Атмосфера - газовая оболочка нашей планеты, которая вращается вместе с Землей. Газ, находящийся в атмосфере, называют воздухом. Атмосфера соприкасается с гидросферой и частично покрывает литосферу. А вот верхние границы определить трудно. Условно принято считать, что атмосфера простирается вверх приблизительно на три тысячи километров. Там она плавно перетекает в безвоздушное пространство.

Химический состав атмосферы Земли

Формирование химического состава атмосферы началось около четырех миллиардов лет назад. Изначально атмосфера состояла лишь из легких газов - гелия и водорода. По мнению ученых исходными предпосылками создания газовой оболочки вокруг Земли стали извержения вулканов, которые вместе с лавой выбрасывали огромное количество газов. В дальнейшем начался газообмен с водными пространствами, с живыми организмами, с продуктами их деятельности. Состав воздуха постепенно менялся и в современном виде зафиксировался несколько миллионов лет назад.

Главные же составляющие атмосферы это азот (около 79%) и кислород (20%). Оставшийся процент (1%) приходится на следующие газы: аргон, неон, гелий, метан, углекислый газ, водород, криптон, ксенон, озон, аммиак, двуокиси серы и азота, закись азота и окись углерода, входящих в этот один процент.

Кроме того, в воздухе содержится водяной пар и твердые частицы (пыльца растений, пыль, кристаллики соли, примеси аэрозолей).

В последнее время ученые отмечают не качественное, а количественное изменение некоторых ингредиентов воздуха. И причина тому - человек и его деятельность. Только за последние 100 лет содержание углекислого газа значительно возросло! Это чревато многими проблемами, самая глобальная из которых - изменение климата.

Формирование погоды и климата

Атмосфера играет важнейшую роль в формировании климата и погоды на Земле. Очень многое зависит от количества солнечных лучей, от характера подстилающей поверхности и атмосферной циркуляции.

Рассмотрим факторы по порядку.

1. Атмосфера пропускает тепло солнечных лучей и поглощает вредную радиацию. О том, что лучи Солнца падают на разные участки Земли под разными углами, знали еще древние греки. Само слово "климат" в переводе с древнегреческого означает "наклон". Так, на экваторе солнечные лучи падают практически отвесно, потому здесь очень жарко. Чем ближе к полюсам, тем больше угол наклона. И температура понижается.

2. Из-за неравномерного нагревания Земли в атмосфере формируются воздушные течения. Они классифицируются по своим размерам. Самые маленькие (десятки и сотни метров) - это местные ветра. Далее следуют муссоны и пассаты, циклоны и антициклоны, планетарные фронтальные зоны.

Все эти воздушные массы постоянно перемещаются. Некоторые из них довольно статичны. Например, пассаты, которые дуют от субтропиков по направлению к экватору. Движение других во многом зависит от атмосферного давления.

3. Атмосферное давление - еще один фактор, влияющий на формирование климата. Это давление воздуха на поверхность земли. Как известно, воздушные массы перемещаются с области с повышенным атмосферным давлением в сторону области, где это давление ниже.

Всего выделено 7 зон. Экватор - зона низкого давления. Далее, по обе стороны от экватора вплоть до тридцатых широт - область высокого давления. От 30° до 60° - опять низкое давление. А от 60° до полюсов - зона высокого давления. Между этими зонами и циркулируют воздушные массы. Те, что идут с моря на сушу, несут дожди и ненастье, а те, что дуют с континентов - ясную и сухую погоду. В местах, где воздушные течения сталкиваются, образуются зоны атмосферного фронта, которые характеризуются осадками и ненастной, ветреной погодой.

Ученые доказали, что от атмосферного давления зависит даже самочувствие человека. По международным стандартам нормальное атмосферное давление - 760 мм рт. столба при температуре 0°C. Этот показатель рассчитан на те участки суши, которые находятся практически вровень с уровнем моря. С высотой давление понижается. Поэтому, например, для Санкт-Петербурга 760 мм рт.ст. - это норма. А вот для Москвы, которая расположена выше, нормальное давление - 748 мм рт.ст.

Давление меняется не только по вертикали, но и по горизонтали. Особенно это чувствуется при прохождении циклонов.

Строение атмосферы

Атмосфера напоминает слоеный пирог. И каждый слой имеет свои особенности.

