Атмосферата има слоеста структура. Границите между слоевете не са резки и височината им зависи от географската ширина и сезона. Слоестата структура е резултат от температурни промени на различни височини. Времето се формира в тропосферата (по-ниско около 10 km: около 6 km над полюсите и повече от 16 km над екватора). А горната граница на тропосферата е по-висока през лятото, отколкото през зимата.
От земната повърхност нагоре тези слоеве са:
Тропосфера
Стратосфера
мезосферата
Термосфера
Екзосфера
Тропосфера
Долната част на атмосферата, до височина 10-15 km, в която е концентрирана 4/5 от цялата маса на атмосферния въздух, се нарича тропосфера. Характерно за него е, че температурата тук намалява с височина средно с 0,6°/100 m (в някои случаи разпределението на температурата по вертикала варира в широк диапазон). Тропосферата съдържа почти цялата водна пара в атмосферата и се образуват почти всички облаци. Тук също е силно развита турбулентността, особено близо до земната повърхност, както и в така наречените струйни течения в горната част на тропосферата.
Височината, до която се простира тропосферата над всяко място на Земята, варира от ден на ден. Освен това, дори средно, тя е различна под различни географски ширини и през различните сезони на годината. Средно годишната тропосфера се простира над полюсите до височина около 9 km, над умерените ширини до 10-12 km и над екватора до 15-17 km. Средната годишна температура на въздуха близо до земната повърхност е около +26° на екватора и около -23° на северния полюс. На горната граница на тропосферата над екватора средната температура е около -70°, над северния полюс през зимата около -65°, а през лятото около -45°.
Въздушното налягане на горната граница на тропосферата, съответстващо на нейната височина, е 5-8 пъти по-ниско, отколкото на земната повърхност. Следователно по-голямата част от атмосферния въздух се намира в тропосферата. Процесите, протичащи в тропосферата, са от пряко и решаващо значение за времето и климата в близост до земната повърхност.
Цялата водна пара е концентрирана в тропосферата, поради което всички облаци се образуват в тропосферата. Температурата намалява с надморска височина.
Слънчевите лъчи лесно преминават през тропосферата, а топлината, която Земята нагрява от слънчевите лъчи, се натрупва в тропосферата: газове като въглероден диоксид, метан и водни пари задържат топлината. Този механизъм на затопляне на атмосферата от Земята, нагрята от слънчевата радиация, се нарича парников ефект. Тъй като Земята е източник на топлина за атмосферата, температурата на въздуха намалява с височината.
Границата между турбулентната тропосфера и спокойната стратосфера се нарича тропопауза. Тук се образуват бързо движещи се ветрове, наречени "струйни потоци".
Някога се предполагаше, че температурата на атмосферата също пада над тропосферата, но измерванията във високите слоеве на атмосферата показаха, че това не е така: непосредствено над тропопаузата температурата е почти постоянна, а след това започва да се повишава. хоризонтални ветрове духат в стратосферата, без да образуват турбуленция. Въздухът в стратосферата е много сух и затова облаците са рядкост. Образуват се така наречените седефени облаци.
Стратосферата е много важна за живота на Земята, тъй като именно в този слой има малко количество озон, който абсорбира силна ултравиолетова радиация, която е вредна за живота. Поглъщайки ултравиолетовата радиация, озонът загрява стратосферата.
Стратосфера
Над тропосферата до височина 50-55 km лежи стратосферата, характеризираща се с това, че температурата в нея средно се повишава с височината. Преходният слой между тропосферата и стратосферата (с дебелина 1-2 km) се нарича тропопауза.
По-горе бяха данни за температурата на горната граница на тропосферата. Тези температури са характерни и за долната стратосфера. Така температурата на въздуха в долната стратосфера над екватора винаги е много ниска; освен това през лятото е много по-ниско, отколкото над полюса.
Долната стратосфера е повече или по-малко изотермична. Но, като се започне от височина около 25 км, температурата в стратосферата бързо нараства с височината, достигайки максимални, освен това положителни стойности (от +10 до +30 °) на височина от около 50 км. Поради повишаването на температурата с височината турбуленцията в стратосферата е ниска.
В стратосферата има много малко водна пара. Въпреки това, на височини от 20-25 km, понякога на високи ширини се наблюдават много тънки, така наречените седефени облаци. През деня те не се виждат, но през нощта сякаш светят, тъй като са осветени от слънцето под хоризонта. Тези облаци са съставени от преохладени водни капчици. Стратосферата се характеризира и с факта, че съдържа основно атмосферен озон, както беше споменато по-горе.
мезосферата
Над стратосферата лежи слой от мезосферата, достигащ около 80 км. Тук температурата пада с височина до няколко десетки градуса под нулата. Поради бързото спадане на температурата с височината, турбулентността е силно развита в мезосферата. На височини, близки до горната граница на мезосферата (75-90 km), все още има специален вид облаци, също осветени от слънцето през нощта, така наречените сребърни облаци. Най-вероятно е те да са съставени от ледени кристали.
