10,045 x 103 J/(kg*K) (v teplotnom rozsahu od 0 do 100 °C), C v 8,3710 x 103 J/(kg*K) (0-1500 °C). Rozpustnosť vzduchu vo vode pri 0 °C je 0,036 %, pri 25 °C - 0,22 %.
Zloženie atmosféry
História vzniku atmosféry
Raná história
V súčasnosti veda nedokáže so 100% presnosťou sledovať všetky fázy formovania Zeme. Podľa najbežnejšej teórie mala zemská atmosféra v priebehu času štyri rôzne zloženie. Spočiatku ho tvorili ľahké plyny (vodík a hélium) zachytené z medziplanetárneho priestoru. Tento tzv primárna atmosféra. V ďalšom štádiu aktívna sopečná činnosť viedla k nasýteniu atmosféry inými plynmi ako vodík (uhľovodíky, amoniak, vodná para). To je ako sekundárna atmosféra. Táto atmosféra bola obnovujúca. Ďalej bol proces tvorby atmosféry určený nasledujúcimi faktormi:
- neustály únik vodíka do medziplanetárneho priestoru;
- chemické reakcie prebiehajúce v atmosfére pod vplyvom ultrafialového žiarenia, bleskových výbojov a niektorých ďalších faktorov.
Postupne tieto faktory viedli k vzniku terciárna atmosféra, vyznačujúci sa oveľa nižším obsahom vodíka a oveľa vyšším obsahom dusíka a oxidu uhličitého (vzniká ako výsledok chemických reakcií z amoniaku a uhľovodíkov).
Vznik života a kyslíka
S príchodom živých organizmov na Zem v dôsledku fotosyntézy sprevádzanej uvoľňovaním kyslíka a absorpciou oxidu uhličitého sa zloženie atmosféry začalo meniť. Existujú však údaje (analýza izotopového zloženia vzdušného kyslíka a kyslíka uvoľneného počas fotosyntézy), ktoré svedčia v prospech geologického pôvodu atmosférického kyslíka.
Spočiatku sa kyslík vynakladal na oxidáciu redukovaných zlúčenín - uhľovodíkov, železnej formy železa obsiahnutej v oceánoch atď. Na konci tejto etapy začal obsah kyslíka v atmosfére rásť.
V deväťdesiatych rokoch sa uskutočnili experimenty na vytvorenie uzavretého ekologického systému („Biosféra 2“), počas ktorého nebolo možné vytvoriť stabilný systém s jediným zložením vzduchu. Vplyv mikroorganizmov viedol k zníženiu hladiny kyslíka a zvýšeniu množstva oxidu uhličitého.
Dusík
Vznik veľkého množstva N 2 je spôsobený oxidáciou primárnej amoniakovo-vodíkovej atmosféry molekulárnym O 2, ktorý začal prichádzať z povrchu planéty v dôsledku fotosyntézy podľa očakávania asi pred 3 miliardami rokov. (podľa inej verzie je vzdušný kyslík geologického pôvodu). Dusík sa oxiduje na NO v hornej atmosfére, používa sa v priemysle a je viazaný baktériami viažucimi dusík, zatiaľ čo N 2 sa uvoľňuje do atmosféry v dôsledku denitrifikácie dusičnanov a iných zlúčenín obsahujúcich dusík.
Dusík N 2 je inertný plyn a reaguje len za špecifických podmienok (napríklad pri výboji blesku). Môžu ho oxidovať a premieňať na biologickú formu sinice, niektoré baktérie (napríklad uzlové baktérie, ktoré vytvárajú rizobiálnu symbiózu so strukovinami).
Oxidácia molekulárneho dusíka elektrickými výbojmi sa využíva pri priemyselnej výrobe dusíkatých hnojív a viedla aj k vytvoreniu unikátnych ložísk ledku v čílskej púšti Atacama.
vzácnych plynov
Spaľovanie paliva je hlavným zdrojom znečisťujúcich plynov (CO , NO, SO 2). Oxid siričitý sa oxiduje vzduchom O 2 na SO 3 v hornej atmosfére, ktorý interaguje s parami H 2 O a NH 3 a vzniknuté H 2 SO 4 a (NH 4) 2 SO 4 sa spolu so zrážkami vracajú na zemský povrch. . Používaním spaľovacích motorov dochádza k výraznému znečisteniu ovzdušia oxidmi dusíka, uhľovodíkmi a zlúčeninami Pb.
Aerosólové znečistenie atmosféry je spôsobené jednak prírodnými príčinami (výbuch sopky, prachové búrky, strhávanie kvapiek morskej vody a peľových častíc a pod.), ako aj hospodárskou činnosťou človeka (ťažba rúd a stavebných materiálov, spaľovanie palív, výroba cementu atď.). .). Intenzívne rozsiahle odstraňovanie pevných častíc do atmosféry je jednou z možných príčin klimatických zmien na planéte.
Štruktúra atmosféry a charakteristika jednotlivých škrupín
Fyzikálny stav atmosféry je určený počasím a klímou. Hlavné parametre atmosféry: hustota vzduchu, tlak, teplota a zloženie. S rastúcou nadmorskou výškou klesá hustota vzduchu a atmosférický tlak. Teplota sa tiež mení so zmenou nadmorskej výšky. Vertikálna štruktúra atmosféry sa vyznačuje rôznymi teplotnými a elektrickými vlastnosťami, rôznymi podmienkami vzduchu. V závislosti od teploty v atmosfére sa rozlišujú tieto hlavné vrstvy: troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra, exosféra (rozptylová guľa). Prechodné oblasti atmosféry medzi susednými obalmi sa nazývajú tropopauza, stratopauza atď.
Troposféra
Stratosféra
Väčšina krátkovlnnej časti ultrafialového žiarenia (180-200 nm) sa zadržiava v stratosfére a energia krátkych vĺn sa transformuje. Pod vplyvom týchto lúčov sa menia magnetické polia, dochádza k rozpadu molekúl, ionizácii, novotvorbe plynov a iných chemických zlúčenín. Tieto procesy možno pozorovať vo forme polárnych svetiel, bleskov a iných žiaroviek.
V stratosfére a vyšších vrstvách sa vplyvom slnečného žiarenia molekuly plynu disociujú - na atómy (nad 80 km disociuje CO 2 a H 2, nad 150 km - O 2, nad 300 km - H 2). Vo výške 100-400 km dochádza k ionizácii plynov aj v ionosfére, vo výške 320 km je koncentrácia nabitých častíc (O + 2, O - 2, N + 2) ~ 1/300 koncentrácia neutrálnych častíc. V horných vrstvách atmosféry sa nachádzajú voľné radikály – OH, HO 2 atď.
V stratosfére nie je takmer žiadna vodná para.
mezosféra
Do výšky 100 km je atmosféra homogénna, dobre premiešaná zmes plynov. Vo vyšších vrstvách závisí rozloženie plynov na výšku od ich molekulových hmotností, koncentrácia ťažších plynov klesá rýchlejšie so vzdialenosťou od zemského povrchu. V dôsledku poklesu hustoty plynu klesá teplota z 0°С v stratosfére na −110°С v mezosfére. Kinetická energia jednotlivých častíc však vo výškach 200–250 km zodpovedá teplote ~1500°C. Nad 200 km sú pozorované výrazné výkyvy teploty a hustoty plynu v čase a priestore.
Vo výške asi 2000-3000 km exosféra postupne prechádza do takzvaného blízkeho vesmírneho vákua, ktoré je vyplnené vysoko riedkymi časticami medziplanetárneho plynu, najmä atómami vodíka. Tento plyn je však len časťou medziplanetárnej hmoty. Druhá časť je zložená z prachových častíc kometárneho a meteorického pôvodu. Okrem týchto extrémne riedkych častíc do tohto priestoru preniká elektromagnetické a korpuskulárne žiarenie slnečného a galaktického pôvodu.
Troposféra predstavuje asi 80 % hmotnosti atmosféry, stratosféra asi 20 %; hmotnosť mezosféry nie je väčšia ako 0,3 %, termosféra je menšia ako 0,05 % z celkovej hmotnosti atmosféry. Na základe elektrických vlastností v atmosfére sa rozlišuje neutrosféra a ionosféra. V súčasnosti sa verí, že atmosféra siaha do nadmorskej výšky 2000-3000 km.
V závislosti od zloženia plynu v atmosfére emitujú homosféra A heterosféra. heterosféra- je to oblasť, kde má gravitácia vplyv na oddeľovanie plynov, keďže ich miešanie v takej výške je zanedbateľné. Z toho vyplýva premenlivé zloženie heterosféry. Pod ním leží dobre premiešaná, homogénna časť atmosféry nazývaná homosféra. Hranica medzi týmito vrstvami sa nazýva turbopauza, leží vo výške okolo 120 km.
Atmosférické vlastnosti
Už vo výške 5 km nad morom sa u netrénovaného človeka rozvinie hladovanie kyslíkom a bez prispôsobenia sa výrazne znižuje výkonnosť človeka. Tu končí fyziologická zóna atmosféry. Ľudské dýchanie sa stáva nemožným vo výške 15 km, hoci asi do 115 km atmosféra obsahuje kyslík.
Atmosféra nám poskytuje kyslík, ktorý potrebujeme na dýchanie. Avšak v dôsledku poklesu celkového tlaku v atmosfére, keď stúpate do výšky, sa zodpovedajúcim spôsobom znižuje aj parciálny tlak kyslíka.
Ľudské pľúca neustále obsahujú asi 3 litre alveolárneho vzduchu. Parciálny tlak kyslíka v alveolárnom vzduchu pri normálnom atmosférickom tlaku je 110 mm Hg. Art., tlak oxidu uhličitého - 40 mm Hg. Art., a vodná para -47 mm Hg. čl. So zvyšujúcou sa nadmorskou výškou tlak kyslíka klesá a celkový tlak vodnej pary a oxidu uhličitého v pľúcach zostáva takmer konštantný - asi 87 mm Hg. čl. Tok kyslíka do pľúc sa úplne zastaví, keď sa tlak okolitého vzduchu vyrovná tejto hodnote.
Vo výške asi 19-20 km klesá atmosférický tlak na 47 mm Hg. čl. Preto v tejto výške začne v ľudskom tele vrieť voda a intersticiálna tekutina. Mimo pretlakovej kabíny v týchto nadmorských výškach nastáva smrť takmer okamžite. Z hľadiska fyziológie človeka teda „vesmír“ začína už vo výške 15-19 km.
Husté vrstvy vzduchu – troposféra a stratosféra – nás chránia pred škodlivými účinkami žiarenia. Pri dostatočnej riedkosti vzduchu vo výškach nad 36 km intenzívne pôsobí na organizmus ionizujúce žiarenie, primárne kozmické žiarenie; vo výškach nad 40 km pôsobí pre človeka nebezpečná ultrafialová časť slnečného spektra.
