Svijet oko nas sastoji se od tri vrlo različita dijela: zemlje, vode i zraka. Svaki od njih je jedinstven i zanimljiv na svoj način. Sada ćemo govoriti samo o posljednjem od njih. Što je atmosfera? Kako je nastao? Od čega se sastoji i na koje je dijelove podijeljen? Sva ova pitanja su izuzetno zanimljiva.
Sam naziv "atmosfera" nastao je od dvije riječi grčko podrijetlo, prevedeno na ruski znači "para" i "lopta". A ako pogledate točnu definiciju, možete pročitati sljedeće: "Atmosfera je zračni omotač planeta Zemlje, koji juri zajedno s njom u svemiru." Razvijao se paralelno s geološkim i geokemijskim procesima koji su se odvijali na planetu. I danas svi procesi koji se odvijaju u živim organizmima ovise o tome. Bez atmosfere, planet bi postao beživotna pustinja, poput Mjeseca.
Od čega se sastoji?
Pitanje što je atmosfera i koji su elementi uključeni u nju zanimalo je ljude dugo vremena. Glavne komponente ove školjke bile su poznate već 1774. Postavio ih je Antoine Lavoisier. Otkrio je da sastav atmosfere najvećim dijelom nastala od dušika i kisika. S vremenom su njegove komponente rafinirane. A sada se zna da sadrži i mnoge druge plinove, kao i vodu i prašinu.
Pogledajmo pobliže što čini Zemljinu atmosferu u blizini njezine površine. Najčešći plin je dušik. Sadrži nešto više od 78 posto. Ali, unatoč tako velikoj količini, dušik je praktički neaktivan u zraku.
Sljedeći element po količini i vrlo važan po važnosti je kisik. Ovaj plin sadrži gotovo 21% i pokazuje vrlo visoku aktivnost. Njegova specifična funkcija je oksidacija mrtve organske tvari, koja se kao rezultat ove reakcije razgrađuje.
Niski, ali važni plinovi
Treći plin koji je dio atmosfere je argon. To je nešto manje od jedan posto. Nakon njega dolaze ugljični dioksid s neonom, helij s metanom, kripton s vodikom, ksenon, ozon pa čak i amonijak. Ali ima ih tako malo da je postotak takvih komponenti jednak stotinkama, tisućinkama i milijuntinkama. Od njih igra samo ugljični dioksid značajnu ulogu, budući da je građevni materijal potreban biljkama 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 planetu je pouzdano zaštićen. S druge strane, ozon utječe na temperaturu stratosfere. Zbog činjenice da apsorbira ovo zračenje, zrak se zagrijava.
Konstantnost kvantitativnog sastava atmosfere održava se neprekidnim miješanjem. Njegovi se slojevi pomiču vodoravno i okomito. Dakle, bilo gdje na kugli zemaljskoj ima dovoljno kisika i nema viška ugljični dioksid.
Što je još u zraku?
Treba napomenuti da se para i prašina mogu naći u zračnom prostoru. Potonji se sastoji od čestica peludi i tla, au gradu im se pridružuju nečistoće čvrstih emisija iz ispušnih plinova.
Ali u atmosferi ima puno vode. Pod određenim uvjetima dolazi do kondenzacije i pojave oblaka i magle. U suštini, to su iste stvari, samo što se prve pojavljuju visoko iznad površine Zemlje, a posljednje se šire duž nje. Oblaci poprimaju različite oblike. Ovaj proces ovisi o visini iznad Zemlje.
Ako su se formirale 2 km iznad kopna, onda se nazivaju slojevitim. Iz njih pada kiša na zemlju ili pada snijeg. Iznad njih nastaju kumulusi do visine od 8 km. One su uvijek najljepše i najslikovitije. 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 podijeljena atmosfera?
Iako imaju vrlo različite temperature jedna od druge, vrlo je teško reći na kojoj specifičnoj visini jedan sloj počinje, a drugi završava. Ova je podjela vrlo uvjetna i približna je. Međutim, slojevi atmosfere još uvijek postoje i obavljaju svoje funkcije.
Najviše Donji dio Zračni omotač naziva se troposfera. Njegova se debljina povećava kako se pomiče od polova prema ekvatoru od 8 do 18 km. Ovo je najtopliji dio atmosfere jer se zrak u njemu zagrijava od Zemljine površine. Najveći dio vodene pare koncentriran je u troposferi, zbog čega se stvaraju oblaci, padaju oborine, tutnjava grmljavina i pušu vjetrovi.
Sljedeći sloj je debeo oko 40 km i naziva se stratosfera. Ako promatrač prijeđe u ovaj dio zraka, vidjet će da je nebo postalo ljubičasto. To se objašnjava niskom gustoćom tvari, koja praktički ne raspršuje sunčeve zrake. U tom sloju lete mlazni avioni. Za njih su otvoreni svi otvoreni prostori, jer oblaka praktički nema. Unutar stratosfere nalazi se sloj koji se sastoji od velika količina ozon.
Nakon nje dolaze stratopauza i mezosfera. Potonji je debeo oko 30 km. Karakterizira ga nagli pad gustoće zraka i temperature. Promatraču se nebo čini crno. Ovdje čak i danju možete gledati zvijezde.
Slojevi u kojima praktički nema zraka
Struktura atmosfere nastavlja se slojem koji se naziva termosfera - najduži od svih ostalih, njegova debljina doseže 400 km. Ovaj sloj se odlikuje ogromnom temperaturom koja može doseći 1700 °C.
Posljednje dvije sfere često se spajaju u jednu i nazivaju ionosfera. To je zbog činjenice da se u njima javljaju reakcije s oslobađanjem iona. Upravo ti slojevi omogućuju promatranje takvog prirodnog fenomena kao što je sjeverno svjetlo.
Sljedećih 50 km od Zemlje pripada egzosferi. Ovo je vanjski omotač atmosfere. Raspršuje čestice zraka u prostor. Meteorološki sateliti obično se kreću u ovom sloju.
Zemljina atmosfera završava magnetosferom. Ona je bila ta koja je sklonila većinu umjetni sateliti planeti.
Nakon svega rečenog ne bi trebalo ostati pitanja o tome kakva je atmosfera. Ako imate sumnje u njegovu nužnost, one se lako mogu otkloniti.
Značenje atmosfere
Glavna funkcija atmosfere je zaštititi površinu planeta od pregrijavanja danju i prekomjernog hlađenja noću. Sljedeća važna svrha ove školjke, koju nitko neće osporiti, je opskrba kisikom svih živih bića. Bez toga bi se ugušili.
Većina meteorita izgori gornje slojeve, nikada ne stižu do površine Zemlje. I ljudi se mogu diviti letećim svjetlima, pogrešno ih misleći o zvijezdama padalicama. Bez atmosfere, cijela bi Zemlja bila prepuna kratera. O zaštiti od sunčevog zračenja već je bilo riječi gore.
Kako čovjek utječe na atmosferu?
Vrlo negativno. To je zbog sve veće aktivnosti ljudi. Glavni udio svih negativne bodove računa za industriju i transport. Inače, automobili emitiraju gotovo 60% svih zagađivača koji prodiru u atmosferu. Preostalih četrdesetak podijeljeno je na energetiku i industriju te industrije zbrinjavanja otpada.
Popis štetnih tvari koje svakodnevno nadopunjuju zrak vrlo je dug. Zbog transporta u atmosferi se nalaze: dušik i sumpor, ugljik, plav i čađa, kao i jaki kancerogen, koji izazivaju rak koža - benzopiren.
Industrija je odgovorna za to kemijski elementi: sumporov dioksid, ugljikovodik i sumporovodik, amonijak i fenol, klor i fluor. Ako se proces nastavi, onda će uskoro stići odgovori na pitanja: “Kakva je atmosfera? Od čega se sastoji? bit će 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 širinama; niža zimi nego ljeti. Donji, glavni sloj atmosfere. Sadrži više od 80% ukupne mase atmosferskog zraka i oko 90% sve vodene pare prisutne u atmosferi. U troposferi su jako razvijene turbulencija i konvekcija, pojavljuju se oblaci, razvijaju se ciklone i anticiklone. Temperatura opada s povećanjem nadmorske visine s prosječnim vertikalnim gradijentom od 0,65°/100 m
Sljedeći uvjeti su prihvaćeni kao "normalni uvjeti" na površini Zemlje: gustoća 1,2 kg/m3, barometarski tlak 101,35 kPa, temperatura plus 20 °C i relativna vlažnost 50%. Ovi uvjetni pokazatelji imaju čisto inženjersko značenje.
Stratosfera
Sloj atmosfere koji se nalazi na visini od 11 do 50 km. Karakterizira ga neznatna promjena temperature u sloju od 11-25 km (donji sloj stratosfere) i porast temperature u sloju od 25-40 km od -56,5 do 0,8 ° (gornji sloj stratosfere ili područje inverzije). Nakon što je dosegla vrijednost od oko 273 K (gotovo 0 °C) na visini od oko 40 km, temperatura ostaje konstantna do visine od oko 55 km. Ovo područje stalna temperatura naziva se stratopauza i granica je između stratosfere i mezosfere.
Stratopauza
Granični sloj atmosfere između stratosfere i mezosfere. U vertikalnoj raspodjeli temperature postoji maksimum (oko 0 °C).
Mezosfera
Mezopauza
Prijelazni sloj između mezosfere i termosfere. Postoji minimum u vertikalnoj raspodjeli temperature (oko -90°C).
Karmanova linija
Visina iznad razine mora, koja se konvencionalno prihvaća kao granica između Zemljine atmosfere i svemira.
Termosfera
Gornja granica je oko 800 km. Temperatura raste do visina od 200-300 km, gdje doseže vrijednosti reda veličine 1500 K, nakon čega ostaje gotovo konstantna do velikih nadmorskih visina. Pod utjecajem ultraljubičastog i rendgenskog sunčevog zračenja i kozmičkog zračenja dolazi do ionizacije zraka ("aurore") - glavna područja ionosfere leže unutar termosfere. Na visinama iznad 300 km prevladava atomski kisik.
Egzosfera (sfera raspršenja)
Do visine od 100 km atmosfera je homogena, dobro izmiješana smjesa plinova. U višim slojevima raspodjela plinova po visini ovisi o njihovoj molekulskoj masi, a koncentracija težih plinova brže opada s udaljenošću od površine Zemlje. Zbog smanjenja gustoće plina temperatura pada od 0 °C u stratosferi do -110 °C u mezosferi. Međutim, kinetička energija pojedinačnih čestica na visinama od 200-250 km odgovara temperaturi od ~1500°C. Iznad 200 km uočavaju se značajne fluktuacije temperature i gustoće plina u vremenu i prostoru.
Na visini od oko 2000-3000 km egzosfera postupno prelazi u tzv. bliski svemirski vakuum, koji je ispunjen visoko razrijeđenim česticama međuplanetarnog plina, uglavnom atomima vodika. Ali ovaj plin predstavlja samo dio međuplanetarne materije. Drugi dio čine čestice prašine kometnog i meteorskog podrijetla. Osim iznimno razrijeđenih čestica prašine, u ovaj prostor prodire elektromagnetsko i korpuskularno zračenje sunčevog i galaktičkog podrijetla.
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 temelju električnih svojstava u atmosferi razlikuju se neutronosfera i ionosfera. Trenutno se vjeruje da se atmosfera proteže do visine od 2000-3000 km.
Ovisno o sastavu plina u atmosferi, emitiraju homosfera I heterosfera. Heterosfera- To je područje gdje gravitacija utječe na razdvajanje plinova, jer je njihovo miješanje na tolikoj visini zanemarivo. To podrazumijeva promjenjiv sastav heterosfere. Ispod njega nalazi se dobro izmiješan, homogeni dio atmosfere koji se naziva homosfera. Granica između ovih slojeva naziva se turbopauza, nalazi se na visini od oko 120 km.
Fizička svojstva
Debljina atmosfere je otprilike 2000 - 3000 km od Zemljine površine. Ukupna masa zraka je (5,1-5,3)?10 18 kg. Molarna masa čistog suhog zraka je 28,966. Tlak na 0 °C na razini mora 101,325 kPa; kritična temperatura ?140,7 °C; kritični tlak 3,7 MPa; C p 1,0048?10? J/(kg K)(pri 0 °C), C v 0,7159 10? J/(kg K) (pri 0 °C). Topivost zraka u vodi na 0°C je 0,036%, na 25°C - 0,22%.
Fiziološka i druga svojstva atmosfere
Već na visini od 5 km iznad razine mora, neobučena osoba počinje osjećati gladovanje kisikom i bez prilagodbe, performanse osobe značajno se smanjuju. Ovdje 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 potrebnim za disanje. Međutim, zbog pada ukupnog tlaka atmosfere, kako se dižete na visinu, parcijalni tlak kisika se u skladu s tim smanjuje.
Ljudska pluća stalno sadrže oko 3 litre alveolarnog zraka. Parcijalni tlak kisika u alveolarnom zraku pri normalnom atmosferskom tlaku iznosi 110 mmHg. Art., Tlak ugljičnog dioksida - 40 mm Hg. Art., I vodena para - 47 mm Hg. Umjetnost. S porastom nadmorske visine tlak kisika pada, a ukupni tlak pare vode i ugljičnog dioksida u plućima ostaje gotovo konstantan – oko 87 mm Hg. Umjetnost. Opskrba pluća kisikom potpuno će prestati kada tlak okolnog zraka postane jednak toj vrijednosti.
Na visini od oko 19-20 km atmosferski tlak pada na 47 mm Hg. Umjetnost. Stoga na ovoj visini voda i međustanična tekućina počinju ključati u ljudskom tijelu. Izvan kabine pod tlakom na ovim visinama smrt nastupa gotovo trenutno. Dakle, sa stajališta ljudske fiziologije, "svemir" počinje već na visini od 15-19 km.
Gusti slojevi zraka - troposfera i stratosfera - štite nas od štetnog djelovanja zračenja. Uz dovoljnu razrijeđenost zraka, na visinama većim od 36 km, ionizirajuće zračenje - primarne kozmičke zrake - ima intenzivan učinak na tijelo; Na visinama većim od 40 km ultraljubičasti dio sunčevog spektra je opasan za čovjeka.
Kako se dižemo na sve veću visinu iznad Zemljine površine, tako poznati fenomeni opaženi u nižim slojevima atmosfere kao što su širenje zvuka, pojava aerodinamičkog uzgona i otpora, prijenos topline konvekcijom itd., postupno slabe i 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 uzgon za kontrolirani aerodinamički let. Ali počevši od visine od 100-130 km, pojmovi broja M i zvučnog zida, poznati svakom pilotu, gube svoje značenje; tu 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 izvanrednog svojstva - sposobnosti upijanja, provođenja i prijenosa Termalna energija konvekcijom (tj. miješanjem zraka). To znači da razni elementi opreme, orbitalne opreme svemirska postaja neće se moći rashladiti vani na isti način kako se to obično radi u zrakoplovu – uz pomoć mlaznice zraka i zračni radijatori. Na takvoj visini, kao općenito u svemiru, jedini način prijenos topline je toplinsko zračenje.
Atmosferski sastav
Zemljina atmosfera sastoji se uglavnom od plinova i raznih nečistoća (prašine, kapljica vode, kristala leda, morske soli, produkata izgaranja).
Koncentracija plinova koji čine atmosferu gotovo je konstantna, s izuzetkom vode (H 2 O) i ugljičnog dioksida (CO 2).
| Plin | Sadržaj po volumenu,% |
Sadržaj po težini,% |
|---|---|---|
| Dušik | 78,084 | 75,50 |
| Kisik | 20,946 | 23,10 |
| Argon | 0,932 | 1,286 |
| Voda | 0,5-4 | - |
| Ugljični dioksid | 0,032 | 0,046 |
| Neon | 1,818×10 −3 | 1,3×10 −3 |
| Helij | 4,6×10 −4 | 7,2×10 −5 |
| Metan | 1,7×10 −4 | - |
| Kripton | 1,14×10 −4 | 2,9×10 −4 |
| Vodik | 5×10 −5 | 7,6×10 −5 |
| Ksenon | 8,7×10 −6 | - |
| Dušikov oksid | 5×10 −5 | 7,7×10 −5 |
Osim plinova navedenih u tablici, atmosfera sadrži SO 2, NH 3, CO, ozon, ugljikovodike, HCl, pare, I 2, kao i mnoge druge plinove u malim količinama. U troposferi se stalno nalazi velika količina suspendiranih krutih i tekućih čestica (aerosol).