На горната граница на мезосферата налягането на въздуха е 200 пъти по-ниско, отколкото на земната повърхност. Така тропосферата, стратосферата и мезосферата заедно, до височина от 80 km, съдържат повече от 99,5% от общата маса на атмосферата. Горните слоеве съдържат незначително количество въздух
На височина от около 50 км над Земята температурата отново започва да пада, отбелязвайки горната граница на стратосферата и началото на следващия слой – мезосферата. Мезосферата има най-ниската температура в атмосферата: от -2 до -138 градуса по Целзий. Ето най-високите облаци: при ясно време те могат да се видят при залез слънце. Наричат се нощни (светещи през нощта).
Термосфера
Горната част на атмосферата, над мезосферата, се характеризира с много високи температури и затова се нарича термосфера. В него обаче се разграничават две части: йоносферата, която се простира от мезосферата до височини от порядъка на хиляда километра, и външната част, лежаща над нея - екзосферата, преминаваща в земната корона.
Въздухът в йоносферата е изключително разреден. Вече посочихме, че на височини 300-750 km средната му плътност е около 10-8-10-10 g/m3. Но дори и с толкова ниска плътност, всеки кубичен сантиметър въздух на височина от 300 km все още съдържа около един милиард (109) молекули или атоми, а на височина от 600 km - повече от 10 милиона (107). Това е с няколко порядъка по-голямо от съдържанието на газове в междупланетното пространство.
Йоносферата, както казва самото име, се характеризира с много силна степен на йонизация на въздуха - съдържанието на йони тук е многократно по-голямо, отколкото в подлежащите слоеве, въпреки силното цялостно разреждане на въздуха. Тези йони са главно заредени кислородни атоми, заредени молекули на азотен оксид и свободни електрони. Съдържанието им на височини 100-400 км е около 1015-106 на кубичен сантиметър.
В йоносферата се разграничават няколко слоя или области с максимална йонизация, особено на височини от 100-120 km и 200-400 km. Но дори в интервалите между тези слоеве степента на йонизация на атмосферата остава много висока. Позицията на йоносферните слоеве и концентрацията на йони в тях се променят през цялото време. Спорадичните натрупвания на електрони с особено висока концентрация се наричат електронни облаци.
Електрическата проводимост на атмосферата зависи от степента на йонизация. Следователно в йоносферата електрическата проводимост на въздуха обикновено е 1012 пъти по-голяма от тази на земната повърхност. Радиовълните изпитват абсорбция, пречупване и отражение в йоносферата. Вълните, по-дълги от 20 m, изобщо не могат да преминат през йоносферата: те вече се отразяват от електронни слоеве с ниска концентрация в долната част на йоносферата (на височини 70-80 km). Средните и късите вълни се отразяват от горните йоносферни слоеве.
Благодарение на отражението от йоносферата е възможна комуникация на дълги разстояния при къси вълни. Множество отражения от йоносферата и земната повърхност позволяват на късите вълни да се разпространяват зигзагообразно на дълги разстояния, заобикаляйки повърхността на земното кълбо. Тъй като положението и концентрацията на йоносферните слоеве се променят непрекъснато, се променят и условията за поглъщане, отразяване и разпространение на радиовълните. Следователно надеждната радиокомуникация изисква непрекъснато изследване на състоянието на йоносферата. Наблюденията върху разпространението на радиовълните са именно средството за такова изследване.
В йоносферата се наблюдават полярни сияния и близко до тях в природата блясък на нощното небе - постоянна луминесценция на атмосферния въздух, както и резки флуктуации в магнитното поле - йоносферни магнитни бури.
Йонизацията в йоносферата дължи своето съществуване на действието на ултравиолетовото лъчение от Слънцето. Неговото поглъщане от атмосферни газови молекули води до появата на заредени атоми и свободни електрони, както беше обсъдено по-горе. Флуктуациите в магнитното поле в йоносферата и полярните сияния зависят от колебанията в слънчевата активност. Промените в слънчевата активност се свързват с промени в потока на корпускулярната радиация, идваща от Слънцето в земната атмосфера. А именно, корпускулното излъчване е от основно значение за тези йоносферни явления.
Температурата в йоносферата нараства с височина до много високи стойности. На височина около 800 км достига 1000°.
Говорейки за високите температури на йоносферата, те означават, че частиците от атмосферни газове се движат там с много висока скорост. Плътността на въздуха в йоносферата обаче е толкова ниска, че тяло, разположено в йоносферата, като летящ спътник, няма да се нагрява от топлообмен с въздух. Температурният режим на спътника ще зависи от директното поглъщане на слънчевата радиация от него и от връщането на собствената му радиация в околното пространство. Термосферата се намира над мезосферата на височина от 90 до 500 км над земната повърхност. Молекулите на газа тук са силно разпръснати, поглъщат рентгеновите лъчи и късовълновата част на ултравиолетовото лъчение. Поради това температурата може да достигне 1000 градуса по Целзий.
Термосферата по същество съответства на йоносферата, където йонизираният газ отразява радиовълните обратно към Земята - това явление прави възможно установяване на радио комуникации.
