul „Earth Climate”