Атмосфера — состав, строение и свойства

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы Земли

Тропосфера самый низкий слой нашей атмосферы. Начиная с уровня земли, он простирается вверх примерно на 10 км над уровнем моря. Мы, люди, живем в тропосфере, и почти вся погода формируется в этом нижнем слое. Большинство облаков появляются здесь, главным образом потому, что 99% водяного пара в атмосфере находится в тропосфере.  Тропосфера — безусловно, самый влажный слой атмосферы; все другие вышеперечисленные слои содержат очень мало влаги. Давление воздуха падает, и температура становится ниже, когда вы поднимаетесь выше в тропосфере.

Высота слоя тропосферы изменяется в зависимости от широты (она самая низкая над полюсами и самая высокая на экваторе) и по сезонам (она ниже зимой и выше летом). Он может достигать 20 км около экватора и всего 7 км над полюсами зимой.

Воздух самый теплый на уровне земли и становится холоднее, когда поднимаешься ввысь через тропосферу. Вот почему вершины высоких гор могут быть покрыты снегом даже летом.

Давление и плотность воздуха также уменьшаются с высотой. Вот почему в кабинах высоко летающих реактивных самолетов приходится принудительно нагнетать повышенное по-сравнению с «забортным» давление.

Слой непосредственно над тропосферой называется стратосферой. Граница между тропосферой и стратосферой называется «тропопауза».

Загрязнение атмосферы Земли

Взаимодействие литосферы, биосферы и атмосферы напрямую влияют на их структуру. Хозяйственная деятельность человечества по своим масштабам, конечно, не сравнима с деятельностью вулканов на протопланете. Однако и мы свою лепту вносим, добывая природные ископаемые и активно занимаясь промышленностью, неорганическим сельским хозяйством.

Экологи часто трубят тревогу по поводу изменения нашей воздушной оболочки. Людская деятельность и атмосфера влияют друг на друга. Например, если на Земле вырубить все леса и уничтожить биологические формы жизни, вырабатывающие и поглощающие газы, то и состав атмосферы кардинально изменится. Если воздух будет непригодным для дыхания человека, то наступит смерть.

Помимо выброса углекислого газа, пара и ядовитого дыма от сжигания мусора, человечество загрязняет свой воздушный океан обломками космических аппаратов, которые создают скопления мусора. Возможно, мы еще не готовы выходить за пределы Земли. Ведь даже в космосе мы будем устраивать мусорные свалки. Если же учесть, что владельцами материальных ценностей движут не космические открытия, а чисто практическая выгода от освоения космоса, то становится очевидным, что и там люди будут лишь разорять планеты, добывая полезные ископаемые.

Ученые утверждают, что толщина атмосферы уменьшается, а в озоновом слое образуются дыры. Причины этих явлений пока точно не установлены, но гипотез много, и самой популярной является неразумная хозяйственная деятельность человечества. Мы нарушаем естественный баланс природных процессов. Найдем ли мы решение, которое поможет не лишаться благ, которые мы приобрели с техническим прогрессом? Какой мы выберем путь?

Земля – наш дом, а атмосфера – его купол. Из прекрасного небесно-голубого он может превратиться в грязный и непроницаемый для солнечных лучей. Тогда жизнь и природа на планете начнет увядать. Современная фантастика изобилует историями, приведшими к апокалипсису, по причине изменений в земной атмосфере. Во многих из них есть крупицы истины. Поэтому мы должны заботиться о собственной среде обитания и защитной оболочке.

Слои атмосферы

Основная общепринятая классификация основывается на тепловых свойствах каждой из сфер. Температуры внутри слоев могут расти и падать в установленных пределах, в зависимости от земной и солнечной активности. Переходные слои, называемые паузами, представляют собой стабилизационные прослойки, которые обладают постоянной температурной средой.

