Koliko je debela Zemljina atmosfera? Atmosfera je vazdušni omotač Zemlje. Širenje radio talasa u jonosferi

10,045×10 3 J/(kg*K) (u temperaturnom opsegu od 0-100°C), C v 8,3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). Rastvorljivost vazduha u vodi na 0°C je 0,036%, na 25°C - 0,22%.

Sastav atmosfere

Istorija nastanka atmosfere

Rana istorija

Trenutno, nauka ne može sa stopostotnom tačnošću pratiti sve faze formiranja Zemlje. 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. U sljedećoj fazi, aktivna vulkanska aktivnost dovela je do zasićenja atmosfere drugim plinovima osim vodonika (ugljovodonici, amonijak, vodena para). Ovako je nastala sekundarna atmosfera. Ova atmosfera je bila obnavljajuća. Nadalje, proces formiranja atmosfere određen je sljedećim faktorima:

• stalno curenje vodonika 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).

Pojava života i kiseonika

Pojavom živih organizama na Zemlji kao rezultat fotosinteze, praćene oslobađanjem kisika i apsorpcijom ugljičnog dioksida, sastav atmosfere se počeo mijenjati. Međutim, postoje podaci (analiza izotopskog sastava atmosferskog kiseonika i onog koji se oslobađa tokom fotosinteze) koji ukazuju na geološko poreklo atmosferskog kiseonika.

U početku se kiseonik trošio na oksidaciju redukovanih jedinjenja - ugljovodonika, željeznog oblika gvožđa sadržanog u okeanima, itd. Na kraju ove faze, sadržaj kiseonika u atmosferi počeo je da raste.

Devedesetih godina prošlog vijeka vršeni su eksperimenti za stvaranje zatvorenog ekološkog sistema („Biosfera 2“), tokom kojih nije bilo moguće stvoriti stabilan sistem sa ujednačenim sastavom zraka. Utjecaj mikroorganizama doveo je do smanjenja razine kisika i povećanja količine ugljičnog dioksida.

Nitrogen

Formiranje velike količine N 2 nastaje zbog oksidacije primarne atmosfere amonijaka i vodika molekularnim O 2, koji je počeo dolaziti s površine planete kao rezultat fotosinteze, navodno prije oko 3 milijarde godina (prema prema drugoj verziji, atmosferski kiseonik je geološkog porekla). Dušik se oksidira u NO u gornjim slojevima atmosfere, koristi se u industriji i vezuje ga bakterijama koje fiksiraju dušik, dok se N2 oslobađa u atmosferu kao rezultat denitrifikacije nitrata i drugih spojeva koji sadrže dušik.

Azot N 2 je inertan gas i reaguje samo pod određenim uslovima (na primer, tokom pražnjenja groma). Cijanobakterije i neke bakterije (na primjer, kvržice koje formiraju rizobijalnu simbiozu s mahunarkama) mogu je oksidirati i pretvoriti u biološki oblik.

Oksidacija molekularnog dušika električnim pražnjenjima koristi se u industrijskoj proizvodnji dušičnih gnojiva, a dovela je i do stvaranja jedinstvenih naslaga nitrata u čileanskoj pustinji Atacama.

Plemeniti gasovi

Sagorevanje goriva je glavni izvor zagađujućih gasova (CO, NO, SO2). Sumpor dioksid se oksidira zrakom O 2 u SO 3 u gornjim slojevima atmosfere, koji stupa u interakciju s parama H 2 O i NH 3, a nastali H 2 SO 4 i (NH 4) 2 SO 4 vraćaju se na površinu Zemlje. zajedno sa padavinama. Upotreba motora sa unutrašnjim sagorevanjem dovodi do značajnog zagađenja atmosfere azotnim oksidima, ugljovodonicima i jedinjenjima Pb.

Aerosolno zagađenje atmosfere uzrokovano je kako prirodnim uzrocima (erupcije vulkana, prašne oluje, prenošenje kapljica morske vode i čestica biljnog polena, itd.), tako i ljudskim ekonomskim aktivnostima (vađenje ruda i građevinskog materijala, sagorijevanje goriva, proizvodnja cementa itd. .) . Intenzivno ispuštanje čestica velikih razmjera u atmosferu jedan je od mogućih uzroka klimatskih promjena na planeti.

Struktura atmosfere i karakteristike pojedinih školjki

Fizičko stanje atmosfere određeno je vremenom i klimom. Osnovni parametri atmosfere: gustina vazduha, pritisak, temperatura i sastav. Kako se visina povećava, gustina vazduha i atmosferski pritisak se smanjuju. Temperatura se također mijenja s promjenom nadmorske visine. Vertikalna struktura atmosfere karakterizirana je različitim temperaturnim i električnim svojstvima, te različitim uvjetima zraka. U zavisnosti od temperature u atmosferi razlikuju se sljedeći glavni slojevi: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera, egzosfera (sfera raspršivanja). Prijelazni dijelovi atmosfere između susjednih školjki nazivaju se tropopauza, stratopauza, itd., respektivno.

Troposfera

Stratosfera

U stratosferi se zadržava najveći dio kratkotalasnog dijela ultraljubičastog zračenja (180-200 nm) i transformira se energija kratkih valova. Pod uticajem ovih zraka, magnetna polja se menjaju, molekuli se raspadaju, dolazi do jonizacije i nastaje novo formiranje gasova i drugih hemijskih jedinjenja. Ovi procesi se mogu posmatrati u obliku sjevernog svjetla, munja i drugih sjaja.

U stratosferi i višim slojevima, pod uticajem sunčevog zračenja, molekuli gasa disociraju na atome (iznad 80 km CO 2 i H 2 disociraju, iznad 150 km - O 2, iznad 300 km - H 2). Na visini od 100-400 km dolazi do jonizacije gasova i u jonosferi, a na visini od 320 km koncentracija naelektrisanih čestica (O + 2, O − 2, N + 2) iznosi ~ 1/300 koncentracija neutralnih čestica. U gornjim slojevima atmosfere nalaze se slobodni radikali - OH, HO 2 itd.

U stratosferi gotovo da nema vodene pare.

Mezosfera

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 postupno pretvara u takozvani vakuum blizu svemira, koji je ispunjen vrlo razrijeđenim česticama međuplanetarnog plina, uglavnom atomima vodika. Ali ovaj plin predstavlja samo dio međuplanetarne materije. Drugi dio čine čestice prašine kometnog i meteorskog porijekla. Pored ovih izuzetno rijetkih čestica, 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 koji se naziva homosfera. Granica između ovih slojeva naziva se turbopauza, nalazi se na nadmorskoj visini od oko 120 km.

Atmosferska svojstva

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. čl. 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.

Plava planeta...

Ova tema je trebala biti jedna od prvih koja se pojavila na stranici. Uostalom, helikopteri su atmosferski avioni. Zemljina atmosfera– njihovo stanište, da tako kažem:-). A fizičke osobine vazduha Upravo to određuje kvalitetu ovog staništa :-). Odnosno, ovo je jedna od osnova. I uvijek prvo pišu o osnovi. Ali to sam tek sada shvatio. Ipak, kao što znate, bolje je kasno nego nikad... Hajdemo da se dotaknemo ovog pitanja, a da ne ulazimo u korov i nepotrebne komplikacije :-).

Dakle… Zemljina atmosfera. Ovo je gasovita ljuska naše plave planete. Svi znaju ovo ime. Zašto plava? Jednostavno zato što se "plava" (kao i plava i ljubičasta) komponenta sunčeve svjetlosti (spektra) najbolje raspršuje u atmosferi, bojeći je tako plavkasto-plavkasto, ponekad s primjesom ljubičastog tona (naravno po sunčanom danu :-)) .

Sastav Zemljine atmosfere.

Sastav atmosfere je prilično širok. Neću navoditi sve komponente u tekstu, postoji dobra ilustracija za to.Sastav svih ovih gasova je skoro konstantan, sa izuzetkom ugljen-dioksida (CO 2 ). Osim toga, atmosfera nužno sadrži vodu u obliku pare, suspendiranih kapljica ili kristala leda. Količina vode nije konstantna i zavisi od temperature i, u manjoj meri, pritiska vazduha. Osim toga, Zemljina atmosfera (posebno sadašnja) sadrži određenu količinu, rekao bih, “svakakvih gadnih stvari” :-). To su SO 2, NH 3, CO, HCl, NO, osim toga tu su i živine pare Hg. Istina, svega toga ima u malim količinama, hvala Bogu :-).

Zemljina atmosfera Uobičajeno je podijeliti ga na nekoliko uzastopnih zona u visini iznad površine.

Prva, najbliža zemlji, je troposfera. Ovo je najniži i, da tako kažemo, glavni sloj za različite vrste životnih aktivnosti. Sadrži 80% mase cjelokupnog atmosferskog zraka (iako po zapremini čini samo oko 1% cijele atmosfere) i oko 90% sve atmosferske vode. Glavnina svih vjetrova, oblaka, kiše i snijega 🙂 dolazi odatle. Troposfera se proteže do visina od oko 18 km u tropskim širinama i do 10 km u polarnim širinama. Temperatura zraka u njemu opada s povećanjem visine za otprilike 0,65º na svakih 100 m.

Atmosferske zone.

Zona dva - stratosfera. Mora se reći da između troposfere i stratosfere postoji još jedna uska zona - tropopauza. Zaustavlja pad temperature sa visinom. Tropopauza ima prosječnu debljinu od 1,5-2 km, ali njene granice su nejasne i troposfera se često preklapa sa stratosferom.

Dakle, stratosfera ima prosječnu visinu od 12 km do 50 km. Temperatura u njemu ostaje nepromijenjena do 25 km (oko -57ºS), zatim negdje do 40 km raste do otprilike 0ºS i onda ostaje nepromijenjena do 50 km. Stratosfera je relativno miran dio Zemljine atmosfere. U njemu praktično nema nepovoljnih vremenskih uslova. Čuveni ozonski omotač nalazi se u stratosferi na visinama od 15-20 km do 55-60 km.

Nakon toga slijedi mali granični sloj, stratopauza, u kojoj temperatura ostaje oko 0ºC, a zatim sljedeća zona je mezosfera. Prostire se na nadmorskoj visini od 80-90 km, a u njemu temperatura pada na oko 80ºC. U mezosferi obično postaju vidljivi mali meteori, koji počinju da sijaju u njoj i tamo gore.

Sljedeći uski interval je mezopauza i iza nje zona termosfere. Njegova visina je do 700-800 km. Ovdje temperatura ponovo počinje rasti i na visinama od oko 300 km može dostići vrijednosti reda veličine 1200ºS. Tada ostaje konstantan. Unutar termosfere, do visine od oko 400 km, nalazi se jonosfera. Ovdje je zrak jako joniziran zbog izloženosti sunčevom zračenju i ima visoku električnu provodljivost.

Sljedeća i, općenito, posljednja zona je egzosfera. Ovo je takozvana zona raspršivanja. Ovdje se uglavnom nalaze vrlo razrijeđeni vodonik i helijum (uz dominaciju vodonika). Na visinama od oko 3000 km, egzosfera prelazi u svemirski vakuum.

Ovako nešto. Zašto otprilike? Zato što su ovi slojevi prilično konvencionalni. Moguće su različite promjene nadmorske visine, sastava plinova, vode, temperature, jonizacije i tako dalje. Osim toga, postoji još mnogo pojmova koji definiraju strukturu i stanje Zemljine atmosfere.

Na primjer, homosfera i heterosfera. U prvom su atmosferski plinovi dobro izmiješani i njihov sastav je prilično homogen. Drugi se nalazi iznad prvog i tamo praktično nema takvog miješanja. Gasovi u njemu su odvojeni gravitacijom. Granica između ovih slojeva nalazi se na nadmorskoj visini od 120 km, a naziva se turbopauza.

Završimo sa terminima, ali ću svakako dodati da je konvencionalno prihvaćeno da se granica atmosfere nalazi na nadmorskoj visini od 100 km. Ova granica se zove Karmanova linija.

Dodaću još dvije slike da ilustrujem strukturu atmosfere. Prvi je, međutim, na njemačkom, ali je kompletan i prilično lako razumljiv :-). Može se uvećati i jasno vidjeti. Drugi prikazuje promjenu atmosferske temperature s visinom.

Struktura Zemljine atmosfere.

Temperatura vazduha se menja sa visinom.

Moderne orbitalne svemirske letjelice s ljudskom posadom lete na visinama od oko 300-400 km. Međutim, ovo više nije avijacija, iako je to područje, naravno, blisko povezano u određenom smislu, a o tome ćemo svakako kasnije :-).

Zona avijacije je troposfera. Moderni atmosferski avioni mogu letjeti i u nižim slojevima stratosfere. Na primjer, praktičan plafon MIG-25RB je 23.000 m.

Let u stratosferi.

I tačno fizičke osobine vazduha Troposfera određuje kakav će biti let, koliko će biti efikasan sistem kontrole aviona, kako će turbulencija u atmosferi uticati na njega i kako će motori raditi.

Prva glavna imovina je temperatura vazduha. U plinskoj dinamici, može se odrediti na Celzijusovoj skali ili na Kelvinovoj skali.

Temperatura t 1 na datoj visini N na Celzijusovoj skali određuje se:

t 1 = t - 6,5N, Gdje t– temperatura vazduha u blizini tla.

Temperatura na Kelvinovoj skali se naziva apsolutna temperatura, nula na ovoj skali je apsolutna nula. Na apsolutnoj nuli, termičko kretanje molekula prestaje. Apsolutna nula na Kelvinovoj skali odgovara -273º na Celzijusovoj skali.

Shodno tome temperatura T na visokom N na Kelvinovoj skali određuje se:

T = 273K + t - 6,5H

Zračni pritisak. Atmosferski pritisak se mjeri u Pascalima (N/m2), u starom sistemu mjerenja u atmosferama (atm.). Postoji i barometarski pritisak. Ovo je pritisak izmjeren u milimetrima žive pomoću živinog barometra. Barometarski pritisak (pritisak na nivou mora) jednak 760 mmHg. Art. naziva se standardnim. U fizici 1 atm. tačno jednako 760 mm Hg.

Gustina zraka. U aerodinamici se najčešće koristi koncept masene gustine zraka. Ovo je masa vazduha u 1 m3 zapremine. Gustina vazduha se menja sa visinom, vazduh postaje sve razređeniji.

Vlažnost vazduha. Pokazuje količinu vode u zraku. postoji koncept " relativna vlažnost" Ovo je omjer mase vodene pare prema maksimalnom mogućem na datoj temperaturi. Koncept 0%, odnosno kada je vazduh potpuno suv, može postojati samo u laboratoriji. S druge strane, 100% vlažnost je sasvim moguća. To znači da je vazduh apsorbovao svu vodu koju je mogao apsorbovati. Nešto poput apsolutno „punog sunđera“. Visoka relativna vlažnost smanjuje gustinu vazduha, dok je niska relativna vlažnost povećava.

Zbog činjenice da se letovi zrakoplova odvijaju u različitim atmosferskim uvjetima, njihovi letni i aerodinamički parametri u istom režimu leta mogu biti različiti. Stoga, da bismo ispravno procijenili ove parametre, uveli smo Međunarodna standardna atmosfera (ISA). Pokazuje promjenu stanja zraka s povećanjem nadmorske visine.

Osnovni parametri klimatizacije pri nultoj vlažnosti se uzimaju kako slijedi:

pritisak P = 760 mm Hg. Art. (101,3 kPa);

temperatura t = +15°C (288 K);

masena gustina ρ = 1,225 kg/m 3 ;

Za ISA je prihvaćeno (kao što je gore spomenuto :-)) da temperatura u troposferi pada za 0,65º na svakih 100 metara visine.

Standardna atmosfera (primjer do 10.000 m).

MSA tablice se koriste za kalibraciju instrumenata, kao i za navigacijske i inženjerske proračune.

Fizička svojstva vazduha također uključuju koncepte kao što su inercija, viskoznost i kompresibilnost.

Inercija je svojstvo zraka koje karakterizira njegovu sposobnost da se odupre promjenama svog stanja mirovanja ili ravnomjernog linearnog kretanja. . Mjera inercije je masena gustina zraka. Što je veća, veća je inercija i sila otpora medija kada se avion kreće u njemu.

Viskoznost Određuje otpor trenja zraka kada se avion kreće.

Kompresibilnost određuje promjenu gustoće zraka s promjenama tlaka. Pri malim brzinama aviona (do 450 km/h) nema promjene tlaka kada struja zraka struji oko njega, ali pri velikim brzinama počinje da se javlja efekat kompresije. Njegov utjecaj je posebno vidljiv pri nadzvučnim brzinama. Ovo je posebna oblast aerodinamike i tema za poseban članak :-).

Pa, čini se da je to sve za sada... Vrijeme je da završimo ovo pomalo zamorno nabrajanje koje se, međutim, ne može izbjeći :-). Zemljina atmosfera, njegovi parametri, fizičke osobine vazduha Za avion su važni koliko i parametri samog uređaja i nisu mogli biti zanemareni.

Ćao, do narednih susreta i jos zanimljivih tema :)...

P.S. Za desert predlažem da pogledate video snimljen iz kokpita MIG-25PU blizanca tokom leta u stratosferu. Navodno ga je snimio turist koji ima para za takve letove :-). Uglavnom se sve snimalo kroz šoferšajbnu. Obratite pažnju na boju neba...

Struktura i sastav Zemljine atmosfere, mora se reći, nisu uvijek bili konstantne vrijednosti u jednom ili drugom periodu razvoja naše planete. Danas je vertikalna struktura ovog elementa, koja ima ukupnu "debljinu" od 1,5-2,0 hiljada km, predstavljena sa nekoliko glavnih slojeva, uključujući:

1. Troposfera.
2. Tropopauza.
3. Stratosfera.
4. Stratopauza.
5. Mezosfera i mezopauza.
6. Termosfera.
7. Egzosfera.

Osnovni elementi atmosfere

Troposfera je sloj u kojem se uočavaju jaka vertikalna i horizontalna kretanja; tu se formiraju vremenske prilike, sedimentne pojave i klimatski uslovi. Proteže se 7-8 kilometara od površine planete gotovo svuda, s izuzetkom polarnih područja (do 15 km tamo). U troposferi dolazi do postepenog pada temperature, otprilike za 6,4 °C sa svakim kilometrom nadmorske visine. Ovaj indikator se može razlikovati za različite geografske širine i godišnja doba.

Sastav Zemljine atmosfere u ovom dijelu predstavljen je sljedećim elementima i njihovim procentima:

Azot - oko 78 posto;

Kiseonik - skoro 21 posto;

Argon - oko jedan posto;

Ugljični dioksid - manje od 0,05%.

Pojedinačna kompozicija do visine od 90 kilometara

Osim toga, ovdje možete pronaći prašinu, kapljice vode, vodenu paru, produkte sagorijevanja, kristale leda, morske soli, mnoge čestice aerosola, itd. Ovakav sastav Zemljine atmosfere posmatra se do otprilike devedeset kilometara visine, tako da je zrak približno isti po hemijskom sastavu, ne samo u troposferi, već iu gornjim slojevima. Ali tamo atmosfera ima fundamentalno drugačija fizička svojstva. Sloj koji ima opšti hemijski sastav naziva se homosfera.

Koji drugi elementi čine Zemljinu atmosferu? U procentima (po zapremini, na suvom vazduhu) gasovi kao što su kripton (oko 1,14 x 10 -4), ksenon (8,7 x 10 -7), vodonik (5,0 x 10 -5), metan (oko 1,7 x 10 -5) 4), azot oksid (5,0 x 10 -5) itd. U masenim procentima najviše navedenih komponenti su azot oksid i vodonik, zatim helijum, kripton itd.

Fizička svojstva različitih atmosferskih slojeva

Fizička svojstva troposfere usko su povezana s njenom blizinom površini planete. Odavde se reflektirana sunčeva toplina u obliku infracrvenih zraka usmjerava natrag prema gore, uključujući procese provodljivosti i konvekcije. Zbog toga temperatura opada sa udaljavanjem od zemljine površine. Ovaj fenomen se opaža do visine stratosfere (11-17 kilometara), zatim temperatura postaje gotovo nepromijenjena do 34-35 km, a zatim temperatura ponovo raste do visine od 50 kilometara (gornja granica stratosfere) . Između stratosfere i troposfere nalazi se tanak srednji sloj tropopauze (do 1-2 km), gdje se stalne temperature primjećuju iznad ekvatora - oko minus 70 ° C i ispod. Iznad polova, tropopauza se ljeti „zagrije“ na minus 45°C, zimi se temperature ovdje kreću oko -65°C.

Gasni sastav Zemljine atmosfere uključuje tako važan element kao što je ozon. Na površini ga ima relativno malo (deset do minus šesti stepen od jednog procenta), budući da se gas formira pod uticajem sunčeve svetlosti atomskog kiseonika u gornjim delovima atmosfere. Konkretno, najviše ozona ima na nadmorskoj visini od oko 25 km, a cijeli „ozonski ekran“ nalazi se na područjima od 7-8 km na polovima, od 18 km na ekvatoru i do pedesetak kilometara ukupno iznad površine planete.

Atmosfera štiti od sunčevog zračenja

Sastav vazduha Zemljine atmosfere igra veoma važnu ulogu u očuvanju života, jer pojedini hemijski elementi i sastavi uspešno ograničavaju pristup sunčevog zračenja zemljinoj površini i ljudima, životinjama i biljkama koje na njoj žive. Na primjer, molekuli vodene pare efikasno apsorbuju gotovo sve opsege infracrvenog zračenja, sa izuzetkom dužina u rasponu od 8 do 13 mikrona. Ozon apsorbuje ultraljubičasto zračenje do talasne dužine od 3100 A. Bez svog tankog sloja (samo 3 mm u prosjeku ako se nalazi na površini planete), samo voda na dubini većoj od 10 metara i podzemne pećine u kojima sunčevo zračenje ne djeluje domet može biti naseljen. .

Nula Celzijusa na stratopauzi

Između sljedeća dva nivoa atmosfere, stratosfere i mezosfere, nalazi se izvanredan sloj – stratopauza. Približno odgovara visini maksimuma ozona, a temperatura je ovdje relativno ugodna za ljude - oko 0°C. Iznad stratopauze, u mezosferi (počinje negdje na visini od 50 km i završava na nadmorskoj visini od 80-90 km), opet se opaža pad temperature sa povećanjem udaljenosti od Zemljine površine (na minus 70-80 °C ). Meteori obično potpuno izgore u mezosferi.

U termosferi - plus 2000 K!

Hemijski sastav Zemljine atmosfere u termosferi (počinje nakon mezopauze sa visina od oko 85-90 do 800 km) određuje mogućnost pojave takvog fenomena kao što je postepeno zagrijavanje slojeva vrlo razrijeđenog "vazduha" pod utjecajem sunčevog zračenja. . U ovom dijelu "vazdušnog pokrivača" planete temperature se kreću od 200 do 2000 K, koje se dobijaju ionizacijom kiseonika (atomski kiseonik se nalazi iznad 300 km), kao i rekombinacijom atoma kiseonika u molekule , praćeno oslobađanjem velike količine topline. Termosfera je mjesto gdje se pojavljuju aurore.

Iznad termosfere nalazi se egzosfera - vanjski sloj atmosfere, iz kojeg svjetlosni i brzo pokretni atomi vodika mogu pobjeći u svemir. Hemijski sastav Zemljine atmosfere ovdje je uglavnom predstavljen pojedinačnim atomima kisika u donjim slojevima, atomima helija u srednjim slojevima i gotovo isključivo atomima vodika u gornjim slojevima. Ovdje vladaju visoke temperature - oko 3000 K i nema atmosferskog pritiska.

Kako je nastala Zemljina atmosfera?

Ali, kao što je gore spomenuto, planeta nije uvijek imala takav sastav atmosfere. Ukupno postoje tri koncepta porijekla ovog elementa. Prva hipoteza sugerira da je atmosfera uzeta kroz proces akrecije iz protoplanetarnog oblaka. Međutim, danas je ova teorija podložna značajnim kritikama, jer je takvu primarnu atmosferu trebao uništiti solarni "vjetar" sa zvijezde u našem planetarnom sistemu. Osim toga, pretpostavlja se da se hlapljivi elementi ne bi mogli zadržati u zoni formiranja zemaljskih planeta zbog previsokih temperatura.

