Атмосфера – газова оболонка нашої планети, яка обертається разом із Землею. Газ, що у атмосфері, називають повітрям. Атмосфера стикається з гідросферою та частково покриває літосферу. А ось верхні межі визначити важко. Умовно прийнято вважати, що атмосфера простягається нагору приблизно на три тисячі кілометрів. Там вона плавно перетікає у безповітряний простір.
Хімічний склад атмосфери Землі
Формування хімічного складу атмосфери розпочалося близько чотирьох мільярдів років тому. Спочатку атмосфера складалася лише з легких газів – гелію та водню. На думку вчених, вихідними передумовами створення газової оболонки навколо Землі стали виверження вулканів, які разом з лавою викидали величезну кількість газів. Надалі розпочався газообмін з водними просторами, з живими організмами, з продуктами їхньої діяльності. Склад повітря поступово змінювався та у сучасному вигляді зафіксувався кілька мільйонів років тому.
Головні складові атмосфери це азот (близько 79%) і кисень (20%). Відсоток, що залишився (1%) припадає на такі гази: аргон, неон, гелій, метан, вуглекислий газ, водень, криптон, ксенон, озон, аміак, двоокису сірки і азоту, закис азоту і окис вуглецю, що входять в цей один відсоток.
Крім того, в повітрі міститься водяна пара і тверді частинки (пилок рослин, пил, кристали солі, домішки аерозолів).
Останнім часом вчені відзначають не якісну, а кількісну зміну деяких інгредієнтів повітря. І причина тому – людина та її діяльність. Лише за останні 100 років вміст вуглекислого газу значно зріс! Це загрожує багатьма проблемами, найбільш глобальна з яких – зміна клімату.
Формування погоди та клімату
Атмосфера грає найважливішу роль формуванні клімату та погоди Землі. Дуже багато залежить від кількості сонячних променів, від характеру поверхні, що підстилає, і атмосферної циркуляції.
Розглянемо чинники з порядку.
1. Атмосфера пропускає тепло сонячних променів та поглинає шкідливу радіацію. Про те, що промені Сонця падають різні ділянки Землі під різними кутами, знали ще древні греки. Саме слово "клімат" у перекладі з давньогрецької означає "нахил". Так, на екваторі сонячні промені падають практично прямовисно, тому тут дуже спекотно. Чим ближче до полюсів, тим більший кут нахилу. І температура знижується.
2. Через нерівномірне нагрівання Землі в атмосфері формуються повітряні течії. Вони класифікуються за своїми розмірами. Найменші (десятки та сотні метрів) – це місцеві вітри. Далі йдуть мусони та пасати, циклони та антициклони, планетарні фронтальні зони.
Усі ці повітряні маси постійно переміщуються. Деякі їх досить статичні. Наприклад, пасати, які дмуть від субтропіків до екватора. Рух інших багато в чому залежить від атмосферного тиску.
3. Атмосферний тиск – ще один фактор, що впливає на формування клімату. Це тиск повітря на поверхню ґрунту. Як відомо, повітряні маси переміщаються з області з підвищеним атмосферним тиском у бік області, де тиск нижче.
Усього виділено 7 зон. Екватор – зона низького тиску. Далі, по обидва боки від екватора до тридцятих широт - область високого тиску. Від 30 ° до 60 ° - знову низький тиск. А від 60 ° до полюсів – зона високого тиску. Між цими зонами циркулюють повітряні маси. Ті, що йдуть із моря на сушу, несуть дощі та негоду, а ті, що дмуть із континентів – ясну та суху погоду. У місцях, де повітряні течії стикаються, утворюються зони атмосферного фронту, які характеризуються опадами та ненависною, вітряною погодою.
Вчені довели, що від атмосферного тиску залежить навіть здоров'я людини. За міжнародними стандартами нормальний атмосферний тиск – 760 мм рт. стовпа за температури 0°C. Цей показник розрахований на ті ділянки суші, які знаходяться практично нарівні з рівнем моря. З висотою тиск знижується. Тому, наприклад, для Санкт-Петербурга 760 мм рт. - це норма. А ось для Москви, яка розташована вище, нормальний тиск – 748 мм рт.ст.
Тиск змінюється не тільки по вертикалі, а й по горизонталі. Особливо це відчувається під час проходження циклонів.
Будова атмосфери
Атмосфера нагадує листковий пиріг. І кожний шар має свої особливості.
. Тропосфера- Найближчий до Землі шар. "Товщина" цього шару змінюється при віддаленні від екватора. Над екватором шар простягається вгору на 16-18 км, в помірних зонах – на 10-12 км, на полюсах – на 8-10 км.
Саме тут міститься 80% усієї маси повітря та 90% водяної пари. Тут утворюються хмари, виникають циклони та антициклони. Температура повітря залежить від висоти. В середньому вона знижується на 0,65 ° C на кожні 100 метрів.
. Тропопауза- Перехідний шар атмосфери. Його висота – від кількох сотень метрів до 1-2 км. Температура повітря влітку вища, ніж узимку. Так, наприклад, над полюсами взимку -65 ° C. А над екватором будь-якої пори року тримається -70 ° C.
. Стратосфера- Це шар, верхня межа якого проходить на висоті 50-55 км. Турбулентність тут низька, вміст водяної пари в повітрі – незначний. Проте дуже багато озону. Максимальна його концентрація – на висоті 20-25 км. У стратосфері температура повітря починає підвищуватися і досягає позначки +0,8 ° C. Це зумовлено тим, що озоновий шар взаємодіє з ультрафіолетовим випромінюванням.
. Стратопауза- невисокий проміжний шар між стратосферою та наступною за нею мезосферою.
. Мезосфера- верхня межа цього шару – 80-85 кілометрів. Тут відбуваються складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів. Саме вони забезпечують те ніжне блакитне сяйво нашої планети, яке бачиться з космосу.
У мезосфері згоряє більшість комет та метеоритів.
