БУДОВА АТМОСФЕРИ

Атмосфера(від. др.-грец. ἀτμός - пара і σφαῖρα - куля) - газова оболонка (геосфера), що оточує планету Земля. Внутрішня поверхня її покриває гідросферу і частково земну кору, зовнішня межує з навколоземною частиною космічного простору.

Фізичні властивості

Товщина атмосфери – приблизно 120 км від поверхні Землі. Сумарна маса повітря в атмосфері - (5,1-5,3) 10 18 кг. З них маса сухого повітря становить (5,1352 ±0,0003) 10 18 кг, загальна маса водяної пари в середньому дорівнює 1,27 10 16 кг.

Молярна маса чистого сухого повітря становить 28,966 г/моль, щільність повітря біля моря приблизно дорівнює 1,2 кг/м 3 . Тиск при 0 ° C на рівні моря становить 101325 кПа; критична температура – ​​−140,7 °C; критичний тиск – 3,7 МПа; C p при 0 °C - 1,0048·10 3 Дж/(кг·К), C v - 0,7159·10 3 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Розчинність повітря у воді (за масою) при 0 °C – 0,0036 %, при 25 °C – 0,0023 %.

За «нормальні умови» біля Землі прийняті: щільність 1,2 кг/м 3 , барометричний тиск 101,35 кПа, температура плюс 20 °C і відносна вологість 50 %. Ці умовні показники мають суто інженерне значення.

Будова атмосфери

Атмосфера має шарувату будову. Шари атмосфери відрізняються один від одного температурою повітря, його щільністю, кількістю водяної пари в повітрі та іншими властивостями.

Тропосфера(др.-грец. τρόπος - «поворот», «зміна» та σφαῖρα - «куля») - нижній, найбільш вивчений шар атмосфери, висотою в полярних областях 8-10 км, в помірних широтах до 10-12 км, на екваторі – 16-18 км.

При підйомі в тропосфері температура знижується в середньому на 0,65 К через кожні 100 м і досягає 180-220 K у верхній частині. Цей верхній шар тропосфери, у якому зниження температури з висотою припиняється, називають тропопаузою. Наступний, розташований вище за тропосферу, шар атмосфери називається стратосфера.

У тропосфері зосереджено понад 80 % усієї маси атмосферного повітря, сильно розвинені турбулентність і конвекція, зосереджена переважна частина водяної пари, виникають хмари, формуються і атмосферні фронти, розвиваються циклони та антициклони, а також інші процеси, що визначають погоду та клімат. Процеси, що відбуваються в тропосфері, обумовлені, перш за все, конвекцією.

Частина тропосфери, у межах якої на земній поверхні можливе зародження льодовиків, називається хіоносферою.

Тропопауза(від грец. τροπος – поворот, зміна та παῦσις – зупинка, припинення) – шар атмосфери, в якому припиняється зниження температури з висотою; перехідний шар від тропосфери до стратосфери У земній атмосфері тропопауза розташована на висотах від 8-12 км (над рівнем моря) у полярних районах та до 16-18 км над екватором. Висота тропопаузи залежить також від пори року (влітку тропопауза розташована вище, ніж узимку) та циклонічної діяльності (у циклонах вона нижча, а в антициклонах – вище)

Товщина тропопаузи становить від кількох сотень метрів до 2-3 кілометрів. У субтропіках спостерігаються розриви тропопаузи, зумовлені сильними струминними течіями. Тропопауза над окремими районами часто руйнується та формується заново.

Стратосфера(від лат. Stratum - настил, шар) - шар атмосфери, що розташовується на висоті від 11 до 50 км. Характерно незначна зміна температури у шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) та підвищення її у шарі 25-40 км від -56,5 до 0,8 ° С (верхній шар стратосфери або область інверсії). Досягши на висоті близько 40 км. значення близько 273 К (майже 0 °C), температура залишається постійною до висоти близько 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузою і є межею між стратосферою та мезосферою. Щільність повітря в стратосфері в десятки та сотні разів менша ніж на рівні моря.

Саме в стратосфері розташовується шар озоносфери (озоновий шар) (на висоті від 15-20 до 55-60 км), який визначає верхню межу життя в біосфері. Озон (Про 3) утворюється внаслідок фотохімічних реакцій найбільш інтенсивно на висоті ~30 км. Загальна маса Про 3 склала при нормальному тиску шар товщиною 1,7-4,0 мм, але і цього достатньо для поглинання згубного для життя ультрафіолетового випромінювання Сонця. Руйнування Про 3 відбувається за його взаємодії з вільними радикалами, NO, галогенсодержащими сполуками (зокрема «фреонами»).

У стратосфері затримується більшість короткохвильової частини ультрафіолетового випромінювання (180-200 нм) і відбувається трансформація енергії коротких хвиль. Під впливом цих променів змінюються магнітні поля, розпадаються молекули, відбувається іонізація, новоутворення газів та інших хімічних сполук. Ці процеси можна спостерігати у вигляді північних сяйв, блискавиць та інших світінь.

У стратосфері і вищих шарах під впливом сонячної радіації молекули газів дисоціюють - на атоми (понад 80 км дисоціюють СО 2 і Н 2 вище 150 км - Про 2 вище 300 км - N 2). На висоті 200-500 км в іоносфері відбувається також іонізація газів, на висоті 320 км концентрація заряджених частинок (О + 2, О - 2, N + 2) становить ~ 1/300 від концентрації нейтральних частинок. У верхніх шарах атмосфери присутні вільні радикали - ВІН, АЛЕ 2 та ін.

У стратосфері майже немає водяної пари.

Польоти до стратосфери почалися у 1930-х роках. Широко відомий політ на першому стратостаті (FNRS-1), який здійснили Огюст Пікар та Пауль Кіпфер 27 травня 1931 на висоту 16,2 км. Сучасні бойові та надзвукові комерційні літаки літають у стратосфері на висотах в основному до 20 км (хоча динамічна стеля може бути значно вищою). Висотні метеозони піднімаються до 40 км; рекорд для безпілотного аеростату складає 51,8 км.

Останнім часом у військових колах США велику увагу приділяють освоєнню верств стратосфери понад 20 км, які часто називають «предкосмосом» (англ. « near space» ). Передбачається, що безпілотні дирижаблі та літаки на сонячній енергії (на зразок NASA Pathfinder) зможуть тривалий час перебувати на висоті близько 30 км та забезпечувати спостереженням та зв'язком дуже великі території, залишаючись при цьому малоуразливими для засобів ППО; такі апарати будуть у багато разів дешевшими за супутники.

Стратопауза- шар атмосфери, що є прикордонним між двома шарами, стратосферою та мезосферою. У стратосфері температура підвищується із збільшенням висоти, а стратопауза є шаром, де температура сягає максимуму. Температура стратопаузи – близько 0 °C.

Це явище спостерігається не тільки на Землі, а й на інших планетах, що мають атмосферу.

На Землі стратопауза знаходиться на висоті 50 – 55 км над рівнем моря. Атмосферний тиск становить близько 1/1000 від тиску лише на рівні моря.

Мезосфера(від грец. μεσο- - "середній" і σφαῖρα - "куля", "сфера") - шар атмосфери на висотах від 40-50 до 80-90 км. Характеризується підвищенням температури із висотою; максимум (порядку +50 ° C) температури розташований на висоті близько 60 км, після чого температура починає спадати до -70 ° або -80 °C. Таке зниження температури пов'язані з енергійним поглинанням сонячної радіації (випромінювання) озоном. Термін прийнятий Географічним та геофізичним союзом у 1951 році.

Газовий склад мезосфери, як і розташованих нижче атмосферних шарів, постійний і містить близько 80% азоту та 20% кисню.

Мезосфера відокремлюється від нижчележачої стратосфери стратопаузою, а від термосфери, що лежить вище, - мезопаузою. Мезопауза переважно збігається з турбопаузою.

Метеори починають світитися і, як правило, повністю згоряють у мезосфері.

У мезосфері можуть з'являтися сріблясті хмари.

Для польотів мезосфера являє собою свого роду «мертву зону» - повітря тут занадто розріджене, щоб підтримувати літаки або аеростати (на висоті 50 км щільність повітря в 1000 разів менше, ніж на рівні моря), і в той же час занадто щільне для штучних польотів супутників на такій низькій орбіті. Прямі дослідження мезосфери проводяться переважно за допомогою суборбітальних метеорологічних ракет; загалом мезосфера вивчена гірше за інші верстви атмосфери, у зв'язку з чим вчені прозвали її «ігноросферою».

Мезопауза

Мезопауза- шар атмосфери, що розділяє мезосферу та термосферу. На Землі знаходиться на висоті 80-90 км над рівнем моря. У мезопаузі знаходиться температурний мінімум, що становить близько –100 °C. Нижче (починаючи від висоти близько 50 км) температура падає з висотою, вище (до висоти близько 400 км) – знову зростає. Мезопауза збігається з нижньою межею області активного поглинання рентгенівського та найбільш короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця. На цій висоті спостерігаються сріблясті хмари.

Мезопауза є не лише на Землі, а й на інших планетах, що мають атмосферу.

Лінія Кармана- висота над рівнем моря, яка умовно приймається як межа між атмосферою Землі та космосом.

Відповідно до визначення Міжнародної авіаційної федерації (ФАІ), лінія Кармана знаходиться на висоті 100 км над рівнем моря.

Назву висота отримала на ім'я Теодора фон Кармана, американського вченого угорського походження. Він перший визначив, що приблизно на цій висоті атмосфера стає настільки розрідженою, що аеронавтика стає неможливою, оскільки швидкість літального апарату, необхідна для створення достатньої підйомної сили, стає більшою за першу космічну швидкість, і тому для досягнення більших висот необхідно користуватися засобами космонавтики.

Атмосфера Землі продовжується і за лінією Кишені. Зовнішня частина земної атмосфери, екзосфера, простягається до висоти 10 тис. км і більше, на такій висоті атмосфера складається здебільшого з атомів водню, здатних залишати атмосферу.

Досягнення Лінії Кармана було першою умовою отримання призу Ansari X Prize, оскільки це є підставою визнання польоту космічним.

Атмосфера Землі

Атмосфера(Від. ін.-грец.ἀτμός - пара і σφαῖρα - куля) - газоваоболонка ( геосфера), що оточує планету Земля. Внутрішня поверхня її покриває гідросферута частково кору, зовнішня межує з навколоземною частиною космічного простору

Сукупність розділів фізики та хімії, які вивчають атмосферу, прийнято називати фізикою атмосфери. Атмосфера визначає погодуна поверхні Землі, вивченням погоди займається метеорологія, а тривалими варіаціями клімату - кліматологія.

Будова атмосфери

Будова атмосфери

Тропосфера

Її верхня межа знаходиться на висоті 8-10 км у полярних, 10-12 км у помірних та 16-18 км у тропічних широтах; взимку нижче, ніж улітку. Нижній основний шар атмосфери. Містить понад 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% всього водяної пари, що є в атмосфері. У тропосфері сильно розвинені турбулентністьі конвекція, виникають хмари, розвиваються циклониі антициклони. Температура зменшується зі зростанням висоти із середнім вертикальним градієнтом 0,65 ° / 100 м

За «нормальні умови» біля Землі прийняті: щільність 1,2 кг/м3, барометричний тиск 101,35 кПа, температура плюс 20 °C і відносна вологість 50 %. Ці умовні показники мають суто інженерне значення.

Стратосфера

Шар атмосфери, що знаходиться на висоті від 11 до 50 км. Характерна незначна зміна температури у шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) та підвищення її у шарі 25-40 км від −56,5 до 0,8° З(верхній шар стратосфери чи область інверсії). Досягши на висоті близько 40 км значення близько 273 К (майже 0 ° С), температура залишається постійною до висоти близько 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузоюі є кордоном між стратосферою та мезосферою.

Стратопауза

Прикордонний шар атмосфери між стратосферою та мезосферою. У вертикальному розподілі температури є максимум (близько 0 °C).

Мезосфера

Атмосфера Землі

Мезосферапочинається на висоті 50 км і тягнеться до 80-90 км. Температура з висотою знижується із середнім вертикальним градієнтом (0,25-0,3)°/100 м. Основним енергетичним процесом є променистий теплообмін. Складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів, коливально збуджених молекул і т. д. обумовлюють свічення атмосфери.

Мезопауза

Перехідний шар між мезосферою та термосферою. У вертикальному розподілі температури має місце щонайменше (близько -90 °C).

Лінія Карману

Висота над рівнем моря, яка умовно приймається як межа між атмосферою Землі та космосом.

Термосфера

Основна стаття: Термосфера

Верхня межа – близько 800 км. Температура зростає до висот 200-300 км, де досягає значень близько 1500 К, після чого залишається майже постійною до висот. Під дією ультрафіолетової та рентгенівської сонячної радіації та космічного випромінювання відбувається іонізація повітря (« полярні сяйва») - основні галузі іоносферилежать усередині термосфери. На висотах понад 300 км. переважає атомарний кисень.

Атмосферні шари до висоти 120 км

Екзосфера (сфера розсіювання)

Екзосфера- Зона розсіювання, зовнішня частина термосфери, розташована вище 700 км. Газ в екзосфері сильно розріджений, і звідси йде витік його частинок у міжпланетний простір. дисипація).

До висоти 100 км атмосфера є гомогенною добре перемішаною сумішшю газів. У більш високих шарах розподіл газів за висотою залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше при віддаленні поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 °C у стратосфері до −110 °C у мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км. відповідає температурі ~1500 °C. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.

На висоті близько 2000-3000 км екзосфера поступово переходить у так званий ближньокосмічний вакуум, що заповнений сильно розрідженими частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ є лише частиною міжпланетної речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного та метеорного походження. Окрім надзвичайно розріджених пилоподібних частинок, у цей простір проникає електромагнітна та корпускулярна радіація сонячного та галактичного походження.

Перед тропосфери припадає близько 80 % маси атмосфери, частку стратосфери - близько 20 %; маса мезосфери - трохи більше 0,3 %, термосфери - менше 0,05 % від загальної маси атмосфери. На підставі електричних властивостей в атмосфері виділяють нейтросферу та іоносферу. В даний час вважають, що атмосфера тягнеться до висоти 2000-3000 км.

Залежно від складу газу в атмосфері виділяють гомосферуі гетеросферу. Гетеросфера - це область, де гравітація впливає поділ газів, оскільки їх перемішування такий висоті незначно. Звідси випливає змінний склад гетеросфери. Нижче лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери, звана гомосфера. Кордон між цими шарами називається турбопаузоюВона лежить на висоті близько 120 км.

Фізичні властивості

Товщина атмосфери – приблизно 2000 – 3000 км від поверхні Землі. Сумарна маса повітря- (5,1-5,3) 10 18 кг. Молярна масачистого сухого повітря складає 28,966. Тискпри 0 °C на рівні моря 101,325 кПа; критична температура? 140,7 ° C; критичний тиск 3,7 МПа; C p 1,0048×10 3 Дж/(кгК)(при 0 °C), C v 0,7159×10 3 Дж/(кгК) (при 0 °C). Розчинність повітря у воді при 0 °C – 0,036 %, при 25 °C – 0,22 %.

Фізіологічні та інші властивості атмосфери

Вже на висоті 5 км над рівнем моря у нетренованої людини з'являється кисневе голодуванняі без адаптації працездатність людини значно знижується. Тут кінчається фізіологічна зона атмосфери. Подих людини стає неможливим на висоті 15 км, хоча приблизно до 115 км атмосфера містить кисень.

Атмосфера забезпечує нас необхідним для дихання киснем. Однак унаслідок падіння загального тиску атмосфери у міру підйому на висоту відповідно знижується і парціальний тиск кисню.

У легені людини постійно міститься близько 3 л альвеолярного повітря. Парціальний тисккисню в альвеолярному повітрі при нормальному атмосферному тиску становить 110 мм рт. ст., тиск вуглекислого газу – 40 мм рт. ст., а пара води - 47 мм рт. ст. Зі збільшенням висоти тиск кисню падає, а сумарний тиск парів води та вуглекислоти в легенях залишається майже постійним - близько 87 мм рт. ст. Надходження кисню в легені повністю припиниться, коли тиск навколишнього повітря дорівнюватиме цій величині.

На висоті близько 19-20 км. тиск атмосфери знижується до 47 мм рт. ст. Тому на цій висоті починається кипіння води та міжтканинної рідини в організмі людини. Поза герметичною кабіною цих висотах смерть настає майже миттєво. Таким чином, з погляду фізіології людини, "космос" починається вже на висоті 15-19 км.

Щільні шари повітря - тропосфера і стратосфера - захищають нас від дії радіації. При достатньому розрідженні повітря, на висотах понад 36 км, інтенсивну дію на організм має іонізуюча радіація- первинні космічні промені; на висотах понад 40 км. діє небезпечна для людини ультрафіолетова частина сонячного спектру.

У міру підйому на все більшу висоту над поверхнею Землі поступово послаблюються, а потім і повністю зникають, такі звичні для нас явища, що спостерігаються в нижніх шарах атмосфери, як поширення звуку, виникнення аеродинамічної підйомної силита опору, передача тепла конвекцієюта ін.

У розріджених шарах повітря поширення звукувиявляється неможливим. До висот 60-90 км ще можливе використання опору та підйомної сили повітря для керованого аеродинамічного польоту. Але починаючи з висот 100-130 км знайомі кожному льотчику поняття числа Мі звукового бар'єрувтрачають свій сенс, там проходить умовна Лінія Кармануза якою починається сфера суто балістичного польоту, управляти яким можна лише використовуючи реактивні сили.

На висотах вище 100 км атмосфера позбавлена ​​й іншої чудової властивості - здатності поглинати, проводити та передавати теплову енергію шляхом конвекції (тобто за допомогою перемішування повітря). Це означає, що різні елементи обладнання, апаратури орбітальної космічної станції не зможуть охолоджуватися зовні так, як це робиться зазвичай літаком, - за допомогою повітряних струменів і повітряних радіаторів. На такій висоті, як і взагалі у космосі, єдиним способом передачі тепла є теплове випромінювання.

Склад атмосфери

Склад сухого повітря

Атмосфера Землі складається в основному з газів та різних домішок (пил, краплі води, кристали льоду, морські солі, продукти горіння).

Концентрація газів, що становлять атмосферу, практично постійна, за винятком води (H 2 O) та вуглекислого газу (CO 2).

Склад сухого повітря
Азот
Кисень
Аргон
Вода
Вуглекислий газ
Неон
Гелій
Метан
Криптон
Водень
Ксенон
Оксид азоту

Крім зазначених у таблиці газів, в атмосфері містяться SO 2 , NH 3 , СО, озон, вуглеводні, HCl, HF, пари Hg, I 2 , а також NOта багато інших газів у незначних кількостях. У тропосфері постійно знаходиться велика кількість завислих твердих і рідких частинок ( аерозоль).

Історія освіти атмосфери

Згідно з найпоширенішою теорією, атмосфера Землі в часі перебувала в чотирьох різних складах. Спочатку вона складалася з легких газів ( воднюі гелію), захоплених із міжпланетного простору. Це так звана первинна атмосфера(близько чотирьох мільярдів років тому). На наступному етапі активна вулканічна діяльність призвела до насичення атмосфери та іншими газами, крім водню (вуглекислим газом, аміаком, водяною парою). Так утворилася вторинна атмосфера(Близько трьох мільярдів років до наших днів). Ця атмосфера була відновною. Далі процес утворення атмосфери визначався такими факторами:

витік легких газів (водню та гелію) в міжпланетний простір;

хімічні реакції, що відбуваються в атмосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання, грозових розрядів та деяких інших факторів.

Поступово ці фактори сприяли освіті третинної атмосфери, Що характеризується набагато меншим вмістом водню і набагато більшим - азоту та вуглекислого газу (утворені в результаті хімічних реакцій з аміаку та вуглеводнів).

Азот

Утворення великої кількості N 2 обумовлено окисленням аміачно-водневої атмосфери молекулярним О 2 , який став надходити з поверхні планети в результаті фотосинтезу, починаючи з 3 млрд. років тому. Також N 2 виділяється в атмосферу в результаті денітрифікації нітратів та ін азотовмісних сполук. Азот окислюється озоном до NO у верхніх шарах атмосфери.

Азот N 2 вступає у реакції лише у специфічних умовах (наприклад, при розряді блискавки). Окислення молекулярного азоту озоном при електричних розрядах використовують у промисловому виготовленні азотних добрив. Окислювати його з малими енерговитратами та переводити в біологічно активну форму можуть ціанобактерії (синьо-зелені водорості)і бульбочкові бактерії, що формують ризобіальний симбіозз бобовимирослинами, т.з. сидератами.

Кисень

Склад атмосфери почав радикально змінюватися з появою Землі живих організмів, в результаті фотосинтезу, що супроводжується виділенням кисню та поглинанням вуглекислого газу Спочатку кисень витрачався на окислення відновлених сполук – аміаку, вуглеводнів, закисної форми заліза, що у океанах та інших. По закінченні цього етапу зміст кисню у атмосфері стало зростати. Поступово утворилася сучасна атмосфера, що має окислювальні властивості. Оскільки це викликало серйозні та різкі зміни багатьох процесів, що протікають у атмосфері, літосферіі біосфері, ця подія отримала назву Киснева катастрофа.

Протягом фанерозоюсклад атмосфери та вміст кисню зазнавали змін. Вони корелювали насамперед зі швидкістю відкладення органічних осадових порід. Так, у періоди вугленакопичення вміст кисню в атмосфері, мабуть, помітно перевищував сучасний рівень.

Вуглекислий газ

Зміст в атмосфері СО 2 залежить від вулканічної діяльності та хімічних процесів у земних оболонках, але найбільше - від інтенсивності біосинтезу та розкладання органіки в біосфері Землі. Практично вся поточна біомаса планети (близько 2,4×10 12 тонн ) утворюється за рахунок вуглекислоти, азоту та водяної пари, що містяться в атмосферному повітрі. Похована у океані, в болотахі в лісахорганіка перетворюється на вугілля, нафтуі природний газ. (Див. Геохімічний цикл вуглецю)

Шляхетні гази

Джерело інертних газів - аргону, геліюі криптону- вулканічні виверження та розпад радіоактивних елементів. Земля загалом та атмосфера зокрема збіднені інертними газами порівняно з космосом. Вважається, що причина цього полягає у безперервному витоку газів у міжпланетний простір.

Забруднення атмосфери

Останнім часом на еволюцію атмосфери став впливати людина. Результатом його діяльності стало постійне значне зростання вмісту в атмосфері вуглекислого газу через спалювання вуглеводневого палива, накопиченого в попередніх геологічних епохах. Величезні кількості СО 2 споживаються при фотосинтезі та поглинаються світовим океаном. Цей газ надходить в атмосферу завдяки розкладанню карбонатних гірських порід та органічних речовин рослинного та тваринного походження, а також внаслідок вулканізму та виробничої діяльності людини. За останні 100 років вміст СО 2 в атмосфері зріс на 10%, причому основна частина (360 млрд тонн) надійшла від спалювання палива. Якщо темпи зростання спалювання палива збережуться, то протягом найближчих 50 - 60 років кількість СО 2 в атмосфері подвоїться і може призвести до глобальних змін клімату.

Спалювання палива - основне джерело та забруднюючих газів ( СО, NO, SO 2 ). Діоксид сірки окислюється киснем повітря до SO 3 у верхніх шарах атмосфери, який у свою чергу взаємодіє з парами води та аміаку, а що утворюються при цьому сірчана кислота (Н 2 SO 4 ) і сульфат амонію ((NH 4 ) 2 SO 4 ) повертаються поверхню Землі як т. зв. кислотних дощів. Використання двигунів внутрішнього згорянняпризводить до значного забруднення атмосфери оксидами азоту, вуглеводнями та сполуками свинцю ( тетраетилсвинець Pb(CH 3 CH 2 ) 4 ) ).

Аерозольне забруднення атмосфери зумовлене як природними причинами (виверження вулканів, курні бурі, винесення крапель морської води та пилку рослин та ін.), так і господарською діяльністю людини (видобуток руд та будівельних матеріалів, спалювання палива, виготовлення цементу тощо). Інтенсивне широкомасштабне винесення твердих частинок в атмосферу - одна з можливих причин змін клімату планети.

Всі, хто літав літаком, звикли до такого повідомлення: «наш політ проходить на висоті 10 000 м, температура за бортом - 50 °С». Здається нічого особливого. Що далі від нагрітої Сонцем поверхні Землі, то холодніше. Багато хто думає, що зниження температури з висотою йде безперервно і поступово температура падає, наближаючись до температури космосу. До речі, так думали вчені аж до кінця 19 століття.

Розберемося докладніше із розподілом температури повітря над Землею. Атмосферу поділяють кілька шарів, які й відбивають насамперед характер зміни температури.

Нижній шар атмосфери називається тропосферою, що означає „сфера повороту". Всі зміни погоди та клімату є результатом фізичних процесів, що відбуваються саме в цьому шарі. Верхня межа цього шару розташовується там, де зменшення температури з висотою змінюється її зростанням, приблизно на висоті 15-16 км над екватором. і 7-8 км над полюсами. Як і сама Земля, атмосфера під впливом обертання нашої планети теж дещо сплющена над полюсами і розбухає над екватором. верхній межі тропосфери температура повітря знижується. Над екватором мінімальна температура повітря становить близько -62°С, а над полюсами близько -45°С. маси атмосфери.

У 1899 р. у вертикальному профілі температури на певній висоті було виявлено її мінімум, а потім температура трохи підвищувалася. Початок цього підвищення означає перехід до наступного шару атмосфери стратосфері, що означає „сфера шару". Термін стратосфера означає і відображає колишнє уявлення про єдиність шару, що лежить вище тропосфери. Стратосфера простягається до висоти близько 50 км над земною поверхнею. Особливістю її є, зокрема, різке підвищення температури повітря. Це підвищення температури пояснюють реакцією утворення озону — однією з основних хімічних реакцій, які у атмосфері.

Основна маса озону зосереджена на висотах приблизно 25 км, але в цілому шар озону є сильно розтягнутою по висоті оболонкою, що охоплює майже всю стратосферу. Взаємодія кисню з ультрафіолетовими променями — один із сприятливих процесів у земній атмосфері, які сприяють підтримці життя на Землі. Поглинання озоном цієї енергії запобігає надмірному надходженню її на земну поверхню, де створюється саме такий рівень енергії, який придатний для існування земних форм життя. Озоносфера поглинає частину променистої енергії через атмосферу. В результаті цього в озоносфері встановлюється вертикальний градієнт температури повітря приблизно 0,62°С на 100 м, тобто температура підвищується з висотою до верхньої межі стратосфери — стратопаузи (50 км), досягаючи, за деякими даними, 0 °С.

На висотах від 50 до 80 км. розташовується шар атмосфери, званий мезосферою. Слово „мезосфера” означає „проміжна сфера”, тут температура повітря продовжує знижуватися з висотою. Вище мезосфери, у шарі, що називається термосфероютемпература знову зростає з висотою приблизно до 1000°С, а потім дуже швидко падає до -96°С. Однак падає не безмежно, потім температура знову збільшується.

Термосферає першим шаром іоносфери. На відміну від згаданих раніше шарів, іоносфера виділена не за температурною ознакою. Іоносфера є областю, що має електричну природу, завдяки якій стають можливими багато видів радіозв'язку. Іоносферу ділять на кілька шарів, позначаючи їх літерами D, Е, F1 та F2 Ці шари мають особливі назви. Поділ на шари викликано декількома причинами, серед яких найважливіша - неоднаковий вплив шарів на проходження радіохвиль. Найнижчий шар, D, в основному поглинає радіохвилі і тим самим перешкоджає подальшому їхньому поширенню. Найкраще вивчений шар Е розташований на висоті приблизно 100 км. над земною поверхнею. Його називають також шаром Кеннеллі - Хевісайда за іменами американського та англійського вчених, які одночасно і незалежно один від одного виявили його. Шар Е, подібно до гігантського дзеркала, відображає радіохвилі. Завдяки цьому шару довгі радіохвилі проходять більш далекі відстані, ніж слід очікувати, якби вони поширювалися лише прямолінійно, не відбиваючись від шару Е. Аналогічні властивості має і шар F. Його називають також шаром Епплтона. Разом із шаром Кеннеллі-Хевісайда він відображає радіохвилі до наземних радіостанцій. Таке відображення може відбуватися під різними кутами. Шар Епплтона розташований на висоті близько 240 км.

Найзовніша область атмосфери, другий шар іоносфери, часто називається екзосферою. Цей термін свідчить про існування околиці космосу поблизу Землі. Визначити, де саме закінчується атмосфера і починається космос, важко, оскільки з висотою щільність атмосферних газів поступово зменшується і сама атмосфера плавно перетворюється майже на вакуум, в якому зустрічаються лише окремі молекули. Вже на висоті приблизно 320 км щільність атмосфери настільки мала, що молекули, не стикаючись один з одним, можуть проходити більше 1 км. Сама зовнішня частина атмосфери служить її верхньою межею, яка розташовується на висотах від 480 до 960 км.

Докладніше про процеси про атмосферу можна дізнатися на сайті «Земний клімат»

> Атмосфера Землі

Опис атмосфери Землідля дітей різного віку: з чого складається повітря, наявність газів, шари з фото, клімат та погода третьої планети Сонячної системи.

Для най меншихвже відомо, що Земля виступає єдиною планетою в нашій системі, яка має життєздатну атмосферу. Газове покривало не тільки багате на повітря, а й захищає нас від надмірного нагрівання та сонячного випромінювання. Важливо пояснити дітям, Що система влаштована неймовірно вдало, адже дозволяє поверхні прогріватися вдень і остигати вночі, зберігаючи допустимий баланс.

Почати пояснення для дітейможна те, що куля земної атмосфери поширюється на 480 км, але більшість перебуває у 16 ​​км від поверхні. Чим більша висота, тим нижчий тиск. Якщо брати рівень моря, то тиск дорівнює 1 кг на квадратний сантиметр. А ось на висоті 3 км, воно зміниться – 0.7 кг на квадратний сантиметр. Звичайно, за таких умов дихати складніше ( дітимогли це відчути, якщо колись вирушали у похід у гори).

Склад повітря Землі – пояснення для дітей

Серед газів розрізняють:

• Азот – 78%.
• Кисень – 21%.
• Аргон – 0,93%.
• Двоокис вуглецю – 0.038%.
• У невеликих кількостях є водяна пара та інші домішки газів.

Атмосферні шари Землі – пояснення для дітей

Батькиабо вчителі в школіповинні нагадати, що земна атмосфера ділиться на 5 рівнів: екзосфера, термосфера, мезосфера, стратосфера та тропосфера. З кожним шаром атмосфера розчиняється дедалі більше, доки гази остаточно не розсіються у просторі.

Тропосфера знаходиться ближче до поверхні. З товщиною 7-20 км вона становить половину земної атмосфери. Що ближче до Землі, то сильніше прогрівається повітря. Тут зібрана майже вся водяна пара та пил. Діти можуть не дивуватися, що саме на цьому рівні плавають хмари.

Стратосфера починається від тропосфери та піднімається на 50 км над поверхнею. Тут багато озону, що нагріває атмосферу та рятує від шкідливого сонячного випромінювання. Повітря в 1000 разів тонше, ніж над рівнем моря і надзвичайно сухе. Саме тому тут чудово почуваються літаки.

Мезосфера: від 50 до 85 км над поверхнею. Вершина називається мезопаузою та виступає найбільш прохолодним місцем у земній атмосфері (-90°C). Її дуже складно дослідити, бо туди не можуть підібратися реактивні літаки, а орбітальна висота супутників надто висока. Вчені лише знають, що саме тут згоряють метеори.

Термосфера: 90 км та між 500-1000 км. Температура сягає 1500°C. Її вважають частиною земної атмосфери, але важливо пояснити дітям, Що щільність повітря тут настільки низька, що більшість сприймається вже як космічний простір. Фактично саме тут розміщуються космічні шатли та Міжнародна космічна станція. Крім того, тут утворюються полярні сяйва. Заряджені космічні частинки стикаються з атомами і молекулами термосфери, переводячи їх у більш високий енергетичний рівень. Завдяки цьому ми бачимо ці фотони світла у вигляді полярного сяйва.

Екзосфера – найвищий прошарок. Неймовірно тонка лінія злиття атмосфери із космосом. Складається з широко розсіяних водневих та гелієвих частинок.

Клімат та погода Землі - пояснення для дітей

Для най меншихпотрібно пояснити, що Землі вдається утримувати безліч живих видів завдяки регіональному клімату, який представлений екстремальним холодом на полюсах та тропічним теплом на екваторі. Дітиповинні знати, що регіональний клімат – це погода, яка у конкретній ділянці залишається незмінною 30 років. Звичайно, іноді вона може змінюватися на кілька годин, але здебільшого залишається стабільною.

Крім того, виділяють і глобальний земний клімат – середній регіональний показник. Він змінювався протягом всієї людської історії. Сьогодні спостерігається стрімке потепління. Вчені б'ють на сполох, оскільки парникові гази, викликані людською діяльністю, утримують тепло в атмосфері, ризикуючи перетворити нашу планету на Венеру.

Атмосфера простягається на багато сотень кілометрів. Верхня її межа на висоті близько 2000-3000 км,певною мірою умовна, оскільки гази, її складові, поступово розріджуючись, переходять у світовий простір. З висотою змінюються хімічний склад атмосфери, тиск, густина, температура та інші її фізичні властивості. Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100км км,суттєво не змінюється. Дещо вище атмосфера також складається головним чином з азоту та кисню. Але на висотах 100-110 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100під впливом ультрафіолетової радіації сонця, молекули кисню розщеплюються на атоми і з'являється атомарний кисень. Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100Вище 110-120

Тиск та щільність повітря з висотою швидко зменшуються. Хоча атмосфера простягається нагору на сотні кілометрів, основна маса її розміщується в досить тонкому шарі, що прилягає до поверхні землі в найнижчих її частинах. Так, у шарі між рівнем моря та висотами 5-6 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100зосереджена половина маси атмосфери, у шарі 0-16 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100-90%, а у шарі 0-30 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100– 99%. Таке ж швидке зменшення маси повітря відбувається вище 30 км.Якщо вага 1 м 3повітря біля поверхні землі дорівнює 1033 г, то на висоті 20 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100він дорівнює 43 г, а на висоті 40 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100лише 4 р.

На висоті 300-400 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100і вище повітря настільки розріджене, що протягом доби щільність його змінюється у багато разів. Дослідження показали, що ця зміна щільності пов'язана зі станом Сонця. Найбільша щільність повітря близько полудня, найменша – вночі. Пояснюється це частково тим, що верхні шари атмосфери реагують зміну електромагнітного випромінювання Сонця.

Зміна температури повітря з висотою відбувається також неоднаково. За характером зміни температури з висотою атмосфера ділиться кілька сфер, між якими розташовуються перехідні шари, звані паузи, де температура з висотою мало змінюється.

Тут наведено найменування і основні параметри сфер і перехідних верств.

Наведемо основні дані про фізичні властивості цих сфер.

Тропосфера. Фізичні властивості тропосфери значною мірою визначаються впливом земної поверхні, що є її нижньою межею. Найбільша висота тропосфери спостерігається в екваторіальній та тропічній зонах. Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100Тут вона сягає 16-18 км.і порівняно мало піддається добовим та сезонним змінам. Над приполюсними та суміжними областями верхня межа тропосфери лежить у середньому на рівні 8-10 У середніх широтах вона коливається від 6-8 до 14-16

км.

Вертикальна потужність тропосфери залежить від характеру атмосферних процесів. Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100Нерідко протягом доби верхня межа тропосфери над цим пунктом чи районом опускається чи піднімається кілька кілометрів. Це пов'язано головним чином із змінами температури повітря. . У тропосфері зосереджено понад 4/5 маси земної атмосфери і майже весь водяний пар, що міститься в ній. Крім того, від поверхні землі до верхньої межі тропосфери температура знижується в середньому на 0,6 на кожні 100 м, або 6 на 1

Відповідно до припливу сонячної енергії температура знижується від екватора до полюсів. Так, середня температура повітря біля землі на екваторі досягає +26°, над полярними областями взимку -34°, -36°, а влітку близько 0°. Отже, різниця температур екватор - полюс взимку становить 60°, а влітку лише 26°. Щоправда, такі низькі температури в Арктиці взимку спостерігаються лише поблизу поверхні землі внаслідок охолодження повітря над крижаними просторами.

Взимку у Центральній Антарктиді температура повітря на поверхні крижаного щита ще нижча. На станції Схід у серпні 1960 р. зареєстровано найнижчу температуру на земній кулі -88,3°, а найчастіше у Центральній Антарктиді вона буває дорівнює -45°, -50°.

З висоти різниця температур екватор – полюс зменшується. Наприклад на висоті 5 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100на екваторі температура досягає - 2 °, -4 °, а на цій же висоті в Центральній Арктиці -37 °, -39 ° взимку і -19 °, -20 ° влітку;

отже, різниця температури взимку дорівнює 35-36 °, а влітку 16-17 °. У південній півкулі ці різниці дещо більші. Енергію атмосферної циркуляції можна визначити за контрактами температури екватор-полюс.Оскільки взимку величина контрастів температури більша, то атмосферні процеси протікають інтенсивніше, ніж улітку. Цим же пояснюється той факт, що переважаючі західні вітри взимку в тропосфері мають більшу швидкість, ніж влітку. У цьому швидкість вітру, зазвичай, з висотою зростає, сягаючи максимуму на верхній кордоні тропосфери. Горизонтальне перенесення супроводжується вертикальними переміщеннями повітря та турбулентним (невпорядкованим) рухом.

Внаслідок підйому та опускання великих обсягів повітря утворюються та розсіюються хмари, виникають та припиняються опади. Перехідним шаром між тропосферою і вище сферою є тропопаузи. км.Вище за неї лежить стратосфера. км,Стратосфера

Ще зовсім недавно припускали, що стратосфера є порівняно спокійним середовищем, де немає перемішування повітря, як і тропосфері.

Тому вважали, що гази в стратосфері розділені за шарами, відповідно до своїх питомих ваг. Звідси і назва стратосфери («стратус» – шаруватий). Вважали також, що температура в стратосфері формується під дією променистої рівноваги, тобто при рівності поглиненої та відбитої сонячної радіації.

Нові дані, отримані за допомогою радіозондів та метеорологічних ракет, показали, що у стратосфері, як і у верхній тропосфері, здійснюється інтенсивна циркуляція повітря з великими змінами температури та вітру. Тут, як і в тропосфері, повітря зазнає значних вертикальних переміщень, турбулентних рухів при сильних горизонтальних повітряних течіях. Все це – результат неоднорідного розподілу температури.Перехідним шаром між стратосферою та вище сферою є

Стратопауза. Однак, перш ніж перейти до характеристики вищих шарів атмосфери, ознайомимося з так званою озоносферою, межі якої приблизно відповідають кордонам стратосфери. Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100Озон у атмосфері. км.Озон відіграє велику роль у створенні режиму температури та повітряних течій у стратосфері. Озон (О 3) відчувається нами після грози при вдиханні чистого повітря із приємним присмаком. Однак тут мова піде не про цей озон, що утворюється після грози, а про озон, що міститься в шарі 10-60

з максимумом на висоті 22-25

Взимку, в умовах полярної ночі, у високих широтах у шарі озону відбувається випромінювання та охолодження повітря. В результаті в стратосфері високих широт (в Арктиці та Антарктиці) взимку формується область холоду, стратосферний циклонічний вихор з великими горизонтальними градієнтами температури та тиску, що обумовлює західні вітри над середніми широтами земної кулі.

Влітку, в умовах полярного дня, у високих широтах у шарі озону відбувається поглинання сонячного тепла та прогрівання повітря. В результаті підвищення температури у стратосфері високих широт формується область тепла та стратосферний антициклонічний вихор. Тому над середніми широтами земної кулі вище 20 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100влітку у стратосфері переважають східні вітри.

Мезосфери. Спостереженнями за допомогою метеорологічних ракет та іншими способами встановлено, що загальне підвищення температури, що спостерігається у стратосфері, закінчується на висотах 50-55 км.Вище цього шару температура знову знижується і біля верхньої межі мезосфери (близько 80 км)досягає -75 °, -90 °. Далі знову відбувається підвищення з висотою.

Цікаво відзначити, що характерне для мезосфери зниження температури з висотою відбувається неоднаково різних широтах і протягом року. У низьких широтах падіння температури відбувається повільніше, ніж у високих: середній для мезосфери вертикальний градієнт температури дорівнює відповідно 0,23 ° - 0,31 ° на 100 мабо 2,3 ° -3,1 ° на 1 км.Влітку він значно більший, ніж узимку. Як показали новітні дослідження у високих широтах, температура на верхньому кордоні мезосфери влітку на кілька десятків градусів нижча, ніж узимку. У верхній мезосфері на висоті близько 80 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100у шарі мезопаузи зниження температури з висотою припиняється та починається її підвищення. Тут під інверсійним шаром у сутінки або перед сходом сонця за ясної погоди спостерігаються блискучі тонкі хмари, освітлені сонцем, що знаходиться за горизонтом. На темному тлі неба вони світяться сріблясто-синім світлом. Тому ці хмари названі сріблястими.

Природа сріблястих хмар ще недостатньо вивчена. Довгий час вважали, що вони складаються з вулканічного пилу. Проте відсутність оптичних явищ, властивих справжнім вулканічним хмарам, призвело до відмови цієї гіпотези. Потім було висловлено припущення, що сріблясті хмари складаються з космічного пилу. В останні роки запропонована гіпотеза, згідно з якою ці хмари складаються з крижаних кристалів, подібно до звичайних перистих хмар. Рівень розташування сріблястих хмар визначається затримуючим шаром у зв'язку з інверсією температурипри переході з мезосфери до термосфери на висоті близько 80 км.Так як в підінверсійному шарі температура досягає -80° і нижче, то тут створюються найбільш сприятливі умови для конденсації водяної пари, яка потрапляє сюди зі стратосфери в результаті вертикального руху або турбулентної дифузії. Сріблясті хмари зазвичай спостерігаються у літній період, іноді у дуже великій кількості та протягом кількох місяців.

Спостереженнями за сріблястими хмарами встановлено, що влітку на їхньому рівні вітри мають велику мінливість. Швидкості вітру коливаються у великих межах: від 50-100 до кількох сотень кілометрів на годину.

Температура на висотах. Наочне уявлення про характер розподілу температури з висотою, між поверхнею землі та висотами 90-100 км, взимку та влітку у північній півкулі дає малюнок 5. Поверхні, що розділяють сфери, тут зображені жирними штриховими лініями. У самому низу добре виділяється тропосфера з характерним зниженням температури із висотою. Вище тропопаузи, у стратосфері, навпаки, температура з висотою загалом підвищується і на висотах 50-55 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100досягає + 10 °, -10 °. Звернімо увагу на важливу деталь. Взимку в стратосфері високих широт температура вище тропопаузи знижується від -60 до -75 ° і лише вище 30 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100знову збільшується до -15 °. Влітку, починаючи від тропопаузи, температура з висотою підвищується на 50 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100досягає + 10 °. Вище стратопаузи знову починається зниження температури з висотою, і лише на рівні 80 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100вона не перевищує -70 °, -90 °.

З малюнка 5 випливає, що у шарі 10-40 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100температура повітря взимку та влітку у високих широтах різко різна. Взимку, в умовах полярної ночі, температура тут досягає -60 °, -75 °, а влітку мінімум -45 ° знаходиться поблизу тропопаузи. Вище за тропопаузою температура зростає і на висотах 30-35 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100становить лише -30°, -20°, що викликано прогріванням повітря у шарі озону за умов полярного дня. З малюнка випливає також, що навіть в одному сезоні і на тому самому рівні температура неоднакова. Різниця їх між різними широтами перевищує 20-30 °. При цьому неоднорідність особливо значна у шарі низьких температур (18-30 км)та у шарі максимальних температур (50-60 км)у стратосфері, а також у шарі низьких температур у верхній мезосфері (75-85км).

Середні величини температури, наведені на малюнку 5, отримані за даними спостережень у північній півкулі, однак, судячи з наявних відомостей, вони можуть бути віднесені і до південної півкулі. Деякі відмінності є переважно у високих широтах. Над Антарктидою взимку температура повітря у тропосфері та нижній стратосфері помітно нижча, ніж над Центральною Арктикою.

Вітри на висотах. Сезонним розподілом температури зумовлена ​​досить складна система повітряних течій у стратосфері та мезосфері.

На малюнку 6 представлений вертикальний розріз поля вітру в атмосфері між поверхнею землі та висотою 90 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100взимку та влітку над північною півкулею. Ізолініями зображені середні швидкості переважаючого вітру (вм/с).

100 З малюнка випливає, що режим вітру взимку та влітку у стратосфері різко різний. Взимку як і тропосфері, і у стратосфері переважають західні вітри з максимальними швидкостями, рівними близьком/сек км.на висоті 60-65 км.Влітку західні вітри переважають лише висот 18-20 З малюнка випливає, що режим вітру взимку та влітку у стратосфері різко різний. Взимку як і тропосфері, і у стратосфері переважають західні вітри з максимальними швидкостями, рівними близькоВище вони стають східними, із максимальними швидкостями до 70на висоті 55-60

км.

Влітку вище за мезосферу вітри стають західними, а взимку - східними. Термосфера. Вище мезосфери розташована термосфера, для якої характерне підвищення температуриз Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100заввишки. За отриманими даними, переважно за допомогою ракет встановлено, що в термосфері вже на рівні 150 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100температура повітря досягає 220-240 °, а на рівні 200 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100перевищує 1500 °. На основі даних, отриманих при запусках штучних супутників Землі, знайдено, що у верхній термосфері температура досягає близько 2000 ° і протягом доби значно коливається. Постає питання, чим пояснити таку високу температуру у високих шарах атмосфери. Нагадаємо, що температура газу – це міра середньої швидкості руху молекул. У нижній, найбільш щільній частині атмосфери молекули газів, що становлять повітря, при русі часто стикаються між собою і миттєво передають одна одній кінетичну енергію. Тому кінетична енергія в щільному середовищі в середньому одна й та сама. У високих шарах, де густина повітря дуже мала, зіткнення між молекулами, що знаходяться на великих відстанях, відбуваються рідше.

При поглинанні енергії швидкість молекул у проміжку між зіткненнями сильно змінюється; до того ж, молекули легших газів рухаються з більшою швидкістю, ніж молекули важких газів.

Внаслідок цього температура газів може бути різною.

У розріджених газах порівняно небагато молекул дуже малих розмірів (легких газів). Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100Якщо вони рухаються з великими швидкостями, то температура в даному обсязі повітря буде велика. У термосфері в кожному кубічному сантиметрі повітря містяться десятки і сотні тисяч молекул різних газів, тоді як біля землі їх близько сотні мільйонів мільярдів. Тому надмірно високі значення температури у високих шарах атмосфери, показуючи швидкість переміщення молекул у цьому вельми нещільному середовищі, не можуть викликати навіть невеликого нагрівання тіла, що знаходиться тут. Подібно до того, як людина не відчуває високої температури при сліпучому освітленні електричних ламп, хоча нитки розжарювання в розрідженому середовищі миттєво розжарюються до кількох тисяч градусів.

Іонізація атмосфери. Найбільш цікавою особливістю атмосфери понад 60-80 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100є її іонізація,т. е. процес утворення величезної кількості електрично заряджених частинок - іонів. Так як іонізація газів є характерною для нижньої термосфери, її називають також і іоносферою.

Гази в іоносфері перебувають переважно в атомарному стані. Під дією ультрафіолетового та корпускулярного випромінювань Сонця, що мають велику енергію, відбувається процес відщеплення електронів від нейтральних атомів і молекул повітря. Такі атоми і молекули, що втратили один або кілька електронів, стають позитивно зарядженими, а вільний електрон може знову приєднатися до нейтрального атома або молекули і наділити їх своїм негативним зарядом. Такі позитивно та негативно заряджені атоми та молекули називаються іонами,а гази - іонізованими,т. е. отримали електричний заряд. За більшої концентрації іонів гази стають електропровідними.

Процес іонізації найбільш інтенсивно відбувається у потужних шарах, обмежених висотами 60-80 та 220-400 км.У цих шарах є оптимальні умови для іонізації. Тут щільність повітря помітно більша, ніж у верхній атмосфері, а надходження ультрафіолетової та корпускулярної радіації Сонця достатньо для процесу іонізації.

Відкриття іоносфери одна із важливих і блискучих досягнень науки. Адже характерною рисою іоносфери є її впливом геть поширення радіохвиль. В іонізованих шарах радіохвилі відбиваються, і тому стає можливим далекий радіозв'язок.

Однак відомо, що іноді радіозв'язок на коротких хвилях порушується. Це відбувається внаслідок хромосферних спалахів на Сонці, завдяки яким різко посилюється ультрафіолетове випромінювання Сонця, що призводить до сильних збурень іоносфери та магнітного поля Землі - магнітних бурей. При магнітних бурях порушується радіозв'язок, оскільки рух заряджених частинок залежить від магнітного поля. Під час магнітних бур іоносфера гірше відбиває радіохвилі або пропускає їх у космос. Головним чином із зміною сонячної активності, що супроводжується посиленням ультрафіолетового випромінювання, збільшується електронна щільність іоносфери та поглинання радіохвиль у денний час, що призводить до порушення роботи радіозв'язку на коротких хвилях.

Згідно з новими дослідженнями, у потужному іонізованому шарі є зони, де концентрація вільних електронів досягає дещо більшої концентрації, ніж у сусідніх шарах. Відомі чотири такі зони, які розташовуються на висотах близько 60-80, 100-120, 180-200 та 300-400 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100і позначаються літерами D, E, F 1 і F 2 . При випромінюванні Сонця, що посилюється, заряджені частинки (корпускули) під впливом магнітного поля Землі відхиляються у бік високих широт. Увійшовши в атмосферу, корпускули посилюють іонізацію газів настільки, що починається їхнє свічення. Так виникаютьполярні сяйва

- у вигляді красивих багатобарвних дуг, що спалахують у нічному небі переважно у високих широтах Землі. Полярні сяйва супроводжуються сильними магнітними бурями. У разі полярні сяйва стають видимими у середніх широтах, а окремих випадках навіть у тропічній зоні. Так, наприклад, інтенсивне сяйво, що спостерігалося 21 - 22 січня 1957 р., було видно майже у всіх південних районах нашої країни. км,За допомогою фотографування полярних сяйв із двох пунктів, що знаходяться на відстані кількох десятків кілометрів, з великою точністю визначається висота сяйва. Зазвичай полярні сяйва розташовуються на висоті близько 100 км.нерідко вони виявляються на висоті кількох сотень кілометрів, а іноді на рівні близько 1000

Хоча природа полярних сяйв з'ясована, проте залишається багато невирішених питань, що з цим явищем. Досі невідомі причини різноманіття форм полярних сяйв. Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100вдень переважають позитивні іони розщепленого молекулярного кисню, тобто атомарного кисню (О). Радянські вчені досліджують іоносферу за допомогою штучних супутників серії "Космос". Американські вчені вивчають іоносферу за допомогою супутників.

Поверхня, що розділяє термосферу від екзосфери, зазнає коливань залежно від зміни сонячної активності та інших факторів. По вертикалі ці коливання досягають 100-200 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100и більше.

Екзосфера (сфера розсіювання) - найвища частина атмосфери, розташована вище 800 км.Вона мало вивчена. За даними спостережень та теоретичних розрахунків температура в екзосфері з висотою зростає приблизно до 2000°. На відміну від нижньої іоносфери, в екзосфері гази настільки розріджені, що частки їх, рухаючись із величезними швидкостями, майже не зустрічаються один з одним.

Ще порівняно недавно припускали, що умовна межа атмосфери знаходиться на висоті близько 1000 км.Проте з урахуванням гальмування штучних супутників Землі встановлено, що у висотах 700-800 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100в 1 см 3міститься до 160 тис. позитивних іонів атомного кисню та азоту. Це дає підставу припускати, що заряджені шари атмосфери простягаються в космос значно більшу відстань.

При високих температурах на умовній межі атмосфери швидкості частинок газів досягають приблизно 12 км/сек.При даних швидкостях гази поступово йдуть із сфери дії земного тяжіння в міжпланетний простір. Це відбувається протягом тривалого часу. Наприклад, частинки водню та гелію видаляються у міжпланетний простір протягом кількох років.

У дослідженні високих шарів атмосфери багаті дані отримані як із супутників серії «Космос» та «Електрон», так і геофізичних ракет та космічних станцій «Марс-1», «Місяць-4» та ін. Цінними виявились і безпосередні спостереження космонавтів. Так, за фотографіями, зробленими у космосі В.Миколаєвої-Терешкової, було встановлено, що на висоті 19 Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100від Землі існує пиловий шар. Це підтвердилося і даними, отриманими екіпажем космічного корабля "Схід". Очевидно, існує тісний зв'язок між пиловим шаром і так званими перламутровими хмарами,іноді спостерігаються на висотах близько 20-30У середніх широтах вона коливається від 6-8 до 14-16

З атмосфери у космічний простір. Колишні припущення, що за межами атмосфери Землі, у міжпланетному

просторі, гази дуже розріджені і концентрація частинок не перевищує кількох одиниць см 3 ,не виправдалися. Дослідження показали, що навколоземне місце заповнене зарядженими частинками. На цій основі було висунуто гіпотезу про існування зон навколо Землі з помітно підвищеним вмістом заряджених частинок, тобто. поясів радіації- внутрішнього та зовнішнього. Нові дані допомогли внести уточнення. Виявилося, що між внутрішнім та зовнішнім поясами радіації також є заряджені частинки. Число їх змінюється залежно від геомагнітної та сонячної активності. Таким чином, за новим припущенням замість поясів радіації є зони радіації без чітко виражених меж. Кордони радіаційних зон змінюються залежно від сонячної активності. При її посиленні, тобто коли на Сонці з'являються плями та струмені газу, що викидаються на сотні тисяч кілометрів, зростає потік космічних частинок, які живлять радіаційні зони Землі.

Радіаційні зони є небезпечними для людей, які здійснюють польоти на космічних кораблях. Тому перед польотом у космос визначається стан та положення радіаційних зон, а орбіта космічного корабля вибирається з таким розрахунком, щоб вона проходила поза областями підвищеної радіації. Однак високі верстви атмосфери, як і близьке до Землі космічний простір, ще мало досліджено.

У дослідженні високих шарів атмосфери та навколоземного простору використовуються багаті дані, які отримують із супутників серії «Космос» та космічних станцій.

Високі шари атмосфери найменше вивчені. Однак сучасні методи її дослідження дозволяють сподіватися, що найближчими роками людина знатиме багато деталей будови атмосфери, на дні якої вона живе.

На закінчення наведемо схематичний вертикальний розріз атмосфери (рис. 7). Тут по вертикалі відкладено висоту в кілометрах і тиск повітря в міліметрах, а по горизонталі - температуру. Суцільною кривою зображено зміну температури повітря з висотою. На відповідних висотах відмічені й найголовніші явища, що спостерігаються в атмосфері, а також максимальні висоти, досягнуті радіозондами та іншими засобами зондування атмосфери.