Экзосфера это уже космос

Из чего состоит атмосфера нашей планеты?

Мы интересуемся тайнами космоса и часто даже не задумываемся о том, что много интересного расположено намного ближе к нам. Например, атмосфера Земли, так называют газовую оболочку вокруг планеты. Толщина земной атмосферы достигает тысячи километров, она очень неоднородная и динамичная, чувствительная ко многим факторам. Из этой статьи ты узнаешь о составе атмосферы, истории ее появления и развития. Мы перечислим слои, из которых состоит атмосфера, и расскажем о свойствах и значении каждого из них для жизни на планете. Также мы сравним земную атмосферу с газовыми оболочками других планет.

Атмосфера вокруг Земли существует миллиарды лет, и на протяжении этого периода она неоднократно менялась. Наиболее существенные изменения в составе связаны с живыми существами. Все живое на планете сделало ее газовую оболочку такой, какая она есть сейчас.

Свойства атмосферы

Это газообразный защитный купол, который оберегает все живое от угроз из космоса. Ультрафиолетовое солнечное излучение губительно для всего живого, но нас от него защищает слой озона. В газовой оболочке сгорает большая масса прилетающих метеоров. Это прослойка, благодаря которой у земной коры сохраняется комфортная температура. Лучи Солнца отражаются от облаков, создается парниковый эффект. Если бы его не было, климат был бы холоднее как минимум на 20 градусов. Благодаря атмосферному круговороту воды мы располагаем не только благоприятными климатическими условиями, но и богатым набором минеральных веществ. Во всей системе такого нигде нет.

Вся газовая оболочка простирается на тысячи километров. Но атмосферой считаются только те газы, которые вращаются с планетой вокруг ее оси с такой же скоростью. Ее высота доходит примерно до 1000 км. Она плавно сливается с космосом, пограничной территорией является экзосфера.

История развития

Воздух кажется нам однородным, но на самом деле это смесь огромного количества газов. Если считать только те, которые представляют не менее тысячной доли от общего объема, то мы получим 12 наименований. Если же считать все, то мы обнаружим в воздухе все элементы из периодической таблицы. Такое многообразие появилось не сразу, наша атмосфера очень сложная по строению ввиду того, что на планете есть жизнь.

В свои ранние годы земля выглядела не так как сейчас. Ее газовая оболочка была очень тонкой, и через нее легко проходили метеориты. Поверхность была покрыта круглыми озерами, они образовывались при падении метеоритов.

4,3 млрд лет назад оболочка состояла из водорода и гелия, это соответствует атмосфере Юпитера и других газовых гигантов. Такой же состав у туманности, которая когда-то создала Солнце и все планеты в его системе. На настоящий момент земная атмосфера включает в себя 0,00002% водорода и 0,0005% гелия. В недрах таилось множество соединений, они рвались наружу. Вулканы выбрасывали много аммиака, метана, углекислоты. Позднее аммиак и метан создали азот, и на него сейчас приходится 78% от общего объема.

Но ни одно явление не было настолько решающим, как появление кислорода. Естественный путь его появления связывают с тем, что мантия выталкивала газообразные соединения, скопившиеся под корой. Был и другой тип формирования: вулканы создавали водяные пары, которые под ультрафиолетовым действием распадались на водород и кислород. Но этот кислород не смог сохраниться надолго, он реагировал со свободным железом, серой и другими веществами, эти реакции ускоряло солнце. Ситуация осталась бы такой же, если бы на Земле не появилась жизнь.

После зарождения жизни

Живые существа на планете стали выделять большие объемы кислорода, и он окислил все, что находилось на поверхности. Потребовалось пару миллиардов лет, чтобы количество кислорода увеличилось с 0 до 21% от всего состава атмосферы. При этом организмы стали использовать атмосферный углерод, он им был нужен для создания скелетов. В результате земная кора покрылась огромными пластами органических материалов, а углекислого газа стало гораздо меньше.

Из-за кислорода наша планета обрела голубую дымку, вдали она выглядит синей точкой. По этой же причине мы видим небо синим. От обилия кислорода смог сформироваться озоновый слой, по сей день он защищает нас от солнечной радиации. Организмы смогли эволюционировать, так помимо бактерий и водорослей появились высокоразвитые существа.

В атмосфере присутствуют и благородные газы. Лидером по представленности среди них является аргон, его доля 0,9-1%. Он зарождается в ходе ядерных процессов в недрах земли, а на поверхность он выходит при извержениях вулкана и сквозь трещины в коре. Благородные газы поднимаются в верхние слои, затем исчезают на просторах космоса.

Таким образом, структура газовой оболочки многократно менялась, но что-то осталось неизменным. К примеру, озоновый слой, он очень устойчив и никуда не денется, даже если количество кислорода снизится в сто раз.

Строение атмосферы

Выше была упомянута особенная прослойка — экзосфера, и она не единственная обладает особым значением. Рассмотрим основные составляющие.

