Найвищий прошарок атмосфери. Земна атмосфера

Роль атмосфери у житті Землі

Атмосфера є джерелом кисню, яким люди дихають. Однак при підйомі на висоту загальний атмосферний тиск знижується, що призводить до зниження парціального кисневого тиску.

Легкі людини містять приблизно три літри альвеолярного повітря. Якщо атмосферний тиск у нормі, то парціальний кисневий тиск в альвеолярному повітрі становитиме 11 мм рт. ст., тиск вуглекислих газів – 40 мм рт. ст., а водяної пари - 47 мм рт. ст. При збільшенні висоти кисневий тиск знижується, а тиск парів води та вуглекислоти в легень у сумі залишатиметься постійним - приблизно 87 мм рт. ст. Коли тиск повітря зрівняється з цією величиною, кисень припинить надходити у легені.

У зв'язку зі зниженням атмосферного тиску на висоті 20 км, тут кипітиме вода та міжтканинна рідина організму в людському тілі. Якщо не використовувати герметичну кабіну, на такій висоті людина загине майже миттєво. Тому з погляду фізіологічних особливостей людського організму «космос» бере початок з висоти 20 км над рівнем моря.

Роль атмосфери у житті Землі дуже велика. Так, наприклад, завдяки щільним повітряним шарам – тропосфері та стратосфері, люди захищені від радіаційного впливу. У космосі, у розрідженому повітрі, на висоті понад 36 км, діє іонізуюча радіація. На висоті понад 40 км – ультрафіолетова.

При підйомі над поверхнею Землі на висоту понад 90-100 км буде спостерігатися поступове ослаблення, а потім повне зникнення звичних для людини явищ, що спостерігаються в нижньому атмосферному шарі:

Не розповсюджується звук.

Відсутня аеродинамічна сила та опір.

Тепло не передається конвекцією тощо.

Атмосферний шар захищає Землю та всі живі організми від космічної радіації, від метеоритів, відповідає за регулювання сезонних температурних коливань, врівноважування та вирівнювання добових. За відсутності атмосфери Землі добова температура коливалася б у межах +/-200С˚. Атмосферний шар – це життєдайний «буфер» між земною поверхнею та космосом, носій вологи та тепла, в атмосфері відбуваються процеси фотосинтезу та обміну енергії – найважливіших біосферних процесів.

Шари атмосфери по порядку від поверхні Землі

Атмосфера - це шарувата структура, що є наступними шарами атмосфери по порядку від поверхні Землі:

Тропосфера.

Стратосфера.

Мезосфери.

Термосфера.

Екзосфера

Кожен шар не має між собою різких кордонів, а на їх висоту впливає широта та пори року. Така шарувата структура утворилася внаслідок температурних змін різних висотах. Саме завдяки атмосфері ми бачимо мерехтливі зірки.

Будова атмосфери Землі за шарами:

Із чого складається атмосфера Землі?

Кожен атмосферний шар відрізняється температурою, щільністю та складом. Загальна товщина атмосфери становить 15-2000 км. Із чого складається атмосфера Землі? В даний час – це суміш газів з різними домішками.

Тропосфера

Будова атмосфери Землі починається з тропосфери, що є нижню частину атмосфери висотою приблизно 10-15 км. Тут зосереджена переважна більшість атмосферного повітря. Характерна риса тропосфери - зниження температури на 0,6 ˚C у міру підняття вгору на кожні 100 метрів. Тропосфера зосередила у собі майже всі атмосферні водяні пари, і тут відбувається формування хмар.

Висота тропосфери щодня змінюється. Крім того, її середня величина змінюється в залежності від широти та сезону року. Середня висота тропосфери над полюсами – 9 км, над екватором – близько 17 км. Показники середньої річної температури повітря над екватором наближені до +26 °C, а над Північним полюсом -23 °C. Верхня лінія межі тропосфери над екватором становить середньорічну температуру близько -70 ˚C, а над північним полюсом у літній час -45 ˚C та в зимовий -65 ˚C. Таким чином, чим більша висота, тим нижча температура. Промені сонця безперешкодно проходять крізь тропосферу, нагріваючи поверхню Землі. Тепло, що випромінюється сонцем, утримуються завдяки вуглекислому газу, метану та водяним парам.

