Bầu khí quyển là lớp vỏ khí của hành tinh chúng ta, quay cùng với Trái đất. Khí trong khí quyển được gọi là không khí. Khí quyển tiếp xúc với thủy quyển và bao phủ một phần thạch quyển. Nhưng giới hạn trên rất khó xác định. Người ta thường chấp nhận rằng bầu khí quyển kéo dài lên trên khoảng ba nghìn km. Ở đó nó trôi chảy vào không gian thiếu không khí.
Thành phần hóa học của khí quyển Trái đất
Sự hình thành thành phần hóa học của khí quyển bắt đầu khoảng bốn tỷ năm trước. Ban đầu, bầu khí quyển chỉ bao gồm các loại khí nhẹ - heli và hydro. Theo các nhà khoa học, điều kiện tiên quyết ban đầu để tạo ra lớp vỏ khí quanh Trái đất là các vụ phun trào núi lửa, cùng với dung nham, thải ra một lượng khí khổng lồ. Sau đó, quá trình trao đổi khí bắt đầu với không gian nước, với các sinh vật sống và với các sản phẩm hoạt động của chúng. Thành phần của không khí dần dần thay đổi và cố định ở dạng hiện đại cách đây vài triệu năm.
Thành phần chính của khí quyển là nitơ (khoảng 79%) và oxy (20%). Tỷ lệ phần trăm còn lại (1%) được tạo thành từ các loại khí sau: argon, neon, helium, metan, carbon dioxide, hydro, krypton, xenon, ozone, amoniac, lưu huỳnh và nitơ dioxide, oxit nitơ và carbon monoxide, được bao gồm trong một phần trăm này.
Ngoài ra, không khí còn chứa hơi nước và các hạt vật chất (phấn hoa, bụi, tinh thể muối, tạp chất khí dung).
Gần đây, các nhà khoa học đã ghi nhận sự thay đổi không phải về chất mà là sự thay đổi về số lượng trong một số thành phần không khí. Và lý do cho điều này là do con người và các hoạt động của anh ta. Chỉ trong 100 năm qua, lượng carbon dioxide đã tăng lên đáng kể! Điều này gây ra nhiều vấn đề, trong đó vấn đề mang tính toàn cầu nhất là biến đổi khí hậu.
Sự hình thành thời tiết và khí hậu
Khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành khí hậu và thời tiết trên Trái đất. Rất nhiều điều phụ thuộc vào lượng ánh sáng mặt trời, tính chất của bề mặt bên dưới và sự lưu thông khí quyển.
Hãy xem xét các yếu tố theo thứ tự.
1. Bầu khí quyển truyền nhiệt của tia nắng mặt trời và hấp thụ bức xạ có hại. Người Hy Lạp cổ đại biết rằng các tia Mặt trời chiếu vào các phần khác nhau của Trái đất ở các góc khác nhau. Bản thân từ “khí hậu” được dịch từ tiếng Hy Lạp cổ có nghĩa là “độ dốc”. Vì vậy, ở xích đạo, tia nắng rơi gần như thẳng đứng, đó là lý do tại sao ở đây rất nóng. Càng gần các cực thì góc nghiêng càng lớn. Và nhiệt độ giảm xuống.
2. Do Trái đất nóng lên không đều, các dòng không khí được hình thành trong khí quyển. Chúng được phân loại theo kích thước của chúng. Nhỏ nhất (hàng chục, hàng trăm mét) là gió cục bộ. Tiếp theo là gió mùa và gió mậu dịch, lốc xoáy và xoáy thuận, và các vùng trán hành tinh.
Tất cả những khối không khí này liên tục chuyển động. Một số trong số chúng khá tĩnh. Ví dụ, gió mậu dịch thổi từ vùng cận nhiệt đới về xích đạo. Sự chuyển động của những người khác phụ thuộc phần lớn vào áp suất khí quyển.
3. Áp suất khí quyển là một yếu tố khác ảnh hưởng đến sự hình thành khí hậu. Đây là áp suất không khí trên bề mặt trái đất. Như đã biết, các khối không khí di chuyển từ khu vực có áp suất khí quyển cao tới khu vực có áp suất này thấp hơn.
Tổng cộng có 7 khu vực được phân bổ. Đường xích đạo là vùng áp suất thấp. Hơn nữa, ở cả hai phía của đường xích đạo cho đến vĩ độ ba mươi đều có vùng áp suất cao. Từ 30° đến 60° - lại áp suất thấp. Và từ 60° đến hai cực là vùng áp suất cao. Khối không khí lưu thông giữa các khu vực này. Những luồng gió từ biển vào đất liền mang theo mưa và thời tiết xấu, còn những luồng thổi từ lục địa mang đến thời tiết khô ráo và trong xanh. Ở những nơi có các luồng không khí va chạm nhau, các vùng khí quyển phía trước được hình thành, đặc trưng bởi lượng mưa và thời tiết khắc nghiệt, nhiều gió.
Các nhà khoa học đã chứng minh rằng sức khỏe của một người thậm chí còn phụ thuộc vào áp suất khí quyển. Theo tiêu chuẩn quốc tế, áp suất khí quyển bình thường là 760 mm Hg. cột ở nhiệt độ 0°C. Chỉ tiêu này được tính cho những vùng đất gần bằng mực nước biển. Càng lên cao áp suất càng giảm. Do đó, ví dụ, đối với St. Petersburg là 760 mm Hg. - đây là tiêu chuẩn. Nhưng đối với Moscow, nơi cao hơn, áp suất bình thường là 748 mm Hg.
Áp suất thay đổi không chỉ theo chiều dọc mà còn theo chiều ngang. Điều này đặc biệt được cảm nhận rõ ràng khi có lốc xoáy đi qua.
Cấu trúc của khí quyển
Bầu không khí gợi nhớ đến một chiếc bánh nhiều tầng. Và mỗi lớp đều có những đặc điểm riêng.
. Tầng đối lưu- lớp gần Trái đất nhất. "Độ dày" của lớp này thay đổi theo khoảng cách từ xích đạo. Phía trên xích đạo, lớp này kéo dài lên trên khoảng 16-18 km, ở vùng ôn đới khoảng 10-12 km, ở hai cực khoảng 8-10 km.
Ở đây chứa 80% tổng khối lượng không khí và 90% hơi nước. Ở đây hình thành mây, lốc xoáy và xoáy thuận xuất hiện. Nhiệt độ không khí phụ thuộc vào độ cao của khu vực. Trung bình cứ 100m nhiệt độ giảm 0,65°C.
. nhiệt đới- Tầng chuyển tiếp của khí quyển Chiều cao của nó dao động từ vài trăm mét đến 1-2 km. Nhiệt độ không khí vào mùa hè cao hơn vào mùa đông. Ví dụ, phía trên các cực vào mùa đông là -65° C. Và phía trên xích đạo là -70° C vào bất kỳ thời điểm nào trong năm.
. Tầng bình lưu- đây là tầng có ranh giới trên nằm ở độ cao 50-55 km. Sự nhiễu loạn ở đây thấp, hàm lượng hơi nước trong không khí không đáng kể. Nhưng có rất nhiều ozone. Nồng độ tối đa của nó là ở độ cao 20-25 km. Trong tầng bình lưu, nhiệt độ không khí bắt đầu tăng lên và đạt +0,8° C. Điều này là do tầng ozone tương tác với bức xạ cực tím.
. Mãn kinh- Tầng trung gian thấp nằm giữa tầng bình lưu và tầng trung lưu theo sau nó.
. Tầng trung lưu- ranh giới trên của lớp này là 80-85 km. Ở đây xảy ra các quá trình quang hóa phức tạp liên quan đến các gốc tự do. Họ là những người mang lại ánh sáng xanh dịu nhẹ cho hành tinh của chúng ta, được nhìn thấy từ không gian.
Hầu hết các sao chổi và thiên thạch đều bốc cháy ở tầng trung lưu.
. Mesopause- lớp trung gian tiếp theo, nhiệt độ không khí trong đó ít nhất là -90°.
