Atmosfera to gazowa powłoka naszej planety, która obraca się wraz z Ziemią. Gaz znajdujący się w atmosferze nazywany jest powietrzem. Atmosfera styka się z hydrosferą i częściowo pokrywa litosferę. Ale górne granice są trudne do ustalenia. Konwencjonalnie przyjmuje się, że atmosfera rozciąga się w górę na odległość około trzech tysięcy kilometrów. Tam płynnie przechodzi w pozbawioną powietrza przestrzeń.
Skład chemiczny atmosfery ziemskiej
Tworzenie się składu chemicznego atmosfery rozpoczęło się około czterech miliardów lat temu. Początkowo atmosfera składała się wyłącznie z lekkich gazów - helu i wodoru. Zdaniem naukowców początkowym warunkiem powstania powłoki gazowej wokół Ziemi były erupcje wulkanów, które wraz z lawą wyemitowały ogromne ilości gazów. Następnie wymiana gazowa rozpoczęła się w przestrzeniach wodnych, organizmach żywych i produktach ich działalności. Skład powietrza stopniowo się zmieniał i kilka milionów lat temu utrwalił się w nowoczesnej formie.
Głównymi składnikami atmosfery są azot (około 79%) i tlen (20%). Pozostałą część (1%) stanowią następujące gazy: argon, neon, hel, metan, dwutlenek węgla, wodór, krypton, ksenon, ozon, amoniak, dwutlenek siarki i azotu, podtlenek azotu i tlenek węgla, które wchodzą w skład w tym jednym proc.
Ponadto powietrze zawiera parę wodną i cząstki stałe (pyłki, kurz, kryształki soli, zanieczyszczenia w postaci aerozolu).
Ostatnio naukowcy zaobserwowali nie jakościową, ale ilościową zmianę niektórych składników powietrza. A powodem tego jest człowiek i jego działania. Tylko w ciągu ostatnich 100 lat poziom dwutlenku węgla znacznie wzrósł! Wiąże się to z wieloma problemami, z których najbardziej globalnym są zmiany klimatyczne.
Kształtowanie się pogody i klimatu
Atmosfera odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu klimatu i pogody na Ziemi. Wiele zależy od ilości światła słonecznego, rodzaju podłoża i cyrkulacji atmosferycznej.
Przyjrzyjmy się czynnikom w kolejności.
1. Atmosfera przepuszcza ciepło promieni słonecznych i pochłania szkodliwe promieniowanie. Starożytni Grecy wiedzieli, że promienie Słońca padają na różne części Ziemi pod różnymi kątami. Samo słowo „klimat” w tłumaczeniu ze starożytnej greki oznacza „zbocze”. Tak więc na równiku promienie słoneczne padają prawie pionowo, dlatego jest tu bardzo gorąco. Im bliżej biegunów, tym większy kąt nachylenia. I temperatura spada.
2. Z powodu nierównomiernego ogrzewania Ziemi w atmosferze powstają prądy powietrza. Są one klasyfikowane według ich rozmiarów. Najmniejsze (dziesiątki i setki metrów) to wiatry lokalne. Następnie następują monsuny i pasaty, cyklony i antycyklony oraz planetarne strefy czołowe.
Wszystkie te masy powietrza stale się poruszają. Niektóre z nich są dość statyczne. Na przykład pasaty wiejące z obszarów podzwrotnikowych w kierunku równika. Ruch innych zależy w dużej mierze od ciśnienia atmosferycznego.
3. Kolejnym czynnikiem wpływającym na powstawanie klimatu jest ciśnienie atmosferyczne. Jest to ciśnienie powietrza panujące na powierzchni ziemi. Jak wiadomo, masy powietrza przemieszczają się z obszaru o wyższym ciśnieniu atmosferycznym do obszaru, w którym ciśnienie to jest niższe.
W sumie przydzielono 7 stref. Równik jest strefą niskiego ciśnienia. Ponadto po obu stronach równika aż do trzydziestych szerokości geograficznych znajduje się obszar wysokiego ciśnienia. Od 30° do 60° – znowu niskie ciśnienie. A od 60° do biegunów znajduje się strefa wysokiego ciśnienia. Pomiędzy tymi strefami krążą masy powietrza. Te, które przybywają z morza na ląd, przynoszą deszcz i złą pogodę, a te, które wieją z kontynentów, przynoszą czystą i suchą pogodę. W miejscach zderzenia prądów powietrza tworzą się strefy frontów atmosferycznych, które charakteryzują się opadami atmosferycznymi i niesprzyjającą, wietrzną pogodą.
Naukowcy udowodnili, że nawet dobrostan człowieka zależy od ciśnienia atmosferycznego. Według międzynarodowych standardów normalne ciśnienie atmosferyczne wynosi 760 mm Hg. kolumnie w temperaturze 0°C. Wskaźnik ten jest obliczany dla obszarów lądowych, które znajdują się prawie na poziomie morza. Wraz z wysokością ciśnienie maleje. Dlatego na przykład dla Petersburga 760 mm Hg. - to norma. Ale dla Moskwy, która znajduje się wyżej, normalne ciśnienie wynosi 748 mm Hg.
Ciśnienie zmienia się nie tylko w pionie, ale także w poziomie. Jest to szczególnie odczuwalne podczas przechodzenia cyklonów.
Struktura atmosfery
Atmosfera przypomina tort warstwowy. Każda warstwa ma swoją własną charakterystykę.
. Troposfera- warstwa najbliższa Ziemi. „Grubość” tej warstwy zmienia się wraz z odległością od równika. Nad równikiem warstwa rozciąga się w górę o 16-18 km, w strefach umiarkowanych o 10-12 km, na biegunach o 8-10 km.
To tutaj znajduje się 80% całkowitej masy powietrza i 90% pary wodnej. Tworzą się tu chmury, powstają cyklony i antycyklony. Temperatura powietrza zależy od wysokości nad poziomem morza. Średnio zmniejsza się o 0,65° C na każde 100 metrów.
. Tropopauza- warstwa przejściowa atmosfery. Jego wysokość waha się od kilkuset metrów do 1-2 km. Temperatura powietrza latem jest wyższa niż zimą. Przykładowo nad biegunami zimą jest -65°C. A nad równikiem o każdej porze roku -70°C.
. Stratosfera- jest to warstwa, której górna granica leży na wysokości 50-55 kilometrów. Turbulencje są tu niewielkie, zawartość pary wodnej w powietrzu znikoma. Ale jest dużo ozonu. Jego maksymalne stężenie występuje na wysokości 20-25 km. W stratosferze temperatura powietrza zaczyna rosnąć i osiąga +0,8° C. Dzieje się tak na skutek interakcji warstwy ozonowej z promieniowaniem ultrafioletowym.
. Stratopauza- niska warstwa pośrednia między stratosferą a następującą po niej mezosferą.
. Mezosfera- górna granica tej warstwy wynosi 80-85 kilometrów. Zachodzą tu złożone procesy fotochemiczne z udziałem wolnych rodników. To one zapewniają delikatny, niebieski blask naszej planety, który widać z kosmosu.
Większość komet i meteorytów spala się w mezosferze.
. Mezopauza- następna warstwa pośrednia, w której temperatura powietrza wynosi co najmniej -90°.
. Termosfera- dolna granica rozpoczyna się na wysokości 80 - 90 km, a górna granica warstwy przebiega na wysokości około 800 km. Temperatura powietrza rośnie. Może wahać się od +500° C do +1000° C. W ciągu dnia wahania temperatury sięgają setek stopni! Jednak powietrze tutaj jest tak rozrzedzone, że rozumienie terminu „temperatura” w taki sposób, w jaki go sobie wyobrażamy, nie jest tutaj właściwe.
. Jonosfera- łączy mezosferę, mezopauzę i termosferę. Powietrze tutaj składa się głównie z cząsteczek tlenu i azotu, a także quasi-obojętnej plazmy. Promienie słoneczne wpadające do jonosfery silnie jonizują cząsteczki powietrza. W warstwie dolnej (do 90 km) stopień jonizacji jest niski. Im wyższa, tym większa jonizacja. Tak więc na wysokości 100-110 km elektrony są skoncentrowane. Pomaga to odbijać krótkie i średnie fale radiowe.
Najważniejszą warstwą jonosfery jest górna, która znajduje się na wysokości 150-400 km. Jego osobliwością jest to, że odbija fale radiowe, co ułatwia transmisję sygnałów radiowych na znaczne odległości.
To właśnie w jonosferze występuje zjawisko takie jak zorza polarna.
. Egzosfera- składa się z atomów tlenu, helu i wodoru. Gaz w tej warstwie jest bardzo rozrzedzony, a atomy wodoru często uciekają w przestrzeń kosmiczną. Dlatego warstwę tę nazywa się „strefą dyspersyjną”.
Pierwszym naukowcem, który zasugerował, że nasza atmosfera ma wagę, był Włoch E. Torricelli. Na przykład Ostap Bender w swojej powieści „Złoty cielec” ubolewał, że na każdego człowieka naciska słup powietrza ważący 14 kg! Ale wielki intrygant trochę się pomylił. Dorosły doświadcza nacisku 13-15 ton! Ale nie odczuwamy tego ciężaru, ponieważ ciśnienie atmosferyczne równoważy ciśnienie wewnętrzne człowieka. Masa naszej atmosfery wynosi 5 300 000 000 000 000 ton. Liczba jest kolosalna, chociaż stanowi zaledwie jedną milionową masy naszej planety.
Otoczka gazowa otaczająca naszą planetę Ziemia, zwana atmosferą, składa się z pięciu głównych warstw. Warstwy te powstają na powierzchni planety, od poziomu morza (czasami poniżej) i wznoszą się w przestrzeń kosmiczną w następującej kolejności:
- Troposfera;
- Stratosfera;
- Mezosfera;
- termosfera;
- Egzosfera.
Schemat głównych warstw atmosfery ziemskiej
Pomiędzy każdą z tych pięciu głównych warstw znajdują się strefy przejściowe zwane „przerwami”, w których zachodzą zmiany temperatury, składu i gęstości powietrza. Wraz z przerwami atmosfera ziemska składa się łącznie z 9 warstw.
Troposfera: miejsce, w którym występuje pogoda
Ze wszystkich warstw atmosfery troposfera jest tą, którą znamy najlepiej (czy zdajemy sobie z tego sprawę, czy nie), ponieważ żyjemy na jej dnie – powierzchni planety. Otacza powierzchnię Ziemi i rozciąga się w górę na kilka kilometrów. Słowo troposfera oznacza „zmianę globu”. Bardzo trafna nazwa, ponieważ w tej warstwie występuje nasza codzienna pogoda.
Zaczynając od powierzchni planety, troposfera wznosi się na wysokość od 6 do 20 km. Najbliższa nam dolna trzecia część warstwy zawiera 50% wszystkich gazów atmosferycznych. To jedyna część całej atmosfery, która oddycha. Ze względu na to, że powietrze jest podgrzewane od dołu przez powierzchnię Ziemi, która pochłania energię cieplną Słońca, wraz ze wzrostem wysokości spada temperatura i ciśnienie troposfery.
Na górze znajduje się cienka warstwa zwana tropopauzą, która stanowi jedynie bufor pomiędzy troposferą a stratosferą.
Stratosfera: siedziba ozonu
Stratosfera to kolejna warstwa atmosfery. Rozciąga się od 6-20 km do 50 km nad powierzchnią Ziemi. Jest to warstwa, po której lata większość komercyjnych samolotów pasażerskich i balonów na ogrzane powietrze.
Tutaj powietrze nie przepływa w górę i w dół, ale porusza się równolegle do powierzchni w bardzo szybkich prądach powietrza. Gdy wschodzisz, temperatura wzrasta dzięki obfitości naturalnie występującego ozonu (O3), produktu ubocznego promieniowania słonecznego i tlenu, który ma zdolność pochłaniania szkodliwych promieni ultrafioletowych słońca (w meteorologii znany jest każdy wzrost temperatury wraz z wysokością jako „inwersja”).
Ponieważ w stratosferze panują wyższe temperatury na dole i niższe temperatury na górze, konwekcja (pionowy ruch mas powietrza) jest w tej części atmosfery rzadkością. W rzeczywistości burzę szalejącą w troposferze można zobaczyć ze stratosfery, ponieważ warstwa ta działa jak czapa konwekcyjna, która zapobiega przenikaniu chmur burzowych.
Po stratosferze ponownie następuje warstwa buforowa, tym razem zwana stratopauzą.
Mezosfera: środkowa atmosfera
Mezosfera znajduje się około 50-80 km od powierzchni Ziemi. Górna mezosfera to najzimniejsze naturalne miejsce na Ziemi, gdzie temperatury mogą spaść poniżej -143°C.
Termosfera: górna atmosfera
Po mezosferze i mezopauzie następuje termosfera, położona między 80 a 700 km nad powierzchnią planety i zawierająca mniej niż 0,01% całkowitego powietrza w powłoce atmosferycznej. Temperatury sięgają tu nawet +2000°C, ale ze względu na wyjątkowo rozrzedzoną atmosferę i brak cząsteczek gazu odpowiedzialnych za przenoszenie ciepła, te wysokie temperatury są odbierane jako bardzo niskie.
Egzosfera: granica między atmosferą a przestrzenią
Na wysokości około 700-10 000 km nad powierzchnią Ziemi znajduje się egzosfera - zewnętrzna krawędź atmosfery, granicząca z przestrzenią kosmiczną. Tutaj satelity pogodowe krążą wokół Ziemi.
A co z jonosferą?
Jonosfera nie jest odrębną warstwą, ale w rzeczywistości termin ten odnosi się do atmosfery znajdującej się na wysokości od 60 do 1000 km. Obejmuje najwyższe części mezosfery, całą termosferę i część egzosfery. Jonosfera ma swoją nazwę, ponieważ w tej części atmosfery promieniowanie słoneczne ulega jonizacji, gdy przechodzi przez ziemskie pole magnetyczne w punkcie i. Zjawisko to obserwuje się z ziemi w postaci zorzy polarnej.