Екзосфера
Над 800-1000 км атмосферата преминава в екзосферата и постепенно в междупланетното пространство. Тук скоростите на газовите частици, особено на леките, са много високи и поради изключително разредения въздух на тези височини частиците могат да летят около Земята по елиптични орбити, без да се сблъскват една с друга. В този случай отделните частици могат да имат скорости, достатъчни за преодоляване на силата на гравитацията. За незаредените частици критичната скорост ще бъде 11,2 км/сек. Такива особено бързи частици могат, движейки се по хиперболични траектории, да излитат от атмосферата в космоса, да "избягат" и да се разсеят. Следователно екзосферата се нарича още разсейваща сфера.
Излизат предимно водородни атоми, който е доминиращият газ в най-високите слоеве на екзосферата.
Наскоро се приема, че екзосферата, а с нея и земната атмосфера като цяло, завършва на височини от порядъка на 2000-3000 км. Но наблюденията от ракети и спътници пораждат идеята, че водородът, излизащ от екзосферата, образува така наречената земна корона около Земята, която се простира на повече от 20 000 км. Разбира се, плътността на газа в земната корона е незначителна. За всеки кубичен сантиметър има средно около хиляда частици. Но в междупланетното пространство концентрацията на частици (главно протони и електрони) е поне десет пъти по-малка.
С помощта на спътници и геофизични ракети съществуването в горната част на атмосферата и в околоземното космическо пространство на радиационния пояс на Земята, който започва на височина от няколкостотин километра и се простира на десетки хиляди километри от земната повърхност, е установена. Този пояс се състои от електрически заредени частици – протони и електрони, уловени от магнитното поле на Земята и движещи се с много висока скорост. Тяхната енергия е от порядъка на стотици хиляди електронволта. Радиационният пояс постоянно губи частици в земната атмосфера и се попълва от потоци от слънчева корпускулярна радиация.
температура на атмосферата стратосфера тропосфера
Земната атмосфера е газовата обвивка на нашата планета. Долната му граница минава на нивото на земната кора и хидросферата, а горната преминава в околоземната област на космическото пространство. Атмосферата съдържа около 78% азот, 20% кислород, до 1% аргон, въглероден диоксид, водород, хелий, неон и някои други газове.
Тази земна обвивка се характеризира с ясно изразено наслояване. Слоевете на атмосферата се определят от вертикалното разпределение на температурата и различната плътност на газовете на различните й нива. Има такива слоеве на земната атмосфера: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, екзосфера. Йоносферата се разграничава отделно.
До 80% от общата маса на атмосферата е тропосферата - долният повърхностен слой на атмосферата. Тропосферата в полярните зони се намира на ниво до 8-10 km над земната повърхност, в тропическата зона - до максимум 16-18 km. Между тропосферата и горната стратосфера се намира тропопаузата - преходният слой. В тропосферата температурата намалява с увеличаване на надморската височина, а атмосферното налягане намалява с надморската височина. Средният температурен градиент в тропосферата е 0,6°C на 100 м. Температурата на различни нива на тази обвивка се определя от поглъщането на слънчевата радиация и ефективността на конвекцията. Почти цялата човешка дейност се извършва в тропосферата. Най-високите планини не излизат извън тропосферата, само въздушният транспорт може да пресече горната граница на тази черупка на малка височина и да бъде в стратосферата. Голяма част от водната пара се съдържа в тропосферата, което определя образуването на почти всички облаци. Също така почти всички аерозоли (прах, дим и др.), които се образуват на земната повърхност, са концентрирани в тропосферата. В граничния долен слой на тропосферата се изразяват ежедневни колебания в температурата и влажността на въздуха, скоростта на вятъра обикновено се намалява (увеличава се с надморска височина). В тропосферата има променливо разделение на въздушния стълб на въздушни маси в хоризонтална посока, които се различават по редица характеристики в зависимост от пояса и областта на тяхното образуване. При атмосферните фронтове - границите между въздушните маси - се образуват циклони и антициклони, които определят времето в определена област за определен период от време.
Стратосферата е слоят на атмосферата между тропосферата и мезосферата. Границите на този слой варират от 8-16 km до 50-55 km над земната повърхност. В стратосферата газовият състав на въздуха е приблизително същият като в тропосферата. Отличителна черта е намаляването на концентрацията на водни пари и увеличаване на съдържанието на озон. Озоновият слой на атмосферата, който предпазва биосферата от агресивното въздействие на ултравиолетовата светлина, е на ниво от 20 до 30 км. В стратосферата температурата се повишава с височината, а температурните стойности се определят от слънчевата радиация, а не от конвекция (движения на въздушните маси), както в тропосферата. Загряването на въздуха в стратосферата се дължи на поглъщането на ултравиолетовото лъчение от озона.
Мезосферата се простира над стратосферата до ниво от 80 km. Този атмосферен слой се характеризира с факта, че с нарастване на височината температурата намалява от 0 ° C до - 90 ° C. Това е най-студеният регион на атмосферата.