Sastav Zemljine primarne atmosfere, kako sugerira druga hipoteza, mogao je nastati uslijed aktivnog bombardiranja površine od strane asteroida i kometa koje su pristigle iz okoline Sunčevog sistema u ranim fazama razvoja. Prilično je teško potvrditi ili opovrgnuti ovaj koncept.

Eksperimentišite na IDG RAS

Najvjerojatnija se čini treća hipoteza, koja vjeruje da je atmosfera nastala kao rezultat oslobađanja plinova iz omotača zemljine kore prije otprilike 4 milijarde godina. Ovaj koncept je testiran na Institutu za geografiju Ruske akademije nauka tokom eksperimenta pod nazivom "Carev 2", kada je uzorak supstance meteorskog porekla zagrejan u vakuumu. Tada je zabeleženo oslobađanje gasova kao što su H 2, CH 4, CO, H 2 O, N 2 itd. Stoga su naučnici s pravom pretpostavili da hemijski sastav primarne atmosfere Zemlje uključuje vodu i ugljen-dioksid, fluorovodonik ( HF), gas ugljični monoksid (CO), sumporovodik (H 2 S), jedinjenja azota, vodonik, metan (CH 4), para amonijaka (NH 3), argon itd. U formiranju je učestvovala vodena para iz primarne atmosfere. hidrosfere, ugljični dioksid je u većoj mjeri bio u vezanom stanju u organskim tvarima i stijenama, dušik je prešao u sastav modernog zraka, a također opet u sedimentne stijene i organske tvari.

Sastav Zemljine primarne atmosfere ne bi dozvolio da se savremeni ljudi u njoj nalaze bez aparata za disanje, jer tada nije bilo kiseonika u potrebnim količinama. Ovaj element se pojavio u značajnim količinama prije milijardu i pol godina, a vjeruje se da je povezan s razvojem procesa fotosinteze u plavo-zelenim i drugim algama, koje su najstariji stanovnici naše planete.

Minimum kiseonika

Da je sastav Zemljine atmosfere u početku bio gotovo bez kisika, govori činjenica da se u najstarijim (katarhejskim) stijenama nalazi lako oksidirani, ali ne i oksidirani grafit (ugljik). Kasnije su se pojavile takozvane trakaste željezne rude, koje su uključivale slojeve obogaćenih željeznih oksida, što znači pojavu na planeti moćnog izvora kisika u molekularnom obliku. Ali ovi su elementi pronađeni samo povremeno (možda su se iste alge ili drugi proizvođači kisika pojavili na malim otocima u anoksičnoj pustinji), dok je ostatak svijeta bio anaeroban. U prilog potonjem govori i činjenica da je lako oksidirajući pirit pronađen u obliku kamenčića obrađenih strujanjem bez tragova kemijskih reakcija. Kako tekuće vode ne mogu biti loše aerirane, razvilo se mišljenje da je atmosfera prije kambrija sadržavala manje od jedan posto današnjeg sastava kisika.

Revolucionarna promjena u sastavu zraka

Otprilike sredinom proterozoika (prije 1,8 milijardi godina) dogodila se “revolucija kisika” kada je svijet prešao na aerobno disanje, tokom kojeg se 38 može dobiti iz jednog molekula hranjive tvari (glukoze), a ne dva (kao kod anaerobno disanje) jedinice energije. Sastav Zemljine atmosfere, u smislu kiseonika, počeo je da prelazi jedan odsto današnjeg, a počeo je da se pojavljuje i ozonski omotač koji štiti organizme od zračenja. Od nje su se, na primjer, tako drevne životinje kao što su trilobiti "sakrile" ispod debelih školjki. Od tada do našeg vremena, sadržaj glavnog "respiratornog" elementa se postepeno i polako povećavao, osiguravajući raznolikost razvoja životnih oblika na planeti.

Vazdušna ljuska koja okružuje našu planetu i rotira s njom naziva se atmosfera. Polovina ukupne mase atmosfere koncentrisana je u donjih 5 km, a tri četvrtine mase je u donjih 10 km. Gore, zrak je znatno razrijeđen, iako se njegove čestice nalaze na nadmorskoj visini od 2000-3000 km iznad površine zemlje.

Vazduh koji udišemo je mešavina gasova. Najviše sadrži azota - 78% i kiseonika - 21%. Argon čini manje od 1%, a 0,03% je ugljični dioksid. Brojni drugi gasovi, kao što su kripton, ksenon, neon, helijum, vodonik, ozon i drugi, čine hiljaditi i milioniti deo procenta. U vazduhu se nalaze i vodena para, čestice raznih materija, bakterije, polen i kosmička prašina.

