Что такое атмосфера земли

Газы с низким содержанием, но важным значением

Третий газ, который входит в состав атмосферы, – аргон. Его чуть-чуть меньше, чем один процент. После него идут углекислый газ с неоном, гелий с метаном, криптон с водородом, ксенон, озон и даже аммиак. Но их содержится настолько мало, что процентное содержание таких компонентов равняется сотым, тысячным и миллионным частям. Из них только углекислый газ играет существенную роль, поскольку он является строительным материалом, который необходим растениям для фотосинтеза. Другая его важная функция состоит в том, чтобы не пропускать радиацию и поглощать часть солнечного тепла.

Еще один малочисленный, но важный газ – озон существует для удержания ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца. Благодаря этому свойству все живое на планете надежно защищено. С другой стороны, озон влияет на температуру стратосферы. Из-за того, что он поглощает это излучение, происходит нагревание воздуха.

Постоянство количественного состава атмосферы поддерживается безостановочным перемешиванием. Ее слои перемещаются как по горизонтали, так и по вертикали. Поэтому в любом месте земного шара достаточно кислорода и нет избытка углекислого газа.

Тропосфера:

Тропосфера – это первый, самый нижний слой атмосферы – «придонный», в котором обитает все живое на планете: человек, животные, растения. Тропосфера простирается на несколько километров: возле полюсов его высота не превышает 8-10 км, а в районе экватора достигает 18 км. Такая разность в высоте атмосферы обусловлено центробежной силой Земли и тем, что ширина планеты неодинакова в разных ее частях (Земля имеет эллиптическую форму). Еще один фактор, влияющий на величину слоя – сезон, т.е. температурный режим. В теплое время года воздушные массы поднимаются выше, в холодное – опускаются к поверхности планеты, тем самым увеличивая или уменьшая ширину тропосферы.

Свое название слой получил от древнегреческих слов τρόπος  – «поворот, изменение» и σφαῖρα – «шар». Первая часть слова полностью соответствует основным критериям тропосферы – подвижности, изменчивости, динамичности, формирующих все те явления, которые принято называть «климат» и «погода». Это:

– образование облаков;

– циркуляция жидкости;

– образование циклонов, антициклонов;

– генерация ветров.

Тропосфера – самый тяжелый слой, т.к. в нем содержится 80% массы атмосферы, 50% всех газов и практически вся влага, что позволяет обитателям тропосферы «дышать». Удерживает он и тепло, сохраняя поглощаемые Землей солнечные лучи, поэтому при удалении от ее поверхности понижаются и давление, и температура. Причем температура понижается на 0,5-0,7 градуса Цельсия каждые 100 метров. Также с набором высоты усиливается ветер: на каждый километр высоты его скорость растет на 2-3 км/с. Примечательно, что снижение температуры характерно только для нижнего слоя (тропосферы), во всех же иных она растет по мере приближения к верхним границам.

На нижней границе, возле литосферы, находится еще один барьер: приземной пограничный слой, самый важный для циркуляции всей атмосферы. Именно здесь происходит отдача тепловой энергии и излучения планетой, создаются перепады давления и ветряные потоки, позже разделяемые и направляемые неровностями поверхности (горами, скалами и т.д.).

Верхним пределом тропосферы является тропопауза – промежуточный барьер между тропосферой и следующим слоем атмосферы – стратосферой.

Нормальным давлением у нижней границы тропосферы принято считать показатель в 1000 миллибар, который максимально приближен к эталону – 1013 миллибар (одна «атмосфера»). У верхнего слоя давление составляет уже 200 мБар, а при удалении от уровня моря на 45 км падает до 1 мБара.

За тропосферой и тропопаузой следует следующий слой атмосферы – стратосфера. В тропопаузе прекращается снижение температуры воздуха с возрастанием высоты.

Термосфера:

Нижний предел термосферы располагается на высоте приблизительно от 80-90 км. Здесь же (на высоте 100 км) проходит условная граница между поверхностью планеты и космическим пространством – линия Кармана, за которой газы, свойственные атмосфере, практически отсутствуют. Считается, что именно от этой линии берет свое начало четвертый слой атмосферы – термосфера. Ее границы простираются до 800 км от уровня моря, а температура в высшей точке достигает 1700 градусов Цельсия.

Космические летательные аппараты, созданные из металла, который начинает плавиться при температуре 1560 градусов Цельсия, улетая в открытое космическое пространство и возвращаясь на Землю, легко преодолевают этот слой. Это связано с тем, что термосфера имеет чрезвычайно низкое содержание газов и соответственно низкое давление, которое в миллион раз меньше, чем на поверхности Земли. Частицы этого слоя обладают высокой энергией, но т.к. расстояние между частицами огромно, любые космические объекты, летающие в этом слое, оказываются практически в вакууме. Именно поэтому термосфера выбрана для размещения спутников и орбитальных станций.

Под действием солнечной радиации и космического излучения  в термосфере происходит ионизация воздуха и образуются т.н. «полярные сияния».

За термосферой следует термопауза, а за последней – экзосфера.

В термопаузе поглощение солнечного излучения незначительно и температура практически не меняется с высотой. Здесь также происходят полярные сияния.

Согревающая шуба

Если бы не было атмосферы, температура на планете была бы крайне некомфортной. Нагреваясь, поверхность Земли начинает отдавать тепло обратно. Логично предположить, что это вызвало бы охлаждение. Однако этого не происходит. Здесь в игру вступает углекислый газ, а также мельчайшие частицы водяного пара. Именно они улавливают инфракрасное излучение и возвращают его обратно. В результате температура на Земле остается постоянной, зависит только от перемен времен года, то есть интенсивности солнечного излучения.

Поверхность Земли (Фото из открытого источника)

Отсюда становится понятной схема развития «парникового эффекта». Если доля углекислого газа увеличивается, нагрев земной поверхности происходит более интенсивно. Далее следуют изменения климата и соответствующие реакции планеты на происходящее.

На какие слои делится атмосфера?

Хотя они и имеют сильно отличающиеся друг от друга температуры, очень сложно сказать, на какой конкретной высоте начинается один слой и заканчивается другой. Это деление весьма условное и носит приблизительный характер. Однако слои атмосферы все же существуют и выполняют свои функции.

Самая нижняя часть воздушной оболочки названа тропосферой. Ее толщина увеличивается при перемещении от полюсов к экватору с 8 до18 км. Это самая теплая часть атмосферы, поскольку воздух в ней нагревается от земной поверхности. Большая часть водяного пара сосредоточена в тропосфере, поэтому в ней образуются тучи, выпадают осадки, гремят грозы и дуют ветра.

Следующий слой имеет толщину около 40 км и называется стратосферой. Если наблюдатель переместится в эту часть воздуха, то обнаружит, что небо стало фиолетовым. Это объясняется малой плотностью вещества, которое практически не рассеивает солнечные лучи. Именно в этом слое летают реактивные самолеты. Для них там открыты все просторы, поскольку практически нет облаков. Внутри стратосферы имеется слой, состоящий из большого количества озона.

После нее идут стратопауза и мезосфера. Последняя имеет толщину около 30 км. Она характеризуется резким понижением плотности воздуха и его температуры. Небо для наблюдателя видится в черном цвете. Здесь можно даже днем наблюдать звезды.

Биосфера в пределах Солнечной системы

То, что жизнь во всем ее многообразии существует на Земле – дело очевидное. Выгляните за окно: птички летают, бабочки порхают, деревья растут, цветочки цветут. Но как там насчет внеземных цивилизаций?

Надежду отыскать жизнь в космосе ученых не покидает уже не одно десятилетие. Самым первым кандидатом тут стал Марс, а все потому, что он очень уж удачно расположен. Но исследования привели к печальным результатам: даже мельчайшие организмы, вроде бактерий, так и не были найдены на просторах красной планеты. А жаль: Брэдбери так красиво описывал жизнь на Марсе в своих «Марсианских хрониках».

Другими претендентами стали спутники Юпитера – Каллисто и Европа. Здесь все пока еще более радужно, исследования ведутся до сих пор. Например, ученые верят, что под льдами Европы притаился самый настоящий океан. А вдруг там, как и на Земле, смогла бы зародиться жизнь? Тем более, что эта луна Юпитера скрывает под своей поверхностью еще и запасы кислорода. На Каллисто с кислородом похуже, но наличие океана тоже вполне вероятно.

А как насчет самого газового гиганта? Увы, здешний климат слишком суров, чтобы здесь можно было существовать. То же можно сказать и про Уран, Сатурн и Нептун.

Да и Венера не радует своими кислотными дождями. Попробуй-ка поживи в таких условиях!

