Kandungan oksigen di lapisan permukaan atmosfer adalah. Tema geografi - suasana

Komposisi Bumi. Udara

Udara merupakan campuran mekanis berbagai gas yang menyusun atmosfer bumi. Udara diperlukan untuk respirasi organisme hidup dan banyak digunakan dalam industri.

Fakta bahwa udara adalah campuran, dan bukan zat homogen, dibuktikan dalam percobaan ilmuwan Skotlandia Joseph Black. Dalam salah satu dari mereka, ilmuwan menemukan bahwa ketika magnesia putih (magnesium karbonat) dipanaskan, “udara terikat” dilepaskan, yaitu karbon dioksida, dan magnesia yang terbakar (magnesium oksida) terbentuk. Sebaliknya, ketika batu kapur dibakar, “udara yang terikat” dihilangkan. Berdasarkan percobaan tersebut, ilmuwan menyimpulkan bahwa perbedaan antara karbon dioksida dan alkali kaustik adalah karbon dioksida mengandung karbon dioksida, yang merupakan salah satu penyusun udara. Saat ini kita mengetahui bahwa selain karbon dioksida, komposisi udara bumi meliputi:

Rasio gas di atmosfer bumi yang ditunjukkan pada tabel adalah tipikal untuk lapisan bawahnya, hingga ketinggian 120 km. Di wilayah ini terdapat wilayah yang tercampur rata dan homogen yang disebut homosfer. Di atas homosfer terdapat heterosfer, yang ditandai dengan penguraian molekul gas menjadi atom dan ion. Daerah-daerah tersebut dipisahkan satu sama lain dengan jeda turbo.

Reaksi kimia di mana molekul terurai menjadi atom di bawah pengaruh radiasi matahari dan kosmik disebut fotodisosiasi. Pembusukan oksigen molekuler menghasilkan oksigen atom, yang merupakan gas utama atmosfer pada ketinggian di atas 200 km. Pada ketinggian di atas 1200 km, hidrogen dan helium, yang merupakan gas paling ringan, mulai mendominasi.

Karena sebagian besar udara terkonsentrasi di 3 lapisan atmosfer bawah, perubahan komposisi udara pada ketinggian di atas 100 km tidak memberikan pengaruh yang nyata terhadap komposisi atmosfer secara keseluruhan.

Nitrogen adalah gas yang paling umum, menyumbang lebih dari tiga perempat volume udara bumi. Nitrogen modern dibentuk oleh oksidasi atmosfer awal amonia-hidrogen oleh oksigen molekuler, yang terbentuk selama fotosintesis. Saat ini, sejumlah kecil nitrogen memasuki atmosfer sebagai hasil denitrifikasi - proses reduksi nitrat menjadi nitrit, diikuti dengan pembentukan gas oksida dan molekul nitrogen, yang diproduksi oleh prokariota anaerobik. Beberapa nitrogen memasuki atmosfer selama letusan gunung berapi.

Di lapisan atas atmosfer, ketika terkena pelepasan listrik yang melibatkan ozon, molekul nitrogen dioksidasi menjadi nitrogen monoksida:

N 2 + O 2 → 2TIDAK

Dalam kondisi normal, monoksida segera bereaksi dengan oksigen membentuk dinitrogen oksida:

2NO + O 2 → 2N 2 O

Nitrogen merupakan unsur kimia terpenting di atmosfer bumi. Nitrogen adalah bagian dari protein dan menyediakan nutrisi mineral bagi tanaman. Ini menentukan laju reaksi biokimia dan berperan sebagai pengencer oksigen.

Gas kedua yang paling umum di atmosfer bumi adalah oksigen. Pembentukan gas ini berhubungan dengan aktivitas fotosintesis tumbuhan dan bakteri. Dan semakin beragam dan banyak organisme fotosintetik, semakin signifikan pula proses kandungan oksigen di atmosfer. Sejumlah kecil oksigen berat dilepaskan selama degassing mantel.