Atmosfera jest jednym z najważniejszych składników naszej planety. To ona „chroni” ludzi przed trudnymi warunkami panującymi w przestrzeni kosmicznej, takimi jak promieniowanie słoneczne i śmieci kosmiczne. Jednak wiele faktów na temat atmosfery jest nieznanych większości ludzi.
Prawdziwy kolor nieba
Choć trudno w to uwierzyć, niebo w rzeczywistości jest fioletowe. Kiedy światło dostaje się do atmosfery, cząsteczki powietrza i wody pochłaniają je, rozpraszając je. Jednocześnie kolor fioletowy rozprasza się najbardziej, dlatego ludzie widzą błękitne niebo.
Ekskluzywny element atmosfery ziemskiej
Jak wielu pamięta ze szkoły, atmosfera ziemska składa się z około 78% azotu, 21% tlenu i niewielkich ilości argonu, dwutlenku węgla i innych gazów. Jednak niewiele osób wie, że nasza atmosfera jest jedyną odkrytą do tej pory przez naukowców (poza kometą 67P) zawierającą wolny tlen. Ponieważ tlen jest gazem wysoce reaktywnym, często reaguje z innymi substancjami chemicznymi w przestrzeni kosmicznej. Jego czysta forma na Ziemi sprawia, że planeta nadaje się do zamieszkania.
Biały pasek na niebie
Z pewnością niektórzy zastanawiali się czasem, dlaczego za odrzutowcem na niebie pozostaje biały pasek. Te białe smugi, zwane smugami kondensacyjnymi, powstają, gdy gorące i wilgotne spaliny z silnika samolotu mieszają się z chłodniejszym powietrzem zewnętrznym. Para wodna z wydechu zamarza i staje się widoczna.
Główne warstwy atmosfery
Atmosfera ziemska składa się z pięciu głównych warstw, dzięki którym możliwe jest życie na planecie. Pierwsza z nich, troposfera, rozciąga się od poziomu morza do wysokości około 17 km na równiku. Tutaj ma miejsce większość zjawisk pogodowych.
Warstwa ozonowa
Kolejna warstwa atmosfery, stratosfera, osiąga wysokość około 50 km na równiku. Zawiera warstwę ozonową, która chroni ludzi przed niebezpiecznymi promieniami ultrafioletowymi. Chociaż warstwa ta znajduje się powyżej troposfery, w rzeczywistości może być cieplejsza ze względu na energię pochłanianą przez promienie słoneczne. Większość samolotów odrzutowych i balonów pogodowych lata w stratosferze. Samoloty mogą latać w nim szybciej, ponieważ w mniejszym stopniu oddziałuje na nie grawitacja i tarcie. Balony pogodowe mogą zapewnić lepszy obraz burz, z których większość występuje niżej w troposferze.
Mezosfera
Mezosfera to warstwa środkowa, rozciągająca się na wysokość 85 km nad powierzchnią planety. Jego temperatura wynosi około -120°C. Większość meteorów wchodzących w atmosferę ziemską spala się w mezosferze. Dwie ostatnie warstwy rozciągające się w przestrzeń kosmiczną to termosfera i egzosfera.
Zanik atmosfery
Ziemia najprawdopodobniej kilkakrotnie traciła atmosferę. Kiedy planeta pokryła się oceanami magmy, uderzyły w nią masywne obiekty międzygwiazdowe. Uderzenia te, w wyniku których uformował się także Księżyc, mogły po raz pierwszy uformować atmosferę planety.
Gdyby nie było gazów atmosferycznych...
Bez różnych gazów w atmosferze Ziemia byłaby zbyt zimna dla istnienia człowieka. Para wodna, dwutlenek węgla i inne gazy atmosferyczne pochłaniają ciepło słoneczne i „rozprowadzają” je po powierzchni planety, pomagając stworzyć klimat nadający się do zamieszkania.
Tworzenie się warstwy ozonowej
Słynna (i niezbędna) warstwa ozonowa powstała, gdy atomy tlenu zareagowały ze światłem ultrafioletowym słońca, tworząc ozon. To właśnie ozon pochłania większość szkodliwego promieniowania słonecznego. Pomimo swojego znaczenia warstwa ozonowa powstała stosunkowo niedawno, gdy w oceanach pojawiło się wystarczająco dużo życia, aby uwolnić do atmosfery ilość tlenu potrzebną do wytworzenia minimalnego stężenia ozonu.
Jonosfera
Jonosfera została tak nazwana, ponieważ wysokoenergetyczne cząstki z kosmosu i Słońca pomagają tworzyć jony, tworząc „warstwę elektryczną” wokół planety. Kiedy nie było satelitów, warstwa ta pomagała odbijać fale radiowe.
Kwaśny deszcz
Kwaśne deszcze, które niszczą całe lasy i dewastują ekosystemy wodne, powstają w atmosferze, gdy cząsteczki dwutlenku siarki lub tlenku azotu mieszają się z parą wodną i opadają na ziemię w postaci deszczu. Te związki chemiczne występują również w przyrodzie: podczas erupcji wulkanów powstaje dwutlenek siarki, a podczas uderzeń piorunów powstaje tlenek azotu.
Moc błyskawicy
Piorun jest tak potężny, że tylko jeden piorun może podgrzać otaczające powietrze do temperatury 30 000°C. Szybkie nagrzewanie powoduje wybuchową ekspansję pobliskiego powietrza, co słychać w postaci fali dźwiękowej zwanej grzmotem.
Zorze polarne
Zorza Borealis i Aurora Australis (zorze północna i południowa) powstają w wyniku reakcji jonowych zachodzących na czwartym poziomie atmosfery, termosferze. Kiedy wysoko naładowane cząstki wiatru słonecznego zderzają się z cząsteczkami powietrza nad biegunami magnetycznymi planety, świecą i tworzą olśniewające pokazy świetlne.
Zachody słońca
Zachody słońca często sprawiają wrażenie, jakby niebo płonęło, ponieważ małe cząsteczki atmosferyczne rozpraszają światło, odbijając je w pomarańczowych i żółtych odcieniach. Ta sama zasada leży u podstaw powstawania tęczy.
Mieszkańcy górnych warstw atmosfery
W 2013 roku naukowcy odkryli, że maleńkie drobnoustroje mogą przetrwać wiele kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Na wysokości 8–15 km nad planetą odkryto drobnoustroje, które niszczą organiczne substancje chemiczne i unoszą się w atmosferze, „żywiąc się” nimi.
Atmosfera ziemska to gazowa powłoka naszej planety, rozciągająca się na tysiące kilometrów nad powierzchnią planety. Charakteryzuje się dużą dynamiką, niejednorodnością fizyczną i podatnością na czynniki biologiczne. Na przestrzeni miliardów lat historii ziemskiej atmosfery to istoty żywe najsilniej zmieniały jej skład.