Стратосфера

Над шаром тропосфери розташована стратосфера, що становить 50-55 км заввишки. Особливість цього шару полягає у зростанні температури з висотою. Між тропосферою і стратосферою пролягає перехідний прошарок, що називається тропопаузою.

Приблизно з висоти 25 кілометрів температура стратосферного шару починає зростати і, досягши максимальної висоти 50 км, набуває значення від +10 до +30 ˚C.

Парів води у стратосфері дуже мало. Іноді на висоті близько 25 км можна виявити досить тонкі хмари, які називають перламутровими. Вдень вони не помітні, а в нічний світяться через освітлення сонцем, яке знаходиться під горизонтом. Склад перламутрових хмар є переохолодженими водяними крапельками. Стратосфера складається з озону.

Мезосфера

Висота шару мезосфери – приблизно 80 км. Тут, з підняттям догори, температура знижується і на верхній межі досягає значень в кілька десятків С нижче нуля. У мезосфері можна спостерігати хмари, які, ймовірно, утворюються з кристалів льоду. Ці хмари називаються сріблястими. Мезосфера характеризується холодною температурою в атмосфері: від -2 до -138 ˚C.

Термосфера

Свою назву цей атмосферний шар набув завдяки високим температурам. Термосфера складається з:

Іоносфери.

Екзосфери.

Іоносфера характеризується розрідженим повітрям, кожен сантиметр якого на висоті 300 км складається з 1 млрд. атомів і молекул, а на висоті 600 км. - більш ніж зі 100 млн.

Також іоносфері характерна висока іонізація повітря. Ці іони складаються із заряджених кисневих атомів, заряджених молекул атомів азоту та вільних електронів.

Екзосфера

З висоти 800-1000 км. починається екзосферний шар. Частинки газу, особливо легкі, рухаються тут із величезною швидкістю, долаючи силу тяжіння. Такі частки внаслідок свого швидкого руху вилітають з атмосфери в космічний простір і розсіюються. Тому екзосфера має назву сфери розсіювання. Вилітають у космос переважно водневі атоми, у тому числі складаються найвищі верстви екзосфери. Завдяки частинкам у верхніх шарах атмосфери та частинкам сонячного вітру ми можемо спостерігати північне сяйво.

Супутники та геофізичні ракети дозволили встановити наявність у верхніх шарах атмосфери радіаційного поясу планети, що складається з електричних заряджених частинок – електронів та протонів.

Атмосфера (від. др.-грец. ἀτμός - пара і σφαῖρα - куля) - газова оболонка (геосфера), що оточує планету Земля. Внутрішня поверхня її покриває гідросферу і частково земну кору, зовнішня межує з навколоземною частиною космічного простору.

Сукупність розділів фізики та хімії, що вивчають атмосферу, прийнято називати фізикою атмосфери. Атмосфера визначає погоду лежить на поверхні Землі, вивченням погоди займається метеорологія, а тривалими варіаціями клімату - кліматологія.

Фізичні властивості

Товщина атмосфери – приблизно 120 км від поверхні Землі. Сумарна маса повітря в атмосфері – (5,1-5,3) · 1018 кг. З них маса сухого повітря становить (5,1352 ±0,0003) 1018 кг, загальна маса водяної пари в середньому дорівнює 1,27 1016 кг.

Молярна маса чистого сухого повітря становить 28,966 г/моль, щільність повітря біля моря приблизно дорівнює 1,2 кг/м3. Тиск при 0 ° C на рівні моря становить 101325 кПа; критична температура - −140,7 °C (~132,4 К); критичний тиск – 3,7 МПа; Cp при 0 °C - 1,0048·103 Дж/(кг·К), Cv - 0,7159·103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Розчинність повітря у воді (за масою) при 0 °C – 0,0036 %, при 25 °C – 0,0023 %.

За «нормальні умови» біля Землі прийняті: щільність 1,2 кг/м3, барометричний тиск 101,35 кПа, температура плюс 20 °C і відносна вологість 50 %. Ці умовні показники мають суто інженерне значення.

Хімічний склад

Атмосфера Землі виникла результаті виділення газів при вулканічних виверженнях. З появою океанів та біосфери вона формувалася і за рахунок газообміну з водою, рослинами, тваринами та продуктами їх розкладання у ґрунтах та болотах.

В даний час атмосфера Землі складається в основному з газів та різних домішок (пил, краплі води, кристали льоду, морські солі, продукти горіння).

Концентрація газів, що становлять атмосферу, практично постійна, за винятком води (H2O) та вуглекислого газу (CO2).

Склад сухого повітря


Азот
Кисень
Аргон
Вода
Вуглекислий газ
Неон
Гелій
Метан
Криптон
Водень
Ксенон
Закис азоту

Крім зазначених у таблиці газів, в атмосфері містяться SO2, NH3, СО, озон, вуглеводні, HCl, HF, пари Hg, I2, а також NO та багато інших газів у незначних кількостях. У тропосфері постійно знаходиться велика кількість завислих твердих і рідких частинок (аерозоль).

Будова атмосфери

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. Відповідно до визначення ФАІ 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 – наприклад, у 2008-2009 рр. – 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)

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. Крім 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.

Інші властивості атмосфери та вплив на людський організм

Вже на висоті 5 км над рівнем моря у нетренованої людини з'являється кисневе голодування і без адаптації працездатність значно знижується. Тут кінчається фізіологічна зона атмосфери. Дихання людини стає неможливим на висоті 9 км, хоча приблизно до 115 км атмосфера містить кисень.

Атмосфера забезпечує нас необхідним для дихання киснем. Однак унаслідок падіння загального тиску атмосфери у міру підйому на висоту відповідно знижується і парціальний тиск кисню.

У легені людини постійно міститься близько 3 л альвеолярного повітря. Парціальний тиск кисню в альвеолярному повітрі за нормального атмосферного тиску становить 110 мм рт. ст., тиск вуглекислого газу – 40 мм рт. ст., а пара води - 47 мм рт. ст. Зі збільшенням висоти тиск кисню падає, а сумарний тиск парів води та вуглекислоти в легенях залишається майже постійним - близько 87 мм рт. ст. Надходження кисню в легені повністю припиниться, коли тиск навколишнього повітря дорівнюватиме цій величині.

На висоті близько 19-20 км. тиск атмосфери знижується до 47 мм рт. ст. Тому на цій висоті починається кипіння води та міжтканинної рідини в організмі людини. Поза герметичною кабіною цих висотах смерть настає майже миттєво. Таким чином, з погляду фізіології людини, "космос" починається вже на висоті 15-19 км.

Щільні шари повітря - тропосфера і стратосфера - захищають нас від дії радіації. При достатньому розрідженні повітря, на висотах понад 36 км, інтенсивну дію на організм має іонізуюча радіація - первинні космічні промені; на висотах понад 40 км. діє небезпечна для людини ультрафіолетова частина сонячного спектру.

У міру підйому на все більшу висоту над поверхнею Землі поступово послаблюються, а потім повністю зникають такі звичні для нас явища, що спостерігаються в нижніх шарах атмосфери, як поширення звуку, виникнення аеродинамічної підйомної сили і опору, передача тепла конвекцією та ін.

У розріджених шарах повітря поширення звуку виявляється неможливим. До висот 60-90 км ще можливе використання опору та підйомної сили повітря для керованого аеродинамічного польоту. Але починаючи з висот 100-130 км знайомі кожному льотчику поняття числа М і звукового бар'єру втрачають свій сенс: там проходить умовна лінія Кармана, за якою починається область суто балістичного польоту, керувати яким можна лише використовуючи реактивні сили.

На висотах вище 100 км атмосфера позбавлена й іншої чудової властивості - здатності поглинати, проводити та передавати теплову енергію шляхом конвекції (тобто за допомогою перемішування повітря). Це означає, що різні елементи обладнання, апаратури орбітальної космічної станції не зможуть охолоджуватися зовні так, як це робиться зазвичай літаком, - за допомогою повітряних струменів і повітряних радіаторів. На такій висоті, як і загалом у космосі, єдиним способом передачі тепла є теплове випромінювання.

Історія освіти атмосфери

Згідно з найпоширенішою теорією, атмосфера Землі в часі перебувала в трьох різних складах. Спочатку вона складалася з легких газів (водню та гелію), захоплених із міжпланетного простору. Це так звана первинна атмосфера (близько чотирьох мільярдів років тому). На наступному етапі активна вулканічна діяльність призвела до насичення атмосфери та іншими газами, крім водню (вуглекислим газом, аміаком, водяною парою). Так утворилася вторинна атмосфера (близько трьох мільярдів років до наших днів). Ця атмосфера була відновною. Далі процес утворення атмосфери визначався такими факторами:

витік легких газів (водню та гелію) у міжпланетний простір;
хімічні реакції, що відбуваються в атмосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання, грозових розрядів та деяких інших факторів.

Поступово ці фактори призвели до утворення третинної атмосфери, що характеризується набагато меншим вмістом водню і значно більшим - азоту та вуглекислого газу (утворені внаслідок хімічних реакцій з аміаку та вуглеводнів).

Азот

Утворення великої кількості азоту N2 обумовлено окисленням аміачно-водневої атмосфери молекулярним киснем О2, який став надходити з поверхні планети в результаті фотосинтезу, починаючи з 3 млрд. років тому. Також азот N2 виділяється в атмосферу в результаті денітрифікації нітратів та інших азотовмісних сполук. Азот окислюється озоном до NO у верхніх шарах атмосфери.

Азот N2 входить у реакції лише у специфічних умовах (наприклад, при розряді блискавки). Окислення молекулярного азоту озоном при електричних розрядах у малих кількостях використовується у промисловому виготовленні азотних добрив. Окислювати його з малими енерговитратами та переводити в біологічно активну форму можуть ціанобактерії (синьо-зелені водорості) та бульбочкові бактерії, що формують різобіальний симбіоз з бобовими рослинами, т.з. сидератами.

Кисень

Склад атмосфери почав радикально змінюватися з появою на Землі живих організмів, внаслідок фотосинтезу, що супроводжується виділенням кисню та поглинанням вуглекислого газу. Спочатку кисень витрачався на окислення відновлених сполук - аміаку, вуглеводнів, закисної форми заліза, що містилася в океанах та ін. Після закінчення цього етапу вміст кисню в атмосфері почало зростати. Поступово утворилася сучасна атмосфера, що має окислювальні властивості. Оскільки це викликало серйозні та різкі зміни багатьох процесів, що протікають в атмосфері, літосфері та біосфері, ця подія отримала назву Киснева катастрофа.

Протягом фанерозою склад атмосфери та вміст кисню зазнавали змін. Вони корелювали насамперед зі швидкістю відкладення органічних осадових порід. Так, у періоди вугленакопичення вміст кисню в атмосфері, мабуть, помітно перевищував сучасний рівень.

Вуглекислий газ

Зміст в атмосфері СО2 залежить від вулканічної діяльності та хімічних процесів у земних оболонках, але найбільше – від інтенсивності біосинтезу та розкладання органіки у біосфері Землі. Практично вся поточна біомаса планети (близько 2,4 1012 тонн) утворюється за рахунок вуглекислоти, азоту і водяної пари, що містяться в атмосферному повітрі. Похована в океані, болотах і лісах органіка перетворюється на вугілля, нафту і природний газ.

Шляхетні гази

Джерело інертних газів - аргону, гелію та криптону - вулканічні виверження та розпад радіоактивних елементів. Земля загалом та атмосфера зокрема збіднені інертними газами порівняно з космосом. Вважається, що причина цього полягає у безперервному витоку газів у міжпланетний простір.

Забруднення атмосфери

Останнім часом на еволюцію атмосфери стала впливати людина. Результатом його діяльності стало постійне зростання вмісту в атмосфері вуглекислого газу через спалювання вуглеводневого палива, накопиченого в попередніх геологічних епохах. Величезні кількості СО2 споживаються при фотосинтезі та поглинаються світовим океаном. Цей газ надходить в атмосферу завдяки розкладанню карбонатних гірських порід та органічних речовин рослинного та тваринного походження, а також внаслідок вулканізму та виробничої діяльності людини. За останні 100 років вміст СО2 в атмосфері зріс на 10%, причому основна частина (360 млрд. тонн) надійшла в результаті спалювання палива. Якщо темпи зростання спалювання палива збережуться, то протягом найближчих 200-300 років кількість СО2 в атмосфері подвоїться і може призвести до глобальних змін клімату.

Спалювання палива - основне джерело та забруднюючих газів (СО, NO, SO2). Діоксид сірки окислюється киснем повітря до SO3, а оксид азоту до NO2 у верхніх шарах атмосфери, які у свою чергу взаємодіють з парами води, а сірчана кислота Н2SO4 і азотна кислота НNO3, що утворюються при цьому, випадають на поверхню Землі у вигляді т.з. кислотних дощів. Використання двигунів внутрішнього згоряння призводить до значного забруднення атмосфери оксидами азоту, вуглеводнями та сполуками свинцю (тетраетилсвинець) Pb(CH3CH2)4.

Аерозольне забруднення атмосфери зумовлене як природними причинами (виверження вулканів, курні бурі, винесення крапель морської води та пилку рослин та ін.), так і господарською діяльністю людини (видобуток руд та будівельних матеріалів, спалювання палива, виготовлення цементу тощо). Інтенсивне широкомасштабне винесення твердих частинок в атмосферу - одна з можливих причин змін клімату планети.

(Visited 560 times, 1 visits today)

- Повітряна оболонка земної кулі, що обертається разом із Землею. Верхню межу атмосфери умовно проводять на висотах 150-200 км. Нижня межа – поверхня Землі.

Атмосферне повітря є сумішшю газів. Більшість його обсягу в приземному шарі повітря посідає азот (78%) і кисень (21%). Крім того, в повітрі містяться інертні гази (аргон, гелій, неон та ін), вуглекислий газ (0,03), водяна пара та різні тверді частинки (пил, сажа, кристали солей).

Повітря безбарвне, а колір неба пояснюється особливостями розсіювання світлових хвиль.

Атмосфера складається з кількох шарів: тропосфери, стратосфери, мезосфери та термосфери.

Нижній приземний шар повітря називається тропосферою.На різних широтах її потужність неоднакова. Тропосфера повторює форму планети та бере участь разом із Землею в осьовому обертанні. У екватора потужність атмосфери коливається від 10 до 20 км. У екватора вона більша, а у полюсів – менша. Тропосфера характеризується максимальною щільністю повітря, у ній зосереджено 4/5 маси всієї атмосфери. Тропосфера визначає погодні умови: тут формуються різні повітряні маси, утворюються хмари та опади, відбувається інтенсивний горизонтальний та вертикальний рух повітря.

Над тропосферою, до висоти 50 км, розташовується Стратосфера.Вона характеризується меншою щільністю повітря, у ній відсутня водяна пара. У нижній частині стратосфери на висотах близько 25 км. розташований «озоновий екран» – шар атмосфери з підвищеною концентрацією озону, який поглинає ультрафіолетове випромінювання, яке згубне для організмів.

На висоті 50 до 80-90 км. мезосфери.Зі збільшенням висоти температура знижується із середнім вертикальним градієнтом (0,25-0,3)°/100 м, а щільність повітря зменшується. Основним енергетичним процесом є променистий теплообмін. Світіння атмосфери обумовлено складними фотохімічними процесами за участю радикалів, коливально збуджених молекул.

Термосферазнаходиться на висоті 80-90 до 800 км. Щільність повітря тут мінімальна, рівень іонізації повітря дуже великий. Температура змінюється залежно від активності Сонця. У зв'язку з великою кількістю заряджених частинок тут спостерігаються полярні сяйва та магнітні бурі.

Атмосфера має значення для природи Землі.Без кисню неможливе дихання живих організмів. Її озоновий шар захищає все живе від згубних ультрафіолетових променів. Атмосфера згладжує коливання температур: поверхня Землі не переохолоджується вночі та не перегрівається вдень. У щільних шарах атмосферного повітря, не досягаючи поверхні планети, згоряють від терну метеорити.

Атмосфера взаємодіє зі всіма оболонками землі. З її допомогою здійснюється обмін теплом та вологою між океаном та сушею. Без атмосфери не було б хмар, опадів, вітрів.

Значний несприятливий впливом геть атмосферу надає господарська діяльність людини. Відбувається забруднення атмосферного повітря, що зумовлює збільшення концентрації оксиду вуглецю (CO 2 ). А це сприяє глобальному потеплінню клімату та посилює «парниковий ефект». Озоновий шар Землі руйнується через відходи виробництв та роботи транспорту.

Атмосфера потребує охорони. У розвинених країнах здійснюється комплекс заходів щодо захисту атмосферного повітря від забруднення.

Залишились питання? Бажаєте знати більше про атмосферу?
Щоб отримати допомогу репетитора – .

blog.сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.

Атмосфера є зовнішньою оболонкою небесних тіл. На різних планетах вона відрізняється за складом, хімічними та фізичними властивостями. Якими є основні властивості атмосфери Землі? Із чого вона складається? Як і коли виникло? Дізнаємося про це далі.

Освіта атмосфери

Атмосфера - це суміш газів, які огортають планету зовні та утримуються за рахунок її гравітаційних сил. На момент утворення наша планета ще не мала газової оболонки. Вона сформувалася трохи пізніше і встигла неодноразово змінитись. Невідомо, які основні властивості атмосфери були тоді.

Вчені припускають, що перша атмосфера була підхоплена з сонячної туманності і складалася з гелію і водню. Високі температури планети та вплив сонячного вітру швидко зруйнували цю оболонку.

Наступна атмосфера утворилася завдяки вулканам, які вивільнили гази з води. Вона була тонкою і складалася з парникових газів (метану, вуглекислого газу, аміаку), водяної пари та кислот.

Два мільярди років тому стан атмосфери почав трансформуватися в теперішній. Участь у цьому брали зовнішні процеси (вивітрювання, активність Сонця) на планеті та перші бактерії та водорості, за рахунок виділення ними кисню.

Склад та властивості атмосфери

Газова оболонка нашої планети немає чіткого краю. Її зовнішній контур розмитий і поступово перетворюється на космічний простір, зливаючись із нею однорідну масу. Внутрішній край оболонки стикається із земною корою та гідросферою Землі.

Те, якими є основні властивості атмосфери, багато в чому визначається її складом. Здебільшого він представлений газами. Основна частка посідає азот (75,5 %) і кисень (23,1 %). Крім них атмосферне повітря складається з аргону, вуглекислого газу, водню, метану, гелію, ксенону тощо.

Концентрація речовин мало змінюється. Непостійні значення характерні для води та визначається кількістю рослинності. Вода міститься у вигляді водяної пари. Її кількість варіюється в залежності від географічних широт і становить 2,5%. В атмосфері також є продукти горіння, морська сіль, домішки пилу, лід у вигляді дрібних кристалів.

Фізичні властивості атмосфери

Основні характеристики атмосфери - тиск, вологість, температура і щільність. У кожному із шарів атмосфери їх значення відрізняються. Повітря оболонки Землі – це безліч молекул різних речовин. Сили тяжіння утримують їх у межах планети, стягуючи ближче до її поверхні.

Внизу молекул найбільше, тому щільність і тиск там більша. З висотою вони зменшуються, а космічному просторі стають практично непомітними. У нижніх шарах атмосфери тиск зменшується на 1 мм рт. ст. за кожні 10 метрів.

На відміну від поверхні планети, атмосфера не нагрівається Сонцем. Тому що ближче до Землі, то температура більша. На кожні сто метрів вона знижується приблизно на 0,6 градуси. У верхній частині тропосфери вона сягає -56 градусів.

На параметри повітря сильно впливає вміст води, тобто вологість. Загальна маса повітря планети становить (5,1-5,3) 10 18 кг, де частка водяної пари - 1,27 10 16 кг. Так як властивості атмосфери на різних ділянках відрізняються, виведені стандартні значення, які прийняті за нормальні умови на поверхні Землі:

Будова газової оболонки Землі

Характер газової оболонки змінюється із висотою. Залежно від цього, які основні властивості атмосфери, її поділяють кілька шарів:

тропосфера;
стратосфера;
мезосфера;
термосфера;
екзосфера.

Головним параметром розмежування є температура. Між шарами виділяють прикордонні області, названі паузами, де фіксується постійний показник температури.

Тропосфера – найнижчий шар. Його межа проходить на висоті від 8 до 18 км, залежно від широти. Найвище вона на лінії екватора. Приблизно 80% маси повітря атмосфери посідає саме тропосферу.

Зовнішній прошарок атмосфери представлений екзосферою. Її нижня межа та товщина залежать від активності Сонця. На Землі екзосфера починається на висоті від 500 до 1000 кілометрів і сягає ста тисяч кілометрів. Внизу вона насичена киснем та азотом, угорі - воднем та іншими легкими газами.

Роль атмосфери

Атмосфера – це повітря, яким ми дихаємо. Без нього людина не проживе й п'яти хвилин. Він насичує всі клітини рослин та тварин, сприяючи обміну енергіями між організмом та зовнішнім середовищем.

Атмосфера є фільтром планети. Проходячи через неї, сонячна радіація розсіюється. Це зменшує її інтенсивність та шкоду, яку вона може завдати в концентрованому вигляді. Оболонка грає роль щита Землі, у верхніх шарах якого згоряють багато метеорити та комети, не долітаючи до поверхні планети.

Температура, щільність, вологість та тиск атмосфери формують клімат та погодні умови. Атмосфера бере участь у розподілі тепла планети. Без неї температура коливалася б у межах двохсот градусів.

Оболонка Землі бере участь у кругообігу речовин, є середовищем проживання частини живих істот, сприяє передачі звуків. Її відсутність унеможливило б існування життя на планеті.

10,045×10 3 Дж/(кг*К)(в інтервалі температур від 0-100°С), C v 8,3710*10 3 Дж/(кг*К) (0-1500°С). Розчинність повітря у воді при 0 ° С 0,036%, при 25 ° С - 0,22%.

Склад атмосфери

Історія освіти атмосфери

Рання історія

Нині наука неспроможна зі стовідсотковою точністю простежити всі етапи освіти Землі. Згідно з найпоширенішою теорією, атмосфера Землі в часі перебувала в чотирьох різних складах. Спочатку вона складалася з легких газів (водню та гелію), захоплених із міжпланетного простору. Це так звана первинна атмосфера. На наступному етапі активна вулканічна діяльність призвела до насичення атмосфери та іншими газами, крім водню (вуглеводнями, аміаком, водяною парою). Так утворилася вторинна атмосфера. Ця атмосфера була відновною. Далі процес утворення атмосфери визначався такими факторами:

постійний витік водню в міжпланетний простір;
хімічні реакції, що відбуваються в атмосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання, грозових розрядів та деяких інших факторів.

Поступово ці фактори сприяли освіті третинної атмосфери, Що характеризується набагато меншим вмістом водню і набагато більшим - азоту та вуглекислого газу (утворені в результаті хімічних реакцій з аміаку та вуглеводнів).

Поява життя та кисню

З появою на Землі живих організмів внаслідок фотосинтезу, що супроводжується виділенням кисню та поглинанням вуглекислого газу, склад атмосфери почав змінюватися. Існують, проте, дані (аналіз ізотопного складу кисню атмосфери і який виділяється при фотосинтезі), що свідчать на користь геологічного походження атмосферного кисню.

Спочатку кисень витрачався на окислення відновлених сполук - вуглеводнів, закисної форми заліза, що містилася в океанах та ін. Після закінчення цього етапу вміст кисню в атмосфері почало зростати.

У 1990-х роках були проведені експерименти зі створення замкнутої екологічної системи («Біосфера 2»), в ході яких не вдалося створити стабільну систему, що має єдиний склад повітря. Вплив мікроорганізмів призвело до зниження рівня кисню та збільшення кількості вуглекислого газу.

Азот

Утворення великої кількості N 2 обумовлено окисленням первинної аміачно-водневої атмосфери молекулярним О 2 , який став надходити з поверхні планети в результаті фотосинтезу, як передбачається, близько 3 млрд років тому (за іншою версією, кисень атмосфери має геологічне походження). Азот окислюється до NO у верхніх шарах атмосфери, використовується в промисловості та зв'язується азотфіксуючими бактеріями, у той же час N 2 виділяється в атмосферу в результаті денітрифікації нітратів та ін азотних сполук.

Азот N 2 інертний газ і вступає в реакції лише у специфічних умовах (наприклад, при розряді блискавки). Окислювати його і переводити в біологічну форму можуть ціанобактерії, деякі бактерії (наприклад, бульбочкові, що формують ризобіальний симбіоз з бобовими рослинами).

Окислення молекулярного азоту електричними розрядами використовується при промисловому виготовленні азотних добрив, він призвів до утворення унікальних родовищ селітри в чилійській пустелі Атакама.

Шляхетні гази

Спалювання палива - основне джерело забруднюючих газів (CO, NO, SO 2). Діоксид сірки окислюється О 2 повітря до SO 3 у вищих шарах атмосфери, який взаємодіє з парами Н 2 Про і NH 3 а утворюються при цьому Н 2 SO 4 і (NН 4) 2 SO 4 повертаються на поверхню Землі разом з атмосферними опадами. Використання двигунів внутрішнього згоряння призводить до значного забруднення атмосфери оксидами азоту, вуглеводнями та сполуками Рb.

Аерозольне забруднення атмосфери зумовлене як природними причинами (виверження вулканів, пилові бурі, винесення капел морської води та частинок пилку рослин та ін.), так і господарською діяльністю людини (видобуток руд та будівельних матеріалів, спалювання палива, виготовлення цементу тощо) . Інтенсивне широкомасштабне винесення твердих частинок в атмосферу - одна з можливих причин змін клімату планети.

Будова атмосфери та характеристика окремих оболонок

Фізичний стан атмосфери визначається погодою та кліматом. Основні параметри атмосфери: щільність повітря, тиск, температура та склад. Зі збільшенням висоти щільність повітря та атмосферний тиск зменшуються. Температура також змінюється в залежності від зміни висоти. Вертикальна будова атмосфери характеризується різними температурними та електричними властивостями, різним станом повітря. Залежно від температури у атмосфері розрізняють такі основні верстви: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, екзосферу (сферу розсіювання). Перехідні області атмосфери між сусідніми оболонками називають відповідно тропопауза, стратопауза тощо.

Тропосфера

Стратосфера

У стратосфері затримується більшість короткохвильової частини ультрафіолетового випромінювання (180-200 нм) і відбувається трансформація енергії коротких хвиль. Під впливом цих променів змінюються магнітні поля, розпадаються молекули, відбувається іонізація, новоутворення газів та інших хімічних сполук. Ці процеси можна спостерігати у вигляді північних сяйв, блискавиць, та інших. світінь.

У стратосфері і вищих шарах під впливу сонячної радіації молекули газів дисоціюють - на атоми (понад 80 км дисоціюють СО 2 і Н 2 вище 150 км - Про 2 вище 300 км - Н 2). На висоті 100-400 км в іоносфері відбувається також іонізація газів, на висоті 320 км концентрація заряджених частинок (О + 2, О - 2, N + 2) становить ~ 1/300 від концентрації нейтральних частинок. У верхніх шарах атмосфери присутні вільні радикали - ВІН, АЛЕ 2 та ін.

У стратосфері майже немає водяної пари.

Мезосфера

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°С у стратосфері до -110°С у мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км. відповідає температурі ~1500°С. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.

На висоті близько 2000-3000 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. Крім цих надзвичайно розріджених 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 гомосферуі гетеросферу. Гетеросфера- це область, де гравітація впливає поділ газів, оскільки їх перемішування такий висоті незначно. Звідси випливає змінний склад гетеросфери. Нижче лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери звана гомосферою. Кордон між цими шарами називається турбопаузою, вона лежить на висоті близько 120 км.

Властивості атмосфери

Вже на висоті 5 км над рівнем моря у нетренованої людини з'являється кисневе голодування і без адаптації працездатність значно знижується. Тут кінчається фізіологічна зона атмосфери. Подих людини стає неможливим на висоті 15 км, хоча приблизно до 115 км атмосфера містить кисень.

У легені людини постійно міститься близько 3 л альвеолярного повітря. Парціальний тиск кисню в альвеолярному повітрі за нормального атмосферного тиску становить 110 мм рт. ст., тиск вуглекислого газу – 40 мм рт. ст., а водяна пара -47 мм рт. ст. Зі збільшенням висоти тиск кисню падає, а сумарний тиск парів води та вуглекислоти в легенях залишається майже постійним - близько 87 мм рт. ст. Надходження кисню в легені повністю припиниться, коли тиск навколишнього повітря дорівнюватиме цій величині.

На висоті близько 19-20 км. тиск атмосфери знижується до 47 мм рт. ст. Тому на цій висоті починається кипіння води та міжтканинної рідини в організмі людини. Поза герметичною кабіною цих висотах смерть настає майже миттєво. Таким чином, з погляду фізіології людини "космос" починається вже на висоті 15-19 км.