. Nhiệt quyển- ranh giới dưới bắt đầu ở độ cao 80 - 90 km, và ranh giới trên của lớp bắt đầu ở độ cao khoảng 800 km. Nhiệt độ không khí đang tăng lên. Nó có thể thay đổi từ +500° C đến +1000° C. Vào ban ngày, nhiệt độ dao động lên tới hàng trăm độ! Nhưng không khí ở đây quá loãng nên việc hiểu thuật ngữ “nhiệt độ” như chúng ta tưởng tượng là không phù hợp ở đây.
. Tầng điện ly- kết hợp giữa tầng giữa, tầng trung lưu và tầng nhiệt. Không khí ở đây bao gồm chủ yếu là các phân tử oxy và nitơ, cũng như plasma gần như trung tính. Tia nắng mặt trời đi vào tầng điện ly làm ion hóa mạnh các phân tử không khí. Ở lớp dưới (lên tới 90 km), mức độ ion hóa thấp. Càng cao thì độ ion hóa càng lớn. Vì vậy, ở độ cao 100-110 km, các electron tập trung. Điều này giúp phản xạ sóng vô tuyến ngắn và trung bình.
Lớp quan trọng nhất của tầng điện ly là tầng trên, nằm ở độ cao 150-400 km. Điểm đặc biệt của nó là nó phản xạ sóng vô tuyến và điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền tín hiệu vô tuyến trên một khoảng cách đáng kể.
Chính trong tầng điện ly đã xảy ra hiện tượng như cực quang.
. Tầng ngoài- Gồm các nguyên tử oxy, heli và hydro. Khí trong lớp này rất hiếm và các nguyên tử hydro thường thoát ra ngoài vũ trụ. Vì vậy, lớp này được gọi là “vùng phân tán”.
Nhà khoa học đầu tiên cho rằng bầu khí quyển của chúng ta có trọng lượng là E. Torricelli người Ý. Chẳng hạn, Ostap Bender trong cuốn tiểu thuyết “Con bê vàng” đã than thở rằng mỗi người đều bị ép bởi một cột không khí nặng 14 kg! Nhưng kẻ mưu mô vĩ đại đã hơi nhầm lẫn. Một người trưởng thành chịu áp lực 13-15 tấn! Nhưng chúng ta không cảm thấy sự nặng nề này vì áp suất khí quyển được cân bằng bởi áp suất bên trong con người. Trọng lượng của bầu khí quyển của chúng ta là 5.300.000.000.000.000 tấn. Con số này rất khổng lồ, mặc dù nó chỉ bằng một phần triệu trọng lượng của hành tinh chúng ta.
Lớp vỏ khí bao quanh hành tinh Trái đất của chúng ta, được gọi là bầu khí quyển, bao gồm năm lớp chính. Các lớp này bắt nguồn từ bề mặt hành tinh, từ mực nước biển (đôi khi ở dưới) và dâng lên ngoài vũ trụ theo trình tự sau:
- Tầng đối lưu;
- Tầng bình lưu;
- Tầng trung lưu;
- Nhiệt quyển;
- Tầng ngoài.
Sơ đồ các lớp chính của khí quyển Trái đất
Ở giữa mỗi lớp trong số năm lớp chính này là các vùng chuyển tiếp được gọi là "khoảng dừng", nơi xảy ra những thay đổi về nhiệt độ, thành phần và mật độ không khí. Cùng với sự tạm dừng, bầu khí quyển của Trái đất bao gồm tổng cộng 9 lớp.
Tầng đối lưu: nơi xảy ra thời tiết
Trong tất cả các tầng của khí quyển, tầng đối lưu là tầng mà chúng ta quen thuộc nhất (dù bạn có nhận ra hay không), vì chúng ta sống ở đáy của nó - bề mặt của hành tinh. Nó bao bọc bề mặt Trái đất và kéo dài lên trên vài km. Từ tầng đối lưu có nghĩa là “sự thay đổi của địa cầu”. Một cái tên rất thích hợp vì lớp này là nơi diễn ra thời tiết hàng ngày của chúng ta.
Bắt đầu từ bề mặt hành tinh, tầng đối lưu tăng lên độ cao từ 6 đến 20 km. Phần dưới của lớp, gần chúng ta nhất, chứa 50% tổng lượng khí trong khí quyển. Đây là phần duy nhất của toàn bộ bầu không khí thở. Do bề mặt trái đất làm nóng không khí từ bên dưới, hấp thụ năng lượng nhiệt của Mặt trời, nhiệt độ và áp suất của tầng đối lưu giảm khi độ cao tăng lên.
Ở phía trên có một lớp mỏng gọi là tầng đối lưu, nó chỉ là lớp đệm giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu.
Tầng bình lưu: ngôi nhà của tầng ozone
Tầng bình lưu là lớp tiếp theo của khí quyển. Nó kéo dài từ 6-20 km đến 50 km so với bề mặt Trái đất. Đây là tầng mà hầu hết các máy bay thương mại bay và khinh khí cầu di chuyển.
Ở đây không khí không di chuyển lên xuống mà di chuyển song song với bề mặt theo những dòng không khí rất nhanh. Khi bạn lên cao, nhiệt độ sẽ tăng lên nhờ lượng ozone (O3) xuất hiện tự nhiên, sản phẩm phụ của bức xạ mặt trời và oxy, có khả năng hấp thụ các tia cực tím có hại của mặt trời (bất kỳ sự gia tăng nhiệt độ nào theo độ cao trong khí tượng học đều được biết đến dưới dạng "đảo ngược") .
Bởi vì tầng bình lưu có nhiệt độ ấm hơn ở phía dưới và nhiệt độ mát hơn ở phía trên nên sự đối lưu (chuyển động thẳng đứng của khối không khí) rất hiếm xảy ra ở phần này của khí quyển. Trên thực tế, bạn có thể quan sát một cơn bão đang hoành hành ở tầng đối lưu từ tầng bình lưu vì lớp này hoạt động như một nắp đối lưu ngăn cản các đám mây bão xâm nhập.
Sau tầng bình lưu lại có một lớp đệm, lần này được gọi là tầng bình lưu.
Mesosphere: tầng khí quyển ở giữa
Tầng trung lưu nằm cách bề mặt Trái đất khoảng 50-80 km. Tầng trung lưu phía trên là nơi tự nhiên lạnh nhất trên Trái đất, nơi nhiệt độ có thể xuống dưới -143°C.
Nhiệt quyển: tầng khí quyển phía trên
Sau tầng trung lưu và tầng trung lưu là tầng nhiệt, nằm ở độ cao từ 80 đến 700 km so với bề mặt hành tinh và chứa ít hơn 0,01% tổng lượng không khí trong lớp vỏ khí quyển. Nhiệt độ ở đây lên tới +2000° C, nhưng do không khí cực kỳ loãng và thiếu các phân tử khí để truyền nhiệt nên nhiệt độ cao này được coi là rất lạnh.
Exosphere: ranh giới giữa khí quyển và không gian
Ở độ cao khoảng 700-10.000 km so với bề mặt trái đất là tầng ngoài - rìa ngoài của khí quyển, giáp với không gian. Ở đây các vệ tinh thời tiết quay quanh Trái đất.
Còn tầng điện ly thì sao?
Tầng điện ly không phải là một lớp riêng biệt mà trên thực tế thuật ngữ này được dùng để chỉ bầu khí quyển ở độ cao từ 60 đến 1000 km. Nó bao gồm các phần trên cùng của tầng trung lưu, toàn bộ tầng nhiệt và một phần của tầng ngoài. Tầng điện ly có tên như vậy vì ở phần này của khí quyển, bức xạ từ Mặt trời bị ion hóa khi nó đi qua từ trường Trái đất tại và. Hiện tượng này được quan sát từ mặt đất dưới dạng ánh sáng phương bắc.
Bầu khí quyển là một trong những thành phần quan trọng nhất của hành tinh chúng ta. Chính cô là người “che chở” con người khỏi những điều kiện khắc nghiệt ngoài vũ trụ như bức xạ mặt trời và các mảnh vụn vũ trụ. Tuy nhiên, nhiều sự thật về bầu khí quyển vẫn chưa được hầu hết mọi người biết đến.
Màu sắc thực sự của bầu trời
Mặc dù khó tin nhưng bầu trời thực sự có màu tím. Khi ánh sáng đi vào khí quyển, các hạt không khí và nước sẽ hấp thụ ánh sáng, làm tán xạ nó. Đồng thời, màu tím phân tán nhiều nhất, đó là lý do tại sao con người nhìn thấy bầu trời xanh.
Một yếu tố độc quyền trong bầu khí quyển của Trái đất
Như nhiều người còn nhớ khi còn đi học, bầu khí quyển của Trái đất bao gồm khoảng 78% nitơ, 21% oxy và một lượng nhỏ argon, carbon dioxide và các loại khí khác. Nhưng ít người biết rằng bầu khí quyển của chúng ta là nơi duy nhất cho đến nay được các nhà khoa học (ngoài sao chổi 67P) phát hiện có oxy tự do. Vì oxy là chất khí có tính phản ứng cao nên nó thường phản ứng với các hóa chất khác trong không gian. Dạng nguyên chất của nó trên Trái đất khiến hành tinh này có thể sinh sống được.
Sọc trắng trên bầu trời
Chắc chắn, một số người đôi khi thắc mắc tại sao một sọc trắng vẫn xuất hiện trên bầu trời phía sau một chiếc máy bay phản lực. Những vệt trắng này, được gọi là vệt khói, hình thành khi khí thải nóng ẩm từ động cơ máy bay trộn với không khí mát hơn bên ngoài. Hơi nước từ khí thải đóng băng và hiện rõ.
Các lớp khí quyển chính
Bầu khí quyển của Trái đất bao gồm năm lớp chính tạo nên sự sống trên hành tinh này. Tầng đầu tiên trong số này, tầng đối lưu, kéo dài từ mực nước biển đến độ cao khoảng 17 km ở xích đạo. Hầu hết các hiện tượng thời tiết đều xảy ra ở đây.
Tầng ôzôn
Lớp tiếp theo của khí quyển, tầng bình lưu, đạt độ cao khoảng 50 km ở đường xích đạo. Nó chứa tầng ozone, giúp bảo vệ con người khỏi các tia cực tím nguy hiểm. Mặc dù lớp này nằm phía trên tầng đối lưu nhưng nó thực sự có thể ấm hơn do năng lượng được hấp thụ từ các tia mặt trời. Hầu hết các máy bay phản lực và khinh khí cầu thời tiết đều bay trong tầng bình lưu. Máy bay có thể bay nhanh hơn trong đó vì chúng ít bị ảnh hưởng bởi trọng lực và ma sát. Khí cầu thời tiết có thể cung cấp hình ảnh rõ hơn về các cơn bão, hầu hết chúng xảy ra ở tầng đối lưu thấp hơn.
Tầng trung lưu
Tầng trung lưu là lớp giữa, kéo dài tới độ cao 85 km so với bề mặt hành tinh. Nhiệt độ của nó dao động quanh -120 °C. Hầu hết các thiên thạch đi vào bầu khí quyển Trái đất đều bốc cháy trong tầng trung lưu. Hai lớp cuối cùng mở rộng vào không gian là tầng nhiệt và tầng ngoài.
Sự biến mất của bầu khí quyển
Rất có thể Trái đất đã mất bầu khí quyển nhiều lần. Khi hành tinh này bị bao phủ bởi đại dương magma, các vật thể khổng lồ giữa các vì sao đã đâm vào nó. Những tác động này, cũng đã hình thành nên Mặt trăng, có thể lần đầu tiên đã hình thành nên bầu khí quyển của hành tinh này.
Nếu không có khí quyển...
Nếu không có các loại khí khác nhau trong khí quyển, Trái đất sẽ quá lạnh đối với sự tồn tại của con người. Hơi nước, carbon dioxide và các loại khí trong khí quyển khác hấp thụ nhiệt từ mặt trời và “phân phối” nó trên bề mặt hành tinh, giúp tạo ra khí hậu có thể ở được.
Sự hình thành tầng ozone
Tầng ozone khét tiếng (và thiết yếu) được tạo ra khi các nguyên tử oxy phản ứng với tia cực tím từ mặt trời để tạo thành ozone. Chính tầng ozone hấp thụ hầu hết các bức xạ có hại từ mặt trời. Bất chấp tầm quan trọng của nó, tầng ozone được hình thành tương đối gần đây sau khi đủ sự sống xuất hiện trong các đại dương để giải phóng vào khí quyển lượng oxy cần thiết để tạo ra nồng độ ozone tối thiểu.
Tầng điện ly
Tầng điện ly được gọi như vậy vì các hạt năng lượng cao từ không gian và mặt trời giúp hình thành các ion, tạo ra một "lớp điện" xung quanh hành tinh. Khi không có vệ tinh, lớp này giúp phản xạ sóng vô tuyến.
mưa axit
Mưa axit phá hủy toàn bộ khu rừng và tàn phá hệ sinh thái dưới nước, hình thành trong khí quyển khi các hạt sulfur dioxide hoặc nitơ oxit trộn với hơi nước và rơi xuống đất tạo thành mưa. Những hợp chất hóa học này cũng được tìm thấy trong tự nhiên: sulfur dioxide được tạo ra trong quá trình phun trào núi lửa và oxit nitơ được tạo ra khi bị sét đánh.
Điện sét
Sét mạnh đến mức chỉ cần một tia sét có thể làm nóng không khí xung quanh lên tới 30.000 °C. Sự nóng lên nhanh chóng gây ra sự giãn nở bùng nổ của không khí gần đó, được nghe như một sóng âm thanh gọi là sấm sét.
cực quang
Aurora Borealis và Aurora Australis (cực quang phía bắc và phía nam) được gây ra bởi các phản ứng ion xảy ra ở tầng thứ tư của khí quyển, tầng nhiệt điện. Khi các hạt tích điện cao từ gió mặt trời va chạm với các phân tử không khí phía trên các cực từ của hành tinh, chúng phát sáng và tạo ra những màn trình diễn ánh sáng rực rỡ.
Hoàng hôn
Hoàng hôn thường trông giống như bầu trời đang bốc cháy khi các hạt nhỏ trong khí quyển tán xạ ánh sáng, phản chiếu ánh sáng bằng màu cam và vàng. Nguyên tắc tương tự làm nền tảng cho sự hình thành cầu vồng.
Cư dân của bầu khí quyển phía trên
Năm 2013, các nhà khoa học phát hiện ra rằng các vi khuẩn nhỏ bé có thể tồn tại cách bề mặt Trái đất nhiều km. Ở độ cao 8-15 km so với hành tinh, người ta phát hiện ra các vi khuẩn phá hủy các hóa chất hữu cơ và trôi nổi trong khí quyển, “ăn” chúng.
Bầu khí quyển của Trái đất là lớp vỏ khí của hành tinh chúng ta, kéo dài tới hàng nghìn km so với bề mặt hành tinh. Nó được đặc trưng bởi tính năng động cao, tính không đồng nhất về thể chất và tính dễ bị tổn thương trước các yếu tố sinh học. Trải qua hàng tỷ năm lịch sử của bầu khí quyển Trái đất, chính những sinh vật sống đã thay đổi thành phần của nó một cách mạnh mẽ nhất.
Bầu khí quyển là mái vòm bảo vệ chúng ta khỏi mọi mối đe dọa từ không gian. Nó đốt cháy hầu hết các thiên thạch rơi trên hành tinh và tầng ozone của nó đóng vai trò như một bộ lọc chống lại bức xạ cực tím từ Mặt trời, năng lượng của nó có thể gây tử vong cho sinh vật. Ngoài ra, chính bầu khí quyển duy trì nhiệt độ dễ chịu trên bề mặt Trái đất - nếu không có hiệu ứng nhà kính, đạt được thông qua sự phản xạ lặp đi lặp lại của tia nắng mặt trời từ các đám mây, Trái đất sẽ lạnh hơn trung bình 20-30 độ. Sự lưu thông của nước trong khí quyển và sự chuyển động của các khối không khí không chỉ cân bằng nhiệt độ và độ ẩm mà còn tạo ra sự đa dạng về hình thái cảnh quan và khoáng chất trên trái đất - sự giàu có như vậy không thể tìm thấy ở bất kỳ nơi nào khác trong hệ mặt trời.
Khối lượng của khí quyển là 5,2×1018 kg. Mặc dù các lớp vỏ khí trải dài hàng nghìn km tính từ Trái đất, nhưng chỉ những lớp quay quanh một trục với tốc độ bằng tốc độ quay của hành tinh mới được coi là bầu khí quyển của nó. Do đó, độ cao của bầu khí quyển Trái đất là khoảng 1000 km, chuyển tiếp thuận lợi ra không gian bên ngoài ở tầng trên, tầng ngoài (từ tiếng Hy Lạp “vòng ngoài”).
Mặc dù không khí có vẻ đồng nhất nhưng nó là hỗn hợp của nhiều loại khí khác nhau. Nếu chúng ta chỉ lấy những thứ chiếm ít nhất một phần nghìn thể tích của khí quyển, thì sẽ có 12 trong số chúng. Nếu chúng ta nhìn vào bức tranh tổng thể, thì toàn bộ bảng tuần hoàn sẽ xuất hiện cùng một lúc!
Tuy nhiên, Trái đất đã không đạt được sự đa dạng như vậy ngay lập tức. Chỉ nhờ sự trùng hợp ngẫu nhiên độc đáo của các nguyên tố hóa học và sự hiện diện của sự sống mà bầu khí quyển Trái đất trở nên phức tạp như vậy. Hành tinh của chúng ta đã bảo tồn được những dấu vết địa chất của những quá trình này, cho phép chúng ta nhìn lại hàng tỷ năm trước.
Các loại khí đầu tiên bao phủ Trái đất non trẻ cách đây 4,3 tỷ năm là hydro và heli, những thành phần cơ bản trong bầu khí quyển của những hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc. Đây là những chất cơ bản nhất - chúng bao gồm tàn tích của tinh vân đã sinh ra Mặt trời và các hành tinh xung quanh, và chúng định cư rất nhiều xung quanh các trung tâm hấp dẫn-hành tinh. Nồng độ của chúng không cao lắm và khối lượng nguyên tử thấp cho phép chúng trốn thoát vào không gian, điều mà chúng vẫn làm cho đến ngày nay. Ngày nay, tổng trọng lượng riêng của chúng là 0,00052% tổng khối lượng khí quyển Trái đất (0,00002% hydro và 0,0005% heli), một con số rất nhỏ.
Tuy nhiên, bên trong Trái đất lại ẩn chứa rất nhiều chất tìm cách thoát ra khỏi ruột nóng. Một lượng lớn khí được thải ra từ núi lửa - chủ yếu là amoniac, metan và carbon dioxide, cũng như lưu huỳnh. Amoniac và mêtan sau đó bị phân hủy thành nitơ, hiện chiếm phần lớn khối lượng khí quyển Trái đất - 78%.
Nhưng cuộc cách mạng thực sự về thành phần bầu khí quyển Trái đất đã xảy ra với sự xuất hiện của oxy. Nó cũng xuất hiện một cách tự nhiên - lớp phủ nóng của hành tinh trẻ đang tích cực loại bỏ khí bị mắc kẹt dưới lớp vỏ trái đất. Ngoài ra, hơi nước do núi lửa thải ra bị phân tách thành hydro và oxy dưới tác động của bức xạ cực tím mặt trời.
Tuy nhiên, lượng oxy như vậy không thể tồn tại lâu trong khí quyển. Nó phản ứng với carbon monoxide, sắt tự do, lưu huỳnh và nhiều nguyên tố khác trên bề mặt hành tinh - nhiệt độ cao và bức xạ mặt trời đã xúc tác cho các quá trình hóa học. Tình trạng này chỉ được thay đổi bởi sự xuất hiện của các sinh vật sống.
Đầu tiên, chúng bắt đầu giải phóng nhiều oxy đến mức nó không chỉ oxy hóa tất cả các chất trên bề mặt mà còn bắt đầu tích tụ - trong vài tỷ năm, lượng oxy này tăng từ 0 lên 21% tổng khối lượng của khí quyển.
Thứ hai, các sinh vật sống tích cực sử dụng carbon trong khí quyển để xây dựng bộ xương của riêng mình. Nhờ hoạt động của họ, lớp vỏ trái đất đã được bổ sung toàn bộ lớp địa chất gồm các vật liệu hữu cơ và hóa thạch, và lượng carbon dioxide trở nên ít hơn nhiều.
Và cuối cùng, lượng oxy dư thừa đã hình thành nên tầng ozone, tầng này bắt đầu bảo vệ các sinh vật sống khỏi bức xạ cực tím. Sự sống bắt đầu phát triển tích cực hơn và có những dạng mới, phức tạp hơn - những sinh vật có tổ chức cao bắt đầu xuất hiện giữa vi khuẩn và tảo. Ngày nay, ozone chỉ chiếm 0,00001% tổng khối lượng Trái đất.
Có thể bạn đã biết rằng màu xanh lam của bầu trời trên Trái đất cũng được tạo ra bởi oxy - trong toàn bộ quang phổ cầu vồng của Mặt trời, nó tán xạ tốt nhất các sóng ánh sáng ngắn tạo ra màu xanh lam. Hiệu ứng tương tự cũng xảy ra trong không gian - nhìn từ xa, Trái đất dường như bị bao phủ trong một đám mây màu xanh lam, và nhìn từ xa, nó hoàn toàn biến thành một chấm màu xanh lam.
Ngoài ra, khí hiếm còn có mặt với số lượng đáng kể trong khí quyển. Trong số đó nhiều nhất là argon, tỷ lệ trong khí quyển là 0,9–1%. Nguồn gốc của nó là các quá trình hạt nhân ở độ sâu của Trái đất và nó chạm tới bề mặt thông qua các vết nứt nhỏ trong các mảng thạch quyển và các vụ phun trào núi lửa (đây là cách heli xuất hiện trong khí quyển). Do đặc điểm vật lý của chúng, các khí hiếm bay lên các tầng trên của khí quyển, nơi chúng thoát ra ngoài không gian.
Như chúng ta có thể thấy, thành phần của bầu khí quyển Trái đất đã nhiều lần thay đổi và rất mạnh mẽ - nhưng phải mất hàng triệu năm. Mặt khác, các hiện tượng quan trọng rất ổn định - tầng ozone sẽ tồn tại và hoạt động ngay cả khi lượng oxy trên Trái đất ít hơn 100 lần. Trong bối cảnh lịch sử chung của hành tinh, hoạt động của con người không để lại dấu vết nghiêm trọng. Tuy nhiên, ở quy mô địa phương, nền văn minh có khả năng tạo ra vấn đề - ít nhất là cho chính nó. Các chất ô nhiễm không khí đã khiến cuộc sống của người dân Bắc Kinh, Trung Quốc trở nên nguy hiểm - và những đám mây sương mù bẩn khổng lồ trên các thành phố lớn có thể nhìn thấy được ngay cả từ không gian.
Cấu trúc khí quyển
Tuy nhiên, tầng ngoài không phải là lớp đặc biệt duy nhất của bầu khí quyển chúng ta. Có rất nhiều trong số họ, và mỗi người trong số họ có những đặc điểm riêng. Chúng ta hãy xem xét một vài cái cơ bản.
Tầng đối lưu
Lớp thấp nhất và dày đặc nhất của khí quyển được gọi là tầng đối lưu. Người đọc bài báo bây giờ chính xác đang ở phần “dưới cùng” của anh ấy - tất nhiên, trừ khi anh ấy là một trong 500 nghìn người đang đi máy bay lúc này. Giới hạn trên của tầng đối lưu phụ thuộc vào vĩ độ (bạn có nhớ lực ly tâm của chuyển động quay của Trái đất khiến hành tinh này rộng hơn ở xích đạo không?) và dao động từ 7 km ở hai cực đến 20 km ở xích đạo. Ngoài ra, kích thước của tầng đối lưu phụ thuộc vào mùa - không khí càng ấm thì giới hạn trên càng tăng.