Povijest nastanka atmosfere
Prema najrasprostranjenijoj teoriji, Zemljina je atmosfera tijekom vremena imala četiri različita sastava. U početku se sastojao od lakih plinova (vodika i helija) 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 plinovima koji nisu vodik (ugljični dioksid, amonijak, vodena para). Tako je nastala sekundarna atmosfera(oko tri milijarde godina prije današnjeg dana). Ova je atmosfera bila oporavljajuća. Nadalje, proces formiranja atmosfere određen je sljedećim čimbenicima:
- curenje lakih plinova (vodika i helija) u međuplanetarni prostor;
- kemijske reakcije koje se odvijaju u atmosferi pod utjecajem ultraljubičastog zračenja, pražnjenja munje i nekih drugih čimbenika.
Postupno su ti čimbenici doveli do formiranja tercijarna atmosfera, karakteriziran puno nižim udjelom vodika i puno većim udjelom dušika i ugljičnog dioksida (nastalog kao rezultat kemijske reakcije od amonijaka i ugljikovodika).
Dušik
Nastanak velike količine N 2 posljedica je oksidacije atmosfere amonijak-vodik molekularnim O 2, koji je počeo dolaziti s površine planeta kao rezultat fotosinteze, počevši prije 3 milijarde godina. N2 se također ispušta u atmosferu kao rezultat denitrifikacije nitrata i drugih spojeva koji sadrže dušik. Dušik se oksidira ozonom u NO u gornjoj atmosferi.
Dušik N 2 reagira samo pod određenim uvjetima (na primjer, tijekom pražnjenja munje). Oksidacija molekularnog dušika ozonom tijekom električnih pražnjenja koristi se u industrijska proizvodnja dušična gnojiva. Oksidirajte ga uz malu potrošnju energije i pretvorite u biološki aktivni oblik Cijanobakterije (modrozelene alge) i kvržične bakterije koje tvore rizobijalnu simbiozu s leguminoznim biljkama, tzv. zelena gnojidba.
Kisik
Sastav atmosfere počeo se radikalno mijenjati pojavom živih organizama na Zemlji, kao rezultat fotosinteze, praćene oslobađanjem kisika i apsorpcijom ugljičnog dioksida. U početku se kisik trošio na oksidaciju reduciranih spojeva - amonijaka, ugljikovodika, željeznog oblika željeza sadržanog u oceanima itd. Na kraju ove faze sadržaj kisika u atmosferi počeo je rasti. Postupno se formirala moderna atmosfera s oksidacijskim svojstvima. Budući da je uzrokovao velike i nagle promjene u mnogim procesima koji se odvijaju u atmosferi, litosferi i biosferi, događaj je nazvan kisikovom katastrofom.
Ugljični dioksid
Sadržaj CO 2 u atmosferi ovisi o vulkanskoj aktivnosti i kemijskim procesima u zemljinim ljuskama, ali ponajviše o intenzitetu biosinteze i razgradnje organske tvari u Zemljinoj biosferi. Gotovo cjelokupna trenutna biomasa planeta (oko 2,4 × 10 12 tona) nastaje zbog ugljičnog dioksida, dušika i vodene pare sadržane u atmosferskom zraku. Organske tvari zakopane u oceanima, močvarama i šumama pretvaraju se u ugljen, naftu i prirodni plin. (vidi Geokemijski ciklus ugljika)
Plemeniti plinovi
Zagađenje zraka
U U zadnje vrijemeČovjek je počeo utjecati na razvoj atmosfere. Rezultat njegovih aktivnosti bio je stalni značajan porast sadržaja ugljičnog dioksida u atmosferi zbog izgaranja ugljikovodičnih goriva akumuliranih u prethodnim geološkim erama. Ogromne količine CO 2 troše se tijekom fotosinteze i apsorbiraju ga svjetski oceani. Ovaj plin ulazi u atmosferu zbog raspadanja karbonatnih stijena i organska tvar biljnog i životinjskog podrijetla, kao i zbog vulkanizma i ljudske industrijske aktivnosti. Tijekom proteklih 100 godina sadržaj CO 2 u atmosferi povećao se za 10%, pri čemu najveći dio (360 milijardi tona) dolazi izgaranjem goriva. Ako se stopa rasta izgaranja goriva nastavi, tada će se u sljedećih 50-60 godina količina CO 2 u atmosferi udvostručiti i mogla bi dovesti do globalnih klimatskih promjena.
Izgaranje goriva glavni je izvor zagađujućih plinova (CO, SO2). Sumporni dioksid se oksidira atmosferskim kisikom u SO 3 u gornjim slojevima atmosfere, koji zauzvrat stupa u interakciju s vodom i parama amonijaka, te nastaje sumporna kiselina (H 2 SO 4) i amonijev sulfat ((NH 4) 2 SO 4 ) vraćaju se na površinu Zemlje u obliku tzv. kisela kiša. Korištenje motora s unutarnjim izgaranjem dovodi do značajnog onečišćenja atmosfere dušikovim oksidima, ugljikovodicima i spojevima olova (tetraetilolovo Pb(CH 3 CH 2) 4)).
Aerosolno onečišćenje atmosfere uzrokovano je kako prirodnim uzrocima (vulkanske erupcije, prašne oluje, unošenje kapljica morske vode i peludi biljaka itd.), tako i ljudskim gospodarskim aktivnostima (vađenje ruda i građevinskog materijala, spaljivanje goriva, proizvodnja cementa itd.). ). Intenzivna velika emisija krutih čestica u atmosferu jedna je od mogući razlozi promjene u klimi planeta.
Književnost
- V. V. Parin, F. P. Kosmolinsky, B. A. Dushkov “Svemirska biologija i medicina” (2. izdanje, revidirano i prošireno), M.: “Prosveshchenie”, 1975., 223 str.
- N. V. Gusakova “Kemija” okoliš", Rostov na Donu: Phoenix, 2004., 192 s ISBN 5-222-05386-5
- Sokolov V. A.. Geokemija prirodnih plinova, M., 1971;
- McEwen M., Phillips L.. Atmosferska kemija, M., 1978.;
- Wark K., Warner S., Onečišćenje zraka. Izvori i kontrola, prev. s engleskog, M.. 1980.;
- Praćenje pozadinskog onečišćenja prirodnih okoliša. V. 1, L., 1982.
vidi također
Linkovi
|
Zemljina atmosfera |
Sastav atmosfere. Zračni omotač našeg planeta - atmosferaštiti zemljinu površinu od štetnog djelovanja ultraljubičastog zračenja Sunca na žive organizme. Također štiti Zemlju od kozmičkih čestica – prašine i meteorita.
Atmosfera se sastoji od mehaničke mješavine plinova: 78% njenog volumena je dušik, 21% je kisik i manje od 1% je helij, argon, kripton i drugi inertni plinovi. 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 izgaranje, biljke stalno obnavljaju.
Do visine od otprilike 100 km postotak ovih plinova ostaje gotovo nepromijenjen. To je zbog činjenice da se zrak stalno miješa.
Osim spomenutih plinova, atmosfera sadrži oko 0,03% ugljičnog dioksida, koji je obično koncentriran blizu površine zemlje i neravnomjerno je raspoređen: u gradovima, industrijskim središtima i područjima vulkanske aktivnosti njegova količina raste.
U atmosferi uvijek postoji određena količina nečistoća – vodene pare i prašine. Sadržaj vodene pare ovisi o temperaturi zraka: što je temperatura viša, zrak može primiti više pare. Zbog prisutnosti parovite vode u zraku moguće su atmosferske pojave kao što su duga, lom sunčeve svjetlosti i dr.
Prašina ulazi u atmosferu tijekom vulkanskih erupcija, pješčanih i prašnjavih oluja, tijekom nepotpunog izgaranja goriva u termoelektranama itd.
Struktura atmosfere. Gustoća atmosfere mijenja se s nadmorskom visinom: najveća je na Zemljinoj površini, a opada kako se diže. Tako je na visini od 5,5 km gustoća atmosfere 2 puta, a na visini od 11 km 4 puta manja nego u površinskom sloju.
Ovisno o gustoći, sastavu i svojstvima plinova, atmosfera se dijeli na pet koncentričnih slojeva (slika 34).
Riža. 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 zraka u troposferi opada s visinom za 0,6 °C svakih 100 m i na njenoj gornjoj granici iznosi -45-55 °C.
Zrak u troposferi stalno se miješa i kreće u različitim smjerovima. Samo se ovdje promatraju magle, kiše, snježne padaline, grmljavine, oluje i druge vremenske pojave.
2. Nalazi se iznad stratosfera, koja se proteže do visine od 50-55 km. Gustoća zraka i tlak u stratosferi su zanemarivi. Razrijeđeni zrak sastoji se od istih plinova kao u troposferi, ali sadrži više ozona. Najveća koncentracija ozona opažena je na nadmorskoj visini od 15-30 km. Temperatura u stratosferi raste s visinom i na svojoj gornjoj granici doseže 0 °C i više. To je zato što ozon apsorbira kratkovalnu energiju sunca, uzrokujući zagrijavanje zraka.
3. Leži iznad stratosfere mezosfera, proteže se do visine od 80 km. Tamo temperatura ponovno pada i doseže -90 °C. Gustoća zraka tamo je 200 puta manja nego na površini Zemlje.
4. Iznad mezosfere nalazi se termosfera(od 80 do 800 km). Temperatura u ovom sloju raste: na visini od 150 km do 220 °C; na visini od 600 km do 1500 °C. Atmosferski plinovi (dušik i kisik) su u ioniziranom stanju. Pod utjecajem kratkovalnog sunčevog zračenja dolazi do izdvajanja pojedinačnih elektrona iz ljuski atoma. Kao rezultat, u ovom sloju - ionosfera pojavljuju se slojevi nabijenih čestica. Njihov najgušći sloj nalazi se na nadmorskoj visini od 300-400 km. Zbog male gustoće sunčeve zrake se ondje ne raspršuju pa je nebo crno, na njemu sjaje zvijezde i planeti.
U ionosferi postoje polarna svjetla, snažan električne struje koji uzrokuju 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, tako da pojedinačne čestice mogu nadvladati gravitaciju i pobjeći u svemir.
Značenje atmosfere. Uloga atmosfere u životu našeg planeta iznimno je velika. Bez nje bi Zemlja bila mrtva. Atmosfera štiti Zemljinu površinu od ekstremnog zagrijavanja i hlađenja. Njegov se učinak može usporediti s ulogom stakla u staklenicima: propušta sunčeve zrake i sprječava gubitak topline.
Atmosfera štiti žive organizme od kratkovalnog i korpuskularnog zračenja Sunca. Atmosfera je okolina u kojoj se događaju vremenske pojave, s kojom je povezana sva ljudska djelatnost. Proučavanje ove školjke provodi se na meteorološkim postajama. Danju i noću, po svakom vremenu, meteorolozi prate stanje donjeg sloja atmosfere. Četiri puta dnevno, a na mnogim postajama svaki sat mjere temperaturu, tlak, vlažnost zraka, bilježe naoblaku, smjer i brzinu vjetra, količinu oborine, električne i zvučne pojave u atmosferi. Meteorološke postaje nalaze se posvuda: na Antarktici iu tropskim kišnim šumama, na visoke planine i u golemim prostranstvima tundre. Promatranja se također provode na oceanima sa posebno izgrađenih brodova.
Od 30-ih godina. XX. stoljeća promatranja su započela u slobodnoj atmosferi. Počeli su lansirati radiosonde koje se dižu na visinu od 25-35 km i pomoću radio opreme prenose na Zemlju informacije o temperaturi, tlaku, vlažnosti zraka i brzini vjetra. U današnje vrijeme također se široko koriste meteorološke rakete i sateliti. Potonji imaju televizijske instalacije koje prenose slike zemljine površine i oblaka.
| |
5. Zračni omotač zemlje§ 31. Zagrijavanje atmosfere
Na razini mora 1013,25 hPa (oko 760 mmHg). Globalna prosječna temperatura zraka na Zemljinoj površini iznosi 15°C, a temperature variraju od približno 57°C u suptropskim pustinjama do -89°C na Antarktici. Gustoća i tlak zraka opadaju s visinom po zakonu bliskom eksponencijalnom.
Struktura atmosfere. Okomito, atmosfera ima slojevitu strukturu, određenu uglavnom značajkama 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 širinama do 16-18 km u tropima. Zbog brzog opadanja gustoće zraka s visinom, oko 80% ukupne mase atmosfere nalazi se u troposferi. Iznad troposfere je stratosfera – sloj koji karakterizira u opći porast temperature s nadmorskom visinom. Prijelazni sloj između troposfere i stratosfere naziva se tropopauza. U nižoj stratosferi, do razine od oko 20 km, temperatura se malo mijenja s visinom (tzv. izotermno područje), a često čak i lagano opada. Iznad toga temperatura raste zbog apsorpcije UV zračenja Sunca od strane ozona, isprva polagano, a od razine 34-36 km brže. 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 visini od 55-85 km, gdje temperatura opet opada s visinom, naziva se mezosfera; na njenoj gornjoj granici - mezopauzi - temperatura ljeti doseže 150-160 K, a 200-230 Zimi K. Iznad mezopauze počinje termosfera – sloj karakteriziran brzi uspon temperature koje na visini od 250 km dosežu 800-1200 K. U termosferi se apsorbira korpuskularno i rendgensko zračenje Sunca, meteori se usporavaju i spaljuju, pa djeluje kao zaštitni sloj Zemlje. Još više je egzosfera, odakle se atmosferski plinovi zbog disipacije raspršuju u svemir i gdje dolazi do postupnog prijelaza iz atmosfere u međuplanetarni prostor.
Atmosferski sastav. Do visine od oko 100 km atmosfera je gotovo homogena po kemijskom sastavu, a prosječna molekularna masa zraka (oko 29) je konstantna. U blizini Zemljine površine atmosfera se sastoji od dušika (oko 78,1 % po volumenu) i kisika (oko 20,9 %), a sadrži i male količine argona, ugljičnog dioksida (ugljikov dioksid), neona i drugih stalnih i promjenjivih komponenti (vidi Zrak ).
Osim toga, atmosfera sadrži male količine ozona, dušikovih oksida, amonijaka, radona itd. Relativni udio glavnih sastojaka zraka konstantan je tijekom vremena i ujednačen u različitim zemljopisnim područjima. Sadržaj vodene pare i ozona promjenjiv je u prostoru i vremenu; Unatoč malom sadržaju, njihova je uloga u atmosferskim procesima vrlo značajna.
Iznad 100-110 km dolazi do disocijacije molekula kisika, ugljičnog dioksida i vodene pare, pa se molekularna masa zraka smanjuje. Na visini od oko 1000 km počinju prevladavati laki plinovi - helij i vodik, a još više Zemljina atmosfera postupno prelazi u međuplanetarni plin.
Najvažnija promjenjiva komponenta atmosfere je vodena para koja u atmosferu ulazi isparavanjem s površine vode i vlažnog tla te transpiracijom biljaka. Relativni sadržaj vodene pare varira na površini zemlje od 2,6% u tropima do 0,2% u polarnim širinama. Brzo pada s visinom, smanjujući se za pola već na visini od 1,5-2 km. Vertikalni stupac atmosfere na umjerenim geografskim širinama sadrži oko 1,7 cm "taloženog vodenog sloja". Pri kondenzaciji vodene pare nastaju oblaci iz kojih padaju atmosferske oborine u obliku kiše, tuče i snijega.
Važna komponenta atmosferskog zraka je ozon, koncentriran 90% u stratosferi (između 10 i 50 km), oko 10% ga je u troposferi. Ozon osigurava apsorpciju jakog UV zračenja (valne duljine manje od 290 nm) i 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 tlaku p = 1 atm i temperaturi T = 0°C). U ozonskim rupama promatranim u proljeće na Antarktici od ranih 1980-ih, sadržaj ozona može pasti na 0,07 cm. Povećava se od ekvatora prema polovima i ima godišnji ciklus s maksimumom u proljeće i minimumom u jesen, a amplituda 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 u posljednjih 200 godina povećao za 35%, što se uglavnom objašnjava antropogenim faktorom. Uočena je njegova geografska širina i sezonska varijabilnost, povezana s fotosintezom biljaka i topljivošću u morskoj vodi (prema Henryjevom zakonu, topljivost plina u vodi opada s porastom temperature).
Važna uloga Atmosferski aerosol—krute i tekuće čestice lebdeće u zraku veličine od nekoliko nm do desetaka mikrona—igra ulogu u oblikovanju klime planeta. Postoje aerosoli prirodnog i antropogenog podrijetla. Aerosol nastaje u procesu plinovitih reakcija od produkata biljnog života i ljudske gospodarske aktivnosti, vulkanskih erupcija, kao rezultat prašine koja se diže vjetrom s površine planeta, posebice s njegovih pustinjskih područja, a također je nastala od kozmičke prašine koja pada u gornje slojeve atmosfere. Većina aerosola koncentrirana je u troposferi; aerosol iz vulkanskih erupcija tvori takozvani Jungeov sloj na visini od oko 20 km. Najveća količina antropogenog aerosola dospije u atmosferu kao posljedica rada vozila i termoelektrana, kemijske proizvodnje, izgaranja goriva itd. Stoga se u nekim područjima sastav atmosfere znatno razlikuje od običnog zraka, što je zahtijevalo stvaranje posebne službe za motrenje i praćenje razine onečišćenja atmosferskog zraka.
Evolucija atmosfere. Moderna je atmosfera očito sekundarnog podrijetla: nastala je od ispuštenih plinova tvrda ljuska Zemlja nakon završetka formiranja planeta prije otprilike 4,5 milijardi godina. Tijekom geološka povijest Zemljina je atmosfera doživjela značajne promjene u svom sastavu pod utjecajem niza čimbenika: disipacija (isparavanje) plinova, uglavnom lakših, u svemir; ispuštanje plinova iz litosfere kao rezultat vulkanske aktivnosti; kemijske reakcije između komponenata atmosfere i stijena koje čine zemljinu koru; fotokemijske reakcije u samoj atmosferi pod utjecajem sunčevog UV zračenja; akrecija (hvatanje) tvari iz međuplanetarnog medija (primjerice meteorske tvari). Razvoj atmosfere usko je povezan s geološkim i geokemijskim procesima, au zadnjih 3-4 milijarde godina i s djelovanjem biosfere. Značajan dio plinova koji čine modernu atmosferu (dušik, ugljični dioksid, vodena para) nastao je tijekom vulkanske aktivnosti i prodora koji ih je nosio iz dubine Zemlje. Kisik se pojavio u znatnim količinama prije otprilike 2 milijarde godina kao rezultat aktivnosti fotosintetskih organizama koji su izvorno nastali u površinske vode ocean.
Na temelju podataka o kemijskom sastavu karbonatnih naslaga dobivene su procjene količine ugljičnog dioksida i kisika u atmosferi geološke prošlosti. Tijekom fanerozoika (zadnjih 570 milijuna godina Zemljine povijesti), količina ugljičnog dioksida u atmosferi uvelike je varirala ovisno o razini vulkanske aktivnosti, temperaturi oceana i brzini fotosinteze. Veći dio tog vremena koncentracija ugljičnog dioksida u atmosferi bila je znatno viša nego danas (i do 10 puta). Količina kisika u atmosferi fanerozoika značajno se promijenila, s prevladavajućim trendom povećanja. U prekambrijskoj atmosferi masa ugljičnog dioksida bila je u pravilu veća, a masa kisika manja u odnosu na atmosferu fanerozoika. Fluktuacije u količini ugljičnog dioksida imale su značajan utjecaj na klimu u prošlosti, povećavajući učinak staklenika s povećanjem koncentracije ugljičnog dioksida, čineći klimu znatno toplijom tijekom glavnog dijela fanerozoika u usporedbi s modernom erom.
Atmosfera i život. Bez atmosfere, Zemlja bi bila mrtav planet. Organski život javlja se u bliskoj interakciji s atmosferom i povezanom klimom i vremenom. Beznačajne mase u usporedbi s planetom kao cjelinom (otprilike dio na milijun), atmosfera je neizostavan uvjet za sve oblike života. Od atmosferskih plinova za život organizama najvažniji su kisik, dušik, vodena para, ugljikov dioksid i ozon. Kada fotosintetske biljke apsorbiraju ugljični dioksid, stvara se organska tvar koju kao izvor energije koristi velika većina živih bića, uključujući i čovjeka. Kisik je neophodan za postojanje aerobni organizmi, za koje se protok energije osigurava reakcijama oksidacije organske tvari. Dušik, koji asimiliraju neki mikroorganizmi (fiksatori dušika), neophodan je za mineralna ishrana bilje. Ozon, koji apsorbira jako UV zračenje Sunca, značajno slabi ovaj dio sunčevog zračenja štetnog za život. Kondenzacija vodene pare u atmosferi, stvaranje oblaka i padalina koje posljedično padaju opskrbljuju kopno vodom, bez koje nije moguć nijedan oblik života. Vitalna aktivnost organizama u hidrosferi uvelike je određena količinom i kemijskim sastavom atmosferskih plinova otopljenih u vodi. Budući da kemijski sastav atmosfere značajno ovisi o aktivnostima organizama, biosfera i atmosfera mogu se smatrati dijelom jedinstveni sustav, čije je održavanje i evolucija (vidi Biogeokemijski ciklusi) bilo od velike važnosti za promjenu sastava atmosfere kroz povijest Zemlje kao planeta.
Zračenje, toplinska i bilance vode atmosfera. Sunčevo zračenje je praktički jedini izvor energije za sve fizičke procese u atmosferi. glavna značajka režim zračenja atmosfere - tzv. efekt staklenika: atmosfera prilično dobro propušta sunčevo zračenje na zemljinu površinu, ali aktivno apsorbira toplinsko dugovalno zračenje sa zemljine površine, čiji se dio vraća na površinu u obliku brojača zračenje, kompenzirajući radijacijski gubitak topline sa zemljine površine (vidi Atmosfersko zračenje). U nedostatku atmosfere prosječna temperatura zemljine površine bila bi -18°C, au stvarnosti je 15°C. Dolazno sunčevo zračenje se djelomično (oko 20%) apsorbira u atmosferu (uglavnom vodenom parom, kapljicama vode, ugljikovim dioksidom, ozonom i aerosolima), a također se raspršuje (oko 7%) česticama aerosola i fluktuacijama gustoće (Rayleighovo raspršenje) . Ukupno zračenje koje dopire do zemljine površine djelomično se (oko 23%) odbija od nje. Koeficijent refleksije određen je refleksijom podloge, takozvanim albedom. U prosjeku je Zemljin albedo za integralni tok sunčevog zračenja blizu 30%. Varira od nekoliko postotaka (suho tlo i crnica) do 70-90% za svježe napadali snijeg. Izmjena topline zračenjem između zemljine površine i atmosfere bitno ovisi o albedu i određena je efektivnim zračenjem zemljine površine i protuzračenjem atmosfere koju ona apsorbira. Algebarski zbroj tokova zračenja koji ulaze u zemljinu atmosferu iz svemira i napuštaju je natrag naziva se bilanca zračenja.
Transformacije sunčevog zračenja nakon njegove apsorpcije u atmosferi i zemljinoj površini određuju toplinsku bilancu Zemlje kao planeta. Glavni izvor topline za atmosferu je zemljina površina; toplina iz njega prenosi se ne samo u obliku dugovalnog zračenja, već i konvekcijom, a oslobađa se i tijekom kondenzacije vodene pare. Udio ovih dotoka topline je u prosjeku 20%, 7% odnosno 23%. Ovdje se također dodaje oko 20% topline zbog apsorpcije izravnog sunčevog zračenja. Tok sunčevog zračenja po jedinici vremena kroz jedinicu površine okomito na sunčeve zrake i nalazi se izvan atmosfere na prosječnoj udaljenosti od Zemlje do Sunca (tzv. solarna konstanta), jednaka je 1367 W/m2, promjene su 1-2 W/m2 ovisno o ciklusu sunčeva aktivnost. Uz planetarni albedo od oko 30%, vremenski prosjek globalnog dotoka sunčeve energije na planet iznosi 239 W/m2. Budući da Zemlja kao planet u prosjeku emitira jednaku količinu energije u svemir, onda, prema Stefan-Boltzmannovom zakonu, efektivna temperatura izlazno toplinsko dugovalno zračenje 255 K (-18°C). Pri tome je prosječna temperatura zemljine površine 15°C. Razlika od 33°C je posljedica efekta staklenika.
Vodna bilanca atmosfere općenito odgovara jednakosti količine vlage isparene s površine Zemlje i količine padalina koje padnu na površinu Zemlje. Atmosfera nad oceanima dobiva više vlage iz procesa isparavanja nego nad kopnom, a gubi 90% u obliku oborina. Višak vodene pare iznad oceana zračnim strujama prenosi se na kontinente. Količina vodene pare prenesena u atmosferu iz oceana na kontinente jednaka je volumenu rijeka koje teku u oceane.
Kretanje zraka. Zemlja je sferičnog oblika, pa do njezinih visokih geografskih širina dopire mnogo manje sunčevog zračenja nego do tropskih krajeva. Zbog toga nastaju veliki temperaturni kontrasti između geografskih širina. Na raspodjelu temperature značajno utječu i relativni položaji oceana i kontinenata. Zbog velike mase oceanskih voda i velikog toplinskog kapaciteta vode, sezonska kolebanja površinske temperature oceana mnogo su manja nego na kopnu. S tim u vezi, u srednjim i visokim geografskim širinama temperatura zraka nad oceanima 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 razini mora, raspodjelu tlaka karakteriziraju relativno niske vrijednosti u blizini ekvatora, koje se povećavaju u suptropima (pojas visokotlačni) i smanjenje u srednjim i visokim geografskim širinama. Istodobno, nad kontinentima izvantropskih geografskih širina tlak je obično povišen zimi, a smanjen ljeti, što je povezano s raspodjelom temperature. Pod utjecajem gradijenta tlaka zrak doživljava ubrzanje usmjereno od područja visokog tlaka prema područjima niskog tlaka, što dovodi do kretanja zračnih masa. Na pokretne zračne mase također utječu otklonska sila Zemljine rotacije (Coriolisova sila), sila trenja, koja opada s visinom, a za zakrivljene putanje, centrifugalna sila. Turbulentno miješanje zraka je od velike važnosti (vidi Turbulencija u atmosferi).
Povezano s planetarnom distribucijom tlaka složen sustav zračna strujanja (opća atmosferska cirkulacija). U meridijalnoj ravnini mogu se u prosjeku pratiti dvije ili tri meridionalne cirkulacijske stanice. U blizini ekvatora, zagrijani zrak se diže i spušta u suptropima, tvoreći Hadleyjevu ćeliju. Tamo se spušta i zrak reverzne Ferrellove ćelije. Na velikim geografskim širinama često je vidljiva ravna polarna ćelija. Meridijalne brzine cirkulacije su reda veličine 1 m/s ili manje. Zbog Coriolisove sile u većini atmosfere opažaju se zapadni vjetrovi s brzinama u srednjoj troposferi od oko 15 m/s. Postoje relativno održivi sustavi vjetrovi. Tu spadaju pasati - vjetrovi koji pušu iz zona visokog tlaka u suptropima do ekvatora s primjetnom istočnom komponentom (od istoka prema zapadu). Monsuni su prilično stabilni - zračna strujanja koja imaju jasno izražen sezonski karakter: ljeti pušu s oceana na kopno, a zimi u suprotnom smjeru. Monsuni u Indijskom oceanu posebno su redoviti. U srednjim geografskim širinama kretanje zračnih masa je uglavnom zapadno (od zapada prema istoku). Ovo je zona atmosferskih fronti na kojima nastaju veliki vrtlozi - ciklone i anticiklone, koji pokrivaju stotine, pa čak i tisuće kilometara. Cikloni se javljaju i u tropima; ovdje se odlikuju manjim veličinama, ali vrlo velikim brzinama vjetra, koji dosežu snagu uragana (33 m/s ili više), takozvani tropski cikloni. U Atlantiku i na Istoku tihi ocean nazivaju se uragani, au zapadnom Tihom oceanu - tajfuni. U gornjoj troposferi i donjoj stratosferi, u područjima koja razdvajaju izravnu Hadleyjevu meridijalnu cirkulacijsku ćeliju i obrnutu Ferrellovu ćeliju, relativno uske, stotine kilometara široke, često se opažaju mlazne struje s oštro definiranim granicama, unutar kojih vjetar doseže 100-150 pa čak i 200 m/ Sa.
Klima i vrijeme. Razlika u količini sunčevog zračenja koje dolazi na različitim geografskim širinama do Zemljine površine, koja je raznolika u svojim fizičkim svojstvima, određuje raznolikost klime na Zemlji. Od ekvatora do tropskih geografskih širina temperatura zraka na zemljinoj površini iznosi u prosjeku 25-30°C i malo varira tijekom godine. U ekvatorijalnom pojasu obično ima mnogo oborina, što tamo stvara uvjete viška vlage. U tropskim zonama padalina se smanjuje, au nekim područjima postaje vrlo malo. Ovdje su ogromne pustinje Zemlje.
U suptropskim i srednjim geografskim širinama temperatura zraka značajno varira tijekom godine, a razlika između ljetnih i zimskih temperatura posebno je velika u područjima kontinenata udaljenim od oceana. Tako u nekim područjima istočnog Sibira godišnji raspon temperature zraka doseže 65°C. Uvjeti vlaženja u ovim geografskim širinama vrlo su raznoliki, ovise uglavnom o režimu opće atmosferske cirkulacije i značajno variraju od godine do godine.
U polarnim geografskim širinama temperatura ostaje niska tijekom cijele godine, čak i ako postoje zamjetne sezonske varijacije. To doprinosi rasprostranjenosti ledenog pokrivača na oceanima i kopnu te permafrosta, koji zauzimaju više od 65% njezine površine u Rusiji, uglavnom u Sibiru.
Proteklih desetljeća promjene u globalnoj klimi sve su uočljivije. Temperature više rastu na visokim geografskim širinama nego na nižim; više zimi nego ljeti; više noću nego danju. Tijekom 20. stoljeća prosječna godišnja temperatura zraka na zemljinoj površini u Rusiji porasla je za 1,5-2°C, au nekim područjima Sibira zabilježen je porast od nekoliko stupnjeva. To je povezano s povećanjem učinka staklenika zbog povećanja koncentracije plinova u tragovima.
Vrijeme je određeno uvjetima atmosferske cirkulacije i geografska lokacija terena, najstabilniji je u tropima, a najpromjenjiviji u srednjim i visokim geografskim širinama. Vrijeme se najviše mijenja u zonama promjenjivih zračnih masa uzrokovanih prolaskom atmosferskih fronti, ciklona i anticiklona s oborinama i pojačanim vjetrom. Podaci za prognozu vremena prikupljaju se na zemaljskim meteorološkim postajama, brodovima i zrakoplovima te s meteoroloških satelita. Vidi također Meteorologija.
Optičke, akustičke i električne pojave u atmosferi. Širenjem elektromagnetskog zračenja u atmosferi, kao rezultat loma, apsorpcije i raspršenja svjetlosti zrakom i raznim česticama (aerosol, kristali leda, kapi vode), nastaju različiti optički fenomeni: duge, krune, aureola, fatamorgana itd. raspršenje svjetlosti određuje prividnu visinu nebeskog svoda i plavu boju neba. Raspon vidljivosti objekata određen je uvjetima širenja svjetlosti u atmosferi (vidi Atmosferska vidljivost). Prozirnost atmosfere na različitim valnim duljinama određuje komunikacijski domet i mogućnost detekcije objekata instrumentima, uključujući i mogućnost astronomskih promatranja s površine Zemlje. Za proučavanje optičkih nehomogenosti stratosfere i mezosfere, fenomen sumraka igra važnu ulogu. Na primjer, fotografiranje sumraka iz svemirske letjelice omogućuje otkrivanje slojeva aerosola. Značajke širenja elektromagnetskog zračenja u atmosferi određuju točnost metoda za daljinsko očitavanje njegovih parametara. Sva ta pitanja, kao i mnoga druga, proučava atmosferska optika. Lom i raspršenje radiovalova određuju mogućnosti radijskog prijema (vidi Širenje radiovalova).
Širenje zvuka u atmosferi ovisi o prostornoj raspodjeli temperature i brzini vjetra (vidi Atmosferska akustika). Od interesa je za mjerenje atmosfere daljinskim metodama. Eksplozije naboja lansiranih raketama u gornju atmosferu pružile su bogate informacije o sustavima vjetra i temperaturnim varijacijama u stratosferi i mezosferi. U stabilno stratificiranoj atmosferi, kada temperatura opada s visinom sporije od adijabatskog gradijenta (9,8 K/km), nastaju tzv. unutarnji valovi. Ti se valovi mogu širiti prema gore u stratosferu, pa čak i u mezosferu, gdje slabe, pridonoseći pojačanim vjetrovima i turbulencijama.
Negativni naboj Zemlje i rezultirajuće električno polje, atmosfera, zajedno s električki nabijenom ionosferom i magnetosferom, stvaraju globalni električni krug. Važnu ulogu u tome ima nastanak oblaka i elektricitet grmljavinske oluje. Opasnost od pražnjenja groma zahtijevala je razvoj metoda zaštite od groma za zgrade, strukture, vodove i komunikacije. Ova pojava predstavlja posebnu opasnost za zrakoplovstvo. Munjska pražnjenja uzrokuju atmosferske radiosmetnje, koje se nazivaju atmosferske (vidi Zvižduće atmosferske). Tijekom naglog porasta napetosti električno polje svjetleći izboji koji se pojavljuju na vrhovima i oštri kutovi predmeti koji strše iznad zemljine površine, na pojedinim vrhovima u planinama i sl. (Elma svjetla). Atmosfera uvijek sadrži vrlo različite količine lakih i teških iona, ovisno o specifičnim uvjetima, koji određuju električnu vodljivost atmosfere. Glavni ionizatori zraka u blizini zemljine površine su zračenje radioaktivnih tvari sadržanih u Zemljina kora iu atmosferi, kao i kozmičke zrake. Vidi također Atmosferski elektricitet.
Utjecaj čovjeka na atmosferu. Tijekom proteklih stoljeća došlo je do povećanja koncentracije stakleničkih plinova u atmosferi zbog ljudskih gospodarskih aktivnosti. Postotak ugljičnog dioksida porastao je s 2,8-10 2 prije dvjesto godina na 3,8-10 2 u 2005., sadržaj metana - s 0,7-10 1 prije otprilike 300-400 godina na 1,8-10 -4 početkom 21. stoljeća; oko 20% povećanja efekta staklenika u prošlom stoljeću dolazi od freona, kojih u atmosferi praktički nije bilo do sredine 20. stoljeća. Ove tvari su priznate kao oštećivači stratosferskog ozona, a njihova proizvodnja je zabranjena Montrealskim protokolom iz 1987. godine. Povećanje koncentracije ugljičnog dioksida u atmosferi uzrokovano je izgaranjem sve većih količina ugljena, nafte, plina i drugih vrsta ugljičnih goriva, kao i krčenjem šuma, uslijed čega dolazi do apsorpcije ugljikov dioksid kroz fotosintezu se smanjuje. Koncentracija metana raste s porastom proizvodnje nafte i plina (zbog njegovih gubitaka), kao i sa širenjem usjeva riže i povećanjem broja stoke. Sve to doprinosi zagrijavanju klime.
Za promjenu vremena razvijene su metode aktivnog utjecaja na atmosferske procese. Koriste se za zaštitu poljoprivrednih biljaka od tuče raspršivanjem posebnih reagensa u grmljavinskim oblacima. Postoje i metode za raspršivanje magle u zračnim lukama, zaštitu biljaka od mraza, utjecaj na oblake da povećaju oborine u željenim područjima ili za raspršivanje oblaka tijekom javnih događanja.
Proučavanje atmosfere. Informacije o fizički procesi u atmosferi primarno se dobivaju iz meteoroloških motrenja, koja se provode globalnom mrežom stalnih meteoroloških postaja i postaja smještenih na svim kontinentima i na mnogim otocima. Dnevna motrenja daju podatke o temperaturi i vlažnosti zraka, atmosferskom tlaku i oborinama, naoblaci, vjetru itd. Opažanja Sunčevog zračenja i njegovih transformacija provode se na aktinometrijskim postajama. Od velike važnosti za proučavanje atmosfere su mreže aeroloških postaja, na kojima se radiosondama provode meteorološka mjerenja do visine od 30-35 km. Na nizu postaja provode se promatranja atmosferskog ozona, električni fenomeni u atmosferi, kemijski sastav zraka.
Podaci sa zemaljskih postaja nadopunjuju se opažanjima o oceanima, u kojima djeluju "prozorni brodovi", stalno smješteni u određenim područjima Svjetskog oceana, kao i meteorološkim informacijama dobivenim od istraživačkih i drugih brodova.
Posljednjih desetljeća sve više informacija o atmosferi dobiva se pomoću meteoroloških satelita koji nose instrumente za fotografiranje oblaka i mjerenje tokova ultraljubičastog, infracrvenog i mikrovalnog zračenja Sunca. Sateliti omogućuju dobivanje informacija o vertikalnim profilima temperature, naoblaci i njenoj vodnosti, elementima bilance zračenja atmosfere, površinskoj temperaturi oceana itd. Koristeći mjerenja refrakcije radio signala iz sustava navigacijskih satelita, moguće je odrediti vertikalne profile gustoće, tlaka i temperature, kao i sadržaj vlage u atmosferi. Uz pomoć satelita postalo je moguće razjasniti vrijednost Sunčeve konstante i planetarnog albeda Zemlje, izgraditi karte ravnoteže zračenja sustava Zemlja-atmosfera, izmjeriti sadržaj i varijabilnost malih atmosferskih zagađivača i riješiti mnogi drugi problemi fizike atmosfere i motrenja okoliša.
Lit.: Budyko M.I. Klima u prošlosti i budućnosti. L., 1980.; Matveev L. T. Tečaj opće meteorologije. Fizika atmosfere. 2. izd. L., 1984.; Budyko M.I., Ronov A.B., Yanshin A.L. Povijest atmosfere. L., 1985.; Khrgian A. Kh. Atmosferska fizika. M., 1986.; Atmosfera: Imenik. L., 1991.; Khromov S.P., Petrosyants M.A. Meteorologija i klimatologija. 5. izd. M., 2001. (monografija).
G. S. Golitsyn, N. A. Zaitseva.
Enciklopedijski YouTube
1 / 5
✪ Svemirski brod Zemlja (Epizoda 14) - Atmosfera
✪ Zašto atmosfera nije povučena u vakuum svemira?
✪ Ulazak svemirske letjelice Soyuz TMA-8 u Zemljinu atmosferu
✪ Struktura atmosfere, značenje, proučavanje
✪ O. S. Ugolnikov " Gornja atmosfera. Susret Zemlje i Svemira"
titlovi
Atmosferska granica
Atmosferom se smatra ono područje oko Zemlje u kojem plinoviti medij rotira zajedno sa Zemljom kao jedinstvena cjelina. Atmosfera prelazi u međuplanetarni prostor postupno, u egzosferi, počevši od visine 500-1000 km od površine Zemlje.
Prema definiciji koju je predložila Međunarodna zrakoplovna federacija, granica atmosfere i svemira povučena je duž Karmanove linije, koja se nalazi na visini od oko 100 km, iznad koje zrakoplovni letovi postaju potpuno nemogući. NASA koristi oznaku od 122 kilometra (400.000 stopa) kao atmosfersku granicu, gdje shuttleovi prelaze s pogonskog na aerodinamičko manevriranje.
Fizička svojstva
Osim plinova navedenih u tablici, atmosfera sadrži Cl 2, SO 2, NH 3, CO, O 3, NO 2, ugljikovodike, HCl, HBr, pare, I 2, Br 2, kao i mnoge druge plinove. u manjim količinama. U troposferi se stalno nalazi velika količina suspendiranih krutih i tekućih čestica (aerosol). Najrjeđi plin u Zemljina atmosfera je radon (Rn).
Struktura atmosfere
Atmosferski granični sloj
Donji sloj troposfere (1-2 km debljine), u kojem stanje i svojstva Zemljine površine izravno utječu 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 širinama; niža zimi nego ljeti. Donji, glavni sloj atmosfere sadrži više od 80% ukupne mase atmosferskog zraka i oko 90% sve vodene pare prisutne u atmosferi. U troposferi su jako razvijene turbulencija i konvekcija, pojavljuju se oblaci, razvijaju se ciklone i anticiklone. Temperatura opada s povećanjem nadmorske visine s prosječnim vertikalnim gradijentom od 0,65°/100 m
Tropopauza
Prijelazni sloj iz troposfere u stratosferu, sloj atmosfere u kojem prestaje opadanje temperature s visinom.
Stratosfera
Sloj atmosfere koji se nalazi na visini od 11 do 50 km. Karakterizira ga neznatna promjena temperature u sloju od 11-25 km (donji sloj stratosfere) i porast temperature u sloju od 25-40 km od -56,5 do 0,8 ° (gornji sloj stratosfere ili područje inverzije). Postigavši vrijednost od oko 273 K (gotovo 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 granica je 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 raste do visina od 200-300 km, gdje doseže vrijednosti reda veličine 1500 K, nakon čega ostaje gotovo konstantna do velikih nadmorskih visina. Pod utjecajem sunčevog zračenja i kozmičkog zračenja dolazi do ionizacije zraka ("aurore") - glavna područja ionosfere leže unutar termosfere. Na visinama iznad 300 km prevladava atomski kisik. Gornja granica termosfere uvelike je određena trenutnom aktivnošću Sunca. U razdobljima niske aktivnosti - na primjer, 2008.-2009. - primjetno je smanjenje veličine ovog sloja.
Termopauza
Područje atmosfere koje se nalazi iznad termosfere. U ovom području, apsorpcija sunčevog zračenja je zanemariva i temperatura se zapravo ne mijenja s visinom.
Egzosfera (sfera raspršenja)
Do visine od 100 km atmosfera je homogena, dobro izmiješana smjesa plinova. U višim slojevima raspodjela plinova po visini ovisi o njihovoj molekulskoj masi, a koncentracija težih plinova brže opada s udaljenošću od površine Zemlje. Zbog smanjenja gustoće plina temperatura pada od 0 °C u stratosferi do −110 °C u mezosferi. Međutim, kinetička energija pojedinačnih čestica na visinama od 200-250 km odgovara temperaturi od ~150 °C. Iznad 200 km uočavaju se značajne fluktuacije temperature i gustoće plina u vremenu i prostoru.
Na visini od oko 2000-3500 km egzosfera postupno prelazi u tzv. bliski svemirski vakuum, koji je ispunjen rijetkim česticama međuplanetarnog plina, uglavnom atomima vodika. Ali ovaj plin predstavlja samo dio međuplanetarne materije. Drugi dio čine čestice prašine kometnog i meteorskog podrijetla. Osim iznimno razrijeđenih čestica prašine, u ovaj prostor prodire elektromagnetsko i korpuskularno zračenje sunčevog i galaktičkog podrijetla.
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 temelju električnih svojstava u atmosferi razlikuju neutrosfera I ionosfera .
Ovisno o sastavu plina u atmosferi, emitiraju homosfera I heterosfera. Heterosfera- To je područje gdje gravitacija utječe na razdvajanje plinova, jer je njihovo miješanje na tolikoj visini zanemarivo. To podrazumijeva promjenjiv sastav heterosfere. Ispod njega nalazi se dobro izmiješan, homogeni dio atmosfere koji se naziva homosfera. Granica između ovih slojeva naziva se turbopauza, nalazi se na visini od oko 120 km.
Ostala svojstva atmosfere i djelovanje na ljudski organizam
Već na visini od 5 km iznad razine mora, neobučena osoba počinje osjećati gladovanje kisikom i bez prilagodbe, performanse osobe značajno se smanjuju. Ovdje 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 potrebnim za disanje. Međutim, zbog pada ukupnog tlaka atmosfere, kako se dižete na visinu, parcijalni tlak kisika se u skladu s tim smanjuje.
U razrijeđenim slojevima zraka širenje zvuka je nemoguće. Do visina od 60-90 km još uvijek je moguće koristiti otpor zraka i uzgon za kontrolirani aerodinamički let. Ali počevši od visine od 100-130 km, pojmovi broja M i zvučnog zida, poznati svakom pilotu, gube svoje značenje: tu 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 izvanrednog svojstva - sposobnosti apsorpcije, provođenja i prijenosa toplinske energije konvekcijom (odnosno miješanjem zraka). To znači da se različiti elementi opreme na orbitalnoj svemirskoj postaji neće moći hladiti izvana na isti način kako se to inače radi u avionu - uz pomoć zračnih mlaznica i zračnih radijatora. Na ovoj visini, kao i općenito u svemiru, jedini način prijenosa topline je toplinsko zračenje.
Povijest nastanka atmosfere
Prema najrasprostranjenijoj teoriji, Zemljina je atmosfera kroz povijest bila u stanju fluksiranja. tri različita kompozicije. U početku se sastojao od lakih plinova (vodika i helija) uhvaćenih iz međuplanetarnog prostora. Ovo je tzv primarna atmosfera. U sljedećoj fazi, aktivna vulkanska aktivnost dovela je do zasićenja atmosfere plinovima koji nisu vodik (ugljični dioksid, amonijak, vodena para). Tako je nastala sekundarna atmosfera. Ova je atmosfera bila oporavljajuća. Nadalje, proces formiranja atmosfere određen je sljedećim čimbenicima:
- curenje lakih plinova (vodika i helija) u međuplanetarni prostor;
- kemijske reakcije koje se odvijaju u atmosferi pod utjecajem ultraljubičastog zračenja, pražnjenja munje i nekih drugih čimbenika.
Postupno su ti čimbenici doveli do formiranja tercijarna atmosfera, karakteriziran znatno nižim udjelom vodika i puno većim udjelom dušika i ugljičnog dioksida (nastalog kao rezultat kemijskih reakcija iz amonijaka i ugljikovodika).
Dušik
Stvaranje velike količine dušika N2 posljedica je oksidacije atmosfere amonijak-vodik molekularnim kisikom O2, koji je počeo dolaziti s površine planeta kao rezultat fotosinteze, počevši prije 3 milijarde godina. Dušik N2 također se oslobađa u atmosferu kao rezultat denitrifikacije nitrata i drugih spojeva koji sadrže dušik. Dušik se oksidira ozonom u NO u gornjoj atmosferi.
Dušik N 2 reagira samo pod određenim uvjetima (na primjer, tijekom pražnjenja munje). Oksidacija molekularnog dušika ozonom tijekom električnih pražnjenja koristi se u malim količinama u industrijskoj proizvodnji dušičnih gnojiva. Cijanobakterije (modrozelene alge) i kvržične bakterije, koje tvore rizobijalnu simbiozu s leguminoznim biljkama, mogu biti učinkovite zelene gnojidbe - biljke koje ne iscrpljuju, već obogaćuju tlo prirodnim gnojivima, mogu ga uz mali utrošak energije oksidirati i pretvoriti u tlo. u biološki aktivan oblik.
Kisik
Sastav atmosfere počeo se radikalno mijenjati pojavom živih organizama na Zemlji kao rezultat fotosinteze, popraćene oslobađanjem kisika i apsorpcijom ugljičnog dioksida. U početku se kisik trošio na oksidaciju reduciranih spojeva - amonijaka, ugljikovodika, željeznog oblika željeza sadržanog u oceanima itd. Na kraju ove faze sadržaj kisika u atmosferi počeo je rasti. Postupno se formirala moderna atmosfera s oksidacijskim svojstvima. Budući da je to izazvalo ozbiljne i nagle promjene u mnogim procesima koji se odvijaju u atmosferi, litosferi i biosferi, ovaj događaj je nazvan kisikovom katastrofom.
Plemeniti plinovi
Zagađenje zraka
Nedavno su ljudi počeli utjecati na razvoj atmosfere. Rezultat ljudska aktivnost Došlo je do stalnog porasta sadržaja ugljičnog dioksida u atmosferi zbog izgaranja ugljikovodičnih goriva akumuliranih u prethodnim geološkim erama. Ogromne količine CO 2 troše se tijekom fotosinteze i apsorbiraju ga svjetski oceani. Ovaj plin ulazi u atmosferu zbog raspadanja karbonatnih stijena i organskih tvari biljnog i životinjskog podrijetla, kao i zbog vulkanizma i ljudske industrijske aktivnosti. Tijekom proteklih 100 godina sadržaj CO 2 u atmosferi povećao se za 10%, pri čemu najveći dio (360 milijardi tona) dolazi izgaranjem goriva. Ako se stopa rasta izgaranja goriva nastavi, tada će se u sljedećih 200-300 godina količina CO 2 u atmosferi udvostručiti i mogla bi dovesti do globalnih klimatskih promjena.
Izgaranje goriva glavni je izvor zagađujućih plinova (CO, SO2). Sumporni dioksid se oksidira atmosferskim kisikom u SO 3, a dušikov oksid u NO 2 u gornjim slojevima atmosfere, koji zauzvrat stupaju u interakciju s vodenom parom, a nastala sumporna kiselina H 2 SO 4 i dušična kiselina HNO 3 padaju u površine Zemlje u obliku tzv kisela kiša. Korištenje