. Тропосфера - самый близкий к Земле слой. "Толщина" этого слоя изменяется по мере удаления от экватора. Над экватором слой простирается ввысь на 16-18 км, в умеренных зонах - на 10-12км, на полюсах - на 8-10 км.

Именно здесь содержится 80% всей массы воздуха и 90% водяного пара. Здесь образуются облака, возникают циклоны и антициклоны. Температура воздуха зависит от высоты местности. В среднем она понижается на 0,65° C на каждые 100 метров.

. Тропопауза - переходный слой атмосферы. Его высота - от нескольких сотен метров до 1-2 км. Температура воздуха летом выше, чем зимой. Так, например, над полюсами зимой -65° C. А над экватором в любое время года держится -70° C.

. Стратосфера - это слой, верхняя граница которого проходит на высоте 50-55 километров. Турбулентность здесь низкая, содержание водяного пара в воздухе - ничтожное. Зато очень много озона. Максимальная его концентрация - на высоте 20-25 км. В стратосфере температура воздуха начинает повышаться и достигает отметки +0,8° C. Это обусловлено тем, что озоновый слой взаимодействует с ультрафиолетовым излучением.

. Стратопауза - невысокий промежуточный слой между стратосферой и следующей за ней мезосферой.

. Мезосфера - верхняя граница этого слоя - 80-85 километров. Здесь происходят сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов. Именно они обеспечивают то нежное голубое сияние нашей планеты, которое видится из космоса.

В мезосфере сгорает большинство комет и метеоритов.

. Мезопауза - следующий промежуточный слой, температура воздуха в котором минимум -90°.

. Термосфера - нижняя граница начинается на высоте 80 - 90 км, а верхняя граница слоя проходит приблизительно по отметке 800 км. Температура воздуха возрастает. Она может варьироваться от +500° C до +1000° C. В течение суток температурные колебания составляют сотни градусов! Но воздух здесь настолько разрежен, что понимание термина "температура" как мы его представляем, здесь не уместно.

. Ионосфера - объединяет мезосферу, мезопаузу и термосферу. Воздух здесь состоит в основном из молекул кислорода и азота, а также из квазинейтральной плазмы. Солнечные лучи, попадая в ионосферу сильно ионизируют молекулы воздуха. В нижнем слое (до 90 км) степень ионизация низкая. Чем выше, тем больше ионизация. Так, на высоте 100-110 км электроны концентрируются. Это способствует отражению коротких и средних радиоволн.

Самый важный слой ионосферы - верхний, который находится на высоте 150-400 км. Его особенность в том, что он отражает радиоволны, а это способствует передаче радиосигналов на значительные расстояния.

Именно в ионосфере происходят такое явление, как полярное сияние.

. Экзосфера - состоит из атомов кислорода, гелия и водорода. Газ в этом слое очень разрежен и нередко атомы водорода ускользают в космическое пространство. Поэтому этот слой и называют "зоной рассеивания".

Первым ученым, который предположил, что наша атмосфера имеет вес, был итальянец Э. Торричелли. Остап Бендер, например, в романе "Золотой теленок" сокрушался, что на каждого человека давит воздушный столб весом в 14 кг! Но великий комбинатор немного ошибался. Взрослый человек испытывает на себя давление в 13-15 тонн! Но мы не чувствуем этой тяжести, потому что атмосферное давление уравновешивается внутренним давлением человека. Вес нашей атмосферы составляет 5 300 000 000 000 000 тонн. Цифра колоссальная, хотя это всего лишь миллионная часть веса нашей планеты.

Все, кто летал на самолете, привыкли к сообщению такого рода: «наш полет проходит на высоте 10 000 м, температура за бортом - 50 °С». Кажется, ничего особенного. Чем дальше от нагретой Солнцем поверхности Земли, тем холоднее. Многие думают, что понижение температуры с высотой идет непрерывно и постепенно температура падает, приближаясь к температуре космоса. Между прочем, так думали ученые вплоть до конца 19 века.

Разберемся подробнее с распределением температуры воздуха над Землей. Атмосферу подразделяют на несколько слоев, которые и отражают в первую очередь характер изменения температуры.