1. Тропосфера (изменение) имеет самый насыщенный состав, слоем от 8 до 18 км, в зависимости от расположения, содержит 80% общей массы атмосферы и почти весь водяной пар. Она нагревается от поверхности Земли и постепенно охлаждается до -60°С. Здесь может существовать биосфера. Благодаря воздушным потокам образуются циклоны и антициклоны, облака и тучи, выпадают осадки, формируются погодные и климатические условия. Это рай для скайдайверов и предел высоты для гражданских самолетов. Цвет тропосферы – прозрачный с легкими туманными вкраплениями.
2. Тропопауза – это переходная среда с температурой -55°С, отделяющий тропосферу от следующего слоя.
3. Стратосфера (настил) составляет около 20% массы воздушной оболочки и распространяется на 15-50 км от поверхности Земли. Здесь находится озоновый слой (90% озона), защищающий нас от ультрафиолетовых лучей. Температура в стратосфере сперва доходит до -50°С, но достигая до озонового слоя, начинает повышаться до нулевой отметки. Здесь летают высотные боевые самолеты и метеозонды. Цвет стратосферы – голубой.
4. Стратопауза – прослойка между слоями с температурой 0°С.
5. Мезосфера (срединный) простирается до высоты 90 км и составляет 0,3% от общей массы атмосферы. Здесь сухо, температура понижается с 0 до -100°С, происходят сложные фотохимические процессы. В ней образуются ледяные облака, слабый серебристый блеск которых можно увидеть в сумерках. Именно с этой высоты можно наблюдать невероятную красоту нашей голубой планеты и яркое мерцание далеких звезд. Футуристические приключения космических дайверов также будут начинаться здесь. Это последний земной рубеж. Дальше атмосфера все больше растворяется в глубинах космоса. Цвет мезосферы насыщен темно-синими оттенками.
6. Мезопауза – прослойка с т-рой 90°С.
7. Линия Кармана находится на высоте 100 км от уровня моря, условная граница между Землей и космосом. Здесь становится невозможной аэродинамическая авиация из-за сильно разреженной среды и начинается простор для космонавтики.
8. Термосфера (жаркий) имеет долю от общей массы 0,05%. В ней преобладает атомарный кислород и расположена она на высоте от 90 до 500-800 км. Температура слоя увеличивается до + 1200°С, но поскольку воздух разрежен, то физически жара не ощущается. В ней зарождаются полярные сияния и зарницы, происходит ионизация, расположена большая часть ионосферы. Здесь проходит низкая орбита Земли, по которой летают топографические, погодные, GPS-спутники и космические станции, рукотворный космический мусор (обломки ракет, нерабочие спутники и прочее) со скоростью 35 000 км в час.
9. Термопауза – очередной переход между слоями с температурой почти 1000°С.
10. Экзосфера (наружный) – это самый верхний слой, заполненный космической пылью и ближнекосмическим вакуумом из межпланетного газа. Он расположен на расстоянии выше 800 км от земной поверхности, простирающийся в космические дали на 10 000 км. Верхний слой экзосферы состоит из атомов водорода, способных покидать орбиту Земли и удаляться в открытый космос (сфера рассеяния). Здесь высокий уровень солнечной радиации и температура от 1200 до 2500°С. Отсюда начинается абсолютная космическая темнота и околоземное пространство.

Нижние слои атмосферы представлены плотными по своему составу тропо- и стратосферой. Здесь присутствует турбулентность, гравитация и трение, могут летать самолеты и набирают разгон космические ракеты. Их общая высота около 50 километров.

Верхние слои – это мезо-, термо- и экзосфера. Они простираются выше 50 км над Землей, имеют очень низкую плотность и являются плавным переходом в межпланетное пространство.

Что такое кислород?

Кислород — это элемент с атомным номером 8, который присутствует в группе 16 Периодической таблицы. В нем три изотопа, 16О, 17О, 18О. Среди этих 16О — наиболее стабильный и распространенный изотоп. Кроме того, у атома кислорода восемь электронов, и он может получить еще два электрона от другого атома, чтобы сформировать -2 заряженный анион. В качестве альтернативы два атома кислорода могут совместно использовать четыре электрона, образуя двухатомную молекулу (O₂), чтобы быть стабильным. Мы называем это газообразным кислородом, как общий термин, потому что эта молекула существует в газообразном состоянии при стандартной температуре и давлении. Молекулярная масса O₂ 32 г моль-1.

Точно так же мы называем трехатомную форму кислорода озоном, который является еще одной распространенной формой кислорода. Молекулярный кислород — это бесцветный газ без запаха. В земной атмосфере около 21% кислорода. Он плохо растворяется в воде и немного тяжелее воздуха. Кислород реагирует со всеми элементами с образованием оксидов, кроме инертных газов. Следовательно, это хороший окислитель. Однако этот газ необходим для дыхания живых организмов, а также для горения. Кислород используется в больницах, сварке и во многих других отраслях промышленности.