Над мезосферата е термосферата до ниво от 500 км. От границата с мезосферата до екзосферата температурата варира от приблизително 200 K до 2000 K. До ниво от 500 km плътността на въздуха намалява няколкостотин хиляди пъти. Относителният състав на атмосферните компоненти на термосферата е подобен на повърхностния слой на тропосферата, но с увеличаване на надморската височина повече кислород преминава в атомно състояние. Определена част от молекулите и атомите на термосферата са в йонизирано състояние и са разпределени в няколко слоя, те са обединени от концепцията за йоносферата. Характеристиките на термосферата варират в широк диапазон в зависимост от географската ширина, количеството слънчева радиация, времето на годината и деня.
Горният слой на атмосферата е екзосферата. Това е най-тънкият слой на атмосферата. В екзосферата средният свободен път на частиците е толкова огромен, че частиците могат свободно да избягат в междупланетното пространство. Масата на екзосферата е една десет милионна от общата маса на атмосферата. Долната граница на екзосферата е нивото 450-800 км, а горната граница е зоната, където концентрацията на частици е същата като в космическото пространство - на няколко хиляди километра от земната повърхност. Екзосферата се състои от плазма, йонизиран газ. Също така в екзосферата са радиационните пояси на нашата планета.
Видео презентация - слоеве на земната атмосфера:
Свързано съдържание:
Пространството е изпълнено с енергия. Енергията запълва пространството неравномерно. Има места за неговото съсредоточаване и изхвърляне. По този начин можете да оцените плътността. Планетата е подредена система, с максимална плътност на материята в центъра и с постепенно намаляване на концентрацията към периферията. Силите на взаимодействие определят състоянието на материята, формата, в която тя съществува. Физиката описва състоянието на агрегация на веществата: твърди, течни, газообразни и т.н.
Атмосферата е газообразната среда, която заобикаля планетата. Земната атмосфера позволява свободно движение и позволява на светлината да преминава, създавайки пространство, в което животът процъфтява.
Площта от земната повърхност до височина от приблизително 16 километра (по-малко от екватора до полюсите, също зависи от сезона) се нарича тропосфера. Тропосферата е слоят, който съдържа около 80% от въздуха в атмосферата и почти цялата водна пара. Именно тук протичат процесите, които оформят времето. Налягането и температурата намаляват с височината. Причината за понижаването на температурата на въздуха е адиабатен процес, когато газът се разширява, той се охлажда. На горната граница на тропосферата стойностите могат да достигнат -50, -60 градуса по Целзий.
Следва Стратосферата. Тя се простира до 50 километра. В този слой на атмосферата температурата нараства с височината, придобивайки стойност в горната точка от около 0 С. Повишаването на температурата се причинява от процеса на поглъщане на ултравиолетовите лъчи от озоновия слой. Радиацията предизвиква химическа реакция. Кислородните молекули се разпадат на единични атоми, които могат да се комбинират с нормалните кислородни молекули, за да образуват озон.
Излъчването от слънцето с дължини на вълната между 10 и 400 нанометра се класифицира като ултравиолетово. Колкото по-къса е дължината на вълната на UV лъчението, толкова по-голяма е опасността то за живите организми. Само малка част от радиацията достига до повърхността на Земята, освен това по-малко активната част от нейния спектър. Тази особеност на природата позволява на човек да получи здравословен слънчев тен.
Следващият слой на атмосферата се нарича мезосфера. Ограничения от приблизително 50 км до 85 км. В мезосферата концентрацията на озон, който може да улови UV енергията, е ниска, така че температурата започва да пада отново с височина. В пиковата точка температурата пада до -90 C, някои източници сочат стойност от -130 C. Повечето метеороиди изгарят в този слой на атмосферата.
Слоят на атмосферата, който се простира от височина от 85 km до разстояние от 600 km от Земята, се нарича термосфера. Термосферата е първата, която среща слънчевата радиация, включително т. нар. вакуумна ултравиолетова.
Вакуумното UV се забавя от въздуха, като по този начин нагрява този слой на атмосферата до огромни температури. Въпреки това, тъй като налягането тук е изключително ниско, този привидно нажежен газ няма същия ефект върху обектите, както при условия на земната повърхност. Напротив, предметите, поставени в такава среда, ще се охладят.
На височина от 100 км минава условната линия "линия на Карман", която се счита за начало на космоса.
Сиянията се появяват в термосферата. В този слой на атмосферата слънчевият вятър взаимодейства с магнитното поле на планетата.
Последният слой на атмосферата е екзосферата, външна обвивка, която се простира на хиляди километри. Екзосферата е на практика празно място, но броят на атомите, скитащи тук, е с порядък по-голям, отколкото в междупланетното пространство.
Човекът диша въздух. Нормалното налягане е 760 милиметра живачен стълб. На височина от 10 000 m налягането е около 200 mm. rt. Изкуство. На тази височина човек вероятно може да диша, поне не за дълго време, но това изисква подготовка. Очевидно държавата ще бъде неработоспособна.