Atmosfera jest naszą kopułą ochronną przed wszelkiego rodzaju zagrożeniami z kosmosu. Spala większość meteorytów spadających na planetę, a jego warstwa ozonowa służy jako filtr przed promieniowaniem ultrafioletowym Słońca, którego energia jest śmiertelna dla żywych istot. Ponadto to atmosfera utrzymuje komfortową temperaturę na powierzchni Ziemi – gdyby nie efekt cieplarniany, uzyskiwany poprzez wielokrotne odbijanie promieni słonecznych od chmur, Ziemia byłaby średnio o 20-30 stopni zimniejsza. Cyrkulacja wody w atmosferze i ruch mas powietrza nie tylko równoważą temperaturę i wilgotność, ale także tworzą na Ziemi różnorodność form krajobrazowych i minerałów - takiego bogactwa nie można znaleźć nigdzie indziej w Układzie Słonecznym.
Masa atmosfery wynosi 5,2×1018 kilogramów. Chociaż powłoki gazowe rozciągają się na wiele tysięcy kilometrów od Ziemi, za atmosferę uważa się tylko te, które obracają się wokół osi z prędkością równą prędkości obrotu planety. Zatem wysokość atmosfery ziemskiej wynosi około 1000 kilometrów, płynnie przechodząc w przestrzeń kosmiczną w górnej warstwie, egzosferę (z greckiej „sfery zewnętrznej”).
Chociaż powietrze wydaje się jednorodne, jest mieszaniną różnych gazów. Jeśli weźmiemy tylko te, które zajmują co najmniej jedną tysięczną objętości atmosfery, będzie ich już 12. Jeśli spojrzymy na ogólny obraz, wówczas cały układ okresowy będzie w powietrzu w tym samym czasie!
Jednak Ziemi nie udało się od razu osiągnąć takiej różnorodności. Tylko dzięki wyjątkowej zbieżności pierwiastków chemicznych i obecności życia atmosfera ziemska stała się tak złożona. Na naszej planecie zachowały się ślady geologiczne tych procesów, co pozwala nam spojrzeć wstecz na miliardy lat.
Pierwszymi gazami, które pokryły młodą Ziemię 4,3 miliarda lat temu, był wodór i hel, podstawowe składniki atmosfery gazowych gigantów, takich jak Jowisz. Są to najbardziej elementarne substancje - składały się z pozostałości mgławicy, która dała początek Słońcu i otaczających ją planet, i obficie osiadły wokół centrów grawitacyjnych-planet. Ich stężenie nie było zbyt duże, a niska masa atomowa pozwalała im na ucieczkę w przestrzeń kosmiczną, co robią do dziś. Obecnie ich całkowity ciężar właściwy wynosi 0,00052% całkowitej masy atmosfery ziemskiej (0,00002% wodoru i 0,0005% helu), co jest bardzo małą wartością.
Jednak wewnątrz samej Ziemi znajdowało się wiele substancji, które próbowały uciec z gorących wnętrzności. Z wulkanów uwolniły się ogromne ilości gazów – przede wszystkim amoniaku, metanu i dwutlenku węgla, a także siarki. Amoniak i metan następnie rozłożyły się na azot, który obecnie zajmuje lwią część masy atmosfery ziemskiej - 78%.
Ale prawdziwa rewolucja w składzie atmosfery ziemskiej nastąpiła wraz z pojawieniem się tlenu. Pojawiło się to również naturalnie - gorący płaszcz młodej planety aktywnie pozbywał się gazów uwięzionych pod skorupą ziemską. Ponadto para wodna emitowana przez wulkany pod wpływem słonecznego promieniowania ultrafioletowego rozkładała się na wodór i tlen.
Jednak taki tlen nie mógł długo pozostawać w atmosferze. Reagował z tlenkiem węgla, wolnym żelazem, siarką i wieloma innymi pierwiastkami na powierzchni planety, a wysokie temperatury i promieniowanie słoneczne katalizowały procesy chemiczne. Sytuację tę zmieniło dopiero pojawienie się organizmów żywych.
Po pierwsze, zaczęły uwalniać tak dużo tlenu, że nie tylko utlenił wszystkie substancje na powierzchni, ale także zaczął się gromadzić - w ciągu kilku miliardów lat jego ilość wzrosła od zera do 21% całkowitej masy atmosfery.
Po drugie, organizmy żywe aktywnie wykorzystywały węgiel atmosferyczny do budowy własnych szkieletów. W wyniku ich działalności skorupa ziemska została uzupełniona całymi warstwami geologicznymi materiałów organicznych i skamieniałości, a dwutlenek węgla stał się znacznie mniejszy
I wreszcie nadmiar tlenu utworzył warstwę ozonową, która zaczęła chronić organizmy żywe przed promieniowaniem ultrafioletowym. Życie zaczęło aktywniej ewoluować i przybierać nowe, bardziej złożone formy - wśród bakterii i glonów zaczęły pojawiać się wysoce zorganizowane stworzenia. Obecnie ozon stanowi zaledwie 0,00001% całkowitej masy Ziemi.
Zapewne już wiesz, że błękit nieba na Ziemi tworzy także tlen – z całego tęczowego widma Słońca, to on najlepiej rozprasza krótkie fale światła odpowiedzialne za kolor niebieski. Ten sam efekt działa w przestrzeni kosmicznej - z daleka Ziemia wydaje się spowita niebieską mgłą, a z daleka całkowicie zamienia się w niebieską kropkę.
Ponadto w atmosferze występują w znacznych ilościach gazy szlachetne. Wśród nich najwięcej jest argonu, którego udział w atmosferze wynosi 0,9–1%. Jej źródłem są procesy jądrowe zachodzące w głębi Ziemi, a na powierzchnię dociera poprzez mikropęknięcia w płytach litosfery oraz erupcje wulkanów (tak hel pojawia się w atmosferze). Gazy szlachetne ze względu na swoje właściwości fizyczne przedostają się do górnych warstw atmosfery, skąd przedostają się w przestrzeń kosmiczną.
Jak widzimy skład atmosfery ziemskiej zmieniał się niejeden raz i to bardzo mocno – ale trwało to miliony lat. Z drugiej strony zjawiska życiowe są bardzo stabilne - warstwa ozonowa będzie istnieć i funkcjonować nawet wtedy, gdy na Ziemi będzie 100 razy mniej tlenu. Na tle ogólnej historii planety działalność człowieka nie pozostawiła poważnych śladów. Jednak w skali lokalnej cywilizacja jest zdolna do tworzenia problemów – przynajmniej dla siebie. Zanieczyszczenia powietrza sprawiły już, że życie mieszkańców Pekinu w Chinach stało się niebezpieczne – a ogromne chmury brudnej mgły nad dużymi miastami są widoczne nawet z kosmosu.
Struktura atmosfery
Jednak egzosfera nie jest jedyną specjalną warstwą naszej atmosfery. Jest ich wiele, a każdy z nich ma swoje unikalne cechy. Przyjrzyjmy się kilku podstawowym.
Troposfera
Najniższa i najgęstsza warstwa atmosfery nazywana jest troposferą. Czytelnik artykułu znajduje się teraz właśnie w jego „dolnej” części – chyba że jest jedną z 500 tysięcy osób, które właśnie lecą samolotem. Górna granica troposfery zależy od szerokości geograficznej (pamiętacie siłę odśrodkową powstającą podczas obrotu Ziemi, która powoduje, że planeta jest szersza na równiku?) i waha się od 7 kilometrów na biegunach do 20 kilometrów na równiku. Wielkość troposfery zależy również od pory roku – im cieplejsze powietrze, tym wyższa górna granica.
Nazwa „troposfera” pochodzi od starożytnego greckiego słowa „tropos”, które tłumaczy się jako „zwrot, zmiana”. To dość dokładnie odzwierciedla właściwości warstwy atmosferycznej - jest ona najbardziej dynamiczna i produktywna. To właśnie w troposferze gromadzą się chmury, krąży woda, powstają cyklony i antycyklony oraz generowane są wiatry - zachodzą wszystkie te procesy, które nazywamy „pogodą” i „klimatem”. Ponadto jest to najbardziej masywna i gęsta warstwa - stanowi 80% masy atmosfery i prawie całą zawartość wody. Żyje tu większość organizmów żywych.
Każdy wie, że im wyżej wspinamy się, tym robi się zimniej. To prawda – co 100 metrów w górę temperatura powietrza spada o 0,5-0,7 stopnia. Zasada ta działa jednak tylko w troposferze – wtedy temperatura zaczyna rosnąć wraz ze wzrostem wysokości. Strefa pomiędzy troposferą a stratosferą, w której temperatura pozostaje stała, nazywana jest tropopauzą. A wraz z wysokością wiatr przyspiesza – o 2–3 km/s na kilometr w górę. Dlatego paralotnie i lotnie preferują do lotów podwyższone płaskowyże i góry - tam zawsze będą w stanie „złapać falę”.
Wspomniane już dno powietrza, w którym atmosfera styka się z litosferą, nazywane jest powierzchniową warstwą przyścienną. Jego rola w cyrkulacji atmosferycznej jest niezwykle duża - przenoszenie ciepła i promieniowania z powierzchni powoduje powstawanie wiatrów i różnic ciśnień, a góry i inne nierówności terenu kierują nimi i oddzielają. Wymiana wody następuje natychmiast – w ciągu 8–12 dni cała woda pobrana z oceanów i powierzchni powraca z powrotem, zamieniając troposferę w swego rodzaju filtr wody.
Ciekawostką jest fakt, że ważny proces w życiu roślin, jakim jest transpiracja, polega na wymianie wody z atmosferą. Z jego pomocą flora planety aktywnie wpływa na klimat - na przykład duże obszary zielone łagodzą zmiany pogody i temperatury. Rośliny na terenach nasyconych wodą odparowują 99% wody pobranej z gleby. Przykładowo hektar pszenicy wypuszcza latem do atmosfery 2-3 tys. ton wody – to znacznie więcej, niż może uwolnić martwa gleba.
Normalne ciśnienie na powierzchni Ziemi wynosi około 1000 milibarów. Za normę uważa się ciśnienie 1013 mbar, czyli jedną „atmosferę” – zapewne spotkałeś się już z tą jednostką miary. Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie gwałtownie spada: na granicach troposfery (na wysokości 12 kilometrów) wynosi już 200 mBar, a na wysokości 45 kilometrów całkowicie spada do 1 mBar. Nic więc dziwnego, że w nasyconej troposferze gromadzi się 80% całej masy ziemskiej atmosfery.
Stratosfera
Warstwa atmosfery położona pomiędzy wysokością od 8 km (na biegunie) a 50 km (na równiku) nazywana jest stratosferą. Nazwa pochodzi od innego greckiego słowa „stratos”, co oznacza „podłoga, warstwa”. Jest to niezwykle rzadka strefa atmosfery ziemskiej, w której prawie nie ma pary wodnej. Ciśnienie powietrza w dolnej części stratosfery jest 10 razy mniejsze niż ciśnienie powierzchniowe, a w górnej 100 razy mniejsze.
W naszej rozmowie o troposferze dowiedzieliśmy się już, że temperatura w niej spada w zależności od wysokości. W stratosferze wszystko dzieje się dokładnie odwrotnie – wraz ze wzrostem wysokości temperatura wzrasta z –56°C do 0–1°C. Ogrzewanie zatrzymuje się w stratopauzie, na granicy stratosfery i mezosfery.
Samoloty pasażerskie i samoloty naddźwiękowe zwykle latają w dolnych warstwach stratosfery - to nie tylko chroni je przed niestabilnością przepływów powietrza w troposferze, ale także ułatwia ich poruszanie się ze względu na niski opór aerodynamiczny. A niskie temperatury i rozrzedzone powietrze pozwalają zoptymalizować zużycie paliwa, co jest szczególnie ważne w przypadku lotów długodystansowych.
Istnieje jednak techniczna granica wysokości lotu statku powietrznego – przepływ powietrza, który w stratosferze jest tak mały, jest niezbędny do pracy silników odrzutowych. W związku z tym, aby osiągnąć wymagane ciśnienie powietrza w turbinie, samolot musi poruszać się szybciej niż prędkość dźwięku. Dlatego wysoko w stratosferze (na wysokości 18–30 kilometrów) mogą poruszać się wyłącznie wozy bojowe i samoloty naddźwiękowe typu Concordes. Zatem głównymi „mieszkańcami” stratosfery są sondy pogodowe przymocowane do balonów - mogą tam pozostać przez długi czas, zbierając informacje o dynamice leżącej pod spodem troposfery.
Mikroorganizmy, tzw. aeroplankton, występują w atmosferze aż do warstwy ozonowej. Jednak nie tylko bakterie są w stanie przetrwać w stratosferze. Tak więc pewnego dnia sęp afrykański, specjalny rodzaj sępa, wsiadł do silnika samolotu na wysokości 11,5 tysiąca kilometrów. A niektóre kaczki spokojnie przelatują nad Everestem podczas swoich migracji.
Jednak największym stworzeniem, jakie kiedykolwiek żyło w stratosferze, pozostaje człowiek. Aktualny rekord wzrostu ustanowił Alan Eustace, wiceprezes Google. W dniu skoku miał 57 lat! W specjalnym balonie wzniósł się na wysokość 41 kilometrów nad poziomem morza, a następnie zeskoczył ze spadochronem. Prędkość, jaką osiągnął w szczytowym momencie upadku, wyniosła 1342 km/h – więcej niż prędkość dźwięku! Jednocześnie Eustachy stał się pierwszą osobą, która samodzielnie przekroczyła próg prędkości dźwięku (nie licząc w całości skafandra kosmicznego do podtrzymywania życia i spadochronów do lądowania).
Ciekawostką jest to, że aby odłączyć się od balonu, Eustachy potrzebował urządzenia wybuchowego – takiego, jakiego używają rakiety kosmiczne podczas odłączania stopni.
A na granicy stratosfery i mezosfery znajduje się słynna warstwa ozonowa. Chroni powierzchnię Ziemi przed działaniem promieni ultrafioletowych, a jednocześnie służy jako górna granica rozprzestrzeniania się życia na planecie – nad nią temperatura, ciśnienie i promieniowanie kosmiczne szybko położą kres nawet najbardziej uporczywym bakteria.
Skąd wzięła się ta tarcza? Odpowiedź jest niesamowita – został stworzony przez organizmy żywe, a dokładniej przez tlen, który od niepamiętnych czasów wydzielają różne bakterie, glony i rośliny. Unoszący się wysoko w atmosferze tlen wchodzi w kontakt z promieniowaniem ultrafioletowym i wchodzi w reakcję fotochemiczną. W efekcie ze zwykłego tlenu, którym oddychamy, O2, powstaje ozon – O3.
Paradoksalnie, ozon powstający w wyniku promieniowania Słońca chroni nas przed tym samym promieniowaniem! Ozon również nie odbija, lecz pochłania promieniowanie ultrafioletowe – ogrzewając w ten sposób otaczającą go atmosferę.
Mezosfera
Wspomnieliśmy już, że nad stratosferą, a dokładniej nad stratopauzą, warstwą graniczną o stabilnej temperaturze, znajduje się mezosfera. Ta stosunkowo niewielka warstwa znajduje się na wysokości od 40–45 do 90 kilometrów nad poziomem morza i jest najzimniejszym miejscem na naszej planecie – w mezopauzie, górnej warstwie mezosfery, powietrze ochładza się do –143°C.
Mezosfera jest najmniej zbadaną częścią atmosfery ziemskiej. Ekstremalnie niskie ciśnienie gazu, od tysiąca do dziesięciu tysięcy razy niższe od ciśnienia powierzchniowego, ogranicza ruch balonów – ich siła nośna sięga zera, a one po prostu wiszą w miejscu. To samo dzieje się z samolotami odrzutowymi - aerodynamika skrzydła i korpusu samolotu traci znaczenie. Dlatego w mezosferze mogą latać rakiety lub samoloty z silnikami rakietowymi - samoloty rakietowe. Należą do nich samolot rakietowy X-15, który zajmuje pozycję najszybszego samolotu na świecie: wzniósł się na wysokość 108 kilometrów i osiągnął prędkość 7200 km/h – 6,72 razy większą niż prędkość dźwięku.
Jednak rekordowy lot X-15 trwał tylko 15 minut. Symbolizuje to ogólny problem pojazdów poruszających się w mezosferze - są one zbyt szybkie, aby przeprowadzić jakiekolwiek dokładne badania i nie pozostają długo na danej wysokości, ani nie latają wyżej, ani nie spadają. Również mezosfery nie można badać za pomocą satelitów ani sond suborbitalnych - choć ciśnienie w tej warstwie atmosfery jest niskie, spowalnia to (a czasami spala) statek kosmiczny. Z powodu tych trudności naukowcy często nazywają mezosferę „ignorosferą” (od angielskiego „ignorosfery”, gdzie „ignorancja” to ignorancja, brak wiedzy).
To właśnie w mezosferze spala się większość meteorów spadających na Ziemię – to tam wybucha rój meteorów Perseidów, zwany „sierpniowym rojem meteorów”. Efekt świetlny pojawia się, gdy ciało kosmiczne wchodzi w atmosferę ziemską pod ostrym kątem z prędkością większą niż 11 km/h – meteoryt rozświetla się pod wpływem siły tarcia.
Utraciwszy masę w mezosferze, pozostałości „obcych” osiadają na Ziemi w postaci kosmicznego pyłu - codziennie na planetę spada od 100 do 10 tysięcy ton materii meteorytowej. Ponieważ pojedyncze ziarna pyłu są bardzo lekkie, dotarcie na powierzchnię Ziemi zajmuje im nawet miesiąc! Kiedy wpadają w chmury, czynią je cięższymi, a czasem nawet powodują deszcz - tak jak powodują je popiół wulkaniczny lub cząstki powstałe w wyniku eksplozji nuklearnych. Jednak wpływ pyłu kosmicznego na powstawanie opadów uważa się za niewielki - nawet 10 tysięcy ton to za mało, aby poważnie zmienić naturalną cyrkulację ziemskiej atmosfery.
Termosfera. Transfer linią Karman. Wszystkie warstwy atmosfery są wyraźnie widoczne na zdjęciu.
Nad mezosferą, na wysokości 100 kilometrów nad poziomem morza, przebiega linia Karmana – umowna granica między Ziemią a kosmosem. Chociaż są tam gazy, które krążą wraz z Ziemią i technicznie dostają się do atmosfery, ich ilość powyżej linii Karmana jest niezauważalnie mała. Dlatego każdy lot przekraczający wysokość 100 kilometrów jest już uważany za kosmiczny.
Dolna granica najdłuższej warstwy atmosfery, termosfery, pokrywa się z linią Karmana. Wznosi się na wysokość 800 kilometrów i charakteryzuje się wyjątkowo wysokimi temperaturami – na wysokości 400 kilometrów osiąga maksymalnie 1800°C!
Jest gorąco, prawda? W temperaturze 1538°C żelazo zaczyna się topić – w jaki sposób zatem statek kosmiczny może pozostać nienaruszony w termosferze? Chodzi o wyjątkowo niskie stężenie gazów w górnych warstwach atmosfery – ciśnienie w środku termosfery jest 1 000 000 razy mniejsze niż stężenie powietrza na powierzchni Ziemi! Energia poszczególnych cząstek jest wysoka, ale odległość między nimi jest ogromna, a statki kosmiczne zasadniczo znajdują się w próżni. Nie pomaga im to jednak pozbyć się ciepła emitowanego przez mechanizmy – w celu odprowadzenia ciepła wszystkie statki kosmiczne wyposażane są w grzejniki emitujące nadmiar energii.
Na notatce. Jeśli chodzi o wysokie temperatury, zawsze warto wziąć pod uwagę gęstość gorącej materii – na przykład naukowcy ze Zderzacza Hadronów potrafią faktycznie podgrzać materię do temperatury Słońca. Wiadomo jednak, że będą to pojedyncze cząsteczki – do potężnej eksplozji wystarczyłby jeden gram materii gwiezdnej. Dlatego nie powinniśmy wierzyć żółtej prasie, która obiecuje nam rychły koniec świata z „ręk” Zderzacza, tak jak nie powinniśmy bać się upału w termosferze.
Termosfera to w rzeczywistości otwarta przestrzeń - w jej granicach znajdowała się orbita pierwszego radzieckiego Sputnika. Było też apocentrum – najwyższy punkt nad Ziemią – lotu statku kosmicznego Wostok-1 z Jurijem Gagarinem na pokładzie. Na tej wysokości wystrzeliwanych jest również wiele sztucznych satelitów do badania powierzchni Ziemi, oceanów i atmosfery, takich jak satelity Google Maps. Dlatego jeśli mówimy o LEO (Low Reference Orbit, powszechne określenie w astronautyce), to w 99% przypadków ma on miejsce w termosferze.
Loty orbitalne ludzi i zwierząt nie odbywają się tylko w termosferze. Faktem jest, że w jego górnej części, na wysokości 500 kilometrów, rozciągają się pasy radiacyjne Ziemi. To tam naładowane cząsteczki wiatru słonecznego są wychwytywane i gromadzone przez magnetosferę. Długotrwałe przebywanie w pasach radiacyjnych powoduje nieodwracalne szkody dla organizmów żywych, a nawet elektroniki - dlatego wszystkie pojazdy wysokoorbitalne są chronione przed promieniowaniem.
Zorze
Na polarnych szerokościach geograficznych często pojawia się spektakularny i wspaniały spektakl - zorze polarne. Wyglądają jak długie świecące łuki o różnych kolorach i kształtach, które mienią się na niebie. Ziemia swój wygląd zawdzięcza swojej magnetosferze - a dokładniej dziurom w pobliżu biegunów. Naładowane cząsteczki wiatru słonecznego przedostają się przez nią, powodując świecenie atmosfery. Tutaj możesz podziwiać najbardziej spektakularne światła i dowiedzieć się więcej o ich pochodzeniu.
Obecnie zorze polarne są codziennością mieszkańców krajów okołobiegunowych, takich jak Kanada czy Norwegia, a także obowiązkowym punktem programu każdego turysty – wcześniej jednak przypisywano im nadprzyrodzone właściwości. Ludzie starożytni postrzegali kolorowe światła jako bramy do nieba, mityczne stworzenia i ogniska duchów, a ich zachowanie uważano za proroctwa. A naszych przodków można zrozumieć - nawet edukacja i wiara we własne umysły czasami nie są w stanie powstrzymać ich szacunku dla sił natury.
Egzosfera
Ostatnią warstwą atmosfery ziemskiej, której dolna granica przebiega na wysokości 700 kilometrów, jest egzosfera (od drugiej greckiej odry „exo” - na zewnątrz, na zewnątrz). Jest niesamowicie rozproszony i składa się głównie z atomów najlżejszego pierwiastka - wodoru; Istnieją również pojedyncze atomy tlenu i azotu, które są silnie zjonizowane przez wszechprzenikające promieniowanie słoneczne.
Wymiary egzosfery Ziemi są niewiarygodnie duże - wyrasta ona w koronę ziemską, geokoronę, która rozciąga się na odległość do 100 tysięcy kilometrów od planety. Jest bardzo rzadka - stężenie cząstek jest miliony razy mniejsze niż gęstość zwykłego powietrza. Ale jeśli Księżyc zasłoni Ziemię odległemu statkowi kosmicznemu, wówczas korona naszej planety będzie widoczna, tak jak korona Słońca jest dla nas widoczna podczas zaćmienia. Zjawiska tego jednak dotychczas nie zaobserwowano.
To także w egzosferze dochodzi do wietrzenia ziemskiej atmosfery – ze względu na dużą odległość od środka grawitacyjnego planety cząstki łatwo odrywają się od całkowitej masy gazu i wchodzą na własne orbity. Zjawisko to nazywane jest rozpraszaniem atmosferycznym. Nasza planeta co sekundę traci z atmosfery 3 kilogramy wodoru i 50 gramów helu. Tylko te cząstki są wystarczająco lekkie, aby uciec z ogólnej masy gazu.
Proste obliczenia pokazują, że Ziemia traci rocznie około 110 tysięcy ton masy atmosferycznej. Czy to jest niebezpieczne? W rzeczywistości nie - zdolność naszej planety do „produkcji” wodoru i helu przekracza tempo strat. Ponadto część utraconej materii z czasem powraca do atmosfery. A ważne gazy, takie jak tlen i dwutlenek węgla, są po prostu zbyt ciężkie, aby masowo opuścić Ziemię, więc nie ma potrzeby martwić się o ucieczkę ziemskiej atmosfery.
Ciekawostką jest to, że „prorocy” końca świata często mówią, że jeśli jądro Ziemi przestanie się obracać, atmosfera szybko ulegnie erozji pod naporem wiatru słonecznego. Jednak nasz czytelnik wie, że atmosfera w pobliżu Ziemi utrzymywana jest w całości przez siły grawitacyjne, które będą działać niezależnie od rotacji jądra. Wyraźnym dowodem na to jest Wenus, która ma nieruchome jądro i słabe pole magnetyczne, ale jej atmosfera jest 93 razy gęstsza i cięższa od ziemskiej. Nie oznacza to jednak, że zatrzymanie dynamiki jądra Ziemi jest bezpieczne – wówczas pole magnetyczne planety zaniknie. Jego rola polega nie tyle na powstrzymywaniu atmosfery, ile na ochronie przed naładowanymi cząsteczkami pochodzącymi z wiatru słonecznego, które z łatwością mogłyby zamienić naszą planetę w radioaktywną pustynię.
Atmosfera ziemska w astronomii
Kolor atmosfery innych planet odkrywa przed nami tajemnice jej składu. Atmosfera Marsa ma ten sam czerwony odcień co jego powierzchnia. Dzieje się tak dlatego, że dominującym gazem na Marsie jest dwutlenek węgla. To samo tyczy się egzoplanet. Analizując ich widmo barw, możemy poznać skład atmosfery – nie wiedząc nawet, jak wygląda planeta.
A skład atmosfery, jak wiemy, może nam wiele powiedzieć o planecie. Jeśli jest dużo dwutlenku węgla, oznacza to, że na planecie szaleją wulkany i zachodzą aktywne procesy geologiczne. Para wodna występująca w atmosferze nie gwarantuje istnienia oceanów na powierzchni, jest jednak źródłem tlenu. A istniejący nadmiar tlenu jest niemal stuprocentową gwarancją obecności życia. W końcu ty i ja już wiemy, że tlen ze źródeł nieożywionych jest natychmiast wydawany na reakcje chemiczne, a do jego akumulacji potrzebne jest źródło biotyczne.
Ponadto wszystkie gazy i ciecze krążą według podobnych praw chemicznych. Choć woda jest substancją o wyjątkowych właściwościach, nie jest niezbędnym składnikiem atmosfery. Na Tytanie, satelicie Saturna, znajduje się gazowa powłoka o strukturze podobnej do ziemskiej. Tworzą się w nim wszystkie te same klasy chmur, ciecz krąży w atmosferze w ten sam sposób - ale jej temperatura jest o sto stopni niższa, a zamiast wody pojawia się metan!
Atmosfera pozostawia również wyraźne ślady na powierzchni Ziemi. Oznaki erozji wietrznej pozostają nawet po utracie atmosfery przez obiekt kosmiczny. Porównując krajobrazy obce i ziemskie, można dokładnie określić ich historię – np. teoretyczne badania wykonane na podstawie zdjęć satelitarnych płaskorzeźby Marsa zostały potwierdzone podczas pracy łazików marsjańskich.
Atmosfera umożliwia życie na Ziemi. Już w szkole podstawowej otrzymujemy pierwsze informacje i fakty na temat atmosfery. W szkole średniej zapoznajemy się z tym pojęciem na lekcjach geografii.
Pojęcie atmosfery ziemskiej
Nie tylko Ziemia, ale także inne ciała niebieskie mają atmosferę. Tak nazywa się gazowa powłoka otaczająca planety. Skład tej warstwy gazu różni się znacznie pomiędzy planetami. Przyjrzyjmy się podstawowym informacjom i faktom dotyczącym inaczej zwanego powietrza.
Najważniejszym jego składnikiem jest tlen. Niektórzy błędnie myślą, że atmosfera ziemska składa się wyłącznie z tlenu, podczas gdy w rzeczywistości powietrze jest mieszaniną gazów. Zawiera 78% azotu i 21% tlenu. Pozostały jeden procent obejmuje ozon, argon, dwutlenek węgla i parę wodną. Chociaż procent tych gazów jest niewielki, spełniają one ważną funkcję - pochłaniają znaczną część energii promieniowania słonecznego, zapobiegając w ten sposób obróceniu przez oprawę wszelkiego życia na naszej planecie w popiół. Właściwości atmosfery zmieniają się w zależności od wysokości. Na przykład na wysokości 65 km azot stanowi 86%, a tlen 19%.
Skład atmosfery ziemskiej
- Dwutlenek węgla niezbędne do odżywiania roślin. Pojawia się w atmosferze w wyniku procesów oddychania organizmów żywych, gnicia i spalania. Jego brak w atmosferze uniemożliwiałby istnienie jakichkolwiek roślin.
- Tlen- istotny składnik atmosfery dla człowieka. Jej obecność jest warunkiem istnienia wszystkich żywych organizmów. Stanowi około 20% całkowitej objętości gazów atmosferycznych.
- Ozon jest naturalnym pochłaniaczem słonecznego promieniowania ultrafioletowego, które ma szkodliwy wpływ na organizmy żywe. Większość z nich tworzy odrębną warstwę atmosfery – ekran ozonowy. W ostatnim czasie działalność człowieka doprowadziła do tego, że stopniowo zaczyna się on zapadać, ale ponieważ ma to ogromne znaczenie, prowadzone są aktywne prace nad jego zachowaniem i przywróceniem.
- para wodna określa wilgotność powietrza. Jego zawartość może się różnić w zależności od różnych czynników: temperatury powietrza, położenia terytorialnego, pory roku. W niskich temperaturach pary wodnej w powietrzu jest bardzo mało, może poniżej jednego procenta, a w wysokich temperaturach jej ilość sięga 4%.
- Oprócz tego wszystkiego skład atmosfery ziemskiej zawsze zawiera pewien procent zanieczyszczenia stałe i płynne. Są to sadza, popiół, sól morska, kurz, krople wody, mikroorganizmy. Mogą przedostać się do powietrza zarówno w sposób naturalny, jak i antropogeniczny.
Warstwy atmosfery
Temperatura, gęstość i skład jakościowy powietrza nie są takie same na różnych wysokościach. Z tego powodu zwyczajowo rozróżnia się różne warstwy atmosfery. Każdy z nich ma swoją własną charakterystykę. Dowiedzmy się, jakie warstwy atmosfery wyróżniają się:
- Troposfera - ta warstwa atmosfery znajduje się najbliżej powierzchni Ziemi. Jego wysokość wynosi 8-10 km nad biegunami i 16-18 km w tropikach. Znajduje się tutaj 90% całej pary wodnej w atmosferze, dlatego następuje aktywne tworzenie się chmur. Również w tej warstwie obserwuje się takie procesy, jak ruch powietrza (wiatru), turbulencje i konwekcja. Temperatury wahają się od +45 stopni w południe w ciepłym sezonie w tropikach do -65 stopni na biegunach.
- Stratosfera jest drugą najbardziej odległą warstwą atmosfery. Znajduje się na wysokości od 11 do 50 km. W dolnej warstwie stratosfery temperatura wynosi około -55, w miarę oddalania się od Ziemi wzrasta do +1˚С. Region ten nazywany jest inwersją i stanowi granicę stratosfery i mezosfery.
- Mezosfera znajduje się na wysokości od 50 do 90 km. Temperatura na jej dolnej granicy wynosi około 0, na górnej sięga -80...-90 ˚С. Meteoryty wpadające w atmosferę ziemską całkowicie spalają się w mezosferze, powodując występowanie tutaj poświaty powietrznej.
- Grubość termosfery wynosi około 700 km. W tej warstwie atmosfery pojawiają się zorze polarne. Pojawiają się pod wpływem promieniowania kosmicznego i promieniowania pochodzącego ze Słońca.
- Egzosfera jest strefą rozproszenia powietrza. Tutaj stężenie gazów jest niewielkie i stopniowo uciekają w przestrzeń międzyplanetarną.
Uważa się, że granica między atmosferą ziemską a przestrzenią kosmiczną wynosi 100 km. Linia ta nazywa się linią Karmana.
Ciśnienie atmosferyczne
Słuchając prognozy pogody, często słyszymy odczyty ciśnienia barometrycznego. Ale co oznacza ciśnienie atmosferyczne i jak może na nas wpłynąć?
Odkryliśmy, że powietrze składa się z gazów i zanieczyszczeń. Każdy z tych składników ma swój ciężar, co oznacza, że atmosfera nie jest nieważka, jak sądzono aż do XVII wieku. Ciśnienie atmosferyczne to siła, z jaką wszystkie warstwy atmosfery naciskają na powierzchnię Ziemi i wszystkie obiekty.
Naukowcy przeprowadzili skomplikowane obliczenia i udowodnili, że atmosfera naciska z siłą 10 333 kg na metr kwadratowy powierzchni. Oznacza to, że na ciało ludzkie działa ciśnienie powietrza, którego waga wynosi 12-15 ton. Dlaczego tego nie czujemy? To nasze wewnętrzne ciśnienie nas ratuje i równoważy to, co zewnętrzne. Możesz poczuć ciśnienie atmosfery w samolocie lub wysoko w górach, ponieważ ciśnienie atmosferyczne na wysokości jest znacznie niższe. W takim przypadku możliwy jest dyskomfort fizyczny, zatkane uszy i zawroty głowy.
Wiele można powiedzieć o otaczającej atmosferze. Wiemy o niej wiele ciekawostek, a niektóre z nich mogą wydawać się zaskakujące:
- Masa atmosfery ziemskiej wynosi 5 300 000 000 000 000 ton.
- Wspomaga transmisję dźwięku. Na wysokości ponad 100 km właściwość ta zanika z powodu zmian w składzie atmosfery.
- Ruch atmosfery wywołany jest nierównomiernym nagrzewaniem powierzchni Ziemi.
- Termometr służy do określania temperatury powietrza, a barometr służy do określania ciśnienia atmosfery.
- Obecność atmosfery ratuje naszą planetę przed 100 tonami meteorytów każdego dnia.
- Skład powietrza był stały przez kilkaset milionów lat, ale zaczął się zmieniać wraz z nadejściem szybkiej działalności przemysłowej.
- Uważa się, że atmosfera rozciąga się w górę do wysokości 3000 km.
Znaczenie atmosfery dla człowieka
Strefa fizjologiczna atmosfery wynosi 5 km. Na wysokości 5000 m n.p.m. człowiek zaczyna odczuwać głód tlenu, co wyraża się spadkiem jego wydajności i pogorszeniem samopoczucia. To pokazuje, że człowiek nie jest w stanie przetrwać w przestrzeni, w której nie ma tej niesamowitej mieszaniny gazów.
Wszelkie informacje i fakty dotyczące atmosfery tylko potwierdzają jej znaczenie dla człowieka. Dzięki jego obecności możliwy stał się rozwój życia na Ziemi. Już dziś, oceniając skalę szkód, jakie ludzkość jest w stanie wyrządzić życiodajnemu powietrzu poprzez swoje działania, powinniśmy pomyśleć o dalszych działaniach mających na celu zachowanie i przywrócenie atmosfery.