Тропосфера

Нижний и наиболее плотный слой. Его толщина меняется от географического расположения, на полюсах — около 7 км, к экватору — уже около 20 км. Эти цифры меняются от сезона, объяснение простое: теплый воздух уходит выше. Мы все живем в тропосфере, ее название стало производным от греческого термина “изменение”. И это точно отражает суть, тропосфера постоянно меняется. Именно в ней формируются ветра, циклоны, антициклоны, образуются облака, идут все процессы, которые относят к понятиям погоды и климата в целом.

На тропосферу приходится около 80% от массы атмосферы. Она такая тяжелая, потому что там сконцентрирована практически вся вода. Температура падает по мере удаления от поверхности, при подъеме на каждую сотню метров температура снижается примерно на 0,5-0,7 градуса. Эта закономерность действует только в данной прослойке, в других все будет иначе — чем выше, тем жарче. От высоты зависит и скорость ветра, при подъеме на каждый километр ветер ускоряется на 2-3 км в секунду.

Над тропосферой есть воздушное дно, за ним идет литосфера. Это пограничный слой, который отвечает за отдачу тепла и излучения из космоса. В нем осуществляется водообмен, это тот самый круговорот воды в природе, о котором все знают еще с младшей школы. Поднявшаяся с поверхности вода за 8-12 суток возвращается обратно, а сама тропосфера становится чем-то вроде водного фильтра.

С набором высоты меняется и давление. Эталон для поверхности — одна атмосфера или 1012 мБар, у конца тропосферы оно будет уже 200 мБар, а на 45 км над поверхностью падает всего до одного мБар. И это еще одно объяснение, почему тропосфера — это 80% от веса всей атмосферы.

Стратосфера

Ее высота у экватора достигает 50 км, на полюсах — 8 км. Перевод названия с греческого — “слой”. Стратосфера очень разреженная, у нижней границы давление десятикратно ниже, чем на поверхности, у верхней — уже почти стократно. В ней практически отсутствует водяной пар. По мере повышения температура растет, от минут 56 до минус 1.

Нижняя часть — пространство для сверхзвуковых и простых пассажирских самолетов. Здесь они могут тратить меньше топлива, так как сопротивление будет небольшим, а также получают защиты от потоков воздуха. Подняться выше такие самолеты не смогут, реактивные двигатели не в состоянии работать без достаточного притока воздуха. По стратосфере на высоте 18-30 км способны перемещаться боевые и пассажирские самолеты типа “Конкордов”. Также здесь работают метеорологические зонды, их поднимают летательные шары.

В данном слое живут микроорганизмы, они распространены вплоть до озоновой прослойки. Это так называемый воздушный планктон. Однако, зафиксирован случай: в двигатель самолета, летевшего на 11,5 км попал гриф. Также известно, что при миграции уток они могут пролетать выше Эвереста. Но все же самое большое существо, побывавшее здесь — это человек. Точнее конкретный человек — Алан Юстас, вице-президент Гугл. Ему на тот момент было уже 57 лет, он поднялся на шаре на 41 км вверх и прыгнул оттуда с парашютом. Это мировой рекорд. Рекордсмен был в одном лишь защитном костюме, на нем не было герметичной капсулы и других защитных средств.

Озоновый слой

Тот самый озоновый слой, благодаря которому нас не может уничтожить солнечная радиация, находится между стратосферой и мезосферой. Выше этого слоя жизни нет и быть не может, так как излучения убьют даже самых жизнеспособных бактерий. Как и кислород, озон появился преимущественно благодаря живым организмам. Когда кислород поднимается в высокие слои начинается фотохимическая реакция с ультрафиолетом. Так из О2 образуется О3 — озон. Выходит, что Солнце создает для нас защиту от своего же излучения.

Мезосфера

Это наиболее холодное место на планете, в верхнем слое воздух может охладиться до минус 143 градусов. Мезосфера изучена хуже других слоев, здесь сложные условия для проведения каких-либо работ. Воздушные шары не могут подниматься, они просто останавливаются на месте, так как давление становится экстремально низким. Реактивные самолеты здесь тоже не летают, так как законы аэродинамики не работают. Но здесь смогут перемещаться самолеты с ракетными двигателями, например, ракетоплан Х-15. Он самый скоростной в мире, может разгоняться до 7200 км в час и набирать высоту 108 км.

Но для науки Х-15 не предоставляет высокой ценности, он летает очень быстро, чтобы проводить научные исследования. К тому же пребывают на такой большой высоте они недолго, для Х-15 рекорд составил четверть часа. Суборбитальные зонды и спутники бессильны, низкое давление их останавливает или вовсе сжигает. Именно здесь сгорает основная масса метеоров, в ней каждый август вспыхивает звездопад Персеиды. Название образовано от английского термина, означающего “незнание”. Подходящее название, для чего-то настолько неизученного.

Термосфера

Выше мезосферы проведена так называемая линия Кармана, за ней начинается ближний космос. Дальний начинается намного дальше, узнать о нем подробнее ты можешь из статьи “Интересные факты об астрономии дальнего космоса”.

Линия кармана проходит на высоте 100 км над уровнем моря. Это нижняя граница термосферы, самого большого по продолжительности слоя, его высота доходит до отметки 800 км, и уже на высоте 400 км температура поднимается до 1800 градусов, это абсолютный максимум. Чтобы сопоставить, насколько это высокое значение, нужно узнать температуру, при которой начинает плавиться железо — 1538 градусов. Однако, космические корабли все же могут ее преодолевать, так как давление здесь в миллион раз ниже, чем на поверхности. Частицы очень горячие, но они слишком разрежены, чтобы нанести вред. К тому же на космических кораблях есть специальные излучатели для отражения поступающей энергии.

Экзосфера

Это самый верхний слой, он начинается на 700 км над поверхностью. “Экзо” в переводе с греческого означает “снаружи”. Очень рассеянная, большая часть представлена водородом, он очень легкий. Встречаются атомы азота и кислорода, их очень сильно ионизирует Солнце. Экзосфера протягивается на сотню тысяч километров, а концентрация частиц в ней в миллионы раз менее плотная, чем воздух, к которому мы привыкли. При определенных условиях из космоса она выглядит, как корона, окружающая Землю.

Атмосфера других планет

Атмосфера нашей планеты — не только обязательное условие для жизни, но и инструмент для изучения газовых оболочек других планет. Исследования позволили понять, что по цвету атмосферы можно определить состав планеты. Например, у Марса и экзопланет эта оболочка красная, большая часть газа — это углекислый. Если на планете много такого газа, значит, там есть активные геологические процессы и много вулканов.

Присутствие водных паров вовсе не означает, что на поверхности есть океаны. Но если есть вода, значит, есть и кислород, а если он есть еще и в избытке, значит, на планете есть какая-то из форм жизни. Как рассказывалось выше, кислород из неживых источников не может накапливаться.

На Марсе есть не только атмосфера, но и облака. Законы физики для воды и газа похожи на земные, поэтому эти две планеты часто сравнивают между собой. Подобная газовая оболочка есть на спутнике Сатурна под названием Титан. Там тоже есть облака, присутствует атмосферная жидкость, но там на сотню градусов холоднее, а вместо воды — метан.

Именно поэтому ученые так активно исследуют свойства и толщину земной атмосферы в каждом ее слое. На основании этих данных мы узнаем больше о других планетах, особенно важны эти знания о тех планетах, на которые человек в данный момент не может попасть.

Источник

Метеоролог и я

Научно-популярный метеорологический проект

Экзосфера и её особенности

Термосфера – не последний слой нашей планеты. Всё, что находится выше 800км, принято относить к экзосфере.

Экзосфера – это слой атмосферы, нижняя граница которого 800км, а верхняя – 3000км. Это внешний слой атмосферы Земли. «Экзо» с греческого переводится как «снаружи».

До определённого времени верхней границей считалась именно высоте примерно 3000км. Однако спутниковые наблюдения показали, что признаки экзосферы прослеживаются и на 20 000км. Всё, что выше 3000км носит название магнитосфера. Но на самом деле это почти та же экзосфера. Некоторые учёные даже считают, что верхняя граница слоя находится на высоте примерно 190 000км. Как и все предыдущие слои, она тоже имеет свои свойства, описанные ниже.

Особенности экзосферы:

1. Чрезвычайно высокая разрежённость воздуха;

2. Скорость движения некоторых частиц равна второй космической скорости (11 000 м/с);

3. Высокая температура частиц (1500-3000°С);

4. Очень слабое повышение температуры с высотой.

Содержание частиц в экзосфере очень мало, всего около 1000 на см 3 . Особо лёгкие частицы способы разгоняться до второй космической скорости. Преодолевая гравитацию планеты с этой скоростью, частицы покидают свой дом (нашу планету) и улетают в космическое пространство.

Атмосфера нашей планеты постепенно теряет свою массу, так как количество покинувших планету частиц значительно превышает количество вошедших в неё (атмосферу). Экзосферу ещё называют сферой ускользания газов.

Температура воздуха, как и в термосфере, здесь высока и прослеживается слабый рост температуры с высотой. Теплообмена с окружающими частицами в экзосфере нет, это вытекает из первой особенности. Весь нагрев происходит за счёт поглощения солнечной радиации.

Если говорить об упомянутой магнитосфере, то она отличается от экзосферы только тем, что через неё проходит магнитное поле Земли, которое оказывает влияние на движение частиц.

Вкратце мы разобрали все слои атмосферы, каждый из которых имеет свою «изюминку». На этом тема «Слои атмосферы» подошла к концу, но мы не раз ещё к ней вернёмся в других параграфах.

Теперь вы немного знаете о термосфере и её особенностях. Остаётся нам изучить последний слой — экзосферу.

Источник