Газовият състав на атмосферата: 78% азот, 21% кислород, около процент аргон, всичко останало е смес от газове, представляващи най-малката част от общото количество.
Понякога атмосферата, която заобикаля нашата планета в дебел слой, се нарича пети океан. Нищо чудно, че второто име на самолета е самолет. Атмосферата е смес от различни газове, сред които преобладават азот и кислород. Благодарение на последното животът на планетата е възможен във вида, с който всички сме свикнали. В допълнение към тях има още 1% други компоненти. Това са инертни (не влизащи в химични взаимодействия) газове, серен оксид Петият океан също съдържа механични примеси: прах, пепел и др. Всички слоеве на атмосферата общо се простират на почти 480 км от повърхността (данните са различни, ние ще се спра на тази точка по-подробно по-нататък). Такава впечатляваща дебелина образува един вид непроницаем щит, който предпазва планетата от разрушително космическо излъчване и големи обекти.
Разграничават се следните слоеве на атмосферата: тропосферата, последвана от стратосферата, след това мезосферата и накрая термосферата. Горният ред започва от повърхността на планетата. Плътните слоеве на атмосферата са представени от първите два. Те филтрират значителна част от разрушителното
Най-ниският слой на атмосферата, тропосферата, се простира само на 12 км над морското равнище (18 км в тропиците). Тук е концентрирана до 90% от водната пара, така че в нея се образуват облаци. Тук също е концентрирана по-голямата част от въздуха. Всички следващи слоеве на атмосферата са по-студени, тъй като близостта до повърхността позволява отразената слънчева светлина да загрява въздуха.
Стратосферата се простира до почти 50 км от повърхността. Повечето метеорологични балони "плуват" в този слой. Тук могат да летят и някои видове самолети. Една от невероятните характеристики е температурният режим: в интервала от 25 до 40 км температурата на въздуха започва да се повишава. От -60 се покачва до почти 1. След това следва леко понижение до нула, което се запазва до височина от 55 км. Горната граница е позорното
Освен това мезосферата се простира почти до 90 км. Тук температурата на въздуха рязко пада. На всеки 100 метра надморска височина има спад от 0,3 градуса. Понякога се нарича най-студената част на атмосферата. Плътността на въздуха е ниска, но е напълно достатъчна, за да създаде устойчивост на падащи метеори.
Слоевете на атмосферата в обичайния смисъл завършват на височина от около 118 км. Тук се образуват известните полярни сияния. Областта на термосферата започва отгоре. Поради рентгеновите лъчи настъпва йонизацията на тези няколко въздушни молекули, съдържащи се в тази област. Тези процеси създават така наречената йоносфера (тя често се включва в термосферата, поради което не се разглежда отделно).
Всичко над 700 км се нарича екзосфера. въздухът е изключително малък, така че те се движат свободно, без да изпитват съпротивление поради сблъсъци. Това позволява на някои от тях да акумулират енергия, съответстваща на 160 градуса по Целзий, въпреки факта, че температурата на околната среда е ниска. Газовите молекули са разпределени в целия обем на екзосферата в съответствие с тяхната маса, така че най-тежките от тях могат да бъдат намерени само в долната част на слоя. Привличането на планетата, което намалява с височината, вече не е в състояние да задържа молекули, така че космическите високоенергийни частици и радиацията дават на молекулите на газа импулс, достатъчен да напуснат атмосферата. Този регион е един от най-дългите: смята се, че атмосферата напълно преминава във вакуума на космоса на височини, по-големи от 2000 км (понякога дори се появява числото 10 000). Изкуствени орбити все още в термосферата.
Всички тези числа са приблизителни, тъй като границите на атмосферните слоеве зависят от редица фактори, например от активността на Слънцето.
Атмосферата (от други гръцки ἀτμός - пара и σφαῖρα - топка) е газообразна обвивка (геосфера), обграждаща планетата Земя. Вътрешната му повърхност покрива хидросферата и частично земната кора, докато външната й повърхност граничи с околоземната част на космическото пространство.
Съвкупността от раздели по физика и химия, които изучават атмосферата, обикновено се нарича атмосферна физика. Атмосферата определя времето на повърхността на Земята, метеорологията се занимава с изучаване на времето, а климатологията се занимава с дългосрочни климатични вариации.
Физически свойства
Дебелината на атмосферата е около 120 км от земната повърхност. Общата маса на въздуха в атмосферата е (5.1-5.3) 1018 kg. От тях масата на сухия въздух е (5,1352 ± 0,0003) 1018 kg, общата маса на водната пара е средно 1,27 1016 kg.
Моларната маса на чистия сух въздух е 28,966 g/mol, плътността на въздуха близо до морската повърхност е приблизително 1,2 kg/m3. Налягането при 0 °C на морското равнище е 101,325 kPa; критична температура - -140,7 ° C (~ 132,4 K); критично налягане - 3,7 MPa; Cp при 0 °C - 1,0048 103 J/(kg K), Cv - 0,7159 103 J/(kg K) (при 0 °C). Разтворимостта на въздуха във вода (по маса) при 0°C - 0,0036%, при 25°C - 0,0023%.