Jeho horná hranica je v nadmorskej výške 8-10 km v polárnych, 10-12 km v miernych a 16-18 km v tropických zemepisných šírkach; v zime nižšia ako v lete. Spodná, hlavná vrstva atmosféry. Obsahuje viac ako 80 % celkovej hmotnosti atmosférického vzduchu a asi 90 % všetkej vodnej pary prítomnej v atmosfére. V troposfére je silne vyvinutá turbulencia a konvekcia, objavujú sa oblaky, vznikajú cyklóny a anticyklóny. Teplota klesá s nadmorskou výškou s priemerným vertikálnym gradientom 0,65°/100 m
Pre „normálne podmienky“ na zemskom povrchu sa berú: hustota 1,2 kg/m3, barometrický tlak 101,35 kPa, teplota plus 20 °C a relatívna vlhkosť 50 %. Tieto podmienené ukazovatele majú čisto inžiniersku hodnotu.
Stratosféra
Vrstva atmosféry sa nachádza vo výške 11 až 50 km. Charakteristická je mierna zmena teploty vo vrstve 11-25 km (spodná vrstva stratosféry) a jej zvýšenie vo vrstve 25-40 km z −56,5 na 0,8 ° (horná stratosféra alebo inverzná oblasť). Po dosiahnutí hodnoty asi 273 K (takmer 0 °C) vo výške asi 40 km zostáva teplota konštantná až do výšky asi 55 km. Táto oblasť konštantnej teploty sa nazýva stratopauza a je hranicou medzi stratosférou a mezosférou.
Stratopauza
Hraničná vrstva atmosféry medzi stratosférou a mezosférou. Vo vertikálnom rozložení teploty je maximum (asi 0 °C).
mezosféra
Mezopauza
Prechodná vrstva medzi mezosférou a termosférou. Vo vertikálnom rozložení teplôt je minimum (asi -90°C).
Línia Karman
Nadmorská výška, ktorá sa bežne považuje za hranicu medzi zemskou atmosférou a vesmírom.
Termosféra
Horná hranica je asi 800 km. Teplota stúpa do nadmorských výšok 200-300 km, kde dosahuje hodnoty rádovo 1500 K, potom zostáva takmer konštantná až do vysokých nadmorských výšok. Pod vplyvom ultrafialového a röntgenového slnečného žiarenia a kozmického žiarenia dochádza k ionizácii vzduchu ("polárne svetlá") - hlavné oblasti ionosféry ležia vo vnútri termosféry. Vo výškach nad 300 km prevláda atómový kyslík.
Exosféra (sféra rozptylu)
Do výšky 100 km je atmosféra homogénna, dobre premiešaná zmes plynov. Vo vyšších vrstvách závisí rozloženie plynov na výšku od ich molekulových hmotností, koncentrácia ťažších plynov klesá rýchlejšie so vzdialenosťou od zemského povrchu. V dôsledku poklesu hustoty plynu klesá teplota z 0 °C v stratosfére na -110 °C v mezosfére. Kinetická energia jednotlivých častíc však vo výškach 200–250 km zodpovedá teplote ~1500°C. Nad 200 km sú pozorované výrazné výkyvy teploty a hustoty plynu v čase a priestore.
Vo výške okolo 2000-3000 km exosféra postupne prechádza do tzv. blízke vesmírne vákuum, ktorý je naplnený vysoko riedkymi časticami medziplanetárneho plynu, najmä atómami vodíka. Tento plyn je však len časťou medziplanetárnej hmoty. Druhá časť je zložená z prachových častíc kometárneho a meteorického pôvodu. Okrem extrémne riedkych prachových častíc do tohto priestoru preniká elektromagnetické a korpuskulárne žiarenie slnečného a galaktického pôvodu.
Troposféra predstavuje asi 80 % hmotnosti atmosféry, stratosféra asi 20 %; hmotnosť mezosféry nie je väčšia ako 0,3 %, termosféra je menšia ako 0,05 % z celkovej hmotnosti atmosféry. Na základe elektrických vlastností v atmosfére sa rozlišuje neutrosféra a ionosféra. V súčasnosti sa verí, že atmosféra siaha do nadmorskej výšky 2000-3000 km.
V závislosti od zloženia plynu v atmosfére emitujú homosféra A heterosféra. heterosféra- je to oblasť, kde má gravitácia vplyv na oddeľovanie plynov, keďže ich miešanie v takej výške je zanedbateľné. Z toho vyplýva premenlivé zloženie heterosféry. Pod ním leží dobre premiešaná, homogénna časť atmosféry, nazývaná homosféra. Hranica medzi týmito vrstvami sa nazýva turbopauza, leží vo výške okolo 120 km.
Fyzikálne vlastnosti
Hrúbka atmosféry je približne 2000 - 3000 km od povrchu Zeme. Celková hmotnosť vzduchu - (5,1-5,3)? 10 18 kg. Molárna hmotnosť čistého suchého vzduchu je 28,966. Tlak pri 0 °C na hladine mora 101,325 kPa; kritická teplota -140,7 °C; kritický tlak 3,7 MPa; Cp 1,0048-10? J/ (kg K) (pri 0 °C), Cv 0,7159 10? J/(kg K) (pri 0 °C). Rozpustnosť vzduchu vo vode pri 0°С - 0,036%, pri 25°С - 0,22%.
Fyziologické a iné vlastnosti atmosféry
Už vo výške 5 km nad morom sa u netrénovaného človeka rozvinie hladovanie kyslíkom a bez prispôsobenia sa výrazne znižuje výkonnosť človeka. Tu končí fyziologická zóna atmosféry. Ľudské dýchanie sa stáva nemožným vo výške 15 km, hoci asi do 115 km atmosféra obsahuje kyslík.
Atmosféra nám poskytuje kyslík, ktorý potrebujeme na dýchanie. Avšak v dôsledku poklesu celkového tlaku v atmosfére, keď stúpate do výšky, sa zodpovedajúcim spôsobom znižuje aj parciálny tlak kyslíka.
Ľudské pľúca neustále obsahujú asi 3 litre alveolárneho vzduchu. Parciálny tlak kyslíka v alveolárnom vzduchu pri normálnom atmosférickom tlaku je 110 mm Hg. Art., tlak oxidu uhličitého - 40 mm Hg. Art., a vodná para - 47 mm Hg. čl. So zvyšujúcou sa nadmorskou výškou tlak kyslíka klesá a celkový tlak vodnej pary a oxidu uhličitého v pľúcach zostáva takmer konštantný - asi 87 mm Hg. čl. Tok kyslíka do pľúc sa úplne zastaví, keď sa tlak okolitého vzduchu vyrovná tejto hodnote.
Vo výške asi 19-20 km klesá atmosférický tlak na 47 mm Hg. čl. Preto v tejto výške začne v ľudskom tele vrieť voda a intersticiálna tekutina. Mimo pretlakovej kabíny v týchto nadmorských výškach nastáva smrť takmer okamžite. Z hľadiska fyziológie človeka teda „vesmír“ začína už vo výške 15-19 km.
Husté vrstvy vzduchu – troposféra a stratosféra – nás chránia pred škodlivými účinkami žiarenia. Pri dostatočnej riedkosti vzduchu vo výškach nad 36 km intenzívne pôsobí na organizmus ionizujúce žiarenie, primárne kozmické žiarenie; vo výškach nad 40 km pôsobí pre človeka nebezpečná ultrafialová časť slnečného spektra.
Ako stúpame do stále väčšej výšky nad zemským povrchom, pozorujeme v nižších vrstvách atmosféry také javy, ktoré sú nám známe, ako napríklad šírenie zvuku, vznik aerodynamického vztlaku a odporu, prenos tepla konvekciou atď. ., postupne slabnúť a potom úplne zmiznúť.
V riedkych vrstvách vzduchu je šírenie zvuku nemožné. Do výšok 60-90 km je stále možné využiť odpor vzduchu a vztlak na riadený aerodynamický let. Počnúc výškami 100 - 130 km však pojmy čísla M a zvukovej bariéry, ktoré pozná každý pilot, strácajú svoj význam, prechádza podmienená Karmanova línia, za ktorou začína sféra čisto balistického letu, ktorú možno ovládať iba pomocou reaktívnych síl.
Vo výškach nad 100 km chýba atmosfére aj ďalšia pozoruhodná vlastnosť - schopnosť absorbovať, viesť a odovzdávať tepelnú energiu konvekciou (t. j. miešaním vzduchu). To znamená, že rôzne prvky vybavenia, vybavenie orbitálnej vesmírnej stanice nebude možné zvonku chladiť tak, ako sa to bežne robí v lietadle – pomocou vzduchových trysiek a vzduchových radiátorov. V takej výške, ako vo všeobecnosti vo vesmíre, je jediným spôsobom prenosu tepla tepelné žiarenie.
Zloženie atmosféry
Atmosféru Zeme tvoria najmä plyny a rôzne nečistoty (prach, kvapky vody, ľadové kryštály, morské soli, splodiny horenia).
Koncentrácia plynov, ktoré tvoria atmosféru, je takmer konštantná, s výnimkou vody (H 2 O) a oxidu uhličitého (CO 2).
| Plyn | Obsah podľa objemu, % |
Obsah % hmotnosti |
|---|---|---|
| Dusík | 78,084 | 75,50 |
| Kyslík | 20,946 | 23,10 |
| argón | 0,932 | 1,286 |
| Voda | 0,5-4 | - |
| Oxid uhličitý | 0,032 | 0,046 |
| Neon | 1,818 × 10 −3 | 1,3 × 10 −3 |
| hélium | 4,6 × 10 −4 | 7,2 × 10 −5 |
| metán | 1,7 × 10 −4 | - |
| Krypton | 1,14 × 10 −4 | 2,9 × 10 −4 |
| Vodík | 5 × 10 −5 | 7,6 × 10 −5 |
| xenón | 8,7 × 10 −6 | - |
| Oxid dusný | 5 × 10 −5 | 7,7 × 10 −5 |
Okrem plynov uvedených v tabuľke obsahuje atmosféra SO 2, NH 3, CO, ozón, uhľovodíky, HCl, pary, I 2, ako aj mnoho iných plynov v malých množstvách. V troposfére je neustále veľké množstvo suspendovaných pevných a kvapalných častíc (aerosólov).
História vzniku atmosféry
Podľa najbežnejšej teórie mala zemská atmosféra v priebehu času štyri rôzne zloženie. Spočiatku ho tvorili ľahké plyny (vodík a hélium) zachytené z medziplanetárneho priestoru. Tento tzv primárna atmosféra(asi pred štyrmi miliardami rokov). V ďalšom štádiu aktívna sopečná činnosť viedla k nasýteniu atmosféry inými plynmi ako vodík (oxid uhličitý, amoniak, vodná para). To je ako sekundárna atmosféra(asi tri miliardy rokov pred našimi dňami). Táto atmosféra bola obnovujúca. Ďalej bol proces tvorby atmosféry určený nasledujúcimi faktormi:
- únik ľahkých plynov (vodík a hélium) do medziplanetárneho priestoru;
- chemické reakcie prebiehajúce v atmosfére pod vplyvom ultrafialového žiarenia, bleskových výbojov a niektorých ďalších faktorov.
Postupne tieto faktory viedli k vzniku terciárna atmosféra, vyznačujúci sa oveľa nižším obsahom vodíka a oveľa vyšším obsahom dusíka a oxidu uhličitého (vzniká ako výsledok chemických reakcií z amoniaku a uhľovodíkov).
