Атмосфера Земли. Ее структура и свойства

Атмосфера. ОблакаАтмосфера земли. Ее структура и свойства. Земля — единственная планета в солнечной системе с атмосферой, способной поддерживать нашу с вами жизнь. 

Атмосфера Земли представляет собой смесь газов, окружающую планету. Помимо предоставления нам возможности дышать, атмосфера защищает нас от большей части вредного ультрафиолетового излучения Солнца, способствует нагреву поверхности нашей планеты примерно на 33 °C посредством парникового эффекта и в значительной степени предотвращает экстремальные различия между дневными и ночными температурами.

Амосфера Земли
На этом снимке с Международной космической станции видна слоистая структура атмосферы Земли на фоне заката.

Атмосфера Земли имеет толщину около 480 километров, но большая ее часть находится в пределах 16 км от поверхности. Давление воздуха уменьшается с высотой. На уровне моря давление воздуха составляет около 1 кг на квадратный сантиметр. На высоте 3 км давление воздуха составляет 0,7 кг на квадратный см. Там также меньше кислорода, и становится труднее дышать.

Какие газы составляют атмосферу Земли. Атмосфера Земли представляет собой тонкий слой газов, который окружает Землю. Он состоит из 78% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, 0,03% углекислого газа и некоторого незначительного количества других газов, каждый из которых составляет менее 1% газовой смеси атмосферы. Атмосфера также включает водяной пар. Количество присутствующего водяного пара сильно варьируется, но в среднем составляет около 1%. Есть также много мелких частиц — твердых и жидких — «парящих» в атмосфере. Эти частицы, которые ученые называют «аэрозолями», включают пыль, споры и пыльцу, соль из морских брызг, вулканический пепел, дым и многое другое.

Химический состав атмосферы
Атмосфера Земли содержит много различных химических соединений в газообразной форме. Эта простая диаграмма показывает некоторые из этих химических веществ и отдельные их источники, включая деревья, животных и человеческую деятельность. Химические вещества, изображенные на этом рисунке, включают азот (N2), кислород (O2), углекислый газ (CO2), метан (CH4), монооксид углерода (CO) и диоксид серы (SO2). Вода (H2O) также присутствует в атмосфере, как водяной пар и в виде крошечных капель или кристаллов льда, которые мы знаем как облака. Подавляющее большинство атмосферы состоит из азота (78%) и кислорода (21%). Остальные газы вместе взятые составляют лишь около 1% атмосферы. Наряду со всеми этими различными газами, атмосфера также содержит множество крошечных частиц и капель жидкости, которые ученые называют аэрозолями. Пыль, сажа от пожаров и соль от морских брызг — вот несколько типов аэрозолей.

Основные слои земной атмосферы. Атмосфера Земли имеет ряд слоев, каждый из которых имеет свои специфические черты. Двигаясь вверх от уровня земли, эти слои называют тропосферой, стратосферой, мезосферой, термосферой и экзосферой. Экзосфера постепенно исчезает в сфере межпланетного пространства. Между атмосферой и космосом нет четкой границы, но воображаемая линия на высотах от 100 до 120 км от поверхности, называемая линией Кармана, обычно является тем местом, где ученые говорят, что атмосфера встречается с космосом. Тем не менее, существуют очень тонкие, но измеримые следы атмосферных газов в сотнях километрах над поверхностью Земли.

Атмосфера Земли. Строение
Строение атмосферы Земли

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы Земли

Тропосфера самый низкий слой нашей атмосферы. Начиная с уровня земли, он простирается вверх примерно на 10 км над уровнем моря. Мы, люди, живем в тропосфере, и почти вся погода формируется в этом нижнем слое. Большинство облаков появляются здесь, главным образом потому, что 99% водяного пара в атмосфере находится в тропосфере.  Тропосфера — безусловно, самый влажный слой атмосферы; все другие вышеперечисленные слои содержат очень мало влаги. Давление воздуха падает, и температура становится ниже, когда вы поднимаетесь выше в тропосфере.

Высота слоя тропосферы изменяется в зависимости от широты (она самая низкая над полюсами и самая высокая на экваторе) и по сезонам (она ниже зимой и выше летом). Он может достигать 20 км около экватора и всего 7 км над полюсами зимой.

Воздух самый теплый на уровне земли и становится холоднее, когда поднимаешься ввысь через тропосферу. Вот почему вершины высоких гор могут быть покрыты снегом даже летом.

Давление и плотность воздуха также уменьшаются с высотой. Вот почему в кабинах высоко летающих реактивных самолетов приходится принудительно нагнетать повышенное по-сравнению с «забортным» давление.

Слой непосредственно над тропосферой называется стратосферой. Граница между тропосферой и стратосферой называется «тропопауза».

Стратосфера — второй слой атмосферы

Стратосфера — это второй по счету слой земной атмосферы. Тропосфера, самый нижний слой, находится прямо под стратосферой. Следующим более высоким слоем над стратосферой является мезосфера.

Низ этого слоя находится в 10 км над землей в средних широтах. Верхняя граница стратосферы простираеся до высоты 50 км.  Высота нижней границы стратосферы изменяется в зависимости от широты и времени года и может достигать 20 км вблизи экватора и всего 7 км у полюсов зимой. Нижняя граница стратосферы называется тропопаузой; верхняя граница называется стратопаузой.

Озон, особая форма молекулы кислорода, относительно распространенный в стратосфере, способствует нагреванию этого слоя, поскольку поглощает энергию поступающего ультрафиолетового излучения Солнца. Температура поднимается по мере продвижения вверх через стратосферу. Это прямо противоположно поведению в тропосфере, в которой мы живем, где температура падает с увеличением высоты. Из-за этой температурной вариации в стратосфере наблюдается очень небольшая конвекция и перемешивание, поэтому слои воздуха там довольно стабильны. Коммерческие самолеты летают в нижней стратосфере, чтобы избежать турбулентности, которая распространена в нижнем слое — тропосфере.

Стратосфера очень сухая; воздух там содержит мало водяного пара. Из-за этого в этом слое мало облаков; почти все облака встречаются в нижней, более влажной тропосфере. Полярные стратосферные облака (ПСО) являются исключением. ПСО появляются в нижней стратосфере вблизи полюсов зимой. Они обнаруживаются на высотах от 15 до 25 км и образуются только тогда, когда температура на этих высотах опускается ниже -78 °C. По-видимому, они способствуют образованию печально известных дыр в озоновом слое путем «поощрения» определенных химических реакций, которые разрушают озон. ПСО также называют перламутровыми облаками.

Полярные стратосферные облака
Полярные стратосферные облака

Воздух в верхней части стратосферы примерно в тысячу раз более разряжен, чем на уровне моря. Из-за этого реактивные самолеты и метеозонды достигают своих максимальных эксплуатационных высот именно в стратосфере.

Из-за отсутствия вертикальной конвекции в стратосфере материалы, которые попадают в этот слой, могут оставаться там в течение длительного времени. Так обстоит дело с озоноразрушающими химическими веществами, называемыми хлорфторуглеродами (фреонами). 

Фреон

Хлорфторуглероды (CFC) — это нетоксичные, негорючие химические вещества, содержащие атомы углерода, хлора и фтора. Они используются в производстве аэрозольных баллончиков, вспенивателей для различных веществ и упаковочных материалов, в качестве растворителей и хладагентов. 

Сильные извержения вулканов и сильные воздействия метеоритов могут выбросить аэрозольные частицы в стратосферу, где они могут задерживаться на месяцы или годы, иногда изменяя глобальный климат Земли. Выхлопы ракетных двигателей также попадают в стратосферу, что приводит к неопределенным последствиям.

В стратосфере встречается редкий тип электрического разряда, несколько похожий на молнию. Эти «синие струи» (blue jets) появляются над грозами и простираются от нижней части стратосферы до высот 40 или 50 км.

Синие струи
Синие струи – тип молнии, который вы, возможно, видели, но не знали об этом. Особенно если вам приходится много летать на самолетах. Эти разряды выстреливают вверх из грозовых туч и длятся лишь долю секунды. По мере распространения вверх они постепенно расширяются с углом раствора порядка 15 градусов. Их свечение постепенно сходит на нет на высоте около 40—50 километров. Синие струи намного ярче спрайтов, обладают другим цветом, но наблюдаются значительно реже. Ранее считалось, что они не связаны напрямую с обычными тропосферными молниями, но сегодня ученые склоняются в сторону существования подобной зависимости.
Синяя струя над Китаем
Гигантская синяя струя над Китаем, август 2016 г.

Мезосфера. Описание

Мезосфера находится прямо над стратосферой и ниже термосферы. Он простирается примерно от 50 до 85 км над нашей планетой.

Температура уменьшается с высотой по всей мезосфере. Самые холодные температуры в атмосфере Земли, около -90 °C, находятся в верхней части этого слоя.

Граница между мезосферой и термосферой над ней называется мезопаузой. В нижней части мезосферы находится стратопауза.

Мезосферу трудно изучать, поэтому об этом слое атмосферы известно меньше, чем о других слоях. Метеозонды и другие летательные аппараты не могут летать достаточно высоко, чтобы достичь мезосферы. Спутники находятся на орбите над мезосферой и не могут напрямую определять характеристики этого слоя. Ученые используют различные инструменты на зондирующих ракетах, чтобы непосредственно изучать мезосферу, но такие полеты короткие и нечастые. Поскольку проводить измерения мезосферы непосредственно с помощью инструментов трудно, многое о мезосфере все еще остается невыясненным.