Di lapisan atas troposfer dan stratosfer, di bawah pengaruh radiasi ultraviolet matahari (kami menyatakannya sebagai hν), ozon terbentuk:

O 2 + hν → 2O

Akibat radiasi ultraviolet yang sama, ozon terurai:

O 3 + hν → O 2 + O

tentang 3 + tentang → 2 tentang 2

Sebagai hasil dari reaksi pertama, oksigen atom terbentuk, dan sebagai hasil dari reaksi kedua, oksigen molekuler terbentuk. Keempat reaksi tersebut disebut “mekanisme Chapman”, diambil dari nama ilmuwan Inggris Sidney Chapman yang menemukannya pada tahun 1930.

Oksigen digunakan untuk respirasi organisme hidup. Dengan bantuannya, proses oksidasi dan pembakaran terjadi.

Ozon berfungsi melindungi organisme hidup dari radiasi ultraviolet yang menyebabkan mutasi ireversibel. Konsentrasi ozon tertinggi diamati di stratosfer bawah yang disebut. lapisan ozon atau layar ozon, terletak pada ketinggian 22-25 km. Kandungan ozonnya kecil: pada tekanan normal, seluruh ozon di atmosfer bumi hanya menempati lapisan setebal 2,91 mm.

Pembentukan gas paling melimpah ketiga di atmosfer, argon, serta neon, helium, kripton, dan xenon, dikaitkan dengan letusan gunung berapi dan peluruhan unsur radioaktif.

Secara khusus, helium adalah produk peluruhan radioaktif uranium, torium, dan radium: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (dalam reaksi ini partikel α adalah inti helium, yang dalam proses kehilangan energi menangkap elektron dan menjadi 4 He).

Argon terbentuk selama peluruhan isotop radioaktif kalium: 40 K → 40 Ar + γ.

Neon lolos dari batuan beku.

Kripton terbentuk sebagai produk akhir peluruhan uranium (235 U dan 238 U) dan thorium Th.

Sebagian besar kripton di atmosfer terbentuk pada tahap awal evolusi bumi sebagai akibat dari peluruhan unsur transuranium dengan waktu paruh yang sangat pendek atau berasal dari luar angkasa, yang kandungan kriptonnya sepuluh juta kali lebih tinggi daripada di Bumi.

Xenon merupakan hasil fisi uranium, namun sebagian besar gas ini tersisa dari tahap awal pembentukan bumi, dari atmosfer purba.

Karbon dioksida memasuki atmosfer sebagai akibat dari letusan gunung berapi dan penguraian bahan organik. Kandungannya di atmosfer garis lintang tengah bumi sangat bervariasi tergantung musim dalam setahun: di musim dingin jumlah CO 2 meningkat, dan di musim panas berkurang. Fluktuasi ini terkait dengan aktivitas tumbuhan yang menggunakan karbon dioksida dalam proses fotosintesis.

Hidrogen terbentuk sebagai hasil penguraian air oleh radiasi matahari. Namun, sebagai gas paling ringan yang menyusun atmosfer, ia terus-menerus menguap ke luar angkasa, sehingga kandungannya di atmosfer sangat kecil.

Uap air merupakan hasil penguapan air dari permukaan danau, sungai, laut, dan daratan.

Konsentrasi gas-gas utama di lapisan bawah atmosfer, kecuali uap air dan karbon dioksida, adalah konstan. Atmosfer mengandung sulfur oksida SO 2, amonia NH 3, karbon monoksida CO, ozon O 3, hidrogen klorida HCl, hidrogen fluorida HF, nitrogen monoksida NO, hidrokarbon, uap merkuri Hg, yodium I 2 dan banyak lainnya dalam jumlah kecil. Di lapisan atmosfer bawah, troposfer, selalu terdapat sejumlah besar partikel padat dan cair yang tersuspensi.

Sumber materi partikulat di atmosfer bumi meliputi letusan gunung berapi, serbuk sari, mikroorganisme, dan, yang terbaru, aktivitas manusia, seperti pembakaran bahan bakar fosil selama produksi. Partikel debu terkecil yang merupakan inti kondensasi menyebabkan terbentuknya kabut dan awan. Tanpa adanya partikel partikulat yang terus-menerus di atmosfer, curah hujan tidak akan turun ke Bumi.