Cái tên "tầng đối lưu" xuất phát từ từ "tropos" trong tiếng Hy Lạp cổ đại, được dịch là "quay, thay đổi". Điều này phản ánh khá chính xác các đặc tính của lớp khí quyển - nó năng động và hiệu quả nhất. Chính trong tầng đối lưu, các đám mây tụ lại và nước luân chuyển, lốc xoáy và xoáy nghịch được tạo ra và gió được tạo ra - tất cả những quá trình mà chúng ta gọi là “thời tiết” và “khí hậu” đều diễn ra. Ngoài ra, đây là lớp lớn và dày đặc nhất - nó chiếm 80% khối lượng của khí quyển và gần như toàn bộ hàm lượng nước trong đó. Hầu hết các sinh vật sống sống ở đây.
Ai cũng biết càng lên cao trời càng lạnh. Điều này đúng - cứ lên cao 100 mét, nhiệt độ không khí giảm 0,5-0,7 độ. Tuy nhiên, nguyên lý này chỉ có tác dụng ở tầng đối lưu - khi đó nhiệt độ bắt đầu tăng khi độ cao ngày càng tăng. Vùng giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu nơi nhiệt độ không đổi được gọi là tầng đối lưu. Và theo độ cao, tốc độ gió tăng lên - 2–3 km/s trên mỗi km trở lên. Do đó, tàu lượn dù và tàu lượn thích các cao nguyên và núi cao để bay - chúng sẽ luôn có thể “bắt được sóng” ở đó.
Đáy không khí đã được đề cập ở trên, nơi khí quyển tiếp xúc với thạch quyển, được gọi là lớp ranh giới bề mặt. Vai trò của nó trong sự lưu thông khí quyển là vô cùng lớn - sự truyền nhiệt và bức xạ từ bề mặt tạo ra gió và chênh lệch áp suất, đồng thời các ngọn núi và các địa hình bất thường khác định hướng và ngăn cách chúng. Quá trình trao đổi nước diễn ra ngay lập tức - trong vòng 8–12 ngày, toàn bộ lượng nước lấy từ đại dương và bề mặt sẽ quay trở lại, biến tầng đối lưu thành một loại máy lọc nước.
Một sự thật thú vị là một quá trình quan trọng trong đời sống của thực vật, sự thoát hơi nước, dựa trên sự trao đổi nước với khí quyển. Với sự giúp đỡ của nó, hệ thực vật trên hành tinh có tác động tích cực đến khí hậu - ví dụ, những vùng cây xanh rộng lớn làm dịu đi những thay đổi về thời tiết và nhiệt độ. Thực vật ở vùng bão hòa nước bốc hơi 99% lượng nước lấy từ đất. Ví dụ, một ha lúa mì thải ra 2-3 nghìn tấn nước vào khí quyển trong mùa hè - con số này nhiều hơn đáng kể so với lượng nước mà đất vô hồn có thể thải ra.
Áp suất bình thường trên bề mặt Trái đất là khoảng 1000 milibar. Tiêu chuẩn được coi là áp suất 1013 mbar, là một "bầu không khí" - bạn có thể đã gặp đơn vị đo lường này. Khi độ cao ngày càng tăng, áp suất giảm nhanh: ở ranh giới của tầng đối lưu (ở độ cao 12 km), nó đã là 200 mBar, và ở độ cao 45 km, nó giảm hoàn toàn xuống 1 mBar. Do đó, không có gì đáng ngạc nhiên khi 80% toàn bộ khối lượng khí quyển Trái đất được thu thập trong tầng đối lưu bão hòa.
Tầng bình lưu
Lớp khí quyển nằm ở độ cao từ 8 km (ở cực) đến 50 km (ở xích đạo) được gọi là tầng bình lưu. Tên này xuất phát từ một từ Hy Lạp khác là “stratos”, có nghĩa là “sàn, lớp”. Đây là vùng cực kỳ hiếm của bầu khí quyển Trái đất, trong đó hầu như không có hơi nước. Áp suất không khí ở phần dưới của tầng bình lưu nhỏ hơn 10 lần so với áp suất bề mặt và ở phần trên thấp hơn 100 lần.
Trong cuộc trò chuyện về tầng đối lưu, chúng ta đã biết rằng nhiệt độ trong đó giảm tùy theo độ cao. Trong tầng bình lưu, mọi thứ diễn ra hoàn toàn ngược lại - khi độ cao tăng lên, nhiệt độ tăng từ –56°C lên 0–1°C. Quá trình gia nhiệt dừng lại ở tầng bình lưu, ranh giới giữa tầng bình lưu và tầng trung lưu.
Máy bay chở khách và máy bay siêu thanh thường bay ở các tầng thấp hơn của tầng bình lưu - điều này không chỉ bảo vệ chúng khỏi sự mất ổn định của các luồng không khí trong tầng đối lưu mà còn đơn giản hóa chuyển động của chúng do lực cản khí động học thấp. Và nhiệt độ thấp và không khí loãng giúp tối ưu hóa mức tiêu thụ nhiên liệu, điều này đặc biệt quan trọng đối với các chuyến bay đường dài.
Tuy nhiên, có một giới hạn độ cao kỹ thuật đối với máy bay - luồng không khí rất nhỏ trong tầng bình lưu lại cần thiết cho hoạt động của động cơ phản lực. Theo đó, để đạt được áp suất không khí cần thiết trong tuabin, máy bay phải di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh. Vì vậy, chỉ có phương tiện chiến đấu và máy bay siêu thanh như Concordes mới có thể di chuyển cao trong tầng bình lưu (ở độ cao 18–30 km). Vì vậy, “cư dân” chính của tầng bình lưu là các máy thăm dò thời tiết gắn trên khinh khí cầu - chúng có thể ở đó trong thời gian dài, thu thập thông tin về động lực của tầng đối lưu bên dưới.
Các vi sinh vật, còn được gọi là aeroplankton, được tìm thấy trong khí quyển ngay sát tầng ozone. Tuy nhiên, không chỉ vi khuẩn có thể tồn tại ở tầng bình lưu. Vì vậy, một ngày nọ, một con kền kền châu Phi, một loài kền kền đặc biệt, đã chui vào động cơ của một chiếc máy bay ở độ cao 11,5 nghìn km. Và một số con vịt bình tĩnh bay qua Everest trong quá trình di cư của chúng.
Nhưng sinh vật lớn nhất từng tồn tại ở tầng bình lưu vẫn là con người. Kỷ lục chiều cao hiện nay được xác lập bởi Alan Eustace, phó chủ tịch Google. Vào ngày nhảy ông đã 57 tuổi! Trên một khinh khí cầu đặc biệt, anh bay lên độ cao 41 km so với mực nước biển, rồi nhảy dù xuống. Tốc độ anh ta đạt được khi rơi ở đỉnh điểm là 1342 km/h - nhanh hơn tốc độ âm thanh! Đồng thời, Eustace trở thành người đầu tiên độc lập vượt qua ngưỡng tốc độ âm thanh (không tính toàn bộ bộ đồ du hành để hỗ trợ sự sống và dù để hạ cánh toàn bộ).
Một sự thật thú vị là để tách khỏi khinh khí cầu, Eustace cần một thiết bị nổ - giống như thiết bị được sử dụng bởi tên lửa không gian khi tách các giai đoạn.
Và ở ranh giới giữa tầng bình lưu và tầng trung lưu có tầng ozone nổi tiếng. Nó bảo vệ bề mặt Trái đất khỏi tác động của tia cực tím, đồng thời đóng vai trò là giới hạn trên cho sự lan rộng của sự sống trên hành tinh - phía trên nó, nhiệt độ, áp suất và bức xạ vũ trụ sẽ nhanh chóng chấm dứt ngay cả những gì dai dẳng nhất. vi khuẩn.
Chiếc khiên này đến từ đâu? Câu trả lời thật khó tin - nó được tạo ra bởi các sinh vật sống, chính xác hơn là oxy, loại vi khuẩn, tảo và thực vật khác nhau đã thải ra từ thời xa xưa. Tăng cao trong khí quyển, oxy tiếp xúc với bức xạ cực tím và tham gia phản ứng quang hóa. Kết quả là từ oxy thông thường mà chúng ta hít thở, O2, tạo ra ozone - O3.
Nghịch lý thay, tầng ozone được tạo ra bởi bức xạ của Mặt trời lại bảo vệ chúng ta khỏi bức xạ tương tự! Ozone cũng không phản xạ mà hấp thụ bức xạ cực tím - do đó làm nóng bầu không khí xung quanh nó.
Tầng trung lưu
Chúng tôi đã đề cập rằng phía trên tầng bình lưu - chính xác hơn, phía trên tầng bình lưu, lớp ranh giới của nhiệt độ ổn định - là tầng trung lưu. Lớp tương đối nhỏ này nằm ở độ cao từ 40–45 đến 90 km và là nơi lạnh nhất trên hành tinh của chúng ta - ở tầng trung lưu, tầng trên của tầng trung lưu, không khí nguội đi đến –143°C.
Tầng trung lưu là phần ít được nghiên cứu nhất trong bầu khí quyển Trái đất. Áp suất khí cực thấp, thấp hơn áp suất bề mặt từ một nghìn đến mười nghìn lần, hạn chế chuyển động của bóng bay - lực nâng của chúng bằng 0 và chúng chỉ bay lơ lửng tại chỗ. Điều tương tự cũng xảy ra với máy bay phản lực - tính khí động học của cánh và thân máy bay mất đi ý nghĩa. Do đó, tên lửa hoặc máy bay có động cơ tên lửa - máy bay tên lửa - đều có thể bay trong tầng trung lưu. Chúng bao gồm máy bay tên lửa X-15, giữ vị trí máy bay nhanh nhất thế giới: nó đạt độ cao 108 km và tốc độ 7200 km/h - gấp 6,72 lần tốc độ âm thanh.
Tuy nhiên, chuyến bay kỷ lục của X-15 chỉ kéo dài 15 phút. Điều này tượng trưng cho vấn đề chung của các phương tiện di chuyển trong tầng trung lưu - chúng quá nhanh để tiến hành bất kỳ nghiên cứu kỹ lưỡng nào và chúng không ở lại độ cao nhất định lâu, bay cao hơn hoặc rơi xuống. Ngoài ra, không thể khám phá tầng trung lưu bằng vệ tinh hoặc tàu thăm dò dưới quỹ đạo - mặc dù áp suất trong tầng khí quyển này thấp nhưng nó làm chậm (và đôi khi đốt cháy) tàu vũ trụ. Vì những khó khăn đó nên các nhà khoa học thường gọi tầng trung lưu là “ignorosphere” (từ tiếng Anh “ignorosphere”, trong đó “inignorance” là sự thiếu hiểu biết, thiếu hiểu biết).
Cũng chính ở tầng trung lưu, nơi hầu hết các thiên thạch rơi xuống Trái đất đều bốc cháy - chính tại đó, trận mưa sao băng Perseid, còn được gọi là “mưa sao băng tháng 8”, nổ ra. Hiệu ứng ánh sáng xảy ra khi một vật thể vũ trụ đi vào bầu khí quyển Trái đất theo một góc nhọn với tốc độ hơn 11 km/h - thiên thạch sáng lên do lực ma sát.
Mất khối lượng ở tầng trung lưu, phần còn lại của "người ngoài hành tinh" định cư trên Trái đất dưới dạng bụi vũ trụ - mỗi ngày có từ 100 đến 10 nghìn tấn vật chất thiên thạch rơi xuống hành tinh. Vì các hạt bụi riêng lẻ rất nhẹ nên chúng phải mất tới một tháng mới đến được bề mặt Trái đất! Khi rơi vào mây, chúng khiến chúng nặng hơn và thậm chí đôi khi còn gây mưa - giống như tro núi lửa hoặc các hạt từ vụ nổ hạt nhân gây ra chúng. Tuy nhiên, ảnh hưởng của bụi vũ trụ đến sự hình thành mưa được coi là nhỏ - thậm chí 10 nghìn tấn cũng không đủ để làm thay đổi nghiêm trọng quá trình tuần hoàn tự nhiên của bầu khí quyển Trái đất.
Nhiệt quyển. Đưa đón trên tuyến Karman. Tất cả các lớp khí quyển đều có thể nhìn thấy rõ ràng trong ảnh.
Phía trên tầng trung lưu, ở độ cao 100 km so với mực nước biển, đi qua đường Karman - ranh giới thông thường giữa Trái đất và không gian. Mặc dù có những chất khí ở đó quay cùng Trái đất và đi vào bầu khí quyển về mặt kỹ thuật, nhưng lượng của chúng phía trên đường Karman là vô cùng nhỏ. Do đó, bất kỳ chuyến bay nào vượt quá độ cao 100 km đều được coi là không gian.
Ranh giới dưới của lớp dài nhất của khí quyển, tầng nhiệt, trùng với đường Karman. Nó tăng lên độ cao 800 km và được đặc trưng bởi nhiệt độ cực cao - ở độ cao 400 km, nó đạt tới mức tối đa 1800°C!
Trời nóng quá phải không? Ở nhiệt độ 1538°C, sắt bắt đầu tan chảy - vậy làm thế nào mà tàu vũ trụ vẫn còn nguyên vẹn trong tầng nhiệt điện? Tất cả là do nồng độ khí cực thấp ở tầng trên của khí quyển - áp suất ở giữa tầng nhiệt điện thấp hơn 1.000.000 so với nồng độ không khí ở bề mặt Trái đất! Năng lượng của từng hạt riêng lẻ cao, nhưng khoảng cách giữa chúng rất lớn và tàu vũ trụ về cơ bản ở trong chân không. Tuy nhiên, điều này không giúp chúng thoát khỏi nhiệt lượng mà các cơ chế tỏa ra - để tản nhiệt, tất cả các tàu vũ trụ đều được trang bị bộ tản nhiệt phát ra năng lượng dư thừa.
Chỉ là một lưu ý. Khi nói đến nhiệt độ cao, cần phải xem xét mật độ của vật chất nóng - ví dụ, các nhà khoa học tại Máy Va chạm Hadron thực sự có thể làm nóng vật chất đến nhiệt độ của Mặt trời. Nhưng rõ ràng đây sẽ là những phân tử riêng lẻ - một gram vật chất sao sẽ đủ cho một vụ nổ mạnh. Vì vậy, chúng ta không nên tin vào báo chí màu vàng, thứ hứa hẹn với chúng ta về ngày tận thế sắp xảy ra từ “bàn tay” của Máy va chạm, cũng như chúng ta không nên sợ sức nóng trong tầng nhiệt điện.
Tầng nhiệt điện thực chất là không gian mở - quỹ đạo của vệ tinh Sputnik đầu tiên của Liên Xô nằm trong ranh giới của nó. Ngoài ra còn có điểm tận thế - điểm cao nhất trên Trái đất - của chuyến bay của tàu vũ trụ Vostok-1 với Yuri Gagarin trên tàu. Nhiều vệ tinh nhân tạo phục vụ nghiên cứu bề mặt, đại dương và khí quyển Trái đất như vệ tinh Google Maps cũng được phóng ở độ cao này. Do đó, nếu chúng ta đang nói về LEO (Quỹ đạo tham chiếu thấp, một thuật ngữ phổ biến trong du hành vũ trụ), thì trong 99% trường hợp, nó nằm ở tầng nhiệt điện.
Các chuyến bay vào quỹ đạo của con người và động vật không chỉ xảy ra trong tầng nhiệt điện. Thực tế là ở phần trên của nó, ở độ cao 500 km, các vành đai bức xạ của Trái đất mở rộng. Tại đó, các hạt gió mặt trời tích điện được từ quyển bắt giữ và tích lũy. Việc ở trong vành đai bức xạ kéo dài gây ra tác hại không thể khắc phục được đối với các sinh vật sống và thậm chí cả thiết bị điện tử - do đó, tất cả các phương tiện có quỹ đạo cao đều được bảo vệ khỏi bức xạ.
Cực quang
Ở các vĩ độ vùng cực, một cảnh tượng ngoạn mục và hùng vĩ thường xuất hiện - cực quang. Chúng trông giống như những vòng cung dài phát sáng với nhiều màu sắc và hình dạng khác nhau lung linh trên bầu trời. Trái đất có hình dáng như vậy là nhờ từ quyển của nó - hay chính xác hơn là do các lỗ trên nó gần các cực. Các hạt tích điện từ gió mặt trời bùng phát, khiến bầu khí quyển phát sáng. Bạn có thể chiêm ngưỡng những ánh sáng ngoạn mục nhất và tìm hiểu thêm về nguồn gốc của chúng tại đây.
Ngày nay, cực quang là điều phổ biến đối với cư dân của các quốc gia vòng quanh như Canada hoặc Na Uy, đồng thời là một món đồ bắt buộc trong chương trình của bất kỳ khách du lịch nào - nhưng trước đây chúng được coi là đặc tính siêu nhiên. Người thời cổ đại coi những ánh sáng đầy màu sắc là cánh cổng dẫn lên thiên đường, những sinh vật thần thoại và ngọn lửa của các linh hồn, và hành vi của chúng được coi là những lời tiên tri. Và có thể hiểu được tổ tiên của chúng ta - ngay cả trình độ học vấn và niềm tin vào tâm trí của chính họ đôi khi cũng không thể chứa đựng được sự tôn kính của họ đối với các sức mạnh của thiên nhiên.
Tầng ngoài
Lớp cuối cùng của bầu khí quyển Trái đất, ranh giới phía dưới đi qua ở độ cao 700 km, là tầng ngoài (từ tiếng Hy Lạp khác là "exo" - bên ngoài, bên ngoài). Nó rất phân tán và bao gồm chủ yếu là các nguyên tử của nguyên tố nhẹ nhất - hydro; Ngoài ra còn có các nguyên tử oxy và nitơ riêng lẻ bị ion hóa mạnh bởi bức xạ xuyên thấu của Mặt trời.
Kích thước của tầng ngoài vũ trụ của Trái đất là vô cùng lớn - nó phát triển thành vành nhật hoa của Trái đất, geocorona, trải dài tới 100 nghìn km tính từ hành tinh. Nó rất hiếm - nồng độ của các hạt nhỏ hơn hàng triệu lần so với mật độ của không khí thông thường. Nhưng nếu Mặt trăng che khuất Trái đất đối với một tàu vũ trụ ở xa, thì vương miện của hành tinh chúng ta sẽ được nhìn thấy, giống như chúng ta có thể nhìn thấy vương miện của Mặt trời khi nhật thực. Tuy nhiên, hiện tượng này vẫn chưa được quan sát thấy.
Cũng chính ở tầng ngoài, quá trình phong hóa của bầu khí quyển Trái đất xảy ra - do khoảng cách lớn so với trung tâm hấp dẫn của hành tinh, các hạt dễ dàng tách ra khỏi tổng khối lượng khí và đi vào quỹ đạo của chính chúng. Hiện tượng này được gọi là sự tiêu tán khí quyển. Hành tinh của chúng ta mất đi 3 kg hydro và 50 gram heli từ khí quyển mỗi giây. Chỉ những hạt này mới đủ nhẹ để thoát khỏi khối khí nói chung.
Những tính toán đơn giản cho thấy Trái đất hàng năm mất khoảng 110 nghìn tấn khối lượng khí quyển. Nó có nguy hiểm không? Trên thực tế là không - khả năng “sản xuất” hydro và heli của hành tinh chúng ta vượt quá tốc độ thất thoát. Ngoài ra, một số vật chất bị mất sẽ quay trở lại bầu khí quyển theo thời gian. Và các loại khí quan trọng như oxy và carbon dioxide đơn giản là quá nặng để có thể rời khỏi Trái đất với số lượng lớn - vì vậy không cần phải lo lắng về việc bầu khí quyển Trái đất của chúng ta thoát ra ngoài.
Một sự thật thú vị là các “nhà tiên tri” về ngày tận thế thường nói rằng nếu lõi Trái đất ngừng quay, bầu khí quyển sẽ nhanh chóng bị xói mòn dưới áp lực của gió mặt trời. Tuy nhiên, độc giả của chúng ta biết rằng bầu khí quyển gần Trái đất được giữ lại với nhau bởi lực hấp dẫn, lực hấp dẫn này sẽ tác động bất chấp chuyển động quay của lõi. Một bằng chứng rõ ràng cho điều này là Sao Kim, có lõi tĩnh và từ trường yếu, nhưng bầu khí quyển của nó đặc hơn và nặng hơn Trái đất 93 lần. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là việc dừng hoạt động của lõi trái đất là an toàn - khi đó từ trường của hành tinh sẽ biến mất. Vai trò của nó không quan trọng lắm trong việc ngăn chặn bầu khí quyển mà là bảo vệ khỏi các hạt tích điện từ gió mặt trời, thứ có thể dễ dàng biến hành tinh của chúng ta thành một sa mạc phóng xạ.
Bầu khí quyển của trái đất trong thiên văn học
Màu sắc bầu khí quyển của các hành tinh khác tiết lộ cho chúng ta những bí mật về thành phần của nó. Bầu khí quyển của Sao Hỏa có màu đỏ giống như bề mặt của nó. Điều này là do khí chủ yếu trên sao Hỏa là carbon dioxide. Điều tương tự cũng xảy ra với các ngoại hành tinh. Bằng cách phân tích quang phổ màu sắc của chúng, chúng ta có thể tìm hiểu về thành phần của khí quyển mà không cần biết hành tinh này trông như thế nào.
Và thành phần của bầu khí quyển, như chúng ta biết, có thể cho chúng ta biết nhiều điều về hành tinh này. Nếu có nhiều carbon dioxide, điều đó có nghĩa là các núi lửa đang hoành hành trên hành tinh và các quá trình địa chất đang diễn ra. Hơi nước trong khí quyển không đảm bảo có đại dương trên bề mặt nhưng nó là nguồn cung cấp oxy. Và lượng oxy dư thừa hiện có là sự đảm bảo gần như một trăm phần trăm cho sự hiện diện của sự sống. Rốt cuộc, bạn và tôi đều biết rằng oxy từ các nguồn không sống sẽ ngay lập tức được sử dụng cho các phản ứng hóa học và cần có nguồn sinh học để tích lũy nó.
Ngoài ra, tất cả các chất khí và chất lỏng đều lưu thông theo các định luật hóa học tương tự. Mặc dù nước là một chất có những đặc tính độc đáo nhưng nó không phải là thành phần không thể thiếu của khí quyển. Trên Titan, một vệ tinh của Sao Thổ, có lớp vỏ khí có cấu trúc tương tự như trái đất. Tất cả các loại mây giống nhau đều hình thành trong đó, chất lỏng lưu thông trong khí quyển theo cách giống nhau - nhưng nhiệt độ của nó thấp hơn một trăm độ và khí mê-tan xuất hiện thay vì nước!
Bầu khí quyển cũng để lại dấu vết rõ rệt trên bề mặt Trái đất. Dấu hiệu xói mòn do gió vẫn tồn tại ngay cả sau khi một vật thể không gian mất đi bầu khí quyển. Bằng cách so sánh cảnh quan của người ngoài hành tinh và Trái đất, có thể xác định chính xác lịch sử của chúng - ví dụ, nghiên cứu lý thuyết được thực hiện từ hình ảnh vệ tinh về sự phù điêu của Sao Hỏa đã được xác nhận trong quá trình hoạt động của tàu thám hiểm sao Hỏa.
Bầu khí quyển là thứ tạo nên sự sống trên Trái đất. Chúng ta nhận được những thông tin và sự thật đầu tiên về bầu không khí ở trường tiểu học. Ở trường phổ thông, chúng ta ngày càng quen với khái niệm này trong các bài học địa lý.
Khái niệm về khí quyển trái đất
Không chỉ Trái đất mà các thiên thể khác cũng có bầu khí quyển. Đây là tên được đặt cho lớp vỏ khí bao quanh các hành tinh. Thành phần của lớp khí này khác nhau đáng kể giữa các hành tinh khác nhau. Chúng ta hãy xem xét các thông tin cơ bản và sự thật về không khí.
Thành phần quan trọng nhất của nó là oxy. Một số người lầm tưởng rằng bầu khí quyển của trái đất bao gồm toàn là oxy nhưng thực chất không khí là hỗn hợp của các loại khí. Nó chứa 78% nitơ và 21% oxy. Một phần trăm còn lại bao gồm ozone, argon, carbon dioxide và hơi nước. Mặc dù tỷ lệ phần trăm của các loại khí này nhỏ nhưng chúng thực hiện một chức năng quan trọng - chúng hấp thụ một phần đáng kể năng lượng bức xạ mặt trời, do đó ngăn chặn ánh sáng biến mọi sự sống trên hành tinh của chúng ta thành tro bụi. Các tính chất của khí quyển thay đổi tùy theo độ cao. Ví dụ, ở độ cao 65 km, nitơ là 86% và oxy là 19%.
Thành phần của bầu khí quyển Trái đất
- Khí cacbonic cần thiết cho dinh dưỡng thực vật. Nó xuất hiện trong khí quyển là kết quả của quá trình hô hấp của sinh vật sống, phân hủy và đốt cháy. Sự vắng mặt của nó trong khí quyển sẽ khiến cho bất kỳ loài thực vật nào không thể tồn tại được.
- Ôxy- một thành phần quan trọng của bầu khí quyển đối với con người. Sự hiện diện của nó là điều kiện cho sự tồn tại của mọi sinh vật sống. Nó chiếm khoảng 20% tổng thể tích khí quyển.
- ôzôn là chất hấp thụ tự nhiên bức xạ cực tím của mặt trời, có tác động bất lợi đến các sinh vật sống. Hầu hết nó tạo thành một lớp khí quyển riêng biệt - màn chắn ozone. Gần đây, hoạt động của con người đã khiến nó dần dần bắt đầu sụp đổ, nhưng vì nó có tầm quan trọng lớn nên công việc tích cực đang được tiến hành để bảo tồn và khôi phục nó.
- hơi nước quyết định độ ẩm không khí. Nội dung của nó có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: nhiệt độ không khí, vị trí lãnh thổ, mùa. Ở nhiệt độ thấp có rất ít hơi nước trong không khí, có thể ít hơn 1% và ở nhiệt độ cao, lượng hơi nước lên tới 4%.
- Ngoài tất cả những điều trên, thành phần của bầu khí quyển trái đất luôn chứa một tỷ lệ nhất định tạp chất rắn và lỏng. Đó là bồ hóng, tro, muối biển, bụi, giọt nước, vi sinh vật. Chúng có thể bay vào không khí một cách tự nhiên và nhân tạo.
Các lớp khí quyển
Nhiệt độ, mật độ và thành phần chất lượng của không khí không giống nhau ở các độ cao khác nhau. Bởi vì điều này, người ta thường phân biệt các tầng khác nhau của khí quyển. Mỗi người trong số họ đều có những đặc điểm riêng. Chúng ta hãy tìm hiểu những lớp khí quyển được phân biệt:
- Tầng đối lưu - lớp khí quyển này gần bề mặt Trái đất nhất. Độ cao của nó là 8-10 km so với cực và 16-18 km ở vùng nhiệt đới. 90% hơi nước trong khí quyển tập trung ở đây, do đó sự hình thành đám mây tích cực xảy ra. Cũng trong lớp này, các quá trình như chuyển động của không khí (gió), nhiễu loạn và đối lưu cũng được quan sát thấy. Nhiệt độ dao động từ +45 độ vào giữa trưa trong mùa ấm áp ở vùng nhiệt đới đến -65 độ ở hai cực.
- Tầng bình lưu là lớp xa thứ hai của khí quyển. Nằm ở độ cao từ 11 đến 50 km. Ở tầng dưới của tầng bình lưu, nhiệt độ xấp xỉ -55, di chuyển ra khỏi Trái đất, nhiệt độ tăng lên +1˚С. Vùng này được gọi là sự đảo ngược và là ranh giới của tầng bình lưu và tầng trung lưu.
- Tầng trung lưu nằm ở độ cao từ 50 đến 90 km. Nhiệt độ ở ranh giới dưới của nó là khoảng 0, ở ranh giới trên đạt -80...-90 ˚С. Các thiên thạch đi vào bầu khí quyển Trái đất sẽ bốc cháy hoàn toàn ở tầng trung lưu, đó là lý do tại sao không khí phát sáng ở đây.
- Tầng nhiệt quyển dày khoảng 700 km. Đèn phía bắc xuất hiện trong lớp khí quyển này. Chúng xuất hiện do ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ và bức xạ phát ra từ Mặt Trời.
- Tầng ngoài là vùng phân tán không khí. Ở đây nồng độ các chất khí nhỏ và chúng dần dần thoát ra ngoài không gian liên hành tinh.
Ranh giới giữa bầu khí quyển của trái đất và không gian bên ngoài được coi là 100 km. Đường này được gọi là đường Karman.
Áp suất khí quyển
Khi nghe dự báo thời tiết, chúng ta thường nghe thấy chỉ số áp suất khí quyển. Nhưng áp suất khí quyển có ý nghĩa gì và nó có thể ảnh hưởng đến chúng ta như thế nào?
Chúng tôi đã tìm ra rằng không khí bao gồm các loại khí và tạp chất. Mỗi thành phần này có trọng lượng riêng, có nghĩa là bầu khí quyển không phải là không có trọng lượng như người ta vẫn tin cho đến thế kỷ 17. Áp suất khí quyển là lực mà tất cả các lớp khí quyển ép lên bề mặt Trái đất và lên mọi vật thể.
Các nhà khoa học đã thực hiện các phép tính phức tạp và chứng minh rằng bầu khí quyển ép với lực 10.333 kg trên một mét vuông diện tích. Điều này có nghĩa là cơ thể con người phải chịu áp suất không khí, trọng lượng của nó là 12-15 tấn. Tại sao chúng ta không cảm thấy điều này? Chính áp lực bên trong đã cứu chúng ta, cân bằng áp lực bên ngoài. Bạn có thể cảm nhận được áp suất của khí quyển khi ở trên máy bay hoặc trên núi cao, vì áp suất khí quyển ở độ cao thấp hơn nhiều. Trong trường hợp này, có thể có cảm giác khó chịu về thể chất, tắc tai và chóng mặt.
Có thể nói rất nhiều điều về bầu không khí xung quanh. Chúng tôi biết nhiều sự thật thú vị về cô ấy và một số trong số đó có vẻ đáng ngạc nhiên:
- Trọng lượng của bầu khí quyển trái đất là 5.300.000.000.000.000 tấn.
- Nó thúc đẩy việc truyền âm thanh. Ở độ cao hơn 100 km, đặc tính này biến mất do sự thay đổi thành phần của khí quyển.
- Sự chuyển động của khí quyển được kích thích bởi sự nóng lên không đều của bề mặt Trái đất.
- Nhiệt kế được sử dụng để xác định nhiệt độ không khí và phong vũ biểu được sử dụng để xác định áp suất của khí quyển.
- Sự hiện diện của bầu khí quyển cứu hành tinh của chúng ta khỏi 100 tấn thiên thạch mỗi ngày.
- Thành phần của không khí đã được cố định trong vài trăm triệu năm, nhưng bắt đầu thay đổi khi bắt đầu hoạt động công nghiệp nhanh chóng.
- Người ta tin rằng bầu khí quyển có thể kéo dài lên tới độ cao 3000 km.
Tầm quan trọng của khí quyển đối với con người
Vùng sinh lý của khí quyển là 5 km. Ở độ cao 5000 m so với mực nước biển, một người bắt đầu cảm thấy thiếu oxy, biểu hiện ở việc giảm hiệu suất và suy giảm sức khỏe. Điều này cho thấy con người không thể tồn tại trong một không gian không có hỗn hợp khí tuyệt vời này.
Tất cả thông tin và sự thật về bầu khí quyển chỉ khẳng định tầm quan trọng của nó đối với con người. Nhờ sự hiện diện của nó, sự sống trên Trái đất đã có thể phát triển. Ngày nay, sau khi đánh giá quy mô tác hại mà nhân loại có thể gây ra thông qua các hành động của mình đối với bầu không khí mang lại sự sống, chúng ta nên nghĩ đến các biện pháp tiếp theo để bảo tồn và phục hồi bầu khí quyển.