محتوای اکسیژن در لایه سطحی جو است. موضوع جغرافیا - اتمسفر

ترکیب زمین. هوا

هوا مخلوطی مکانیکی از گازهای مختلف است که جو زمین را تشکیل می دهند. هوا برای تنفس موجودات زنده ضروری است و به طور گسترده در صنعت استفاده می شود.

این واقعیت که هوا یک مخلوط است و نه یک ماده همگن، در طی آزمایشات دانشمند اسکاتلندی جوزف بلک ثابت شد. در یکی از آنها، دانشمند کشف کرد که وقتی منیزیم سفید (کربنات منیزیم) گرم می شود، "هوای محدود" آزاد می شود، یعنی دی اکسید کربن و منیزیم سوخته (اکسید منیزیم) تشکیل می شود. برعکس، هنگام سوزاندن سنگ آهک، "هوای محدود" حذف می شود. بر اساس این آزمایشات، دانشمند به این نتیجه رسید که تفاوت بین دی اکسید کربن و قلیاهای سوزاننده این است که اولی حاوی دی اکسید کربن است که یکی از اجزای تشکیل دهنده هوا است. امروزه می دانیم که علاوه بر دی اکسید کربن، ترکیب هوای زمین شامل موارد زیر است:

نسبت گازهای موجود در اتمسفر زمین که در جدول نشان داده شده است برای لایه های زیرین آن تا ارتفاع 120 کیلومتری معمول است. در این نواحی یک منطقه کاملاً مخلوط و همگن به نام هموسفر قرار دارد. در بالای هموسفر، هتروسفر قرار دارد که با تجزیه مولکول های گاز به اتم ها و یون ها مشخص می شود. نواحی با یک مکث توربو از یکدیگر جدا می شوند.

واکنش شیمیایی که در آن مولکول ها تحت تأثیر تابش خورشید و کیهان به اتم تجزیه می شوند، تفکیک نوری نامیده می شود. فروپاشی اکسیژن مولکولی باعث تولید اکسیژن اتمی می شود که گاز اصلی جو در ارتفاعات بالای 200 کیلومتر است. در ارتفاعات بالای 1200 کیلومتر، هیدروژن و هلیوم که سبک ترین گازها هستند، شروع به غالب شدن می کنند.

از آنجایی که بخش عمده هوا در 3 لایه اتمسفر پایین تر متمرکز شده است، تغییرات ترکیب هوا در ارتفاعات بالای 100 کیلومتر تأثیر قابل توجهی بر ترکیب کلی جو ندارد.

نیتروژن رایج ترین گاز است که بیش از سه چهارم حجم هوای زمین را تشکیل می دهد. نیتروژن مدرن از اکسیداسیون اتمسفر آمونیاک-هیدروژن اولیه توسط اکسیژن مولکولی، که در طی فتوسنتز تشکیل می شود، تشکیل شد. در حال حاضر، مقادیر کمی از نیتروژن در نتیجه نیترات زدایی - فرآیند کاهش نیترات ها به نیتریت ها و به دنبال آن تشکیل اکسیدهای گازی و نیتروژن مولکولی که توسط پروکاریوت های بی هوازی تولید می شود، وارد جو می شود. مقداری نیتروژن در جریان فوران های آتشفشانی وارد جو می شود.

در لایه های بالایی جو، وقتی در معرض تخلیه الکتریکی با مشارکت ازن قرار می گیرد، نیتروژن مولکولی به مونوکسید نیتروژن اکسید می شود:

N 2 + O 2 → 2NO

در شرایط عادی، مونوکسید بلافاصله با اکسیژن واکنش می دهد و اکسید نیتروژن تشکیل می دهد:

2NO + O 2 → 2N 2 O

نیتروژن مهمترین عنصر شیمیایی جو زمین است. نیتروژن بخشی از پروتئین است و مواد معدنی را برای گیاهان فراهم می کند. سرعت واکنش های بیوشیمیایی را تعیین می کند و نقش یک رقیق کننده اکسیژن را بازی می کند.

دومین گاز رایج در جو زمین، اکسیژن است. تشکیل این گاز با فعالیت فتوسنتزی گیاهان و باکتری ها همراه است. و هر چه موجودات فتوسنتزی متنوع تر و متعددتر می شدند، روند محتوای اکسیژن در اتمسفر قابل توجه تر می شد. مقدار کمی از اکسیژن سنگین در هنگام گاززدایی گوشته آزاد می شود.

در لایه های بالایی تروپوسفر و استراتوسفر، تحت تأثیر تابش خورشیدی فرابنفش (ما آن را به عنوان hν نشان می دهیم)، ازن تشکیل می شود:

O 2 + hν → 2O

در نتیجه همان تابش فرابنفش، ازن تجزیه می شود:

O 3 + hν → O 2 + O

О 3 + O → 2О 2

در نتیجه واکنش اول، اکسیژن اتمی و در نتیجه واکنش دوم، اکسیژن مولکولی تشکیل می شود. هر 4 واکنش "مکانیسم چپمن" نامیده می شوند که به نام دانشمند بریتانیایی سیدنی چپمن که آنها را در سال 1930 کشف کرد، نامگذاری شده است.

از اکسیژن برای تنفس موجودات زنده استفاده می شود. با کمک آن، فرآیندهای اکسیداسیون و احتراق رخ می دهد.

ازن برای محافظت از موجودات زنده در برابر اشعه ماوراء بنفش، که باعث جهش های برگشت ناپذیر می شود، عمل می کند. بالاترین غلظت ازن در استراتوسفر پایین تر در به اصطلاح مشاهده می شود. لایه ازن یا صفحه ازن که در ارتفاعات 22-25 کیلومتری قرار دارد. محتوای ازن اندک است: در فشار معمولی، تمام ازن موجود در جو زمین لایه ای به ضخامت 2.91 میلی متر را اشغال می کند.

تشکیل سومین گاز رایج در جو، آرگون، و همچنین نئون، هلیوم، کریپتون و زنون، با فوران های آتشفشانی و فروپاشی عناصر رادیواکتیو همراه است.

به طور خاص، هلیم محصول فروپاشی رادیواکتیو اورانیوم، توریم و رادیوم است: 238 U → 234 Th + α، 230 Th → 226 Ra + 4 He، 226 Ra → 222 Rn + α (در این واکنش ها ذره α هسته هلیوم است که در طی فرآیند از دست دادن انرژی، الکترون ها را می گیرد و به 4 He می شود.

آرگون در طی تجزیه ایزوتوپ رادیواکتیو پتاسیم تشکیل می شود: 40 K → 40 Ar + γ.

نئون از سنگ های آذرین فرار می کند.

کریپتون به عنوان محصول نهایی تجزیه اورانیوم (235 U و 238 U) و توریم Th تشکیل می شود.

بخش اعظم کریپتون اتمسفر در مراحل اولیه تکامل زمین در نتیجه فروپاشی عناصر فرااورانیکی با نیمه عمر فوق العاده کوتاه یا از فضا آمده است، جایی که محتوای کریپتون ده میلیون برابر بیشتر از زمین است.

زنون نتیجه شکافت اورانیوم است، اما بخش عمده ای از این گاز از مراحل اولیه شکل گیری زمین، از جو اولیه باقی مانده است.

دی اکسید کربن در نتیجه فوران های آتشفشانی و در طی تجزیه مواد آلی وارد جو می شود. محتوای آن در جو عرض های جغرافیایی میانی زمین بسته به فصول سال بسیار متفاوت است: در زمستان مقدار CO 2 افزایش می یابد و در تابستان کاهش می یابد. این نوسان با فعالیت گیاهانی همراه است که از دی اکسید کربن در فرآیند فتوسنتز استفاده می کنند.

هیدروژن در نتیجه تجزیه آب توسط تشعشع خورشیدی به وجود می آید. اما از آنجایی که سبک ترین گازی است که جو را تشکیل می دهد، دائماً به فضای بیرونی تبخیر می شود و بنابراین محتوای آن در جو بسیار ناچیز است.

بخار آب حاصل تبخیر آب از سطح دریاچه ها، رودخانه ها، دریاها و خشکی هاست.

غلظت گازهای اصلی در لایه های زیرین جو، به استثنای بخار آب و دی اکسید کربن، ثابت است. اتمسفر در مقادیر کم حاوی اکسید گوگرد SO 2، آمونیاک NH 3، مونوکسید کربن CO، ازن O 3، هیدروژن کلرید HCl، هیدروژن فلوراید HF، مونوکسید نیتروژن NO، هیدروکربن ها، بخار جیوه جیوه، ید I2 و بسیاری دیگر است. در لایه پایین اتمسفر، تروپوسفر، همیشه مقدار زیادی ذرات جامد و مایع معلق وجود دارد.

منابع ذرات معلق در جو زمین شامل فوران های آتشفشانی، گرده، میکروارگانیسم ها و اخیراً فعالیت های انسانی مانند سوزاندن سوخت های فسیلی در حین تولید است. کوچکترین ذرات غبار که هسته های متراکم هستند باعث تشکیل مه و ابر می شوند. بدون وجود ذرات معلق دائماً در جو، بارندگی روی زمین نمی‌بارید.

در سطح دریا 1013.25 hPa (حدود 760 میلی متر جیوه). میانگین دمای جهانی هوا در سطح زمین 15 درجه سانتیگراد است و دمای آن از حدود 57 درجه سانتیگراد در بیابانهای نیمه گرمسیری تا -89 درجه سانتیگراد در قطب جنوب متغیر است. چگالی و فشار هوا با ارتفاع طبق قانون نزدیک به نمایی کاهش می یابد.

ساختار جو. به طور عمودی، جو دارای ساختار لایه‌ای است که عمدتاً با ویژگی‌های توزیع عمودی دما (شکل) تعیین می‌شود که به موقعیت جغرافیایی، فصل، زمان روز و غیره بستگی دارد. لایه پایین اتمسفر - تروپوسفر - با کاهش دما با ارتفاع (حدود 6 درجه سانتیگراد در هر 1 کیلومتر)، ارتفاع آن از 8-10 کیلومتر در عرض های جغرافیایی قطبی به 16-18 کیلومتر در مناطق استوایی مشخص می شود. به دلیل کاهش سریع چگالی هوا با ارتفاع، حدود 80 درصد از کل جرم جو در تروپوسفر قرار دارد. در بالای تروپوسفر استراتوسفر قرار دارد، لایه ای که عموماً با افزایش دما با ارتفاع مشخص می شود. لایه گذار بین تروپوسفر و استراتوسفر تروپوپوز نامیده می شود. در استراتوسفر پایین تر، تا سطح حدود 20 کیلومتری، دما با ارتفاع کمی تغییر می کند (به اصطلاح منطقه همدما) و اغلب حتی اندکی کاهش می یابد. بالاتر از آن، به دلیل جذب اشعه ماوراء بنفش خورشید توسط ازن، در ابتدا به آرامی و از سطح 34-36 کیلومتری سریعتر، دما افزایش می یابد. مرز بالایی استراتوسفر - استراتوپاز - در ارتفاع 50-55 کیلومتری قرار دارد که مربوط به حداکثر دما (260-270 K) است. لایه ای از جو واقع در ارتفاع 55-85 کیلومتری، جایی که دما دوباره با ارتفاع کاهش می یابد، مزوسفر نامیده می شود؛ در مرز بالایی آن - مزوپوز - دما در تابستان به 150-160 کلوین و 200-230 می رسد. K در زمستان. در بالای مزوپوز، ترموسفر شروع می شود - لایه ای که با افزایش سریع دما مشخص می شود و در ارتفاع 250 کیلومتری به 800-1200 کلوین می رسد. در ترموسفر، تشعشعات هسته ای و اشعه ایکس از خورشید جذب می شود. شهاب ها کند می شوند و می سوزند، بنابراین به عنوان یک لایه محافظ زمین عمل می کند. حتی بالاتر از اگزوسفر است، از جایی که گازهای اتمسفر به دلیل اتلاف به فضای بیرونی پراکنده می شوند و جایی که انتقال تدریجی از جو به فضای بین سیاره ای رخ می دهد.

ترکیب اتمسفر. تا ارتفاع حدود 100 کیلومتری، اتمسفر از نظر ترکیب شیمیایی تقریباً همگن است و میانگین وزن مولکولی هوا (حدود 29) ثابت است. در نزدیکی سطح زمین، جو از نیتروژن (حدود 78.1٪ حجمی) و اکسیژن (حدود 20.9٪) و همچنین حاوی مقادیر کمی آرگون، دی اکسید کربن (دی اکسید کربن)، نئون و سایر اجزای دائمی و متغیر است (به هوا مراجعه کنید). ).

علاوه بر این، جو حاوی مقادیر کمی ازن، اکسیدهای نیتروژن، آمونیاک، رادون و غیره است. محتوای نسبی اجزای اصلی هوا در طول زمان ثابت و در مناطق مختلف جغرافیایی یکنواخت است. محتوای بخار آب و ازن در مکان و زمان متغیر است. علیرغم محتوای کم، نقش آنها در فرآیندهای جوی بسیار قابل توجه است.

در بالای 100-110 کیلومتر، تفکیک مولکول های اکسیژن، دی اکسید کربن و بخار آب رخ می دهد، بنابراین جرم مولکولی هوا کاهش می یابد. در ارتفاع حدود 1000 کیلومتری، گازهای سبک - هلیوم و هیدروژن - شروع به غلبه می کنند و حتی بالاتر جو زمین به تدریج به گاز بین سیاره ای تبدیل می شود.

مهمترین جزء متغیر جو بخار آب است که از طریق تبخیر از سطح آب و خاک مرطوب و همچنین از طریق تعرق توسط گیاهان وارد جو می شود. محتوای نسبی بخار آب در سطح زمین از 2.6٪ در مناطق استوایی تا 0.2٪ در عرض های جغرافیایی قطبی متفاوت است. با ارتفاع به سرعت سقوط می کند و در ارتفاع 1.5-2 کیلومتری به نصف کاهش می یابد. ستون عمودی جو در عرض های جغرافیایی معتدل حاوی حدود 1.7 سانتی متر "لایه آب رسوب" است. هنگامی که بخار آب متراکم می شود، ابرهایی تشکیل می شوند که از آنها بارش جوی به صورت باران، تگرگ و برف می ریزد.

یکی از اجزای مهم هوای اتمسفر، ازن است که 90 درصد در استراتوسفر (بین 10 تا 50 کیلومتر) متمرکز شده و حدود 10 درصد آن در تروپوسفر است. ازن جذب اشعه ماوراء بنفش سخت (با طول موج کمتر از 290 نانومتر) را فراهم می کند و این نقش محافظتی آن برای بیوسفر است. مقادیر کل محتوای ازن بسته به عرض جغرافیایی و فصل در محدوده 0.22 تا 0.45 سانتی متر متفاوت است (ضخامت لایه ازن در فشار p = 1 atm و دمای T = 0 ° C). در حفره های ازن که از اوایل دهه 1980 در بهار در قطب جنوب مشاهده شد، میزان ازن می تواند تا 0.07 سانتی متر کاهش یابد. از استوا به قطب ها افزایش می یابد و دارای یک چرخه سالانه با حداکثر در بهار و حداقل در پاییز است و دامنه آن چرخه سالانه در مناطق استوایی کوچک است و به سمت عرض های جغرافیایی بالا رشد می کند. یک جزء متغیر قابل توجه جو دی اکسید کربن است که محتوای آن در جو طی 200 سال گذشته 35 درصد افزایش یافته است که عمدتاً با عامل انسانی توضیح داده می شود. تنوع عرضی و فصلی آن مشاهده می شود که با فتوسنتز گیاهان و حلالیت در آب دریا مرتبط است (طبق قانون هنری، حلالیت گاز در آب با افزایش دما کاهش می یابد).

نقش مهمی در شکل‌دهی آب و هوای سیاره توسط ذرات ذرات جامد و مایع معلق در هوا با اندازه‌های مختلف از چند نانومتر تا ده‌ها میکرون بازی می‌کند. آئروسل هایی با منشاء طبیعی و انسانی وجود دارد. آئروسل در فرآیند واکنش های فاز گاز از محصولات زندگی گیاهی و فعالیت اقتصادی انسان، فوران های آتشفشانی در نتیجه گرد و غبار برآمده توسط باد از سطح سیاره، به ویژه از مناطق بیابانی آن، تشکیل می شود و همچنین از غبار کیهانی که به لایه‌های بالایی جو می‌افتد تشکیل شده است. بیشتر آئروسل در تروپوسفر متمرکز شده است؛ آئروسل حاصل از فوران های آتشفشانی به اصطلاح لایه Junge را در ارتفاع حدود 20 کیلومتری تشکیل می دهد. بیشترین مقدار آئروسل انسانی در نتیجه عملکرد وسایل نقلیه و نیروگاه های حرارتی، تولید مواد شیمیایی، احتراق سوخت و غیره وارد جو می شود. بنابراین، در برخی مناطق ترکیب اتمسفر به طور محسوسی با هوای معمولی متفاوت است که نیاز به ایجاد سرویس ویژه برای مشاهده و پایش میزان آلودگی هوا.

تکامل جو. جو مدرن ظاهراً منشا ثانویه دارد: از گازهای آزاد شده توسط پوسته جامد زمین پس از تشکیل سیاره در حدود 4.5 میلیارد سال پیش تشکیل شده است. در طول تاریخ زمین شناسی زمین، اتمسفر تحت تأثیر عوامل متعددی دستخوش تغییرات قابل توجهی در ترکیب خود شده است: اتلاف (فرار) گازها، عمدتاً گازهای سبک تر، به فضای بیرونی. انتشار گازها از لیتوسفر در نتیجه فعالیت آتشفشانی؛ واکنش های شیمیایی بین اجزای جو و سنگ های تشکیل دهنده پوسته زمین؛ واکنش های فتوشیمیایی در خود جو تحت تأثیر تابش UV خورشیدی؛ تجمع (گرفتن) ماده از محیط بین سیاره ای (مثلاً ماده شهاب سنگی). توسعه اتمسفر ارتباط نزدیکی با فرآیندهای زمین شناسی و ژئوشیمیایی دارد و در طول 3-4 میلیارد سال گذشته نیز با فعالیت زیست کره مرتبط است. بخش قابل توجهی از گازهایی که جو مدرن را تشکیل می دهند (نیتروژن، دی اکسید کربن، بخار آب) در طی فعالیت های آتشفشانی و نفوذ به وجود آمدند که آنها را از اعماق زمین حمل می کرد. اکسیژن در مقادیر قابل توجهی حدود 2 میلیارد سال پیش در نتیجه موجودات فتوسنتزی که در ابتدا در آب های سطحی اقیانوس به وجود آمدند ظاهر شد.

بر اساس داده‌های مربوط به ترکیب شیمیایی ذخایر کربناته، تخمین‌هایی از میزان دی اکسید کربن و اکسیژن در اتمسفر گذشته زمین‌شناسی به‌دست آمد. در طول دوره فانوزوئیک (570 میلیون سال آخر تاریخ زمین)، مقدار دی اکسید کربن موجود در اتمسفر بسته به سطح فعالیت آتشفشانی، دمای اقیانوس و سرعت فتوسنتز، بسیار متفاوت بود. در بیشتر این مدت، غلظت دی اکسید کربن در جو به طور قابل توجهی بیشتر از امروز بود (تا 10 برابر). مقدار اکسیژن در اتمسفر فانوزوئیک به طور قابل توجهی تغییر کرد، با یک روند غالب به سمت افزایش آن. در جو پرکامبرین، جرم دی اکسید کربن، به طور معمول، بیشتر بود و جرم اکسیژن در مقایسه با اتمسفر فانوزوئیک کوچکتر بود. نوسانات میزان دی اکسید کربن در گذشته تأثیر قابل توجهی بر آب و هوا داشته است، به طوری که با افزایش غلظت دی اکسید کربن، اثر گلخانه ای افزایش یافته و آب و هوا در سراسر بخش اصلی فانوزوئیک نسبت به دوران مدرن بسیار گرمتر شده است.

جو و زندگی. بدون جو، زمین یک سیاره مرده خواهد بود. حیات ارگانیک در تعامل نزدیک با جو و آب و هوا و آب و هوای مرتبط رخ می دهد. اتمسفر با جرم ناچیز در مقایسه با کل سیاره (تقریباً بخشی در یک میلیون)، شرطی ضروری برای همه اشکال حیات است. مهمترین گازهای اتمسفر برای حیات موجودات عبارتند از: اکسیژن، نیتروژن، بخار آب، دی اکسید کربن و ازن. هنگامی که دی اکسید کربن توسط گیاهان فتوسنتزی جذب می شود، مواد آلی ایجاد می شود که به عنوان منبع انرژی توسط اکثریت قریب به اتفاق موجودات زنده از جمله انسان استفاده می شود. اکسیژن برای وجود موجودات هوازی ضروری است که جریان انرژی از طریق واکنش های اکسیداسیون مواد آلی تامین می شود. نیتروژن جذب شده توسط برخی میکروارگانیسم ها (تثبیت کننده های نیتروژن) برای تغذیه معدنی گیاهان ضروری است. ازن که اشعه ماوراء بنفش سخت خورشید را جذب می کند، این بخش از تشعشعات خورشیدی مضر برای زندگی را به میزان قابل توجهی ضعیف می کند. تراکم بخار آب در جو، تشکیل ابرها و بارندگی های بعدی، آب را به خشکی می رساند که بدون آن هیچ شکلی از حیات امکان پذیر نیست. فعالیت حیاتی موجودات در هیدروسفر تا حد زیادی با مقدار و ترکیب شیمیایی گازهای جوی محلول در آب تعیین می شود. از آنجایی که ترکیب شیمیایی اتمسفر به طور قابل توجهی به فعالیت موجودات بستگی دارد، بیوسفر و جو را می توان بخشی از یک سیستم واحد در نظر گرفت که حفظ و تکامل آن (به چرخه های بیوژئوشیمیایی مراجعه کنید) برای تغییر ترکیب از اهمیت زیادی برخوردار بود. جو در طول تاریخ زمین به عنوان یک سیاره.

تعادل تشعشع، گرما و آب جو. تابش خورشید عملا تنها منبع انرژی برای تمام فرآیندهای فیزیکی در جو است. ویژگی اصلی رژیم تابش جو به اصطلاح اثر گلخانه ای است: جو تابش خورشیدی را به خوبی به سطح زمین منتقل می کند، اما به طور فعال تابش موج بلند حرارتی را از سطح زمین جذب می کند که بخشی از آن به سطح زمین باز می گردد. به شکل تشعشع متقابل، جبران اتلاف حرارت تشعشعی از سطح زمین (به تابش اتمسفر مراجعه کنید). در غیاب جو، میانگین دمای سطح زمین 18- درجه سانتیگراد خواهد بود، اما در واقع 15 درجه سانتیگراد است. تابش خورشیدی ورودی تا حدی (حدود 20٪) در جو جذب می شود (عمدتاً توسط بخار آب، قطرات آب، دی اکسید کربن، ازن و ذرات معلق در هوا)، و همچنین (حدود 7٪) توسط ذرات آئروسل و نوسانات چگالی پراکنده می شود (پراکندگی رایلی). . تابش کلی که به سطح زمین می رسد تا حدی (حدود 23٪) از آن منعکس می شود. ضریب انعکاس با بازتاب سطح زیرین تعیین می شود که اصطلاحاً آلبدو نامیده می شود. به طور متوسط، آلبدوی زمین برای شار یکپارچه تابش خورشیدی نزدیک به 30٪ است. برای برف تازه از چند درصد (خاک خشک و خاک سیاه) تا 70-90 درصد متغیر است. تبادل حرارت تشعشعی بین سطح زمین و اتمسفر به طور قابل توجهی به albedo بستگی دارد و با تابش موثر سطح زمین و تابش متضاد جو جذب شده توسط آن تعیین می شود. به مجموع جبری شارهای تشعشعی که از فضای بیرونی به جو زمین وارد شده و آن را به عقب برمی‌گردانند، تعادل تشعشع نامیده می‌شود.

تبدیل تشعشعات خورشیدی پس از جذب آن توسط جو و سطح زمین، تعادل حرارتی زمین را به عنوان یک سیاره تعیین می کند. منبع اصلی گرما برای جو سطح زمین است. گرمای حاصل از آن نه تنها به صورت تابش موج بلند، بلکه به صورت همرفتی نیز منتقل می شود و در هنگام تراکم بخار آب نیز آزاد می شود. سهم این گرمای ورودی به ترتیب 20 درصد، 7 درصد و 23 درصد است. حدود 20 درصد گرما نیز به دلیل جذب تابش مستقیم خورشید در اینجا اضافه می شود. شار تابش خورشید در واحد زمان از یک ناحیه منفرد عمود بر پرتوهای خورشید و در خارج از جو در فاصله متوسط ​​زمین تا خورشید (به اصطلاح ثابت خورشیدی) برابر با 1367 وات بر متر مربع است، تغییرات 1-2 W/m2 بسته به چرخه فعالیت خورشیدی. با آلبدوی سیاره ای حدود 30 درصد، میانگین زمان ورود جهانی انرژی خورشیدی به سیاره 239 وات بر متر مربع است. از آنجایی که زمین به عنوان یک سیاره به طور متوسط ​​همان مقدار انرژی را به فضا منتشر می کند، بنابراین، طبق قانون استفان بولتزمن، دمای موثر تابش امواج بلند حرارتی خروجی 255 کلوین (18- درجه سانتی گراد) است. در عین حال میانگین دمای سطح زمین 15 درجه سانتی گراد است. اختلاف 33 درجه سانتی گراد به دلیل اثر گلخانه ای است.