Естественное воздействие

Данный фактор менее разрушителен, но все же он имеет место. Причиной образования огромного количества пыли и других веществ является падение метеоритов, действующие вулканы, ветры в пустынях. Также ученые установили, что периодически в озоновом экране появляются дыры – по их мнению, это результат не только негативного человеческого воздействия на окружающую среду, но и естественного развития географической оболочки планеты. Справедливости ради стоит отметить, что такие дыры периодически то пропадают, то образуются снова, поэтому к критическим факторам это относить не следует.

К сожалению, разрушающее действие на атмосферу оказывает именно человек, не понимая, что тем самым делает хуже только себе. Если такая тенденция будет иметь место и в дальнейшем, то последствия могут быть непредсказуемыми, но не в положительном смысле этого слова.

Физические характеристики тропосферы

Каждый из основных слоёв обладает особыми характеристиками. Тропосфера — самая плотная оболочка, первая по счёту от поверхности планеты. На полюсах она распространяется на 7 км от поверхности, а у экватора — на 20 км. Разница обусловлена тем, что планета не круглая, а немного сплющенная, так как на неё воздействует центробежная сила. Чем теплее воздух, тем больше размер тропосферы.

Этот слой — наиболее продуктивный и динамичный. В нём формируются тучи, образуются ветра, циклоны и антициклоны. В тропосфере обитает большая часть видов, образующих живую природу. Температура воздуха в этой части оболочки понижается на 0,5−0,7 градуса с увеличением высоты на каждые 100 метров. Скорость ветра изменяется на 2−3 км/с на 1 км высоты.

В тропопаузе температура остаётся неизменной. Нижняя часть тропосферы примыкает к литосфере и образует приграничный слой. Его роль заключается в аккумуляции и передача тепла на высоту. Водообмен также происходит в приграничном слое. В течение 8−12 дней совершается полный оборот воды. Таким образом, тропосфера играет роль огромного фильтра.

Современная воздушная оболочка Земли

Строение земной атмосферы

Атмосфера Земли состоит из слоёв: тропосфера (до 10 км от поверхности), стратосфера (10-50 км), мезосфера (50-85 км), мезопауза (80-90 км), термосфера (85-115 км и выше). Озоносфера – область атмосферы Земли, расположенная на высоте от 10 до 50 км от поверхности земли [границы тропосферы], с максимумом на высоте 20-25 км. Предохраняет поверхность Земли от избыточного освещения ее УФ излучением Солнца. Производство легко испаряющихся жидкостей типа фреонов и накопление их в атмосфере Земли приводит к образованию «озоновых дыр», что может иметь негативные последствия для живых организмов. Мезопа́уза — слой атмосферы, разделяющий мезосферу и термосферу. На Земле располагается на высоте 80—90 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около −100 °C. Ниже (начиная от высоты около 50 км) температура падает с высотой, выше (до высоты около 400 км) — снова растёт. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. На этой высоте наблюдаются серебристые облака. За термосферой (более 700 км от поверхности планеты) начинается экзосфера, или геокорона, являющаяся, по-существу, ионизованным следом от орбитального движения Земли. На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в ближнекосмический вакуум, заполненный сильно разряженными атомами водорода. Последние слои атмосферы перед экзосферой называют ионосферой. В общепланетарном значении это слой атмосферы планеты, сильно ионизированный вследствие облучения космическими лучами. У Земного шара — это верхняя часть атмосферы, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы. Наука, изучающая ионосферу с экхосферой называется аэрологией .

Общие сведения об атмосфере Земли

Состав земной атмосферы

Атмосферный воздух представляет собой механическую смесь из различных газов, основные из которых:

1. Азот N₂ — 78,084% (по объёму)
2. Кислород O₂ — 20,946%
3. Аргон Ar — 0,932%
4. Водяной пар H₂O — 0,5-4%
5. Углекислый газ CO₂ — 0,032%
6. Неон Ne — 1,818×10-3%
7. Гелий He — 4,6×10-4%
8. Метан CH₄ — 1,7×10-4%
9. Криптон Kr — 1,14×10-4%
10. Водород H₂ — 5×10-5%
11. Ксенон Xe — 8,7×10-6%
12. Закись азота N₂O — 5×10-5%

Ссылки:

СО2 уже никогда не упадет ниже 400 ppm.
Интересное видео о концентрации углекислого газа.

