Будова та склад атмосфери Землі, треба сказати, не завжди були постійними величинами в той чи інший період розвитку нашої планети. Сьогодні вертикальна будова цього елемента, що має загальну «товщину» 1,5-2,0 тис. км, представлена кількома основними шарами, у тому числі:
- Тропосфера.
- Тропопаузою.
- Стратосфера.
- Стратопаузою.
- Мезосферою та мезопаузою.
- Термосфера.
- Екзосферою.
Основні елементи атмосфери
Тропосфера є шаром, у якому спостерігаються сильні вертикальні та горизонтальні рухи, саме тут формується погода, осадові явища, кліматичні умови. Вона простягається на 7-8 кілометрів від поверхні планети майже повсюдно, крім полярних регіонів (там - до 15 км). У тропосфері спостерігається поступове зниження температури, приблизно 6,4°З кожним кілометром висоти. Цей показник може відрізнятися для різних широт та пір року.
Склад атмосфери Землі у цій частині представлений такими елементами та його відсотковими частками:
Азот – близько 78 відсотків;
Кисень – майже 21 відсоток;
Аргон – близько одного відсотка;
Вуглекислий газ – менше 0.05%.
Єдиний склад до висоти 90 км
Крім того, тут можна знайти пил, крапельки води, водяну пару, продукти горіння, кристалики льоду, морські солі, безліч аерозольних частинок та ін. Такий склад атмосфери Землі спостерігається приблизно до дев'яноста кілометрів висоти, тому повітря приблизно однакове за хімічним складом, не тільки у тропосфері, а й у вищележачих шарах. Але там атмосфера має інші фізичні характеристики. А шар, який має загальний хімічний склад, називають гомосферою.
Які елементи входять до складу атмосфери Землі? У відсотках (за обсягом, у сухому повітрі) тут представлені такі гази як криптон (близько 1.14 х 10 -4), ксенон (8.7 х 10 -7), водень (5.0 х 10 -5), метан (близько 1.7 х 10 -4) 4), закис азоту (5.0 х 10 -5) та ін. У відсотках по масі з перерахованих компонентів найбільше закису азоту і водню, далі слідує гелій, криптон та ін.
Фізичні властивості різних атмосферних верств
Фізичні властивості тропосфери тісно пов'язані з її приляганням до планети. Звідси відбите сонячне тепло у формі інфрачервоних променів прямує назад нагору, включаючи процеси теплопровідності та конвекції. Саме тому із віддаленням від земної поверхні падає температура. Таке явище спостерігається до висоти стратосфери (11-17 кілометрів), потім температура стає практично незмінною до позначки 34-35 км, і далі йде знову зростання температур до висот 50 кілометрів (верхня межа стратосфери). Між стратосферою та тропосферою є тонкий проміжний шар тропопаузи (до 1-2 км), де спостерігаються постійні температури над екватором – близько мінус 70°С та нижче. Над полюсами тропопауза «прогрівається» влітку до мінус 45°С, взимку температури тут коливаються біля позначки -65°С.
Газовий склад атмосфери Землі включає такий важливий елемент, як озон. Його відносно трохи біля поверхні (десять мінус шостої від відсотка), оскільки газ утворюється під впливом сонячних променів з атомарного кисню у верхніх частинах атмосфери. Зокрема, найбільше озону на висоті близько 25 км, а весь озоновий екран розташований в областях від 7-8 км в області полюсів, від 18 км на екваторі і до п'ятдесяти кілометрів загалом над поверхнею планети.
Атмосфера захищає від сонячної радіації
Склад повітря атмосфери Землі грає дуже важливу роль у збереженні життя, так як окремі хімічні елементи і композиції вдало обмежують доступ сонячної радіації до земної поверхні і людей, тварин, рослин, що живуть на ній. Наприклад, молекули водяної пари ефективно поглинають майже всі діапазони інфрачервоного випромінювання, крім довжин в інтервалі від 8 до 13 мкм. Озон же поглинає ультрафіолет аж до довжини хвиль в 3100 А. Без його тонкого шару (складе всього в середньому 3 мм, якщо його розташувати на поверхні планети) живуть можуть лише води на глибині більше 10 метрів і підземні печери, куди не доходить сонячна радіація .
Нуль за Цельсієм у стратопаузі
Між двома наступними рівнями атмосфери, стратосферою та мезосферою, існує чудовий шар – стратопауза. Він відповідає приблизно висоті озонних максимумів і тут спостерігається відносно комфортна для людини температура - близько 0°С. Вище стратопаузи, у мезосфері (починається десь на висоті 50 км і закінчується на висоті 80-90 км), спостерігається знову ж таки падіння температур зі збільшенням відстані від поверхні Землі (до мінус 70-80°С). У мезосфері зазвичай повністю згоряють метеори.
У термосфері – плюс 2000 К!
Хімічний склад атмосфери Землі в термосфері (починається після мезопаузи з висот близько 85-90 до 800 км) визначає можливість такого явища, як поступове нагрівання шарів дуже розрідженого «повітря» під впливом сонячного випромінювання. У цій частині «повітряного покривала» планети зустрічаються температури від 200 до 2000 К, які у зв'язку з іонізацією кисню (понад 300 км знаходиться атомарний кисень), а також рекомбінацією атомів кисню в молекули, що супроводжується виділенням великої кількості тепла. Термосфера – це місце виникнення полярних сяйв.
Вище термосфери знаходиться екзосфера - зовнішній шар атмосфери, з якого легкі атоми водню, що швидко переміщаються, можуть йти в космічний простір. Хімічний склад атмосфери Землі тут представлений більше окремими атомами кисню в нижніх шарах, атомами гелію в середніх і майже виключно атомами водню - у верхніх. Тут панують високі температури – близько 3000 К та відсутній атмосферний тиск.
Як утворилася земна атмосфера?
Але, як згадувалося вище, такий склад атмосфери планета мала який завжди. Усього існує три концепції походження цього елемента. Перша гіпотеза припускає, що атмосфера була взята в процесі акреції з протопланетної хмари. Однак сьогодні ця теорія піддається суттєвій критиці, оскільки така первинна атмосфера повинна була бути зруйнована сонячним вітром від світила в нашій планетній системі. Крім того, передбачається, що леткі елементи не могли утриматися в зоні утворення планет за типом земної групи через занадто високі температури.
Склад первинної атмосфери Землі, як передбачає друга гіпотеза, міг бути сформований за рахунок активного бомбардування поверхні астероїдами та кометами, які прибули з околиць Сонячної системи на ранніх етапах розвитку. Підтвердити чи спростувати цю концепцію досить складно.
Експеримент у ІДГ РАН
Найправдоподібнішою є третя гіпотеза, яка вважає, що атмосфера з'явилася в результаті виділення газів з мантії земної кори приблизно 4 млрд. років тому. Цю концепцію вдалося перевірити в ІДГ РАН в ході експерименту під назвою «Царів 2», коли у вакуумі розігріли зразок речовини метеорного походження. Тоді було зафіксовано виділення таких газів як Н 2 , СН 4 , СО, Н 2 О, N 2 та ін. Тому вчені справедливо припустили, що хімічний склад первинної атмосфери Землі включав водяний і вуглекислий газ, пари фтороводню (HF), чадного газу (CO), сірководню (H 2 S), сполук азоту, водень, метан (СН 4), пари аміаку (NH 3), аргон та ін. у зв'язаному стані в органічних речовинах і гірських породах азот перейшов до складу сучасного повітря, а також знову в осадові породи та органічні речовини.
Склад первинної атмосфери Землі не дозволив би сучасним людям перебувати у ній без дихальних апаратів, оскільки кисню у необхідних кількостях тоді був. Цей елемент у значних обсягах з'явився півтора мільярда років тому, як вважають, у зв'язку з розвитком процесу фотосинтезу у синьо-зелених та інших водоростей, які є найдавнішими мешканцями нашої планети.
Мінімум кисню
На те, що склад атмосфери Землі спочатку був майже безкисневим, вказує на те, що в найдавніших (катархейських) породах знаходять легкоокислюваний, але не окислений графіт (вуглець). Згодом з'явилися так звані полосчасті залізні руди, які включали прошарки збагачених оксидів заліза, що означає появу на планеті потужного джерела кисню в молекулярній формі. Але ці елементи траплялися лише періодично (можливо, ті ж водорості чи інші продуценти кисню з'явилися невеликими острівцями в безкисневій пустелі), тоді як світ був анаеробним. На користь останнього говорить те, що пірит, що легко окислюється, знаходили у вигляді гальки, обробленої течією без слідів хімічних реакцій. Оскільки текучі води неможливо знайти погано аэрированными, виробилася думка, що атмосфера на початок кембрія містила менше відсотка кисню від сьогоднішнього складу.
