Атмосфера, которую мы называем просто воздухом, делает возможной жизнь на Земле. Она состоит из различных газов, имеет определенные размеры и свойства. Рассмотрим структуру земной атмосферы, явления, которые в ней происходят, а также газовые оболочки других планет.
Что такое атмосфера?
Атмосфера – это газовая оболочка небесного (или астрономического) тела, которая удерживается вокруг него благодаря действию гравитационных сил. Она есть не только у нашей планеты, а и у большинства массивных космических тел.
Ученые не проводят четких границ между атмосферой и межпланетной областью. Поэтому к атмосфере обычно относят то пространство, газовый состав которого вращается вместе с небесным телом. Толщина его может быть разной.
Состав и границы
Оболочка, исходя из названия, состоит из смеси определенных газов. Стоит отметить, что ее изначальный химический состав определяется свойствами Солнца, когда планета находится на начальной стадии формирования. Затем наличие и количество тех или иных веществ меняется вследствие эволюции.
В состав атмосферы Земли входят преимущественно газы, а также разные примеси, например, частицы воды, пыль, лед, продукты горения и др. На 78% оболочка состоит из азота, на 21% – из кислорода. Среди прочих компонентов присутствуют аргон, углекислый газ, гелий, водород и др.
Интересный факт: если содержание большинства компонентов атмосферы Земли не меняется в течение многих лет, то концентрация углекислого газа постепенно растет, начиная с 19-го века. В настоящее время его показатель – около 0,04%.
Несмотря на плавный переход в космическое пространство, ученые утверждают, что заканчиваются границы оболочки в экзосфере (примерная высота – 500-1000 км). В авиации и космонавтике имеются свои представления о том, где заканчивается атмосфера.
Так, Международная авиационная федерация называет пограничной отметкой высоту в 100 км. Самолеты не поднимаются выше данного предела. А космические корабли, шаттлы, достигая высоты 122 км, переключаются на аэродинамическое управление. Поэтому NASA предлагает такую отметку в качестве границы.
Слои атмосферы Земли в порядке возрастания
Ученые выделяют основные и дополнительные, пограничные слои в составе атмосферы. В порядке возрастания они располагаются следующим образом:
- планетарный пограничный слой;
- тропосфера;
- тропопауза;
- стратосфера;
- стратопауза;
- мезосфера;
- мезопауза;
- линия Кармана;
- термосфера;
- термопауза;
- экзосфера.
Планетарный пограничный слой
Самый нижний шар тропосферы. Его толщина составляет 1-2 км. Состояние атмосферы в этой области и различные ее изменения напрямую зависят от земной поверхности или, как ее еще называют, подстилающей. Данный слой также разделяют на 3 дополнительных (по возрастанию):
- слой шероховатости;
- приземный;
- Экмана.
Тропосфера
Тропосфера – первый из базовых слоев. Располагается на высоте от 6 до 20 км (зависит от широты: ниже в полярных, выше – в тропических широтах). В целом летом тропосфера находится выше, чем зимой.
С этим шаром мы знакомы лучше всего, поскольку именно здесь формируются погодные условия: атмосферные фронты, облака, циклоны, антициклоны и др. Состав тропосферы неоднородный. В ней содержится около 80% атмосферного воздуха, 90% водяного пара. Также здесь возникают такие явления, как конвекция и турбулентность.
Интересный факт: при подъеме на каждые 100 метров температура в тропосфере понижается приблизительно на 0,65 градуса.
Тропопауза
Служит промежуточным слоем между тропосферой и стратосферой. В данной области понижение температуры прекращается. Наличие переходного шара было установлено французским метеорологом Леоном де Бором в 1902 г.
Толщина тропопаузы варьируется от нескольких сотен метров до пары километров. Встречаются ее разрывы в некоторых областях, а также повторные переходные слои.
Стратосфера
Следующий базовый слой – стратосфера, расположенная на высоте 11-50 км. Условия в этом шаре постоянно меняются с высотой. Например, в промежутке 11-25 км температура начинает повышаться практически незначительно. Выше 25 км (до 40 км) она резко увеличивается до 0℃, а далее остается относительно стабильной.