Нижний слой атмосферы называется тропосферой , что означает „сфера поворота". Все перемены погоды и климата являются результатом физических процессов, происходящих именно в этом слое. Верхняя граница этого слоя располагается там, где уменьшение температуры с высотой сменяется ее возрастанием,— примерно на высоте 15—16 км над экватором и 7—8 км над полюсами. Как и сама Земля, атмосфера под влиянием вращения нашей планеты тоже несколько сплющена над полюсами и разбухает над экватором. Однако этот эффект выражен в атмосфере значительно сильнее, чем в твердой оболочке Земли. В направлении от поверхности Земли к верхней границе тропосферы температура воздуха понижается. Над экватором минимальная температура воздуха составляет около —62°С, а над полюсами около —45°С. В умеренных широтах более 75% массы атмосферы находится в тропосфере. В тропиках же в пределах тропосферы находится около 90% массы атмосферы.

В 1899 г. в вертикальном профиле температуры на некоторой высоте был обнаружен ее минимум, а затем температура незначительно повышалась. Начало этого повышения означает переход к следующему слою атмосферы — к стратосфере , что означает „сфера слоя". Термин стратосфера означает и отражает прежнее представление о единственности слоя, лежащего выше тропосферы. Стратосфера простирается до высоты около 50 км над земной поверхностью. Особенностью ее является, в частности, резкое повышение температуры воздуха. Это повышение температуры объясняют реакцией образования озона — одной из главных химических реакций, происходящих в атмосфере.

Основная масса озона сосредоточена на высотах примерно 25 км, но в целом слой озона представляет собой сильно растянутую по высоте оболочку, охватывающую почти всю стратосферу. Взаимодействие кислорода с ультрафиолетовыми лучами — один из благоприятных процессов в земной атмосфере, способствующих поддержанию жизни на Земле. Поглощение озоном этой энергии препятствует излишнему поступлению ее на земную поверхность, где создается именно такой уровень энергии, который пригоден для существования земных форм жизни. Озоносфера поглощает часть лучистой энергии, проходщей через атмосферу. В результате этого в озоносфере устанавливается вертикальный градиент температуры воздуха примерно 0,62°С на 100 м, т. е, температура повышается с высотой вплоть до верхнего предела стратосферы — стратопаузы (50 км), достигая, по некоторым данным, 0 °С.

На высотах от 50 до 80 км располагается слой атмосферы, называемый мезосферой . Слово „мезосфера" означает „промежуточная сфера", здесь температура воздуха продолжает понижаться с высотой. Выше мезосферы, в слое, называемом термосферой , температура снова растет с высотой примерно до 1000°С, а затем очень быстро падает до —96°С. Однако падает не беспредельно, потом температура снова увеличивается.

Термосфера является первым слоем ионосферы . В отличие от упомянутых ранее слоев, ионосфера выделена не по температурному признаку. Ионосфера является областью, имеющей электрическую природу, благодаря которой становятся возможными многие виды радиосвязи. Ионосферу делят на несколько слоев, обозначая их буквами D, Е, F1 и F2 Эти слои имеют и особые названия. Разделение на слои вызвано несколькими причинами, среди которых самая важная—неодинаковое влияние слоев на прохождение радиоволн. Самый нижний слой, D, в основном поглощает радиоволны и тем самым препятствует дальнейшему их распространению. Лучше всего изученный слой Е расположен на высоте примерно 100 км над земной поверхностью. Его называют также слоем Кеннелли — Хевисайда по именам американского и английского ученых, которые одновременно и независимо друг от друга обнаружили его. Слой Е, подобно гигантскому зеркалу, отражает радиоволны. Благодаря этому слою длинные радиоволны проходят более далекие расстояния, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись только прямолинейно, не отражаясь от слоя Е. Аналогичные свойства имеет и слой F. Его называют также слоем Эпплтона. Вместе со слоем Кеннелли—Хевисайда он отражаем радиоволны к наземным радиостанциями Такое отражение может происходить под различными углами. Слой Эпплтона расположен на высоте около 240 км.