. Мезопауза- наступний проміжний шар, температура повітря в якому -90°.
. Термосфера- нижня межа починається висоті 80 - 90 км, а верхня межа шару проходить приблизно за позначкою 800 км. Температура повітря зростає. Вона може змінюватись від +500°C до +1000°C. Протягом доби температурні коливання складають сотні градусів! Але повітря тут настільки розріджене, що розуміння терміну "температура" як ми його уявляємо, тут не доречно.
. Іоносфера- поєднує мезосферу, мезопаузу та термосферу. Повітря тут складається в основному з молекул кисню та азоту, а також із квазінейтральної плазми. Сонячні промені, потрапляючи в іоносферу, сильно іонізують молекули повітря. У нижньому шарі (до 90 км) ступінь іонізація низька. Що вище, то більше вписувалося іонізація. Так, на висоті 100–110 км електрони концентруються. Це сприяє відображенню коротких та середніх радіохвиль.
Найважливіший шар іоносфери – верхній, що знаходиться на висоті 150-400 км. Його особливість у тому, що він відображає радіохвилі, а це сприяє передачі радіосигналів на значні відстані.
Саме в іоносфері відбувається таке явище, як полярне сяйво.
. Екзосфера- складається з атомів кисню, гелію та водню. Газ у цьому шарі дуже розріджений і часто атоми водню вислизають у космічний простір. Тому цей шар і називають "зоною розсіювання".
Першим ученим, який припустив, що наша атмосфера має вагу, був італієць Е. Торрічеллі. Остап Бендер, наприклад, у романі "Золоте теля" журився, що на кожну людину тисне повітряний стовп вагою 14 кг! Але великий комбінатор трохи помилявся. Доросла людина відчуває на себе тиск 13-15 тонн! Але ми не відчуваємо цієї тяжкості, тому що атмосферний тиск урівноважується внутрішнім тиском людини. Вага нашої атмосфери становить 5300000000000 000 тонн. Цифра колосальна, хоча це лише мільйонна частина ваги нашої планети.
Газова оболонка, що оточує нашу планету, Земля, відома як атмосфера, складається з п'яти основних шарів. Ці шари беруть початок на поверхні планети, від рівня моря (іноді нижче) і піднімаються до космічного простору в наступній послідовності:
- Тропосфера;
- Стратосфера;
- мезосфера;
- Термосфера;
- Екзосфера.
Схема основних верств атмосфери Землі
У проміжку між кожним із цих основних п'яти шарів знаходяться перехідні зони, які називаються «паузами», де відбуваються зміни температури, складу та щільності повітря. Разом з паузами, атмосфера Землі загалом включає 9 шарів.
Тропосфера: де відбувається погода
Зі всіх шарів атмосфери тропосфера є тим, з яким ми найбільше знайомі (усвідомлюєте ви це чи ні), тому що ми живемо на її дні – поверхні планети. Вона огортає поверхню Землі і простягається на кілька кілометрів. Слово тропосфера означає "зміна кулі". Дуже відповідна назва, тому що цей шар, де відбувається наша повсякденна погода.
Починаючи з поверхні планети тропосфера піднімається на висоту від 6 до 20 км. Нижня третина шару, що найближча до нас, містить 50% усіх атмосферних газів. Це єдина частина всього складу атмосфери, що дихає. Завдяки тому, що повітря нагрівається знизу земною поверхнею, що поглинає теплову енергію Сонця, зі збільшенням висоти температура та тиск тропосфери знижуються.
На вершині знаходиться тонкий шар, званий тропопаузою, який є лише буфером між тропосферою і стратосферою.
Стратосфера: будинок озону
Стратосфера – наступний шар атмосфери. Він тягнеться від 6-20 км до 50 км над земною поверхнею Землі. Це шар, у якому літають більшість комерційних авіалайнерів та подорожують повітряні кулі.
Тут повітря не тече вгору і вниз, а рухається паралельно до поверхні в дуже швидких повітряних потоках. У міру того, як ви піднімаєтеся, температура збільшується, завдяки великій кількості природного озону (O 3) - побічного продукту сонячної радіації та кисню, який має здатність поглинати шкідливі ультрафіолетові промені сонця (будь-яке підвищення температури з висотою в метеорології, відоме як "інверсія") .
Оскільки стратосфера має більш теплі температури внизу і прохолодніші нагорі, конвекція (вертикальні переміщення повітряних мас) зустрічається рідко в цій частині атмосфери. Фактично, ви можете розглядати зі стратосфери бурю, що бушує в тропосфері, оскільки шар діє як «ковпачок» для конвекції, через який не проникають штормові хмари.
Після стратосфери знову слідує буферний шар, цього разу званий стратопаузою.
Мезосфера: середня атмосфера
Мезосфера знаходиться приблизно на відстані 50-80 км від Землі. Верхня область мезосфери є найхолоднішим природним місцем Землі, де температура може опускатися нижче -143° C.
Термосфера: верхня атмосфера
Після мезосфери і мезопаузи слідує термосфера, розташована між 80 і 700 км над поверхнею планети, і містить менше 0,01% всього повітря в атмосферній оболонці. Температури тут досягають до +2000 ° C, але через сильну розрідженість повітря і брак молекул газу для перенесення тепла, ці високі температури сприймаються, як дуже холодні.
Екзосфера: кордон атмосфери та космосу
На висоті близько 700-10 000 км над земною поверхнею знаходиться екзосфера - зовнішній край атмосфери, що межує з космосом. Тут метеорологічні супутники обертаються довкола Землі.
Як щодо іоносфери?
Іоносфера не є окремим прошарком, а насправді цей термін використовується для позначення атмосфери на висоті від 60 до 1000 км. Вона включає найвищі частини мезосфери, всю термосферу і частину екзосфери. Іоносфера дістала свою назву, тому що в цій частині атмосфери випромінювання Сонця іонізується, коли проходить магнітні поля Землі на і . Це явище спостерігається із землі як північне сяйво.
Атмосфера є однією з найважливіших складових нашої планети. Саме вона "приховує" людей від суворих умов космічного простору, таких як сонячна радіація та космічний сміття. При цьому багато фактів про атмосферу невідомі більшості людей.
Справжній колір неба
Хоча це важко повірити, небо насправді фіолетове. Коли світло потрапляє в атмосферу, повітря та вода частинки поглинають світло, розсіюючи його. При цьому найбільше розсіюється фіолетовий колір, тому люди бачать блакитне небо.
Ексклюзивний елемент у атмосфері Землі
Як багато хто пам'ятає зі школи, атмосфера Землі складається з приблизно 78% азоту, 21% кисню та невеликих домішок аргону, вуглекислого газу та інших газів. Але мало хто знає, що наша атмосфера є єдиною, на даний момент виявленою вченими (крім комети 67P), яка має вільний кисень. Оскільки кисень є дуже хімічно активним газом, він часто входить у реакцію коїться з іншими хімічними речовинами у космосі. Його чиста форма Землі робить планету придатною життя.
Біла смуга на небі
Напевно, дехто іноді замислювався, чому за реактивним літаком на небі залишається біла смуга. Ці білі сліди, відомі як інверсійні, утворюються, коли гарячі та вологі вихлопні гази з двигуна літака змішуються з холоднішим зовнішнім повітрям. Водяна пара з вихлопних газів замерзає і стає видимою.
Основні шари атмосфери
Атмосфера Землі складається з п'яти основних шарів, які й уможливлюють життя на планеті. Перший з них, тропосфера, простягається від рівня моря до висоти приблизно в 17 км на екваторі. Більшість погодних явищ відбувається саме в ньому.
Озоновий шар
Наступний шар атмосфери стратосфера досягає висоти приблизно 50 км на екваторі. У ній знаходиться озоновий шар, який захищає людей від небезпечних ультрафіолетових променів. Незважаючи на те, що цей шар знаходиться вище тропосфери, він може бути насправді тепліше через поглинання енергії сонячних променів. У стратосфері літають більшість реактивних літаків та метеозондів. Літаки можуть літати в ній швидше, оскільки тут на них менше впливають сила тяжіння та тертя. Метеозони ж можуть отримати краще уявлення про шторми, більшість з яких відбуваються нижче в тропосфері.
Мезосфера
Мезосфера - середній шар, що тягнеться до висоти 85 км над поверхнею планети. Температура в ньому коливається близько -120°C. Більшість метеорів, що входять до атмосфери Землі, згоряють у мезосфері. Останніми двома шарами, що переходять у космос, є термосфера та екзосфера.
Зникнення атмосфери
Земля швидше за все втрачала свою атмосферу кілька разів. Коли планета була вкрита океанами магми, у неї врізалися потужні міжзоряні об'єкти. Ці дії, через які також утворився Місяць, можливо, вперше утворили атмосферу планети.
Якби не було атмосферних газів...
Без різних газів в атмосфері Земля була б надто холодною для існування людей. Водяна пара, вуглекислий газ та інші атмосферні гази поглинають тепло від сонця і «розподіляють» його по поверхні планети, допомагаючи створити клімат, придатний для проживання.
Освіта озонового шару
Горезвісний (і важливо необхідний) озоновий шар був створений, коли атоми кисню вступили в реакцію з ультрафіолетовим світлом сонця, утворивши озон. Саме озон поглинає більшість шкідливого випромінювання Сонця. Незважаючи на свою важливість, озоновий шар був утворений порівняно недавно після того, як в океанах виникло достатньо життя, щоб виділяти в атмосферу кількість кисню, необхідну для створення мінімальної концентрації озону.
Іоносфера
Іоносфера називається так, тому що високоенергетичні частинки з космосу та від Сонця допомагають сформувати іони, створюючи «електричний шар» навколо планети. Коли не існувало супутників, цей шар допомагав відбивати радіохвилі.
Кислотні дощі
Кислотний дощ, який руйнує цілі ліси та спустошує водні екосистеми, формується в атмосфері, коли діоксид сірки або частинки оксиду азоту перемішуються з водяною парою та випадають на землю у вигляді дощу. Ці хімічні сполуки трапляються й у природі: діоксид сірки виробляється при вулканічних виверженнях, а оксид азоту — при ударах блискавок.
Потужність блискавок
Блискавки мають таку потужність, що всього один розряд може нагріти навколишнє повітря до 30 000 ° C. Швидке нагрівання викликає вибухове розширення навколишнього повітря, яке чути у вигляді звукової хвилі, яка називається громом.
Полярне сяйво
Aurora Borealis та Aurora Australis (північне та південне полярні сяйва) викликані реакціями іонів, що відбуваються у четвертому рівні атмосфери, термосфері. Коли високо заряджені частинки сонячного вітру стикаються з молекулами повітря над магнітними полюсами планети, вони світяться та створюють чудові світлові шоу.
Захід сонця
Захід сонця часто виглядає як небо, що горить, оскільки невеликі атмосферні частинки розсіюють світло, відображаючи його в помаранчевих і жовтих відтінках. Той самий принцип лежить в основі формування веселок.
Мешканці верхніх шарів атмосфери
У 2013 році вчені виявили, що крихітні мікроби здатні виживати на висоті багато кілометрів над поверхнею Землі. На висоті 8-15 км над планетою було виявлено мікроби, що руйнують органічні хімічні речовини, які плавають в атмосфері, «живлячись» ними.
Атмосфера Землі - це газова оболонка нашої планети, що тягнеться до тисячі кілометрів вгору над поверхнею планети. Вона характеризується високою динамічністю, фізичною неоднорідністю та вразливістю до біологічних факторів. Протягом мільярдів років історії атмосфери Землі саме живі істоти найсильніше змінювали її склад.
Атмосфера - це наш захисний купол від усіляких загроз з космосу. У ній згоряє більшість метеоритів, які падають на планету, а її озоновий шар служить фільтром проти ультрафіолетового випромінювання Сонця, енергія якого є смертельною для живих істот. Крім того, саме атмосфера підтримує комфортну температуру біля поверхні Землі - якби не парниковий ефект, що досягається за рахунок багаторазового відображення сонячних променів від хмар, Земля була б у середньому на 20-30 градусів холодніша. Кругообіг води в атмосфері та рух повітряних мас не лише врівноважують температуру та вологість, а й створюють земну різноманітність ландшафтних форм та мінералів – такого багатства не зустріти ніде у Сонячній системі.
Маса атмосфери складає 5,2 1018 кілограм. Хоча газові оболонки поширюються на багато тисяч кілометрів від Землі, її атмосферою вважаються лише ті, які обертаються навколо осі зі швидкістю, що дорівнює швидкості обертання планети. Таким чином, висота атмосфери Землі становить близько 1000 кілометрів, плавно переходячи в космічний простір у верхньому шарі, екзосфері (від ін. грецької «зовнішня куля»).
Хоча повітря і здається однорідним, воно є сумішшю різноманітних газів. Якщо брати тільки ті, які займають хоча б тисячну частку об'єму атмосфери, їх уже буде 12. Якщо ж дивитися на загальну картину, то в повітрі одночасно знаходиться вся таблиця Менделєєва!
Однак досягти такого розмаїття Землі вдалося не відразу. Тільки завдяки унікальним збігам хімічних елементів та наявності життя атмосфера Землі стала такою складною. Наша планета зберегла геологічні сліди цих процесів, що дозволяє зазирнути на мільярди років тому.
Першими газами, які огорнули молоду Землю 4,3 мільярда років тому, були водень та гелій – фундаментальні складові атмосфери газових гігантів на кшталт Юпітера. Це найпростіші речовини - з них складалися залишки туманності, що народила Сонце і навколишні планети, і вони рясно осідали навколо гравітаційних центрів-планет. Їхня концентрація була не дуже висока, а низька атомна маса дозволяла їм випаровуватися в космос, що вони роблять досі. На сьогоднішній день їх загальна питома маса становить 0,00052% від загальної маси атмосфери Землі (0,00002% водню та 0,0005% гелію), що зовсім мало.
Однак усередині самої Землі крилася сила-силенна речовин, які прагнули вирватися з розпечених надр. З вулканів було викинуто величезну кількість газів - насамперед аміак, метан та вуглекислий газ, а також сірка. Аміак та метан згодом розклалися на азот, який нині займає левову частку маси атмосфери Землі – 78%.
Але справжня революція у складі атмосфери Землі відбулася разом із приходом кисню. Він з'являвся і природним шляхом - розпечена мантія молодої планети активно позбавлялася газів, замкнених під земною корою. Крім того, водяні пари, що вивергаються вулканами, розщеплювалися під впливом сонячного ультрафіолету на водень та кисень.
Однак такий кисень не міг довго затримуватись в атмосфері. Він вступав у реакції з чадним газом, вільним залізом, сіркою та безліччю інших елементів на поверхні планети - а високі температури та сонячне випромінювання каталізувало хімічні процеси. Змінило цю ситуацію лише поява живих організмів.
По-перше, вони почали виділяти стільки кисню, що він не лише окислив усі речовини на поверхні, а й почав накопичуватися – за пару мільярдів років його кількість зросла з нуля до 21% відсотка всієї маси атмосфери.
По-друге, живі організми активно використовували вуглець атмосфери для побудови власних кістяків. В результаті їх діяльності земна кора поповнилася цілими геологічними пластами органічних матеріалів та копалин, а вуглекислого газу стало значно менше
І, нарешті, надлишок кисню сформував озоновий шар, який почав захищати живі організми від ультрафіолету. Життя стало еволюціонувати активніше і набувати нових, складніших форм - серед бактерій і водоростей стали з'являтися високоорганізовані істоти. Сьогодні в озон займає лише 0,00001% всієї маси Землі.
Вам вже, напевно, відомо, що синій колір неба на Землі теж створюється киснем - з усього райдужного спектру Сонця він найкраще розсіює короткі хвилі світла, що відповідають за синій колір. Цей же ефект діє в космосі - на відстані Земля ніби огортається блакитним серпанком, а здалеку і зовсім перетворюється на синю крапку.
Крім того, в атмосфері у значній кількості присутні благородні гази. Серед них найбільше аргону, частка якого у атмосфері становить 0,9–1%. Його джерело - ядерні процеси в глибинах Землі, а потрапляє на поверхню через мікротріщини в літосферних плитах і вулканічні виверження (так само з'являється гелій в атмосфері). Через свої фізичні особливості благородні гази піднімаються у верхні шари атмосфери, де випаровуються в космічний простір.
Як ми можемо бачити, склад атмосфери Землі змінювався вже неодноразово, і до того ж дуже сильно - але цього знадобилися мільйони років. З іншого боку, життєво важливі явища дуже стійкі - озоновий шар існуватиме і функціонуватиме, навіть якщо на Землі буде в 100 разів менше кисню. На тлі загальної історії планети діяльність людини не залишила серйозних слідів. Однак у локальних масштабах цивілізація здатна створювати проблеми – принаймні для себе. Забруднювачі повітря вже зробили життя жителів китайського Пекіна небезпечним – а величезні хмари брудного туману над великими містами видно навіть із космосу.
Структура атмосфери
Проте екзосфера - це єдиний особливий шар нашої атмосфери. Їх існує чимало, і кожен з них має свої унікальні характеристики. Давайте розглянемо кілька основних.
Тропосфера
Найнижчий та найбільш щільний шар атмосфери називається тропосферою. Читач статті зараз перебуває саме в його «придонній» частині – якщо, звичайно, він не є одним із 500 тисяч людей, які летять просто зараз у літаку. Верхня межа тропосфери залежить від широти (пам'ятаєте про відцентрову силу обертання Землі, через яку планета ширша на екваторі?) і коливається від 7 кілометрів на полюсах до 20 кілометрів на екваторі. Також розміри тропосфери залежить від сезону – чим тепліше повітря, тим вище піднімається верхня межа.
Назва "тропосфера" походить від давньогрецького слова "tropos", яке перекладається як "поворот, зміна". Це досить точно відображає властивості шару атмосфери – він найбільш динамічний та продуктивний. Саме в тропосфері збираються хмари та циркулює вода, створюються циклони та антициклони та генеруються вітри – відбуваються всі ті процеси, які ми називаємо «погода» та «клімат». Крім того, це найпотужніший і щільніший шар - на нього припадає 80% маси атмосфери і майже весь вміст води в ній. Тут же живе більшість живих організмів.
Всім відомо, що чим вище підніматись, тим холодніше стає. Це справді так - кожні 100 метрів нагору температура повітря падає на 0,5-0,7 градуса. Проте принцип працює лише у тропосфері – далі температура із зростанням висоти починає підвищуватися. Зона між тропосферою та стратосферою, де температура залишається незмінною, називається тропопаузою. А ще з висотою прискорюється перебіг вітру - на 2-3 км/с на кілометр вгору. Тому пара- і дельтапланеристи воліють для польотів високі плато та гори – там завжди вдасться «зловити хвилю».
Вже згадане повітряне дно, де атмосфера контактує з літосферою називається приземним прикордонним шаром. Його роль у циркуляції атмосфери неймовірно велика - віддача тепла та випромінювання від поверхні створює вітри та перепади тиску, а гори та інші нерівності рельєфу спрямовують та поділяють їх. Відразу відбувається водообмін - за 8–12 днів вся вода, взята з океанів і поверхні, повертається назад, перетворюючи тропосферу на своєрідний водний фільтр.
Цікавий факт – на водообміні з атмосферою зав'язаний важливий процес у життєдіяльності рослин – транспірація. З її допомогою флора планети активно впливає на клімат – так, великі зелені масиви пом'якшують погоду та перепади температури. Рослини в насичених водою місцях випаровують 99% води, взятої із ґрунту. Наприклад, гектар пшениці за літо викидає в атмосферу 2–3 тисячі тонн води - це значно більше, ніж міг би віддати неживий ґрунт.
Нормальний тиск біля Землі - близько 1000 мілібар. Еталоном вважається тиск в 1013 мбар, який становить одну «атмосферу» - з цією одиницею виміру ви вже напевно стикалися. Зі зростанням висоти тиск стрімко падає: біля меж тропосфери (на висоті 12 кілометрів) він становить вже 200 мбар, а на висоті 45 кілометрів і зовсім падає до 1 мбар. Тому не дивно, що саме в насиченій тропосфері зібрано 80% усіх мас атмосфери Землі.
Стратосфера
Шар атмосфери, що знаходиться в діапазоні між 8 км висоти (на полюсі) та 50 км (на екваторі), називається стратосферою. Назва походить від ін. грецького слова "stratos", яке означає "настил, шар". Це вкрай розріджена зона атмосфери Землі, де майже немає водяної пари. Тиск повітря в нижній частині стратосфери в 10 разів менший за приповерхневий, а у верхній частині - в 100 разів.
У розмові про тропосферу ми вже з'ясували, що температура в ній знижується в залежності від висоти. У стратосфері все відбувається з точністю навпаки - з набором висоти температура зростає від -56 ° C до 0-1 ° С. Припиняється нагрівання у стратопаузі, межі між страто- та мезосферами.
Пасажирські лайнери та надзвукові літаки зазвичай літають у нижніх шарах стратосфери – це не лише захищає їх від нестабільності повітряних потоків тропосфери, а й спрощує їхній рух за рахунок малого аеродинамічного опору. А низькі температури та розрідженість повітря дозволяють оптимізувати споживання палива, що особливо важливо для далеких перельотів.
Однак існує технічна межа висоти для літака - приплив повітря, якого в стратосфері так мало, необхідний роботи реактивних двигунів. Відповідно, для досягнення потрібного тиску повітря в турбіні літаку доводиться рухатися швидше за швидкість звуку. Тому високо в стратосфері (на висоті 18–30 кілометрів) можуть пересуватися лише бойові машини та надзвукові літаки на кшталт «Конкордів». Так що основними «мешканцями» стратосфери є метеорологічні зонди, прикріплені до повітряних куль – там вони можуть залишатися тривалий час, збираючи інформацію про динаміку тропосфери, що нижче.
Аж до озонового шару в атмосфері зустрічаються мікроорганізми - так званий аеропланктон. Однак не одні бактерії здатні виживати у стратосфері. Так, одного разу до двигуна літака на висоті 11,5 тисячі кілометрів потрапив африканський сип - особливий різновид грифу. А деякі качки під час міграцій спокійно пролітають над Еверестом.
Але найбільшою істотою, яка побувала в стратосфері, залишається людина. Поточний рекорд по висоті було встановлено Аланом Юстасом – віце-президентом компанії Google. У день стрибка йому було 57 років! На спеціальній повітряній кулі він піднявся на висоту 41 кілометр над рівнем моря, а потім стрибнув униз із парашутом. Швидкість, яку він розвинув у піковий момент падіння, становила 1342 км/год – більше швидкості звуку! Одночасно Юстас став першою людиною, яка самостійно подолала звуковий поріг швидкості (не рахуючи скафандра для підтримки життєдіяльності і парашутів для приземлення в цілому вигляді).
Цікавий факт - щоб від'єднатися від повітряної кулі, Юстасу знадобився вибуховий пристрій - на кшталт того, що використовується космічними ракетами при від'єднанні ступенів.
А ще на кордоні між стратосферою та мезоферою знаходиться знаменитий озоновий шар. Він захищає поверхню Землі від впливу ультрафіолетових променів, а заразом служить верхньою межею поширення життя на планеті - вище за нього температура, тиск і космічне випромінювання швидко покладуть край навіть найстійкішим бактеріям.
Звідки ж узявся цей щит? Відповідь неймовірна - вона була створена живими організмами, точніше - киснем, які різноманітні бактерії, водорості та рослини виділяли з незапам'ятних часів. Піднімаючись високо по атмосфері, кисень контактує з ультрафіолетовим випромінюванням і входить у фотохімічну реакцію. У результаті зі звичайного кисню, яким ми дихаємо, O2 виходить озон - O3.
Парадоксально, але створений випромінюванням Сонця озон захищає нас від цього випромінювання! А ще озон не відбиває, а поглинає ультрафіолет – тим самим він нагріває атмосферу навколо себе.
Мезосфера
Ми вже згадували, що над стратосферою – точніше, над стратопаузою, прикордонним прошарком стабільної температури – знаходиться мезосфера. Цей відносно невеликий шар розташовується між 40-45 і 90 кілометрів висоти і є найхолоднішим місцем у нашій планеті - у мезопаузі, верхньому шарі мезосфери, повітря охолоджується до -143°C.
Мезосфера є найменш вивченою частиною атмосфери Землі. Екстремально малий тиск газів, який від тисячі до десяти тисяч разів нижче поверхневого, обмежує рух повітряних куль - їхня підйомна сила доходить до нуля, і вони просто зависають на місці. Те саме відбувається з реактивними літаками - аеродинаміка крила та корпуси літака втрачають свій сенс. Тому літати в мезосфері можуть ракети, або літаки з ракетними двигунами - ракетоплани. До таких відноситься ракетоплан X-15, який утримує позицію найшвидшого літака у світі: він досяг висоти в 108 кілометрів і швидкості 7200 км/год - у 6,72 рази більше за швидкість звуку.
Проте рекордний політ X-15 становив лише 15 хвилин. Це символізує загальну проблему апаратів, що рухаються в мезосфері - вони занадто швидкі, щоб провести будь-які ґрунтовні дослідження, і знаходяться на заданій висоті недовго, відлітаючи вище або падаючи вниз. Також мезосферу не можна досліджувати за допомогою супутників або суборбітальних зондів – нехай тиск у цьому шарі атмосфери та низький, він гальмує (а часом і спалює) космічні апарати. Через ці складнощі вчені часто називають мезосферу «незнайкосферою» (від англ. «ignorosphere», де «ignorance» - невігластво, незнання).
А ще саме в мезосфері згоряє більшість метеорів, що падають на Землю - саме там спалахує метеоритний потік Персеїди, відомий як серпневий зорепад. Світловий ефект відбувається тоді, коли космічне тіло входить в атмосферу Землі під гострим кутом зі швидкістю більше 11 км/год – від сили тертя метеорит спалахує.
Розгубивши свою масу в мезосфері, залишки «прибульців» осідають на Землю у вигляді космічного пилу – щодня на планету потрапляє від 100 до 10 тисяч тонн метеоритної речовини. Оскільки окремі порошинки дуже легкі, на шлях до поверхні Землі у них йде до одного місяця! Потрапляючи в хмари, вони обтяжують їх і навіть іноді викликають дощі - як викликає їхній вулканічний попіл або частинки від ядерних вибухів. Однак сила впливу космічного пилу на дощоутворення вважається невеликою - навіть 10 тисяч тонн обмаль, щоб серйозно змінити природну циркуляцію атмосфери Землі.
Термосфера. Шаттл на кишені лінії. На фото чітко видно усі шари атмосфери.
Над мезосферою, на висоті 100 кілометрів над рівнем моря, проходить лінія Кармана – умовна межа між Землею та космосом. Хоча там і присутні гази, які обертаються разом із Землею і технічно входять в атмосферу, їхня кількість вища за лінію Карману незримо мала. Тому будь-який політ, що виходить за висоту 100 кілометрів, уже вважається космічним.
З лінією Кармана збігається нижня межа протяжного шару атмосфери - термосфери. Вона піднімається до висоти 800 кілометрів і відрізняється надзвичайно високою температурою – на висоті 400 кілометрів вона досягає максимуму в 1800 ° C!
Гаряче, чи не так? При температурі в 1538 ° C починає плавитися залізо - як тоді космічні апарати залишаються цілими в термосфері? Вся справа в надзвичайно низькій концентрації газів у верхній атмосфері - тиск посередині термосфери в 1000000 менше концентрації повітря біля Землі! Енергія окремо взятих частинок висока, але відстань між ними величезна, і космічні апарати фактично перебувають у вакуумі. Це, втім, не допомагає їм позбавлятися тепла, яке виділяють механізми - для тепловиділення всі космічні апарати оснащені радіаторами, які випромінюють надмірну енергію.
На замітку. Коли йдеться про високі температури, завжди варто враховувати щільність розпеченої матерії – так, вчені на Андронному Колайдері справді можуть нагріти речовину до температури Сонця. Але очевидно, що це будуть окремі молекули – одного грама речовини зірки вистачило б для потужного вибуху. Тому не варто вірити жовтій пресі, яка обіцяє нам швидкий кінець світу від «рук» Коллайдера, як і не варто боятися спеки в термосфері.
Термосфера фактично є відкритим космосом – саме у її межах пролягала орбіта першого радянського «Супутника». Там був апоцентр - найвища точка над Землею - польоту корабля «Схід-1» з Юрієм Гагаріним на борту. Багато штучних супутників для вивчення поверхні Землі, океану та атмосфери, на кшталт супутників Google Maps, теж запускаються на цю висоту. Тому якщо йдеться про НГО (Низька Опорна Орбіта, розхожий термін у космонавтиці), у 99% випадків вона знаходиться в термосфері.
Орбітальні польоти людей та тварин не просто так відбуваються у термосфері. Справа в тому, що в її верхній частині, на висоті від 500 кілометрів, тягнуться радіаційні пояси Землі. Саме там заряджені частинки сонячного вітру ловляться та накопичуються магнітосферою. Тривале перебування в радіаційних поясах завдає непоправної шкоди живим організмам і навіть електроніці - тому всі високоорбітальні апарати мають захист від радіації.
Полярні сяйва
У полярних широтах часто з'являється видовищне та грандіозне видовище – полярні сяйва. Вони виглядають як довгі дуги, що світяться, різноманітних кольорів і форм, які переливаються в небі. Їхній появі Земля завдячує своєю магнітосферою - а, точніше, дірками у ній біля полюсів. Заряджені частинки сонячного вітру прориваються всередину, змушуючи світитися атмосферу. Помилуватися на видовищні сяйва і дізнатися докладніше їх походження можна тут.
Зараз сяйва є буденністю для жителів приполярних країн, таких як Канада чи Норвегія, а також обов'язковим пунктом у програмі будь-якого туриста – проте раніше їм приписувалися надприродні властивості. У різнобарвних вогнях людям давнини бачилися ворота до раю, міфічні істоти і багаття духів, які поведінка вважали пророцтвами. І наших предків можна зрозуміти - навіть освіта та віра у власний розум часом не можуть стримати благоговіння перед силами природи.
Екзосфера
Останній шар атмосфери Землі, нижня межа якого проходить на висоті 700 кілометрів – це екзосфера (від ін. грецького кору «екзо» – поза, зовні). Вона неймовірно розсіяна і складається з атомів найлегшого елемента - водню; також трапляються окремі атоми кисню та азоту, які сильно іонізовані всепроникним випромінюванням Сонця.
Розміри екзосфери Землі неймовірно великі – вона переростає у корону Землі, геокорону, яка розтягнута до 100 тисяч кілометрів від планети. Вона дуже розріджена - концентрація частинок у мільйони разів менша за щільність звичайного повітря. Але якщо Місяць затулить Землю для віддаленого космічного корабля, то корона нашої планети буде видно, як видно нам корона Сонця при його затемненні. Однак спостерігати це явище поки що не вдавалося.
А ще саме в екзосфері відбувається вивітрювання атмосфери Землі – через велику відстань від гравітаційного центру планети частинки легко відриваються від загальної газової маси і виходять на власні орбіти. Це називається дисипацією атмосфери. Наша планета щомиті втрачає 3 кілограми водню та 50 грам гелію з атмосфери. Тільки ці частинки досить легкі, щоб залишити загальну газову масу.
Нескладні розрахунки свідчать, що Земля щорічно втрачає близько 110 тисяч тонн маси атмосфери. Чи це небезпечно? Насправді ні - потужності нашої планети з виробництва водню і гелію перевищують темпи втрат. Крім того, частина втраченої речовини з часом повертається у атмосферу. А важливі гази на кшталт кисню чи вуглекислого газу просто надто важкі, щоб масово залишати Землю - тому не варто боятися, що атмосфера нашої Землі зникне.
Цікавий факт – «пророки» кінця світу часто кажуть, що якщо ядро Землі перестане обертатися, атмосфера швидко вивітриться під натиском сонячного вітру. Проте наш читач знає, що утримують атмосферу біля Землі сили гравітації, які діятимуть незалежно від обертання ядра. Яскравим доказом цього служить Венера, у якої нерухоме ядро і слабке магнітне поле, зате атмосфера в 93 рази щільніша і важча за земну. Однак це не означає, що припинення динаміки земного ядра є безпечним - тоді зникне магнітне поле планети. Його роль важлива не так у стримуванні атмосфери, як у захисті від заряджених частинок сонячного вітру, які легко перетворять нашу планету на радіоактивну пустелю.
Атмосфера Землі в астрономії
Колір атмосфери інших планет розкриває нам таємниці її складу. Атмосфера Марса має такий самий червоний відтінок, як і його поверхню. Це з тим, що домінуючий газ Марсі - це вуглекислий газ. Те саме стосується екзопланет. Аналізуючи їх колірний спектр, ми можемо дізнатися про склад атмосфери - навіть не уявляючи, як виглядає планета.
А склад атмосфери, як ми знаємо, може багато розповісти нам про планету. Якщо багато вуглекислого газу – значить, на планеті вирують вулкани та відбуваються активні геологічні процеси. Водні пари в атмосфері не гарантують океанів на поверхні, але є джерелом кисню. А існуючий надлишок кисню є майже стовідсотковою гарантією життя. Адже ми з вами вже знаємо, що кисень із неживих джерел відразу ж витрачається на хімічні реакції, і для його накопичення потрібне біотичне джерело.
Крім того, всі гази та рідини циркулюють за схожими хімічними законами. Хоча вода є унікальною за властивостями речовиною, вона не є незамінним компонентом атмосфери. На Титані, супутнику Сатурна, існує газова оболонка, схожа на будову із земної. У ній формуються ті самі класи хмар, так само циркулює рідина в атмосфері - але її температура на сотню градусів нижче, а замість води фігурує метан!
А ще атмосфера залишає яскраво виражені сліди на Землі. Ознаки вітрової ерозії залишаються навіть після того, як космічний об'єкт втратить свою атмосферу. Порівнюючи інопланетні та Земні ландшафти, можна з точністю визначити їхню історію - так, теоретичні дослідження, зроблені за супутниковими знімками рельєфу Марса, знайшли своє підтвердження під час роботи марсоходів.
Атмосфера - те, що забезпечує можливість життя Землі. Найперші відомості та факти про атмосферу ми отримуємо ще у початковій школі. У старших класах ми докладніше знайомимося з цим поняттям під час уроків географії.
Поняття земної атмосфери
Атмосфера є у Землі, а й в інших небесних тіл. Так називають газову оболонку, що оточує планети. Склад цього газового шару різних планет значно відрізняється. Давайте розглянемо основні відомості та факти про так зване повітря.
Найважливішою її складовою є кисень. Деякі помилково думають, що земна атмосфера складається повністю з кисню, але насправді повітря – це суміш газів. У його складі 78% азоту та 21% кисню. Решта відсотка включає озон, аргон, вуглекислий газ, водяні пари. Нехай відсоткове співвідношення цих газів мало, але вони виконують важливу функцію - поглинають значну частину сонячної променистої енергії, тим самим не дають світилу перетворити все живе на нашій планеті на попіл. Властивості атмосфери змінюються залежно від висоти. Наприклад, на висоті 65 км азот становить 86%, а кисень – 19%.
Склад атмосфери Землі
- Вуглекислий газнеобхідний харчування рослин. У атмосфері він у результаті процесу дихання живих організмів, гниття, горіння. Відсутність їх у складі атмосфери унеможливило б існування будь-яких рослин.
- Кисень- Життєво важливий для людини компонент атмосфери. Його наявність є умовою існування всіх живих організмів. Він становить близько 20% загального обсягу атмосферних газів.
- Озон– це природний поглинач сонячного ультрафіолетового випромінювання, яке згубно впливає на живі організми. Більшість його формує окремий шар атмосфери - озоновий екран. Останнім часом діяльність людини призводить до того, що починає поступово руйнуватися, але оскільки вона має велику важливість, то ведеться активна робота щодо її збереження та відновлення.
- Водяна паравизначає вологість повітря. Його зміст може бути різним залежно від різних факторів: температури повітря, територіального розташування, сезону. При низькій температурі водяної пари в повітрі зовсім мало, може бути менше одного відсотка, а при високій його кількість досягає 4%.
- Крім усього вищепереліченого, у складі земної атмосфери завжди є певний відсоток твердих та рідких домішок. Це сажа, попіл, морська сіль, пил, краплі води, мікроорганізми. Потрапляти у повітря можуть як природним, і антропогенним шляхом.
Шари атмосфери
І температура, і густина, і якісний склад повітря неоднаковий на різній висоті. Через це прийнято виділяти різні верстви атмосфери. Кожен має свою характеристику. Давайте дізнаємося, які шари атмосфери розрізняють:
- Тропосфера - цей шар атмосфери знаходиться найближче до Землі. Висота його – 8-10 км над полюсами та 16-18 км – у тропіках. Тут знаходиться 90% всієї водяної пари, яка є в атмосфері, тому відбувається активне утворення хмар. Також у цьому прошарку спостерігаються такі процеси, як рух повітря (вітру), турбулентність, конвекція. Температура коливається від +45 градусів опівдні у теплу пору року в тропіках до -65 градусів на полюсах.
- Стратосфера – другий за віддаленістю від шар атмосфери. Знаходиться на висоті від 11 до 50 км. У нижньому шарі стратосфери температура приблизно -55, у бік віддалення Землі вона підвищується до +1˚С. Ця область називається інверсією і є межею стратосфери та мезосфери.
- Мезосфера знаходиться на висоті від 50 до 90 км. Температура на її нижньому кордоні - близько 0, на верхній досягає -80...-90? Метеорити, що потрапляють в атмосферу Землі, повністю згоряють у мезосфері, тому тут відбуваються світіння повітря.
- Термосфера має товщину приблизно 700 км. У цьому вся шарі атмосфери виникають північні сяйва. З'являються вони рахунок під впливом космічного випромінювання і радіації, що виходить від Сонця.
- Екзосфера – це зона розсіювання повітря. Тут концентрація газів невелика і відбувається їх поступовий відхід у міжпланетний простір.
Кордоном між земною атмосферою та космічними просторами прийнято вважати кордон у 100 км. Цю межу називають лінією Кармана.
Тиск атмосфери
Слухаючи прогноз погоди, часто чуємо показники атмосферного тиску. Але що означає тиск атмосфери, і як це може вплинути на нас?
Ми розібралися, що повітря складається з газів та домішок. Кожна з цих складових має свою вагу, а отже, і атмосфера не є невагомою, як вважали до XVII століття. Атмосферний тиск – це сила, з якою всі шари атмосфери тиснуть на поверхню Землі та на всі предмети.
Вчені провели складні підрахунки та довели, що на один квадратний метр площі атмосфера тисне із силою 10 333 кг. Отже, людське тіло піддається тиску повітря, вага якого дорівнює 12-15 тонн. Чому ж ми цього не відчуваємо? Рятує нас свій внутрішній тиск, який і врівноважує зовнішній. Можна відчути тиск атмосфери, перебуваючи в літаку або високо в горах, оскільки атмосферний тиск на висоті значно менший. При цьому можливий фізичний дискомфорт, закладання вух, запаморочення.
Про атмосферу, що оточує, можна сказати багато всього. Ми знаємо про неї безліч цікавих фактів, і деякі з них можуть здаватися дивовижними:
- Вага земної атмосфери становить 5300000000000000 тонн.
- Вона сприяє передачі звуку. На висоті понад 100 км ця властивість зникає через зміну складу атмосфери.
- Рух атмосфери спровокований нерівномірним нагріванням Землі.
- Для визначення температури повітря використовують термометр, а для того, щоб дізнатися про силу тиску атмосфери, - барометр.
- Наявність атмосфери рятує нашу планету від 100 тонн метеоритів щодня.
- Склад повітря був фіксованим кілька сотень мільйонів років, але почав змінюватися з початком бурхливої виробничої діяльності.
- Вважається, що атмосфера простягається нагору на висоту 3000 км.
Значення атмосфери для людини
Фізіологічна зона атмосфери становить 5 км. На висоті 5000 м над рівнем моря у людини починає проявлятися кисневе голодування, що виявляється у зниженні його працездатності та погіршенні самопочуття. Це показує те, що людина не зможе вижити у просторі, де немає цієї дивовижної суміші газів.
Усі відомості та факти про атмосферу лише підтверджують її важливість для людей. Завдяки її наявності і виникла можливість розвитку життя Землі. Вже сьогодні, оцінивши масштаби шкоди, яку людство здатне своїми діями завдавати повітря, що дає життя, нам слід задуматися про подальші заходи збереження та відновлення атмосфери.