Метеорологический зонд
Метеорологический зонд

Большинство метеоров испаряются в мезосфере. Некоторый метеоритный материал задерживается в мезосфере, в результате чего этот слой имеет относительно высокую концентрацию атомов железа и других металлов.

В мезосфере вблизи полюсов иногда образуются очень странные облака, называемые «серебристыми облаками» или «полярными мезосферными облаками». Эти своеобразные облака образуются намного выше, чем облака других типов. Мезосфера, как и стратосфера под ней, намного суше, чем влажная тропосфера, в которой мы живем, что делает образование облаков в этом слое немного неожиданным. 

Серебристые облака:

Серебристые облака
Серебристые облака на небе

В мезосфере иногда появляются странные электрические разряды, похожие на молнии, называемые «спрайтами» и «эльфами», на десятки километров выше грозовых облаков в тропосфере.

Тип электрических разрядов – красный спрайт
Наверное, некоторые из вас видели красноватую вспышку высоко-высоко в небе. Это еще один тип электрических разрядов – красный спрайт. Снимки «спрайтов» впервые удалось получить летом 2005 г. в Колорадо: их фотографировали при помощи специальной камеры со скоростью 5 тыс. кадров в секунду. Его цвет часто соответствует названию, но совсем не обязательно. Обычно такая вспышка длится несколько секунд – намного больше, чем большинство других типов электрических разрядов. По сути, хорошо различить можно только самые яркие из спрайтов. Часто их описывают как нечто, похожее на гигантских медуз на самой вершине бури. Спрайты нередко ошибочно относят к высотным молниям, но в них не происходит нагревания вещества до характерных для настоящих молний температур. Спрайты больше похожи на разряды в люминесцентных лампах, их можно отнести к явлению, связанному с холодной плазмой.
Спрайты над Италией
Спрайты над Северной Италией, август 2019 г.
Эльфы
Так называемые «эльфы» (ELVES, Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources — «излучение света и очень низкочастотные возмущения из-за импульса от электромагнитного источника»). Это массивные электрические импульсы в форме быстро расширяющиеся дисков, которые могут достигать сотен километров в поперечнике . Они были засняты камерами космических шаттлов только в 1992 году. Как правило, эльфы возникают на высотах порядка 100 километров над мощными штормами и длятся всего несколько миллисекунд. Считается, что механизм их свечения связан с излучение возбужденных молекул азота, которые получают энергию от электронов, ускорившихся из-за разрядов в нижележащем шторме.

Стратосферу и мезосферу вместе иногда называют средней атмосферой.

Термосфера. Особенности

Термосфера — это слой атмосферы Земли, находящийся прямо над мезосферой и ниже экзосферы. Он простирается от 90 км до 500-1000 км над нашей планетой.

Полярные сияния
Полярные сияния (северное сияние и южное сияние) в основном происходят в термосфере.

Температура резко поднимается в нижней термосфере (200–300 км над уровнем моря), затем выравнивается и держится достаточно стабильно с увеличением высоты. Солнечная активность сильно влияет на температуру в термосфере. Термосфера обычно примерно на 200 °C горячее днем, чем ночью, и примерно на 500 °C горячее при повышенной Солнечной активности. Температура в верхней термосфере может находиться в диапазоне от 500 °C до 2000 °C или выше.

Граница между термосферой и экзосферой над ней называется термопаузой. В нижней части термосферы находится мезопауза.

Хотя термосфера считается частью атмосферы Земли, плотность воздуха в этом слое настолько низкая, что большая часть термосферы — это то, что мы обычно считаем космическим пространством. На самом деле, наиболее распространенное определение гласит, что космическое пространство начинается на высоте 100 км, немного выше мезопаузы в нижней части термосферы. Международная космическая станция находится на орбите Земли в термосфере!

Международная космическая станция
Международная космическая станция

Ниже термосферы газы, состоящие из атомов и молекул разных типов, перемешиваются турбулентностью в атмосфере. Воздух в нижних слоях атмосферы в основном состоит из знакомой смеси 80% молекул азота (N2 ) и 20% молекул кислорода (O2 ). В термосфере и выше газовые частицы сталкиваются так редко, что молекулы газов становятся одноатомными. В верхней термосфере атомарный кислород (O), атомарный азот (N) и гелий (He) являются основными компонентами воздуха.

Большая часть рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца поглощается в термосфере. Когда Солнце становится очень активным и излучает больше энергии, термосфера нагревается и расширяется. Из-за этого высота верхней границы термосферы (термопауза) меняется. Термопауза находится на высоте от 500 до 1000 км, иногда и выше. Поскольку многие спутники вращаются внутри термосферы, изменение плотности очень разряженного воздуха на орбитальных высотах, вызванное нагревом и расширением термосферы, создает силу трения для вращения спутников. Инженеры должны учитывать это изменяющееся сопротивление полетам при расчете орбит, и спутники иногда нужно поднимать выше, чтобы компенсировать влияние силы сопротивления.

Высокоэнергетические солнечные фотоны также отрывают электроны от газовых частиц в термосфере, создавая электрически заряженные ионы атомов и молекул. Ионосфера Земли, состоящая из нескольких областей таких ионизированных частиц в атмосфере, находится в одном и том же пространстве с электрически нейтральной термосферой.

Как и в океанах, в атмосфере Земли есть волны и приливы. Эти волны и приливы переносят энергию в атмосфере, включая термосферу. Ветры и общая циркуляция в термосфере в значительной степени обусловлены этими приливами и волнами. Движущиеся ионы, увлекаемые столкновениями с электрически нейтральными газами, производят мощные электрические токи в некоторых частях термосферы.

Наконец, полярные сияния (южное и северное сияние) в основном встречаются в термосфере. Заряженные частицы (электроны, протоны и другие ионы) из космоса сталкиваются с атомами и молекулами в термосфере в высоких широтах, переводя их в более высокие энергетические состояния. Эти атомы и молекулы теряют эту избыточную энергию, испуская фотоны света, которые мы видим как красочные полярные сияния.

Полярное сияние
Северное сияние

Экзосфера. Особенности

Экзосфера является самой верхней областью земной атмосферы, поскольку она постепенно исчезает в космическом вакууме. Воздух в экзосфере чрезвычайно разряжен — во многих отношениях он почти такой же, как и безвоздушная пустота космического пространства.

Нижнюю границу экзосферы, граничащую с термосферой называют термопаузой, иногда — экзобазой. Высота нижней границы экзосферы меняется. Когда на Солнце появляются солнечные пятна, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения Солнца нагревают и «нагнетают» термосферу, поднимая высоту термопаузы до высот около 1000 км над поверхностью Земли. Когда Солнце менее активно, солнечная радиация менее интенсивна, и термопауза опускается примерно до 500 км от поверхности Земли.

Не все ученые согласны с тем, что экзосфера действительно является частью атмосферы. Некоторые ученые считают, что термосфера является самой верхней частью атмосферы Земли, и считают, что экзосфера на самом деле является лишь частью космоса. Однако другие ученые считают экзосферу частью атмосферы нашей планеты.

Поскольку экзосфера постепенно исчезает в космическом пространстве, нет четкой верхней границы этого слоя. Согласно одному из определений внешнего предела экзосферы, самый верхний край атмосферы Земли находится на расстоянии около 190 000 км, примерно на полпути до Луны. На этом расстоянии радиационное давление солнечного света оказывает большее влияние на атомы водорода, чем притяжение земной гравитации. Слабое свечение ультрафиолетового излучения, рассеянного атомами водорода в самой верхней атмосфере, было обнаружено спутниками на высоте 100 000 км. Эта область ультрафиолетового свечения называется геокороной.

Ниже экзосферы молекулы и атомы атмосферных газов постоянно сталкиваются друг с другом. Однако воздух в экзосфере настолько разряжен, что такие столкновения очень редки. Атомы и молекулы газа в экзосфере движутся по «баллистическим траекториям», напоминающим дугообразный полет брошенного шара (или выстрела из пушечного ядра!), когда его траектория постепенно изгибается назад к Земле под действием силы тяжести. Большинство частиц газа в экзосфере движутся по криволинейным траекториям, никогда не ударяясь о другой атом или молекулу, и в конечном итоге из-за силы тяжести возвращаются обратно в нижнюю атмосферу. Однако некоторые из более быстро движущихся частиц не возвращаются на Землю — вместо этого они улетают в космос! Таким образом, небольшая часть нашей атмосферы каждый год «утекает» в космос.

Хотя экзосфера технически является частью атмосферы Земли, во многих отношениях она является частью космического пространства. Многие спутники, включая Международную космическую станцию ​​(МКС), находятся на орбите в пределах экзосферы или ниже ее. Например, средняя высота МКС составляет около 330 км, фактически находясь в пределах термосферы ниже экзосферы!

Хотя атмосфера земли очень и очень разряжена в термосфере и экзосфере, воздуха все еще достаточно для того, чтобы вызвать небольшое сопротивление полету спутников, которые вращаются в этих слоях. Эта сила сопротивления постепенно замедляет космические корабли на их орбитах, так что в конечном итоге они выпадают с орбиты и сгорают, возвращаясь в атмосферу, если не предпринимаются какие-либо действия, чтобы поднять их обратно вверх. МКС теряет около 2 км высоты каждый месяц из-за такого «спада орбиты», и ей необходимо периодически давать восходящий импульс ракетными двигателями, чтобы удержать на орбите.

Международная космическая станция
МКС
c-sin






Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *