Атмосфера Земли. Строение, слои. Облака
Атмосфера Земли представляет собой внешнюю оболочку, которая состоит преимущественно из газов. Атмосфера планеты — это газовая масса движется вместе с Землей. Можно также выразиться, что атмосфера постепенно, плавно перетекает в космическое пространство.
Кстати, в нашей Солнечной системе атмосфера есть у всех основных планет, кроме Меркурия.
Атмосфера Земли вместе с планетой вращается против часовой стрелки – с запада на восток. Из-за вращения она, как и Земля, приобретает форму эллипсоида, то есть у экватора её толщина больше, чем у полюсов. Источником энергии для процессов, происходящих в воздушной оболочке является электромагнитное излучение Солнца.
Значение атмосферы для жизни на земле велико, так как она предохраняет планету от столкновения с космическими телами, обеспечивает оптимальные показатели для формирования и развития жизни.
Состав защитной оболочки:
- Азот – 78%.
- Кислород – 20,9%.
- Смесь прочих газов – 1,1% (озон, аргон, неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон, углекислый газ, водяные пары).
Газовая смесь выполняет важную функцию – поглощение излишнего количества солнечной энергии. Состав атмосферы изменяются в зависимости от высоты. Так на высоте 65 км от поверхности Земли азота в ней будет содержаться уже 86%, кислорода – всего 19%.
Атмосфера Земли имеет условные границы
Разные науки и службы по-своему классифицируют границы воздушной оболочки Земли.
- По предложению Международной авиационной федерации земная атмосфера и космос должны граничить на уровне слоя на расстоянии 100 км. Выше этой отметки самолёты летать не могут.
- В географии и других науках верхняя граница атмосферы принята условно на расстоянии в 1000-1200 км от поверхности Земли. Именно эта часть атмосферы Земли вращается вместе с планетой вокруг своей оси и вокруг Солнца, плавно переходя в космическое пространство на уровне экзосферы. Нижняя граница находится на поверхности планеты. Атмосфера связана с другими геосферами тепловлагообменном, её газы есть в почве, воде, в живых организмах.
- Для человека космос начинается уже на высоте в 19-20 км. Из-за низкого давления на этом уровне температура кипения воды сравнивается с температурой тела человека (36,6°С), что приводит к закипанию внутренней среды организма.
Cлои атмосферы Земли
Из-за различных характеристик, которыми обладают газы, слои атмосферы имеют свои особенности и определённую роль во взаимодействиях с Землёй.
Пять слоёв, которые составляют атмосферу Земли:
- Тропосфера
- Стратосфера
- Мезосфера
- Термосфера
- Экзосфера
Тропосфера
Это самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах 10-12 км, а над экватором 16-18 км.
Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.
В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы. В ней находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.
Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.
Стратосфера
Слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.
В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому облаков и осадков почти не образуется. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает аж 300 км/ч.
В этом слое сосредоточен озон. Тот самый озон, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.
Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.
Мезосфера
Собственно, она берёт своё начало на уровне 50 км. А верхняя граница её располагается на 80-90 км. По научным данным, температура в мезосфере снижается с повышением высоты. Однако здесь преобладает лучистый теплообмен. Кроме того, сложные фотохимические процессы порождают свечение атмосферы Земли.
Доля мезосферы относительно общей массы составляет не больше 0,3%.
Термосфера
Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана несоизмеримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.
С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!
Горячо! При температуре в 1538°C начинает плавиться железо. Но космические аппараты остаются целыми в термосфере. Как? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока — но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.
Экзосфера
Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.
Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.
А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.
Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь.
Облака
Вода на Земле существует не только в необъятном океане и многочисленных реках. Около 5,2 ×10^15 килограмм воды находится в атмосфере. Она присутствует практически везде — доля пара в воздухе колеблется от 0,1% до 2,5% объема в зависимости от температуры и местоположения. Однако больше всего воды собрано в облаках, где она хранится не только в виде газа, но и в маленьких капельках и ледяных кристаллах. Концентрация воды в тучах достигает 10г/м3. Объем некоторых облаков достигает несколько кубических километров, а масса воды в них соответственно исчисляется десятками и сотнями тонн.
Значение атмосферы Земли
Атмосфера является наиболее легкой геосферой Земли, тем не менее ее влияние на многие земные процессы очень велико.
Начнем с того, что именно благодаря атмосфере стало возможно зарождение и существование жизни на планете. Современные животные не могут обходиться без кислорода, а большинство растений, водорослей и цианобактерий — без углекислого газа. Кислород используется животными для дыхания, углекислый газ — растениями в процессе фотосинтеза, благодаря чему создаются необходимые растениям для жизнедеятельности сложные органические вещества, такие как, разнообразные соединения углерода, углеводы, аминокислоты, жирные кислоты.
Подъемом в высоту парциальное давление кислорода начинает снижаться. Значит это, что атомов кислорода в каждой единице объёма становится все меньше и меньше. Начиная с высоты 3 км над уровнем моря у большинства людей начинается кислородное голодание или гипоксия. У человека наблюдается одышка, усиленное сердцебиение, головокружение, шум в ушах, головная боль, тошнота, мышечная слабость, потливость, нарушение остроты зрения, сонливость. Резко снижается работоспособность. На высотах свыше 9 километров дыхание человека становится невозможным и потому находиться без специальных дыхательных аппаратов строго запрещено.
Важной для нормальной жизнедеятельности организмов на Земле является роль атмосферы как защитника нашей планеты от ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, космических лучей, метеоров. Подавляющую часть излучения задерживают верхние слои атмосферы — стратосфера и мезосфера. В результате этого проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Остальная, меньшая часть излучения, рассеивается. Здесь же, в верхних слоях атмосферы, сгорают и метеоры, которые мы можем наблюдать в виде маленьких «падающих звёзд».
Атмосфера служит регулятором сезонных колебаний температур и сглаживания суточных, предотвращая Землю от чрезмерного нагревания днём и охлаждения ночью. Атмосфера, благодаря наличию в её составе водяного пара, углекислого газа, метана и озона, легко пропускает солнечные лучи, нагревающие её нижние слои и подстилающую поверхность, но задерживает обратное тепловое излучение от земной поверхности в виде длинноволновой радиации. Эта особенность атмосферы называется парниковым эффектом. Без него суточные колебания температур нижних слоёв атмосферы достигали бы колоссальных величин: до 200° С и естественно сделали бы невозможным существование жизни в том виде, в котором мы её знаем.
Разные участки на Земле нагреваются неравномерно. Низкие широты нашей планеты, т.е. области с субтропическим и тропическим климатом, получают тепла от Солнца гораздо больше чем средние и высокие — области с умеренным и арктическим (антарктическим) типом климата. По-разному нагреваются материки и океаны. Если первые и нагреваются и охлаждаются гораздо быстрее, то вторые долго поглощают тепло, но в тоже время и также долго его отдают. Как известно теплый воздух является более легким чем холодный, а потому поднимается вверх. Его место у поверхности занимает холодный, более тяжелый воздух. Так образуется ветер и формируется погода. А ветер в свою очередь приводит к процессам физического и химического выветривания, последние из которых формируют экзогенные формы рельефа.
С подъёмом в высоту климатические различия между разными регионами земного шара начинают стираться. А начиная с высоты 100 км. атмосферный воздух лишается возможности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции. Единственным способом передачи тепла становится тепловое излучение, т.е. нагревание воздуха космическими и солнечными лучами.
И только при наличии атмосферы на планете возможен круговорот воды в природе, выпадение осадков и образование облаков.
Источник
Атмосфера Земли
Наша планета окружена различными газами, из которых и состоит атмосфера Земли. Неоднородная, динамичная и крайне уязвимая к влиянию живых организмов. Внутренняя поверхность касается гидросферы, а внешняя практически поравнялась с космическим пространством. На протяжении всего своего существования, ее состав постоянно изменялся под влиянием множества факторов. В то же время от нее зависит климат на планете и жизнь всего живого.
Как появилась атмосфера?