Atmosfera se sastoji od nekoliko slojeva. Donji sloj do visine od 10-15 km iznad površine Zemlje naziva se troposfera. Zagreva ga Zemlja, pa temperatura vazduha ovde pada za 6 °C sa visinom na 1 kilometar uspona. Troposfera sadrži skoro svu vodenu paru i formiraju se skoro svi oblaci - cca Visina troposfere na različitim geografskim širinama planete nije ista. Preko polova uzdiže se do 9 km, preko umjerenih geografskih širina - do 10-12 km, a iznad ekvatora - do 15 km. Procesi koji se dešavaju u troposferi - formiranje i kretanje vazdušnih masa, formiranje ciklona i anticiklona, ​​pojava oblaka i padavina - određuju vreme i klimu na površini zemlje.

Iznad troposfere je stratosfera, koja se proteže do 50-55 km. Troposfera i stratosfera su odvojene prelaznim slojem, tropopauzom, debljine 1-2 km. U stratosferi, na visini od oko 25 km, temperatura zraka postepeno počinje rasti i na 50 km dostiže +10 +30 °C. Ovo povećanje temperature je zbog činjenice da u stratosferi postoji ozonski omotač na visinama od 25-30 km. Na površini Zemlje, njegov sadržaj u zraku je zanemariv, a na velikim visinama dvoatomni molekuli kisika apsorbiraju ultraljubičasto sunčevo zračenje, formirajući troatomske molekule ozona.

Kada bi se ozon nalazio u nižim slojevima atmosfere, na visini sa normalnim pritiskom, debljina njegovog sloja bila bi samo 3 mm. Ali čak i u tako maloj količini igra vrlo važnu ulogu: apsorbira dio sunčevog zračenja štetnog za žive organizme.

Iznad stratosfere, mezosfera se proteže do otprilike 80 km nadmorske visine, u kojoj temperatura zraka pada s visinom na nekoliko desetina stepeni ispod nule.

Gornji dio atmosfere karakteriziraju vrlo visoke temperature i naziva se termosfera - cca. Podijeljen je na dva dijela - jonosferu - do visine od oko 1000 km, gdje je zrak jako joniziran, i egzosferu - iznad 1000 km. U jonosferi, molekuli atmosferskih plinova apsorbiraju ultraljubičasto zračenje Sunca, što rezultira stvaranjem nabijenih atoma i slobodnih elektrona. Aurore se zapažaju u jonosferi.

Atmosfera igra veoma važnu ulogu u životu naše planete. Štiti Zemlju od jakog zagrevanja sunčevim zracima danju i od hipotermije noću. Većina meteorita sagorijeva u atmosferskim slojevima prije nego što stignu na površinu planete. Atmosfera sadrži kiseonik, neophodan za sve organizme, ozonski štit koji štiti život na Zemlji od štetnog dela ultraljubičastog zračenja Sunca.

ATMOSFERE PLANETA SUNČEVOG SISTEMA

Atmosfera Merkura je toliko rijetka da se za nju može reći da praktično i ne postoji. Vazdušna školjka Venere sastoji se od ugljičnog dioksida (96%) i dušika (oko 4%), vrlo je gusta - atmosferski tlak na površini planete je gotovo 100 puta veći nego na Zemlji. Atmosfera Marsa se takođe sastoji pretežno od ugljen-dioksida (95%) i azota (2,7%), ali je njena gustina oko 300 puta manja od Zemljine, a njen pritisak je skoro 100 puta manji. Vidljiva površina Jupitera je zapravo gornji sloj atmosfere vodika i helijuma. Sastav vazdušnih školjki Saturna i Urana je isti. Uranova prekrasna plava boja je posljedica visoke koncentracije metana u gornjem dijelu njegove atmosfere - otprilike Neptun, obavijen ugljikovodičnom izmaglicom, ima dva glavna sloja oblaka: jedan koji se sastoji od kristala smrznutog metana, a drugi, koji se nalazi ispod, sadrži amonijak i sumporovodik.

Struktura Zemljine atmosfere

Atmosfera je plinoviti omotač Zemlje sa aerosolnim česticama koje sadrži, krećući se zajedno sa Zemljom u svemiru kao jedinstvena cjelina i istovremeno sudjelujući u rotaciji Zemlje. Većina našeg života odvija se na dnu atmosfere.

Gotovo sve planete našeg Sunčevog sistema imaju svoju atmosferu, ali samo je Zemljina atmosfera sposobna da podrži život.

Kada je naša planeta nastala prije 4,5 milijardi godina, očigledno je bila lišena atmosfere. Atmosfera je nastala kao rezultat vulkanskih emisija vodene pare pomiješane s ugljičnim dioksidom, dušikom i drugim hemikalijama iz unutrašnjosti mlade planete. Ali atmosfera može sadržavati ograničenu količinu vlage, pa je njen višak kao rezultat kondenzacije doveo do okeana. Ali tada je atmosfera bila bez kiseonika. Prvi živi organizmi koji su nastali i razvili se u okeanu, kao rezultat reakcije fotosinteze (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2), počeli su oslobađati male porcije kisika, koji su počeli ulaziti u atmosferu.

Formiranje kiseonika u Zemljinoj atmosferi dovelo je do formiranja ozonskog omotača na visinama od približno 8 – 30 km. I tako je naša planeta stekla zaštitu od štetnih efekata ultraljubičastog proučavanja. Ova okolnost je poslužila kao podsticaj za dalju evoluciju životnih oblika na Zemlji, jer Kao rezultat povećane fotosinteze, količina kisika u atmosferi počela je brzo rasti, što je doprinijelo formiranju i održavanju oblika života, uključujući i kopno.

Danas se naša atmosfera sastoji od 78,1% dušika, 21% kisika, 0,9% argona i 0,04% ugljičnog dioksida. Veoma male frakcije u poređenju sa glavnim gasovima su neon, helijum, metan i kripton.

Na čestice gasa sadržane u atmosferi utiče sila gravitacije Zemlje. A, s obzirom da je zrak kompresibilan, njegova gustina postepeno opada s visinom, prelazeći u svemir bez jasne granice. Polovina ukupne mase Zemljine atmosfere koncentrisana je u donjih 5 km, tri četvrtine u donjih 10 km, devet desetina u donjih 20 km. 99% mase Zemljine atmosfere koncentrisano je ispod visine od 30 km, što je samo 0,5% ekvatorijalnog radijusa naše planete.

Na nivou mora, broj atoma i molekula po kubnom centimetru zraka je oko 2 * 10 19, na visini od 600 km samo 2 * 10 7. Na nivou mora, atom ili molekul putuju otprilike 7 * 10 -6 cm prije nego što se sudare s drugom česticom. Na nadmorskoj visini od 600 km ova udaljenost je oko 10 km. A na nivou mora, oko 7 * 10 9 takvih sudara se dešava svake sekunde, na visini od 600 km - samo oko jedan u minuti!

Ali ne samo da se pritisak mijenja s visinom. Temperatura se takođe menja. Na primjer, u podnožju visoke planine može biti prilično vruće, dok je vrh planine prekriven snijegom, a temperatura je istovremeno ispod nule. A ako uđete avionom na visinu od oko 10-11 km, možete čuti poruku da je napolju -50 stepeni, dok je na površini zemlje 60-70 stepeni toplije...

U početku su naučnici pretpostavili da temperatura opada sa visinom sve dok ne dostigne apsolutnu nulu (-273,16°C). Ali to nije istina.

Zemljina atmosfera se sastoji od četiri sloja: troposfere, stratosfere, mezosfere, jonosfere (termosfere). Ova podjela na slojeve također je usvojena na osnovu podataka o promjenama temperature sa visinom. Najniži sloj, gde temperatura vazduha opada sa visinom, naziva se troposfera. Sloj iznad troposfere, gdje prestaje pad temperature, zamjenjuje se izotermom, a na kraju temperatura počinje rasti, naziva se stratosfera. Sloj iznad stratosfere u kojem temperatura ponovo brzo opada je mezosfera. I konačno, sloj u kojem temperatura ponovo počinje da raste naziva se jonosfera ili termosfera.

Troposfera se prostire u prosjeku na donjih 12 km. Ovdje se formira naše vrijeme. Najviši oblaci (cirus) formiraju se u najvišim slojevima troposfere. Temperatura u troposferi adijabatski opada sa visinom, tj. Promjena temperature nastaje zbog smanjenja tlaka s visinom. Temperaturni profil troposfere je u velikoj mjeri određen sunčevim zračenjem koje dopire do površine Zemlje. Kao rezultat zagrijavanja Zemljine površine od strane Sunca, formiraju se konvektivni i turbulentni tokovi, usmjereni prema gore, koji formiraju vrijeme. Vrijedi napomenuti da se utjecaj donje površine na niže slojeve troposfere proteže do visine od približno 1,5 km. Naravno, isključujući planinska područja.

Gornja granica troposfere je tropopauza - izotermni sloj. Razmislite o karakterističnom izgledu grmljavinskih oblaka, čiji je vrh "prasak" cirusnih oblaka koji se nazivaju "nakovanj". Ovaj „nakovanj“ se samo „širi“ ispod tropopauze, jer zbog izoterme, uzlazne vazdušne struje su znatno oslabljene, a oblak prestaje da se razvija okomito. Ali u posebnim, rijetkim slučajevima, vrhovi kumulonimbusa mogu napasti niže slojeve stratosfere, razbijajući tropopauzu.

Visina tropopauze zavisi od geografske širine. Dakle, na ekvatoru se nalazi na nadmorskoj visini od približno 16 km, a temperatura mu je oko –80°C. Na polovima se tropopauza nalazi niže, na približno 8 km nadmorske visine. Ljeti je temperatura ovdje –40°C, a zimi –60°C. Dakle, uprkos višim temperaturama na površini Zemlje, tropska tropopauza je mnogo hladnija nego na polovima.