Svijet oko nas se sastoji od tri vrlo različita dijela: zemlje, vode i zraka. Svaki od njih je jedinstven i zanimljiv na svoj način. Sada ćemo govoriti samo o posljednjoj od njih. Šta je atmosfera? Kako je do toga došlo? Od čega se sastoji i na koje dijelove je podijeljen? Sva ova pitanja su izuzetno zanimljiva.
Sam naziv "atmosfera" formiran je od dvije riječi grčkog porijekla, u prevodu na ruski znače „para“ i „lopta“. A ako pogledate tačnu definiciju, možete pročitati sljedeće: “Atmosfera je zračna ljuska planete Zemlje koja juri zajedno s njom u svemir.” Razvijala se paralelno sa geološkim i geohemijskim procesima koji su se odvijali na planeti. A danas svi procesi koji se odvijaju u živim organizmima zavise od toga. Bez atmosfere, planeta bi postala beživotna pustinja, poput Mjeseca.
Od čega se sastoji?
Pitanje kakva je atmosfera i koji su elementi u njoj već dugo zanima. Glavne komponente ove školjke bile su poznate već 1774. godine. Instalirao ih je Antoine Lavoisier. Otkrio je da je sastav atmosfere uglavnom nastala od azota i kiseonika. Vremenom su se njegove komponente usavršavale. A sada je poznato da sadrži mnoge druge plinove, kao i vodu i prašinu.
Pogledajmo pobliže šta čini Zemljinu atmosferu blizu njene površine. Najčešći gas je azot. Sadrži nešto više od 78 posto. Ali, unatoč tako velikoj količini, dušik je praktično neaktivan u zraku.
Sledeći element po količini i veoma važan po važnosti je kiseonik. Ovaj gas sadrži skoro 21% i pokazuje veoma visoku aktivnost. Njegova specifična funkcija je oksidacija mrtve organske tvari, koja se kao rezultat ove reakcije raspada.
Niski, ali važni gasovi
Treći gas koji je deo atmosfere je argon. To je nešto manje od jedan posto. Nakon njega dolaze ugljen dioksid sa neonom, helijum sa metanom, kripton sa vodonikom, ksenon, ozon, pa čak i amonijak. Ali toliko ih je malo da je postotak takvih komponenti jednak stotim, hiljaditim i milionitim dijelovima. Od njih igra samo ugljični dioksid značajnu ulogu, budući da je to građevinski materijal koji je biljkama potreban za fotosintezu. Njegovo drugo važna funkcija je blokiranje zračenja i apsorbiranje dijela sunčeve topline.
Još jedan mali, ali važan plin, ozon, postoji da uhvati ultraljubičasto zračenje koje dolazi sa Sunca. Zahvaljujući ovom svojstvu, sav život na planeti je pouzdano zaštićen. S druge strane, ozon utiče na temperaturu stratosfere. Zbog činjenice da apsorbira ovo zračenje, zrak se zagrijava.
Konstantnost kvantitativnog sastava atmosfere održava se neprestanim miješanjem. Njegovi se slojevi kreću i horizontalno i okomito. Dakle, bilo gdje na kugli zemaljskoj ima dovoljno kisika i nema viška ugljen-dioksid.
Šta je još u zraku?
Treba napomenuti da se para i prašina mogu naći u vazdušnom prostoru. Potonji se sastoji od polena i čestica tla, a u gradu im se pridružuju i nečistoće čvrstih emisija iz izduvnih gasova.
Ali u atmosferi ima mnogo vode. Pod određenim uslovima dolazi do kondenzacije i pojave oblaka i magle. U suštini, to je ista stvar, samo se prvi pojavljuju visoko iznad površine Zemlje, a zadnji se šire duž nje. Oblaci poprimaju različite oblike. Ovaj proces zavisi od visine iznad Zemlje.
Ako su formirane 2 km iznad kopna, onda se nazivaju slojevitim. Iz njih kiša lije po zemlji ili pada snijeg. Iznad njih nastaju kumulusni oblaci do visine od 8 km. Uvek su najlepši i najslikovitiji. Oni su ti koji ih gledaju i pitaju se kako izgledaju. Ako se takve formacije pojave u sljedećih 10 km, bit će vrlo lagane i prozračne. Ime im je pernato.
Na koje je slojeve atmosfera podijeljena?
Iako imaju vrlo različite temperature jedna od druge, vrlo je teško reći na kojoj visini počinje jedan sloj, a drugi završava. Ova podjela je vrlo uslovna i približna. Međutim, slojevi atmosfere i dalje postoje i obavljaju svoje funkcije.
Najviše Donji dio Vazdušni omotač se naziva troposfera. Njegova debljina se povećava kako se kreće od polova prema ekvatoru od 8 do 18 km. Ovo je najtopliji dio atmosfere jer se zrak u njemu zagrijava od strane zemljine površine. Najveći dio vodene pare koncentrisan je u troposferi, zbog čega nastaju oblaci, padavine padaju, grmljavine tutnjaju i pušu vjetrovi.
Sljedeći sloj je debeo oko 40 km i naziva se stratosfera. Ako se posmatrač pomeri u ovaj deo vazduha, otkriće da je nebo postalo ljubičasto. To se objašnjava malom gustoćom tvari, koja praktički ne raspršuje sunčeve zrake. Upravo u ovom sloju lete mlazni avioni. Svi otvoreni prostori su im otvoreni, jer oblaka praktično nema. Unutar stratosfere nalazi se sloj koji se sastoji od velika količina ozona.
Nakon nje dolaze stratopauza i mezosfera. Potonji je debeo oko 30 km. Karakterizira ga naglo smanjenje gustine i temperature zraka. Nebo se posmatraču čini crno. Ovdje možete čak i gledati zvijezde tokom dana.
Slojevi u kojima praktično nema zraka
Struktura atmosfere nastavlja se slojem koji se naziva termosfera - najdužim od svih ostalih, njegova debljina doseže 400 km. Ovaj sloj se odlikuje ogromnom temperaturom koja može dostići 1700 °C.
Posljednje dvije sfere se često kombinuju u jednu i nazivaju jonosfera. To je zbog činjenice da se u njima javljaju reakcije s oslobađanjem iona. Upravo ovi slojevi omogućavaju promatranje takvog prirodnog fenomena kao što je sjeverno svjetlo.
Sljedećih 50 km od Zemlje dodijeljeno je egzosferi. Ovo je vanjski omotač atmosfere. Raspršuje čestice zraka u svemir. Vremenski sateliti se obično kreću u ovom sloju.
Zemljina atmosfera završava magnetosferom. Ona je bila ta koja je sklonila većinu umjetni sateliti planete.
Nakon svega rečenog, ne bi trebalo ostati pitanja kakva je atmosfera. Ako sumnjate u njegovu neophodnost, one se lako mogu otkloniti.
Značenje atmosfere
Glavna funkcija atmosfere je zaštita površine planete od pregrijavanja tokom dana i pretjeranog hlađenja noću. Sljedeća važna svrha ove školjke, koju niko neće osporiti, je opskrba kisikom svim živim bićima. Bez toga bi se ugušili.
Većina meteorita izgori gornjih slojeva, nikada ne dospiju na površinu Zemlje. I ljudi se mogu diviti letećim svjetlima, pomiješajući ih sa zvijezdama padalicama. Bez atmosfere, cijela Zemlja bi bila posuta kraterima. A o zaštiti od sunčevog zračenja već je bilo riječi gore.
Kako osoba utiče na atmosferu?
Vrlo negativno. To je zbog sve veće aktivnosti ljudi. Glavni udio svih negativnih poena računa za industriju i transport. Inače, automobili emituju skoro 60% svih zagađivača koji prodiru u atmosferu. Preostalih četrdeset je podijeljeno između energetike i industrije, kao i industrije odlaganja otpada.
Lista štetnih materija koje svakodnevno dopunjuju vazduh je veoma duga. Zbog transporta u atmosferi se nalaze: azot i sumpor, ugljenik, plava i čađ, kao i jak kancerogen, izaziva rak koža - benzopiren.
Industrija je odgovorna za to hemijski elementi: sumpor dioksid, ugljovodonik i vodonik sulfid, amonijak i fenol, hlor i fluor. Ako se proces nastavi, onda uskoro odgovori na pitanja: „Kakva je atmosfera? Od čega se sastoji? biće potpuno drugačiji.
Njegova gornja granica je na nadmorskoj visini od 8-10 km u polarnim, 10-12 km u umjerenim i 16-18 km u tropskim geografskim širinama; niže zimi nego ljeti. Donji, glavni sloj atmosfere. Sadrži više od 80% ukupne mase atmosferskog zraka i oko 90% sve vodene pare prisutne u atmosferi. Turbulencija i konvekcija su jako razvijene u troposferi, pojavljuju se oblaci, a razvijaju se cikloni i anticikloni. Temperatura opada sa povećanjem nadmorske visine sa prosječnim vertikalnim gradijentom od 0,65°/100 m
Kao „normalni uslovi“ na površini Zemlje prihvaćeni su: gustina 1,2 kg/m3, barometarski pritisak 101,35 kPa, temperatura plus 20 °C i relativna vlažnost 50%. Ovi uslovni indikatori imaju čisto inženjerski značaj.
Stratosfera
Sloj atmosfere koji se nalazi na nadmorskoj visini od 11 do 50 km. Karakterizira ga blaga promjena temperature u sloju od 11-25 km (donji sloj stratosfere) i povećanje temperature u sloju od 25-40 km od -56,5 do 0,8 ° (gornji sloj stratosfere ili inverziona regija). Postigavši vrijednost od oko 273 K (skoro 0 °C) na nadmorskoj visini od oko 40 km, temperatura ostaje konstantna do visine od oko 55 km. Ovo područje konstantna temperatura naziva se stratopauza i predstavlja granicu između stratosfere i mezosfere.
Stratopauza
Granični sloj atmosfere između stratosfere i mezosfere. U vertikalnoj raspodjeli temperature postoji maksimum (oko 0 °C).
Mezosfera
Mesopauza
Prijelazni sloj između mezosfere i termosfere. Postoji minimum u vertikalnoj distribuciji temperature (oko -90°C).
Karmanova linija
Visina iznad nivoa mora, koja je konvencionalno prihvaćena kao granica između Zemljine atmosfere i svemira.
Termosfera
Gornja granica je oko 800 km. Temperatura se penje na nadmorske visine od 200-300 km, gdje dostiže vrijednosti od reda od 1500 K, nakon čega ostaje gotovo konstantna do velikih visina. Pod uticajem ultraljubičastog i rendgenskog sunčevog zračenja i kosmičkog zračenja dolazi do jonizacije vazduha (“aurore”) - glavni delovi jonosfere leže unutar termosfere. Na visinama iznad 300 km prevladava atomski kiseonik.
Egzosfera (sfera raspršivanja)
Do visine od 100 km atmosfera je homogena, dobro izmiješana mješavina plinova. U višim slojevima distribucija plinova po visini ovisi o njihovoj molekularnoj težini; koncentracija težih plinova opada brže s udaljenosti od Zemljine površine. Zbog smanjenja gustine gasa, temperatura pada sa 0 °C u stratosferi na -110 °C u mezosferi. Međutim, kinetička energija pojedinih čestica na visinama od 200-250 km odgovara temperaturi od ~1500°C. Iznad 200 km, primjećuju se značajne fluktuacije temperature i gustine gasa u vremenu i prostoru.
Na visini od oko 2000-3000 km egzosfera se postepeno pretvara u tzv. blizu svemirskog vakuuma, koji je ispunjen vrlo razrijeđenim česticama međuplanetarnog plina, uglavnom atomima vodonika. Ali ovaj plin predstavlja samo dio međuplanetarne materije. Drugi dio čine čestice prašine kometnog i meteorskog porijekla. Pored izuzetno razrijeđenih čestica prašine, u ovaj prostor prodire elektromagnetno i korpuskularno zračenje solarnog i galaktičkog porijekla.
Troposfera čini oko 80% mase atmosfere, stratosfera - oko 20%; masa mezosfere nije veća od 0,3%, termosfera je manja od 0,05% ukupne mase atmosfere. Na osnovu električnih svojstava u atmosferi razlikuju se neutronosfera i jonosfera. Trenutno se vjeruje da se atmosfera prostire na nadmorskoj visini od 2000-3000 km.
U zavisnosti od sastava gasa u atmosferi, oni emituju homosfera I heterosfera. Heterosfera- Ovo je oblast u kojoj gravitacija utiče na odvajanje gasova, jer je njihovo mešanje na takvoj visini zanemarljivo. To implicira promjenjiv sastav heterosfere. Ispod njega leži dobro izmiješan, homogen dio atmosfere, nazvan homosfera. Granica između ovih slojeva naziva se turbopauza, nalazi se na nadmorskoj visini od oko 120 km.
Fizička svojstva
Debljina atmosfere je otprilike 2000 - 3000 km od površine Zemlje. Ukupna vazdušna masa je (5,1-5,3)?10 18 kg. Molarna masa čistog suvog vazduha je 28.966. Pritisak na 0 °C na nivou mora 101,325 kPa; kritična temperatura ?140,7 °C; kritični pritisak 3,7 MPa; C p 1,0048?10? J/(kg K)(na 0 °C), C v 0,7159 10? J/(kg K) (na 0 °C). Rastvorljivost vazduha u vodi na 0°C je 0,036%, na 25°C - 0,22%.
Fiziološka i druga svojstva atmosfere
Već na nadmorskoj visini od 5 km, neobučena osoba počinje iskusiti gladovanje kisikom i bez adaptacije, performanse osobe su značajno smanjene. Ovdje se završava fiziološka zona atmosfere. Ljudsko disanje postaje nemoguće na visini od 15 km, iako do otprilike 115 km atmosfera sadrži kisik.
Atmosfera nas opskrbljuje kisikom neophodnim za disanje. Međutim, zbog pada ukupnog pritiska atmosfere, kako se dižete na visinu, parcijalni pritisak kiseonika se shodno tome smanjuje.
Ljudska pluća stalno sadrže oko 3 litre alveolarnog zraka. Parcijalni pritisak kiseonika u alveolarnom vazduhu pri normalnom atmosferskom pritisku je 110 mmHg. Art., pritisak ugljičnog dioksida - 40 mm Hg. art., i vodena para - 47 mm Hg. Art. S povećanjem nadmorske visine, tlak kisika opada, a ukupni tlak pare vode i ugljičnog dioksida u plućima ostaje gotovo konstantan - oko 87 mm Hg. Art. Opskrba plućima kisikom će se potpuno zaustaviti kada pritisak okolnog zraka postane jednak ovoj vrijednosti.
Na visini od oko 19-20 km, atmosferski pritisak pada na 47 mm Hg. Art. Stoga, na ovoj nadmorskoj visini, voda i intersticijska tečnost počinju da ključaju u ljudskom tijelu. Izvan kabine pod pritiskom na ovim visinama, smrt se događa gotovo trenutno. Dakle, sa stanovišta ljudske fiziologije, "svemir" počinje već na visini od 15-19 km.
Gusti slojevi zraka - troposfera i stratosfera - štite nas od štetnog djelovanja radijacije. Uz dovoljno razrjeđivanje zraka, na visinama većim od 36 km, jonizujuće zračenje - primarni kosmički zraci - imaju intenzivan učinak na organizam; Na visinama većim od 40 km, ultraljubičasti dio sunčevog spektra je opasan za ljude.
Kako se dižemo na sve veću visinu iznad Zemljine površine, tako poznate pojave uočene u nižim slojevima atmosfere kao što su širenje zvuka, pojava aerodinamičkog uzgona i otpora, prijenos topline konvekcijom, itd., postepeno slabe, a zatim potpuno nestaju .
U razrijeđenim slojevima zraka širenje zvuka je nemoguće. Do visina od 60-90 km još uvijek je moguće koristiti otpor zraka i podizanje za kontrolirani aerodinamički let. Ali počevši od visina od 100-130 km, koncepti M broja i zvučne barijere, poznati svakom pilotu, gube smisao; prolazi konvencionalna Karmanova linija, iza koje počinje sfera čisto balističkog leta, koja može samo kontrolirati pomoću reaktivnih sila.
Na visinama iznad 100 km, atmosfera je lišena još jednog izuzetnog svojstva - sposobnosti da apsorbuje, provodi i prenosi toplotnu energiju konvekcijom (tj. miješanjem zraka). To znači da su različiti elementi opreme, orbitalne opreme svemirska stanica neće moći hladiti vani na isti način kao što se obično radi u avionu - uz pomoć vazdušni mlaznici i vazdušni radijatori. Na takvoj visini, kao općenito u svemiru, jedini način prenos toplote je toplotno zračenje.
Sastav atmosfere
Zemljina atmosfera se sastoji uglavnom od gasova i raznih nečistoća (prašina, kapljice vode, kristali leda, morske soli, produkti sagorevanja).
Koncentracija plinova koji čine atmosferu gotovo je konstantna, s izuzetkom vode (H 2 O) i ugljičnog dioksida (CO 2).
| Gas | Sadržaj po zapremini,% |
Sadržaj po masi,% |
|---|---|---|
| Nitrogen | 78,084 | 75,50 |
| Kiseonik | 20,946 | 23,10 |
| Argon | 0,932 | 1,286 |
| Voda | 0,5-4 | - |
| Ugljen-dioksid | 0,032 | 0,046 |
| Neon | 1.818×10 −3 | 1,3×10 −3 |
| Helijum | 4,6×10 −4 | 7,2×10 −5 |
| Metan | 1,7×10 −4 | - |
| Krypton | 1,14×10 −4 | 2,9×10 −4 |
| Vodonik | 5×10 −5 | 7,6×10 −5 |
| Xenon | 8,7×10 −6 | - |
| Dušikov oksid | 5×10 −5 | 7,7×10 −5 |
Pored gasova navedenih u tabeli, atmosfera sadrži SO 2, NH 3, CO, ozon, ugljovodonike, HCl, pare, I 2, kao i mnoge druge gasove u malim količinama. Troposfera stalno sadrži veliku količinu suspendovanih čvrstih i tečnih čestica (aerosol).
Istorija nastanka atmosfere
Prema najčešćoj teoriji, Zemljina atmosfera je tokom vremena imala četiri različita sastava. U početku se sastojao od lakih gasova (vodonik i helijum) uhvaćenih iz međuplanetarnog prostora. Ovo je tzv primarna atmosfera(prije oko četiri milijarde godina). U sljedećoj fazi, aktivna vulkanska aktivnost dovela je do zasićenja atmosfere drugim plinovima osim vodonika (ugljični dioksid, amonijak, vodena para). Ovako je nastala sekundarna atmosfera(oko tri milijarde godina prije današnjeg dana). Ova atmosfera je bila obnavljajuća. Nadalje, proces formiranja atmosfere određen je sljedećim faktorima:
- curenje lakih gasova (vodonik i helijum) u međuplanetarni prostor;
- hemijske reakcije koje se dešavaju u atmosferi pod uticajem ultraljubičastog zračenja, pražnjenja groma i nekih drugih faktora.
Postepeno su ovi faktori doveli do formiranja tercijarne atmosfere, koju karakterizira mnogo niži sadržaj vodika i mnogo veći sadržaj dušika i ugljičnog dioksida (nastalih kao rezultat hemijske reakcije od amonijaka i ugljovodonika).
Nitrogen
Formiranje velike količine N 2 nastaje zbog oksidacije atmosfere amonijak-vodik molekularnim O 2, koji je počeo dolaziti s površine planete kao rezultat fotosinteze, počevši prije 3 milijarde godina. N2 se također oslobađa u atmosferu kao rezultat denitrifikacije nitrata i drugih spojeva koji sadrže dušik. Dušik se oksidira ozonom u NO u gornjoj atmosferi.
Azot N 2 reaguje samo pod određenim uslovima (na primer, tokom pražnjenja groma). Oksidacija molekularnog azota ozonom tokom električnih pražnjenja se koristi u industrijska proizvodnja azotna đubriva. Oksidirajte ga uz malu potrošnju energije i pretvorite ga u biološki aktivni oblik Cijanobakterije (plavo-zelene alge) i nodule bakterije koje stvaraju rizobijalnu simbiozu sa mahunarkama, tzv. zeleno đubrivo.
Kiseonik
Sastav atmosfere počeo se radikalno mijenjati pojavom živih organizama na Zemlji, kao rezultat fotosinteze, praćene oslobađanjem kisika i apsorpcijom ugljičnog dioksida. U početku se kiseonik trošio na oksidaciju redukovanih jedinjenja – amonijaka, ugljovodonika, željeznog oblika gvožđa sadržanog u okeanima, itd. Na kraju ove faze, sadržaj kiseonika u atmosferi počeo je da raste. Postepeno se formirala moderna atmosfera sa oksidativnim svojstvima. Budući da je izazvao velike i nagle promjene u mnogim procesima u atmosferi, litosferi i biosferi, događaj je nazvan kisikovom katastrofom.
Ugljen-dioksid
Sadržaj CO 2 u atmosferi zavisi od vulkanske aktivnosti i hemijskih procesa u zemljinim školjkama, ali najviše od intenziteta biosinteze i razgradnje organske materije u Zemljinoj biosferi. Gotovo cjelokupna trenutna biomasa planete (oko 2,4 × 10 12 tona) nastaje zbog ugljičnog dioksida, dušika i vodene pare sadržane u atmosferskom zraku. Organske materije zakopane u okeanu, močvarama i šumama pretvaraju se u ugalj, naftu i prirodni gas. (vidi Geohemijski ciklus ugljika)
Plemeniti gasovi
Zagađenje zraka
IN U poslednje vremeČovjek je počeo utjecati na evoluciju atmosfere. Rezultat njegovih aktivnosti je konstantno značajno povećanje sadržaja ugljičnog dioksida u atmosferi zbog sagorijevanja ugljikovodičnih goriva akumuliranih u prethodnim geološkim erama. Ogromne količine CO 2 troše se tokom fotosinteze i apsorbuju ga svjetski okeani. Ovaj plin ulazi u atmosferu zbog razgradnje karbonatnih stijena i organska materija biljnog i životinjskog porijekla, kao i zbog vulkanizma i ljudske industrijske aktivnosti. U proteklih 100 godina, sadržaj CO 2 u atmosferi porastao je za 10%, pri čemu najveći dio (360 milijardi tona) dolazi od sagorijevanja goriva. Ako se nastavi stopa rasta sagorijevanja goriva, onda će se u narednih 50-60 godina količina CO 2 u atmosferi udvostručiti i može dovesti do globalnih klimatskih promjena.
Sagorevanje goriva je glavni izvor zagađujućih gasova (CO, SO2). Sumpor dioksid se oksidira kisikom iz atmosfere do SO 3 u gornjim slojevima atmosfere, koji zauzvrat stupa u interakciju s vodom i parom amonijaka, te rezultirajućom sumpornom kiselinom (H 2 SO 4) i amonijevim sulfatom ((NH 4) 2 SO 4 ) se vraćaju na površinu Zemlje u obliku tzv. kisela kiša. Upotreba motora sa unutrašnjim sagorevanjem dovodi do značajnog zagađenja atmosfere azotnim oksidima, ugljovodonicima i jedinjenjima olova (tetraetil olovo Pb(CH 3 CH 2) 4)).
Zagađenje atmosfere aerosolom uzrokovano je kako prirodnim uzrocima (erupcije vulkana, prašne oluje, unošenje kapi morske vode i biljnog polena, itd.), tako i ljudskim ekonomskim aktivnostima (vađenje ruda i građevinskih materijala, sagorijevanje goriva, proizvodnja cementa itd.). ). Intenzivna emisija velikih razmjera čvrstih čestica u atmosferu je jedna od njih mogući razlozi promjene klime na planeti.
Književnost
- V. V. Parin, F. P. Kosmolinsky, B. A. Dushkov „Svemirska biologija i medicina“ (2. izdanje, revidirano i prošireno), M.: „Prosveščenie“, 1975, 223 str.
- N. V. Gusakova "Hemija" okruženje“, Rostov na Donu: Phoenix, 2004, 192 s ISBN 5-222-05386-5
- Sokolov V. A. Geohemija prirodnih gasova, M., 1971;
- McEwen M., Phillips L. Atmospheric Chemistry, M., 1978;
- Wark K., Warner S., Zagađenje zraka. Izvori i kontrola, prev. sa engleskog, M.. 1980;
- Praćenje pozadinskog zagađenja prirodne sredine. V. 1, L., 1982.
vidi takođe
Linkovi
|
Zemljina atmosfera |
Kompozicija atmosfere. Vazdušni omotač naše planete - atmosferaštiti površinu zemlje od štetnog uticaja ultraljubičastog zračenja Sunca na žive organizme. Takođe štiti Zemlju od kosmičkih čestica – prašine i meteorita.
Atmosfera se sastoji od mehaničke mešavine gasova: 78% njene zapremine je azot, 21% kiseonik i manje od 1% helij, argon, kripton i drugi inertni gasovi. Količina kisika i dušika u zraku je praktički nepromijenjena, jer se dušik gotovo ne spaja s drugim tvarima, a kisik, koji iako je vrlo aktivan i troši se na disanje, oksidaciju i sagorijevanje, biljke stalno nadoknađuju.
Do visine od približno 100 km, postotak ovih plinova ostaje gotovo nepromijenjen. To je zbog činjenice da se zrak stalno miješa.
Osim navedenih plinova, atmosfera sadrži oko 0,03% ugljičnog dioksida, koji je obično koncentrisan u blizini površine zemlje i neravnomjerno je raspoređen: u gradovima, industrijskim centrima i područjima vulkanske aktivnosti njegova količina raste.
U atmosferi uvijek postoji određena količina nečistoća - vodene pare i prašine. Sadržaj vodene pare zavisi od temperature vazduha: što je temperatura viša, to više pare može da zadrži vazduh. Zbog prisustva pare vode u vazduhu, moguće su atmosferske pojave poput duge, prelamanja sunčeve svetlosti itd.
Prašina ulazi u atmosferu prilikom vulkanskih erupcija, pješčanih i prašnih oluja, prilikom nepotpunog sagorijevanja goriva u termoelektranama itd.
Struktura atmosfere. Gustina atmosfere mijenja se s visinom: najveća je na površini Zemlje i opada kako se penje. Tako je na visini od 5,5 km gustina atmosfere 2 puta, a na visini od 11 km 4 puta manja nego u površinskom sloju.
U zavisnosti od gustine, sastava i svojstava gasova, atmosfera se deli na pet koncentričnih slojeva (slika 34).
Rice. 34. Vertikalni presjek atmosfere (stratifikacija atmosfere)
1. Donji sloj se zove troposfera. Njegova gornja granica prolazi na nadmorskoj visini od 8-10 km na polovima i 16-18 km na ekvatoru. Troposfera sadrži do 80% ukupne mase atmosfere i gotovo svu vodenu paru.
Temperatura vazduha u troposferi opada sa visinom za 0,6 °C svakih 100 m i na njenoj gornjoj granici je -45-55 °C.
Zrak u troposferi se stalno miješa i kreće se u različitim smjerovima. Samo ovdje se uočavaju magle, kiše, snježne padavine, grmljavine, oluje i druge vremenske pojave.
2. Iznad se nalazi stratosfera, koja se prostire na nadmorskoj visini od 50-55 km. Gustina vazduha i pritisak u stratosferi su zanemarljivi. Razređeni vazduh se sastoji od istih gasova kao i u troposferi, ali sadrži više ozona. Najveća koncentracija ozona se opaža na nadmorskoj visini od 15-30 km. Temperatura u stratosferi raste sa visinom i na njenoj gornjoj granici dostiže 0 °C i više. To je zato što ozon apsorbira kratkovalnu energiju sunca, uzrokujući zagrijavanje zraka.
3. Leži iznad stratosfere mezosfera, prostire se na nadmorskoj visini od 80 km. Tamo temperatura ponovo pada i dostiže -90 °C. Gustina vazduha tamo je 200 puta manja nego na površini Zemlje.
4. Iznad mezosfere se nalazi termosfera(od 80 do 800 km). Temperatura u ovom sloju raste: na visini od 150 km do 220 °C; na nadmorskoj visini od 600 km do 1500 °C. Atmosferski gasovi (dušik i kiseonik) su u jonizovanom stanju. Pod uticajem kratkotalasnog sunčevog zračenja, pojedinačni elektroni se odvajaju od omotača atoma. Kao rezultat toga, u ovom sloju - jonosfera pojavljuju se slojevi nabijenih čestica. Njihov najgušći sloj nalazi se na nadmorskoj visini od 300-400 km. Zbog male gustine, sunčevi zraci se tu ne raspršuju, pa je nebo crno, na njemu sjajno sijaju zvijezde i planete.
U jonosferi ih ima polarna svjetla, moćan električne struje koje izazivaju smetnje magnetsko polje Zemlja.
5. Iznad 800 km je vanjski omotač - egzosfera. Brzina kretanja pojedinih čestica u egzosferi približava se kritičnoj - 11,2 mm/s, pa pojedine čestice mogu savladati gravitaciju i pobjeći u svemir.
Značenje atmosfere. Uloga atmosfere u životu naše planete je izuzetno velika. Bez nje bi Zemlja bila mrtva. Atmosfera štiti površinu Zemlje od ekstremnog zagrijavanja i hlađenja. Njegov efekat se može uporediti sa ulogom stakla u staklenicima: dozvoljavajući sunčevim zracima da prolaze kroz njih i sprečavajući gubitak toplote.
Atmosfera štiti žive organizme od kratkotalasnog i korpuskularnog zračenja Sunca. Atmosfera je okruženje u kojem se javljaju vremenske pojave, sa kojima su povezane sve ljudske aktivnosti. Proučavanje ove školjke provodi se na meteorološkim stanicama. Danonoćno, po svakom vremenu, meteorolozi prate stanje donjeg sloja atmosfere. Četiri puta dnevno, a na mnogim stanicama po satu mjere temperaturu, pritisak, vlažnost vazduha, beleže oblačnost, smer i brzinu vetra, količinu padavina, električne i zvučne pojave u atmosferi. Meteorološke stanice se nalaze svuda: na Antarktiku iu tropskim prašumama, na visoke planine i u ogromnim prostranstvima tundre. Posmatranja se također vrše na okeanima sa posebno izgrađenih brodova.
Od 30-ih godina. XX vijek posmatranja su počela u slobodnoj atmosferi. Počeli su da lansiraju radiosonde koje se dižu na visinu od 25-35 km i pomoću radio opreme prenose informacije o temperaturi, pritisku, vlažnosti vazduha i brzini vetra na Zemlju. Danas su meteorološke rakete i sateliti također u širokoj upotrebi. Potonji imaju televizijske instalacije koje prenose slike zemljine površine i oblaka.
| |
5. Vazdušni omotač zemlje§ 31. Zagrevanje atmosfere
Na nivou mora 1013,25 hPa (oko 760 mmHg). Prosječna globalna temperatura zraka na površini Zemlje je 15°C, sa temperaturom koja varira od približno 57°C u suptropskim pustinjama do -89°C na Antarktiku. Gustoća zraka i tlak opadaju s visinom prema zakonu bliskom eksponencijalnom.
Struktura atmosfere. Vertikalno, atmosfera ima slojevitu strukturu, determiniranu uglavnom karakteristikama vertikalne raspodjele temperature (slika), koja ovisi o geografskom položaju, godišnjem dobu, dobu dana i tako dalje. Donji sloj atmosfere - troposfera - karakterizira pad temperature s visinom (za oko 6°C po 1 km), njegova visina od 8-10 km u polarnim geografskim širinama do 16-18 km u tropima. Zbog brzog smanjenja gustine vazduha sa visinom, oko 80% ukupne mase atmosfere nalazi se u troposferi. Iznad troposfere je stratosfera - sloj koji se karakteriše u opšte povećanje temperature sa visinom. Prijelazni sloj između troposfere i stratosfere naziva se tropopauza. U nižoj stratosferi, do nivoa od oko 20 km, temperatura se malo mijenja s visinom (tzv. izotermna oblast), a često čak i lagano opada. Iznad toga, temperatura raste zbog apsorpcije UV zračenja sa Sunca ozonom, u početku polako, a brže sa nivoa od 34-36 km. Gornja granica stratosfere - stratopauza - nalazi se na nadmorskoj visini od 50-55 km, što odgovara maksimalnoj temperaturi (260-270 K). Sloj atmosfere koji se nalazi na nadmorskoj visini od 55-85 km, gde temperatura ponovo opada sa visinom, naziva se mezosfera; na njenoj gornjoj granici - mezopauzi - temperatura dostiže 150-160 K ljeti, a 200-230 K. K zimi Iznad mezopauze počinje termosfera - sloj koji karakteriše brzi uspon temperature dostižu 800-1200 K na visini od 250 km.U termosferi se apsorbuje korpuskularno i rendgensko zračenje Sunca, meteori se usporavaju i sagorevaju, tako da deluje kao zaštitni sloj Zemlje. Još viša je egzosfera, odakle se atmosferski plinovi raspršuju u svemir zbog disipacije i gdje dolazi do postepenog prijelaza iz atmosfere u međuplanetarni prostor.
Sastav atmosfere. Do visine od oko 100 km atmosfera je gotovo homogena po hemijskom sastavu, a prosječna molekularna težina zraka (oko 29) je konstantna. U blizini Zemljine površine, atmosfera se sastoji od azota (oko 78,1% zapremine) i kiseonika (oko 20,9%), a sadrži i male količine argona, ugljen-dioksida (ugljen-dioksida), neona i drugih stalnih i promenljivih komponenti (vidi vazduh ).
Osim toga, atmosfera sadrži male količine ozona, dušikovih oksida, amonijaka, radona itd. Relativni sadržaj glavnih komponenti zraka je konstantan tokom vremena i ujednačen u različitim geografskim područjima. Sadržaj vodene pare i ozona je promjenjiv u prostoru i vremenu; Uprkos niskom sadržaju, njihova uloga u atmosferskim procesima je veoma značajna.
Iznad 100-110 km dolazi do disocijacije molekula kisika, ugljičnog dioksida i vodene pare, pa se molekulska masa zraka smanjuje. Na visini od oko 1000 km počinju da prevladavaju laki gasovi - helijum i vodonik, a još više Zemljina atmosfera se postepeno pretvara u međuplanetarni gas.
Najvažnija varijabilna komponenta atmosfere je vodena para, koja u atmosferu ulazi isparavanjem sa površine vode i vlažnog tla, kao i transpiracijom biljaka. Relativni sadržaj vodene pare varira na površini zemlje od 2,6% u tropima do 0,2% u polarnim geografskim širinama. Brzo pada s visinom, smanjujući se za polovicu već na visini od 1,5-2 km. Vertikalni stup atmosfere na umjerenim geografskim širinama sadrži oko 1,7 cm „sloja istaložene vode“. Kada se vodena para kondenzira, nastaju oblaci iz kojih padaju atmosferske padavine u obliku kiše, grada i snijega.
Važna komponenta atmosferskog vazduha je ozon, koncentrisan 90% u stratosferi (između 10 i 50 km), oko 10% je u troposferi. Ozon obezbeđuje apsorpciju tvrdog UV zračenja (talasne dužine manje od 290 nm), a to je njegova zaštitna uloga za biosferu. Vrijednosti ukupnog sadržaja ozona variraju ovisno o geografskoj širini i godišnjem dobu u rasponu od 0,22 do 0,45 cm (debljina ozonskog omotača pri pritisku p = 1 atm i temperaturi T = 0°C). U ozonskim rupama koje se na Antarktiku posmatraju u proleće od ranih 1980-ih, sadržaj ozona može pasti na 0,07 cm. Povećava se od ekvatora do polova i ima godišnji ciklus sa maksimumom u proleće i minimumom u jesen i amplitudom od godišnji ciklus je mali u tropima i raste prema visokim geografskim širinama. Značajna varijabilna komponenta atmosfere je ugljični dioksid, čiji se sadržaj u atmosferi povećao za 35% u posljednjih 200 godina, što se uglavnom objašnjava antropogenim faktorom. Uočava se njegova geografska i sezonska varijabilnost, povezana s fotosintezom biljaka i topivosti u morskoj vodi (prema Henryjevom zakonu, topljivost plina u vodi opada s povećanjem temperature).
Važna uloga Atmosferski aerosol – čvrste i tečne čestice suspendovane u vazduhu veličine od nekoliko nm do desetina mikrona – igra ulogu u oblikovanju klime planete. Postoje aerosoli prirodnog i antropogenog porijekla. Aerosol nastaje u procesu reakcija u gasnoj fazi iz proizvoda biljnog života i ljudske ekonomske aktivnosti, vulkanskih erupcija, kao rezultat prašine koja se diže vjetrom sa površine planete, posebno iz njenih pustinjskih krajeva, a također je i nastala od kosmičke prašine koja pada u gornje slojeve atmosfere. Većina aerosola koncentrirana je u troposferi; aerosol iz vulkanskih erupcija formira takozvani Jungeov sloj na visini od oko 20 km. Najveća količina antropogenog aerosola dospeva u atmosferu kao rezultat rada vozila i termoelektrana, hemijske proizvodnje, sagorevanja goriva itd. Stoga se u nekim područjima sastav atmosfere primetno razlikuje od običnog vazduha, što je zahtevalo stvaranje posebne službe za praćenje i praćenje nivoa zagađenosti atmosferskog vazduha.
Evolucija atmosfere. Moderna atmosfera je očigledno sekundarnog porekla: nastala je od ispuštenih gasova tvrda školjka Zemlja nakon završetka formiranja planete prije oko 4,5 milijardi godina. Tokom geološka istorija Zemljina atmosfera je pretrpjela značajne promjene u svom sastavu pod uticajem niza faktora: disipacije (isparenja) gasova, uglavnom lakših, u svemir; oslobađanje plinova iz litosfere kao rezultat vulkanske aktivnosti; hemijske reakcije između komponenti atmosfere i stijena koje čine zemljinu koru; fotohemijske reakcije u samoj atmosferi pod uticajem sunčevog UV zračenja; akrecija (hvatanje) materije iz međuplanetarnog medija (na primjer, meteorska materija). Razvoj atmosfere usko je povezan sa geološkim i geohemijskim procesima, a tokom poslednjih 3-4 milijarde godina i sa aktivnošću biosfere. Značajan dio plinova koji čine modernu atmosferu (dušik, ugljični dioksid, vodena para) nastao je tokom vulkanske aktivnosti i upada, koji ih je nosio iz dubina Zemlje. Kiseonik se pojavio u značajnim količinama prije oko 2 milijarde godina kao rezultat aktivnosti fotosintetskih organizama koji su prvobitno nastali u površinske vode ocean.
Na osnovu podataka o hemijskom sastavu karbonatnih naslaga dobijene su procjene količine ugljičnog dioksida i kisika u atmosferi geološke prošlosti. Tokom fanerozoika (poslednjih 570 miliona godina Zemljine istorije), količina ugljičnog dioksida u atmosferi varirala je u velikoj mjeri u zavisnosti od nivoa vulkanske aktivnosti, temperature okeana i brzine fotosinteze. Veći dio ovog vremena koncentracija ugljičnog dioksida u atmosferi bila je znatno viša nego danas (do 10 puta). Količina kiseonika u atmosferi fanerozoika značajno se promenila, sa pretežnom tendencijom njenog povećanja. U pretkambrijskoj atmosferi masa ugljičnog dioksida je po pravilu bila veća, a masa kisika manja u odnosu na atmosferu fanerozoika. Fluktuacije u količini ugljičnog dioksida imale su značajan utjecaj na klimu u prošlosti, povećavajući efekat staklene bašte s povećanjem koncentracije ugljičnog dioksida, čineći klimu znatno toplijom kroz glavni dio fanerozoika u odnosu na modernu eru.
Atmosfera i život. Bez atmosfere, Zemlja bi bila mrtva planeta. Organski život se odvija u bliskoj interakciji sa atmosferom i povezanom klimom i vremenom. Atmosfera je beznačajna po masi u poređenju sa planetom kao celinom (otprilike milionski deo). neizostavan uslov za sve oblike života. Najvažniji od atmosferskih plinova za život organizama su kisik, dušik, vodena para, ugljični dioksid i ozon. Kada fotosintetske biljke apsorbiraju ugljični dioksid, stvara se organska tvar koju koristi kao izvor energije velika većina živih bića, uključujući i ljude. Kiseonik je neophodan za postojanje aerobni organizmi, za koji je protok energije osiguran reakcijama oksidacije organske tvari. Za mineralnu ishranu biljke. Ozon, koji apsorbuje tvrdo UV zračenje Sunca, značajno slabi ovaj dio sunčevog zračenja štetnog za život. Kondenzacija vodene pare u atmosferi, stvaranje oblaka i naknadne padavine dovode vodu do kopna, bez kojih nije moguć nijedan oblik života. Vitalna aktivnost organizama u hidrosferi je u velikoj mjeri određena količinom i hemijskim sastavom atmosferskih plinova otopljenih u vodi. Budući da hemijski sastav atmosfere značajno zavisi od aktivnosti organizama, biosfera i atmosfera se mogu smatrati dijelom unificirani sistem, čije je održavanje i evolucija (vidi Biogeohemijski ciklusi) bilo od velikog značaja za promenu sastava atmosfere kroz istoriju Zemlje kao planete.
Zračenje, termičko i vodni bilansi atmosfera. Sunčevo zračenje je praktično jedini izvor energije za sve fizičke procese u atmosferi. glavna karakteristika radijacijski režim atmosfere - tzv. efekat staklene bašte: atmosfera prilično dobro prenosi sunčevo zračenje na površinu zemlje, ali aktivno apsorbira toplotno dugovalno zračenje sa površine zemlje, čiji se dio vraća na površinu u obliku kontra zračenje, nadoknađivanje radijacionog gubitka toplote sa zemljine površine (vidi Atmosfersko zračenje). U nedostatku atmosfere, prosječna temperatura zemljine površine bila bi -18°C, au stvarnosti je 15°C. Dolazeće sunčevo zračenje se djelomično (oko 20%) apsorbira u atmosferu (uglavnom vodenom parom, kapljicama vode, ugljičnim dioksidom, ozonom i aerosolima), a također se raspršuje (oko 7%) česticama aerosola i fluktuacijama gustoće (Rayleighovo raspršivanje) . Ukupno zračenje koje dopire do Zemljine površine se djelimično (oko 23%) odbija od nje. Koeficijent refleksije određen je refleksivnošću donje površine, takozvanim albedom. U prosjeku, Zemljin albedo za integralni tok sunčevog zračenja je blizu 30%. Ona varira od nekoliko procenata (suvo tlo i crnica) do 70-90% za svježe pao snijeg. Radijacijska izmjena topline između zemljine površine i atmosfere značajno ovisi o albedu i određena je efektivnim zračenjem zemljine površine i protuzračenjem atmosfere koje apsorbira. Algebarski zbir tokova zračenja koji ulaze u Zemljinu atmosferu iz svemira i napuštaju je nazad naziva se radijacioni balans.
Transformacije sunčevog zračenja nakon njegovog apsorpcije atmosferom i zemljinom površinom određuju toplotni bilans Zemlje kao planete. Glavni izvor toplote za atmosferu je Zemljina površina; toplina iz njega se prenosi ne samo u obliku dugovalnog zračenja, već i konvekcijom, a oslobađa se i prilikom kondenzacije vodene pare. Učešće ovih priliva toplote je u proseku 20%, 7% i 23%, respektivno. Ovdje se također dodaje oko 20% topline zbog apsorpcije direktnog sunčevog zračenja. Tok sunčevog zračenja u jedinici vremena kroz jediničnu površinu okomitu na sunčeve zrake i nalazi se van atmosfere na prosečnoj udaljenosti od Zemlje do Sunca (tzv. solarna konstanta), jednaka je 1367 W/m2, promene su 1-2 W/m2 u zavisnosti od ciklusa solarna aktivnost. Sa planetarnim albedom od oko 30%, vremenski prosjek globalnog priliva sunčeve energije na planetu iznosi 239 W/m2. Pošto Zemlja kao planeta emituje u svemir u proseku istu količinu energije, onda je, prema Stefan-Boltzmannom zakonu, efektivna temperatura izlazno toplotno dugotalasno zračenje 255 K (-18°C). Istovremeno, prosječna temperatura zemljine površine je 15°C. Razlika od 33°C je zbog efekta staklene bašte.
Vodeni bilans atmosfere općenito odgovara jednakosti količine vlage koja je isparila sa površine Zemlje i količine padavina koje padaju na površinu Zemlje. Atmosfera iznad okeana prima više vlage iz procesa isparavanja nego nad kopnom i gubi 90% u obliku padavina. Višak vodene pare preko okeana prenosi se na kontinente vazdušnim strujama. Količina vodene pare koja se prenosi u atmosferu iz okeana na kontinente jednaka je zapremini rijeka koje teku u okeane.
Kretanje zraka. Zemlja je sferna, tako da mnogo manje sunčevog zračenja dopire do njenih visokih geografskih širina nego u tropskim krajevima. Kao rezultat, nastaju veliki temperaturni kontrasti između geografskih širina. Na raspodjelu temperature značajno utiču i relativni položaji okeana i kontinenata. Zbog velike mase okeanskih voda i visokog toplotnog kapaciteta vode, sezonske fluktuacije temperature površine oceana su mnogo manje nego na kopnu. S tim u vezi, u srednjim i visokim geografskim širinama, temperatura zraka iznad okeana ljeti je osjetno niža nego nad kontinentima, a viša zimi.
Neravnomjerno zagrijavanje atmosfere u različitim dijelovima zemaljske kugle uzrokuje prostorno nehomogenu raspodjelu atmosferskog tlaka. Na nivou mora, raspodjelu pritiska karakterišu relativno niske vrijednosti u blizini ekvatora, koje rastu u suptropskim područjima (pojas visokog pritiska) i smanjenje u srednjim i visokim geografskim širinama. Istovremeno, nad kontinentima vantropskih širina tlak je obično povećan zimi, a opada ljeti, što je povezano s raspodjelom temperature. Pod uticajem gradijenta pritiska, vazduh doživljava ubrzanje usmereno iz oblasti visokog pritiska u oblasti niskog pritiska, što dovodi do kretanja vazdušnih masa. Na pokretne zračne mase također utiču sila skretanja Zemljine rotacije (Coriolisova sila), sila trenja koja se smanjuje s visinom i, za zakrivljene putanje, centrifugalna sila. Turbulentno miješanje zraka je od velike važnosti (vidi Turbulencija u atmosferi).
Povezano sa planetarnom raspodelom pritiska složen sistem strujanja zraka (opća cirkulacija atmosfere). U meridijalnoj ravni se u prosjeku mogu pratiti dvije ili tri meridionalne cirkulacijske ćelije. U blizini ekvatora, zagrijani zrak se diže i spušta u suptropima, formirajući Hadleyjevu ćeliju. Vazduh obrnute Ferrell ćelije takođe se spušta tamo. Na visokim geografskim širinama često je vidljiva ravna polarna ćelija. Meridionalne brzine cirkulacije su reda veličine 1 m/s ili manje. Zbog Coriolisove sile, zapadni vjetrovi se primjećuju u većem dijelu atmosfere sa brzinama u srednjoj troposferi od oko 15 m/s. Postoje relativno održivi sistemi vjetrovi. Tu spadaju pasati - vjetrovi koji duvaju iz zona visokog pritiska u suptropima do ekvatora sa uočljivom istočnom komponentom (od istoka prema zapadu). Monsuni su prilično stabilni - zračne struje koje imaju jasno izražen sezonski karakter: ljeti duvaju od okeana prema kopnu, a zimi u suprotnom smjeru. Monsuni Indijskog okeana su posebno redovni. U srednjim geografskim širinama kretanje zračnih masa je uglavnom zapadno (od zapada prema istoku). Ovo je zona atmosferskih frontova na kojima nastaju veliki vrtlozi - cikloni i anticikloni, koji pokrivaju stotine, pa čak i hiljade kilometara. Cikloni se također javljaju u tropima; ovdje se odlikuju manjim veličinama, ali vrlo velikim brzinama vjetra, dostižući snagu uragana (33 m/s ili više), takozvani tropski cikloni. Na Atlantiku i na istoku pacifik nazivaju se uragani, a u zapadnom Tihom okeanu - tajfuni. U gornjoj troposferi i donjoj stratosferi, u područjima koja razdvajaju direktnu Hadley meridionalnu cirkulacionu ćeliju i reverznu Ferrell ćeliju, često se uočavaju relativno uski, stotinama kilometara široki, mlazne struje sa oštro definisanim granicama, unutar kojih vetar dostiže 100-150 stepeni. pa čak 200 m/ sa.
Klima i vrijeme. Razlika u količini sunčeve radijacije koja dolazi na različitim geografskim širinama na zemljinu površinu, koja je raznolika u svojim fizičkim svojstvima, određuje raznolikost klime na Zemlji. Od ekvatora do tropskih geografskih širina, temperatura zraka na površini zemlje u prosjeku iznosi 25-30°C i malo varira tokom cijele godine. U ekvatorijalnom pojasu obično ima mnogo padavina, što stvara uslove viška vlage. U tropskim zonama padavine se smanjuju, au nekim područjima postaju vrlo niske. Ovdje su ogromne pustinje Zemlje.
U suptropskim i srednjim geografskim širinama temperatura zraka značajno varira tokom cijele godine, a razlika između ljetnih i zimskih temperatura posebno je velika u područjima kontinenata udaljenih od okeana. Tako u nekim područjima istočnog Sibira godišnji raspon temperature zraka dostiže 65°C. Uslovi ovlaživanja na ovim geografskim širinama su veoma raznoliki, zavise uglavnom od režima opšte atmosferske cirkulacije i značajno variraju iz godine u godinu.
U polarnim geografskim širinama, temperatura ostaje niska tokom cijele godine, čak i ako postoje primjetne sezonske varijacije. Ovo doprinosi širokoj rasprostranjenosti ledenog pokrivača na okeanima i kopnu i permafrostu, koji zauzimaju preko 65% njene površine u Rusiji, uglavnom u Sibiru.
Tokom proteklih decenija, promjene u globalnoj klimi postale su sve primjetnije. Temperature rastu više na visokim nego na niskim geografskim širinama; više zimi nego ljeti; više noću nego tokom dana. Tokom 20. veka prosečna godišnja temperatura vazduha na zemljinoj površini u Rusiji porasla je za 1,5-2°C, a u nekim oblastima Sibira primećeno je povećanje od nekoliko stepeni. Ovo je povezano s povećanjem efekta staklene bašte zbog povećanja koncentracije plinova u tragovima.
Vrijeme je određeno uslovima atmosferske cirkulacije i geografska lokacija terena, najstabilniji je u tropima i najpromjenjiviji u srednjim i visokim geografskim širinama. Vrijeme se najviše mijenja u zonama promjene zračnih masa uzrokovanih prolaskom atmosferskih frontova, ciklona i anticiklona koji nose padavine i pojačan vjetar. Podaci za vremensku prognozu prikupljaju se na zemaljskim meteorološkim stanicama, brodovima i avionima, te sa meteoroloških satelita. Vidi također Meteorologija.
Optički, akustički i električni fenomeni u atmosferi. Kada se elektromagnetno zračenje širi u atmosferi, kao rezultat prelamanja, apsorpcije i raspršivanja svjetlosti zrakom i raznim česticama (aerosol, kristali leda, kapi vode), nastaju različite optičke pojave: duge, krune, oreole, fatamorgane itd. rasipanje svetlosti određuje prividnu visinu nebeskog svoda i plavu boju neba. Opseg vidljivosti objekata određen je uslovima širenja svjetlosti u atmosferi (vidi Vidljivost atmosfere). Transparentnost atmosfere na različitim talasnim dužinama određuje komunikacijski domet i sposobnost detekcije objekata instrumentima, uključujući mogućnost astronomskih posmatranja sa površine Zemlje. Za proučavanje optičkih nehomogenosti stratosfere i mezosfere, fenomen sumraka igra važnu ulogu. Na primjer, fotografiranje sumraka iz svemirskih letjelica omogućava otkrivanje slojeva aerosola. Osobine širenja elektromagnetnog zračenja u atmosferi određuju točnost metoda za daljinsko ispitivanje njegovih parametara. Sva ova pitanja, kao i mnoga druga, proučava atmosferska optika. Refrakcija i rasipanje radio talasa određuju mogućnosti radio prijema (pogledajte Širenje radio talasa).
Širenje zvuka u atmosferi zavisi od prostorne distribucije temperature i brzine vjetra (vidi Atmosferska akustika). Od interesa je za atmosfersko ispitivanje daljinskim metodama. Eksplozije naelektrisanja lansiranih raketama u gornju atmosferu pružile su bogate informacije o sistemima vetra i temperaturnim varijacijama u stratosferi i mezosferi. U stabilno stratifikovanoj atmosferi, kada temperatura opada sa visinom sporije od adijabatskog gradijenta (9,8 K/km), nastaju takozvani unutrašnji talasi. Ovi talasi se mogu širiti prema gore u stratosferu, pa čak i u mezosferu, gdje se smanjuju, doprinoseći pojačanim vjetrovima i turbulencijama.
Negativni naboj Zemlje i rezultirajuće električno polje, atmosfera, zajedno sa električno nabijenom jonosferom i magnetosferom, stvaraju globalno električno kolo. Važnu ulogu u tome ima formiranje oblaka i elektriciteta grmljavine. Opasnost od pražnjenja groma zahtijevala je razvoj metoda gromobranske zaštite zgrada, objekata, dalekovoda i komunikacija. Ova pojava predstavlja posebnu opasnost za avijaciju. Pražnjenja groma uzrokuju atmosferske radio smetnje, koje se nazivaju atmosfere (pogledajte Atmosfere zvižduka). Tokom naglog porasta napetosti električno polje svjetlosna pražnjenja koja se pojavljuju na vrhovima i oštri uglovi objekti koji strše iznad površine zemlje, na pojedinačnim vrhovima u planinama i sl. (Elma svjetla). Atmosfera uvijek sadrži vrlo različitu količinu lakih i teških jona, ovisno o specifičnim uvjetima, koji određuju električnu provodljivost atmosfere. Glavni ionizatori zraka u blizini zemljine površine su zračenje radioaktivnih tvari sadržanih u zemljine kore iu atmosferi, kao i kosmičke zrake. Vidi također Atmosferski elektricitet.
Ljudski uticaj na atmosferu. Tokom proteklih stoljeća došlo je do povećanja koncentracije stakleničkih plinova u atmosferi zbog ljudskih ekonomskih aktivnosti. Procenat ugljičnog dioksida porastao je sa 2,8-10 2 prije dvije stotine godina na 3,8-10 2 2005. godine, sadržaj metana - sa 0,7-10 1 prije otprilike 300-400 godina na 1,8-10 -4 početkom 21. vijek; oko 20% povećanja efekta staklene bašte u prošlom veku došlo je od freona, kojih u atmosferi praktično nije bilo do sredine 20. veka. Ove supstance su prepoznate kao oštećivači stratosferskog ozona, a njihova proizvodnja je zabranjena Montrealskim protokolom iz 1987. godine. Povećanje koncentracije ugljičnog dioksida u atmosferi uzrokovano je sagorijevanjem sve većih količina uglja, nafte, plina i drugih vrsta ugljičnih goriva, kao i krčenjem šuma, uslijed čega dolazi do apsorpcije ugljični dioksid se fotosintezom smanjuje. Koncentracija metana raste sa povećanjem proizvodnje nafte i gasa (zbog njegovih gubitaka), kao i sa širenjem usjeva riže i povećanjem broja stoke. Sve to doprinosi zagrijavanju klime.
Za promjenu vremena razvijene su metode za aktivno djelovanje na atmosferske procese. Koriste se za zaštitu poljoprivrednih biljaka od grada raspršivanjem specijalnih reagensa u grmljavinskim oblacima. Postoje i metode za raspršivanje magle na aerodromima, zaštitu biljaka od mraza, uticaj na oblake da povećaju padavine u željenim područjima ili za raspršivanje oblaka tokom javnih događaja.
Proučavanje atmosfere. Informacije o fizički procesi u atmosferi se dobivaju prvenstveno iz meteoroloških osmatranja, koje provodi globalna mreža stalnih meteoroloških stanica i postova smještenih na svim kontinentima i na mnogim otocima. Dnevna osmatranja daju informacije o temperaturi i vlažnosti zraka, atmosferskom pritisku i padavinama, oblačnosti, vjetru itd. Na aktinometrijskim stanicama vrše se opažanja sunčevog zračenja i njegovih transformacija. Od velikog značaja za proučavanje atmosfere su mreže aeroloških stanica, na kojima se vrše meteorološka mjerenja do visine od 30-35 km uz pomoć radiosonda. Na brojnim stanicama vrše se osmatranja atmosferskog ozona, električnih pojava u atmosferi, hemijski sastav vazduha.
Podaci sa zemaljskih stanica dopunjeni su opservacijama na okeanima, gdje rade “brodovi za vremenske prilike”, koji se stalno nalaze u određenim područjima Svjetskog okeana, kao i meteorološkim informacijama dobijenim od istraživačkih i drugih brodova.
Poslednjih decenija sve se više informacija o atmosferi dobija pomoću meteoroloških satelita, koji nose instrumente za fotografisanje oblaka i merenje tokova ultraljubičastog, infracrvenog i mikrotalasnog zračenja Sunca. Sateliti omogućavaju dobijanje informacija o vertikalnim profilima temperature, oblačnosti i njenom snabdevanju vodom, elementima radijacionog balansa atmosfere, temperaturi površine okeana itd. Koristeći merenje refrakcije radio signala sa sistema navigacionih satelita, on je moguće je odrediti vertikalne profile gustine, pritiska i temperature, kao i sadržaja vlage u atmosferi. Uz pomoć satelita postalo je moguće razjasniti vrijednost solarne konstante i planetarnog albeda Zemlje, izgraditi karte radijacijske ravnoteže sistema Zemlja-atmosfera, izmjeriti sadržaj i varijabilnost malih atmosferskih zagađivača i riješiti mnogi drugi problemi atmosferske fizike i monitoringa životne sredine.
Lit.: Budyko M.I. Klima u prošlosti i budućnosti. L., 1980; Matveev L. T. Kurs opće meteorologije. Atmosferska fizika. 2nd ed. L., 1984; Budyko M.I., Ronov A.B., Yanshin A.L. Istorija atmosfere. L., 1985; Khrgian A. Kh Atmospheric Physics. M., 1986; Atmosfera: Imenik. L., 1991; Khromov S.P., Petrosyants M.A. Meteorologija i klimatologija. 5th ed. M., 2001.
G. S. Golitsyn, N. A. Zaitseva.
Enciklopedijski YouTube
1 / 5
✪ Svemirski brod Zemlja (Epizoda 14) - Atmosfera
✪ Zašto atmosfera nije povučena u svemirski vakuum?
✪ Ulazak svemirske letjelice Soyuz TMA-8 u Zemljinu atmosferu
✪ Struktura atmosfere, značenje, studija
✪ O. S. Ugoljnikov" Gornja atmosfera. Susret Zemlje i svemira"
Titlovi
Atmosferska granica
Atmosferom se smatra ono područje oko Zemlje u kojem se gasoviti medij rotira zajedno sa Zemljom kao jedinstvenom cjelinom. Atmosfera prelazi u međuplanetarni prostor postepeno, u egzosferi, počevši od visine od 500-1000 km od Zemljine površine.
Prema definiciji koju je predložila Međunarodna vazduhoplovna federacija, granica atmosfere i prostora povučena je duž Karmanove linije, koja se nalazi na visini od oko 100 km, iznad koje letovi avijacije postaju potpuno nemogući. NASA koristi oznaku od 122 kilometra (400.000 stopa) kao atmosfersku granicu, gdje se šatlovi prebacuju sa manevriranja na pogon na aerodinamičko manevriranje.
Fizička svojstva
Pored gasova navedenih u tabeli, atmosfera sadrži Cl 2, SO 2, NH 3, CO, O 3, NO 2, ugljovodonike, HCl, HBr, pare, I 2, Br 2, kao i mnoge druge gasove u manjim količinama. Troposfera stalno sadrži veliku količinu suspendovanih čvrstih i tečnih čestica (aerosol). Najrjeđi plin Zemljina atmosfera je radon (Rn).
Struktura atmosfere
Atmosferski granični sloj
Donji sloj troposfere (debljine 1-2 km), u kojem stanje i svojstva Zemljine površine direktno utiču na dinamiku atmosfere.
Troposfera
Njegova gornja granica je na nadmorskoj visini od 8-10 km u polarnim, 10-12 km u umjerenim i 16-18 km u tropskim geografskim širinama; niže zimi nego ljeti. Donji, glavni sloj atmosfere sadrži više od 80% ukupne mase atmosferskog vazduha i oko 90% sve vodene pare prisutne u atmosferi. Turbulencija i konvekcija su jako razvijene u troposferi, pojavljuju se oblaci, a razvijaju se cikloni i anticikloni. Temperatura opada sa povećanjem nadmorske visine sa prosječnim vertikalnim gradijentom od 0,65°/100 m
Tropopauza
Prijelazni sloj iz troposfere u stratosferu, sloj atmosfere u kojem se zaustavlja smanjenje temperature sa visinom.
Stratosfera
Sloj atmosfere koji se nalazi na nadmorskoj visini od 11 do 50 km. Karakterizira ga blaga promjena temperature u sloju od 11-25 km (donji sloj stratosfere) i povećanje temperature u sloju od 25-40 km od -56,5 do 0,8 ° (gornji sloj stratosfere ili inverziona regija). Nakon dostizanja vrijednosti od oko 273 K (skoro 0 °C) na visini od oko 40 km, temperatura ostaje konstantna do visine od oko 55 km. Ovo područje konstantne temperature naziva se stratopauza i predstavlja granicu između stratosfere i mezosfere.
Stratopauza
Granični sloj atmosfere između stratosfere i mezosfere. U vertikalnoj raspodjeli temperature postoji maksimum (oko 0 °C).
Mezosfera
Termosfera
Gornja granica je oko 800 km. Temperatura se penje na nadmorske visine od 200-300 km, gdje dostiže vrijednosti od reda od 1500 K, nakon čega ostaje gotovo konstantna do velikih visina. Pod uticajem sunčevog zračenja i kosmičkog zračenja dolazi do jonizacije vazduha ("aurore") - glavni delovi jonosfere leže unutar termosfere. Na visinama iznad 300 km prevladava atomski kiseonik. Gornja granica termosfere je u velikoj mjeri određena trenutnom aktivnošću Sunca. U periodima niske aktivnosti - na primjer, 2008-2009 - primetno je smanjenje veličine ovog sloja.
Termopauza
Područje atmosfere u susjedstvu iznad termosfere. U ovoj regiji, apsorpcija sunčevog zračenja je zanemarljiva i temperatura se zapravo ne mijenja s visinom.
Egzosfera (sfera raspršivanja)
Do visine od 100 km atmosfera je homogena, dobro izmiješana mješavina plinova. U višim slojevima distribucija plinova po visini ovisi o njihovoj molekularnoj težini; koncentracija težih plinova opada brže s udaljenosti od Zemljine površine. Zbog smanjenja gustine gasa, temperatura pada sa 0 °C u stratosferi na -110 °C u mezosferi. Međutim, kinetička energija pojedinačnih čestica na visinama od 200-250 km odgovara temperaturi od ~150 °C. Iznad 200 km, primjećuju se značajne fluktuacije temperature i gustine gasa u vremenu i prostoru.
Na visini od oko 2000-3500 km egzosfera se postepeno pretvara u tzv. blizu svemirskog vakuuma, koji je ispunjen rijetkim česticama međuplanetarnog plina, uglavnom atomima vodonika. Ali ovaj plin predstavlja samo dio međuplanetarne materije. Drugi dio čine čestice prašine kometnog i meteorskog porijekla. Pored izuzetno razrijeđenih čestica prašine, u ovaj prostor prodire elektromagnetno i korpuskularno zračenje solarnog i galaktičkog porijekla.
Pregled
Troposfera čini oko 80% mase atmosfere, stratosfera - oko 20%; masa mezosfere nije veća od 0,3%, termosfera je manja od 0,05% ukupne mase atmosfere.
Na osnovu električnih svojstava u atmosferi razlikuju se neutrosfera I jonosfera .
U zavisnosti od sastava gasa u atmosferi, oni emituju homosfera I heterosfera. Heterosfera- Ovo je oblast u kojoj gravitacija utiče na odvajanje gasova, jer je njihovo mešanje na takvoj visini zanemarljivo. To implicira promjenjiv sastav heterosfere. Ispod njega leži dobro izmiješan, homogen dio atmosfere, nazvan homosfera. Granica između ovih slojeva naziva se turbopauza, nalazi se na nadmorskoj visini od oko 120 km.
Ostala svojstva atmosfere i uticaji na ljudski organizam
Već na nadmorskoj visini od 5 km, neobučena osoba počinje iskusiti gladovanje kisikom i bez adaptacije, performanse osobe su značajno smanjene. Ovdje se završava fiziološka zona atmosfere. Ljudsko disanje postaje nemoguće na visini od 9 km, iako do otprilike 115 km atmosfera sadrži kisik.
Atmosfera nas opskrbljuje kisikom neophodnim za disanje. Međutim, zbog pada ukupnog pritiska atmosfere, kako se dižete na visinu, parcijalni pritisak kiseonika se shodno tome smanjuje.
U razrijeđenim slojevima zraka širenje zvuka je nemoguće. Do visina od 60-90 km još uvijek je moguće koristiti otpor zraka i podizanje za kontrolirani aerodinamički let. Ali počevši od visina od 100-130 km, koncepti M broja i zvučne barijere, poznati svakom pilotu, gube smisao: prolazi konvencionalna Karmanova linija, iza koje počinje područje čisto balističkog leta, koje može samo kontrolirati pomoću reaktivnih sila.
Na visinama iznad 100 km, atmosfera je lišena još jednog izuzetnog svojstva - sposobnosti da apsorbuje, provodi i prenosi toplotnu energiju konvekcijom (tj. miješanjem zraka). To znači da različiti elementi opreme na orbitalnoj svemirskoj stanici neće moći da se hlade spolja na isti način kao što se to obično radi u avionu - uz pomoć vazdušnih mlaznica i vazdušnih radijatora. Na ovoj visini, kao i općenito u svemiru, jedini način prijenosa topline je toplinsko zračenje.
Istorija nastanka atmosfere
Prema najčešćoj teoriji, Zemljina atmosfera je kroz istoriju bila u stanju fluksa. tri različita kompozicije. U početku se sastojao od lakih gasova (vodonik i helijum) uhvaćenih iz međuplanetarnog prostora. Ovo je tzv primarna atmosfera. U sljedećoj fazi, aktivna vulkanska aktivnost dovela je do zasićenja atmosfere drugim plinovima osim vodonika (ugljični dioksid, amonijak, vodena para). Ovako je nastala sekundarna atmosfera. Ova atmosfera je bila obnavljajuća. Nadalje, proces formiranja atmosfere određen je sljedećim faktorima:
- curenje lakih gasova (vodonik i helijum) u međuplanetarni prostor;
- hemijske reakcije koje se dešavaju u atmosferi pod uticajem ultraljubičastog zračenja, pražnjenja groma i nekih drugih faktora.
Postepeno su ovi faktori doveli do formiranja tercijarne atmosfere, koju karakterizira mnogo manji sadržaj vodika i mnogo veći sadržaj dušika i ugljičnog dioksida (nastalih kao rezultat kemijskih reakcija iz amonijaka i ugljikovodika).
Nitrogen
Formiranje velike količine dušika N2 posljedica je oksidacije atmosfere amonijak-vodik molekularnim kisikom O2, koji je počeo dolaziti s površine planete kao rezultat fotosinteze, počevši prije 3 milijarde godina. Dušik N2 se također oslobađa u atmosferu kao rezultat denitrifikacije nitrata i drugih spojeva koji sadrže dušik. Dušik se oksidira ozonom u NO u gornjoj atmosferi.
Azot N 2 reaguje samo pod određenim uslovima (na primer, tokom pražnjenja groma). Oksidacija molekularnog azota ozonom tokom električnih pražnjenja koristi se u malim količinama u industrijskoj proizvodnji azotnih đubriva. Cijanobakterije (plavo-zelene alge) i bakterije kvržice, koje formiraju rizobijalnu simbiozu sa mahunarkama, koje mogu biti efikasna zelena gnojiva – biljke koje ne iscrpljuju, ali obogaćuju tlo prirodnim gnojivima, mogu ga oksidirati uz malu potrošnju energije i pretvoriti ga u biološki aktivan oblik.
Kiseonik
Sastav atmosfere počeo se radikalno mijenjati pojavom živih organizama na Zemlji kao rezultat fotosinteze, praćene oslobađanjem kisika i apsorpcijom ugljičnog dioksida. U početku se kiseonik trošio na oksidaciju redukovanih jedinjenja – amonijaka, ugljovodonika, željeznog oblika gvožđa sadržanog u okeanima, itd. Na kraju ove faze, sadržaj kiseonika u atmosferi počeo je da raste. Postepeno se formirala moderna atmosfera sa oksidativnim svojstvima. Budući da je to izazvalo ozbiljne i nagle promjene u mnogim procesima u atmosferi, litosferi i biosferi, ovaj događaj je nazvan kisikovom katastrofom.
Plemeniti gasovi
Zagađenje zraka
Nedavno su ljudi počeli da utiču na evoluciju atmosfere. Rezultat ljudska aktivnost Došlo je do stalnog povećanja sadržaja ugljičnog dioksida u atmosferi zbog sagorijevanja ugljikovodičnih goriva akumuliranih u prethodnim geološkim erama. Ogromne količine CO 2 troše se tokom fotosinteze i apsorbuju ga svjetski okeani. Ovaj plin ulazi u atmosferu zbog raspadanja karbonatnih stijena i organskih tvari biljnog i životinjskog porijekla, kao i zbog vulkanizma i ljudske industrijske aktivnosti. U proteklih 100 godina, sadržaj CO 2 u atmosferi porastao je za 10%, pri čemu najveći dio (360 milijardi tona) dolazi od sagorijevanja goriva. Ako se nastavi stopa rasta sagorijevanja goriva, onda će se u sljedećih 200-300 godina količina CO 2 u atmosferi udvostručiti i mogla bi dovesti do globalnih klimatskih promjena.
Sagorevanje goriva je glavni izvor zagađujućih gasova (CO, SO2). Sumpor dioksid se oksidira kisikom iz atmosfere do SO 3, a dušikov oksid u NO 2 u gornjim slojevima atmosfere, koji zauzvrat stupaju u interakciju s vodenom parom, a rezultirajuća sumporna kiselina H 2 SO 4 i dušična kiselina HNO 3 padaju u površine Zemlje u obliku tzv kisela kiša. Upotreba