За "нормални условия" на земната повърхност се приемат: плътност 1,2 kg/m3, барометрично налягане 101,35 kPa, температура плюс 20 °C и относителна влажност 50%. Тези условни показатели имат чисто инженерна стойност.
Химичен състав
Земната атмосфера е възникнала в резултат на отделянето на газове по време на вулканични изригвания. С появата на океаните и биосферата се образува и поради газообмен с вода, растения, животни и продукти от тяхното разлагане в почви и блата.
Понастоящем земната атмосфера се състои главно от газове и различни примеси (прах, водни капки, ледени кристали, морски соли, продукти на горенето).
Концентрацията на газовете, които съставляват атмосферата, е почти постоянна, с изключение на вода (H2O) и въглероден диоксид (CO2).
Състав на сух въздух
| Азот | ||
| Кислород | ||
| аргон | ||
| Вода | ||
| Въглероден двуокис | ||
| Неон | ||
| хелий | ||
| метан | ||
| Криптон | ||
| водород | ||
| ксенон | ||
| Азотен оксид |
В допълнение към газовете, изброени в таблицата, атмосферата съдържа SO2, NH3, CO, озон, въглеводороди, HCl, HF, Hg пари, I2, както и NO и много други газове в малки количества. В тропосферата постоянно има голямо количество суспендирани твърди и течни частици (аерозоли).
Структурата на атмосферата
Тропосфера
Горната му граница е на височина 8-10 km в полярните, 10-12 km в умерените и 16-18 km в тропическите ширини; по-ниско през зимата, отколкото през лятото. Долният, основен слой на атмосферата съдържа повече от 80% от общата маса на атмосферния въздух и около 90% от всички водни пари, присъстващи в атмосферата. В тропосферата турбулентността и конвекцията са силно развити, появяват се облаци, развиват се циклони и антициклони. Температурата намалява с надморска височина със среден вертикален градиент от 0,65°/100 m
тропопауза
Преходният слой от тропосферата към стратосферата, слоят на атмосферата, в който спадането на температурата с височина спира.
Стратосфера
Слоят на атмосферата, разположен на височина от 11 до 50 км. Характерно е леко изменение на температурата в слоя 11-25 km (долния слой на стратосферата) и повишаването й в слоя 25-40 km от −56,5 до 0,8 °C (горен стратосферен слой или инверсия). След достигане на стойност от около 273 K (почти 0 °C) на височина от около 40 km, температурата остава постоянна до височина от около 55 km. Тази област с постоянна температура се нарича стратопауза и е границата между стратосферата и мезосферата.
Стратопауза
Граничният слой на атмосферата между стратосферата и мезосферата. Има максимум във вертикалното разпределение на температурата (около 0 °C).
мезосферата
Мезосферата започва на височина 50 км и се простира до 80-90 км. Температурата намалява с височината със среден вертикален градиент (0,25-0,3)°/100 м. Основният енергиен процес е лъчистото топлопредаване. Сложни фотохимични процеси, включващи свободни радикали, вибрационно възбудени молекули и др., предизвикват атмосферна луминесценция.
мезопауза
Преходен слой между мезосфера и термосфера. Има минимум във вертикалното разпределение на температурата (около -90 °C).
Линия на Карман
Надморска височина над морското равнище, която условно се приема като граница между земната атмосфера и космоса. Според дефиницията на FAI линията Карман е на надморска височина от 100 км.
Граница на земната атмосфера
Термосфера
Горната граница е около 800 км. Температурата се повишава до височини от 200-300 km, където достига стойности от порядъка на 1500 K, след което остава почти постоянна до голяма надморска височина. Под въздействието на ултравиолетова и рентгенова слънчева радиация и космическа радиация въздухът се йонизира („полярни светлини“) - основните области на йоносферата лежат вътре в термосферата. На височини над 300 km преобладава атомният кислород. Горната граница на термосферата до голяма степен се определя от текущата активност на Слънцето. В периоди на ниска активност - например през 2008-2009 г. - има забележимо намаляване на размера на този слой.
Термопауза
Областта на атмосферата над термосферата. В този регион поглъщането на слънчева радиация е незначително и температурата всъщност не се променя с височината.
Екзосфера (сфера на разсейване)
Екзосфера - зона на разсейване, външната част на термосферата, разположена над 700 км. Газът в екзосферата е силно разреден и следователно неговите частици изтичат в междупланетното пространство (разсейване).
До височина от 100 км атмосферата е хомогенна, добре смесена смес от газове. В по-високите слоеве разпределението на газовете по височина зависи от тяхната молекулна маса, концентрацията на по-тежките газове намалява по-бързо с отдалечаване от земната повърхност. Поради намаляването на плътността на газа, температурата пада от 0 °C в стратосферата до −110 °C в мезосферата. Въпреки това, кинетичната енергия на отделните частици на височини от 200–250 km съответства на температура от ~150 °C. Над 200 km се наблюдават значителни колебания в температурата и плътността на газа във времето и пространството.
На височина около 2000-3500 km екзосферата постепенно преминава в така наречения близо космически вакуум, който е изпълнен със силно разредени частици междупланетен газ, главно водородни атоми. Но този газ е само част от междупланетната материя. Другата част е съставена от прахообразни частици от кометен и метеорен произход. Освен изключително разредените прахови частици, в това пространство проникват електромагнитни и корпускулни лъчения от слънчев и галактически произход.
Тропосферата представлява около 80% от масата на атмосферата, стратосферата - около 20%; масата на мезосферата е не повече от 0,3%, термосферата е по-малко от 0,05% от общата маса на атмосферата. Въз основа на електрическите свойства в атмосферата се разграничават неутросферата и йоносферата. В момента се смята, че атмосферата се простира на височина от 2000-3000 км.
В зависимост от състава на газа в атмосферата се разграничават хомосфера и хетеросфера. Хетеросферата е област, където гравитацията оказва влияние върху разделянето на газовете, тъй като тяхното смесване на такава височина е незначително. Оттук следва променливият състав на хетеросферата. Под него се намира добре смесена, хомогенна част от атмосферата, наречена хомосфера. Границата между тези слоеве се нарича турбопауза и се намира на надморска височина от около 120 км.
Други свойства на атмосферата и въздействие върху човешкото тяло
Вече на височина от 5 км над морското равнище нетрениран човек развива кислороден глад и без адаптация работоспособността на човек е значително намалена. Тук свършва физиологичната зона на атмосферата. Човешкото дишане става невъзможно на височина от 9 км, въпреки че до около 115 км атмосферата съдържа кислород.
Атмосферата ни осигурява кислорода, от който се нуждаем, за да дишаме. Въпреки това, поради намаляването на общото налягане на атмосферата, когато човек се издигне на височина, парциалното налягане на кислорода също намалява съответно.
Белите дробове на човека постоянно съдържат около 3 литра алвеоларен въздух. Парциалното налягане на кислорода в алвеоларния въздух при нормално атмосферно налягане е 110 mm Hg. чл., налягане на въглероден диоксид - 40 mm Hg. чл., и водна пара - 47 mm Hg. Изкуство. С увеличаване на надморската височина налягането на кислорода спада, а общото налягане на водните пари и въглеродния диоксид в белите дробове остава почти постоянно - около 87 mm Hg. Изкуство. Потокът на кислород в белите дробове ще спре напълно, когато налягането на околния въздух стане равно на тази стойност.
На височина около 19-20 km атмосферното налягане пада до 47 mm Hg. Изкуство. Следователно на тази височина водата и интерстициалната течност започват да кипят в човешкото тяло. Извън кабината под налягане на тези височини смъртта настъпва почти мигновено. По този начин, от гледна точка на човешката физиология, "космосът" започва вече на височина 15-19 км.
Плътните слоеве въздух – тропосферата и стратосферата – ни предпазват от вредното въздействие на радиацията. При достатъчно разреждане на въздуха, на надморска височина над 36 km, йонизиращите лъчения, първичните космически лъчи, оказват интензивен ефект върху тялото; на надморска височина над 40 км действа ултравиолетовата част от слънчевия спектър, която е опасна за хората.
С издигането на все по-голяма височина над земната повърхност се наблюдават познати ни явления в долните слоеве на атмосферата, като разпространението на звука, възникването на аеродинамично повдигане и съпротивление, пренос на топлина чрез конвекция и т.н. ., постепенно отслабват и след това напълно изчезват.
В разредените слоеве въздух разпространението на звука е невъзможно. До височини от 60-90 км все още е възможно да се използва въздушно съпротивление и повдигане за контролиран аеродинамичен полет. Но като се започне от височини от 100-130 км, познатите на всеки пилот понятия за числото М и звуковата бариера губят своето значение: минава условната линия на Карман, отвъд която започва зоната на чисто балистичен полет, която може да се управлява само с реактивни сили.
При надморска височина над 100 km атмосферата е лишена и от друго забележително свойство - способността да абсорбира, провежда и пренася топлинна енергия чрез конвекция (т.е. чрез смесване на въздуха). Това означава, че различни елементи от оборудването, оборудването на орбиталната космическа станция няма да могат да се охлаждат отвън по начина, по който обикновено се прави в самолета – с помощта на въздушни струи и въздушни радиатори. На тази височина, както и в космоса като цяло, единственият начин за пренос на топлина е топлинното излъчване.
История на образуването на атмосферата
Според най-разпространената теория земната атмосфера е била в три различни състава във времето. Първоначално се състои от леки газове (водород и хелий), уловени от междупланетното пространство. Това е така наречената първична атмосфера (преди около четири милиарда години). На следващия етап активната вулканична дейност доведе до насищане на атмосферата с газове, различни от водород (въглероден диоксид, амоняк, водна пара). Така се е образувала вторичната атмосфера (около три милиарда години до наши дни). Тази атмосфера беше възстановителна. Освен това процесът на образуване на атмосферата се определя от следните фактори:
- изтичане на леки газове (водород и хелий) в междупланетното пространство;
- химични реакции, протичащи в атмосферата под въздействието на ултравиолетова радиация, светкавични разряди и някои други фактори.
Постепенно тези фактори доведоха до образуването на третична атмосфера, характеризираща се с много по-ниско съдържание на водород и много по-високо съдържание на азот и въглероден диоксид (образувани в резултат на химични реакции от амоняк и въглеводороди).
Азот
Образуването на голямо количество азот N2 се дължи на окисляването на амонячно-водородната атмосфера от молекулярен кислород O2, който започва да идва от повърхността на планетата в резултат на фотосинтеза, започвайки от преди 3 милиарда години. Азот N2 също се отделя в атмосферата в резултат на денитрификацията на нитрати и други азотсъдържащи съединения. Азотът се окислява от озона до NO в горната атмосфера.
Азот N2 влиза в реакции само при определени условия (например по време на разряд от мълния). Окисляването на молекулния азот с озон по време на електрически разряди се използва в малки количества в промишленото производство на азотни торове. Може да се окислява с ниска консумация на енергия и да се превръща в биологично активна форма от цианобактерии (синьо-зелени водорасли) и нодулни бактерии, които образуват ризобиална симбиоза с бобови растения, т.нар. зелен тор.
Кислород
Съставът на атмосферата започва да се променя радикално с появата на живи организми на Земята, в резултат на фотосинтеза, придружена от освобождаване на кислород и усвояване на въглероден диоксид. Първоначално кислородът се изразходвал за окисляване на редуцирани съединения – амоняк, въглеводороди, желязото, съдържащо се в океаните и др. В края на този етап съдържанието на кислород в атмосферата започва да расте. Постепенно се образува модерна атмосфера с окислителни свойства. Тъй като това предизвика сериозни и резки промени в много процеси, протичащи в атмосферата, литосферата и биосферата, това събитие беше наречено Кислородна катастрофа.
През фанерозоя съставът на атмосферата и съдържанието на кислород претърпяват промени. Те корелират предимно със скоростта на отлагане на органични седиментни скали. Така че, по време на периодите на натрупване на въглища, съдържанието на кислород в атмосферата, очевидно, значително надвишава съвременното ниво.
Въглероден двуокис
Съдържанието на CO2 в атмосферата зависи от вулканичната активност и химичните процеси в земните черупки, но най-вече – от интензивността на биосинтеза и разлагането на органичната материя в земната биосфера. Почти цялата сегашна биомаса на планетата (около 2,4 1012 тона) се формира от въглеродния диоксид, азота и водните пари, съдържащи се в атмосферния въздух. Заровени в океана, в блатата и в горите, органичната материя се превръща във въглища, нефт и природен газ.
благородни газове
Източникът на инертни газове - аргон, хелий и криптон - са вулканичните изригвания и разпадането на радиоактивни елементи. Земята като цяло и атмосферата в частност са изчерпани с инертни газове в сравнение с космоса. Смята се, че причината за това се крие в непрекъснатото изтичане на газове в междупланетното пространство.
Замърсяване на въздуха
Напоследък човекът започна да влияе върху еволюцията на атмосферата. Резултатът от дейността му е постоянно увеличаване на съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата поради изгарянето на въглеводородни горива, натрупани в предишни геоложки епохи. Огромни количества CO2 се консумират по време на фотосинтезата и се абсорбират от световните океани. Този газ навлиза в атмосферата поради разлагането на карбонатни скали и органични вещества от растителен и животински произход, както и поради вулканизъм и човешки производствени дейности. През последните 100 години съдържанието на CO2 в атмосферата се е увеличило с 10%, като основната част (360 милиарда тона) идва от изгарянето на гориво. Ако темпът на нарастване на изгарянето на гориво продължи, то през следващите 200-300 години количеството CO2 в атмосферата ще се удвои и може да доведе до глобално изменение на климата.
Изгарянето на гориво е основният източник на замърсяващи газове (CO, NO, SO2). Серният диоксид се окислява от атмосферния кислород до SO3, а азотният оксид до NO2 в горните слоеве на атмосферата, които от своя страна взаимодействат с водните пари и получените сярна киселина H2SO4 и азотна киселина HNO3 падат на земната повърхност под формата на т.н. Наречен. киселинен дъжд. Използването на двигатели с вътрешно горене води до значително замърсяване на въздуха с азотни оксиди, въглеводороди и оловни съединения (тетраетил олово) Pb(CH3CH2)4.
Аерозолното замърсяване на атмосферата се причинява както от естествени причини (изригване на вулкани, прашни бури, увличане на капчици от морска вода и растителен прашец и др.), така и от човешка икономическа дейност (добив на руди и строителни материали, изгаряне на гориво, производство на цимент и др. .). Интензивното широкомащабно отстраняване на твърди частици в атмосферата е една от възможните причини за изменението на климата на планетата.
(Посетен 719 пъти, 1 посещения днес)