В отличие от тропосферы, местная среда более однородная. Водяные пары в ней практически отсутствуют. Именно здесь располагается озоновый слой. Его примерная высота от 15-20 км и до 55-60. Озон активнее всего формируется на 30-километровой высоте. Северное сияние, зарница и другие явления, связанные со светом, происходят в стратосфере.
Интересный факт: осваивать стратосферу люди начали в 30-х годах. В 1931 О. Пикар и П. Кипфер поднялись на высоту 16,2 км на первом стратостате – FNRS-1. Вдохновившись этим достижением, советские исследователи построили собственные стратостаты. В 1933 «СССР-1» поднялся на 19 км вверх, тем самым установив новый рекорд.
Стратопауза
Пограничный слой между мезосферой и стратосферой. По отношению к уровню моря стратопауза находится на высоте 50-55 км. Температура здесь равна 0℃. Там, где показатель температуры падает, уже начинается мезосфера. Такой пограничный слой имеется и на других планетах с атмосферой.
Мезосфера
Начинается выше 50 км и заканчивается на высоте примерно 80-90 км. Чем выше, тем сильнее опускается температура. Холоднее всего рядом со следующим пограничным слоем – около -80℃.
Мезосфера состоит на 80% из азота и на 20% из кислорода. Метеорные тела, попадая в это пространство, светятся и сгорают. Также здесь иногда формируются серебристые облака. Это очень редкое явление, возникающее в летний период из-за низких температур.
Мезопауза
Служит границей между мезосферой и термосферой. В мезопаузе температура доходит до минимума – около -100℃. Примерная высота расположения слоя – 80-90 км. Он также является границей области, в которой происходит активное поглощение ультрафиолетового солнечного излучения. Как и стратопауза, встречается на других планетах.
Линия Кармана
Еще выше мезопаузы проходит линия Кармана (условная) – на высоте 100 км, согласно данным Международной авиационной федерации. Она служит границей между земной атмосферой и открытым космосом, хотя воздушная оболочка здесь еще не заканчивается. Также на данной высоте заканчиваются границы всех государств.
Интересный факт: впервые линию Кармана преодолела немецкая ракета «Фау-2» в 1944. А первыми млекопитающими, которые успешно пересекли линию и вернулись обратно, стали собаки с кличками Дезик и Цыган (СССР, 1951 год).
Термосфера
Начинается на высоте около 90 км и заканчивается ближе к 800 км. Характеризуется интенсивным возрастанием температуры с высотой (до 300 км, затем остается стабильно высокой). Но ввиду неоднородной солнечной активности, поглощения УФ излучения, ее показатель колеблется в пределах 200-2000 К.
Здесь летают беспилотные спутники, пилотируемые космические аппараты. Так как воздух в термосфере сильно разрежен, высокая температура не наносит летательным аппаратам вреда. Также на данной высоте наблюдается полярное сияние.
Термопауза
Находится на высоте 400-800 км, в зависимости от солнечной активности. Для данного слоя атмосферы характерна относительно стабильная температура. Она может колебаться в пределах 500-2000 К. Постоянная температура объясняется тем, что на этой высоте нет других источников энергии, кроме Солнца.
Экзосфера
Внешняя часть атмосферы, расположенная на высоте около 500-1000 км. Состоит из разреженного газа (плазмы), который рассеивается в космическом пространстве. Приближаясь к отметке в 2000 км, экзосфера постепенно становится ближнекосмическим вакуумом.
Сколько весит атмосфера?
Весь воздух на нашей планете весит (5,1–5,3) х1018 кг. При этом он состоит непосредственно из сухого воздуха, а также из водяных паров. Человечество узнало о том, что воздух не невесомый, благодаря опыту Эванджелиста Торричелли в 1643 году с ртутью и стеклянной емкостью. Он состоит из атомов и молекул, как и любые тела.
Физические свойства. Атмосферное давление
Основные свойства атмосферы:
- плотность воздуха над поверхностью моря – 1,2 кг/м3;
- давление при нулевой температуре – 101,325 кПа;
- масса водяных паров в составе воздуха – 1,27х1016 кг.
Атмосферное давление, как одно из свойств воздушной оболочки, заслуживает особого внимания. Это сила, с которой весь воздух действует на поверхность Земли, а также все расположенные на ней объекты.
Так как воздух имеет существенный вес, на него действует гравитационная сила. За счет этого и образуется давление. Его показатель нестабильный по нескольким причинам. Например, один из факторов состоит в том, что масса воздуха вокруг планеты всюду разная. На это влияет атмосферная циркуляция.