Загрязнение земной атмосферы

Воздух загрязняется естественным и антропогенным (из-за человеческой деятельности) образом. Загрязнение может быть физическим (или механическим), химическим и биологическим. Основные загрязнители атмосферы:

1. Угарный газ (CO). Оксид углерода вырабатывается при сгорании ископаемых видов топлива. Вреден для здоровья, так как перекрывает доступ кислорода в кровь.
2. Углекислый газ (CO2). Продукт окисления углерода, парниковый газ.
3. Диоксид серы (SO2). Образуется при сгорании топлива с содержанием серы (уголь), во время переработки сернистой руды. Ежегодно в атмосферу попадает около 190 миллионов тонн. Провоцирует выпадение кислотных дождей.
4. Озон (О3). Считается самым токсичным для человека среди всех газов. Речь идет о соединениях, находящихся в нижних слоях атмосферы.
5. Оксиды азота. Образуются в ходе процессов горения. Также источником загрязнения являются производства удобрений, кислот и прочих химикатов. В воздух поступает около 65 миллионов тонн ежегодно. Большая часть приходится на транспорт.
6. Свинец. Токсичный металл, который попадает в атмосферу с выхлопами транспорта, а также из широкого применения в промышленности.
7. Углеводороды. Большая группа веществ, которые содержатся в химических жидкостях, растворителях, бензине и т.п.

Также воздух загрязняется в существенной мере промышленной пылью и аэрозолями, источниками которых тоже является деятельность человека.

Атмосфера: ее слои

Необходимо знать строение атмосферы земли по слоям, чтобы иметь полное представление о том, чем ценна для нас эта газовая оболочка. Они выделяются потому, что состав и плотность газовой смеси на разных высотах неодинаковы. Каждый из слоев отличается по химическому составу и выполняемым функциям. Расположить атмосферные слои земли по порядку следует так:

Тропосфера – располагается ближе остальных к земной поверхности. Высоты этого слоя достигают 16-18 км в тропических зонах и 9 км в среднем над полюсами. В этом слое концентрируется до 90% всего водяного пара. Именно в тропосфере происходит процесс образования облаков. Также здесь наблюдаются движение воздуха, турбулентность и конвекция. Температурные показатели различны и составляют от +45 до -65 градусов — в тропиках и на полюсах, соответственно. С повышением на 100 метров наблюдается понижение температуры на 0,6 градуса. Именно тропосфера по причине скопления водяного пара и воздуха отвечает за циклонические процессы. Соответственно, правильным ответом на вопрос, как называется слой атмосферы земли в котором развиваются циклоны и антициклоны будет название этого атмосферного слоя.

Стратосфера – этот слой располагается на высоте 11-50 км от поверхности планеты. В нижней его зоне температурные показатели стремятся к значениям в -55. В стратосфере имеется зона инверсии – граница между этим слоем и следующим, называемым мезосферой. Температурные показатели достигают значений в +1 градус. Самолеты летают в нижней зоне стратосферы.

Озоновый слой – небольшой по высоте участок на границе между стратосферой и мезосферой, но именно озоновый слой атмосферы предохраняет все живое на земле от действия ультрафиолета. Также он отделяет комфортные и благоприятные условия для существования живых организмов и суровые космические, где невозможно выжить без специальных условий даже бактериям. Образовался он в результате взаимодействия органических компонентов и кислорода, который контактирует с ультрафиолетовым излучением и вступает в фотохимическую реакцию, что позволяет получить газ под названием озон. Так как озон поглощает ультрафиолет, он способствует нагреву атмосферу, поддерживая оптимальные для жизни в ее привычном виде, условия. Соответственно, отвечать на вопрос: слой какого газа защищает землю от космической радиации и чрезмерного солнечного излучения, следует озон.

Рассматривая слои атмосферы по порядку от поверхности земли следует отметить, что следующей идет мезосфера. Она располагается на высоте 50-90 км от поверхности планеты. Температурные показатели – от 0 до -143 градусов (нижняя и верхняя границы). Она защищает Землю от метеоритов, которые сгорают, проходя через нее – явление свечения воздуха. Давление газов в этой части атмосферы крайне маленькое, что не позволяет изучить мезосферу полностью, так как специальное оборудование, включая спутники или зонды, не могут там работать.

Термосфера – слой атмосферы, который располагается на высоте 100 км над уровнем моря. Это нижняя граница, которая носит название линия Кармана. Ученые условно определили, что здесь начинается космос. Непосредственная толщина термосферы достигает 800 км. Температурные показатели достигают 1800 градусов, но сохранить обшивку космических аппаратов и ракет в целости позволяет незначительная концентрация воздуха. В этом слое земной атмосферы возникает особое явление — северное сияние – особый вид свечения, который можно наблюдать в некоторых регионах планеты. Появляются они вследствие взаимодействия нескольких факторов — ионизации воздуха и действия на него космического излучения и радиации.

Какой слой атмосферы находится дальше всего от земли – Экзосфера. Здесь находится зона рассеивания воздуха, так как концентрация газов небольшая, в результате чего происходит их постепенный выход за пределы атмосферы. Этот слой располагается на высоте 700 км над поверхностью Земли. Основной элемент, составляющий этого слоя – водород. В атомарном состоянии можно встретить такие вещества, как кислород или азот, которые будут сильно ионизированы солнечным излучением. Размеры экзосферы Земли достигают 100 тысяч км от планеты.

Состав атмосферы Земли

Свойства атмосферы

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

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

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

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

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

По мере подъёма на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100—130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М ‘ и звукового барьера теряют свой смысл, хотя при больших скоростях полёта там ещё можно применить аэродинамическое крыло.

На высотах же 180—200 км начинается сфера чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы. Если при таком полёте развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной высоте, то летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.

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

Третий слой атмосферы — мезосфера

Мезосфера располагается над стратосферой и пролегает до 80 км от Земли. Температура в этом слое понижается до – 90. Эта область атмосферы самая холодная. Температуры могут опускаться до – 143.

Состав мезосферы – азот и кислород в сочетании 80 к 20. Разреженность воздуха не позволяет находиться летательным аппаратам. Для космических конструкций воздух наоборот, плотный.

Иногда могут появиться облака серебряного цвета, состоящие из кристаллов льда. Они светлые, прозрачные и легкие. Более 100 лет ученые наблюдают за такими облаками. Открыты они были летом 1885 года. Они появляются в северном полушарии, обычно с мая по август. Но, тем не менее, в 2013 году такие облака наблюдали над Европой в феврале-марте, когда заходило Солнце. Их могли видеть жители Англии, Норвегии, Дании, Московской области и Литвы.

Атмосфера, как часть биосферы

Атмосфера – газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.

Самый близкий к поверхности Земли слой носит название тропосфера. В этом слое высота в средних широтах составляет 10-12 км над уровнем моря, над экватором – 16-18 км, на полюсах – 7-10 км. Температура воздуха в тропосфере уменьшается на 0,6ºС на 100 м высоты и снижается с +40ºС до –50ºС. В этом слое высотой 9-10 км, в основном, происходят явления, которые мы именуем погодой. Именно в этой части атмосферы образуются все осадки в виде дождей, почти все облака и возникает подавляющее число гроз и штормов.

В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые, как правило, называют аэрозолями.

Выше тропосферы расположен слой толщиной около 40 км, который называют стратосферой. Воздух в ней более разряжен, влажность его невысока. Температура до отметки 30 км постоянна, около –50ºС, затем повышается до +10ºС на отметке 50 км.

Основная масса озона располагается на высотах 10-25 км с максимальной концентрацией на высотах 22-24 км

Озоновый слой (часто применяют термин «озоновый экран») имеет исключительно важное значение в сохранности жизни на Земле. Если этот газ сосредоточить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку толщиной всего 2-4 мм, однако эта пленка служит нам защитой

За стратосферой, на высоте более 50 км, находится мезосфера, где температура опять понижается. На высоте около 80 км она равна –70ºС. За мезосферой, еще выше (более 80 км над земной поверхностью) расположена термосфера, не имеющая определенной верхней границы, где температура увеличивается и достигает на высоте 500-600 км +1600ºС. Газы здесь сильно разрежены, молекулы редко сталкиваются друг с другом и не могут вызвать нагрева находящегося в этой зоне тела. Однако атмосферное давление с высотой уменьшается. Другими словами, воздух по мере высоты становится все разреженнее, 90% массы атмосферы сосредоточено в пределах 16 км над земной поверхностью.

И, наконец, наиболее удалена от Земли экзосфера – 800-1600 км. В ней еще обнаруживаются газы и наблюдается утечка атомов (в основном водорода и гелия), в космос.