Атмосфера земли защищает всех нас от угроз необъятного космоса. Именно она не пропускает опасные излучения, падающие метеориты и нормализует температуру на планете. Ведь благодаря парниковому эффекту, возникающему из-за отражения лучей Солнца от облаков, Земля стала теплее примерно на 30 градусов. Да и само появление жизни было бы невозможно, без разнообразия состава атмосферы. Ведь, если посмотреть на другие планеты, то они и близко непохожи на Землю. Но почему существует атмосфера земли?
Примерная толщина атмосферы составляет более 120 километров, а масса воздуха в ней просто огромна – 5.3*1018 кг. Такой объем возник из-за разнообразия газов в ее составе. Почти вся таблица Менделеева. Но атмосфера земли стала такой, как она есть сейчас, не сразу. Раньше вся поверхность планеты была испещрена кратерами от метеоритов, которым не стоило особо труда пробиться сквозь тонкую пелену, окружающую Землю. Изначально, в составе атмосферы был лишь водород и гелий, а потом, благодаря наличию извергающихся вулканов, добавились аммиак, метан, углекислый газ, сера и азот. Теперь именно они составляют 78 процентов от общей массы атмосферы.
Проходили миллионы и миллионы лет и появился кислород, именно с его приходом все изменилось. Как это случилось? Мантия планеты была раскалена и буквально трещала по швам, выпуская наружу различные газы. А вулканы рождали водяные пары, на них воздействовал ультрафиолет, получая водород и кислород. Но, увы, он не мог надолго задержаться в атмосфере, виной тому были чрезвычайно высокие температуры и излучение солнца, заставляющие его распадаться на исходные части. Все изменилось с приходом первых живых организмов.
Живые организмы
Атмосфера Земли сформировалась именно благодаря совместным усилиям планеты и живых организмов. Если первая позаботилась о наличии всевозможных газов, то вторые стали активно выделить кислород, который уже просто не успевал распадаться. В результате этого, за несколько миллиардов лет, он стал занимать 21 процент от массы атмосферы.
Но на этом участие живых организмов не закончилось, и они стали использовать углерод для того чтобы строить собственные скелеты. Кора Земли буквально наполнилась пластами из органики и останков ископаемых. Вместе с этим, количество углекислого газа серьезно уменьшилось, а кислорода становилось все больше и больше, в результате появился озоновый слой земли, взявший на себя роль защитника всех живых организмов от смертельно опасного влияния ультрафиолетовых лучей. Жизнь на Земле стала разнообразней и стали появляется более развитые существа.
Влияние атмосферы на внешний облик Земли
Любой человек, хотя бы раз глядевший на синее небо над головой, задумывался о том, почему же именно синий цвет? Ответ, опять же, кроется в атмосфере. Кислород способен рассеивать волны коротких диапазонов и в результате давать синий цвет. Конечно, другие газы также могут делать это, но в гораздо меньшей степени. Такой же эффект можно наблюдать и из космоса, откуда Земля виднеется будто окутанная синей дымкой.
Также, литосферные плиты и вулканы, отвечающие на вопрос, почему существует атмосфера земли, являются главными источники благородного газа Аргона, который занимает лишь 1 процент от общей массы атмосферы по причине своей летучести. Он поднимается в верхние слои и после отправляется в космос. Практически то же самое происходит и с гелием.
Атмосфера менялась сотни раз и каждый являлся сильнейшим толчком для развития всего живого. Но некоторые изменения настолько устойчивы, что их существование продолжится практически при любых условиях. Например, защитники экологии очень часто говорят про то, что озоновый слой земли может погибнуть, если человечество не прекратит свою пагубную деятельность. Даже в случае чрезвычайного сокращения количества кислорода в атмосфере, например, в 100 раз, слой продолжит свое существование. Это означает, что человек оставил лишь малый след в истории планеты, но в определенных точках мира, подобная проблема может серьезно сказаться на уровне жизни людей. Например, из-за смога, нависшего над Пекином, люди вынуждены дышать загрязненным воздухом. А тем временем, озоновый слой защищает землю от ультрафиолета и продолжит это делать в любом случае.
Из чего состоит атмосфера?
Выше уже говорилось, что атмосфера является скоплением различных газов, образующих защитную оболочку. Однако, атмосфера земли слои имеет различные, каждый из которых обладает уникальным набором характеристик.
Тропосфера
Первый слой атмосферы, находящийся на промежутке от 0 до 20 километров. Высота зависит от времени года и типа широты. В этом слое содержится примерно 80 процентов всего воздуха и 90 процентов водяного пара. Турбулентность, конвекция, возникновение облаков и циклонов, все это происходит именно здесь. Температура меняется в зависимости от высоты. Как говорит школьный курс – чем выше, тем холоднее. А дальнейшее развитие показало, что каждый 100 метров температура понижается на 0,65 градусов Цельсия.
Какой из атмосферных слоев ближе к земле? Как уже говорилось выше, тропосфера. И именно эта близость повлияла на создание воздушного дна. Места, где происходит контакт с литосферов. Роль дна крайне высока для всего живого на Земле, именно тут поверхность создает ветры, возникают перепады давления, разделяющиеся неровностями и выпуклостями. Также, здесь происходит круговорот воды в природе, вся вода, испаряющаяся с площади океанов, возвращается обратно в них, а слой становится похож на самый обычный водяной фильтр, огромных размеров.
Тропопауза
В этом слое, понижение температуры с повышением высоты прекращается и на этом его роль заканчивается;
Стратосфера
На отрезке между 8 и 50 километрами вверх, находится стратосфера. В ней практически нет водяного пара, и из-за этого атмосферное давление земли серьезно отличается от здешних показателей. Здесь же происходит нагрев воздуха до 0-1 градуса по Цельсию. В нижних слоях стратосферы постоянно летают самолеты.
Нахождение на этой высоте гарантирует отсутствие зон турбулентности и делает движение более простым, благодаря разреженности воздуха.
Но в какой-то момент разреженность становится столь высока, что нахождение в этом слое атмосферы более невозможно из-за нехватки притока воздуха для двигателей. Поэтому стратосфера излюбленное место боевых самолетов и метеорологических зондов, которые собирают данные об изменениях тропосферы.
Что удивительно, на такой высоте все еще могут выживать живые организмы. Наиболее часто встречается аэропланктон, но были случаи, когда в турбины самолета попадали разновидности грифов, а некоторые утки могут летать над Эверестом.
Стратопауза
Очередной промежуточный слой, в котором окружающая температура застывает на отметке в 0 градусов по Цельсию.
Озоновый слой
Атмосферные слои земли содержат в себе и «защитника» всего живого, о котором уже говорилось выше. Находится он именно между страто- и мезосферой.
Мезосфера
Самая опасная и малоизученная часть атмосферы. А всему виной чрезвычайно малое давление и разреженность воздуха. Воздушные шары перестают двигаться, оставаясь висеть на месте, реактивные самолеты становятся бесполезными из-за отсутствия аэродинамики. Полеты остаются возможными лишь для ракет и раекетопланов. Даже спутники не могут надолго задерживаться в этом слое атмосферы, часто они просто сгорают здесь.
Именно поэтому, о мезосфере практически ничего не известно, кроме того, что в этом слое сгорает большинство падающих на землю метеоритов.
Мезопауза
Переходный слой атмосферы с температурой воздуха порядка -90 градусов.
Линия Кармана
Условная граница между космосом и атмосферой, находящаяся на высоте 100 км над уровнем моря.
Термосфера
Слой, начинающийся на отметке линии Кармана и заканчивающийся на 800 км. Отличается чрезвычайно высокими температурами, порядка 1600 градусов по Цельсию. Подобная температура не испепеляет космические шаттлы лишь по двум причинам: 1) чрезвычайно малая концентрация воздуха, создающая эффект вакуума; 2) радиаторы, которыми оснащены все летающие аппараты. Они помогают избавляться от избытка энергии.
Термопауза
Граница термосферы, в которой практически отсутствует поглощение солнечного излучения, и температура перестает меняться в зависимости от изменения высоты.
Экзосфера
На этом слои атмосферы заканчиваются, а происходит это на высоте 800 километров, где атмосфера состоит из атомов водорода, ионизированных под воздействием солнечного излучения. Как результат, чрезвычайная разреженность и низкое давление. Огромные размеры этого слоя перетекают в корону Земли, растянутую на 100 тысяч километров от планеты.
Свойства атмосферы земли и их влияние на человека
Какой из атмосферных слоев ближе к земле, мы уже разобрались, а вот с влиянием атмосферы на человека, все еще не до конца понятно. Если человек поднимется на высоту более 5 километров, то произойдет кислородное голодание, особенно заметно оно будет у человека, поднявшегося на такую высоту без предварительных тренировок. Как итог – работоспособность и общее самочувствие серьезно ухудшатся. А дыхание станет невозможным уже после 9 км, несмотря на то, что кислород содержится вплоть до 115 км.
Если же преодолеть границу высоты в 20 км, то вода и межтканевые жидкости в теле человека станут закипать, что практически мгновенно приведет к смерти. Определение «космос», где человек не может находиться без специальных приспособлений, начинается уже с 15 км.
Тропосфера и стратосфера носят защитные функции и предотвращают попадание радиации на Землю. Если бы их не было, то ультрафиолетовый спектр, находящийся на высоте 40 км, воздействовал бы на человека и на поверхности Земли, что неизбежно привело бы к смерти всех разумных существ.
Если подняться выше отметки в 60 км, то все привычные явления, например, распространение звука, аэродинамика, теплообмен и так далее, прекратятся, из-за того, что они могут происходить лишь в нижних слоях атмосферы.
А поднявшись выше 100 километров, становится невозможно передать тепло любым способом, кроме теплового излучения. Так как различные аппараты космических кораблей, самолетов и так далее, более не охлаждаются изнутри, что ведет к бесполезности воздушных радиаторов.
А что с облаками?
Главная составляющая нашей Земли и причина появления всего живого – атмосфера, но в то же время, ее появление было бы невозможно, без влияния водной поверхности планеты. Вода находится, как в морях, океанах и реках, так и в воздухе. Примерно 5.2 * 10^15 кг воды размещено в атмосфере. Это и водяной пар, и газ, и ледяные кристаллы. Наибольшая концентрация содержится в облаках. Из-за своего огромного размера, облака могут содержать сотни тонн воды.
Подобные образования видны из космоса даже невооруженным взглядом. А все из-за того, что более половины поверхности Земли покрыто облаками. Между прочим, они влияют на теплообмен планеты. В зимнее время происходит поглощение солнечных лучей и за счет парникового эффекта, температура планеты повышается. А летом, огромная энергия Солнца блокируется лишь благодаря наличию облаков.
Стоит сказать, что именно из-за того, что в пустынях они отсутствуют, все накопленное за день тепло, так быстро улетучивается с поверхности планеты. В других же регионах, именно облака способствуют нормализации температуры в ночное время суток.
Большинство видов облаков формируется в тропосфере, но далее происходит бурное развитие, породившее целую классификацию этих загадочных образований. Метеорологи предсказывают по ним погоду, а также определяют количество примесей того или иного газа в воздухе.
Проблема загрязнения атмосферы
Хоть человек и оказывает минимальное влияние на планету в целом, но нельзя не отметить, чрезвычайно увеличение количества углекислого газа в последнее время, которое происходит из-за активного сжигания запасов углеводородного топлива, копившегося веками в результате отмирания других живых организмов.
Углекислый газ поглощается океанами и участвует в процессе фотосинтеза, но все равно лишь за последний век, его количество увеличилось на 10 процентов и если темпы не будут снижены, то это может привести к серьезным изменениям мирового климата.
К тому же, происходит аэрозольное загрязнение, возникающие в результате извержения вулканов, пылевых бурь и уноса пыльцы растений, но есть и искусственные причины, созданные человеком. Сжигание топлива, использование цемента, добыча полезных ископаемых. Возможно, именно вынос твердых частиц в атмосферу Земли и окажет решающее влияние на изменение планетарного климата.
Источник