Революційна зміна складу повітря
Приблизно в середині протерозою (1,8 млрд років тому) відбулася «киснева революція», коли світ перейшов до аеробного дихання, в ході якого з однієї молекули поживної речовини (глюкоза) можна отримувати 38, а не дві (як при анаеробному диханні) одиниці енергії. Склад атмосфери Землі, у частині кисню, став перевищувати один відсоток від сучасного, став виникати озоновий шар, який захищає організми від радіації. Саме від неї «ховалися» під товстими панцирями, наприклад такі древні тварини, як трилобіти. З того часу і до нашого часу зміст основного «дихального» елемента поступово і повільно зростав, забезпечуючи різноманітність форм життя на планеті.
Точний розмір атмосфери невідомий, оскільки її верхня межа не простежується. Однак будову атмосфери вивчено достатньо для того, щоб кожен міг отримати уявлення про те, як влаштована газова оболонка нашої планети.
Вчені, які вивчають фізику атмосфери, визначають її як область навколо Землі, що обертається разом із планетою. ФАІ дає таке визначення:
- кордон між космосом та атмосферою проходить по лінії Кишені. Лінія ця, за визначенням тієї ж організації, - це висота над рівнем моря, що знаходиться на висоті 100 км.
Все, що вище за цю лінію - космічний простір. У міжпланетний простір атмосфера переходить поступово, саме тому є різні уявлення про її розміри.
З нижньою межею атмосфери все набагато простіше - вона проходить поверхнею земної кори і водної поверхні Землі - гідросферою. При цьому межа, можна сказати, зливається із земною та водною поверхнею, тому що частинки там також розчинені частинки повітря.
Які шари атмосфери входять до розміру Землі
Цікавий факт: взимку вона знаходиться нижче, влітку – вище.
Саме в цьому шарі виникає турбулентність, антициклони та циклони, утворюються хмари. Саме ця сфера відповідає за формування погоди, у ній розташовано приблизно 80% усіх повітряних мас.
Тропопаузою називають шар, у якому з висотою немає зниження температури. Вище за тропопаузою, на висоті вище 11 і до 50 км знаходиться стратосфера. У стратосфері знаходиться шар озону, який, як відомо, захищає планету від ультрафіолетових променів. Повітря в цьому шарі розряджене, пояснюється характерний фіолетовий відтінок неба. Швидкість повітряних потоків тут може сягати 300 км/год. Між стратосферою та мезосферою знаходиться стратопауза – прикордонна сфера, в якій має місце температурний максимум.
Наступний шар - мезосфера. Вона тягнеться до висот 85-90 кілометрів. Колір неба в мезосфері – чорний, тому зірки можна спостерігати навіть вранці та вдень. Там відбуваються найскладніші фотохімічні процеси, під час яких виникає свічення атмосфери.
Між мезосферою і наступним шаром, термосферою знаходиться мезопауза. Його визначають як перехідний шар, у якому спостерігається температурний мінімум. Вище на висоті 100 кілометрів над рівнем моря знаходиться лінія Кармана. Вище за цю лінію знаходяться термосфера (межа висоти 800км) та екзосфера, яку також називають «зоною розсіювання». Вона на висоті приблизно 2-3 тисячі кілометрів переходить у близькокосмічний вакуум.
Враховуючи те, що верхній шар атмосфери чітко не простежується, її точний розмір вирахувати неможливо. Крім того, в різних країнах існують організації, які дотримуються різних думок щодо цього. Слід зазначити, що лінію Кишеніможна вважати кордоном земної атмосфери лише умовно, оскільки джерела використовують різні позначки кордонів. Так, у деяких джерелах можна знайти відомості про те, що верхня межа проходить на висоті 2500-3000 км.
NASA для розрахунків використовує позначку 122 кілометри. Нещодавно були проведені експерименти, які уточнили кордон, як розташований на позначці 118км.
Тропосфера
Її верхня межа знаходиться на висоті 8-10 км у полярних, 10-12 км у помірних та 16-18 км у тропічних широтах; взимку нижче, ніж улітку. Нижній, основний шар атмосфери містить понад 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% всього водяної пари, що є в атмосфері. У тропосфері сильно розвинені турбулентність та конвекція, виникають хмари, розвиваються циклони та антициклони. Температура зменшується зі зростанням висоти із середнім вертикальним градієнтом 0,65°/100 м
Тропопауза
Перехідний шар від тропосфери до стратосфери, шар атмосфери, де припиняється зниження температури з висотою.
Стратосфера
Шар атмосфери, що знаходиться на висоті від 11 до 50 км. Характерно незначна зміна температури у шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) та підвищення її у шарі 25-40 км від -56,5 до 0,8 ° С (верхній шар стратосфери або область інверсії). Досягши на висоті близько 40 км. значення близько 273 К (майже 0 °C), температура залишається постійною до висоти близько 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузою і є межею між стратосферою та мезосферою.