Строение атмосферы

Выделяют несколько основных ее слоев, отличающихся характеристиками температуры, плотности и т.д. Нижний слой — тропосфера. Он нагревается от Земли, которая в свою очередь нагревается от Солнца. Наиболее прогретые слои тропосферы прилегают к Земле. С высотой нагрев уменьшается, и это понижает температуру воздуха от +14°С на уровне моря до —55°С на верхней границе тропосферы. Ученые подсчитали, что температура здесь понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м. Эту величину называют вертикальным градиентом температуры. Толщина тропосферы различна: над экватором она равна 17 км, а над полярными широтами — 8-9 км. Только в тропосфере происходят такие явления, как образование облаков, выпадение осадков, грозы и другие погодные явления. Выше тропосферы располагается стратосфера (до 50-55 км), которая отделена от нижнего слоя атмосферы переходным слоем — тропопаузой. В стратосфере воздух находится в разреженном состоянии, здесь не образуются облака, так как практически отсутствует водяной экран. Снижение температуры с высотой продолжается, но выше 25 км она начинает возрастать на 1-2°С на каждый километр. Это вызвано, по-видимому, тем, что слой озона поглощает и рассеивает солнечное излучение, мешая ему пройти к поверхности Земли. Над стратосферой тоже есть переходная зона — стратопауза, после которой идет следующий слой атмосферы — мезосфера (до 80-85 км). Воздух здесь еще более разрежен, а температура продолжает расти. Еще выше располагается слой, называемый термосферой. Сложные химические реакции в этих слоях атмосферы (выше 50 км) делают ее электропроводной. Поскольку при реакциях выделяются ионы, верхнюю часть атмосферы, куда входят мезосфера и термосфера, называют ионосферой. Именно в этих слоях и происходит полярное сияние. Выше 800 км располагается экзосфера («экзо» — внешний), здесь частицы газов очень редки, а температура достигает +2000°С.Газовый состав атмосферы был изучен уже давно. В 1774 году французский ученый Антуан Лавуазье изучил основные части воздуха и установил присутствие там кислорода и азота. Впоследствии обнаружилось, что кроме этих газов в воздухе находятся еще и другие газы. Таким образом, воздух — это смесь газов, состоящая у земной поверхности из следующих компонентов:

• Азот — 78%
• Кислород — 21%
• Инертные газы — 0,94%
• Углекислый газ — 0,03%
• Пары воды и примеси — 0,03%.

Изучение атмосферы

Метеорология (греч. meteora – небесные явления и logos – учение) как наука об атмосфере, о ее составе, строении, свойствах и происходящих в ней процессах сформировалась во второй половине XVIII в. С тех пор начались систематические наблюдения за отдельными метеорологическими элементами.

Основные сведения о физическом состоянии приземных слоев атмосферы, о погоде и климате получают на метеорологических станциях с помощью инструментальных и визуальных наблюдений. В мире более 8000 метеостанций и 800 аэрологических станций. Есть и автоматические метеостанции в труднодоступных районах (во льдах Арктики, высоко в горах).

С 30-х гг. нашего столетия начали осуществляться аэрологические наблюдения за состоянием свободной атмосферы с помощью воздухоплавательных аппаратов – аэростатов и стратостатов. Стратосфера была первой трудной ступенькой на дороге в Космос. Одновременно стали применяться шары-зонды, поднимающиеся до высоты 15-16 км, и радиозонды – до высоты 40-50 км. После Второй мировой войны появились метеорологические ракеты, поднимающиеся до 100-120 км с весом научной аппаратуры до 1,5 т. Для исследования ионосферы начали применяться геофизические ракеты (в том числе с подопытными животными), достигшие высоты почти 500 км с весом научной аппаратуры более 1,5 т. Первый в истории человечества искусственный спутник Земли (ИСЗ) был запущен в СССР 4 октября 1957 г. на высоту 947 км (в апогее), а 12 апреля 1961 г. – первый космический аппарат «Восток», пилотируемый Ю. А. Гагариным. Начиная с 60-х гг. высокие слои атмосферы исследуются ИСЗ серии «Космос», систематически запускаются метеорологические спутники и др.

С конца 90-х гг. XX столетия постоянные наблюдения из Космоса осуществляют четыре полярно-орбитальных спутника, движущиеся вокруг Земли па высоте от 800 до 1000 км, и пять геостационарных спутников – нa высоте около 36 000 км. Орбита последних совпадает с плоскостью экватора, они движутся с той же угловой скоростью, что и Земля, на меридианах 0° в, д., 74° в. д., 140° в. д., 75° з. д. и 135° з. д. Они как бы подвешены над одной и той же точкой Земли и своими наблюдениями охватывают широтный пояс от 50° с. ш. до 50° ю. ш. и передают из Космоса на Землю непрерывную информацию о температуре земной и морской поверхности, облачности, ведут наблюдения за смежным и ледовым покровом и т. д. Исключительно ценную и разностороннюю информацию, в том числе и об атмосфере Земли, дают долговременные научные экспедиции на автоматических космических станциях, в частности до 2001 г. на станции «Мир, а в наши дни МКС. Исследования верхних слоев атмосферы существенно уточнили наши знания о строении воздушной оболочки Земли, а космонавтика открыла огромные перспективы в ее изучении. В России руководство метеослужбой осуществляет Федеральная служба РФ по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет).

Литература

1. Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. – Воронеж: ВГПУ, 2007. – 183 с.
2. Любушкина С.Г. Общее землеведение : Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. «География» / С.Г. Любушкина, К.В. Пашканг, А.В. Чернов; Под ред. А.В. Чернова. — М.: Просвещение, 2004. — 288 с.

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.

Экзосфера:

Экзосфера – последний, верхний слой атмосферы, берущий начало на высоте около 800 км от уровня моря. Название он получил от древнегреческого «экзо», означающего «вне, снаружи». Это самый разреженный слой, состоящий из атомов самого легкого химического элемента – водорода. Встречаются также атомы азота и кислорода, но они чрезмерно ионизированы ультрафиолетовым излучением. В экзосфере также происходят полярные сияния.

Экзосфера самый большой по размерам слой атмосферы, ее границы простираются на сотни километров вглубь космоса и верхней считается геокорона Земли. Атомы газов здесь – большая редкость, их концентрация в миллионы раз ниже, чем в земном воздухе.

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.

Изучение и описание

При изучении и описании земной коры, мантии и ядра ученые анализировали их состав, строение и структуру. Точно так же они описали и атмосферу Земли. Но если использовать геологические критерии, то возникнут трудности.

Геологические процессы в земной коре и мантии, хотя и имеют динамичный характер, а сама кора изменяется, но все это происходит в течение длительных периодов времени.

Атмосфера Земли меняется каждый день и гораздо резче. Она образует связующее звено между космическим пространством и планетой. Поэтому большинство космических влияний (например, солнечное излучение, солнечный ветер, поток заряженных частиц из космоса) проявляются и в газовой оболочке планеты.

Загрязнение атмосферы. Выбросы в атмосферу:

Загрязнение атмосферы возникает в результате выбросов в нее различных вредных веществ или повышения концентрации тех, что уже в ней присутствуют. В их число входят:

– оксиды азота;

– метан;

– диоксид и монооксид углерода;

– диоксид серы;

– хлорфторуглероды;

– молекулы органических и неорганических веществ;

– молекулы биологических организмов.

Все они оказывают отравляющее действие на живые организмы планеты: провоцируют развитие заболеваний, часто тяжелых, с летальным исходом, гибель растительного и животного мира.

Причиной выбросов чаще всего становится человек (антропогенное загрязнение), реже – природные явления (естественное загрязнение). Разделяют эти процессы на три основных категории: физическое, химическое и биологическое загрязнения.

Физическое загрязнение также разделяется на подвиды:

– механическое: пыль, твердые вещества;

– радиоактивное:  излучение, изотопы;

– электромагнитное: различные виды волн;

– шумовое: громкие звуки, низкочастотные колебания;

– тепловое: теплые воздушные массы от предприятий и т.д.

Химическое загрязнение представлено появлением в атмосфере повышенной концентрации газов и аэрозолей:

– оксидов и диоксидов неметаллов;

– альдегидов;

– углеводородов;

– частиц тяжелых металлов (кадмия, хрома, брома, меди, цинка);

– аммиака;

– пыли;

– изотопов радиоактивных веществ.

Биологическое загрязнение включает появление в воздухе микробных веществ:

– спор грибов;

– бактерий;

– вирусов;

– токсинов;

– продуктов жизнедеятельности вредоносных микроорганизмов.

Источники загрязнения атмосферы различны. Это и природные явления – вулканические извержения, лесные и степные пожары, продукты жизнедеятельности флоры и фауны, и деятельность человека. К последней относят:

– использование транспорта. Газы и твердые вещества выделяются при движении техники с двигателями внутреннего сгорания;

– деятельность предприятий. Выбросы химических веществ сопутствуют различным технологическим процессам;

– быт человека: приготовление пищи и отопление, утилизация бытовых отходов и т.д.

Загрязнение атмосферы – важная проблема для всей Земли. По утверждению экологов, в атмосфере происходят уже необратимые процессы ее изменения и разрушения защитного озонового слоя. Замедлить их возможно лишь проведением правильной экологической политики. Ее главными тезами считаются уменьшение выбросов от технологических процессов, включающих использование нефти и газа, т.е. переход на экологические виды топлива – электроэнергию, энергию ветра и воды. Еще один важный момент – отказ от изделий из пластика и правильная его дальнейшая переработка. Актуальной остается проблема переработки бытовых отходов, сохранения лесных массивов – «легких» нашей планеты.

Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Найти что-нибудь еще?

карта сайта

Коэффициент востребованности
4 900