Состав и структура атмосферы Земли

В стратосфере почти нет  водяного пара.

Стратопа́уза — слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя слоями, стратосферой и мезосферой. В стратосфере температура повышается с увеличением высоты, а стратопауза является слоем, где температура достигает максимума. Температура стратопаузы — около 0 °C.Данное явление наблюдается не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.На Земле стратопауза находится на высоте 50 — 55 км.

Мезосфе́ра (от греч. μεσο- — «средний» и σφαῖρα — «шар», «сфера») — слой атмосферы на высотах от 40—50 до 80—90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум (порядка +50°C) температуры расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C.

Причиной увеличения температуры  в области этого максимума  является экзотермическая (т.е. сопровождающаяся выделением тепла) фотохимическая реакция  разложения озона: О3 + hv ® О2 + О. Озон возникает в результате фотохимического  разложения молекулярного кислорода  О2

О2 + hv ® О + О и последующей  реакции тройного столкновения атома  и молекулы кислорода с какой-нибудь третьей молекулой М.

О + О2 + М ® О3 + М

Такое понижение температуры  связано с энергичным поглощением  солнечной радиации (излучения) озоном.

Газовый состав мезосферы, как  и расположенных ниже атмосферных  слоев, постоянен и содержит около 80% азота и 20% кислорода.

Мезосфера отделяется от нижележащей  стратосферы стратопаузой, а от вышележащей  термосферы — мезопаузой. Мезопауза  в основном совпадает с турбопаузой.

Метеоры начинают светиться  и, как правило, полностью сгорают  в мезосфере.

В мезосфере могут появляться серебристые облака.

Мезопа́уза — слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя слоями, мезосферой и термосферой. На Земле располагается на высоте 80 — 90 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около -100°C (температура постоянная или медленно повышается), выше неё (до высоты около 400 км) температура снова начинает расти. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. На этой высоте наблюдаются серебристые облака.

Линия Ка́рмана — высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом.

В соответствии с определением Международной авиационной федерации (ФАИ), линия Кармана находится  на высоте 100 км над уровнем моря.

Термосфе́ра (от греч. θερμός — «тёплый» и σφαῖρα — «шар», «сфера»)  — слой атмосферы, следующий за мезосферой, — начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро и разрывно возрастает и может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150—300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода

О + hv ® О+ + е.

В нижней части термосферы рост температуры в сильной мере обусловлен энергией, выделяющейся при  объединении (рекомбинации) атомов кислорода  в молекулы (при этом в энергию  теплового движения частиц превращается энергия солнечного УФ-излучения, поглощённая  ранее при диссоциации молекул O2). На высоких широтах важный источник теплоты в термосфере — джоулева теплота, выделяемая электрическими токами магнитосферного происхождения. Этот источник вызывает значительный, но неравномерный  разогрев верхней атмосферы в  приполярных широтах, особенно во время  магнитных бурь.

Термопауза (греч. νέρμη — и παύσιζ — прекращение) — верхний слой атмосферы планеты, расположенный над термосферой, характеризующийся переходом к постоянной температуре (с увеличением расстояния от планеты). Выше расположена экзосфера.

Расположение термопаузы зависит от уровня солнечной активности и может колебаться от 400 до 800 километров. Температура составляет 500—2000 K в  зависимости от времени суток  и солнечной активности. Постоянство  температуры означает, что выше нет  заметных источников энергии, кроме солнечного излучения. Поглощение незначительное, поэтому поступление тепла мало изменяется с высотой.

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До высоты 100 км атмосфера  представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более  высоких слоях распределение  газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых  газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура  понижается от 0 °C в стратосфере  до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности  газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит  в так называемый ближнекосмический  вакуум, который заполнен сильно разрежёнными частицами межпланетного газа, главным  образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть  межпланетного вещества. Другую часть  составляют пылевидные частицы кометного  и метеорного происхождения. Кроме  чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает  электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Ионосфера. Излучение Солнца ионизирует атомы и молекулы атмосферы. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательно процессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О2, азота N2 и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60-ти километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна, называют нейтросферой. На высотах 60–70 км наблюдается слой D, на высотах 100–120 км слой Е, на высотах, на высотах 180–300 км двойной слой F1 и F2 . Основные параметры этих слоев приведены в Таблице 4.

Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается  на высотах 300–400 км.

 

 

1.4. Вода в атмосфере  Земли.

Важнейшей особенностью атмосферы  Земли является наличие значительного  количества водяных паров и воды в капельной форме, которую легче  всего наблюдать в виде облаков  и облачных структур. Степень покрытия неба облаками (в определенный момент или в среднем за некоторый  промежуток времени), выраженная в 10-балльной шкале или в процентах, называют облачностью. Форма облаков определяется по международной классификации. В  среднем, облака покрывают около  половины земного шара. Облачность – важный фактор, характеризующий  погоду и климат. Зимой и ночью  облачность препятствует понижению  температуры земной поверхности  и приземного слоя воздуха, летом  и днем – ослабляет нагревание земной поверхности солнечными лучами, смягчая климат внутри материков.

1.5. Облака.

Облака – скопления  взвешенных в атмосфере водяных  капель (водяные облака), ледяных  кристаллов (ледяные облака) или  – тех и других вместе (смешанные  облака). При укрупнении капель и  кристаллов они выпадают из облаков  в виде осадков. Облака образуются, главным образом, в тропосфере. Они  возникают в результате конденсации  водяного пара, содержащегося в воздухе. Диаметр облачных капель порядка  нескольких мкм. Содержание жидкой воды в облаках – от долей до нескольких граммов на м3. Облака различают по высоте: Согласно международной классификации  существует 10 родов облаков: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые, высококучевые, высокослоистые, слоисто-дождевые, слоистые, слоисто-кучевые, кучево-дождевые, кучевые.

В стратосфере наблюдаются  также перламутровые облака, а  в мезосфере – серебристые  облака.

Перистые облака – прозрачные облака в виде тонких белых нитей  или пелены с шелковистым блеском, не дающие тени. Перистые облака состоят  из ледяных кристаллов, образуются в верхних слоях тропосферы при  очень низких температурах. Некоторые  виды перистых облаков служат предвестниками смены погоды.

Перисто-кучевые облака –  гряды или слои тонких белых облаков  верхней тропосферы. Перисто-кучевые  облака построены из мелких элементов, имеющих вид хлопьев, ряби, маленьких  шариков без теней и состоят  преимущественно из ледяных кристаллов.

Перисто-слоистые облака –  белесоватая полупрозрачная пелена в верхней тропосфере, обычно волокнистая, иногда размытая, состоящая из мелких игольчатых или столбчатых ледяных кристаллов.

Высококучевые облака –  белые, серые или бело-серые облака нижних и средних слоев тропосферы. Высококучевые облака имеют вид  слоев и гряд, как бы построенных  из лежащих друг над другом пластинок, округлых масс, валов, хлопьев. Высококучевые  облака образуются при интенсивной  конвективной деятельности и обычно состоят из переохлажденных капелек  воды.

Высокослоистые облака –  сероватые или синеватые облака волокнистой или однородной структуры. Высокослоистые облака наблюдаются  в средней тропосфере, простираются на несколько км в высоту и иногда на тысячи км в горизонтальном направлении. Обычно высокослоистые облака входят в состав фронтальных облачных систем, связанных с восходящими движениями воздушных масс.

Слоисто-дождевые облака –  низкий (от 2 и выше км) аморфный слой облаков однообразно-серого цвета, дающий начало обложному дождю или  снегу. Слоисто-дождевые облака – сильно развиты по вертикали (до нескольких км) и горизонтали (несколько тысяч  км), состоят из переохлажденных  капель воды в смеси со снежинками обычно связаны с атмосферными фронтами.

Слоистые облака – облака нижнего яруса в виде однородного  слоя без определенных очертаний, серого цвета. Высота слоистых облаков над  земной поверхностью составляет 0,5–2 км. Изредка из слоистых облаков выпадает морось.

Кучевые облака – плотные, днем ярко-белые облака со значительным вертикальным развитием (до 5 км и более). Верхние части кучевых облаков  имеют вид куполов или башен  с округлыми очертаниями. Обычно кучевые облака возникают как  облака конвекции в холодных воздушных  массах.

Слоисто-кучевые облака –  низкие (ниже 2 км) облака в виде серых  или белых не волокнистых слоев  или гряд из круглых крупных глыб. Вертикальная мощность слоисто-кучевых  облаков невелика. Изредка слоисто-кучевых  облака дают небольшие осадки.

Кучево-дождевые облака –  мощные и плотные облака с сильным  вертикальным развитием (до высоты 14 км), дающие обильные ливневые осадки с  грозовыми явлениями, градом, шквалами. Кучево-дождевые облака развиваются  из мощных кучевых облаков, отличаясь  от них верхней частью, состоящей  из кристаллов льда.

 

 

1.6. Физиологические  и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем  моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без  адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается  физиологическая зона атмосферы. Дыхание  человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера  содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым  для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы  по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно  содержится около 3 л альвеолярного  воздуха. Парциальное давление кислорода  в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное  давление паров воды и углекислоты  в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление  кислорода в лёгкие полностью  прекратится, когда давление окружающего  воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической  кабины на этих высотах смерть наступает  почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха —  тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное  действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические  лучи; на высотах более 40 км действует  опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё  большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а  затем и полностью исчезают такие  привычные для нас явления, наблюдаемые  в нижних слоях атмосферы, как  распространение звука, возникновение  аэродинамической подъёмной силы и  сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях воздуха  распространение звука оказывается  невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и  подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная  с высот 100—130 км знакомые каждому  лётчику понятия числа М и  звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера  лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с  помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной  космической станции не смогут охлаждаться  снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью  воздушных струй и воздушных  радиаторов. На такой высоте, как  и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.

1.8. Основные химические  элементы в составе атмосферы.

Азот

Образование большого количества азота N2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О2, который стал поступать с поверхности  планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также  азот N2 выделяется в атмосферу в  результате денитрификации нитратов и  других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних  слоях атмосферы.

Азот N2 вступает в реакции  лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление  молекулярного азота озоном при  электрических разрядах в малых  количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами  и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные  водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз  с бобовыми растениями, т. н. сидератами.