Основные слои атмосферы земли в порядке возрастания

Как формировалась атмосфера?

Дата

Категория: Погода и климат

Формирование атмосферы. Сегодня атмосфера Земли представляет собой смесь газов — 78% азота, 21% кислорода и небольшого количества других газов,— например, двуокиси углерода. Но когда планета только возникла, в атмосфере не было кислорода — она состояла из газов, первоначально существовавших в Солнечной системе.

Земля возникла, когда небольшие каменные тела, состоящие из пыли и газа солнечной туманности и известные как планетоиды, сталкивались друг с другом и постепенно принимали форму планеты. По мере ее роста газы, заключенные в планетоидах, вырывались наружу и окутывали земной шар. Через некоторое время первые растения начали выделять кислород, и первозданная атмосфера развилась в нынешнюю плотную воздушную оболочку.

Зарождение атмосферы

1. Дождь из мелких планетоидов обрушился на зарождающуюся Землю 4,6 миллиарда лет назад. Газы солнечной туманности, заключенные внутри планеты, при столкновении вырвались наружу и образовали примитивную атмосферу Земли, состоящую из азота, двуокиси углерода и водяного пара.
2. Тепло, выделяющееся при образовании планеты, удерживается слоем плотных облаков первозданной атмосферы. «Парниковые газы» — такие, как двуокись углерода и водяной пар — останавливают излучение тепла в космос. Поверхность Земли залита бурлящим морем расплавленной магмы.
3. Когда столкновения планетоидов стали не такими частыми, Земля начала охлаждаться и появились океаны. Водяной пар конденсируется из густых облаков, и дождь, продолжающийся несколько эпох, постепенно заливает низменности. Таким образом появляются первые моря.
4. Воздух очищается по мере того, как водяной пар конденсируется и образует океаны. С течением времени в них растворяется двуокись углерода, и в атмосфере теперь преобладает азот. Из-за отсутствия кислорода не образуется защитный озоновый слой, и ультрафиолетовые солнечные лучи беспрепятственно достигают земной поверхности.
5. Жизнь появляется в древних океанах в течение первого миллиарда лет. Простейшие сине-зеленые водоросли защищены от ультрафиолета морской водой. Они используют для производства энергии солнечный свет и двуокись углерода, при этом в качестве побочного продукта выделяется кислород, который начинает постепенно накапливаться в атмосфере.
6. Миллиарды лет спустя формируется богатая кислородом атмосфера. Фотохимические реакции в верхних атмосферных слоях создают тонкий слой озона, который рассеивает вредный ультрафиолетовый свет. Теперь жизнь может выйти из океанов на сушу, где в результате эволюции возникает множество сложных организмов.

 Миллиарды лет назад толстый слой примитивных водорослей начал выделять в атмосферу кислород. Они сохранились до сегодняшнего дня в виде окаменелостей, которые называются строматолитами.

Вулканическое происхождение

1. Древняя, безвоздушная Земля. 2. Извержение газов.

Согласно этой теории, на поверхности юной планеты Земля активно извергались вулканы. Ранняя атмосфера, вероятно, сформировалась тогда, когда газы, заключенные в кремниевой оболочке планеты, вырвались наружу через сопла вулканов.

Чем и как изучают атмосферу: первые исторические попытки организации наблюдений

Аристотель еще в четвертом столетии до нашей эры написал труд, названный им «Метеорологика» (Ликейский период Аристотеля — с 334 по 322 год до н. э.). Поэтому наука, изучающаяя атмосферу, называется метеорология.

Возможность изучения метеоусловий возникла после изобретений в 17 веке Галилео Галилеем термометра (фиксация температуры) и барометра (измерение давления) Отто фон Герике. Флюгер (измерение направления ветра), анемометр (измерение скорости движения воздуха), гигрометр (измерение влажности), плювиограф (измерение количества осадков), созданные в этом же веке, расширили список фиксируемых параметров атмосферы.

Сеть из девяти метеостанций (самая первая в истории) в Италии с 1854 по 1667 собирала информацию о параметрах атмосферы.

Вторая европейская сеть метеостанций (1723-1735) работала по инструкции, содержащей стандартные таблицы измерений с методическими указаниями по пользованию приборами, написанной Джеймсом Джурином (Лондон).

Одновременно в России на двадцати четырех метеостанциях (1733-1744) велись наблюдения за атмосферой (инструкция Даниила Бернулли).

Физические характеристики тропосферы

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

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

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

Ветер и его свойства

Для тропических широт характерны ветры, пассаты, постоянно направленные с северо-востока к экватору в Северном полушарии и с юго-востока к экватору — в Южном. Объяснил их происхождение английский астроном Джон Гадлей.