Также давление зависит от состава атмосферы, ведь у каждого газа своя плотность. С высотой слой атмосферы становится все тоньше, снижается его плотность и падает давление.
Как образовалась атмосфера?
Согласно самой распространенной теории, земная атмосфера находилась в 3-х разных фазах. Изначально она представляла собой смесь гелия и водорода – легких газов. На этом этапе атмосферу называют первичной.
Затем в составе оболочки появились новые газы: аммиак, пары воды, углекислый газ. Их накоплению поспособствовала высокая вулканическая активность. Это вторичная атмосфера.
Третичная атмосфера появилась в результате нескольких процессов. Во-первых, в ее пределах происходили различные химические реакции, вызванные грозами, УФ излучением и прочими явлениями.
Во-вторых, если на первом этапе оболочка захватывала легкие газы из космического пространства, то теперь они наоборот начали улетучиваться. Таким образом, в составе стало больше углекислого газа, азота и меньше водорода.
Интересный факт: ученые считают, что более 2 миллиардов лет назад на Земле произошла кислородная катастрофа. В результате сложных процессов кислород начал накапливаться в атмосфере. Это привело к развитию аэробных организмов и резкому изменению состава атмосферы.
Значение атмосферы
Без воздушной оболочки на нашей планете не было бы живых организмов. От нее и связанных процессов напрямую зависит органическая жизнь. Наиболее важными компонентами атмосферы являются кислород, водяной пар, азот, озон и углекислый газ.
Значение атмосферных газов:
- Кислород – обеспечивает существование аэробных организмов за счет окисления органических веществ и образования энергии.
- Углекислый газ – поглощается растениями, которые участвуют в процессе фотосинтеза и продуцируют органические вещества.
- Азот – требуется для питания растений.
- Озон – поглощает ультрафиолетовое излучение и защищает живые организмы от солнечной радиации.
- Водяной пар – конденсируется, превращается в облака, способствует выпадению осадков.
Какие природные явления происходят в атмосфере?
Все природные явления, происходящие в атмосфере, можно разделить на 5 категорий:
- осадки (гидрометеоры);
- оптические явления;
- литометеоры;
- электрические явления;
- остальные явления.
Все виды выпадающих осадков называются гидрометеорами. Дожди, снегопады, град возникают из-за того, что в воздухе может находиться ограниченное количество водяного пара.
При этом охлаждение ненасыщенного воздуха становится причиной его перенасыщения. В результате частицы воды конденсируются и выпадают на поверхность. В эту же группу относят осадки, конденсирующиеся на поверхности (туман, гололед, иней, роса и др.).
К оптическим атмосферным явлениям относится радуга, мираж, заря, зеленый луч и др. Полярное сияние не входит в данную категорию, так как имеет другую природу происхождения.
Самым известным явлением считается радуга. Она возникает вследствие преломления солнечного света атмосферой. Белый свет состоит из множества волн, а из-за преломления он раскладывается на несколько разноцветных лучей.
Зеленый луч возникает в момент восхода или захода солнца при условии открытого горизонта и отсутствия облаков. Причина явления также кроется в преломлении солнечных лучей. Но, в отличие от радуги, здесь лучи накладываются друг на друга и в течение нескольких секунд можно увидеть зеленый луч или верхнюю часть солнечного диска.
Разные виды миражей происходят, когда свет преломляется на границе между воздушными слоями с разной температурой и плотностью. При этом можно увидеть реальный объект, расположенный вдали, и его отражение в атмосфере.
Заря бывает утренней и вечерней. Так называют свечение неба, когда солнце восходит и заходит за горизонт. Возникает заря из-за отражения лучей света от атмосферных слоев. Она постепенно меняет цвета в зависимости от положения солнца.
Третья категория литометеоров представлена явлениями, которые связаны с мелкими частицами, например, песком, пылью. Сюда относятся песчаные бури, пыльные бури, пыльная мгла и др. Данные явления свойственны пустынным территориям.
К электрическим явлениям относятся молнии, грозы, полярное сияние. Грозы сопровождаются молниями и громом. При этом электрические разряды возникают внутри облаков либо между землей и облаками. Сюда же относится шаровая молния, природа которой все еще не изучена.
Полярное сияние (северное и южное) образуется в верхних слоях атмосферы, расположенных в зонах вокруг магнитных полюсов Земли. Мы видим свечение вследствие взаимодействия слоев атмосферы с ионизированными частицами солнечного ветра.
Интересный факт: полярное сияние бывает и на других планетах. Оно было обнаружено на Венере, Марсе, Сатурне, Юпитере, Уране, Нептуне. Ученые фиксируют эти явления при помощи внеатмосферных телескопов (например «Хаббл»).
В пятую категорию входят все те явления, которые невозможно отнести в четыре предыдущие. В частности речь идет об ураганах, шквалах, смерчах – то есть ветровых явлениях.
Влияние человека на атмосферу
Человек воздействует на атмосферу преимущественно за счет своей хозяйственной деятельности. Причем влияние это носит негативный характер. Например, за пару сотен лет количество углекислого газа в воздушной оболочке увеличилось с 2,86 х 10-2 до 3,8 х 10-2. Это вызвано в основном уничтожением лесов, сжиганием углеродного топлива (нефти, угля, газа и т.д.).
Возросло также количество метана в результате нефте- и газодобычи. А фреонов в составе атмосферы почти не наблюдалось до середины XX века. Все эти вещества разрушают озоновый слой, способствуют развитию парникового эффекта, глобальному потеплению.
Кроме того, человек воздействует на естественные процессы в атмосфере путем изменения погоды: рассеивания облаков, туманов, искусственного увеличения осадков и др.
Изучение атмосферы
На всех континентах нашей планеты, а также на многих островах расположены постоянно активные метеорологические станции, посты. С их помощью ведется непрекращающееся наблюдение за атмосферой и процессами, которые в ней происходят.
Специалисты собирают данные о состоянии воздуха (влажности, температуре), осадках, облачности, ветре, атмосферном давлении и т.п. На актинометрических станциях наблюдают за солнечной радиацией.
Также исследуются различные группы атмосферных явлений, описанные ранее, измеряется химический состав воздуха. А на аэрологических станциях проводятся измерения на большой высоте – до 35 км.
Специалисты ведут наблюдения, как на суше, так и в океане, где располагаются так называемые «суда погоды». Постепенно возрастает объем данных, получаемых с метеорологических спутников. Специальные приборы делают снимки облаков, измеряют солнечную радиацию (микроволновую, ультрафиолетовую, инфракрасную).
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:
- Угарный газ (CO). Оксид углерода вырабатывается при сгорании ископаемых видов топлива. Вреден для здоровья, так как перекрывает доступ кислорода в кровь.
- Углекислый газ (CO2). Продукт окисления углерода, парниковый газ.
- 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.
- Озон (О3). Считается самым токсичным для человека среди всех газов. Речь идет о соединениях, находящихся в нижних слоях атмосферы.
- 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.
- Свинец. Токсичный металл, который попадает в атмосферу с выхлопами транспорта, а также из широкого применения в промышленности.
- 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.
Атмосферы других планет
На других планетах также есть газовые оболочки, однако они существенно отличаются от земной атмосферы по составу и свойствам.
Атмосфера Венеры состоит из углекислого газа и азота. Плотность ее намного выше, а температура близится к 500℃. Облака образованы сернистым газом и кислотой. Присутствует парниковый эффект.
Атмосфера Меркурия разреженная – давление в 5 х 1011 ниже, чем на Земле. Ее составляющие рассеиваются в космическом пространстве из-за недостатка гравитационной силы и магнитного поля.
Газовая оболочка Марса состоит, преимущественно, из углекислого газа. Она в 200 раз меньше земной, а давление ниже (примерно, как на высоте 35 км). На Марсе бывают осадки в виде тумана, дождя, снега. Случаются полярные сияния, пылевые бури.
Интересный факт: атмосфера есть и у Луны. Она почти не оказывает влияния на спутник из-за разреженности, низкого давления. В составе обнаружены водород, гелий, неон и другие газы.
У Юпитера самая крупная атмосфера среди других планет Солнечной системы. Основу состава представляют водород и гелий, как и химический состав самой планеты. Газовая оболочка тоже состоит из нескольких слоев. Интерес ученых вызывает Большое красное пятно – атмосферный вихрь, самый крупный в нашей Солнечной системе.