Самая внешняя область атмосферы, второй слой ионосферы, часто называется экзосферой . Этот термин указывает на существование окраины космоса вблизи Земли. Определить, где именно кончается атмосфера и начинается космос, трудно, поскольку с высотой плотность атмосферных газов уменьшается постепенно и сама атмосфера плавно превращается почти в вакуум, в котором встречаются лишь отдельные молекулы. Уже на высоте примерно 320 км плотность атмосферы настолько мала, что молекулы, не сталкиваясь друг с другом, могут проходить путь более 1 км. Самая внешняя часть атмосферы служит как бы ее верхней границей, которая располагается на высотах от 480 до 960 км.

Подробнее о процессах а атмосфере можно узнать на сайте «Земной климат»

Замечание 1

Строение атмосферы Земли слоистое, а слои отличаются друг от друга физическими и химическими свойствами, важнейшими из которых являются температура и давление. На основании этого в атмосфере планеты выделяют – тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу.

С высотой плотность атмосферы меняется и на высоте $11$ км становится в $4$ раза меньше, чем в приземном слое. Рассмотрим слои атмосферы в зависимости от плотности, состава и свойств газов.

Тропосфера

В переводе с греческого языка термин «тропосфера» означает «поворот, изменение» , что очень точно отражает её свойства. В пределах этого слоя происходит постоянное перемешивание воздуха и перемещение его в разных направлениях, поэтому только здесь наблюдаются туманы, дожди, снегопады и другие погодные явления.

Тропосфера является нижним слоем атмосферы, верхняя граница которой проходит на высоте $8-10$ км на полюсах и $16-18$ км – на экваторе. Мощность тропосферы может меняться в зависимости от сезона года. В летний период, когда воздух теплый верхний предел тропосферы поднимается выше.

В этом слое содержится до $80\%$ всей массы атмосферы и почти весь водяной пар, что говорит о её плотности и массивности. В тропосфере температура воздуха с высотой понижается через каждые $100$ м на $0,6$ градуса и, естественно, что у верхней границы она будет отрицательной. Принцип этот характерен только для тропосферы, потому что с ростом высоты температура воздуха начнет повышаться. На границе тропосферы и стратосферы выделяется зона, которая получила название тропопауза – в её пределах температура остается без изменений. Нижний слой тропосферы, получивший название приземного пограничного слоя , непосредственно контактирует с литосферой и играет огромную роль в циркуляции атмосферы . Именно здесь осуществляется водообмен – вода, взятая с поверхности суши и из океанов за $8-12$ дней возвращается обратно.

С тропосферой связано атмосферное давление у поверхности Земли, которое в норме соответствует $1000$ миллибар. Давление в $1013$ миллибар является эталоном и составляет одну «атмосферу». С высотой происходит стремительное снижение давления и на $45-ти$ километровой отметке оно падает до $1$ мБара .

Стратосфера

В переводе с греческого языка стратосфера означает «настил, слой» , который находится выше тропосферы и простирается до высоты $50-55$ км.

Для стратосферы характерна незначительная плотность и давление воздуха. Воздух разрежен, но представлен теми же газами, что и тропосфера. В этом слое водяной пар почти отсутствует. С высотой давление в стратосфере понижается – если в нижней части слоя давление в $10$ раз меньше приповерхностного, то в его верхней части меньше уже в $100$ раз. На высоте $15-30$ км появляется газ озон, поглощающий коротковолновую часть солнечной энергии, в результате чего происходит нагревание воздуха и в нижней части тропосферы температура возрастает до $+56$ градусов, а на границе с мезосферой достигает $0$ градусов. Нагрев прекращается в стратопаузе.

Мезосфера

Данный слой располагается над стратосферой и простирается до высоты $80$ км. Плотность воздуха здесь в $200$ раз меньше, чем у поверхности Земли, а температура понижается до – $90$ градусов. Это самое холодное место на планете, здесь в верхнем слое мезосферы воздух охлаждается до – $143$ градусов. Из всех слоев атмосферы мезосфера изучена менее всего. Давление газов экстремально низкое и ниже поверхностного от $1000-10000$ раз. В результате этого движение воздушных шаров ограничено, они просто зависают на месте, потому что их подъемная сила доходит до нуля. Подобная ситуация происходит и с реактивными самолетами, поэтому в мезосфере летать могут только ракеты или самолеты с ракетными двигателями. Например, ракетоплан Х-15. Он считается самым быстрым самолетом в мире, но рекордный его полет длился всего $15$ минут. Аппараты, исследующие мезосферу, находиться на заданной высоте могут ограниченное время – они улетают выше или падают вниз. Проблематичным является исследование мезосферы со спутников и суборбитальных зонтов, т.к. даже низкое давление тормозит и даже сжигает космические аппараты.

Основная часть метеоров сгорает в этом слое атмосферы, метеорит, заходя в атмосферу Земли под острым углом, и, имея скорость $11$ км/ч, загорается от силы трения. Космическая пыль от сгоревших метеоритов ежедневно оседает на поверхность, оставляя от $100-10$ тысяч тонн метеоритного вещества.

Термосфера

Она располагается выше мезосферы и поднимается до высоты $800$ км. Термосфера характеризуется процессами поглощения и преобразования ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

На высоте $100$ км проходит условная граница между Землей и космосом – это так называемая линия Кармана . Нижняя граница термосферы совпадает с этой линией. В термосфере есть небольшое количество газов, которые вращаются вместе с Землей, но выше линии Кармана газов становится очень мало, поэтому любой полет за пределами $100$ километровой отметки, принято считать космическим. Температура здесь снова растет и на высоте $150$ км достигает $ 220$ градусов, а на высоте $ 400$ км – достигает максимума в $ 1800$ градусов. В центральной части термосферы давление в $1$ млн. раз меньше концентрации воздуха у поверхности Земли. Отдельно взятые частицы имеют очень большую энергию, но огромные расстояния между собой. В результате получается, что космические аппараты находятся в вакууме.

В пределах термосферы выделяется ионосфера , где под действием коротковолновой солнечной радиации отдельные электроны отрываются от оболочек атомов и возникают слои заряженных частиц. В результате небольшой плотности воздуха, солнечные лучи рассеиваются и на черном небе ярко светят звезды. В ионосфере образуются мощные электрические токи, вызывающие нарушения магнитного поля Земли и возникают полярные сияния.

Замечание 2

Фактически термосфера представляет собой открытый космос, в её пределах проходила орбита первого советского спутника. На этой же высоте работают многие искусственные спутники, изучающие поверхность Земли, океаны и атмосферу.

Экзосфера

Этот слой атмосферы означает «сфера рассеивания », потому что граничит с космосом и является воздухом, рассеивающимся в межпланетное пространство. Слой состоит из атомов водорода, который является легчайшим элементом. Могут также попадать атомы кислорода и азота, но они сильно ионизированы солнечным излучением.

Экзосфера находится на высоте от $800-3000$ км и имеет температуру свыше $2000$ градусов. Газы этой сферы представлены водородом и гелием, скорость движения которых близка к критической и составляет $11,2$ км/с.

В результате этого отдельные частицы могут преодолеть земное притяжение и уйти в космическое пространство.

Экзосфера по своим размерам слой небольшой и перерастает в корону Земли, растянувшуюся до $100$ тыс. км от планеты.

Замечание 3

В жизни планеты роль атмосферы исключительно велика – Земля была бы без неё просто мертва. С атмосферой связаны все погодные явления, а с ними связана деятельность человека. Являясь посредником между Землей и космосом атмосфера служит мощной броней для железо-каменных метеорных потоков. Благодаря этой воздушной оболочке на Земле дует ветер, выпадают осадки, возникают сумерки и полярные сияния, происходит непрерывный обмен теплом и влагой с живой поверхностью.

Мезосфера

Располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80-85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до -110° были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа.

В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока еще недостаточно изучены.

Термосфера

Представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Вблизи земной поверхности в 1 м3 воздуха содержится ок. 2,5Ч1025 молекул, на высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, - приблизительно 1019, на высоте 200 км, в ионосфере, - 5Ч1015 и, по расчетам, на высоте ок. 850 км - примерно 1012 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 108-109 на 1 м3.

На высоте ок. 100 км количество молекул невелико, и они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на 650 км.

При определенной температуре скорость движения молекулы зависит от ее массы: более легкие молекулы движутся быстрее тяжелых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме того, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атомарный кислород приобретает все большее значение в составе атмосферы и на высоте ок. 200 км становится ее главным компонентом. Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладают легкие газы - гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы. Такое разделение по весу, называемое диффузным расслоением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги.

Экзосфера

Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство.