Sadržaj kiseonika u površinskom sloju atmosfere je. Geografska tema - atmosfera

Sastav Zemlje. Zrak

Vazduh je mehanička mešavina raznih gasova koji čine Zemljinu atmosferu. Vazduh je neophodan za disanje živih organizama i široko se koristi u industriji.

Činjenica da je zrak mješavina, a ne homogena supstanca, dokazana je tokom eksperimenata škotskog naučnika Josepha Blacka. Tokom jedne od njih, naučnik je otkrio da kada se bijeli magnezijum (magnezijum karbonat) zagreje, oslobađa se „vezani vazduh“, odnosno ugljen-dioksid i nastaje izgoreni magnezijum (magnezijum oksid). Prilikom sagorijevanja krečnjaka, naprotiv, uklanja se "vezani zrak". Na osnovu ovih eksperimenata, naučnik je zaključio da je razlika između ugljen-dioksida i kaustičnih alkalija u tome što prvi sadrži ugljen-dioksid, koji je jedan od sastojaka vazduha. Danas znamo da pored ugljičnog dioksida, sastav zemaljskog zraka uključuje:

Odnos gasova u zemljinoj atmosferi naveden u tabeli je tipičan za njene niže slojeve, do visine od 120 km. U ovim područjima leži dobro izmiješana, homogena regija koja se zove homosfera. Iznad homosfere leži heterosfera, koju karakteriše razlaganje molekula gasa na atome i ione. Regije su odvojene jedna od druge turbo pauzom.

Hemijska reakcija u kojoj se molekule razlažu na atome pod utjecajem sunčevog i kosmičkog zračenja naziva se fotodisocijacija. Raspadom molekularnog kiseonika nastaje atomski kiseonik, koji je glavni gas u atmosferi na visinama iznad 200 km. Na visinama iznad 1200 km počinju da prevladavaju vodonik i helijum, koji su najlakši od gasova.

Budući da je najveći dio zraka koncentrisan u 3 niža atmosferska sloja, promjene u sastavu zraka na visinama iznad 100 km nemaju primjetan uticaj na ukupni sastav atmosfere.

Azot je najčešći gas, koji čini više od tri četvrtine zapremine vazduha na Zemlji. Moderni dušik je nastao oksidacijom rane atmosfere amonijak-vodik molekularnim kisikom, koji nastaje tokom fotosinteze. Trenutno male količine dušika ulaze u atmosferu kao rezultat denitrifikacije – procesa redukcije nitrata u nitrite, nakon čega slijedi stvaranje plinovitih oksida i molekularnog dušika, koji proizvode anaerobni prokarioti. Dio dušika ulazi u atmosferu tokom vulkanskih erupcija.

U gornjim slojevima atmosfere, kada je izložen električnim pražnjenjima uz učešće ozona, molekularni dušik se oksidira u dušikov monoksid:

N 2 + O 2 → 2NO

U normalnim uslovima, monoksid odmah reaguje sa kiseonikom i formira azot-oksid:

2NO + O 2 → 2N 2 O

Azot je najvažniji hemijski element u Zemljinoj atmosferi. Azot je dio proteina i osigurava mineralnu ishranu biljaka. Određuje brzinu biohemijskih reakcija i igra ulogu razblaživača kiseonika.

Drugi najčešći gas u Zemljinoj atmosferi je kiseonik. Formiranje ovog plina povezano je s fotosintetskom aktivnošću biljaka i bakterija. I što su fotosintetski organizmi postajali raznovrsniji i brojniji, to je proces sadržaja kiseonika u atmosferi postajao značajniji. Mala količina teškog kiseonika se oslobađa tokom degazacije plašta.

U gornjim slojevima troposfere i stratosfere, pod uticajem ultraljubičastog sunčevog zračenja (označavamo ga kao hν), nastaje ozon:

O 2 + hν → 2O

Kao rezultat istog ultraljubičastog zračenja, ozon se razgrađuje:

O 3 + hν → O 2 + O

O 3 + O → 2O 2

Kao rezultat prve reakcije nastaje atomski kisik, a kao rezultat druge nastaje molekularni kisik. Sve 4 reakcije nazivaju se „Čepmanov mehanizam“, nazvan po britanskom naučniku Sidniju Čepmanu koji ih je otkrio 1930. godine.

Kiseonik se koristi za disanje živih organizama. Uz njegovu pomoć dolazi do procesa oksidacije i sagorijevanja.

Ozon služi za zaštitu živih organizama od ultraljubičastog zračenja, koje uzrokuje ireverzibilne mutacije. Najveća koncentracija ozona uočena je u donjoj stratosferi unutar tzv. ozonski omotač ili ozonski ekran, koji leži na nadmorskoj visini od 22-25 km. Sadržaj ozona je mali: pri normalnom pritisku sav ozon u Zemljinoj atmosferi zauzimao bi sloj debljine samo 2,91 mm.

Formiranje trećeg najčešćeg gasa u atmosferi, argona, kao i neona, helijuma, kriptona i ksenona, povezuje se sa vulkanskim erupcijama i raspadom radioaktivnih elemenata.

Konkretno, helijum je proizvod radioaktivnog raspada uranijuma, torija i radijuma: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (u ovim reakcijama α-čestica je jezgro helijuma, koje u toku procesa gubitka energije hvata elektrone i postaje 4 He).

Argon nastaje tokom raspada radioaktivnog izotopa kalijuma: 40 K → 40 Ar + γ.

Neon bježi iz magmatskih stijena.

Kripton nastaje kao krajnji proizvod raspada uranijuma (235 U i 238 U) i torija Th.

Glavnina atmosferskog kriptona nastala je u ranim fazama evolucije Zemlje kao rezultat raspada transuranskih elemenata sa fenomenalno kratkim poluraspadom ili je došla iz svemira, gdje je sadržaj kriptona deset miliona puta veći nego na Zemlji.

Ksenon je rezultat fisije uranijuma, ali najveći dio ovog plina ostaje iz ranih faza formiranja Zemlje, iz primordijalne atmosfere.

Ugljični dioksid ulazi u atmosferu kao rezultat vulkanskih erupcija i prilikom raspadanja organske tvari. Njegov sadržaj u atmosferi srednjih geografskih širina Zemlje uvelike varira u zavisnosti od godišnjih doba: zimi se količina CO 2 povećava, a ljeti smanjuje. Ova fluktuacija je povezana s aktivnošću biljaka koje koriste ugljični dioksid u procesu fotosinteze.

Vodik nastaje kao rezultat razgradnje vode sunčevim zračenjem. Ali, budući da je najlakši od plinova koji čine atmosferu, on neprestano isparava u svemir, pa je stoga njegov sadržaj u atmosferi vrlo mali.

Vodena para je rezultat isparavanja vode sa površine jezera, rijeka, mora i kopna.

Koncentracija glavnih gasova u nižim slojevima atmosfere, sa izuzetkom vodene pare i ugljen-dioksida, je konstantna. Atmosfera u malim količinama sadrži sumpor oksid SO 2, amonijak NH 3, ugljen monoksid CO, ozon O 3, hlorovodonik HCl, fluorovodonik HF, azot monoksid NO, ugljovodonike, pare žive Hg, jod I 2 i mnoge druge. U donjem atmosferskom sloju, troposferi, uvijek se nalazi velika količina suspendiranih čvrstih i tekućih čestica.

Izvori čestica u Zemljinoj atmosferi uključuju vulkanske erupcije, polen, mikroorganizme i, u novije vrijeme, ljudske aktivnosti, kao što je sagorijevanje fosilnih goriva tokom proizvodnje. Najsitnije čestice prašine, koje su jezgra kondenzacije, uzrokuju stvaranje magle i oblaka. Bez čestica koje su stalno prisutne u atmosferi, padavine ne bi padale na Zemlju.

Na nivou mora 1013,25 hPa (oko 760 mmHg). Prosječna globalna temperatura zraka na površini Zemlje je 15°C, sa temperaturom koja varira od približno 57°C u suptropskim pustinjama do -89°C na Antarktiku. Gustoća zraka i tlak opadaju s visinom prema zakonu bliskom eksponencijalnom.

Struktura atmosfere. Vertikalno, atmosfera ima slojevitu strukturu, determiniranu uglavnom karakteristikama vertikalne raspodjele temperature (slika), koja ovisi o geografskom položaju, godišnjem dobu, dobu dana i tako dalje. Donji sloj atmosfere - troposfera - karakterizira pad temperature s visinom (za oko 6°C po 1 km), njegova visina od 8-10 km u polarnim geografskim širinama do 16-18 km u tropima. Zbog brzog smanjenja gustine vazduha sa visinom, oko 80% ukupne mase atmosfere nalazi se u troposferi. Iznad troposfere je stratosfera, sloj koji se općenito karakterizira povećanjem temperature s visinom. Prijelazni sloj između troposfere i stratosfere naziva se tropopauza. U nižoj stratosferi, do nivoa od oko 20 km, temperatura se malo mijenja s visinom (tzv. izotermna oblast), a često čak i lagano opada. Iznad toga, temperatura raste zbog apsorpcije UV zračenja sa Sunca ozonom, u početku polako, a brže sa nivoa od 34-36 km. Gornja granica stratosfere - stratopauza - nalazi se na nadmorskoj visini od 50-55 km, što odgovara maksimalnoj temperaturi (260-270 K). Sloj atmosfere koji se nalazi na nadmorskoj visini od 55-85 km, gde temperatura ponovo opada sa visinom, naziva se mezosfera; na njenoj gornjoj granici - mezopauzi - temperatura dostiže 150-160 K ljeti, a 200-230 K. K zimi. Iznad mezopauze počinje termosfera – sloj koji karakteriše nagli porast temperature, dostižući 800-1200 K na visini od 250 km. U termosferi se apsorbuje korpuskularno i rendgensko zračenje Sunca, meteori se usporavaju i sagorevaju, pa djeluje kao zaštitni sloj Zemlje. Još viša je egzosfera, odakle se atmosferski plinovi raspršuju u svemir zbog disipacije i gdje dolazi do postepenog prijelaza iz atmosfere u međuplanetarni prostor.

Sastav atmosfere. Do visine od oko 100 km atmosfera je gotovo homogena po hemijskom sastavu, a prosječna molekularna težina zraka (oko 29) je konstantna. U blizini Zemljine površine, atmosfera se sastoji od azota (oko 78,1% zapremine) i kiseonika (oko 20,9%), a sadrži i male količine argona, ugljen-dioksida (ugljen-dioksida), neona i drugih stalnih i promenljivih komponenti (vidi vazduh ).

Osim toga, atmosfera sadrži male količine ozona, dušikovih oksida, amonijaka, radona itd. Relativni sadržaj glavnih komponenti zraka je konstantan tokom vremena i ujednačen u različitim geografskim područjima. Sadržaj vodene pare i ozona je promjenjiv u prostoru i vremenu; Uprkos niskom sadržaju, njihova uloga u atmosferskim procesima je veoma značajna.

Iznad 100-110 km dolazi do disocijacije molekula kisika, ugljičnog dioksida i vodene pare, pa se molekulska masa zraka smanjuje. Na visini od oko 1000 km počinju da prevladavaju laki gasovi - helijum i vodonik, a još više Zemljina atmosfera se postepeno pretvara u međuplanetarni gas.

Najvažnija varijabilna komponenta atmosfere je vodena para, koja u atmosferu ulazi isparavanjem sa površine vode i vlažnog tla, kao i transpiracijom biljaka. Relativni sadržaj vodene pare varira na površini zemlje od 2,6% u tropima do 0,2% u polarnim geografskim širinama. Brzo pada s visinom, smanjujući se za polovicu već na visini od 1,5-2 km. Vertikalni stup atmosfere na umjerenim geografskim širinama sadrži oko 1,7 cm „sloja istaložene vode“. Kada se vodena para kondenzira, nastaju oblaci iz kojih padaju atmosferske padavine u obliku kiše, grada i snijega.

Važna komponenta atmosferskog vazduha je ozon, koncentrisan 90% u stratosferi (između 10 i 50 km), oko 10% je u troposferi. Ozon obezbeđuje apsorpciju tvrdog UV zračenja (talasne dužine manje od 290 nm), a to je njegova zaštitna uloga za biosferu. Vrijednosti ukupnog sadržaja ozona variraju ovisno o geografskoj širini i godišnjem dobu u rasponu od 0,22 do 0,45 cm (debljina ozonskog omotača pri pritisku p = 1 atm i temperaturi T = 0°C). U ozonskim rupama koje se na Antarktiku posmatraju u proleće od ranih 1980-ih, sadržaj ozona može pasti na 0,07 cm. Povećava se od ekvatora do polova i ima godišnji ciklus sa maksimumom u proleće i minimumom u jesen i amplitudom od godišnji ciklus je mali u tropima i raste prema visokim geografskim širinama. Značajna varijabilna komponenta atmosfere je ugljični dioksid, čiji se sadržaj u atmosferi povećao za 35% u posljednjih 200 godina, što se uglavnom objašnjava antropogenim faktorom. Uočava se njegova geografska i sezonska varijabilnost, povezana s fotosintezom biljaka i topivosti u morskoj vodi (prema Henryjevom zakonu, topljivost plina u vodi opada s povećanjem temperature).

Važnu ulogu u oblikovanju klime planete igra atmosferski aerosol - čvrste i tečne čestice suspendirane u zraku veličine od nekoliko nm do desetina mikrona. Postoje aerosoli prirodnog i antropogenog porijekla. Aerosol nastaje u procesu reakcija u gasnoj fazi iz proizvoda biljnog života i ljudske ekonomske aktivnosti, vulkanskih erupcija, kao rezultat prašine koja se diže vjetrom sa površine planete, posebno iz njenih pustinjskih krajeva, a također je i nastala od kosmičke prašine koja pada u gornje slojeve atmosfere. Većina aerosola koncentrirana je u troposferi; aerosol iz vulkanskih erupcija formira takozvani Jungeov sloj na visini od oko 20 km. Najveća količina antropogenog aerosola dospeva u atmosferu kao rezultat rada vozila i termoelektrana, hemijske proizvodnje, sagorevanja goriva itd. Stoga se u nekim područjima sastav atmosfere primetno razlikuje od običnog vazduha, što je zahtevalo stvaranje posebne službe za praćenje i praćenje nivoa zagađenosti atmosferskog vazduha.

Evolucija atmosfere. Moderna atmosfera je očigledno sekundarnog porijekla: nastala je od plinova koje je ispustila čvrsta ljuska Zemlje nakon što je formiranje planete završeno prije oko 4,5 milijardi godina. Atmosfera je tokom geološke istorije Zemlje pretrpela značajne promene u svom sastavu pod uticajem niza faktora: disipacije (isparenja) gasova, uglavnom lakših, u svemir; oslobađanje plinova iz litosfere kao rezultat vulkanske aktivnosti; hemijske reakcije između komponenti atmosfere i stijena koje čine zemljinu koru; fotohemijske reakcije u samoj atmosferi pod uticajem sunčevog UV zračenja; akrecija (hvatanje) materije iz međuplanetarnog medija (na primjer, meteorska materija). Razvoj atmosfere usko je povezan sa geološkim i geohemijskim procesima, a tokom poslednjih 3-4 milijarde godina i sa aktivnošću biosfere. Značajan dio plinova koji čine modernu atmosferu (dušik, ugljični dioksid, vodena para) nastao je tokom vulkanske aktivnosti i upada, koji ih je nosio iz dubina Zemlje. Kiseonik se pojavio u značajnim količinama prije oko 2 milijarde godina kao rezultat fotosintetskih organizama koji su prvobitno nastali u površinskim vodama oceana.

Na osnovu podataka o hemijskom sastavu karbonatnih naslaga dobijene su procjene količine ugljičnog dioksida i kisika u atmosferi geološke prošlosti. Tokom fanerozoika (poslednjih 570 miliona godina Zemljine istorije), količina ugljičnog dioksida u atmosferi varirala je u velikoj mjeri u zavisnosti od nivoa vulkanske aktivnosti, temperature okeana i brzine fotosinteze. Veći dio ovog vremena koncentracija ugljičnog dioksida u atmosferi bila je znatno viša nego danas (do 10 puta). Količina kiseonika u atmosferi fanerozoika značajno se promenila, sa preovladavajućim trendom njenog povećanja. U pretkambrijskoj atmosferi masa ugljičnog dioksida je po pravilu bila veća, a masa kisika manja u odnosu na atmosferu fanerozoika. Fluktuacije u količini ugljičnog dioksida imale su značajan utjecaj na klimu u prošlosti, povećavajući efekat staklene bašte s povećanjem koncentracije ugljičnog dioksida, čineći klimu znatno toplijom kroz glavni dio fanerozoika u odnosu na modernu eru.

Atmosfera i život. Bez atmosfere, Zemlja bi bila mrtva planeta. Organski život se odvija u bliskoj interakciji sa atmosferom i povezanom klimom i vremenom. Beznačajna po masi u poređenju sa planetom kao celinom (otprilike milionski deo), atmosfera je neophodan uslov za sve oblike života. Najvažniji od atmosferskih plinova za život organizama su kisik, dušik, vodena para, ugljični dioksid i ozon. Kada fotosintetske biljke apsorbiraju ugljični dioksid, stvara se organska tvar koju koristi kao izvor energije velika većina živih bića, uključujući i ljude. Kiseonik je neophodan za postojanje aerobnih organizama, kojima se protok energije obezbeđuje reakcijama oksidacije organske materije. Azot, koji asimiliraju neki mikroorganizmi (fiksatori dušika), neophodan je za mineralnu ishranu biljaka. Ozon, koji apsorbuje tvrdo UV zračenje Sunca, značajno slabi ovaj dio sunčevog zračenja štetnog za život. Kondenzacija vodene pare u atmosferi, formiranje oblaka i naknadne padavine dovode vodu do kopna, bez kojih nije moguć nijedan oblik života. Vitalna aktivnost organizama u hidrosferi je u velikoj mjeri određena količinom i hemijskim sastavom atmosferskih plinova otopljenih u vodi. Budući da hemijski sastav atmosfere značajno zavisi od aktivnosti organizama, biosfera i atmosfera se mogu smatrati delom jedinstvenog sistema čije je održavanje i evolucija (vidi Biogeohemijski ciklusi) od velike važnosti za promenu sastava atmosferu kroz istoriju Zemlje kao planete.

Radijacijski, toplotni i vodni bilansi atmosfere. Sunčevo zračenje je praktično jedini izvor energije za sve fizičke procese u atmosferi. Glavna karakteristika radijacijskog režima atmosfere je takozvani efekat staklene bašte: atmosfera prilično dobro prenosi sunčevo zračenje na površinu zemlje, ali aktivno apsorbira toplotno dugovalno zračenje sa zemljine površine, čiji se dio vraća na površinu. u obliku kontra-zračenja, kompenzujući radijativne gubitke toplote sa zemljine površine (vidi Atmosfersko zračenje). U nedostatku atmosfere, prosječna temperatura zemljine površine bila bi -18°C, au stvarnosti je 15°C. Dolazeće sunčevo zračenje se djelomično (oko 20%) apsorbira u atmosferu (uglavnom vodenom parom, kapljicama vode, ugljičnim dioksidom, ozonom i aerosolima), a također se raspršuje (oko 7%) česticama aerosola i fluktuacijama gustoće (Rayleighovo raspršivanje) . Ukupno zračenje koje dopire do Zemljine površine se djelimično (oko 23%) odbija od nje. Koeficijent refleksije određen je refleksivnošću donje površine, takozvanim albedom. U prosjeku, Zemljin albedo za integralni tok sunčevog zračenja je blizu 30%. Ona varira od nekoliko procenata (suvo tlo i crnica) do 70-90% za svježe pao snijeg. Radijacijska izmjena topline između zemljine površine i atmosfere značajno ovisi o albedu i određena je efektivnim zračenjem zemljine površine i protuzračenjem atmosfere koje apsorbira. Algebarski zbir tokova zračenja koji ulaze u Zemljinu atmosferu iz svemira i napuštaju je nazad naziva se radijacioni balans.

Transformacije sunčevog zračenja nakon njegovog apsorpcije atmosferom i zemljinom površinom određuju toplotni bilans Zemlje kao planete. Glavni izvor toplote za atmosferu je Zemljina površina; toplota se iz njega prenosi ne samo u obliku dugovalnog zračenja, već i konvekcijom, a oslobađa se i prilikom kondenzacije vodene pare. Učešće ovih priliva toplote je u proseku 20%, 7% i 23%, respektivno. Ovdje se također dodaje oko 20% topline zbog apsorpcije direktnog sunčevog zračenja. Tok sunčevog zračenja u jedinici vremena kroz jedno područje okomito na sunčeve zrake i smješteno izvan atmosfere na prosječnoj udaljenosti od Zemlje do Sunca (tzv. solarna konstanta) jednak je 1367 W/m2, promjene su 1-2 W/m2 u zavisnosti od ciklusa sunčeve aktivnosti. Sa planetarnim albedom od oko 30%, vremenski prosjek globalnog priliva sunčeve energije na planetu iznosi 239 W/m2. Pošto Zemlja kao planeta emituje u svemir u proseku istu količinu energije, onda je, prema Stefan-Boltzmannom zakonu, efektivna temperatura izlaznog toplotnog dugotalasnog zračenja 255 K (-18°C). Istovremeno, prosječna temperatura zemljine površine je 15°C. Razlika od 33°C je zbog efekta staklene bašte.

Vodeni bilans atmosfere općenito odgovara jednakosti količine vlage koja je isparila sa površine Zemlje i količine padavina koje padaju na površinu Zemlje. Atmosfera iznad okeana prima više vlage iz procesa isparavanja nego nad kopnom i gubi 90% u obliku padavina. Višak vodene pare preko okeana prenosi se na kontinente vazdušnim strujama. Količina vodene pare koja se prenosi u atmosferu iz okeana na kontinente jednaka je zapremini rijeka koje teku u okeane.

Kretanje zraka. Zemlja je sferna, pa mnogo manje sunčevog zračenja dopire do njenih visokih geografskih širina nego u tropskim krajevima. Kao rezultat, nastaju veliki temperaturni kontrasti između geografskih širina. Na raspodjelu temperature značajno utiču i relativni položaji okeana i kontinenata. Zbog velike mase okeanskih voda i velikog toplotnog kapaciteta vode, sezonske fluktuacije temperature površine oceana su mnogo manje nego na kopnu. S tim u vezi, u srednjim i visokim geografskim širinama, temperatura zraka iznad okeana ljeti je znatno niža nego nad kontinentima, a viša zimi.

Neravnomjerno zagrijavanje atmosfere u različitim dijelovima zemaljske kugle uzrokuje prostorno nehomogenu raspodjelu atmosferskog tlaka. Na razini mora, raspodjelu tlaka karakteriziraju relativno niske vrijednosti u blizini ekvatora, povećava se u suptropima (pojasevi visokog pritiska) i opada u srednjim i visokim geografskim širinama. Istovremeno, nad kontinentima vantropskih širina tlak je obično povećan zimi, a opada ljeti, što je povezano s raspodjelom temperature. Pod uticajem gradijenta pritiska, vazduh doživljava ubrzanje usmereno iz oblasti visokog pritiska u oblasti niskog pritiska, što dovodi do kretanja vazdušnih masa. Na pokretne zračne mase također utiču sila skretanja Zemljine rotacije (Coriolisova sila), sila trenja koja se smanjuje s visinom i, za zakrivljene putanje, centrifugalna sila. Turbulentno miješanje zraka je od velike važnosti (vidi Turbulencija u atmosferi).

Složen sistem vazdušnih strujanja (opšta atmosferska cirkulacija) povezan je sa planetarnom raspodelom pritiska. U meridijalnoj ravni se u prosjeku mogu pratiti dvije ili tri meridionalne cirkulacijske ćelije. U blizini ekvatora, zagrijani zrak se diže i spušta u suptropima, formirajući Hadleyjevu ćeliju. Vazduh obrnute Ferrell ćelije takođe se spušta tamo. Na visokim geografskim širinama često je vidljiva ravna polarna ćelija. Meridionalne brzine cirkulacije su reda veličine 1 m/s ili manje. Zbog Coriolisove sile, zapadni vjetrovi se primjećuju u većem dijelu atmosfere sa brzinama u srednjoj troposferi od oko 15 m/s. Postoje relativno stabilni sistemi vetra. Tu spadaju pasati - vjetrovi koji duvaju iz zona visokog pritiska u suptropima do ekvatora sa uočljivom istočnom komponentom (od istoka prema zapadu). Monsuni su prilično stabilni - zračne struje koje imaju jasno izražen sezonski karakter: ljeti duvaju od okeana prema kopnu, a zimi u suprotnom smjeru. Monsuni Indijskog okeana su posebno redovni. U srednjim geografskim širinama kretanje zračnih masa je uglavnom zapadno (od zapada prema istoku). Ovo je zona atmosferskih frontova na kojima nastaju veliki vrtlozi - cikloni i anticikloni, koji pokrivaju stotine, pa čak i hiljade kilometara. Cikloni se također javljaju u tropima; ovdje se odlikuju manjim veličinama, ali vrlo velikim brzinama vjetra, dostižući snagu uragana (33 m/s ili više), takozvani tropski cikloni. U Atlantskom i istočnom Pacifiku nazivaju se uragani, a u zapadnom Tihom okeanu tajfuni. U gornjoj troposferi i donjoj stratosferi, u područjima koja razdvajaju direktnu Hadley meridionalnu cirkulacionu ćeliju i reverznu Ferrell ćeliju, često se uočavaju relativno uski, stotinama kilometara široki, mlazne struje sa oštro definisanim granicama, unutar kojih vetar dostiže 100-150 stepeni. pa čak 200 m/ sa.

Klima i vrijeme. Razlika u količini sunčeve radijacije koja dolazi na različitim geografskim širinama na zemljinu površinu, koja je raznolika u svojim fizičkim svojstvima, određuje raznolikost klime na Zemlji. Od ekvatora do tropskih geografskih širina, temperatura zraka na zemljinoj površini je u prosjeku 25-30°C i malo varira tokom cijele godine. U ekvatorijalnom pojasu obično ima dosta padavina, što stvara uslove viška vlage. U tropskim zonama padavine se smanjuju, au nekim područjima postaju vrlo niske. Ovdje su ogromne pustinje Zemlje.

U suptropskim i srednjim geografskim širinama temperatura zraka značajno varira tokom cijele godine, a razlika između ljetnih i zimskih temperatura posebno je velika u područjima kontinenata udaljenih od okeana. Tako u nekim područjima istočnog Sibira godišnji raspon temperature zraka dostiže 65°C. Uslovi ovlaživanja na ovim geografskim širinama su veoma raznoliki, zavise uglavnom od režima opšte atmosferske cirkulacije i značajno variraju iz godine u godinu.

U polarnim geografskim širinama, temperatura ostaje niska tokom cijele godine, čak i ako postoje primjetne sezonske varijacije. Ovo doprinosi širokoj rasprostranjenosti ledenog pokrivača na okeanima i kopnu i permafrostu, koji zauzimaju preko 65% njene površine u Rusiji, uglavnom u Sibiru.

Tokom proteklih decenija, promjene u globalnoj klimi postale su sve primjetnije. Temperature rastu više na visokim nego na niskim geografskim širinama; više zimi nego ljeti; više noću nego danju. Tokom 20. veka prosečna godišnja temperatura vazduha na zemljinoj površini u Rusiji porasla je za 1,5-2°C, a u nekim oblastima Sibira primećeno je povećanje od nekoliko stepeni. Ovo je povezano s povećanjem efekta staklene bašte zbog povećanja koncentracije plinova u tragovima.

Vrijeme je određeno uvjetima atmosferske cirkulacije i geografskim položajem područja, najstabilnije je u tropima i najpromjenljivije u srednjim i visokim geografskim širinama. Vrijeme se najviše mijenja u zonama promjene zračnih masa uzrokovanih prolaskom atmosferskih frontova, ciklona i anticiklona koji nose padavine i pojačan vjetar. Podaci za vremensku prognozu prikupljaju se na zemaljskim meteorološkim stanicama, brodovima i avionima, te sa meteoroloških satelita. Vidi također Meteorologija.

Optički, akustički i električni fenomeni u atmosferi. Kada se elektromagnetno zračenje širi u atmosferi, kao rezultat prelamanja, apsorpcije i raspršivanja svjetlosti zrakom i raznim česticama (aerosol, kristali leda, kapi vode), nastaju različite optičke pojave: duge, krune, oreole, fatamorgane itd. rasipanje svetlosti određuje prividnu visinu nebeskog svoda i plavu boju neba. Opseg vidljivosti objekata određen je uslovima širenja svjetlosti u atmosferi (vidi Vidljivost atmosfere). Transparentnost atmosfere na različitim talasnim dužinama određuje komunikacijski domet i sposobnost detekcije objekata instrumentima, uključujući mogućnost astronomskih posmatranja sa površine Zemlje. Za proučavanje optičkih nehomogenosti stratosfere i mezosfere, fenomen sumraka igra važnu ulogu. Na primjer, fotografiranje sumraka iz svemirskih letjelica omogućava otkrivanje slojeva aerosola. Osobine širenja elektromagnetnog zračenja u atmosferi određuju točnost metoda za daljinsko ispitivanje njegovih parametara. Sva ova pitanja, kao i mnoga druga, proučava atmosferska optika. Refrakcija i rasipanje radio talasa određuju mogućnosti radio prijema (pogledajte Širenje radio talasa).

Širenje zvuka u atmosferi zavisi od prostorne distribucije temperature i brzine vjetra (vidi Atmosferska akustika). Od interesa je za atmosfersko ispitivanje daljinskim metodama. Eksplozije naelektrisanja lansiranih raketama u gornju atmosferu pružile su bogate informacije o sistemima vetra i temperaturnim varijacijama u stratosferi i mezosferi. U stabilno stratifikovanoj atmosferi, kada temperatura opada sa visinom sporije od adijabatskog gradijenta (9,8 K/km), nastaju takozvani unutrašnji talasi. Ovi talasi se mogu širiti prema gore u stratosferu, pa čak i u mezosferu, gdje se smanjuju, doprinoseći pojačanim vjetrovima i turbulencijama.

Negativni naboj Zemlje i rezultirajuće električno polje, atmosfera, zajedno sa električno nabijenom jonosferom i magnetosferom, stvaraju globalno električno kolo. Važnu ulogu u tome ima formiranje oblaka i elektriciteta grmljavine. Opasnost od pražnjenja groma zahtijevala je razvoj metoda gromobranske zaštite zgrada, objekata, dalekovoda i komunikacija. Ova pojava predstavlja posebnu opasnost za avijaciju. Pražnjenja groma uzrokuju atmosferske radio smetnje, koje se nazivaju atmosfere (pogledajte Atmosfere zvižduka). Prilikom naglog povećanja jačine električnog polja uočavaju se svjetleća pražnjenja koja se pojavljuju na vrhovima i oštrim uglovima objekata koji strše iznad površine zemlje, na pojedinačnim vrhovima u planinama itd. (Elma svjetla). Atmosfera uvijek sadrži vrlo različitu količinu lakih i teških jona, ovisno o specifičnim uvjetima, koji određuju električnu provodljivost atmosfere. Glavni jonizatori zraka u blizini zemljine površine su zračenje radioaktivnih tvari sadržanih u zemljinoj kori i atmosferi, kao i kosmičke zrake. Vidi također Atmosferski elektricitet.

Ljudski uticaj na atmosferu. Tokom proteklih stoljeća došlo je do povećanja koncentracije stakleničkih plinova u atmosferi zbog ljudskih ekonomskih aktivnosti. Procenat ugljičnog dioksida porastao je sa 2,8-10 2 prije dvije stotine godina na 3,8-10 2 2005. godine, sadržaj metana - sa 0,7-10 1 prije otprilike 300-400 godina na 1,8-10 -4 početkom 21. vijek; oko 20% povećanja efekta staklene bašte u prošlom veku došlo je od freona, kojih u atmosferi praktično nije bilo do sredine 20. veka. Ove supstance su prepoznate kao oštećivači stratosferskog ozona, a njihova proizvodnja je zabranjena Montrealskim protokolom iz 1987. godine. Povećanje koncentracije ugljičnog dioksida u atmosferi uzrokovano je sagorijevanjem sve većih količina uglja, nafte, plina i drugih vrsta ugljičnih goriva, kao i krčenjem šuma, uslijed čega dolazi do apsorpcije ugljični dioksid se fotosintezom smanjuje. Koncentracija metana raste sa povećanjem proizvodnje nafte i gasa (zbog njegovih gubitaka), kao i sa širenjem usjeva riže i povećanjem broja stoke. Sve to doprinosi zagrijavanju klime.

Za promjenu vremena razvijene su metode za aktivno djelovanje na atmosferske procese. Koriste se za zaštitu poljoprivrednih biljaka od grada raspršivanjem specijalnih reagensa u grmljavinskim oblacima. Postoje i metode za raspršivanje magle na aerodromima, zaštitu biljaka od mraza, uticaj na oblake da povećaju padavine u željenim područjima ili za raspršivanje oblaka tokom javnih događaja.

Proučavanje atmosfere. Informacije o fizičkim procesima u atmosferi dobivaju se prvenstveno iz meteoroloških osmatranja, koje provodi globalna mreža stalno operativnih meteoroloških stanica i postova smještenih na svim kontinentima i na mnogim otocima. Dnevna osmatranja daju informacije o temperaturi i vlažnosti zraka, atmosferskom pritisku i padavinama, oblačnosti, vjetru itd. Na aktinometrijskim stanicama vrše se opažanja sunčevog zračenja i njegovih transformacija. Od velikog značaja za proučavanje atmosfere su mreže aeroloških stanica, na kojima se vrše meteorološka mjerenja do visine od 30-35 km uz pomoć radiosonda. Na brojnim stanicama vrše se posmatranja atmosferskog ozona, električnih pojava u atmosferi i hemijskog sastava vazduha.

Podaci sa zemaljskih stanica dopunjeni su opservacijama na okeanima, gdje rade “brodovi za vremenske prilike”, koji se stalno nalaze u određenim područjima Svjetskog okeana, kao i meteorološkim informacijama dobijenim od istraživačkih i drugih brodova.

Poslednjih decenija sve se više informacija o atmosferi dobija pomoću meteoroloških satelita, koji nose instrumente za fotografisanje oblaka i merenje tokova ultraljubičastog, infracrvenog i mikrotalasnog zračenja Sunca. Sateliti omogućavaju dobijanje informacija o vertikalnim profilima temperature, oblačnosti i njenom vodosnabdijevanju, elementima radijacijske ravnoteže atmosfere, temperaturi površine okeana itd. Koristeći mjerenje refrakcije radio signala sa sistema navigacijskih satelita, on moguće je odrediti vertikalne profile gustine, pritiska i temperature, kao i sadržaja vlage u atmosferi. Uz pomoć satelita postalo je moguće razjasniti vrijednost solarne konstante i planetarnog albeda Zemlje, izgraditi karte radijacijske ravnoteže sistema Zemlja-atmosfera, izmjeriti sadržaj i varijabilnost malih atmosferskih zagađivača i riješiti mnogi drugi problemi atmosferske fizike i monitoringa životne sredine.

Lit.: Budyko M.I. Klima u prošlosti i budućnosti. L., 1980; Matveev L. T. Kurs opće meteorologije. Atmosferska fizika. 2nd ed. L., 1984; Budyko M.I., Ronov A.B., Yanshin A.L. Istorija atmosfere. L., 1985; Khrgian A. Kh Atmospheric Physics. M., 1986; Atmosfera: Imenik. L., 1991; Khromov S.P., Petrosyants M.A. Meteorologija i klimatologija. 5th ed. M., 2001.

G. S. Golitsyn, N. A. Zaitseva.

Zemljina atmosfera je plinoviti omotač naše planete. Inače, skoro sva nebeska tijela imaju slične školjke, od planeta Sunčevog sistema do velikih asteroida. zavisi od mnogih faktora - veličine njegove brzine, mase i mnogih drugih parametara. Ali samo ljuska naše planete sadrži komponente koje nam omogućavaju da živimo.

Zemljina atmosfera: kratka istorija njenog nastanka

Vjeruje se da na početku svog postojanja naša planeta uopće nije imala plinsku školjku. Ali mlado, novoformirano nebesko tijelo neprestano se razvijalo. Zemljina primarna atmosfera nastala je kao rezultat stalnih vulkanskih erupcija. Tako se tokom mnogo hiljada godina oko Zemlje formirala školjka od vodene pare, azota, ugljenika i drugih elemenata (osim kiseonika).

Budući da je količina vlage u atmosferi ograničena, njen višak se pretvorio u padavine - tako su nastala mora, okeani i druga vodena tijela. Prvi organizmi koji su naselili planetu pojavili su se i razvili u vodenom okruženju. Većina njih pripadala je biljnim organizmima koji proizvode kisik fotosintezom. Tako je Zemljina atmosfera počela da se puni ovim vitalnim gasom. A kao rezultat nakupljanja kisika, formiran je ozonski omotač koji je štitio planetu od štetnog djelovanja ultraljubičastog zračenja. Upravo su ti faktori stvorili sve uslove za naše postojanje.

Struktura Zemljine atmosfere

Kao što znate, plinska školjka naše planete sastoji se od nekoliko slojeva - troposfere, stratosfere, mezosfere, termosfere. Nemoguće je povući jasne granice između ovih slojeva - sve zavisi od doba godine i geografske širine planete.

Troposfera je donji dio plinske ljuske, čija je visina u prosjeku od 10 do 15 kilometara. Tu je koncentrisana većina vlage, inače se sva vlaga nalazi i nastaju oblaci. Zbog sadržaja kiseonika, troposfera podržava životnu aktivnost svih organizama. Osim toga, ključan je u oblikovanju vremenskih i klimatskih karakteristika područja - ovdje se ne stvaraju samo oblaci, već i vjetrovi. Temperatura opada sa visinom.

Stratosfera - počinje od troposfere i završava se na nadmorskoj visini od 50 do 55 kilometara. Ovdje temperatura raste sa visinom. Ovaj dio atmosfere praktično ne sadrži vodenu paru, ali ima ozonski omotač. Ponekad se ovdje može primijetiti stvaranje "bisernih" oblaka, koji se mogu vidjeti samo noću - vjeruje se da su predstavljeni visoko kondenziranim kapljicama vode.

Mezosfera se proteže do 80 kilometara. U ovom sloju možete primijetiti oštar pad temperature kako se krećete prema gore. Turbulencija je ovdje također jako razvijena. Inače, u mezosferi se formiraju takozvani "noćni oblaci", koji se sastoje od malih kristala leda - mogu se vidjeti samo noću. Zanimljivo je da zraka na gornjoj granici mezosfere praktički nema - to je 200 puta manje nego blizu površine zemlje.

Termosfera je gornji sloj Zemljine plinske ljuske, u kojem je uobičajeno razlikovati jonosferu i egzosferu. Zanimljivo je da temperatura ovdje vrlo naglo raste sa visinom - na visini od 800 kilometara od zemljine površine iznosi više od 1000 stepeni Celzijusa. Jonosferu karakterizira visoko razrijeđen zrak i ogroman sadržaj aktivnih jona. Što se tiče egzosfere, ovaj dio atmosfere glatko prelazi u međuplanetarni prostor. Vrijedi napomenuti da termosfera ne sadrži zrak.

Može se primijetiti da je Zemljina atmosfera veoma važan dio naše planete, koji ostaje odlučujući faktor u nastanku života. Osigurava životnu aktivnost, održava postojanje hidrosfere (vodene ljuske planete) i štiti od ultraljubičastog zračenja.

10,045×10 3 J/(kg*K) (u temperaturnom opsegu od 0-100°C), C v 8,3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). Rastvorljivost vazduha u vodi na 0°C je 0,036%, na 25°C - 0,22%.

Sastav atmosfere

Istorija nastanka atmosfere

Rana istorija

Trenutno, nauka ne može sa stopostotnom tačnošću pratiti sve faze formiranja Zemlje. Prema najčešćoj teoriji, Zemljina atmosfera je tokom vremena imala četiri različita sastava. U početku se sastojao od lakih gasova (vodonik i helijum) uhvaćenih iz međuplanetarnog prostora. Ovo je tzv primarna atmosfera. U sljedećoj fazi, aktivna vulkanska aktivnost dovela je do zasićenja atmosfere drugim plinovima osim vodonika (ugljovodonici, amonijak, vodena para). Ovako je nastala sekundarna atmosfera. Ova atmosfera je bila obnavljajuća. Nadalje, proces formiranja atmosfere određen je sljedećim faktorima:

• stalno curenje vodonika u međuplanetarni prostor;
• hemijske reakcije koje se dešavaju u atmosferi pod uticajem ultraljubičastog zračenja, pražnjenja groma i nekih drugih faktora.

Postepeno su ovi faktori doveli do formiranja tercijarne atmosfere, koju karakterizira mnogo manji sadržaj vodika i mnogo veći sadržaj dušika i ugljičnog dioksida (nastalih kao rezultat kemijskih reakcija iz amonijaka i ugljikovodika).

Pojava života i kiseonika

Pojavom živih organizama na Zemlji kao rezultat fotosinteze, praćene oslobađanjem kisika i apsorpcijom ugljičnog dioksida, sastav atmosfere se počeo mijenjati. Međutim, postoje podaci (analiza izotopskog sastava atmosferskog kiseonika i onog koji se oslobađa tokom fotosinteze) koji ukazuju na geološko poreklo atmosferskog kiseonika.

U početku se kiseonik trošio na oksidaciju redukovanih jedinjenja - ugljovodonika, željeznog oblika gvožđa sadržanog u okeanima, itd. Na kraju ove faze, sadržaj kiseonika u atmosferi počeo je da raste.

Devedesetih godina prošlog vijeka vršeni su eksperimenti za stvaranje zatvorenog ekološkog sistema („Biosfera 2“), tokom kojih nije bilo moguće stvoriti stabilan sistem sa ujednačenim sastavom zraka. Utjecaj mikroorganizama doveo je do smanjenja razine kisika i povećanja količine ugljičnog dioksida.

Nitrogen

Formiranje velike količine N 2 nastaje zbog oksidacije primarne atmosfere amonijaka i vodika molekularnim O 2, koji je počeo dolaziti s površine planete kao rezultat fotosinteze, navodno prije oko 3 milijarde godina (prema prema drugoj verziji, atmosferski kiseonik je geološkog porekla). Dušik se oksidira u NO u gornjim slojevima atmosfere, koristi se u industriji i vezuje ga bakterijama koje fiksiraju dušik, dok se N2 oslobađa u atmosferu kao rezultat denitrifikacije nitrata i drugih spojeva koji sadrže dušik.

Azot N 2 je inertan gas i reaguje samo pod određenim uslovima (na primer, tokom pražnjenja groma). Cijanobakterije i neke bakterije (na primjer, kvržice koje formiraju rizobijalnu simbiozu s mahunarkama) mogu je oksidirati i pretvoriti u biološki oblik.

Oksidacija molekularnog dušika električnim pražnjenjima koristi se u industrijskoj proizvodnji dušičnih gnojiva, a dovela je i do stvaranja jedinstvenih naslaga nitrata u čileanskoj pustinji Atacama.

Plemeniti gasovi

Sagorevanje goriva je glavni izvor zagađujućih gasova (CO, NO, SO2). Sumpor dioksid se oksidira zrakom O 2 u SO 3 u gornjim slojevima atmosfere, koji stupa u interakciju s parama H 2 O i NH 3, a nastali H 2 SO 4 i (NH 4) 2 SO 4 vraćaju se na površinu Zemlje. zajedno sa padavinama. Upotreba motora sa unutrašnjim sagorevanjem dovodi do značajnog zagađenja atmosfere azotnim oksidima, ugljovodonicima i jedinjenjima Pb.

Zagađenje atmosfere aerosolom uzrokovano je kako prirodnim uzrocima (erupcije vulkana, prašne oluje, prenošenje kapljica morske vode i čestica polena biljaka itd.), tako i ljudskim ekonomskim aktivnostima (vađenje ruda i građevinskog materijala, sagorijevanje goriva, proizvodnja cementa itd. .) . Intenzivno ispuštanje čestica velikih razmjera u atmosferu jedan je od mogućih uzroka klimatskih promjena na planeti.

Struktura atmosfere i karakteristike pojedinih školjki

Fizičko stanje atmosfere određeno je vremenom i klimom. Osnovni parametri atmosfere: gustina vazduha, pritisak, temperatura i sastav. Kako se visina povećava, gustina vazduha i atmosferski pritisak se smanjuju. Temperatura se također mijenja s promjenom nadmorske visine. Vertikalna struktura atmosfere karakterizirana je različitim temperaturnim i električnim svojstvima, te različitim uvjetima zraka. U zavisnosti od temperature u atmosferi razlikuju se sljedeći glavni slojevi: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera, egzosfera (sfera raspršivanja). Prijelazni dijelovi atmosfere između susjednih školjki nazivaju se tropopauza, stratopauza, itd., respektivno.

Troposfera

Stratosfera

U stratosferi se zadržava najveći dio kratkotalasnog dijela ultraljubičastog zračenja (180-200 nm) i transformira se energija kratkih valova. Pod uticajem ovih zraka, magnetna polja se menjaju, molekuli se raspadaju, dolazi do jonizacije i nastaje novo formiranje gasova i drugih hemijskih jedinjenja. Ovi procesi se mogu posmatrati u obliku sjevernog svjetla, munja i drugih sjaja.

U stratosferi i višim slojevima, pod uticajem sunčevog zračenja, molekuli gasa disociraju na atome (iznad 80 km CO 2 i H 2 disociraju, iznad 150 km - O 2, iznad 300 km - H 2). Na visini od 100-400 km dolazi do jonizacije gasova i u jonosferi, a na visini od 320 km koncentracija naelektrisanih čestica (O + 2, O − 2, N + 2) iznosi ~ 1/300 koncentracija neutralnih čestica. U gornjim slojevima atmosfere nalaze se slobodni radikali - OH, HO 2 itd.

U stratosferi gotovo da nema vodene pare.

Mezosfera

Do visine od 100 km atmosfera je homogena, dobro izmiješana mješavina plinova. U višim slojevima distribucija plinova po visini ovisi o njihovoj molekularnoj težini; koncentracija težih plinova opada brže s udaljenosti od Zemljine površine. Zbog smanjenja gustine gasa, temperatura pada sa 0°C u stratosferi na -110°C u mezosferi. Međutim, kinetička energija pojedinih čestica na visinama od 200-250 km odgovara temperaturi od ~1500°C. Iznad 200 km, primjećuju se značajne fluktuacije temperature i gustine gasa u vremenu i prostoru.

Na visini od oko 2000-3000 km, egzosfera se postupno pretvara u takozvani vakuum blizu svemira, koji je ispunjen vrlo razrijeđenim česticama međuplanetarnog plina, uglavnom atomima vodika. Ali ovaj plin predstavlja samo dio međuplanetarne materije. Drugi dio čine čestice prašine kometnog i meteorskog porijekla. Pored ovih izuzetno rijetkih čestica, u ovaj prostor prodire elektromagnetno i korpuskularno zračenje solarnog i galaktičkog porijekla.

Troposfera čini oko 80% mase atmosfere, stratosfera - oko 20%; masa mezosfere nije veća od 0,3%, termosfera je manja od 0,05% ukupne mase atmosfere. Na osnovu električnih svojstava u atmosferi razlikuju se neutronosfera i jonosfera. Trenutno se vjeruje da se atmosfera prostire na nadmorskoj visini od 2000-3000 km.

U zavisnosti od sastava gasa u atmosferi, oni emituju homosfera I heterosfera. Heterosfera- Ovo je oblast u kojoj gravitacija utiče na odvajanje gasova, jer je njihovo mešanje na takvoj visini zanemarljivo. To implicira promjenjiv sastav heterosfere. Ispod njega leži dobro izmiješan, homogen dio atmosfere koji se naziva homosfera. Granica između ovih slojeva naziva se turbopauza, nalazi se na nadmorskoj visini od oko 120 km.

Atmosferska svojstva

Već na nadmorskoj visini od 5 km, neobučena osoba počinje iskusiti gladovanje kisikom i bez adaptacije, performanse osobe su značajno smanjene. Ovdje se završava fiziološka zona atmosfere. Ljudsko disanje postaje nemoguće na visini od 15 km, iako do otprilike 115 km atmosfera sadrži kisik.

Atmosfera nas opskrbljuje kisikom neophodnim za disanje. Međutim, zbog pada ukupnog pritiska atmosfere, kako se dižete na visinu, parcijalni pritisak kiseonika se shodno tome smanjuje.

Ljudska pluća stalno sadrže oko 3 litre alveolarnog zraka. Parcijalni pritisak kiseonika u alveolarnom vazduhu pri normalnom atmosferskom pritisku je 110 mmHg. Art., pritisak ugljičnog dioksida - 40 mm Hg. čl. i vodena para −47 mm Hg. Art. S povećanjem nadmorske visine, tlak kisika opada, a ukupni tlak pare vode i ugljičnog dioksida u plućima ostaje gotovo konstantan - oko 87 mm Hg. Art. Opskrba plućima kisikom će se potpuno zaustaviti kada pritisak okolnog zraka postane jednak ovoj vrijednosti.

Na visini od oko 19-20 km, atmosferski pritisak pada na 47 mm Hg. Art. Stoga, na ovoj nadmorskoj visini, voda i intersticijska tečnost počinju da ključaju u ljudskom tijelu. Izvan kabine pod pritiskom na ovim visinama, smrt se događa gotovo trenutno. Dakle, sa stanovišta ljudske fiziologije, "svemir" počinje već na visini od 15-19 km.

Gusti slojevi zraka - troposfera i stratosfera - štite nas od štetnog djelovanja radijacije. Uz dovoljno razrjeđivanje zraka, na visinama većim od 36 km, jonizujuće zračenje - primarni kosmički zraci - imaju intenzivan učinak na organizam; Na visinama većim od 40 km, ultraljubičasti dio sunčevog spektra je opasan za ljude.

Struktura Zemljine atmosfere

Atmosfera je plinoviti omotač Zemlje sa aerosolnim česticama koje sadrži, krećući se zajedno sa Zemljom u svemiru kao jedinstvena cjelina i istovremeno sudjelujući u rotaciji Zemlje. Većina našeg života odvija se na dnu atmosfere.

Gotovo sve planete našeg Sunčevog sistema imaju svoju atmosferu, ali samo je Zemljina atmosfera sposobna da podrži život.

Kada je naša planeta nastala prije 4,5 milijardi godina, očigledno je bila lišena atmosfere. Atmosfera je nastala kao rezultat vulkanskih emisija vodene pare pomiješane s ugljičnim dioksidom, dušikom i drugim hemikalijama iz unutrašnjosti mlade planete. Ali atmosfera može sadržavati ograničenu količinu vlage, pa je njen višak kao rezultat kondenzacije doveo do okeana. Ali tada je atmosfera bila bez kiseonika. Prvi živi organizmi koji su nastali i razvili se u okeanu, kao rezultat reakcije fotosinteze (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2), počeli su oslobađati male porcije kisika, koji su počeli ulaziti u atmosferu.

Formiranje kiseonika u Zemljinoj atmosferi dovelo je do formiranja ozonskog omotača na visinama od približno 8 – 30 km. I tako je naša planeta stekla zaštitu od štetnih efekata ultraljubičastog proučavanja. Ova okolnost je poslužila kao podsticaj za dalju evoluciju životnih oblika na Zemlji, jer Kao rezultat povećane fotosinteze, količina kisika u atmosferi počela je brzo rasti, što je doprinijelo formiranju i održavanju oblika života, uključujući i kopno.

Danas se naša atmosfera sastoji od 78,1% dušika, 21% kisika, 0,9% argona i 0,04% ugljičnog dioksida. Veoma male frakcije u poređenju sa glavnim gasovima su neon, helijum, metan i kripton.

Na čestice gasa sadržane u atmosferi utiče sila gravitacije Zemlje. A, s obzirom da je zrak kompresibilan, njegova gustina postepeno opada s visinom, prelazeći u svemir bez jasne granice. Polovina ukupne mase Zemljine atmosfere koncentrisana je u donjih 5 km, tri četvrtine u donjih 10 km, devet desetina u donjih 20 km. 99% mase Zemljine atmosfere koncentrisano je ispod visine od 30 km, što je samo 0,5% ekvatorijalnog radijusa naše planete.

Na nivou mora, broj atoma i molekula po kubnom centimetru zraka je oko 2 * 10 19, na visini od 600 km samo 2 * 10 7. Na nivou mora, atom ili molekul putuju otprilike 7 * 10 -6 cm prije nego što se sudare s drugom česticom. Na nadmorskoj visini od 600 km ova udaljenost je oko 10 km. A na nivou mora, oko 7 * 10 9 takvih sudara se dešava svake sekunde, na visini od 600 km - samo oko jedan u minuti!

Ali ne samo da se pritisak mijenja s visinom. Temperatura se takođe menja. Na primjer, u podnožju visoke planine može biti prilično vruće, dok je vrh planine prekriven snijegom, a temperatura je istovremeno ispod nule. A ako uđete avionom na visinu od oko 10-11 km, možete čuti poruku da je napolju -50 stepeni, dok je na površini zemlje 60-70 stepeni toplije...

U početku su naučnici pretpostavili da temperatura opada sa visinom sve dok ne dostigne apsolutnu nulu (-273,16°C). Ali to nije istina.

Zemljina atmosfera se sastoji od četiri sloja: troposfere, stratosfere, mezosfere, jonosfere (termosfere). Ova podjela na slojeve također je usvojena na osnovu podataka o promjenama temperature sa visinom. Najniži sloj, gde temperatura vazduha opada sa visinom, naziva se troposfera. Sloj iznad troposfere, gdje prestaje pad temperature, zamjenjuje se izotermom, a na kraju temperatura počinje rasti, naziva se stratosfera. Sloj iznad stratosfere u kojem temperatura ponovo brzo opada je mezosfera. I konačno, sloj u kojem temperatura ponovo počinje da raste naziva se jonosfera ili termosfera.

Troposfera se prostire u prosjeku na donjih 12 km. Ovdje se formira naše vrijeme. Najviši oblaci (cirus) formiraju se u najvišim slojevima troposfere. Temperatura u troposferi adijabatski opada sa visinom, tj. Promjena temperature nastaje zbog smanjenja tlaka s visinom. Temperaturni profil troposfere je u velikoj mjeri određen sunčevim zračenjem koje dopire do površine Zemlje. Kao rezultat zagrijavanja Zemljine površine od strane Sunca, formiraju se konvektivni i turbulentni tokovi, usmjereni prema gore, koji formiraju vrijeme. Vrijedi napomenuti da se utjecaj donje površine na niže slojeve troposfere proteže do visine od približno 1,5 km. Naravno, isključujući planinska područja.

Gornja granica troposfere je tropopauza - izotermni sloj. Razmislite o karakterističnom izgledu grmljavinskih oblaka, čiji je vrh "prasak" cirusnih oblaka koji se nazivaju "nakovanj". Ovaj „nakovanj“ se samo „širi“ ispod tropopauze, jer zbog izoterme, uzlazne vazdušne struje su znatno oslabljene, a oblak prestaje da se razvija okomito. Ali u posebnim, rijetkim slučajevima, vrhovi kumulonimbusa mogu napasti niže slojeve stratosfere, razbijajući tropopauzu.

Visina tropopauze zavisi od geografske širine. Dakle, na ekvatoru se nalazi na nadmorskoj visini od približno 16 km, a temperatura mu je oko –80°C. Na polovima se tropopauza nalazi niže, na približno 8 km nadmorske visine. Ljeti je temperatura ovdje –40°C, a zimi –60°C. Dakle, uprkos višim temperaturama na površini Zemlje, tropska tropopauza je mnogo hladnija nego na polovima.