تعادل آب اتمسفر به طور کلی با برابری میزان رطوبت تبخیر شده از سطح زمین و میزان بارندگی بر روی سطح زمین مطابقت دارد. اتمسفر بالای اقیانوس‌ها رطوبت بیشتری از فرآیندهای تبخیر نسبت به خشکی دریافت می‌کند و 90 درصد آن را به صورت بارش از دست می‌دهد. بخار آب اضافی روی اقیانوس ها توسط جریان هوا به قاره ها منتقل می شود. مقدار بخار آب منتقل شده به جو از اقیانوس ها به قاره ها برابر با حجم رودخانه هایی است که به اقیانوس ها می ریزند.

حرکت هوا. زمین کروی است، بنابراین تابش خورشیدی بسیار کمتری نسبت به مناطق استوایی به عرض های جغرافیایی بالا می رسد. در نتیجه، تضادهای دمایی زیادی بین عرض های جغرافیایی ایجاد می شود. توزیع دما نیز به طور قابل توجهی تحت تأثیر موقعیت نسبی اقیانوس ها و قاره ها قرار دارد. به دلیل حجم زیاد آب های اقیانوس ها و ظرفیت گرمایی بالای آب، نوسانات فصلی دمای سطح اقیانوس ها بسیار کمتر از خشکی است. از این نظر، در عرض‌های جغرافیایی میانی و بلند، دمای هوای اقیانوس‌ها در تابستان به‌طور محسوسی کمتر از قاره‌ها و در زمستان بالاتر است.

گرمای نابرابر جو در مناطق مختلف کره زمین باعث توزیع ناهمگن فضایی فشار اتمسفر می شود. در سطح دریا، توزیع فشار با مقادیر نسبتا کم در نزدیکی استوا، افزایش در مناطق نیمه گرمسیری (کمربندهای فشار بالا) و کاهش در عرض های جغرافیایی میانی و بالا مشخص می شود. در عین حال، در قاره‌های عرض‌های جغرافیایی فرا گرمسیری، فشار معمولاً در زمستان افزایش و در تابستان کاهش می‌یابد که با توزیع دما همراه است. تحت تأثیر یک گرادیان فشار، هوا شتابی را تجربه می کند که از مناطق پرفشار به مناطق کم فشار هدایت می شود که منجر به حرکت توده های هوا می شود. توده‌های هوای متحرک نیز تحت تأثیر نیروی انحراف چرخش زمین (نیروی کوریولیس)، نیروی اصطکاک که با ارتفاع کاهش می‌یابد، و برای مسیرهای منحنی، نیروی گریز از مرکز قرار می‌گیرند. اختلاط آشفته هوا از اهمیت بالایی برخوردار است (به آشفتگی در جو مراجعه کنید).

یک سیستم پیچیده از جریان های هوا (گردش کلی جو) با توزیع فشار سیاره ای مرتبط است. در صفحه نصف النهار، به طور متوسط، دو یا سه سلول گردشی نصف النهار را می توان ردیابی کرد. در نزدیکی خط استوا، هوای گرم در مناطق نیمه گرمسیری بالا و پایین می رود و سلول هدلی را تشکیل می دهد. هوای سلول فرل معکوس نیز در آنجا فرود می آید. در عرض های جغرافیایی بالا، یک سلول قطبی مستقیم اغلب قابل مشاهده است. سرعت گردش نصف النهار در حد 1 متر بر ثانیه یا کمتر است. به دلیل نیروی کوریولیس، بادهای غربی در بیشتر جو با سرعت در تروپوسفر میانی حدود 15 متر بر ثانیه مشاهده می شود. سیستم های بادی نسبتاً پایداری وجود دارد. اینها عبارتند از بادهای تجاری - بادهایی که از مناطق پرفشار در مناطق نیمه گرمسیری به سمت استوا با یک جزء شرقی قابل توجه (از شرق به غرب) می وزند. بادهای موسمی نسبتاً پایدار هستند - جریان های هوایی که ویژگی فصلی مشخصی دارند: در تابستان از اقیانوس به سمت سرزمین اصلی و در زمستان در جهت مخالف می وزند. بادهای موسمی اقیانوس هند به ویژه منظم است. در عرض های جغرافیایی میانی، حرکت توده های هوا عمدتاً غربی (از غرب به شرق) است. این منطقه ای از جبهه های جوی است که در آن گرداب های بزرگ ایجاد می شود - طوفان ها و پاد سیکلون ها که صدها و حتی هزاران کیلومتر را پوشش می دهند. طوفان ها نیز در مناطق استوایی رخ می دهند. در اینجا آنها با اندازه های کوچکتر، اما سرعت باد بسیار بالا، به نیروی طوفان (33 متر در ثانیه یا بیشتر)، به اصطلاح طوفان های استوایی متمایز می شوند. در اقیانوس اطلس و شرق اقیانوس آرام به آنها طوفان و در غرب اقیانوس آرام طوفان می گویند. در تروپوسفر فوقانی و استراتوسفر پایینی، در مناطقی که سلول گردش نصف النهار هادلی و سلول فرل معکوس را از هم جدا می کند، اغلب جریان های جت با مرزهای کاملاً مشخص، نسبتاً باریک، با عرض صدها کیلومتر، مشاهده می شود که باد در آنها به 100-150 می رسد. و حتی 200 متر / با.

آب و هوا و آب و هوا. تفاوت در میزان تابش خورشیدی وارد شده به عرض های جغرافیایی مختلف به سطح زمین که از نظر خواص فیزیکی متفاوت است، تنوع آب و هوای زمین را تعیین می کند. از خط استوا تا عرض های جغرافیایی گرمسیری، دمای هوا در سطح زمین به طور متوسط ​​25-30 درجه سانتیگراد است و در طول سال کمی تغییر می کند. در کمربند استوایی معمولاً بارندگی زیاد است که شرایط رطوبت اضافی را در آنجا ایجاد می کند. در مناطق گرمسیری میزان بارندگی کاهش می یابد و در برخی مناطق بسیار کم می شود. اینجا بیابان های وسیع زمین است.

در عرض های جغرافیایی نیمه گرمسیری و میانی، دمای هوا به طور قابل توجهی در طول سال تغییر می کند و تفاوت بین دمای تابستان و زمستان به ویژه در مناطقی از قاره های دور از اقیانوس ها زیاد است. بنابراین، در برخی از مناطق سیبری شرقی، محدوده دمای سالانه هوا به 65 درجه سانتیگراد می رسد. شرایط رطوبت در این عرض های جغرافیایی بسیار متنوع است، عمدتاً به رژیم گردش عمومی جو بستگی دارد و از سال به سال به طور قابل توجهی متفاوت است.

در عرض های جغرافیایی قطبی، دما در طول سال پایین می ماند، حتی اگر تغییرات فصلی قابل توجهی وجود داشته باشد. این به توزیع گسترده پوشش یخی در اقیانوس‌ها و زمین و منجمد دائمی کمک می‌کند که بیش از 65 درصد از مساحت آن را در روسیه، عمدتاً در سیبری، اشغال می‌کند.

در دهه های گذشته، تغییرات در آب و هوای جهانی به طور فزاینده ای قابل توجه شده است. دما در عرض های جغرافیایی بالا بیشتر از عرض های جغرافیایی پایین افزایش می یابد. در زمستان بیشتر از تابستان؛ در شب بیشتر از روز در طول قرن بیستم، میانگین دمای سالانه هوا در سطح زمین در روسیه 1.5-2 درجه سانتیگراد افزایش یافت و در برخی مناطق سیبری افزایش چند درجه ای مشاهده شد. این امر با افزایش اثر گلخانه ای به دلیل افزایش غلظت گازهای کمیاب همراه است.

آب و هوا بر اساس شرایط گردش جو و موقعیت جغرافیایی منطقه تعیین می شود؛ در نواحی گرمسیری پایدارترین و در عرض های جغرافیایی میانی و بلند متغیر است. آب و هوا بیشتر از همه در مناطق تغییر توده هوا ناشی از عبور جبهه های جوی، طوفان ها و پادسیکلون های حامل بارش و افزایش باد تغییر می کند. داده ها برای پیش بینی آب و هوا در ایستگاه های هواشناسی زمینی، کشتی ها و هواپیماها و از ماهواره های هواشناسی جمع آوری می شوند. به هواشناسی نیز مراجعه کنید.

پدیده های نوری، صوتی و الکتریکی در جو. هنگامی که تابش الکترومغناطیسی در جو منتشر می شود، در نتیجه شکست، جذب و پراکندگی نور توسط هوا و ذرات مختلف (آئروسل، کریستال های یخ، قطرات آب)، پدیده های نوری مختلفی ایجاد می شود: رنگین کمان، تاج، هاله، سراب و غیره. پراکندگی نور ارتفاع ظاهری طاق بهشت ​​و رنگ آبی آسمان را تعیین می کند. محدوده دید اجسام با شرایط انتشار نور در جو تعیین می شود (به دید اتمسفری مراجعه کنید). شفافیت اتمسفر در طول موج های مختلف، محدوده ارتباط و توانایی تشخیص اجسام با ابزار، از جمله امکان مشاهدات نجومی از سطح زمین را تعیین می کند. برای مطالعات ناهمگونی های نوری استراتوسفر و مزوسفر، پدیده گرگ و میش نقش مهمی ایفا می کند. برای مثال، عکاسی از گرگ و میش از فضاپیما، تشخیص لایه‌های آئروسل را ممکن می‌سازد. ویژگی های انتشار تابش الکترومغناطیسی در جو، دقت روش های سنجش از راه دور پارامترهای آن را تعیین می کند. همه این سؤالات، و همچنین بسیاری دیگر، توسط اپتیک اتمسفر مورد مطالعه قرار می گیرند. شکست و پراکندگی امواج رادیویی امکان دریافت رادیویی را تعیین می کند (به انتشار امواج رادیویی مراجعه کنید).

انتشار صوت در جو به توزیع مکانی دما و سرعت باد بستگی دارد (به آکوستیک جوی مراجعه کنید). برای سنجش اتمسفر با روش های از راه دور مورد توجه است. انفجار بارهای پرتاب شده توسط موشک ها به اتمسفر فوقانی اطلاعات غنی در مورد سیستم های باد و تغییرات دما در استراتوسفر و مزوسفر ارائه می دهد. در اتمسفر طبقه بندی شده پایدار، هنگامی که دما با ارتفاع کمتر از شیب آدیاباتیک (9.8 K/km) کاهش می یابد، به اصطلاح امواج داخلی ایجاد می شود. این امواج می توانند به سمت بالا در استراتوسفر و حتی در مزوسفر منتشر شوند، جایی که ضعیف می شوند و به افزایش باد و تلاطم کمک می کنند.

بار منفی زمین و میدان الکتریکی حاصله، جو، همراه با یونوسفر و مگنتوسفر باردار الکتریکی، یک مدار الکتریکی جهانی ایجاد می کنند. تشکیل ابرها و برق رعد و برق نقش مهمی در این امر ایفا می کند. خطر تخلیه صاعقه، توسعه روش های حفاظت از صاعقه برای ساختمان ها، سازه ها، خطوط برق و ارتباطات را ضروری کرده است. این پدیده خطر خاصی برای هوانوردی دارد. تخلیه رعد و برق باعث تداخل رادیویی جوی می شود که اتمسفر نامیده می شود (به اتمسفر سوت زدن مراجعه کنید). در هنگام افزایش شدید قدرت میدان الکتریکی، تخلیه های نورانی مشاهده می شود که در نوک و گوشه های تیز اجسام بیرون زده از سطح زمین، روی قله های منفرد در کوه ها و غیره ظاهر می شوند (چراغ های Elma). اتمسفر همیشه حاوی مقادیر بسیار متفاوتی از یون های سبک و سنگین است که بستگی به شرایط خاص دارد که رسانایی الکتریکی جو را تعیین می کند. یونیزه کننده اصلی هوا در نزدیکی سطح زمین تابش مواد رادیواکتیو موجود در پوسته و جو زمین و همچنین پرتوهای کیهانی است. به الکتریسیته اتمسفر نیز مراجعه کنید.

تأثیر انسان بر جودر طول قرن‌های گذشته، به دلیل فعالیت‌های اقتصادی انسان، غلظت گازهای گلخانه‌ای در جو افزایش یافته است. درصد دی اکسید کربن از 2.8-10 2 دویست سال پیش به 3.8-10 2 در سال 2005 افزایش یافت، محتوای متان - از 0.7-10 1 تقریباً 300-400 سال پیش به 1.8-10-4 در آغاز 21 ام. قرن؛ حدود 20 درصد از افزایش اثر گلخانه ای در قرن گذشته از فریون ها بود که تا اواسط قرن بیستم عملاً در جو وجود نداشتند. این مواد به عنوان مخرب لایه ازن استراتوسفر شناخته می شوند و تولید آنها توسط پروتکل مونترال 1987 ممنوع شده است. افزایش غلظت دی اکسید کربن در جو ناشی از سوزاندن مقادیر روزافزون زغال سنگ، نفت، گاز و انواع دیگر سوخت های کربنی و همچنین پاکسازی جنگل ها است که در نتیجه جذب دی اکسید کربن از طریق فتوسنتز کاهش می یابد. غلظت متان با افزایش تولید نفت و گاز (به دلیل تلفات آن) و همچنین با گسترش محصولات برنج و افزایش تعداد گاو افزایش می یابد. همه اینها به گرم شدن آب و هوا کمک می کند.

برای تغییر آب و هوا، روش هایی برای تأثیرگذاری فعال بر فرآیندهای جوی ایجاد شده است. از آنها برای محافظت از گیاهان کشاورزی در برابر تگرگ با پراکنده کردن معرف های ویژه در ابرهای رعد و برق استفاده می شود. همچنین روش هایی برای پراکنده کردن مه در فرودگاه ها، محافظت از گیاهان در برابر یخ زدگی، تأثیرگذاری بر ابرها برای افزایش بارندگی در مناطق مورد نظر یا برای پراکنده کردن ابرها در رویدادهای عمومی وجود دارد.

مطالعه جو. اطلاعات در مورد فرآیندهای فیزیکی در جو عمدتاً از مشاهدات هواشناسی به دست می آید که توسط شبکه جهانی از ایستگاه ها و پست های هواشناسی دائمی در تمام قاره ها و در بسیاری از جزایر انجام می شود. مشاهدات روزانه اطلاعاتی در مورد دما و رطوبت هوا، فشار جو و بارندگی، ابری، باد و غیره فراهم می کند. مشاهدات تابش خورشیدی و دگرگونی های آن در ایستگاه های اکتینومتری انجام می شود. شبکه های ایستگاه های هواشناسی که در آنها اندازه گیری های هواشناسی تا ارتفاع 30-35 کیلومتری با استفاده از امواج رادیویی انجام می شود، برای مطالعه جو از اهمیت زیادی برخوردار است. در تعدادی از ایستگاه ها، مشاهده ازن اتمسفر، پدیده های الکتریکی در جو و ترکیب شیمیایی هوا انجام می شود.

داده‌های ایستگاه‌های زمینی با مشاهدات روی اقیانوس‌ها تکمیل می‌شود، جایی که "کشتی‌های هواشناسی" که دائماً در مناطق خاصی از اقیانوس جهانی قرار دارند، و همچنین اطلاعات هواشناسی دریافت شده از تحقیقات و کشتی‌های دیگر تکمیل می‌شوند.

در دهه‌های اخیر، اطلاعات فزاینده‌ای در مورد جو با استفاده از ماهواره‌های هواشناسی به دست آمده است که ابزارهایی برای عکس‌برداری از ابرها و اندازه‌گیری شار پرتوهای فرابنفش، مادون قرمز و مایکروویو خورشید را حمل می‌کنند. ماهواره ها امکان به دست آوردن اطلاعات در مورد پروفایل های عمودی دما، ابری و منبع آب آن، عناصر تعادل تشعشعی جو، دمای سطح اقیانوس و غیره را فراهم می کنند. با استفاده از اندازه گیری انکسار سیگنال های رادیویی از سیستم ماهواره های ناوبری، امکان تعیین پروفیل های عمودی چگالی، فشار و دما و همچنین میزان رطوبت موجود در جو وجود دارد. با کمک ماهواره ها، می توان مقدار ثابت خورشیدی و آلبدوی سیاره ای زمین را روشن کرد، نقشه هایی از تعادل تشعشعی سیستم زمین- جو، اندازه گیری محتوا و تغییرپذیری آلاینده های کوچک جوی و حل کرد. بسیاری از مشکلات دیگر فیزیک اتمسفر و پایش محیطی.

متن: بودیکو M.I. آب و هوا در گذشته و آینده. L., 1980; Matveev L. T. دوره هواشناسی عمومی. فیزیک اتمسفر. ویرایش دوم L., 1984; بودیکو M.I.، Ronov A.B.، Yanshin A.L. تاریخچه جو. L., 1985; خرگیان ع.خ.فیزیک جو. م.، 1986; جو: دایرکتوری. L., 1991; Khromov S.P., Petrosyants M.A. هواشناسی و اقلیم شناسی. ویرایش پنجم م.، 2001.

G. S. Golitsyn، N. A. Zaitseva.

جو زمین پوشش گازی سیاره ما است. به هر حال، تقریباً همه اجرام آسمانی دارای پوسته های مشابه هستند، از سیارات منظومه شمسی گرفته تا سیارک های بزرگ. به عوامل زیادی بستگی دارد - اندازه سرعت، جرم و بسیاری از پارامترهای دیگر. اما فقط پوسته سیاره ما حاوی اجزایی است که به ما امکان زندگی می دهد.

جو زمین: تاریخچه مختصری از وقوع آن

اعتقاد بر این است که سیاره ما در ابتدای پیدایش خود هیچ پوسته گازی نداشت. اما جسم سماوی جوان و تازه شکل گرفته پیوسته در حال تکامل بود. جو اولیه زمین در نتیجه فوران های آتشفشانی مداوم شکل گرفته است. به این ترتیب، طی هزاران سال، پوسته ای از بخار آب، نیتروژن، کربن و سایر عناصر (به جز اکسیژن) در اطراف زمین تشکیل شد.

از آنجایی که مقدار رطوبت در جو محدود است ، مازاد آن به بارش تبدیل می شود - اینگونه است که دریاها ، اقیانوس ها و سایر آب ها تشکیل شده اند. اولین موجوداتی که در این سیاره ساکن شدند در محیط آبی ظاهر شدند و رشد کردند. بیشتر آنها متعلق به موجودات گیاهی بودند که از طریق فتوسنتز اکسیژن تولید می کنند. بنابراین، جو زمین شروع به پر شدن از این گاز حیاتی کرد. و در نتیجه تجمع اکسیژن، لایه اوزون تشکیل شد که سیاره را از اثرات مضر اشعه ماوراء بنفش محافظت می کرد. این عوامل هستند که همه شرایط را برای وجود ما ایجاد کردند.

ساختار جو زمین

همانطور که می دانید، پوسته گازی سیاره ما از چندین لایه تشکیل شده است - تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، ترموسفر. ترسیم مرزهای واضح بین این لایه ها غیرممکن است - همه اینها به زمان سال و عرض جغرافیایی سیاره بستگی دارد.

تروپوسفر قسمت پایینی پوسته گاز است که ارتفاع آن به طور متوسط ​​بین 10 تا 15 کیلومتر است. اینجا جایی است که بیشتر رطوبت در آن متمرکز می شود، اتفاقاً در اینجا تمام رطوبت قرار می گیرد و ابرها تشکیل می شوند. به دلیل محتوای اکسیژن، تروپوسفر از فعالیت زندگی همه موجودات پشتیبانی می کند. علاوه بر این، در شکل گیری آب و هوا و ویژگی های آب و هوایی منطقه بسیار مهم است - نه تنها ابرها، بلکه بادها نیز در اینجا شکل می گیرند. با افزایش ارتفاع، دما کاهش می یابد.

استراتوسفر - از تروپوسفر شروع شده و به ارتفاع 50 تا 55 کیلومتری ختم می شود. در اینجا دما با افزایش ارتفاع افزایش می یابد. این بخش از اتمسفر تقریباً فاقد بخار آب است، اما دارای لایه ازن است. گاهی اوقات در اینجا می توانید متوجه تشکیل ابرهای "مروارید" شوید که فقط در شب قابل مشاهده هستند - اعتقاد بر این است که آنها با قطرات آب بسیار متراکم نشان داده می شوند.

مزوسفر تا 80 کیلومتر به بالا امتداد دارد. در این لایه هنگام بالا رفتن می توانید متوجه کاهش شدید دما شوید. آشفتگی نیز در اینجا بسیار توسعه یافته است. به هر حال، به اصطلاح "ابرهای شب تاب" در مزوسفر تشکیل می شوند که از کریستال های یخ کوچک تشکیل شده اند - آنها را فقط در شب می توان دید. جالب است که عملاً هیچ هوایی در مرز بالایی مزوسفر وجود ندارد - 200 برابر کمتر از نزدیک سطح زمین است.

ترموسفر لایه بالایی پوسته گازی زمین است که در آن مرسوم است بین یونوسفر و اگزوسفر تمایز قائل شوند. جالب اینجاست که دما در اینجا با ارتفاع بسیار شدید افزایش می یابد - در ارتفاع 800 کیلومتری از سطح زمین بیش از 1000 درجه سانتیگراد است. یونوسفر با هوای بسیار رقیق شده و محتوای عظیم یون های فعال مشخص می شود. در مورد اگزوسفر، این بخش از جو به آرامی به فضای بین سیاره ای می گذرد. شایان ذکر است که ترموسفر حاوی هوا نیست.

می توان به این نکته اشاره کرد که جو زمین بخش بسیار مهمی از سیاره ما است که عامل تعیین کننده ای در پیدایش حیات باقی می ماند. فعالیت حیات را تضمین می کند، وجود هیدروسفر (پوسته آبکی سیاره) را حفظ می کند و از اشعه ماوراء بنفش محافظت می کند.

10.045×10 3 J/(kg*K) (در محدوده دمایی 0-100°C)، C v 8.3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). حلالیت هوا در آب در دمای 0 درجه سانتیگراد 0.036٪، در دمای 25 درجه سانتیگراد - 0.22٪ است.

ترکیب اتمسفر

تاریخچه تشکیل اتمسفر

تاریخ اولیه

در حال حاضر علم نمی تواند تمام مراحل شکل گیری زمین را با دقت صد در صد ردیابی کند. بر اساس رایج ترین نظریه، جو زمین در طول زمان دارای چهار ترکیب مختلف بوده است. در ابتدا شامل گازهای سبک (هیدروژن و هلیوم) بود که از فضای بین سیاره ای گرفته می شد. این به اصطلاح است جو اولیه. در مرحله بعد، فعالیت فعال آتشفشانی منجر به اشباع شدن جو با گازهایی غیر از هیدروژن (هیدروکربن، آمونیاک، بخار آب) شد. اینگونه شکل گرفت جو ثانویه. این فضا ترمیم کننده بود. علاوه بر این، فرآیند تشکیل اتمسفر توسط عوامل زیر تعیین شد:

• نشت مداوم هیدروژن به فضای بین سیاره ای؛
• واکنش های شیمیایی که در جو تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش، تخلیه رعد و برق و برخی عوامل دیگر رخ می دهد.

به تدریج این عوامل منجر به شکل گیری شد جو سومبا محتوای بسیار کمتر هیدروژن و محتوای بسیار بیشتر نیتروژن و دی اکسید کربن (که در نتیجه واکنش های شیمیایی از آمونیاک و هیدروکربن ها ایجاد می شود) مشخص می شود.

پیدایش حیات و اکسیژن

با ظهور موجودات زنده بر روی زمین در نتیجه فتوسنتز، همراه با آزاد شدن اکسیژن و جذب دی اکسید کربن، ترکیب جو شروع به تغییر کرد. با این حال، داده‌هایی وجود دارد (تحلیل ترکیب ایزوتوپی اکسیژن اتمسفر و آن چیزی که در طول فتوسنتز آزاد می‌شود) که منشا زمین‌شناسی اکسیژن اتمسفر را نشان می‌دهد.

در ابتدا، اکسیژن برای اکسیداسیون ترکیبات احیا شده - هیدروکربن ها، شکل آهنی آهن موجود در اقیانوس ها و غیره صرف شد. در پایان این مرحله، محتوای اکسیژن در جو شروع به افزایش کرد.

در دهه 1990، آزمایش‌هایی برای ایجاد یک سیستم اکولوژیکی بسته ("Biosphere 2") انجام شد که طی آن امکان ایجاد یک سیستم پایدار با ترکیب هوای یکنواخت وجود نداشت. تأثیر میکروارگانیسم ها منجر به کاهش سطح اکسیژن و افزایش میزان دی اکسید کربن شد.

نیتروژن

تشکیل مقدار زیادی N 2 به دلیل اکسیداسیون اتمسفر آمونیاک-هیدروژن اولیه با O 2 مولکولی است که ظاهراً حدود 3 میلیارد سال پیش در نتیجه فتوسنتز از سطح سیاره شروع به بیرون آمدن کرد. به یک نسخه دیگر، اکسیژن اتمسفر منشاء زمین شناسی دارد). نیتروژن در اتمسفر فوقانی به NO اکسید می شود، در صنعت استفاده می شود و توسط باکتری های تثبیت کننده نیتروژن متصل می شود، در حالی که N2 در نتیجه نیترات زدایی نیترات ها و سایر ترکیبات حاوی نیتروژن به اتمسفر آزاد می شود.

نیتروژن N 2 یک گاز بی اثر است و فقط در شرایط خاص (مثلاً در هنگام تخلیه رعد و برق) واکنش نشان می دهد. سیانوباکتری ها و برخی باکتری ها (به عنوان مثال، باکتری های گره ای که همزیستی ریزوبی با گیاهان حبوبات ایجاد می کنند) می توانند آن را اکسید کرده و به شکل بیولوژیکی تبدیل کنند.

اکسیداسیون نیتروژن مولکولی توسط تخلیه الکتریکی در تولید صنعتی کودهای نیتروژن استفاده می شود و همچنین منجر به تشکیل ذخایر منحصر به فرد نیترات در صحرای آتاکامای شیلی شد.

گازهای نجیب

احتراق سوخت منبع اصلی گازهای آلاینده (CO، NO، SO2) است. دی اکسید گوگرد توسط هوا O 2 به SO 3 در لایه های بالایی جو اکسید می شود که با بخارات H 2 O و NH 3 برهم کنش می کند و H 2 SO 4 و (NH 4 ) 2 SO 4 به سطح زمین باز می گردند. همراه با بارش استفاده از موتورهای احتراق داخلی منجر به آلودگی جوی قابل توجه با اکسیدهای نیتروژن، هیدروکربن ها و ترکیبات سرب می شود.

آلودگی آئروسل اتمسفر هم به دلایل طبیعی (فوران های آتشفشانی، طوفان های گرد و غبار، انتقال قطرات آب دریا و ذرات گرده گیاهان و غیره) و فعالیت های اقتصادی انسان (استخراج سنگ معدن و مصالح ساختمانی، سوزاندن سوخت، ساخت سیمان و غیره است. .) . انتشار شدید ذرات معلق در جو یکی از دلایل احتمالی تغییرات آب و هوایی در این سیاره است.

ساختار جو و ویژگی های پوسته های فردی

وضعیت فیزیکی جو توسط آب و هوا و آب و هوا تعیین می شود. پارامترهای اساسی جو: چگالی هوا، فشار، دما و ترکیب. با افزایش ارتفاع، چگالی هوا و فشار اتمسفر کاهش می یابد. دما نیز با تغییر ارتفاع تغییر می کند. ساختار عمودی جو با درجه حرارت و خواص الکتریکی متفاوت و شرایط مختلف هوا مشخص می شود. بسته به درجه حرارت در جو، لایه های اصلی زیر متمایز می شوند: تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، ترموسفر، اگزوسفر (کره پراکنده). نواحی انتقالی جو بین پوسته های همسایه به ترتیب تروپاپوز، استراتوپوز و غیره نامیده می شوند.

تروپوسفر

استراتوسفر

در استراتوسفر، بیشتر قسمت موج کوتاه تابش فرابنفش (180-200 نانومتر) حفظ می شود و انرژی امواج کوتاه تبدیل می شود. تحت تأثیر این پرتوها، میدان‌های مغناطیسی تغییر می‌کنند، مولکول‌ها متلاشی می‌شوند، یونیزاسیون اتفاق می‌افتد و گازها و دیگر ترکیبات شیمیایی تشکیل می‌شوند. این فرآیندها را می توان به صورت نورهای شمالی، رعد و برق و سایر درخشش ها مشاهده کرد.

در استراتوسفر و لایه های بالاتر، تحت تأثیر تابش خورشیدی، مولکول های گاز به اتم ها تجزیه می شوند (بالای 80 کیلومتر CO 2 و H 2 تجزیه می شوند، بالای 150 کیلومتر - O 2، بالای 300 کیلومتر - H 2). در ارتفاع 100-400 کیلومتری، یونیزاسیون گازها در یونوسفر نیز رخ می دهد؛ در ارتفاع 320 کیلومتری، غلظت ذرات باردار (O + 2، O - 2، N + 2) ~ 1/300 از غلظت ذرات خنثی در لایه های بالایی جو رادیکال های آزاد وجود دارد - OH، HO 2 و غیره.

تقریباً هیچ بخار آب در استراتوسفر وجود ندارد.

مزوسفر

تا ارتفاع 100 کیلومتری، جو مخلوطی همگن و مخلوط از گازها است. در لایه‌های بالاتر، توزیع گازها بر اساس ارتفاع به وزن مولکولی آنها بستگی دارد؛ غلظت گازهای سنگین‌تر با فاصله گرفتن از سطح زمین سریع‌تر کاهش می‌یابد. به دلیل کاهش چگالی گاز، دما از 0 درجه سانتیگراد در استراتوسفر به 110- درجه سانتیگراد در مزوسفر کاهش می یابد. با این حال، انرژی جنبشی ذرات منفرد در ارتفاعات 200-250 کیلومتری با دمای ~1500 درجه سانتیگراد مطابقت دارد. در بالای 200 کیلومتر، نوسانات قابل توجهی در دما و چگالی گاز در زمان و مکان مشاهده می شود.

در ارتفاع حدود 2000-3000 کیلومتری، اگزوسفر به تدریج به خلاء به اصطلاح نزدیک به فضا تبدیل می شود که با ذرات بسیار کمیاب گاز بین سیاره ای، عمدتاً اتم های هیدروژن، پر می شود. اما این گاز تنها بخشی از ماده بین سیاره ای را نشان می دهد. بخش دیگر شامل ذرات غبار با منشاء دنباله‌دار و شهاب‌سنگ است. علاوه بر این ذرات بسیار کمیاب، تابش الکترومغناطیسی و جسمی با منشاء خورشیدی و کهکشانی به این فضا نفوذ می کند.

تروپوسفر حدود 80٪ از جرم جو را تشکیل می دهد، استراتوسفر - حدود 20٪. جرم مزوسفر بیش از 0.3٪ نیست، ترموسفر کمتر از 0.05٪ از کل جرم جو است. بر اساس خواص الکتریکی موجود در جو، نوترونوسفر و یونوسفر متمایز می شوند. در حال حاضر اعتقاد بر این است که جو تا ارتفاع 2000-3000 کیلومتری گسترش می یابد.

بسته به ترکیب گاز موجود در جو، آنها منتشر می کنند هموسفرو هتروسفر. هتروسفر- این منطقه ای است که گرانش بر جداسازی گازها تأثیر می گذارد، زیرا اختلاط آنها در چنین ارتفاعی ناچیز است. این به معنای ترکیب متغیر هتروسفر است. در زیر آن یک بخش کاملاً مخلوط و همگن از جو قرار دارد که هموسفر نامیده می شود. مرز بین این لایه ها توربوپاوز نامیده می شود که در ارتفاع حدود 120 کیلومتری قرار دارد.

خواص جوی

در حال حاضر در ارتفاع 5 کیلومتری از سطح دریا، یک فرد آموزش ندیده شروع به تجربه گرسنگی اکسیژن می کند و بدون سازگاری، عملکرد فرد به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. منطقه فیزیولوژیکی جو در اینجا به پایان می رسد. تنفس انسان در ارتفاع 15 کیلومتری غیرممکن می شود، اگرچه تا 115 کیلومتری جو حاوی اکسیژن است.

جو اکسیژن لازم برای تنفس را برای ما تامین می کند. با این حال، به دلیل افت فشار کل جو، با بالا رفتن از ارتفاع، فشار جزئی اکسیژن به همان نسبت کاهش می یابد.

ریه های انسان دائماً حاوی حدود 3 لیتر هوای آلوئولی هستند. فشار جزئی اکسیژن در هوای آلوئولی در فشار معمولی اتمسفر 110 میلی متر جیوه است. هنر، فشار دی اکسید کربن - 40 میلی متر جیوه. هنر، و بخار آب -47 میلی متر جیوه. هنر با افزایش ارتفاع، فشار اکسیژن کاهش می یابد و فشار کل بخار آب و دی اکسید کربن در ریه ها تقریباً ثابت می ماند - حدود 87 میلی متر جیوه. هنر زمانی که فشار هوای محیط به این مقدار رسید، اکسیژن رسانی به ریه ها به طور کامل متوقف می شود.

در ارتفاع حدود 19-20 کیلومتری، فشار اتمسفر به 47 میلی متر جیوه کاهش می یابد. هنر بنابراین در این ارتفاع آب و مایع بینابینی در بدن انسان شروع به جوشیدن می کند. در خارج از کابین تحت فشار در این ارتفاعات، مرگ تقریباً بلافاصله اتفاق می افتد. بنابراین، از نقطه نظر فیزیولوژی انسان، "فضا" در ارتفاع 15-19 کیلومتری شروع می شود.

لایه های متراکم هوا - تروپوسفر و استراتوسفر - ما را از اثرات مخرب تشعشع محافظت می کند. با کمیاب شدن کافی هوا، در ارتفاعات بیش از 36 کیلومتر، تابش یونیزان - پرتوهای کیهانی اولیه - تأثیر شدیدی بر بدن دارد. در ارتفاعات بیش از 40 کیلومتر، قسمت فرابنفش طیف خورشیدی برای انسان خطرناک است.

ساختار جو زمین

جو پوسته گازی زمین با ذرات آئروسل موجود در آن است که با زمین در فضا به عنوان یک کل واحد حرکت می کند و در عین حال در چرخش زمین شرکت می کند. بیشتر زندگی ما در ته جو می گذرد.

تقریباً تمام سیارات منظومه شمسی ما جو خاص خود را دارند، اما فقط جو زمین قادر به پشتیبانی از حیات است.

زمانی که سیاره ما 4.5 میلیارد سال پیش شکل گرفت، ظاهراً فاقد جو بود. جو در نتیجه انتشارات آتشفشانی بخار آب مخلوط با دی اکسید کربن، نیتروژن و سایر مواد شیمیایی از داخل سیاره جوان تشکیل شده است. اما جو می تواند حاوی مقدار محدودی رطوبت باشد، بنابراین بیش از حد آن در نتیجه تراکم باعث ایجاد اقیانوس ها شده است. اما پس از آن جو خالی از اکسیژن بود. اولین موجودات زنده ای که در اقیانوس منشا و توسعه یافتند، در نتیجه واکنش فتوسنتز (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2 ) شروع به انتشار بخش های کوچکی از اکسیژن کردند که شروع به ورود به جو کرد.

تشکیل اکسیژن در جو زمین منجر به تشکیل لایه اوزون در ارتفاعات تقریباً 8 تا 30 کیلومتری شد. و بنابراین، سیاره ما محافظت در برابر اثرات مضر مطالعه فرابنفش را به دست آورده است. این شرایط به عنوان انگیزه ای برای تکامل بیشتر اشکال حیات در زمین عمل کرد، زیرا در نتیجه افزایش فتوسنتز، مقدار اکسیژن در جو به سرعت شروع به رشد کرد که به شکل گیری و نگهداری اشکال حیات از جمله در خشکی کمک کرد.

امروزه جو ما از 78.1 درصد نیتروژن، 21 درصد اکسیژن، 0.9 درصد آرگون و 0.04 درصد دی اکسید کربن تشکیل شده است. کسرهای بسیار کوچک در مقایسه با گازهای اصلی عبارتند از نئون، هلیوم، متان و کریپتون.

ذرات گاز موجود در جو تحت تأثیر نیروی گرانش زمین قرار می گیرند. و با توجه به اینکه هوا قابل تراکم است، چگالی آن به تدریج با ارتفاع کاهش می یابد و بدون مرز مشخص به فضای بیرونی می رود. نیمی از کل جرم جو زمین در 5 کیلومتری پایین، سه چهارم در 10 کیلومتر پایین تر، نه دهم در 20 کیلومتر پایین تر متمرکز شده است. 99 درصد از جرم جو زمین در زیر ارتفاع 30 کیلومتری متمرکز شده است که تنها 0.5 درصد از شعاع استوایی سیاره ما است.

در سطح دریا، تعداد اتم ها و مولکول ها در هر سانتی متر مکعب هوا حدود 2 * 10 19، در ارتفاع 600 کیلومتری فقط 2 * 10 7 است. در سطح دریا، یک اتم یا مولکول قبل از برخورد با ذره دیگر تقریباً 7 * 10 -6 سانتی متر حرکت می کند. در ارتفاع 600 کیلومتری این فاصله حدود 10 کیلومتر است. و در سطح دریا، حدود 7 * 10 9 چنین برخوردی در هر ثانیه، در ارتفاع 600 کیلومتری رخ می دهد - فقط حدود یک در دقیقه!

اما نه تنها فشار با ارتفاع تغییر می کند. دما نیز تغییر می کند. به عنوان مثال، در دامنه یک کوه مرتفع می تواند بسیار گرم باشد، در حالی که بالای کوه پوشیده از برف است و دمای آن در همان زمان زیر صفر است. و اگر با هواپیما به ارتفاع حدود 10-11 کیلومتری بروید، می توانید پیامی را بشنوید که در بیرون 50- درجه است، در حالی که در سطح زمین 60-70 درجه گرمتر است.

در ابتدا، دانشمندان فرض کردند که دما با ارتفاع کاهش می یابد تا زمانی که به صفر مطلق (273.16- درجه سانتیگراد) برسد. اما این درست نیست.

جو زمین از چهار لایه تشکیل شده است: تروپوسفر، استراتوسفر، مزوسفر، یونوسفر (ترموسفر). این تقسیم به لایه ها نیز بر اساس داده های مربوط به تغییرات دما با ارتفاع به تصویب رسید. پایین ترین لایه که دمای هوا با ارتفاع کاهش می یابد، تروپوسفر نامیده می شود. لایه بالای تروپوسفر، جایی که افت دما متوقف می شود، با ایزوترم جایگزین می شود و در نهایت دما شروع به افزایش می کند، استراتوسفر نامیده می شود. لایه بالای استراتوسفر که در آن دما دوباره به سرعت کاهش می یابد، مزوسفر است. و در نهایت، لایه ای که در آن دما دوباره شروع به افزایش می کند، یونوسفر یا ترموسفر نامیده می شود.

تروپوسفر به طور متوسط ​​تا 12 کیلومتر پایین امتداد دارد. اینجاست که آب و هوای ما شکل می گیرد. بالاترین ابرها (سیروس) در بالاترین لایه های تروپوسفر تشکیل می شوند. دما در تروپوسفر با ارتفاع به صورت آدیاباتیک کاهش می یابد، یعنی. تغییر دما به دلیل کاهش فشار با ارتفاع رخ می دهد. مشخصات دمایی تروپوسفر تا حد زیادی با تابش خورشیدی که به سطح زمین می رسد تعیین می شود. در نتیجه گرم شدن سطح زمین توسط خورشید، جریان های همرفتی و متلاطم ایجاد می شود که به سمت بالا هدایت می شوند که آب و هوا را تشکیل می دهند. شایان ذکر است که تأثیر سطح زیرین در لایه های زیرین تروپوسفر تا ارتفاع تقریباً 1.5 کیلومتری گسترش می یابد. البته به استثنای مناطق کوهستانی.

مرز بالایی تروپوسفر تروپوپوز است - یک لایه همدما. ظاهر مشخصه ابرهای رعد و برق را در نظر بگیرید، که بالای آنها "ترکیدن" ابرهای سیروس به نام "سندان" است. این " سندان " فقط در زیر tropopause "گسترش" می یابد، زیرا به دلیل ایزوترم، جریان های هوای صعودی به طور قابل توجهی ضعیف می شوند و ابر رشد عمودی را متوقف می کند. اما در موارد خاص و نادر، نوک ابرهای کومولونیمبوس می توانند به لایه های پایینی استراتوسفر حمله کنند و تروپوپوز را بشکنند.

ارتفاع تروپوپوز به عرض جغرافیایی بستگی دارد. بنابراین، در استوا در ارتفاع تقریباً 16 کیلومتری قرار دارد و دمای آن حدود 80- درجه سانتیگراد است. در قطب ها، تروپوپوز در پایین تر، تقریباً در ارتفاع 8 کیلومتری قرار دارد. در تابستان دمای اینجا -40 درجه سانتیگراد و -60 درجه سانتیگراد در زمستان است. بنابراین، با وجود دماهای بالاتر در سطح زمین، تروپوپوز استوایی بسیار سردتر از قطب ها است.