Dusík
Tvorba veľkého množstva N2 je spôsobená oxidáciou amoniakovo-vodíkovej atmosféry molekulárnym O2, ktorý začal prichádzať z povrchu planéty v dôsledku fotosyntézy pred 3 miliardami rokov. N 2 sa tiež uvoľňuje do atmosféry v dôsledku denitrifikácie dusičnanov a iných zlúčenín obsahujúcich dusík. Dusík je oxidovaný ozónom na NO vo vyšších vrstvách atmosféry.
Dusík N 2 vstupuje do reakcií len za špecifických podmienok (napríklad pri výboji blesku). Oxidácia molekulárneho dusíka ozónom pri elektrických výbojoch sa využíva pri priemyselnej výrobe dusíkatých hnojív. Pri nízkej spotrebe energie ho dokážu okysličiť a premeniť na biologicky aktívnu formu sinice (modrozelené riasy) a uzlové baktérie, ktoré vytvárajú rizobiálnu symbiózu so strukovinami, tzv. zelené hnojenie.
Kyslík
Zloženie atmosféry sa začalo radikálne meniť s príchodom živých organizmov na Zem, v dôsledku fotosyntézy, sprevádzanej uvoľňovaním kyslíka a absorpciou oxidu uhličitého. Spočiatku sa kyslík vynakladal na oxidáciu redukovaných zlúčenín - amoniaku, uhľovodíkov, železitej formy železa obsiahnutej v oceánoch atď. Na konci tejto etapy začal obsah kyslíka v atmosfére rásť. Postupne sa vytvorila moderná atmosféra s oxidačnými vlastnosťami. Keďže to spôsobilo vážne a náhle zmeny v mnohých procesoch vyskytujúcich sa v atmosfére, litosfére a biosfére, táto udalosť sa nazývala kyslíková katastrofa.
Oxid uhličitý
Obsah CO 2 v atmosfére závisí od vulkanickej činnosti a chemických procesov v zemských obaloch, ale predovšetkým od intenzity biosyntézy a rozkladu organickej hmoty v biosfére Zeme. Takmer celá súčasná biomasa planéty (asi 2,4 × 10 12 ton) vzniká vďaka oxidu uhličitému, dusíku a vodnej pare obsiahnutej v atmosférickom vzduchu. Organická hmota, pochovaná v oceáne, močiaroch a lesoch, sa mení na uhlie, ropu a zemný plyn. (pozri geochemický uhlíkový cyklus)
vzácnych plynov
Znečistenie vzduchu
V poslednej dobe človek začal ovplyvňovať vývoj atmosféry. Výsledkom jeho činnosti bolo neustále výrazné zvyšovanie obsahu oxidu uhličitého v atmosfére v dôsledku spaľovania uhľovodíkových palív nahromadených v predchádzajúcich geologických epochách. Obrovské množstvá CO 2 sa spotrebúvajú počas fotosyntézy a absorbujú ho svetové oceány. Tento plyn sa do atmosféry dostáva v dôsledku rozkladu uhličitanových hornín a organických látok rastlinného a živočíšneho pôvodu, ako aj v dôsledku vulkanizmu a ľudskej výrobnej činnosti. Za posledných 100 rokov sa obsah CO 2 v atmosfére zvýšil o 10 %, pričom hlavná časť (360 miliárd ton) pochádza zo spaľovania paliva. Ak bude tempo rastu spaľovania paliva pokračovať, potom sa v nasledujúcich 50 - 60 rokoch množstvo CO 2 v atmosfére zdvojnásobí a môže viesť ku globálnej zmene klímy.
Spaľovanie paliva je hlavným zdrojom znečisťujúcich plynov (СО,, SO 2). Oxid siričitý sa oxiduje vzdušným kyslíkom na SO 3 v hornej atmosfére, ktorý následne interaguje s vodnou parou a amoniakom a výsledná kyselina sírová (H 2 SO 4) a síran amónny ((NH 4) 2 SO 4) sa vracajú do povrch Zeme v podobe tzv. kyslý dážď. Používaním spaľovacích motorov dochádza k výraznému znečisťovaniu ovzdušia oxidmi dusíka, uhľovodíkmi a zlúčeninami olova (tetraetylolovo Pb (CH 3 CH 2) 4)).
Aerosólové znečistenie atmosféry je spôsobené jednak prírodnými príčinami (výbuch sopiek, prachové búrky, strhávanie kvapiek morskej vody a peľu rastlín a pod.), ako aj hospodárskou činnosťou človeka (ťažba rúd a stavebných materiálov, spaľovanie palív, výroba cementu atď.). .). Intenzívne rozsiahle odstraňovanie pevných častíc do atmosféry je jednou z možných príčin klimatických zmien na planéte.
Literatúra
- V. V. Parin, F. P. Kosmolinsky, B. A. Dushkov "Vesmírna biológia a medicína" (2. vydanie, prepracované a rozšírené), M.: "Prosveshchenie", 1975, 223 strán.
- N. V. Gusakova "Environmentálna chémia", Rostov na Done: Phoenix, 2004, 192 s ISBN 5-222-05386-5
- Sokolov V. A. Geochémia zemných plynov, M., 1971;
- McEwen M., Phillips L.. Atmospheric Chemistry, M., 1978;
- Wark K., Warner S., Znečistenie ovzdušia. Zdroje a riadenie, prekl. z angličtiny, M.. 1980;
- Monitorovanie znečistenia pozadia prírodného prostredia. V. 1, L., 1982.
pozri tiež
Odkazy
|
Zemská atmosféra |
Atmosféra je zmesou rôznych plynov. Rozprestiera sa od povrchu Zeme do výšky až 900 km, chráni planétu pred škodlivým spektrom slnečného žiarenia a obsahuje plyny potrebné pre všetok život na planéte. Atmosféra zachytáva slnečné teplo, ohrieva sa blízko zemského povrchu a vytvára priaznivú klímu.
Zloženie atmosféry
Atmosféru Zeme tvoria najmä dva plyny – dusík (78 %) a kyslík (21 %). Okrem toho obsahuje nečistoty oxidu uhličitého a iných plynov. v atmosfére existuje vo forme pary, kvapiek vlhkosti v oblakoch a ľadových kryštálikov.
Vrstvy atmosféry
Atmosféra pozostáva z mnohých vrstiev, medzi ktorými nie sú jasné hranice. Teploty rôznych vrstiev sa navzájom výrazne líšia.
- bezvzduchová magnetosféra. Väčšina satelitov Zeme sem lieta mimo zemskej atmosféry.
- Exosféra (450-500 km od povrchu). Takmer neobsahuje plyny. Niektoré meteorologické satelity lietajú v exosfére. Termosféra (80-450 km) sa vyznačuje vysokými teplotami dosahujúcimi 1700°C v hornej vrstve.
- Mezosféra (50-80 km). V tejto sfére teplota klesá so zvyšujúcou sa nadmorskou výškou. Práve tu zhorí väčšina meteoritov (úlomkov vesmírnych hornín), ktoré sa dostanú do atmosféry.
- Stratosféra (15-50 km). Obsahuje ozónovú vrstvu, teda vrstvu ozónu, ktorá pohlcuje ultrafialové žiarenie zo slnka. To vedie k zvýšeniu teploty v blízkosti zemského povrchu. Bežne sem lietajú prúdové lietadlá, as viditeľnosť v tejto vrstve je veľmi dobrá a nedochádza takmer k žiadnemu rušeniu spôsobenému poveternostnými podmienkami.
- Troposféra. Výška sa pohybuje od 8 do 15 km od zemského povrchu. Práve tu sa formuje počasie planéty, keďže v r táto vrstva obsahuje najviac vodnej pary, prachu a vetra. Teplota klesá so vzdialenosťou od zemského povrchu.
Atmosférický tlak
Hoci to necítime, vrstvy atmosféry vyvíjajú tlak na povrch Zeme. Najvyššia je pri povrchu a ako sa od nej vzďaľujete, postupne klesá. Závisí od rozdielu teplôt medzi pevninou a oceánom, a preto v oblastiach nachádzajúcich sa v rovnakej výške nad morom je často rozdielny tlak. Nízky tlak prináša vlhké počasie, zatiaľ čo vysoký tlak zvyčajne nastavuje jasné počasie.
Pohyb vzdušných hmôt v atmosfére
A tlaky spôsobujú premiešanie spodnej atmosféry. To vytvára vetry, ktoré fúkajú z oblastí vysokého tlaku do oblastí nízkeho tlaku. V mnohých regiónoch sa vyskytujú aj lokálne vetry spôsobené rozdielmi teplôt zeme a mora. Hory majú tiež významný vplyv na smer vetra.
Skleníkový efekt
Oxid uhličitý a iné plyny v zemskej atmosfére zachytávajú slnečné teplo. Tento proces sa bežne nazýva skleníkový efekt, keďže je v mnohom podobný cirkulácii tepla v skleníkoch. Skleníkový efekt spôsobuje globálne otepľovanie planéty. V oblastiach vysokého tlaku - anticyklóna - sa ustanovila jasná slnečná. V oblastiach nízkeho tlaku – cyklónach – býva počasie nestabilné. Teplo a svetlo vstupujúce do atmosféry. Plyny zachytávajú teplo odrazené od zemského povrchu, čím spôsobujú zvýšenie teploty na zemi.
V stratosfére sa nachádza špeciálna ozónová vrstva. Ozón blokuje väčšinu ultrafialového žiarenia zo Slnka, čím chráni Zem a všetok život na nej pred ňou. Vedci zistili, že príčinou deštrukcie ozónovej vrstvy sú špeciálne plyny chlórfluórovaný oxid uhličitý obsiahnuté v niektorých aerosóloch a chladiacich zariadeniach. Nad Arktídou a Antarktídou sa v ozónovej vrstve našli obrovské diery, ktoré prispievajú k zvýšeniu množstva ultrafialového žiarenia, ktoré pôsobí na zemský povrch.
Ozón sa tvorí v spodnej atmosfére ako výsledok medzi slnečným žiarením a rôznymi výfukovými plynmi a plynmi. Zvyčajne sa rozptýli atmosférou, ale ak sa pod vrstvou teplého vzduchu vytvorí uzavretá vrstva studeného vzduchu, ozón sa koncentruje a vzniká smog. Bohužiaľ to nemôže nahradiť stratu ozónu v ozónových dierach.
Satelitná snímka jasne ukazuje dieru v ozónovej vrstve nad Antarktídou. Veľkosť otvoru je rôzna, no vedci sa domnievajú, že sa neustále zväčšuje. Uskutočňujú sa pokusy znížiť hladinu výfukových plynov v atmosfére. Znížte znečistenie ovzdušia a používajte bezdymové palivá v mestách. Smog u mnohých ľudí spôsobuje podráždenie očí a dusenie.
Vznik a vývoj zemskej atmosféry
Moderná atmosféra Zeme je výsledkom dlhého evolučného vývoja. Vznikol v dôsledku spoločného pôsobenia geologických faktorov a životnej činnosti organizmov. Počas geologickej histórie prešla zemská atmosféra niekoľkými hlbokými prestavbami. Na základe geologických údajov a teoretických (predpokladov) by primordiálna atmosféra mladej Zeme, ktorá existovala asi pred 4 miliardami rokov, mohla pozostávať zo zmesi inertných a vzácnych plynov s malým prídavkom pasívneho dusíka (N. A. Yasamanov, 1985 A. S. Monin, 1987, O. G. Sorokhtin, S. A. Ushakov, 1991, 1993. V súčasnosti sa pohľad na zloženie a štruktúru ranej atmosféry trochu zmenil. Primárna atmosféra (protoatmosféra) v najskoršom protoplanetárnom štádiu., teda staršia 4.2. miliardy rokov, by mohla pozostávať zo zmesi metánu, amoniaku a oxidu uhličitého.V dôsledku odplyňovania plášťa a aktívnych zvetrávacích procesov prebiehajúcich na zemskom povrchu sa vodná para, zlúčeniny uhlíka vo forme CO 2 a CO, síra a jeho zlúčeniny začali prenikať do atmosféry, ako aj silné halogénové kyseliny - HCl, HF, HI a kyselina boritá, ktoré boli doplnené o metán, amoniak, vodík, argón a niektoré ďalšie vzácne plyny v atmosfére. tenký. Preto bola teplota v blízkosti zemského povrchu blízka teplote radiačnej rovnováhy (AS Monin, 1977).
Postupom času sa začalo premieňať plynové zloženie primárnej atmosféry pod vplyvom procesov zvetrávania hornín vyčnievajúcich na zemský povrch, životnej aktivity siníc a modrozelených rias, vulkanických procesov a pôsobenia slnečného žiarenia. To viedlo k rozkladu metánu na a oxidu uhličitého, amoniaku - na dusík a vodík; oxid uhličitý sa začal hromadiť v sekundárnej atmosfére, ktorá pomaly klesala k zemskému povrchu, a dusík. Vďaka životne dôležitej aktivite modrozelených rias sa v procese fotosyntézy začal produkovať kyslík, ktorý sa však spočiatku vynakladal najmä na „oxidáciu atmosférických plynov a potom hornín. Zároveň sa v atmosfére začal intenzívne hromadiť amoniak, oxidovaný na molekulárny dusík. Predpokladá sa, že významná časť dusíka v modernej atmosfére je reliktná. Metán a oxid uhoľnatý sa oxidovali na oxid uhličitý. Síra a sírovodík boli oxidované na SO 2 a SO 3, ktoré boli vďaka svojej vysokej pohyblivosti a ľahkosti rýchlo odstránené z atmosféry. Atmosféra z redukčnej, ako to bolo v archeách a raných prvohorách, sa teda postupne zmenila na oxidačnú.
Oxid uhličitý sa do atmosféry dostal ako dôsledok oxidácie metánu, tak aj v dôsledku odplynenia plášťa a zvetrávania hornín. V prípade, že by všetok oxid uhličitý uvoľnený počas celej histórie Zeme zostal v atmosfére, jeho parciálny tlak by teraz mohol byť rovnaký ako na Venuši (O. Sorokhtin, S. A. Ushakov, 1991). Ale na Zemi bol proces obrátený. Značná časť oxidu uhličitého z atmosféry sa rozpustila v hydrosfére, v ktorej ho použili vodné organizmy na stavbu schránok a biogénne sa premenili na uhličitany. Následne sa z nich vytvorili najmohutnejšie vrstvy chemogénnych a organogénnych uhličitanov.
Kyslík bol dodávaný do atmosféry z troch zdrojov. Dlhý čas, počnúc okamihom vzniku Zeme, sa uvoľňoval pri odplyňovaní plášťa a vynakladal sa najmä na oxidačné procesy.Ďalším zdrojom kyslíka bola fotodisociácia vodnej pary tvrdým ultrafialovým slnečným žiarením. vzhľad; voľný kyslík v atmosfére viedol k smrti väčšiny prokaryotov, ktoré žili v redukčných podmienkach. Prokaryotické organizmy zmenili svoje biotopy. Opustili povrch Zeme do jej hĺbok a oblastí, kde boli ešte zachované redukčné podmienky. Nahradili ich eukaryoty, ktoré začali energicky prerábať oxid uhličitý na kyslík.
Počas archeánu a významnej časti proterozoika sa takmer všetok kyslík, vznikajúci abiogénne aj biogénne, vynakladal najmä na oxidáciu železa a síry. Na konci prvohôr všetko kovové dvojmocné železo, ktoré bolo na zemskom povrchu, buď oxidovalo, alebo sa presunulo do zemského jadra. To viedlo k tomu, že sa zmenil parciálny tlak kyslíka vo včasnej proterozoickej atmosfére.
V strede proterozoika dosiahla koncentrácia kyslíka v atmosfére Ureyov bod a dosiahla 0,01 % súčasnej úrovne. Od tej doby sa kyslík začal hromadiť v atmosfére a pravdepodobne už na konci Ripheanu jeho obsah dosiahol Pasteurov bod (0,1% súčasnej úrovne). Je možné, že ozónová vrstva vznikla vo vendianskom období a vtedy nikdy nezmizla.
Objavenie sa voľného kyslíka v zemskej atmosfére podnietilo vývoj života a viedlo k vzniku nových foriem s dokonalejším metabolizmom. Ak skoršie eukaryotické jednobunkové riasy a kyanidy, ktoré sa objavili na začiatku prvohôr, vyžadovali obsah kyslíka vo vode len 10 -3 svojej modernej koncentrácie, potom so vznikom nekostrových Metazoí na konci raného Vendianu, t.j. asi pred 650 miliónmi rokov mala byť koncentrácia kyslíka v atmosfére oveľa vyššia. Koniec koncov, Metazoa používala dýchanie kyslíkom a to si vyžadovalo, aby parciálny tlak kyslíka dosiahol kritickú úroveň - Pasteurov bod. V tomto prípade bol proces anaeróbnej fermentácie nahradený energeticky perspektívnejším a progresívnejším metabolizmom kyslíka.
Potom došlo k ďalšej akumulácii kyslíka v zemskej atmosfére pomerne rýchlo. Postupné zvyšovanie objemu modrozelených rias prispelo k dosiahnutiu hladiny kyslíka v atmosfére potrebnej na podporu života živočíšneho sveta. K určitej stabilizácii obsahu kyslíka v atmosfére došlo od momentu, keď rastliny prišli na zem – asi pred 450 miliónmi rokov. Vznik rastlín na súši, ktorý nastal v období silúru, viedol ku konečnej stabilizácii hladiny kyslíka v atmosfére. Odvtedy jeho koncentrácia začala kolísať v dosť úzkych hraniciach, nikdy neprekračujúc existenciu života. Koncentrácia kyslíka v atmosfére sa od objavenia sa kvitnúcich rastlín úplne stabilizovala. Táto udalosť sa odohrala v polovici obdobia kriedy, t.j. asi pred 100 miliónmi rokov.
Prevažná časť dusíka vznikla v raných fázach vývoja Zeme, najmä v dôsledku rozkladu amoniaku. S príchodom organizmov sa začal proces viazania atmosférického dusíka na organickú hmotu a jeho pochovávanie v morských sedimentoch. Po uvoľnení organizmov na súš sa dusík začal pochovávať v kontinentálnych sedimentoch. Procesy spracovania voľného dusíka sa zintenzívnili najmä s príchodom suchozemských rastlín.
Na prelome kryptozoika a fanerozoika, teda asi pred 650 mil. pred rokmi.
Zloženie plynu v atmosfére teda nielenže poskytovalo životný priestor organizmom, ale určovalo aj charakteristiky ich životnej činnosti, podporovalo osídlenie a vývoj. Výsledné poruchy v distribúcii zloženia atmosférického plynu priaznivého pre organizmy z kozmických aj planetárnych príčin viedli k hromadnému vymieraniu organického sveta, ku ktorému opakovane dochádzalo počas kryptozoika a na určitých hraniciach fanerozoickej histórie.
Etnosférické funkcie atmosféry
Atmosféra Zeme poskytuje potrebnú látku, energiu a určuje smer a rýchlosť metabolických procesov. Zloženie plynu modernej atmosféry je optimálne pre existenciu a rozvoj života. Ako oblasť tvorby počasia a klímy musí atmosféra vytvárať pohodlné podmienky pre život ľudí, zvierat a vegetácie. Odchýlky v jednom alebo druhom smere v kvalite atmosférického vzduchu a poveternostných podmienok vytvárajú extrémne podmienky pre život živočíšneho a rastlinného sveta vrátane ľudí.
Atmosféra Zeme poskytuje nielen podmienky pre existenciu ľudstva, pretože je hlavným faktorom vo vývoji etnosféry. Zároveň sa ukazuje ako energetický a surovinový zdroj pre výrobu. Vo všeobecnosti je ovzdušie faktorom, ktorý chráni zdravie človeka, a niektoré územia vzhľadom na fyzikálne a geografické podmienky a kvalitu ovzdušia slúžia ako rekreačné oblasti a sú priestormi určenými na sanatóriá a rekreáciu ľudí. Atmosféra je teda faktorom estetického a emocionálneho vplyvu.
Etnosférické a technosférické funkcie atmosféry, určené pomerne nedávno (E. D. Nikitin, N. A. Yasamanov, 2001), potrebujú nezávislú a hĺbkovú štúdiu. Štúdium atmosférických energetických funkcií je teda veľmi aktuálne ako z hľadiska výskytu a fungovania procesov poškodzujúcich životné prostredie, tak aj z hľadiska vplyvu na zdravie a pohodu ľudí. V tomto prípade hovoríme o energii cyklónov a anticyklón, atmosférických víroch, atmosférickom tlaku a iných extrémnych atmosférických javoch, ktorých efektívne využitie prispeje k úspešnému riešeniu problému získavania alternatívnych zdrojov energie, ktoré neznečisťujú životné prostredie. Koniec koncov, ovzdušie, najmä jeho časť, ktorá sa nachádza nad svetovým oceánom, je oblasťou na uvoľnenie obrovského množstva voľnej energie.
Napríklad sa zistilo, že tropické cyklóny priemernej sily uvoľňujú energiu ekvivalentnú energii 500 000 atómových bômb zhodených na Hirošimu a Nagasaki za jediný deň. Za 10 dní existencie takéhoto cyklónu sa uvoľní dostatok energie na pokrytie všetkých energetických potrieb krajiny ako sú Spojené štáty na 600 rokov.
V posledných rokoch bolo publikovaných veľké množstvo prác vedcov z oblasti prírodných vied, tak či onak, týkajúcich sa rôznych aspektov činnosti a vplyvu atmosféry na zemské procesy, čo poukazuje na zintenzívnenie interdisciplinárnych interakcií v moderných prírodných vedách. . Zároveň sa prejavuje integrujúca úloha niektorých jeho smerov, medzi ktorými je potrebné poznamenať funkčno-ekologický smer v geoekológii.
Tento smer podnecuje analýzu a teoretické zovšeobecňovanie ekologických funkcií a planetárnej úlohy rôznych geosfér, čo je zase dôležitým predpokladom pre rozvoj metodológie a vedeckých základov pre holistické štúdium našej planéty, racionálne využívanie a ochranu jej prírodných zdrojov.
Atmosféra Zeme pozostáva z niekoľkých vrstiev: troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra, ionosféra a exosféra. V hornej časti troposféry a spodnej časti stratosféry sa nachádza vrstva obohatená ozónom, nazývaná ozónová vrstva. Boli stanovené určité (denné, sezónne, ročné atď.) zákonitosti v distribúcii ozónu. Od svojho vzniku atmosféra ovplyvňovala priebeh planetárnych procesov. Primárne zloženie atmosféry bolo úplne iné ako v súčasnosti, ale postupom času sa podiel a úloha molekulárneho dusíka neustále zvyšovala, asi pred 650 miliónmi rokov sa objavil voľný kyslík, ktorého množstvo sa neustále zvyšovalo, ale koncentrácia oxidu uhličitého úmerne klesala. . Vysoká pohyblivosť atmosféry, jej zloženie plynov a prítomnosť aerosólov určujú jej vynikajúcu úlohu a aktívnu účasť na rôznych geologických a biosférických procesoch. Úloha atmosféry pri prerozdeľovaní slnečnej energie a rozvoji katastrofálnych prírodných javov a katastrof je veľká. Atmosférické víry – tornáda (tornáda), hurikány, tajfúny, cyklóny a iné javy majú negatívny vplyv na organický svet a prírodné systémy. Hlavnými zdrojmi znečistenia sú spolu s prírodnými faktormi rôzne formy ľudskej hospodárskej činnosti. Antropogénne vplyvy na atmosféru sa prejavujú nielen výskytom rôznych aerosólov a skleníkových plynov, ale aj nárastom množstva vodnej pary a prejavujú sa vo forme smogu a kyslých dažďov. Skleníkové plyny menia teplotný režim zemského povrchu, emisie niektorých plynov zmenšujú objem ozónovej clony a prispievajú k tvorbe ozónových dier. Etnosférická úloha zemskej atmosféry je skvelá.
Úloha atmosféry v prírodných procesoch
Povrchová atmosféra vo svojom prechodnom stave medzi litosférou a vonkajším priestorom a jej zloženie plynov vytvára podmienky pre život organizmov. Zároveň zvetrávanie a intenzita deštrukcie hornín, presun a hromadenie suťového materiálu závisí od množstva, charakteru a frekvencie zrážok, od frekvencie a sily vetrov a najmä od teploty vzduchu. Atmosféra je ústredným prvkom klimatického systému. Teplota a vlhkosť vzduchu, oblačnosť a zrážky, vietor – to všetko charakterizuje počasie, teda neustále sa meniaci stav atmosféry. Tieto isté zložky zároveň charakterizujú aj klímu, teda priemerný dlhodobý režim počasia.
Zloženie plynov, prítomnosť mrakov a rôznych nečistôt, ktoré sa nazývajú aerosólové častice (popol, prach, častice vodnej pary), určujú vlastnosti prechodu slnečného žiarenia atmosférou a zabraňujú úniku tepelného žiarenia Zeme. do kozmického priestoru.
Atmosféra Zeme je veľmi pohyblivá. Procesy v ňom vznikajúce a zmeny jeho zloženia plynu, hrúbky, zákalu, priehľadnosti a prítomnosti rôznych aerosólových častíc v ňom ovplyvňujú počasie aj klímu.
Pôsobenie a smerovanie prírodných procesov, ako aj život a činnosť na Zemi určuje slnečné žiarenie. Dáva 99,98 % tepla prichádzajúceho na zemský povrch. Ročne to robí 134*10 19 kcal. Toto množstvo tepla možno získať spaľovaním 200 miliárd ton uhlia. Zásoby vodíka, ktorý vytvára tento tok termonukleárnej energie v hmote Slnka, vystačia minimálne na ďalších 10 miliárd rokov, t. j. na obdobie dvakrát dlhšie, než existuje samotná planéta.
Asi 1/3 celkového množstva slnečnej energie vstupujúcej na hornú hranicu atmosféry sa odráža späť do svetového priestoru, 13 % pohltí ozónová vrstva (vrátane takmer všetkého ultrafialového žiarenia). 7% - zvyšok atmosféry a len 44% dosahuje zemský povrch. Celkové slnečné žiarenie dopadajúce na Zem za deň sa rovná energii, ktorú ľudstvo dostalo v dôsledku spaľovania všetkých druhov palív za posledné tisícročie.
Množstvo a charakter rozloženia slnečného žiarenia na zemskom povrchu sú úzko závislé od oblačnosti a priehľadnosti atmosféry. Množstvo rozptýleného žiarenia ovplyvňuje výška Slnka nad obzorom, priehľadnosť atmosféry, obsah vodnej pary, prachu, celkové množstvo oxidu uhličitého atď.
Maximálne množstvo rozptýleného žiarenia spadá do polárnych oblastí. Čím nižšie je Slnko nad horizontom, tým menej tepla vstupuje do danej oblasti.
Veľký význam má priehľadnosť atmosféry a oblačnosť. Počas zamračeného letného dňa býva chladnejšie ako za jasného dňa, keďže denné mraky bránia zohrievaniu zemského povrchu.
Obsah prachu v atmosfére hrá dôležitú úlohu pri distribúcii tepla. Jemne rozptýlené pevné častice prachu a popola v ňom, ktoré ovplyvňujú jeho priehľadnosť, nepriaznivo ovplyvňujú distribúciu slnečného žiarenia, ktorého väčšina sa odráža. Jemné častice sa dostávajú do atmosféry dvoma spôsobmi: buď popolom vyvrhnutým počas sopečných erupcií, alebo púštnym prachom, ktorý unáša vietor zo suchých tropických a subtropických oblastí. Najmä veľa takého prachu vzniká počas sucha, keď je prúdmi teplého vzduchu unášaný do vyšších vrstiev atmosféry a môže tam zostať dlho. Po erupcii sopky Krakatoa v roku 1883 zostal prach vyvrhnutý desiatky kilometrov do atmosféry v stratosfére asi 3 roky. V dôsledku erupcie sopky El Chichon (Mexiko) v roku 1985 sa prach dostal do Európy, a preto došlo k miernemu poklesu povrchových teplôt.
Zemská atmosféra obsahuje premenlivé množstvo vodnej pary. V absolútnom vyjadrení, podľa hmotnosti alebo objemu, sa jeho množstvo pohybuje od 2 do 5 %.
Vodná para, podobne ako oxid uhličitý, zosilňuje skleníkový efekt. V oblakoch a hmle, ktoré vznikajú v atmosfére, prebiehajú zvláštne fyzikálno-chemické procesy.
Primárnym zdrojom vodnej pary v atmosfére je povrch oceánov. Ročne sa z nej vyparí vrstva vody s hrúbkou 95 až 110 cm, časť vlahy sa po kondenzácii vracia do oceánu a druhá je smerovaná vzdušnými prúdmi smerom na kontinenty. V regiónoch s premenlivou vlhkou klímou zrážky zvlhčujú pôdu a vo vlhkých oblastiach vytvárajú zásoby podzemnej vody. Atmosféra je teda akumulátorom vlhkosti a zásobárňou zrážok. a hmly, ktoré sa tvoria v atmosfére, poskytujú vlhkosť pôdnemu krytu a tým zohrávajú rozhodujúcu úlohu vo vývoji sveta zvierat a rastlín.
Atmosférická vlhkosť je rozložená po zemskom povrchu vďaka pohyblivosti atmosféry. Má veľmi zložitý systém rozloženia vetra a tlaku. Vzhľadom na to, že atmosféra je v nepretržitom pohybe, neustále sa mení charakter a rozsah rozloženia prúdenia vetra a tlaku. Stupnice obehu sa líšia od mikrometeorologických, merajúcich len niekoľko sto metrov, až po globálne, merajúce niekoľko desiatok tisíc kilometrov. Obrovské atmosférické víry sa podieľajú na vytváraní systémov veľkých prúdov vzduchu a určujú všeobecnú cirkuláciu atmosféry. Okrem toho sú zdrojom katastrofických atmosférických javov.
Rozloženie poveternostných a klimatických podmienok a fungovanie živej hmoty závisí od atmosférického tlaku. V prípade, že atmosférický tlak kolíše v malých medziach, nezohráva rozhodujúcu úlohu pre pohodu ľudí a správanie zvierat a neovplyvňuje fyziologické funkcie rastlín. S tlakovými zmenami sú spravidla spojené frontálne javy a zmeny počasia.
Atmosférický tlak má zásadný význam pre vznik vetra, ktorý ako reliéfotvorný činiteľ najsilnejšie pôsobí na flóru a faunu.
Vietor dokáže potlačiť rast rastlín a zároveň podporuje prenos semien. Úloha vetra pri vytváraní poveternostných a klimatických podmienok je veľká. Pôsobí aj ako regulátor morských prúdov. Vietor ako jeden z exogénnych faktorov prispieva k erózii a deflácii zvetraného materiálu na veľké vzdialenosti.
Ekologická a geologická úloha atmosférických procesov
Zníženie priehľadnosti atmosféry v dôsledku výskytu aerosólových častíc a pevného prachu v nej ovplyvňuje distribúciu slnečného žiarenia, zvyšuje albedo alebo odrazivosť. K rovnakému výsledku vedú rôzne chemické reakcie, ktoré spôsobujú rozklad ozónu a tvorbu „perlových“ oblakov, ktoré pozostávajú z vodnej pary. Globálna zmena odrazivosti, ako aj zmeny v zložení plynov v atmosfére, najmä skleníkových plynov, sú príčinou klimatických zmien.
Nerovnomerné zahrievanie, ktoré spôsobuje rozdiely v atmosférickom tlaku na rôznych častiach zemského povrchu, vedie k atmosférickej cirkulácii, ktorá je charakteristickým znakom troposféry. Keď je rozdiel v tlaku, vzduch prúdi z oblastí vysokého tlaku do oblastí nízkeho tlaku. Tieto pohyby vzdušných hmôt spolu s vlhkosťou a teplotou určujú hlavné ekologické a geologické vlastnosti atmosférických procesov.
V závislosti od rýchlosti vietor produkuje na zemskom povrchu rôzne geologické práce. Rýchlosťou 10 m/s trasie hrubé konáre stromov, zbiera a unáša prach a jemný piesok; láme konáre stromov rýchlosťou 20 m/s, unáša piesok a štrk; rýchlosťou 30 m/s (búrka) strháva strechy domov, vyvracia stromy, láme stĺpy, presúva kamienky a unáša drobný štrk a víchrica rýchlosťou 40 m/s ničí domy, láme a demoluje elektrické vedenie. stĺpy, vyvracia veľké stromy.
Víchrice a tornáda (tornáda) majú veľký negatívny vplyv na životné prostredie s katastrofálnymi následkami - atmosférické víry, ktoré vznikajú v teplom období na silných atmosférických frontoch s rýchlosťou až 100 m/s. Víchrice sú horizontálne víry s rýchlosťou hurikánového vetra (do 60-80 m/s). Často ich sprevádzajú silné prehánky a búrky trvajúce od niekoľkých minút do pol hodiny. Výbuchy pokrývajú oblasti široké až 50 km a cestujú na vzdialenosť 200-250 km. Silná búrka v Moskve a Moskovskej oblasti v roku 1998 poškodila strechy mnohých domov a vyvrátila stromy.
Tornáda, v Severnej Amerike nazývaná tornáda, sú silné lievikovité atmosférické víry, ktoré sa často spájajú s búrkovými mrakmi. Ide o stĺpy vzduchu zužujúce sa v strede s priemerom niekoľko desiatok až stoviek metrov. Tornádo má vzhľad lievika, veľmi podobného chobotu slona, zostupuje z oblakov alebo stúpa z povrchu zeme. Vďaka silnej riedkosti a vysokej rýchlosti rotácie prejde tornádo až niekoľko stoviek kilometrov, pričom nasáva prach, vodu z nádrží a rôzne predmety. Silné tornáda sprevádzajú búrky, dážď a majú veľkú ničivú silu.
Tornáda sa zriedka vyskytujú v subpolárnych alebo rovníkových oblastiach, kde je neustále chladno alebo horúco. Niekoľko tornád na otvorenom oceáne. Tornáda sa vyskytujú v Európe, Japonsku, Austrálii, USA a v Rusku sú časté najmä v regióne strednej čiernej zeme, v regiónoch Moskva, Jaroslavľ, Nižný Novgorod a Ivanovo.
Tornáda zdvíhajú a presúvajú autá, domy, vagóny, mosty. Obzvlášť ničivé tornáda (tornáda) sú pozorované v Spojených štátoch. Ročne je zaznamenaných 450 až 1 500 tornád s priemerom okolo 100 obetí. Tornáda sú rýchlo pôsobiace katastrofické atmosférické procesy. Vznikajú len za 20-30 minút a ich doba existencie je 30 minút. Preto je takmer nemožné predpovedať čas a miesto výskytu tornád.
Ďalšími ničivými, no dlhodobými atmosférickými vírmi sú cyklóny. Vznikajú v dôsledku poklesu tlaku, ktorý za určitých podmienok prispieva k vzniku kruhového pohybu prúdov vzduchu. Atmosférické víry vznikajú okolo silných vzostupných prúdov vlhkého teplého vzduchu a rotujú vysokou rýchlosťou v smere hodinových ručičiek na južnej pologuli a proti smeru hodinových ručičiek na severnej pologuli. Cyklóny, na rozdiel od tornád, vznikajú nad oceánmi a spôsobujú svoje ničivé akcie nad kontinentmi. Hlavnými ničivými faktormi sú silný vietor, intenzívne zrážky v podobe sneženia, lejakov, krupobitia a prívalových povodní. Vietor s rýchlosťou 19 - 30 m / s vytvára búrku, 30 - 35 m / s - búrku a viac ako 35 m / s - hurikán.
Tropické cyklóny – hurikány a tajfúny – majú priemernú šírku niekoľko stoviek kilometrov. Rýchlosť vetra vo vnútri cyklónu dosahuje silu hurikánu. Tropické cyklóny trvajú niekoľko dní až niekoľko týždňov, pohybujú sa rýchlosťou 50 až 200 km/h. Cyklóny strednej šírky majú väčší priemer. Ich priečne rozmery sa pohybujú od tisíc do niekoľko tisíc kilometrov, rýchlosť vetra je búrlivá. Pohybujú sa na severnej pologuli zo západu a sprevádzajú ich krupobitie a sneženie, ktoré sú katastrofálne. Cyklóny a s nimi spojené hurikány a tajfúny sú po povodniach najväčšími prírodnými katastrofami z hľadiska počtu obetí a spôsobených škôd. V husto obývaných oblastiach Ázie sa počet obetí počas hurikánov meria v tisíckach. V roku 1991 v Bangladéši počas hurikánu, ktorý spôsobil vytvorenie morských vĺn vysokých 6 m, zomrelo 125 tisíc ľudí. Tajfúny spôsobujú Spojeným štátom veľké škody. V dôsledku toho zomierajú desiatky a stovky ľudí. V západnej Európe spôsobujú hurikány menšie škody.
Búrky sú považované za katastrofický atmosférický jav. Vyskytujú sa, keď teplý, vlhký vzduch veľmi rýchlo stúpa. Na hranici tropického a subtropického pásma sa búrky vyskytujú 90-100 dní v roku, v miernom pásme 10-30 dní. U nás sa najväčší počet búrok vyskytuje na severnom Kaukaze.
Búrky zvyčajne trvajú menej ako hodinu. Mimoriadne nebezpečenstvo predstavujú intenzívne lejaky, krupobitie, údery bleskov, poryvy vetra a vertikálne prúdenie vzduchu. Nebezpečenstvo krupobitia je určené veľkosťou krúp. Na severnom Kaukaze hmotnosť krúp raz dosiahla 0,5 kg a v Indii boli zaznamenané krúpy s hmotnosťou 7 kg. Najnebezpečnejšie oblasti sa u nás nachádzajú na severnom Kaukaze. V júli 1992 krupobitie poškodilo 18 lietadiel na letisku Minerálne vody.
Blesk je nebezpečný jav počasia. Zabíjajú ľudí, hospodárske zvieratá, spôsobujú požiare, poškodzujú elektrickú sieť. V dôsledku búrok a ich následkov na celom svete zomrie každý rok okolo 10 000 ľudí. Navyše v niektorých častiach Afriky, vo Francúzsku a Spojených štátoch je počet obetí blesku vyšší ako v prípade iných prírodných javov. Ročné ekonomické škody spôsobené búrkami v Spojených štátoch predstavujú najmenej 700 miliónov dolárov.
Suchá sú typické pre púštne, stepné a lesostepné oblasti. Nedostatok zrážok spôsobuje vysychanie pôdy, znižovanie hladiny podzemných vôd a v nádržiach až do ich úplného vyschnutia. Nedostatok vlhkosti vedie k smrti vegetácie a plodín. Suchá sú obzvlášť závažné v Afrike, na Blízkom a Strednom východe, v Strednej Ázii a na juhu Severnej Ameriky.
Suchá menia podmienky ľudského života, nepriaznivo ovplyvňujú prírodné prostredie procesmi ako zasoľovanie pôdy, suché vetry, prašné búrky, erózia pôdy a lesné požiare. Požiare sú obzvlášť silné počas sucha v oblastiach tajgy, tropických a subtropických lesoch a savanách.
Suchá sú krátkodobé procesy, ktoré trvajú jednu sezónu. Keď suchá trvajú viac ako dve sezóny, hrozí hladomor a masová úmrtnosť. Typicky sa vplyv sucha rozširuje na územie jednej alebo viacerých krajín. Obzvlášť často sa dlhotrvajúce suchá s tragickými následkami vyskytujú v oblasti Sahelu v Afrike.
Atmosférické javy ako snehové zrážky, občasné silné dažde a dlhotrvajúce dlhotrvajúce dažde spôsobujú veľké škody. Sneženie spôsobuje v horách masívne lavíny a rýchle topenie napadaného snehu a dlhotrvajúce výdatné dažde vedú k povodniam. Obrovská masa vody dopadajúca na zemský povrch, najmä v oblastiach bez stromov, spôsobuje silnú eróziu pôdneho krytu. Dochádza k intenzívnemu rastu roklinovo-brámových systémov. Povodne vznikajú v dôsledku veľkých povodní v období výdatných zrážok alebo povodní po náhlom oteplení alebo jarnom topení snehu, a preto sú pôvodom atmosférické javy (rozoberá sa im kapitola o ekologickej úlohe hydrosféry).
Antropogénne zmeny v atmosfére
V súčasnosti existuje veľa rôznych zdrojov antropogénnej povahy, ktoré spôsobujú znečistenie ovzdušia a vedú k závažným narušeniam ekologickej rovnováhy. Z hľadiska rozsahu majú na atmosféru najväčší vplyv dva zdroje: doprava a priemysel. V priemere sa doprava podieľa asi 60% na celkovom množstve znečistenia ovzdušia, priemysel - 15%, tepelná energetika - 15%, technológie na ničenie domového a priemyselného odpadu - 10%.
Doprava v závislosti od použitého paliva a druhov oxidačných činidiel uvoľňuje do atmosféry oxidy dusíka, síru, oxidy a oxidy uhlíka, olovo a jeho zlúčeniny, sadze, benzopyrén (látka zo skupiny polycyklických aromatických uhľovodíkov, ktorá je silný karcinogén, ktorý spôsobuje rakovinu kože).
Priemysel vypúšťa do atmosféry oxid siričitý, oxidy uhlíka a oxidy uhličité, uhľovodíky, amoniak, sírovodík, kyselinu sírovú, fenol, chlór, fluór a ďalšie zlúčeniny a chemikálie. Ale dominantné postavenie medzi emisiami (až 85 %) má prach.
V dôsledku znečistenia sa mení priehľadnosť atmosféry, objavujú sa v nej aerosóly, smog a kyslé dažde.
Aerosóly sú rozptýlené systémy pozostávajúce z pevných častíc alebo kvapiek kvapaliny suspendovaných v plynnom médiu. Veľkosť častíc dispergovanej fázy je zvyčajne 10 -3 -10 -7 cm V závislosti od zloženia dispergovanej fázy sa aerosóly delia do dvoch skupín. Jeden zahŕňa aerosóly pozostávajúce z pevných častíc rozptýlených v plynnom médiu, druhý - aerosóly, ktoré sú zmesou plynnej a kvapalnej fázy. Prvé sa nazývajú dymy a druhé - hmly. Dôležitú úlohu v procese ich vzniku zohrávajú kondenzačné centrá. Ako kondenzačné jadrá pôsobí sopečný popol, kozmický prach, produkty priemyselných emisií, rôzne baktérie atď.. Počet možných zdrojov koncentračných jadier neustále rastie. Napríklad, keď je suchá tráva zničená požiarom na ploche 4 000 m 2, vytvorí sa priemerne 11 x 10 22 aerosólových jadier.
Aerosóly sa začali vytvárať od okamihu vzniku našej planéty a ovplyvnili prírodné podmienky. Ich počet a pôsobenie v rovnováhe so všeobecným obehom látok v prírode však nespôsobili hlboké ekologické zmeny. Antropogénne faktory ich vzniku posunuli túto rovnováhu smerom k výrazným biosférickým preťaženiam. Táto vlastnosť je obzvlášť výrazná odvtedy, čo ľudstvo začalo používať špeciálne vytvorené aerosóly ako vo forme toxických látok, tak aj na ochranu rastlín.
Pre vegetačný kryt sú najnebezpečnejšie aerosóly oxidu siričitého, fluorovodíka a dusíka. Pri kontakte s mokrým povrchom listov tvoria kyseliny, ktoré majú škodlivý vplyv na živé organizmy. Kyslé opary sa spolu s vdychovaným vzduchom dostávajú do dýchacích orgánov zvierat a ľudí a agresívne pôsobia na sliznice. Niektoré z nich rozkladajú živé tkanivo a rádioaktívne aerosóly spôsobujú rakovinu. Spomedzi rádioaktívnych izotopov je SG 90 obzvlášť nebezpečný nielen pre svoju karcinogenitu, ale aj ako analóg vápnika, ktorý ho nahrádza v kostiach organizmov a spôsobuje ich rozklad.
Počas jadrových výbuchov sa v atmosfére tvoria oblaky rádioaktívneho aerosólu. Malé častice s polomerom 1 - 10 mikrónov dopadajú nielen do horných vrstiev troposféry, ale aj do stratosféry, v ktorej sú schopné zotrvať dlhodobo. Aerosólové oblaky vznikajú aj pri prevádzke reaktorov priemyselných závodov, ktoré vyrábajú jadrové palivo, ako aj v dôsledku nehôd v jadrových elektrárňach.
Smog je zmes aerosólov s kvapalnými a pevnými rozptýlenými fázami, ktoré vytvárajú hmlistý záves nad priemyselnými oblasťami a veľkými mestami.
Existujú tri druhy smogu: ľadový, mokrý a suchý. Ľadový smog sa nazýva aljašský. Ide o kombináciu plynných znečisťujúcich látok s prídavkom prachových častíc a ľadových kryštálikov, ktoré vznikajú pri zamrznutí kvapiek hmly a pary z vykurovacích systémov.
Mokrý smog alebo smog londýnskeho typu sa niekedy nazýva zimný smog. Ide o zmes plynných škodlivín (hlavne oxidu siričitého), prachových častíc a kvapiek hmly. Meteorologickým predpokladom pre vznik zimného smogu je pokojné počasie, pri ktorom sa nad povrchovou vrstvou studeného vzduchu (pod 700 m) nachádza vrstva teplého vzduchu. Zároveň absentuje nielen horizontálna, ale aj vertikálna výmena. Škodliviny, ktoré sú zvyčajne rozptýlené vo vysokých vrstvách, sa v tomto prípade hromadia v povrchovej vrstve.
Suchý smog sa vyskytuje počas leta a často sa označuje ako smog typu LA. Ide o zmes ozónu, oxidu uhoľnatého, oxidov dusíka a kyslých pár. Takýto smog vzniká v dôsledku rozkladu škodlivín slnečným žiarením, najmä jeho ultrafialovou časťou. Meteorologickým predpokladom je atmosférická inverzia, ktorá sa prejavuje výskytom vrstvy studeného vzduchu nad teplým. Plyny a pevné častice, ktoré sú zvyčajne unášané teplými prúdmi vzduchu, sú potom rozptýlené v horných studených vrstvách, ale v tomto prípade sa hromadia v inverznej vrstve. V procese fotolýzy sa oxid dusičitý vznikajúci pri spaľovaní paliva v motoroch automobilov rozkladajú:
NO 2 → NO + O
Potom dochádza k syntéze ozónu:
O + O2 + M → O3 + M
NIE + O → NIE 2
Procesy fotodisociácie sú sprevádzané žltozelenou žiarou.
Okrem toho prebiehajú reakcie podľa typu: SO 3 + H 2 0 -> H 2 SO 4, t.j. vzniká silná kyselina sírová.
Pri zmene meteorologických podmienok (nástup vetra alebo zmena vlhkosti) sa studený vzduch rozptýli a smog zmizne.
Prítomnosť karcinogénov v smogu vedie k zlyhaniu dýchania, podráždeniu slizníc, poruchám prekrvenia, astmatickému uduseniu, často aj smrti. Smog je nebezpečný najmä pre malé deti.
Kyslé dažde sú atmosférické zrážky okyslené priemyselnými emisiami oxidov síry, oxidov dusíka a v nich rozpustených pár kyseliny chloristej a chlóru. V procese spaľovania uhlia a plynu sa väčšina síry v ňom, ako vo forme oxidu, tak aj v zlúčeninách so železom, najmä v pyrite, pyrhotite, chalkopyrite atď., mení na oxid sírový, ktorý spolu s uhlíkom oxid uvoľňuje do atmosféry. Pri spojení atmosférického dusíka a technických emisií s kyslíkom vznikajú rôzne oxidy dusíka, pričom objem vzniknutých oxidov dusíka závisí od teploty spaľovania. Prevažná časť oxidov dusíka vzniká pri prevádzke vozidiel a dieselových lokomotív, menšia časť sa vyskytuje v energetike a priemyselných podnikoch. Oxidy síry a dusíka sú hlavnými tvorcami kyselín. Pri reakcii so vzdušným kyslíkom a vodnou parou v ňom vznikajú kyseliny sírové a dusičné.
Je známe, že alkalicko-kyslá rovnováha média je určená hodnotou pH. Neutrálne prostredie má hodnotu pH 7, kyslé prostredie má hodnotu pH 0 a zásadité prostredie má hodnotu pH 14. V modernej dobe je hodnota pH dažďovej vody 5,6, hoci v nedávnej minulosti bol neutrálny. Pokles hodnoty pH o jednu zodpovedá desaťnásobnému zvýšeniu kyslosti, a preto v súčasnosti takmer všade padajú dažde so zvýšenou kyslosťou. Maximálna kyslosť dažďov zaznamenaná v západnej Európe bola 4-3,5 pH. Je potrebné vziať do úvahy, že hodnota pH rovnajúca sa 4-4,5 je pre väčšinu rýb smrteľná.
Kyslé dažde pôsobia agresívne na vegetačný kryt Zeme, na priemyselné a obytné budovy a prispievajú k výraznému urýchleniu zvetrávania obnažených hornín. Zvýšenie kyslosti bráni samoregulácii neutralizácie pôd, v ktorých sú rozpustené živiny. To následne vedie k prudkému poklesu úrod a spôsobuje degradáciu vegetačného krytu. Kyslosť pôdy prispieva k uvoľňovaniu ťažkých látok, ktoré sú vo viazanom stave, ktoré rastliny postupne absorbujú, spôsobujú v nich vážne poškodenie tkanív a prenikajú do potravinových reťazcov človeka.
Zmena alkalicko-kyslého potenciálu morských vôd, najmä v plytkých vodách, vedie k zastaveniu rozmnožovania mnohých bezstavovcov, spôsobuje úhyn rýb a narúša ekologickú rovnováhu v oceánoch.
V dôsledku kyslých dažďov sú lesy západnej Európy, pobaltských štátov, Karélie, Uralu, Sibíri a Kanady pod hrozbou smrti.
Priestor je naplnený energiou. Energia vypĺňa priestor nerovnomerne. Existujú miesta jeho koncentrácie a vypúšťania. Takto môžete odhadnúť hustotu. Planéta je usporiadaný systém, s maximálnou hustotou hmoty v strede a s postupným poklesom koncentrácie smerom k periférii. Interakčné sily určujú stav hmoty, formu, v ktorej existuje. Fyzika popisuje stav agregácie látok: pevná látka, kvapalina, plyn atď.
Atmosféra je plynné médium, ktoré obklopuje planétu. Atmosféra Zeme umožňuje voľný pohyb a prepúšťa svetlo, čím vytvára priestor, v ktorom sa darí životu.
Oblasť od zemského povrchu do výšky približne 16 kilometrov (menej od rovníka k pólom, závisí aj od ročného obdobia) sa nazýva troposféra. Troposféra je vrstva, ktorá obsahuje asi 80 % vzduchu v atmosfére a takmer všetku vodnú paru. Práve tu prebiehajú procesy, ktoré formujú počasie. S výškou klesá tlak a teplota. Dôvodom poklesu teploty vzduchu je adiabatický proces, keď sa plyn rozpína, ochladzuje sa. Na hornej hranici troposféry môžu hodnoty dosiahnuť -50, -60 stupňov Celzia.
Nasleduje stratosféra. Rozprestiera sa až 50 kilometrov. V tejto vrstve atmosféry sa teplota zvyšuje s výškou, pričom v hornom bode nadobúda hodnotu okolo 0 C. Nárast teploty je spôsobený procesom absorpcie ultrafialových lúčov ozónovou vrstvou. Žiarenie spôsobuje chemickú reakciu. Molekuly kyslíka sa rozpadajú na jednotlivé atómy, ktoré sa môžu spájať s normálnymi molekulami kyslíka a vytvárať ozón.
Slnečné žiarenie s vlnovými dĺžkami od 10 do 400 nanometrov je klasifikované ako ultrafialové. Čím kratšia je vlnová dĺžka UV žiarenia, tým väčšie nebezpečenstvo predstavuje pre živé organizmy. Na povrch Zeme dopadá len malý zlomok žiarenia, navyše k menej aktívnej časti jeho spektra. Táto vlastnosť prírody umožňuje človeku zdravé opálenie.
Ďalšia vrstva atmosféry sa nazýva mezosféra. Obmedzenia od približne 50 km do 85 km. V mezosfére je koncentrácia ozónu, ktorý by mohol zachytávať UV energiu, nízka, takže teplota začína s výškou opäť klesať. V bode vrcholu teplota klesá na -90 C, niektoré zdroje uvádzajú hodnotu -130 C. Väčšina meteoroidov zhorí v tejto vrstve atmosféry.
Vrstva atmosféry, ktorá sa tiahne od výšky 85 km do vzdialenosti 600 km od Zeme, sa nazýva termosféra. Termosféra je prvá, ktorá sa stretáva so slnečným žiarením, vrátane takzvaného vákuového ultrafialového žiarenia.
Vákuové UV je oneskorené vzduchom, čím sa táto vrstva atmosféry zahrieva na obrovské teploty. Keďže je tu však extrémne nízky tlak, tento zdanlivo žeravý plyn nemá na objekty taký účinok ako v podmienkach na zemskom povrchu. Naopak predmety umiestnené v takomto prostredí vychladnú.
Vo výške 100 km prechádza podmienená čiara „Karmanova čiara“, ktorá sa považuje za začiatok vesmíru.
Polárne žiary sa vyskytujú v termosfére. V tejto vrstve atmosféry slnečný vietor interaguje s magnetickým poľom planéty.
Poslednou vrstvou atmosféry je exosféra, vonkajší obal, ktorý sa tiahne tisíce kilometrov. Exosféra je prakticky prázdne miesto, avšak počet atómov, ktoré sa tu potulujú, je rádovo väčší ako v medziplanetárnom priestore.
Osoba dýcha vzduch. Normálny tlak je 760 milimetrov ortuti. Vo výške 10 000 m je tlak asi 200 mm. rt. čl. V tejto nadmorskej výške si človek asi vydýchne, aspoň nie na dlhší čas, ale chce to prípravu. Štát bude evidentne nefunkčný.
Plynné zloženie atmosféry: 78 % dusíka, 21 % kyslíka, asi percento argónu, všetko ostatné je zmes plynov, ktorá predstavuje najmenšiu časť z celkového množstva.
Modrá planéta...
Táto téma sa mala na stránke objaviť ako jedna z prvých. Vrtuľníky sú predsa atmosférické lietadlá. Zemská atmosféra- ich, takpovediac, biotop :-). A fyzikálne vlastnosti vzduchu stačí určiť kvalitu tohto biotopu :-). Takže to je jeden zo základov. A základ je vždy napísaný ako prvý. Ale uvedomil som si to až teraz. Je však lepšie, ako viete, neskoro ako nikdy ... Dotknime sa tejto otázky, ale bez toho, aby sme sa dostali do divočiny a zbytočných ťažkostí :-).
Takže… Zemská atmosféra. Toto je plynný obal našej modrej planéty. Toto meno pozná každý. Prečo modrá? Jednoducho preto, že „modrá“ (rovnako ako modrá a fialová) zložka slnečného svetla (spektrum) sa najlepšie rozptýli v atmosfére, čím ju zafarbí do modro-modra, niekedy s nádychom do fialova (samozrejme za slnečného dňa :-)) .
Zloženie zemskej atmosféry.
Zloženie atmosféry je dosť široké. Nebudem v texte uvádzať všetky zložky, je na to dobrá ilustrácia.Zloženie všetkých týchto plynov je takmer konštantné, s výnimkou oxidu uhličitého (CO 2 ). Okrem toho atmosféra nevyhnutne obsahuje vodu vo forme pár, suspendovaných kvapiek alebo ľadových kryštálov. Množstvo vody nie je konštantné a závisí od teploty a v menšej miere od tlaku vzduchu. Okrem toho zemská atmosféra (hlavne tá súčasná) obsahuje aj určité množstvo, povedal by som „všelijakej špiny“ :-). Ide o SO 2, NH 3, CO, HCl, NO, okrem toho sú tu ortuťové pary Hg. Pravda, toto všetko je tam chvalabohu v malom množstve :-).
Zemská atmosféra Zvykom je rozdelenie do niekoľkých zón nadväzujúcich na seba vo výške nad povrchom.
Prvá, najbližšie k Zemi, je troposféra. Ide o najnižšiu a takpovediac hlavnú vrstvu pre život rôznych typov. Obsahuje 80 % hmotnosti všetkého atmosférického vzduchu (hoci objemovo tvorí len asi 1 % celej atmosféry) a asi 90 % všetkej atmosférickej vody. Odtiaľ pochádza väčšina všetkých vetrov, oblakov, dažďov a snehu. Troposféra siaha do výšok okolo 18 km v tropických šírkach a do 10 km v polárnych šírkach. Teplota vzduchu v ňom klesá so stúpaním asi 0,65º na každých 100 m.
atmosférické zóny.
Druhou zónou je stratosféra. Musím povedať, že medzi troposférou a stratosférou sa rozlišuje ďalšia úzka zóna - tropopauza. Zastavuje pokles teploty s výškou. Tropopauza má priemernú hrúbku 1,5-2 km, no jej hranice sú nevýrazné a troposféra často prekrýva stratosféru.
Stratosféra má teda priemernú výšku 12 km až 50 km. Teplota v ňom do 25 km zostáva nezmenená (asi -57ºС), potom niekde do 40 km stúpne na asi 0ºС a ďalej do 50 km zostáva nezmenená. Stratosféra je relatívne pokojná časť zemskej atmosféry. Nenachádzajú sa v ňom prakticky žiadne nepriaznivé poveternostné podmienky. Práve v stratosfére sa známa ozónová vrstva nachádza vo výškach od 15-20 km do 55-60 km.
Nasleduje malá hraničná vrstva stratopauza, v ktorej teplota zostáva okolo 0ºС, a potom ďalšou zónou je mezosféra. Rozprestiera sa do nadmorských výšok 80-90 km a teplota v ňom klesá na približne 80ºС. V mezosfére sa zvyčajne zviditeľnia malé meteory, ktoré v nej začnú žiariť a zhoria tam.
Ďalšia úzka medzera je mezopauza a za ňou zóna termosféry. Jeho výška je až 700-800 km. Tu teplota opäť začína stúpať a vo výškach okolo 300 km môže dosiahnuť hodnoty rádovo 1200ºС. Potom zostáva konštantná. Ionosféra sa nachádza vo vnútri termosféry do výšky asi 400 km. Vzduch je tu silne ionizovaný vplyvom slnečného žiarenia a má vysokú elektrickú vodivosť.
Ďalšou a vo všeobecnosti poslednou zónou je exosféra. Toto je takzvaná rozptylová zóna. Tu je prítomný hlavne veľmi riedky vodík a hélium (s prevahou vodíka). Vo výškach okolo 3000 km prechádza exosféra do blízkeho vesmírneho vákua.
Niekde je to tak. Prečo asi? Pretože tieto vrstvy sú skôr podmienené. Možné sú rôzne zmeny nadmorskej výšky, zloženia plynov, vody, teploty, ionizácie atď. Okrem toho existuje oveľa viac pojmov, ktoré definujú štruktúru a stav zemskej atmosféry.
Napríklad homosféra a heterosféra. V prvom sú atmosférické plyny dobre premiešané a ich zloženie je celkom homogénne. Druhý je umiestnený nad prvým a prakticky tam nedochádza k takému miešaniu. Plyny sú oddelené gravitáciou. Hranica medzi týmito vrstvami sa nachádza v nadmorskej výške 120 km a nazýva sa turbopauza.
Skončíme s pojmami, ale určite dodám, že sa bežne uznáva, že hranica atmosféry sa nachádza vo výške 100 km nad morom. Táto hranica sa nazýva Karmanova línia.
Pre ilustráciu štruktúry atmosféry pridám ešte dva obrázky. Prvý je však v nemčine, ale je úplný a dostatočne zrozumiteľný :-). Dá sa zväčšiť a dobre zvážiť. Druhý ukazuje zmenu atmosférickej teploty s nadmorskou výškou.
Štruktúra zemskej atmosféry.
Zmena teploty vzduchu s nadmorskou výškou.
Moderné orbitálne kozmické lode s ľudskou posádkou lietajú vo výškach okolo 300-400 km. To už však nie je letectvo, aj keď tá oblasť, samozrejme, v istom zmysle úzko súvisí a určite si o nej ešte povieme :-).
Letecká zóna je troposféra. Moderné atmosférické lietadlá môžu lietať aj v nižších vrstvách stratosféry. Napríklad praktický strop MIG-25RB je 23000 m.
Let v stratosfére.
A presne tak fyzikálne vlastnosti vzduchu troposféry určujú, aký bude let, aký účinný bude systém riadenia lietadla, ako naň vplývajú turbulencie v atmosfére, ako budú fungovať motory.
Prvou hlavnou vlastnosťou je teplota vzduchu. V dynamike plynu sa dá určiť na Celziovej stupnici alebo na Kelvinovej stupnici.
Teplota t1 v danej výške H na stupnici Celzia sa určuje:
t 1 \u003d t - 6,5 N, Kde t je teplota vzduchu pri zemi.
Teplota na Kelvinovej stupnici je tzv absolútna teplota Nula na tejto stupnici je absolútna nula. Pri absolútnej nule sa tepelný pohyb molekúl zastaví. Absolútna nula na Kelvinovej stupnici zodpovedá -273º na stupnici Celzia.
Podľa toho aj teplota T na vysokej H na Kelvinovej stupnici sa určuje:
T \u003d 273 K + t - 6,5 h
Tlak vzduchu. Atmosférický tlak sa meria v pascaloch (N / m 2), v starom systéme merania v atmosférách (atm.). Existuje aj niečo ako barometrický tlak. Toto je tlak meraný v milimetroch ortuti pomocou ortuťového barometra. Barometrický tlak (tlak na hladine mora) rovný 760 mm Hg. čl. nazývaný štandardný. Vo fyzike 1 atm. rovných 760 mm Hg.
Hustota vzduchu. V aerodynamike sa najčastejšie používa pojem hmotnostná hustota vzduchu. Toto je hmotnosť vzduchu v 1 m3 objemu. Hustota vzduchu sa mení s výškou, vzduch sa stáva redším.
Vlhkosť vzduchu. Ukazuje množstvo vody vo vzduchu. Existuje koncept" relatívna vlhkosť". Ide o pomer hmotnosti vodnej pary k maximu možnému pri danej teplote. Pojem 0 %, teda keď je vzduch úplne suchý, môže vo všeobecnosti existovať iba v laboratóriu. Na druhej strane 100% vlhkosť je celkom reálna. To znamená, že vzduch absorboval všetku vodu, ktorú mohol absorbovať. Niečo ako absolútne „plná špongia“. Vysoká relatívna vlhkosť znižuje hustotu vzduchu, zatiaľ čo nízka relatívna vlhkosť ju primerane zvyšuje.
Vzhľadom na to, že lety lietadiel prebiehajú za rôznych atmosférických podmienok, ich letové a aerodynamické parametre v jednom letovom režime môžu byť odlišné. Preto sme pre správne posúdenie týchto parametrov zaviedli Medzinárodná štandardná atmosféra (ISA). Zobrazuje zmenu stavu vzduchu so stúpajúcou nadmorskou výškou.
Hlavné parametre stavu vzduchu pri nulovej vlhkosti sú:
tlak P = 760 mm Hg. čl. (101,3 kPa);
teplota t = +15 °C (288 K);
hustota hmotnosti ρ \u003d 1,225 kg / m 3;
Pre ISA sa predpokladá (ako je uvedené vyššie :-)), že teplota v troposfére klesá o 0,65º na každých 100 metrov nadmorskej výšky.
Štandardná atmosféra (príklad do 10000 m).
Tabuľky ISA sa používajú na kalibráciu prístrojov, ako aj na navigačné a inžinierske výpočty.
Fyzikálne vlastnosti vzduchu zahŕňajú aj také pojmy ako inertnosť, viskozita a stlačiteľnosť.
Zotrvačnosť je vlastnosť vzduchu, ktorá charakterizuje jeho schopnosť odolávať zmenám stavu pokoja alebo rovnomerného priamočiareho pohybu. . Mierou zotrvačnosti je hustota hmotnosti vzduchu. Čím je vyššia, tým väčšia je zotrvačnosť a odporová sila média, keď sa v ňom lietadlo pohybuje.
Viskozita. Určuje trecí odpor proti vzduchu pri pohybe lietadla.
Stlačiteľnosť meria zmenu hustoty vzduchu pri zmene tlaku. Pri nízkych rýchlostiach lietadla (do 450 km/h) pri prúdení vzduchu okolo neho nedochádza k zmene tlaku, pri vysokých rýchlostiach sa však začína prejavovať efekt stlačiteľnosti. Zvlášť výrazný je jeho vplyv na nadzvuk. Toto je samostatná oblasť aerodynamiky a téma na samostatný článok :-).
No, zdá sa, že to je nateraz všetko... Je čas dokončiť tento trochu únavný výčet, ktorý sa však nedá obísť :-). Zemská atmosféra, jeho parametre, fyzikálne vlastnosti vzduchu sú pre lietadlo rovnako dôležité ako parametre samotného prístroja a nebolo možné ich nespomenúť.
Zatiaľ do ďalších stretnutí a ďalších zaujímavých tém 🙂 …
P.S. Ako dezert navrhujem pozrieť si video natočené z kokpitu dvojičky MIG-25PU počas letu do stratosféry. Natočené zrejme turistom, ktorý má na takéto úlety peniaze :-). Natáčané väčšinou cez čelné sklo. Všimnite si farbu oblohy...