Стратопауза
Прикордонний шар атмосфери між стратосферою та мезосферою. У вертикальному розподілі температури є максимум (близько 0 °C).
Мезосфера
Мезосфера починається на висоті 50 км і тягнеться до 80-90 км. Температура з висотою знижується із середнім вертикальним градієнтом (0,25-0,3)°/100 м. Основним енергетичним процесом є променистий теплообмін. Складні фотохімічні процеси з участю вільних радикалів, коливально збуджених молекул тощо. буд. обумовлюють світіння атмосфери.
Мезопауза
Перехідний шар між мезосферою та термосферою. У вертикальному розподілі температури має місце щонайменше (близько -90 °C).
Лінія Карману
Висота над рівнем моря, яка умовно приймається як межа між атмосферою Землі та космосом. Лінія Кармана знаходиться на висоті 100 км. над рівнем моря.
Кордон атмосфери Землі
Термосфера
Верхня межа – близько 800 км. Температура зростає до висот 200-300 км, де досягає значень близько 1500 К, після чого залишається майже постійною до висот. Під дією ультрафіолетової та рентгенівської сонячної радіації та космічного випромінювання відбувається іонізація повітря («полярні сяйва») – основні області іоносфери лежать усередині термосфери. На висотах понад 300 км. переважає атомарний кисень. Верхня межа термосфери значною мірою визначається поточною активністю Сонця. У періоди низької активності відбувається помітне зменшення розмірів цього шару.
Термопауза
Область атмосфери прилегла зверху до термосфери. У цій галузі поглинання сонячного випромінювання незначне, і температура фактично не змінюється з висотою.
Екзосфера (сфера розсіювання)
Атмосферні шари до висоти 120 км
Екзосфера – зона розсіювання, зовнішня частина термосфери, розташована вище 700 км. Газ в екзосфері сильно розріджений, і звідси йде витік його частинок у міжпланетний простір (дисипація).
До висоти 100 км атмосфера є гомогенною добре перемішаною сумішшю газів. У більш високих шарах розподіл газів за висотою залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше при віддаленні поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 °C у стратосфері до −110 °C у мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км. відповідає температурі ~150 °C. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.
На висоті близько 2000-3500 км екзосфера поступово перетворюється на так званий близькокосмічний вакуум, який заповнений сильно розрідженими частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ є лише частиною міжпланетної речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного та метеорного походження. Окрім надзвичайно розріджених пилоподібних частинок, у цей простір проникає електромагнітна та корпускулярна радіація сонячного та галактичного походження.
Перед тропосфери припадає близько 80 % маси атмосфери, частку стратосфери - близько 20 %; маса мезосфери - трохи більше 0,3 %, термосфери - менше 0,05 % від загальної маси атмосфери. На підставі електричних властивостей в атмосфері виділяють нейтросферу та іоносферу. В даний час вважають, що атмосфера тягнеться до висоти 2000-3000 км.
Залежно від складу газу в атмосфері виділяють гомосферу та гетеросферу. Гетеросфера - це область, де гравітація впливає на поділ газів, оскільки їх перемішування такий висоті незначно. Звідси випливає змінний склад гетеросфери. Нижче лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери, звана гомосфера. Кордон між цими шарами називається турбопаузою, він лежить на висоті близько 120 км.
склад атмосфери.Повітряна оболонка нашої планети атмосферазахищає земну поверхню від згубного на живі організми ультрафіолетового випромінювання Сонця. Захищає вона Землю і від космічних частинок - пилу та метеоритів.
Складається атмосфера з механічної суміші газів: 78% її обсягу становить азот, 21% - кисень і менше 1% - гелій, аргон, криптон та інші інертні гази. Кількість кисню та азоту у повітрі практично незмінна, тому що азот майже не вступає в сполуки з іншими речовинами, а кисень, який хоч і дуже активний і витрачається на дихання, окислення та горіння, весь час поповнюється рослинами.
До висоти приблизно 100 км відсоткове співвідношення цих газів залишається майже незмінним. Це пов'язано з тим, що повітря постійно перемішується.
Крім названих газів в атмосфері міститься близько 0,03% вуглекислого газу, який зазвичай концентрується поблизу земної поверхні та розміщується нерівномірно: у містах, промислових центрах та районах вулканічної активності його кількість зростає.
В атмосфері завжди знаходиться кілька домішок - водяної пари і пилу. Вміст водяної пари залежить від температури повітря: що вище температура, то більше вміщує повітря. Завдяки наявності у повітрі пароподібної води можливі такі атмосферні явища, як веселка, рефракція сонячних променів тощо.
Пил в атмосферу надходить під час вулканічних вивержень, піщаних та запорошених бур, при неповному згорянні палива на ТЕЦ тощо.
Будова атмосфери.Щільність атмосфери змінюється з висотою: біля Землі вона найвища, з підняттям вгору зменшується. Так, на висоті 5,5 км щільність атмосфери у 2 рази, а на висоті 11 км – у 4 рази менше, ніж у приземному шарі.
Залежно від щільності, складу та властивостей газів атмосферу поділяють на п'ять концентричних шарів (рис. 34).
Мал. 34.Вертикальний розріз атмосфери (стратифікація атмосфери)
1. Нижній шар називають тропосферою.Її верхня межа проходить на висоті 8-10 км на полюсах та 16-18 км - на екваторі. У тропосфері міститься до 80% всієї маси атмосфери і майже вся водяна пара.
Температура повітря в тропосфері з висотою знижується на 0,6 °C через кожні 100 м і біля її верхньої межі становить -45-55 °C.
Повітря у тропосфері постійно перемішується, переміщається у різних напрямках. Лише тут спостерігаються тумани, дощі, снігопади, грози, бурі та інші погодні явища.
2. Вище розташована стратосфера,яка простягається до висоти 50-55 км. Щільність повітря та тиск у стратосфері незначні. Розріджене повітря складається з тих самих газів, що і в тропосфері, але в ньому більше озону. p align="justify"> Найбільша концентрація озону спостерігається на висоті 15-30 км. Температура в стратосфері збільшується з висотою і на верхній межі її досягає 0 °C і вище. Це тим, що озон поглинає короткохвильову частину сонячної енергії, у результаті повітря нагрівається.
3. Над стратосферою лежить мезосфера,що простягається до висоти 80 км. У ній температура знову знижується та досягає -90 °C. Щільність повітря там у 200 разів менша, ніж у поверхні Землі.
4. Вище мезосфери розташовується термосфера(Від 80 до 800 км). Температура у цьому шарі підвищується: на висоті 150 км. до 220 °C; на висоті 600 км. до 1500 °C. Гази атмосфери (азот і кисень) перебувають у іонізованому стані. Під впливом короткохвильової сонячної радіації окремі електрони відриваються від оболонок атомів. В результаті в даному шарі - іоносферіз'являються шари заряджених частинок. Найбільш щільний їхній шар знаходиться на висоті 300-400 км. У зв'язку з невеликою щільністю сонячні промені там не розсіюються, тому небо чорне, на ньому яскраво світять зірки та планети.
В іоносфері виникають полярні сяйва,утворюються потужні електричні струми, що викликають порушення магнітного поля Землі.
5. Понад 800 км розташована зовнішня оболонка - екзосфера.Швидкість руху окремих частинок в екзосфері наближається до критичної – 11,2 мм/с, тому окремі частинки можуть подолати земне тяжіння та піти у світовий простір.
Значення атмосфери.Роль атмосфери у житті нашої планети винятково велика. Без неї Земля була б мертва. Атмосфера оберігає поверхню Землі від сильного нагрівання та охолодження. Її вплив можна уподібнити ролі скла у парниках: пропускати сонячні промені та перешкоджати віддачі тепла.
Атмосфера захищає живі організми від короткохвильової та корпускулярної радіації Сонця. Атмосфера – середовище, де відбуваються погодні явища, з якими пов'язана вся людська діяльність. Вивчення цієї оболонки провадиться на метеорологічних станціях. Вдень і вночі, за будь-якої погоди метеорологи ведуть спостереження за станом нижнього шару атмосфери. Чотири рази на добу, а на багатьох станціях щогодини вимірюють температуру, тиск, вологість повітря, відзначають хмарність, напрямок та швидкість вітру, кількість опадів, електричні та звукові явища в атмосфері. Метеорологічні станції розташовані всюди: в Антарктиді та у вологих тропічних лісах, на високих горах та на неозорих просторах тундри. Ведуться спостереження і на океанах зі спеціально збудованих кораблів.
З 30-х років. XX ст. почалися спостереження у вільній атмосфері. Стали запускати радіозонди, які піднімаються на висоту 25-35 км, і за допомогою радіоапаратури передають на Землю відомості про температуру, тиск, вологість повітря та швидкість вітру. У наш час широко використовують також метеорологічні ракети та супутники. Останні мають телевізійні установки, що передають зображення земної поверхні та хмар.
| |
5. Повітряна оболонка землі§ 31. Нагрівання атмосфери