Воздушная оболочка нашей планеты находится в постоянном движении. Солнце нагревает поверхность земли, а от неё нагревается и воздух. Он расширяется и поднимается вверх, а на «освободившееся место» устремляется новая порция воздуха, и образуется ветер. Двести лет назад была придумана шкала силы ветра, шкала Бофорта. Ноль баллов означает штиль (полное безветрие). От лёгкого ветра в 2 балла шелестят листья на деревьях. Крепкий ветер в 8 баллов выворачивает наизнанку зонтики. Скорость штормового ветра в 9 баллов более 20 м/с. А ветер в 12 баллов называется ураганом. А на берегу моря или большого озера днём, когда суша нагрета сильнее, чем вода, с моря дует прохладный бриз. Ночью же бриз с суши веет теплом.

В широкой полосе, расположенной в основном между тропиками, за исключением нашего Дальнего Востока, иными словами, там, где солнце бывает в зените, то есть прямо над головой, есть места, где ветер, дующий, подобно бризам, то с суши на море, то с моря на сушу, меняет направление всего два раза в году. Называется такой ветер муссон. Причина возникновения муссонов — разница температуры суши и моря.

Схема муссона

Зимой суша остывает, атмосферное давление над ней повышается, сухие и холодные муссоны дуют в сторону моря. В это время наступает засушливый сезон. Летом суша нагревается сильнее, чем море, и воздух над ней поднимается вверх, а на его место устремляется тёплый и влажный морской воздух. Наступает влажный сезон. В разных районах Земли существуют местные ветры: на юге Франции — мистраль, в Сибири — хиус, на Байкале — баргузин. В Альпах дует горячий фён, на некоторых побережьях — ледяная бора, которую также называют тамонтана или сарма.

Бора, от греческого слова «борей», обозначающего северный ветер, — это ледяной порывистый ветер. Он возникает, когда поток холодного воздуха встречает на своём пути препятствие, преодолев его, бора с силой обрушивается вниз. Распространена бора там, где невысокие горы граничат с морем. В России это Новороссийская и Геленджикская бухты. Ветер при боре достигает огромной скорости: в 1928 г. был зарегистрирован порыв ветра в 80 м/с. В результате боры в Новороссийской бухте в 1848 г. потерпели крушение шесть парусных судов. Во время боры в 1997 г. максимальная сила ветра достигала 62 м/с, а температура воздуха опускалась до –20 °C. В городе ветром вырывало деревья, обрывало линии электропередач. Эти ветры более или менее постоянны, то есть предсказуемы, они редко наносят такой большой ущерб, как внезапные стихийные бедствия.

Последствия боры

Строение атмосферы Земли

Глядя на небо, особенно когда оно совершенно безоблачно, очень сложно даже предположить, что оно имеет такую сложную и многослойную структуру, что температура там на различных высотах очень сильно отличается, и что именно там, в высоте, происходят важнейшие процессы для всей флоры и фауны на Земле.

Если бы не такой сложный состав газового покрова планеты, то здесь бы просто не было никакой жизни и даже возможности для ее зарождения.

Первые попытки изучить эту часть окружающего мира были предприняты еще древними греками, но те не могли зайти в своих умозаключениях слишком далеко, так как не обладали необходимой технической базой. Они не видели границы разных слоев, не могли измерить их температуру, изучить компонентный состав и т. д.

В основном только погодные явления наталкивали самые прогрессивные умы на размышления о том, что видимое небо не такое простое, как кажется.

Считается, что структура современной газовой оболочки вокруг Земли образовалась в три этапа. Сначала была первичная атмосфера из водорода и гелия, захваченных из космического пространства.

Потом извержение вулканов наполнило воздух массой других частиц, и возникла вторичная атмосфера. После прохождения всех основных химических реакций и процессов релаксации частиц, возникла нынешняя ситуация.

Биогеохимия

В состав живых организмов входят не менее 60 химических элементов, главные из которых (биогенные элементы) — это C, O, H, N, S, P, K, Fe, Ca и некоторые другие. Живые организмы приспосабливаются к жизни при экстремальных условиях. Споры некоторых низших растений выдерживают температуры до −100 — −200 °C. Бактерии встречаются в термальных источниках при Т°=100 °C и даже в океанских гидротермах при Т° = 200-250°С. К удивлению акванавтов, опускавшихся на глубины океанских впадин, они встретили живые организмы, приспособившиеся к жизни при огромных давлениях

Живая масса биосферы в пересчёте на сухое вещество составляет около 1015 т. В целом на растения приходится 99 % биомассы, а на животных и микроорганизмы — всего 1 %. Таким образом, живая масса биосферы планеты преимущественно растительная.

Биосфера — это самый мощный аккумулятор солнечной энергии благодаря фотосинтезу растений. Подсчитано, что только фитопланктон океана поглощает 0,04 % солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли. За геологическую историю Земли биосфера накопила в недрах колоссальное количество энергии — в толщах углей, нефти, скоплениях горючего газа и горючих сланцев, которыми сейчас человечество широко пользуется. Организмы — важные породообразователи земной коры.
Основной источник биохимической активности организмов — солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелёными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы. Благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов около 2 млрд. лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, затем образовался озоновый слой, защищающий от жесткого космического излучения. Фотосинтез и дыхание зеленых растений поддерживают современный газовый состав атмосферы. Появление кислорода в первичной бескислородной атмосфере Земли рассматривается как важнейший этап эволюции биосферы.

Жизнь на Земле в геологически обозримый период всегда существовала в форме сложно организованных комплексов разнообразных организмов (биоценозов). Вместе с тем живые организмы и среда их обитания тесно связаны, взаимодействуют друг с другом, образуя целостные системы — биогеоценозы. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов — их биогеохимические циклы, в ходе которых атомы большинства химических элементов проходят бесчисленное число раз через живое вещество. Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ — за 200–300 лет, а вся вода биосферы за 2 млн. лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы: содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота — в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, P, N, W), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п. Большим разнообразием органических соединений характеризуется состав самих организмов. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органоминеральное топливо.

Биосфера, её биохимическая деятельность обеспечивает планетарное равновесие на Земле — равновесное состояние газов, состава природных вод, круговорот вещества. Образование живого вещества и аккумуляция им энергии сопровождается одновременно и диаметрально противоположными процессами — распадом органических соединений и превращением их в простые минеральные соединения — CO₂, воду, аммиак (NH₃) с освобождением энергии; в этом и состоит сущность биологического круговорота вещества.

Стратосфера — второй слой атмосферы

Стратосфера — это второй по счету слой земной атмосферы. Тропосфера, самый нижний слой, находится прямо под стратосферой. Следующим более высоким слоем над стратосферой является мезосфера.

Низ этого слоя находится в 10 км над землей в средних широтах. Верхняя граница стратосферы простираеся до высоты 50 км.  Высота нижней границы стратосферы изменяется в зависимости от широты и времени года и может достигать 20 км вблизи экватора и всего 7 км у полюсов зимой. Нижняя граница стратосферы называется тропопаузой; верхняя граница называется стратопаузой.

Озон, особая форма молекулы кислорода, относительно распространенный в стратосфере, способствует нагреванию этого слоя, поскольку поглощает энергию поступающего ультрафиолетового излучения Солнца. Температура поднимается по мере продвижения вверх через стратосферу. Это прямо противоположно поведению в тропосфере, в которой мы живем, где температура падает с увеличением высоты. Из-за этой температурной вариации в стратосфере наблюдается очень небольшая конвекция и перемешивание, поэтому слои воздуха там довольно стабильны. Коммерческие самолеты летают в нижней стратосфере, чтобы избежать турбулентности, которая распространена в нижнем слое — тропосфере.

Стратосфера очень сухая; воздух там содержит мало водяного пара. Из-за этого в этом слое мало облаков; почти все облака встречаются в нижней, более влажной тропосфере. Полярные стратосферные облака (ПСО) являются исключением. ПСО появляются в нижней стратосфере вблизи полюсов зимой. Они обнаруживаются на высотах от 15 до 25 км и образуются только тогда, когда температура на этих высотах опускается ниже -78 °C. По-видимому, они способствуют образованию печально известных дыр в озоновом слое путем «поощрения» определенных химических реакций, которые разрушают озон. ПСО также называют перламутровыми облаками.

Полярные стратосферные облака

Воздух в верхней части стратосферы примерно в тысячу раз более разряжен, чем на уровне моря. Из-за этого реактивные самолеты и метеозонды достигают своих максимальных эксплуатационных высот именно в стратосфере.

Из-за отсутствия вертикальной конвекции в стратосфере материалы, которые попадают в этот слой, могут оставаться там в течение длительного времени. Так обстоит дело с озоноразрушающими химическими веществами, называемыми хлорфторуглеродами (фреонами). 

Хлорфторуглероды (CFC) — это нетоксичные, негорючие химические вещества, содержащие атомы углерода, хлора и фтора. Они используются в производстве аэрозольных баллончиков, вспенивателей для различных веществ и упаковочных материалов, в качестве растворителей и хладагентов. 

Сильные извержения вулканов и сильные воздействия метеоритов могут выбросить аэрозольные частицы в стратосферу, где они могут задерживаться на месяцы или годы, иногда изменяя глобальный климат Земли. Выхлопы ракетных двигателей также попадают в стратосферу, что приводит к неопределенным последствиям.

В стратосфере встречается редкий тип электрического разряда, несколько похожий на молнию. Эти «синие струи» (blue jets) появляются над грозами и простираются от нижней части стратосферы до высот 40 или 50 км.

Синие струи – тип молнии, который вы, возможно, видели, но не знали об этом. Особенно если вам приходится много летать на самолетах. Эти разряды выстреливают вверх из грозовых туч и длятся лишь долю секунды. По мере распространения вверх они постепенно расширяются с углом раствора порядка 15 градусов. Их свечение постепенно сходит на нет на высоте около 40—50 километров. Синие струи намного ярче спрайтов, обладают другим цветом, но наблюдаются значительно реже. Ранее считалось, что они не связаны напрямую с обычными тропосферными молниями, но сегодня ученые склоняются в сторону существования подобной зависимости.

Гигантская синяя струя над Китаем, август 2016 г.

Атмосфера Земли, характеристики и свойства, значение для жизни:

Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая планету Земля, удерживаемая вокруг нее силой гравитации. Свое название она получила от двух древнегреческих слов: ἀτμός – «пар» и σφαῖρα – «сфера»). Пределами ее считаются непосредственно поверхность Земли и межпланетное пространство, но последняя граница весьма условна, т.к. не имеет четкой линии. Оболочка из газов, окружающая планету Земля, простирается вверх от поверхности Земли на сотни километров.

В астрономии атмосферой принято считать газовое пространство, окружающее любое небесное тело и вращающееся вместе с ним вокруг своей оси. Атмосферу имеют практически все крупные небесные тела, особенно состоящие из газов или имеющие сходный с Землей планетный тип: Меркурий, Венера, Луна, Марс, Юпитер, Ио, Европа, Ганимед, Каллисто, Сатурн, Энцелада, Титан, Рея, Уран, Нептун, Тритон, Плутон и пр.

Удельная масса атмосферы Земли составляет 5,2×1018 килограмм, а высота около 1000 километров. Атмосфера Земли непостоянна, подвержена изменениями и основным их источником считается человек.

Ее ключевыми характеристиками являются:

– высокая динамичность – перемещение огромных масс воздуха во всех слоях, возникающие вследствие перепадов давления, обусловленных нагреванием газов;

– физическая неоднородность – включает ряд сфер и слоев, каждый из которых отличается своими физическими характеристиками;

– уязвимость к биологическим факторам – легко подвергается загрязнению вредными и избыточными веществами (газами, органическими и неорганическими частицами, биологическими молекулами и т.д.);

– атмосферное давление – физическая величина, создаваемая гравитационным притяжением воздуха к планете и уменьшающаяся по мере удаления от ее поверхности.

Одно из назначений атмосферы – защита Земли и всего живого на ней от разнообразных космических угроз. В ее слоях сгорают мелкие метеоры, а крупные распадаются на мелкие части, не способные нанести планете существенный вред. Присутствующий озоновый слой фильтрует вредное для обитателей Земли ультрафиолетовое солнечное излучение, преобразовывая его в безопасные для жизни тепло и свет. Также атмосфера позволяет поддерживать на поверхности планеты температуру, комфортную для жизни человека, обеспечивает круговорот воды и движение воздушных потоков, без которых невозможно создание необходимых природе влажности и температуры.

Мезосфера:

Мезосфера – малый по размерам слой, расположенный на высоте от 40-50 до 80-90 км от уровня моря. Он характеризуется:

– низкой температурой – на его верхней границе показатели достигают -80 градусов Цельсия, в то время как на нижней границе – около 0 градусов Цельсия;

– чрезвычайно малым давлением газов (ниже поверхностного в десятки тысяч раз);

– отсутствием движения воздушных масс, обусловленного их низкой (почти нулевой) подъемной силой.

Эти же факторы влияют на изучение слоя: отсутствие летательных аппаратов, способных двигаться в подобных условиях, не позволяет тщательно исследовать мезосферу. Однако доподлинно известно, что именно она защищает Землю от падения на нее различных космических тел, чаще всего метеоров. Небольшие из них полностью сгорают, рассыпаясь в пыль, а крупные иногда достигают поверхности планеты, но уже «выгоревшие», не способные нанести ей существенный ущерб.

За мезосферой следует мезопауза, а за последней – термосфера. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около -100 °C.

Пятна на Солнце

На ярком фоне фотосферы наблюдаются темные пятна. Такое пятно представляет собой довольно сложное образование, состоящее из центральной темной области, называемой тенью, и окаймляющей ее более светлой области с вытянутыми вдоль радиуса пятна темными и светлыми образованиями, получившей название полутени.

Размеры солнечных пятен крайне разнообразны. В небольшие телескопы примерно с 50-кратным увеличением уже можно видеть пятна с угловым поперечником в 4—5″. Они выглядят небольшими черными точками без признаков полутени, но в действительности их линейные размеры близки к 3000—3500 км. Линейные поперечники пятен с угловыми размерами около 18″ сравнимы с диаметром нашей Земли (примерно 13 000 км). У наиболее же крупных, но редко появляющихся пятен угловые диаметры достигают 4′, т. е. 0,13 диаметра Солнца, и следовательно, их линейные размеры приближаются к 180 000 км! Такие крупные пятна хорошо видны даже невооруженным глазом (конечно, только сквозь темный светофильтр) .

На фоне ослепительно яркой фотосферы пятно нам кажется черным. Однако измерения показали, что яркость пятен в 5—10 раз меньше яркости окружающей горячей фотосферы, а их реальный цвет — красноватый. Эти измерения позволили оценить температуру Т„ вещества в тени пятен. Поскольку поверхность пятен площадью 1 м2 излучает в 5—10 раз меньше энергии, чем такой же участок фотосферы с температурой Т = 6000 К, то, используя закон Стефана — Больцмана, можно записать:

откуда следует, что температура пятен заключена в пределах от 3400 до 4000 K:

На фотографиях солнечных пятен отчетливо заметна структура распределения темных и светлых областей в полутени пятна, похожая на распределение железных опилок в магнитном поле, причем темные области вытянуты вдоль магнитных линий. Наличие сильного магнитного поля в пятнах подтверждается и спектральными наблюдениями. В некоторых пятнах магнитная индукция достигает 0,5 Тл и выше, в то время как в среднем в фотосфере она составляет 10-4-10-3 Тл. В центре пятна вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно к поверхности Солнца, а на краях, в полутени он идет вдоль поверхности и его значение меньше.

Сильное магнитное поле пятен является причиной их низкой температуры. Это объясняется тем, что вещество фотосферы представляет собой плазму, состоящую из заряженных частиц. Сильное магнитное поле тормозит движение плазмы, замедляет ее конвенцию и тем самым ослабляет поступление энергии из внутренних слоев Солнца. В результате температура вещества в области пятен уменьшается и пятна выглядят темными на фоне яркой фотосферы.

Обычно пятна появляются группами. В группе самое большое головное пятно расположено впереди по направлению вращения Солнца; оно имеет полярность магнитного поля, противоположную полярности следующего за ним меньшего пятна. Кроме того, головное пятно в северном полушарии Солнца имеет полярность, противоположную полярности головного пятна южного полушария.

Наряду с пятнами на фотосфере, вблизи края солнечного диска сравнительно часто видны факелы — светлые образования довольно сложной волокнистой структуры. Некоторые факелы живут неделями. Их яркость незначительно превышает яркость фотосферы, а температура всего лишь на 200— 300 К выше ее температуры.

Термосфера и экзосфера

Общая высота атмосферы Земли составляет около 100 км. На этом уровне проходит условная граница, отделяющая планету от космоса. Её называют линией Кармана. На высоте более 100 км есть газы, но их количество ничтожно мало. Полёты на таком расстоянии от поверхности относятся к космическим.

Линия Кармана одновременно является нижней границей термосферы — самого протяжённого воздушного слоя. Эта часть атмосферной оболочки простирается до высоты 800 км над уровнем моря. Температура здесь достигает 1800 градусов. Насколько это много, можно понять, если вспомнить, что железо плавится уже при 1538 °C.

Однако космические аппараты в термосфере не разрушаются, потому что содержание газов в нем низкое. Отдельные частицы обладают огромной энергией, но они находятся на большом расстоянии друг от друга. Летательные аппараты находятся в вакууме. При этом возникает необходимость отводить избыточное тепло, которое выделяется при работе двигателей и других механизмов. Тепловыделение достигается за счёт работы радиаторов. Ими оснащают все космические корабли.

Экзосфера — последний атмосферный слой, нижняя граница которого проходит на высоте 700−800 км. Эта часть оболочки очень разреженная и состоит в основном из атомов водорода. В малом количестве присутствуют ионы азота и кислорода (менее сотых долей процента).