Атмосфера(Від грец. Atmos - пар і spharia - куля) - повітряна оболонка Землі, що обертається разом з нею. Розвиток атмосфери був із геологічними і геохімічними процесами, які протікають нашій планеті, і навіть із діяльністю живих організмів.

Нижня межа атмосфери збігається з поверхнею Землі, тому що повітря проникає в дрібні пори в грунті і розчинене навіть у воді.

Верхня межа на висоті 2000-3000 км поступово перетворюється на космічний простір.

Завдяки атмосфері, в якій міститься кисень, можливе життя на Землі. Атмосферний кисень використовують у процесі дихання людини, тваринами, рослинами.

Якби не було атмосфери, на Землі була б така сама тиша, як на Місяці. Адже звук – це коливання частинок повітря. Блакитний колір піднебіння пояснюється тим, що сонячні промені, проходячи крізь атмосферу, як через лінзу, розкладаються на складові кольору. При цьому розсіюються найбільше промені блакитного та синього кольорів.

Атмосфера затримує більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, яке згубно діє живі організми. Також вона утримує біля Землі тепло, не даючи нашій планеті охолоджуватися.

Будова атмосфери

В атмосфері можна виділити кілька шарів, що розрізняються по щільності (рис. 1).

Тропосфера

Тропосфера- Найнижчий шар атмосфери, товщина якого над полюсами становить 8-10 км, в помірних широтах - 10-12 км, а над екватором - 16-18 км.

Мал. 1. Будова атмосфери Землі

Повітря в тропосфері нагрівається від земної поверхні, тобто від суші та води. Тому температура повітря в цьому шарі з висотою знижується в середньому на 0,6 ° С на кожні 100 м. У верхній межі тропосфери вона сягає -55 °С. При цьому в районі екватора на верхньому кордоні тропосфери температура повітря становить -70 °С, а в районі Північного полюса -65 °С.

У тропосфері зосереджено близько 80 % маси атмосфери, знаходиться майже вся водяна пара, виникають грози, бурі, хмари та опади, а також відбувається вертикальне (конвекція) та горизонтальне (вітер) переміщення повітря.

Можна сміливо сказати, що погода переважно формується в тропосфері.

Стратосфера

Стратосфера- Шар атмосфери, розташований над тропосферою на висоті від 8 до 50 км. Колір піднебіння у цьому шарі здається фіолетовим, що пояснюється розрідженістю повітря, через яку сонячні промені майже не розсіюються.

У стратосфері зосереджено 20% маси атмосфери. Повітря в цьому шарі розріджене, практично немає водяної пари, а тому майже не утворюються хмари та опади. Однак у стратосфері спостерігаються стійкі повітряні течії, швидкість яких сягає 300 км/год.

У цьому шарі зосереджений озон(Озоновий екран, озоносфера), шар, який поглинає ультрафіолетові промені, не пропускаючи їх до Землі і тим самим захищаючи живі організми на нашій планеті. Завдяки озону, температура повітря на верхньому кордоні стратосфери знаходиться в межах від -50 до 4-55 °С.

Між мезосферою та стратосферою розташована перехідна зона – стратопауза.

Мезосфера

Мезосфера- Шар атмосфери, розташований на висоті 50-80 км. Щільність повітря тут у 200 разів менша, ніж у поверхні Землі. Колір піднебіння у мезосфері здається чорним, протягом дня видно зірки. Температура повітря знижується до -75(-90)°С.

На висоті 80 км. починається термосфери.Температура повітря у цьому шарі різко підвищується до висоти 250 м, а потім стає постійною: на висоті 150 км вона досягає 220-240 ° С; на висоті 500-600 км. перевищує 1500 °С.

У мезосфері та термосфері під дією космічних променів молекули газів розпадаються на заряджені (іонізовані) частинки атомів, тому ця частина атмосфери отримала назву іоносфера- Шар дуже розрідженого повітря, розташований на висоті від 50 до 1000 км, що складається в основному з іонізованих атомів кисню, молекул окису азоту і вільних електронів. Для цього шару характерна висока наелектризованість, і від нього, як від дзеркала, відбиваються довгі та середні радіохвилі.

В іоносфері виникають полярні сяйва - світіння розріджених газів під впливом електрично заряджених частинок, що летять від Сонця, і спостерігаються різкі коливання магнітного поля.

Екзосфера

Екзосфера- Зовнішній шар атмосфери, розташований вище 1000 км. Цей шар ще називають сферою розсіювання, тому що частинки газів рухаються тут з великою швидкістю і можуть розсіюватись у космічний простір.

Склад атмосфери

Атмосфера - це суміш газів, що складається з азоту (78,08%), кисню (20,95%), вуглекислого газу (0,03%), аргону (0,93%), невеликої кількості гелію, неону, ксенону, криптону (0,01%), озону та інших газів, але їх вміст мізерний (табл. 1). Сучасний склад повітря Землі встановився понад сотню мільйонів років тому, проте різко зросла виробнича діяльність людини все ж таки призвела до її зміни. В даний час відзначається збільшення вмісту 2 приблизно на 10-12%.

Гази, що входять до складу атмосфери, виконують різні функціональні ролі. Однак основне значення цих газів визначається насамперед тим, що вони дуже поглинають променисту енергію і тим самим істотно впливають на температурний режим поверхні Землі та атмосфери.

Таблиця 1. Хімічний склад сухого атмосферного повітря біля земної поверхні

	Об'ємна концентрація. %	Молекулярна маса, од.
Кисень
Вуглекислий газ
Закис азоту
	від 0 до 0,00001
Двоокис сірки	від 0 до 0,000007 влітку; від 0 до 0,000002 взимку
	Від 0 ло 0,000002	46,0055/17,03061
Двоокис азога
Окис вуглецю

Азот,найпоширеніший газ у атмосфері, хімічно мало активний.

Кисень, на відміну азоту, хімічно дуже активний елемент. Специфічна функція кисню – окислення органічної речовини гетеротрофних організмів, гірських порід та недоокислених газів, що викидаються в атмосферу вулканами. Без кисню не було б розкладання мертвої органічної речовини.

Роль вуглекислого газу атмосфері винятково велика. Він надходить в атмосферу в результаті процесів горіння, дихання живих організмів, гниття і є насамперед основним будівельним матеріалом для створення органічної речовини при фотосинтезі. Крім цього, величезне значення має властивість вуглекислого газу пропускати короткохвильову сонячну радіацію та поглинати частину теплового довгохвильового випромінювання, що створить так званий парниковий ефект, про який йтиметься нижче.

Вплив на атмосферні процеси, особливо на тепловий режим стратосфери, чинить і озон.Цей газ є природним поглиначем ультрафіолетового випромінювання Сонця, а поглинання сонячної радіації веде до нагрівання повітря. Середні місячні значення загального вмісту озону в атмосфері змінюються в залежності від широти місцевості та пори року в межах 0,23-0,52 см (така товщина шару озону при наземному тиску та температурі). Спостерігається збільшення вмісту озону від екватора до полюсів та річний хід з мінімумом восени та максимумом навесні.

Характерною властивістю атмосфери можна назвати те, що вміст основних газів (азоту, кисню, аргону) з висотою змінюється незначно: на висоті 65 км в атмосфері вміст азоту - 86%, кисню - 19, аргону - 0,91, на висоті 95 км - азоту 77, кисню - 21,3, аргону - 0,82%. Постійність складу атмосферного повітря по вертикалі та горизонталі підтримується його перемішуванням.

Крім газів, у повітрі містяться водяна параі Тверді частки.Останні можуть мати як природне, і штучне (антропогенне) походження. Це квітковий пилок, крихітні кристали солі, дорожній пил, аерозольні домішки. Коли у вікно проникають сонячні промені, їх можна побачити неозброєним оком.

Особливо багато твердих частинок повітря міст і великих промислових центрів, де до аерозолям додаються викиди шкідливих газів, їх домішок, що утворюються при спалюванні палива.

Концентрація аерозолів в атмосфері визначає прозорість повітря, що позначається на сонячній радіації, що досягає Землі. Найбільші аерозолі - ядра конденсації (від лат. condensatio- Ущільнення, згущення) - сприяють перетворенню водяної пари на водяні краплі.

Значення водяної пари визначається насамперед тим, що він затримує довгохвильове теплове випромінювання земної поверхні; представляє основну ланку великих і малих кругообігів вологи; підвищує температуру повітря під час конденсації водяних нарів.

Кількість водяної пари в атмосфері змінюється в часі та просторі. Так, концентрація водяної пари біля земної поверхні коливається від 3 % у тропіках до 2-10 (15) % в Антарктиді.

Середній вміст водяної пари у вертикальному стовпі атмосфери в помірних широтах становить близько 1,6-1,7 см (таку товщину матиме шар сконденсованої водяної пари). Відомості щодо водяної пари у різних шарах атмосфери суперечливі. Передбачалося, наприклад, що в діапазоні висот від 20 до 30 км. питома вологість сильно збільшується з висотою. Однак наступні виміри вказують на велику сухість стратосфери. Очевидно, питома вологість у стратосфері залежить від висоти і становить 2-4 мг/кг.

Мінливість вмісту водяної пари в тропосфері визначається взаємодією процесів випаровування, конденсації та горизонтального перенесення. В результаті конденсації водяної пари утворюються хмари та випадають атмосферні опади у вигляді дощу, граду та снігу.

Процеси фазових переходів води протікають переважно в тропосфері, саме тому хмари в стратосфері (на висотах 20-30 км) і мезосфері (поблизу мезопаузи), що отримали назву перламутрових і сріблястих, спостерігаються порівняно рідко, тоді як тропосферні хмари нерідко закривають. поверхні.

Кількість водяної пари, яка може бути в повітрі, залежить від температури повітря.

В 1 м 3 повітря при температурі -20 ° С може бути не більше 1 г води; при 0 ° С - не більше 5 г; при +10 ° С - не більше 9 г; при +30 ° С - не більше 30 г води.

Висновок:Чим вище температура повітря, тим більше водяної пари може в ній утримуватися.

Повітря може бути насиченимі не насиченимводяною парою. Так, якщо при температурі +30 °С в 1 м 3 повітря міститься 15 г водяної пари, повітря не насичене водяною парою; якщо ж 30 г - насичений.

Абсолютна вологість- Це кількість водяної пари, що міститься в 1 м 3 повітря. Воно виявляється у грамах. Наприклад, якщо кажуть «абсолютна вологість дорівнює 15», це означає, що у 1 м Л міститься 15 р водяної пари.

Відносна вологість повітря— це відношення (у відсотках) фактичного вмісту водяної пари в 1 м 3 повітря до кількості водяної пари, яка може утримуватися в 1 м Л при даній температурі. Наприклад, якщо радіо під час передачі зведення погоди повідомили, що відносна вологість дорівнює 70 %, це означає, що повітря містить 70 % тієї водяної пари, яку він може вмістити при даній температурі.

Чим більша відносна вологість повітря, т. с. що ближче повітря до стану насичення, то ймовірніше випадання опадів.

Завжди висока (до 90%) відносна вологість повітря спостерігається в екваторіальній зоні, тому що там протягом усього року тримається висока температура повітря і відбувається випаровування з поверхні океанів. Така ж висока відносна вологість і в полярних районах, але вже тому, що при низьких температурах навіть невелика кількість водяної пари робить повітря насиченим або близьким до насичення. У помірних широтах відносна вологість змінюється за сезонами - взимку вона вище, влітку - нижче.

Особливо низька відносна вологість повітря в пустелях: 1 м 1 повітря там містить у два-три рази менше за можливу при даній температурі кількість водяної пари.

Для вимірювання відносної вологості користуються гігрометром (від грец. Hygros - вологий і metroco - вимірюваю).

При охолодженні насичене повітря не може утримати в собі колишньої кількості водяної пари, воно згущується (конденсується), перетворюючись на крапельки туману. Туман можна спостерігати влітку у прохолодну ніч.

Хмари- це той самий туман, тільки утворюється він не біля земної поверхні, а на деякій висоті. Піднімаючись вгору, повітря охолоджується, і водяна пара, що знаходиться в ньому, конденсується. Дрібні крапельки води, що утворилися, і складають хмари.

В освіті хмар беруть участь і тверді частки, що перебувають у тропосфері у зваженому стані.

Хмари можуть мати різну форму, яка залежить від умов утворення (табл. 14).

Найнижчі та найважчі хмари — шаруваті. Вони знаходяться на висоті 2 км від земної поверхні. На висоті від 2 до 8 км можна спостерігати більш мальовничі купові хмари. Найвищі та найлегші — перисті хмари. Вони знаходяться на висоті від 8 до 18 км над земною поверхнею.

Сімейства	Пологи хмар	Зовнішній вигляд
А. Хмари верхнього ярусу - понад 6 км	I. Перисті	Ниткоподібні, волокнисті, білі
	ІІ. Перисто-купчасті	Шари та гряди з дрібних пластівців та завитків, білі
	ІІІ. Перисто-шаруваті	Прозора біла вуаль
Б. Хмари середнього ярусу – понад 2 км	IV. Високо-купчасті	Пласти та гряди білого та сірого кольору
	V. Високошарові	Рівна пелена молочно-сірого кольору
В. Хмари нижнього ярусу – до 2 км	VI. Шарувато-дощові	Суцільний безформний сірий шар
	VII. Шарува-купчасті	Непрозорі шари та гряди сірого кольору
	VIII. Шаруваті	Непрозора пелена сірого кольору
Г. Хмари вертикального розвитку – від нижнього до верхнього ярусу	IX. Купчасті	Клуби та бані яскраво-білого кольору, при вітрі з розірваними краями
	X. Купово-дощові	Потужні купчасті маси темно-свинцевого кольору

Охорона атмосфери

Головним джерелом є промислові підприємства та автомобілі. У великих містах проблема загазованості головних транспортних магістралей дуже гостро стоїть. Саме тому у багатьох великих містах світу, зокрема й у нашій країні, запроваджено екологічний контроль токсичності вихлопних газів автомобілів. За даними фахівців, задимленість і запиленість повітря може наполовину скоротити надходження сонячної енергії до земної поверхні, що призведе до зміни природних умов.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

✪ Земля космічний корабель (14 Серія) - Атмосфера

✪ Чому атмосферу не втягло у космічний вакуум?

✪ Вхід в атмосферу Землі корабля "Союз ТМА-8"

✪ Атмосфера будова, значення, вивчення

✪ О. С. Угольников "Верхня атмосфера. Зустріч Землі та космосу"

Субтитри

Кордон атмосфери

Атмосферою прийнято вважати ту область навколо Землі, в якій газове середовище обертається разом із Землею як єдине ціле. Атмосфера перетворюється на міжпланетне простір поступово, в екзосфері , що починається висоті 500-1000 км від Землі .

За визначенням, запропонованим Міжнародною, авіаційною федерацією, кордон атмосфери і космосу проводиться по лінії Кишені, розташованої на висоті близько 100 км, вище якої авіаційні польоти стають повністю неможливими. NASA використовує як межу атмосфери позначку в 122 кілометри (400 000 футів), де «шатли» перемикаються з маневрування за допомогою двигунів на аеродинамічний маневрування.

Фізичні властивості

Крім зазначених у таблиці газів, в атмосфері містяться Cl 2 , SO 2 , NH 3 , СО , O 3 , NO 2 , вуглеводні , HCl , , HBr , , пари , I 2 , Br 2 , а також і багато інших газів у незначних кількостях. У тропосфері постійно знаходиться велика кількість завислих твердих і рідких частинок (аерозоль). Найрідкіснішим газом у Земній атмосфері є радон (Rn).

Будова атмосфери

Прикордонний шар атмосфери

Нижній шар тропосфери (1-2 км завтовшки), у якому стан та властивості поверхні Землі безпосередньо впливають на динаміку 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 турбулентність та конвекція, виникають хмари, розвиваються циклони та антициклони. Температура зменшується зі зростанням висоти із середнім вертикальним градієнтом 0,65°/100 метрів.

Тропопауза

Перехідний шар від тропосфери до стратосфери, шар атмосфери, де припиняється зниження температури з висотою.

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° (верхній шар стратосфери чи 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.

Стратопауза

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

Мезосфера

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 сонячної радіації та космічного випромінювання відбувається іонізація повітря («полярні сяйва») - основні області іоносфери лежать усередині термосфери. На висотах понад 300 км. переважає атомарний кисень. Верхня межа термосфери значною мірою визначається поточною активністю Сонця. У періоди низької активності – наприклад, у 2008-2009 роках – відбувається помітне зменшення розмірів цього шару.

Термопауза

Область атмосфери, що прилягає зверху до термосфери. У цій галузі поглинання сонячного випромінювання незначне, і температура фактично не змінюється з висотою.

Екзосфера (сфера розсіювання)

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 ~150 °C. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.

На висоті близько 2000-3500 км екзосфера поступово переходить у так званий ближньокосмічний вакуум, Який заповнений рідкісними частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ є лише частиною міжпланетної речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного та метеорного походження. Крім надзвичайно розріджених пилоподібних частинок, у цей простір проникає електромагнітна та корпускулярна радіація сонячного та галактичного походження.

Огляд

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 у атмосфері виділяють нейтросферуі іоносферу .

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 турбопаузою, вона лежить на висоті близько 120 км.

Інші властивості атмосфери та вплив на людський організм

Вже на висоті 5 км над рівнем моря у нетренованої людини з'являється кисневе голодування і без адаптації працездатність людини значно знижується. Тут кінчається фізіологічна зона атмосфери. Подих людини стає неможливим на висоті 9 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.

Історія освіти атмосфери

Згідно з найпоширенішою теорією, атмосфера Землі протягом історії останньої перебула в трьох різних складах. Спочатку вона складалася з легких газів (водню та гелію), захоплених із міжпланетного простору. Це так звана первинна атмосфера. На наступному етапі активна вулканічна діяльність призвела до насичення атмосфери та іншими газами, крім водню (вуглекислим газом, аміаком, водяним паром). Так утворилася вторинна атмосфера. 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 призвели до утворення 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 азоту N 2 обумовлено окисленням аміачно-водневої атмосфери молекулярним киснем О 2 , який став надходити з поверхні планети в результаті фотосинтезу, починаючи з 3 млрд. років тому. Також азот N 2 виділяється в атмосферу в результаті денітрифікації нітратів та інших 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 у малих кількостях використовується у промисловому виготовленні азотних добрив. Окислювати його з малими енерговитратами і переводити в біологічно активну форму можуть ціанобактерії (синьо-зелені водорості) і бульбочкові бактерії, що формують ризобіальний симбіоз з бобовими рослинами, які можуть бути ефективними сидератами - рослинами, які не виснажують, а збагачуються.

Кисень

Склад атмосфери почав радикально змінюватися з появою на 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 містилася в океанах та іншому. Після закінчення цього етапу вміст кисню в атмосфері почало зростати. Поступово утворилася сучасна атмосфера, що має окислювальні властивості. Оскільки це викликало серйозні та різкі зміни багатьох процесів, що протікають в атмосфері, літосфері та біосфері, ця подія отримала назву Киснева-катастрофа.

Шляхетні гази

Забруднення атмосфери

Останнім часом на еволюцію атмосфери стала впливати людина. Результатом людської діяльності стало постійне зростання вмісту в атмосфері вуглекислого газу через спалювання вуглеводневого палива, накопиченого у попередні геологічні епохи. Величезні кількості СО 2 споживаються при фотосинтезі і 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 в найближчі 200-300 років кількість СО 2 в атмосфері подвоїться і може призвести до глобальних змін клімату.

Спалювання палива - основне джерело та забруднюючих газів (СО , , SO 2). Діоксид сірки окислюється киснем повітря до SO 3 , а оксид азоту до NO 2 у верхніх шарах атмосфери, які в свою чергу взаємодіють з парами води, а сірчана кислота Н 2 SO 4 і азотна кислота НNO 3 випадають на поверхню Землі у вигляді про кислотних дощів. Використання

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 набагато дешевше супутників.

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.

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 з цих п'яти основних шарів знаходяться перехідні зони, звані «паузами», де відбуваються зміни температури, складу і 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 є окремим шаром, 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.

Блакитна планета...

Ця тема мала з'явитися на сайті однієї з перших. Адже і гелікоптери – атмосферні літальні апарати. Атмосфера Землі- їх, так би мовити, місце існування:-). А фізичні властивості повітрятаки визначають якість цього проживання:-). Тобто, це одна з основ. І про основу завжди пишуть спочатку. Але зрозумів я про це тільки зараз. Однак краще, як відомо, пізно, ніж ніколи… Торкнемося цього питання, в нетрі й непотрібні складнощі не залазячи:-).

Отже… Атмосфера Землі. Це газова оболонка нашої блакитної планети. Така назва всім відома. А чому блакитна? Просто тому, що «блакитна» (а також синя та фіолетова) складова сонячного світла (спектру) найбільш добре розсіюється в атмосфері, забарвлюючи її тим самим у блакитно-синюваті, іноді з відтінком фіолетового тону (в сонячний день, звичайно:-)) .

Склад атмосфери Землі.

Склад атмосфери досить широкий. Перераховувати в тексті всі складові не буду, для цього є хороша ілюстрація. Склад усіх цих газів практично постійний, за винятком вуглекислого газу (2). Крім того, в атмосфері обов'язково міститься вода у вигляді пари, суспензії крапель або кристалів льоду. Кількість води непостійна і залежить від температури та, меншою мірою, від тиску повітря. Крім того атмосфера Землі (особливо нинішня) містить і певну кількість я б сказав «будь-якої гидоти»:-). Це SO 2 , NH 3 , CO , HCl , NO , крім того є пари ртуті Hg . Правда все це знаходиться там у невеликих кількостях, дякувати богу:-).

Атмосферу Земліприйнято ділити кілька наступних друг за одним по висоті над поверхнею зон.

Перша, найближча до землі – це тропосфера. Це найнижчий і, так би мовити, основний шар для життєдіяльності різного виду. У ньому міститься 80% маси всього атмосферного повітря (хоча за обсягом вона становить близько 1% всієї атмосфери) і близько 90% всієї атмосферної води. Переважна більшість всіх вітрів, хмар, дощів і снігів 🙂 — звідти. Тропосфера простягається до висот близько 18 км у тропічних широтах і до 10 км у полярних. Температура повітря в ній падає з підйомом на висоту приблизно 0,65 º на кожні 100 м-коду.

атмосферні зони.

Зона друга - стратосфера. Треба сказати, що між тропосферою та стратосферою виділяють ще одну вузьку зону – тропопаузу. У ній припиняється зниження температури з висотою. Тропопауза має середню товщину 1,5-2 км, але межі її нечітки і тропосфера часто перекриває стратосферу.

Так ось, стратосфера має висоту в середньому від 12 км до 50 км. Температура в ній до 25 км залишається незмінною (порядку -57 º С), потім десь до 40 км підвищується приблизно до 0 º С і далі до 50 км залишається незмінною. Стратосфера – відносно спокійна частина землі. Несприятливі погодні умови у ній практично відсутні. Саме в стратосфері розташований знаменитий озоновий шар на висотах від 15-20 км до 55-60 км.

Далі слідує невеликий прикордонний шар стратопауза, температура в якій зберігається близько 0 С, а потім наступна зона мезосфера. Вона тягнеться до висот 80-90 км, і в ній температура падає приблизно до 80ºС. У мезосфері зазвичай стають видні дрібні метеори, які починають у ній світитися і там згоряють.

Наступний вузький проміжок – мезопауза та за нею зона термосфера. Її висота – до 700-800 км. Тут температура знову починає підвищуватись і на висотах близько 300 км може досягати величин близько 1200 ºС. Далі вона залишається постійною. Усередині термосфери до висоти близько 400 км. розташована іоносфера. Тут повітря сильно іонізовано через вплив сонячної радіації і має велику електропровідність.

Наступна і, втім, остання зона - екзосфера. Це так звана зона розсіювання. Тут в основному є дуже сильно розріджений водень і гелій (з переважанням водню). На висотах близько 3000 км екзосфера перетворюється на близькокосмічний вакуум.

Ось десь так. Чому приблизно? Тому що ці шари досить умовні. Можливі різні зміни висоти, складу газів, води, величини температури, іонізації тощо. Крім того, існує ще чимало термінів, що визначають будову і стан атмосфери землі.

Наприклад гомосфера та гетеросфера. У першій атмосферні гази добре перемішані, та його склад досить однорідний. Друга розташована вище за першу і такого перемішування там вже практично немає. Гази у ній поділяє гравітація. Кордон між цими шарами розташований на висоті 120 км, і називається він турбопауза.

З термінами мабуть покінчимо, але обов'язково додам, що умовно прийнято вважати, що межа атмосфери розташована на висоті 100 км над рівнем моря. Цей кордон називається Лінія Кармана.

Додам ще дві картинки для ілюстрації будови атмосфери. Перша, правда, німецькою, зате повна і досить легка в розумінні:-). Її можна збільшити та добре розглянути. Другий показує зміну температури атмосфери з висотою.

Будова атмосфери Землі.

Зміна температури повітря заввишки.

Сучасні пілотовані орбітальні космічні апарати літають на висотах близько 300-400 км. Однак це вже не авіація, хоча область, звичайно, у певному сенсі близька, і ми про неї ще неодмінно поговоримо:-).

Зона авіації – це тропосфера. Сучасні атмосферні літальні апарати можуть літати й у нижніх шарах стратосфери. Наприклад практична стеля МІГ-25РБ - 23000 м .

Політ у стратосфері.

І саме фізичні властивості повітрятропосфери визначають яким буде політ, наскільки буде ефективна система управління літака, як впливатиме на нього турбулентність в атмосфері, як працюватимуть двигуни.

Перша основна властивість – це температура повітря. У газодинаміці вона може визначатися за шкалою Цельсія або за шкалою Кельвіна.

Температура t 1на заданій висоті Нза шкалою Цельсія визначається:

t 1 = t - 6,5Н, де t- Температура повітря біля землі.

Температура за шкалою Кельвіна називається абсолютною температуроюнуль за цією шкалою – це абсолютний нуль. При абсолютному нулі припиняється тепловий рух молекул. Абсолютний нуль за шкалою Кельвіна відповідає -273º за шкалою Цельсія.

Відповідно температура Тна висоті Нза шкалою Кельвіна визначається:

T = 273K + t - 6,5H

Тиск повітря. Атмосферний тиск вимірюється в Паскалях (Н/м2), у старій системі вимірювання в атмосферах (атм.). Існує ще таке поняття як барометричний тиск. Це тиск, виміряний у міліметрах ртутного стовпа за допомогою барометра ртутного. Барометричний тиск (тиск на рівні моря) дорівнює 760 мм рт. ст. називається стандартним. У фізиці 1 атм. якраз і дорівнює 760 мм рт.

Щільність повітря. В аеродинаміці найчастіше користуються таким поняттям, як масова густина повітря. Це маса повітря 1 м 3 обсягу. Щільність повітря з висотою змінюється, повітря стає більш розрідженим.

Вологість повітря. Показує кількість води, що знаходиться у повітрі. Існує поняття « відносна вологість». Це відношення маси водяної пари до максимально можливої ​​за даної температури. Поняття 0%, тобто коли повітря зовсім сухе може існувати взагалі тільки в лабораторії. З іншого боку 100% вологість цілком реальна. Це означає, що повітря ввібрало в себе всю воду, яку могло ввібрати. Щось типу абсолютно «повної губки». Висока відносна вологість знижує густину повітря, а мала, відповідно підвищує.

У зв'язку з тим, що польоти літаків відбуваються за різних атмосферних умов, їх польотні і аеродинамічні параметри однією режимі польоту може бути різними. Тому для правильної оцінки цих параметрів введено Міжнародна стандартна атмосфера (МСА). Вона показує зміну стану повітря з підйомом на висоту.

За основні прийняті параметри стану повітря за нульової вологості:

тиск P = 760 мм рт. ст. (101,3 кПА);

температура t = +15 ° C (288 К);

масова щільність ρ = 1,225 kg/m 3 ;

Для МСА прийнято (як було зазначено вище:-)), що температура падає у тропосфері на 0,65º на кожні 100 метрів висоти.

Стандартна атмосфера (приклад 10000 м).

Таблиці МСА використовуються при градуюванні приладів, а також для штурманських та інженерних розрахунків.

Фізичні властивості повітрявключають також такі поняття як інертність, в'язкість і стисливість.

Інертність - властивість повітря, що характеризує його здатність чинити опір зміні стану спокою або рівномірного прямолінійного руху . Мірою інертності є масова щільність повітря. Чим вона вища, тим вища інертність і сила опору середовища під час руху в ній літака.

В'язкість. Визначає опір тертя повітря при русі літака.

Стискання визначає зміну щільності повітря при зміні тиску. На малих швидкостях руху літального апарату (до 450 км/год) зміни тиску при обтіканні повітряним потоком не відбувається, але при великих швидкостях починає проявлятися ефект стисливості. Особливо впливає його вплив на надзвуку. Це окрема область аеродинаміки та тема для окремої статті:-).

Ну от здається поки все ... Настав час закінчити це злегка нудний перелік, без якого однак не обійтися:-). Атмосфера Землі, її параметри, фізичні властивості повітрятакож важливі для літального апарату, як і параметри самого апарата, і про них не можна не згадати.

Поки що, до наступних зустрічей та цікавіших тем 🙂 …

P.S. На солодке пропоную подивитися ролик знятий із кабіни спарки МІГ-25ПУ при його польоті до стратосфери. Знімав, мабуть, турист, який має гроші для таких польотів:-). Знято переважно все через лобове скло. Зверніть увагу на колір неба.