Di permukaan laut 1013,25 hPa (sekitar 760 mmHg). Suhu udara rata-rata global di permukaan bumi adalah 15°C, dengan suhu bervariasi dari sekitar 57°C di gurun subtropis hingga -89°C di Antartika. Kepadatan dan tekanan udara berkurang seiring dengan ketinggian menurut hukum yang mendekati eksponensial.

Struktur atmosfer. Secara vertikal, atmosfer mempunyai struktur berlapis, terutama ditentukan oleh ciri-ciri distribusi suhu vertikal (gambar), yang bergantung pada letak geografis, musim, waktu, dan sebagainya. Lapisan bawah atmosfer - troposfer - dicirikan oleh penurunan suhu seiring dengan ketinggian (sekitar 6°C per 1 km), ketinggiannya dari 8-10 km di garis lintang kutub menjadi 16-18 km di daerah tropis. Karena penurunan kepadatan udara yang cepat seiring dengan ketinggian, sekitar 80% dari total massa atmosfer terletak di troposfer. Di atas troposfer terdapat stratosfer, suatu lapisan yang umumnya ditandai dengan peningkatan suhu seiring dengan ketinggian. Lapisan peralihan antara troposfer dan stratosfer disebut tropopause. Di stratosfer bagian bawah, hingga ketinggian sekitar 20 km, suhu sedikit berubah seiring ketinggian (yang disebut wilayah isotermal) dan bahkan seringkali sedikit menurun. Di atas itu, suhu meningkat akibat penyerapan radiasi UV Matahari oleh ozon, awalnya lambat, dan lebih cepat dari ketinggian 34-36 km. Batas atas stratosfer - stratopause - terletak pada ketinggian 50-55 km, sesuai dengan suhu maksimum (260-270 K). Lapisan atmosfer yang terletak pada ketinggian 55-85 km, yang suhunya kembali turun seiring dengan ketinggian, disebut mesosfer; pada batas atasnya - mesopause - suhu mencapai 150-160 K di musim panas, dan 200-230 K. K di musim dingin.Di atas mesopause, termosfer dimulai - lapisan yang ditandai dengan peningkatan suhu yang cepat, mencapai 800-1200 K pada ketinggian 250 km.Di termosfer, radiasi sel dan sinar-X dari Matahari diserap, meteor diperlambat dan terbakar, sehingga bertindak sebagai lapisan pelindung bumi. Yang lebih tinggi lagi adalah eksosfer, tempat gas-gas atmosfer tersebar ke luar angkasa karena disipasi dan tempat terjadinya transisi bertahap dari atmosfer ke ruang antarplanet.

Komposisi atmosfer. Hingga ketinggian sekitar 100 km, komposisi kimia atmosfer hampir homogen dan berat molekul rata-rata udara (sekitar 29) konstan. Di dekat permukaan bumi, atmosfer terdiri dari nitrogen (sekitar 78,1% volume) dan oksigen (sekitar 20,9%), dan juga mengandung sejumlah kecil argon, karbon dioksida (karbon dioksida), neon, dan komponen permanen dan variabel lainnya (lihat Udara ).

Selain itu, atmosfer mengandung sejumlah kecil ozon, nitrogen oksida, amonia, radon, dll. Kandungan relatif komponen utama udara adalah konstan dari waktu ke waktu dan seragam di berbagai wilayah geografis. Kandungan uap air dan ozon bervariasi dalam ruang dan waktu; Meskipun kandungannya rendah, perannya dalam proses atmosfer sangat signifikan.

Di atas 100-110 km terjadi disosiasi molekul oksigen, karbon dioksida, dan uap air, sehingga massa molekul udara berkurang. Pada ketinggian sekitar 1000 km, gas ringan - helium dan hidrogen - mulai mendominasi, dan bahkan lebih tinggi lagi, atmosfer bumi secara bertahap berubah menjadi gas antarplanet.

Komponen variabel terpenting atmosfer adalah uap air, yang masuk ke atmosfer melalui penguapan dari permukaan air dan tanah lembab, serta melalui transpirasi oleh tumbuhan. Kandungan relatif uap air di permukaan bumi bervariasi dari 2,6% di daerah tropis hingga 0,2% di garis lintang kutub. Jatuh dengan cepat seiring ketinggian, berkurang setengahnya pada ketinggian 1,5-2 km. Kolom vertikal atmosfer di garis lintang sedang mengandung sekitar 1,7 cm “lapisan air yang diendapkan”. Ketika uap air mengembun, awan terbentuk, yang menghasilkan presipitasi atmosfer dalam bentuk hujan, hujan es, dan salju.

Komponen penting dari udara atmosfer adalah ozon, terkonsentrasi 90% di stratosfer (antara 10 dan 50 km), sekitar 10% berada di troposfer. Ozon memberikan penyerapan radiasi UV keras (dengan panjang gelombang kurang dari 290 nm), dan inilah peran pelindungnya bagi biosfer. Nilai kandungan ozon total bervariasi tergantung garis lintang dan musim berkisar antara 0,22 hingga 0,45 cm (ketebalan lapisan ozon pada tekanan p = 1 atm dan suhu T = 0°C). Pada lubang ozon yang diamati pada musim semi di Antartika sejak awal tahun 1980-an, kandungan ozon dapat turun hingga 0,07 cm, meningkat dari ekuator hingga kutub dan memiliki siklus tahunan dengan maksimum pada musim semi dan minimum pada musim gugur, serta amplitudo sebesar siklus tahunannya kecil di daerah tropis dan tumbuh ke arah lintang tinggi. Komponen variabel atmosfer yang signifikan adalah karbon dioksida, yang kandungannya di atmosfer telah meningkat sebesar 35% selama 200 tahun terakhir, yang terutama disebabkan oleh faktor antropogenik. Variabilitas garis lintang dan musiman diamati, terkait dengan fotosintesis tanaman dan kelarutan dalam air laut (menurut hukum Henry, kelarutan gas dalam air menurun seiring dengan meningkatnya suhu).

Peran penting dalam membentuk iklim planet ini dimainkan oleh aerosol atmosfer - partikel padat dan cair yang tersuspensi di udara dengan ukuran mulai dari beberapa nm hingga puluhan mikron. Ada aerosol yang berasal dari alam dan antropogenik. Aerosol terbentuk dalam proses reaksi fasa gas dari produk kehidupan tumbuhan dan aktivitas ekonomi manusia, letusan gunung berapi, akibat debu yang terbawa angin dari permukaan planet, terutama dari daerah gurunnya, dan juga terbentuk dari debu kosmik yang jatuh ke lapisan atas atmosfer. Sebagian besar aerosol terkonsentrasi di troposfer, aerosol dari letusan gunung berapi membentuk lapisan Junge pada ketinggian sekitar 20 km. Jumlah terbesar aerosol antropogenik memasuki atmosfer sebagai akibat dari pengoperasian kendaraan dan pembangkit listrik tenaga panas, produksi bahan kimia, pembakaran bahan bakar, dll. Oleh karena itu, di beberapa daerah komposisi atmosfer sangat berbeda dari udara biasa, sehingga memerlukan udara. penciptaan layanan khusus untuk mengamati dan memantau tingkat pencemaran udara atmosfer.

Evolusi atmosfer. Atmosfer modern tampaknya berasal dari sekunder: atmosfer terbentuk dari gas yang dilepaskan oleh cangkang padat bumi setelah selesainya pembentukan planet sekitar 4,5 miliar tahun yang lalu. Selama sejarah geologi Bumi, atmosfer telah mengalami perubahan komposisi yang signifikan di bawah pengaruh sejumlah faktor: disipasi (penguapan) gas, terutama gas yang lebih ringan, ke luar angkasa; pelepasan gas dari litosfer akibat aktivitas gunung berapi; reaksi kimia antara komponen atmosfer dan batuan penyusun kerak bumi; reaksi fotokimia di atmosfer itu sendiri di bawah pengaruh radiasi UV matahari; pertambahan (penangkapan) materi dari media antarplanet (misalnya materi meteorik). Perkembangan atmosfer berkaitan erat dengan proses geologi dan geokimia, dan selama 3-4 miliar tahun terakhir juga dengan aktivitas biosfer. Sebagian besar gas yang membentuk atmosfer modern (nitrogen, karbon dioksida, uap air) muncul selama aktivitas gunung berapi dan intrusi yang membawanya dari kedalaman bumi. Oksigen muncul dalam jumlah yang cukup besar sekitar 2 miliar tahun yang lalu sebagai hasil dari organisme fotosintetik yang awalnya muncul di permukaan air laut.

Berdasarkan data komposisi kimia endapan karbonat, diperoleh perkiraan jumlah karbon dioksida dan oksigen di atmosfer geologi masa lalu. Sepanjang Fanerozoikum (570 juta tahun terakhir sejarah bumi), jumlah karbon dioksida di atmosfer sangat bervariasi tergantung pada tingkat aktivitas gunung berapi, suhu laut, dan laju fotosintesis. Selama ini, konsentrasi karbon dioksida di atmosfer jauh lebih tinggi dibandingkan saat ini (hingga 10 kali lipat). Jumlah oksigen di atmosfer Fanerozoikum berubah secara signifikan, dengan kecenderungan yang cenderung meningkat. Di atmosfer Prakambrium, massa karbon dioksida biasanya lebih besar, dan massa oksigen lebih kecil dibandingkan dengan atmosfer Fanerozoikum. Fluktuasi jumlah karbon dioksida mempunyai dampak yang signifikan terhadap iklim di masa lalu, meningkatkan efek rumah kaca dengan meningkatnya konsentrasi karbon dioksida, membuat iklim jauh lebih hangat di seluruh bagian utama Fanerozoikum dibandingkan dengan era modern.

Suasana dan kehidupan. Tanpa atmosfer, bumi akan menjadi planet mati. Kehidupan organik terjadi dalam interaksi yang erat dengan atmosfer serta iklim dan cuaca yang terkait. Massanya yang tidak signifikan dibandingkan dengan planet secara keseluruhan (sekitar satu bagian dalam sejuta), atmosfer merupakan kondisi yang sangat diperlukan bagi semua bentuk kehidupan. Gas atmosfer yang paling penting bagi kehidupan organisme adalah oksigen, nitrogen, uap air, karbon dioksida, dan ozon. Ketika karbon dioksida diserap oleh tanaman fotosintesis, bahan organik tercipta, yang digunakan sebagai sumber energi oleh sebagian besar makhluk hidup, termasuk manusia. Oksigen diperlukan untuk keberadaan organisme aerobik, yang aliran energinya disediakan oleh reaksi oksidasi bahan organik. Nitrogen, yang diasimilasi oleh beberapa mikroorganisme (pengikat nitrogen), diperlukan untuk nutrisi mineral tanaman. Ozon, yang menyerap radiasi UV keras dari Matahari, secara signifikan melemahkan bagian radiasi matahari yang berbahaya bagi kehidupan. Kondensasi uap air di atmosfer, pembentukan awan, dan curah hujan selanjutnya memasok air ke daratan, yang tanpanya tidak ada bentuk kehidupan yang mungkin terjadi. Aktivitas vital organisme di hidrosfer sangat ditentukan oleh jumlah dan komposisi kimia gas atmosfer yang terlarut dalam air. Karena komposisi kimiawi atmosfer sangat bergantung pada aktivitas organisme, biosfer dan atmosfer dapat dianggap sebagai bagian dari satu sistem, yang pemeliharaan dan evolusinya (lihat Siklus biogeokimia) sangat penting untuk mengubah komposisi atmosfer. atmosfer sepanjang sejarah bumi sebagai sebuah planet.

Keseimbangan radiasi, panas dan air di atmosfer. Radiasi matahari praktis merupakan satu-satunya sumber energi untuk semua proses fisik di atmosfer. Ciri utama rezim radiasi atmosfer adalah apa yang disebut efek rumah kaca: atmosfer mentransmisikan radiasi matahari ke permukaan bumi dengan cukup baik, tetapi secara aktif menyerap radiasi termal gelombang panjang dari permukaan bumi, sebagian kembali ke permukaan. dalam bentuk radiasi balasan, yang mengkompensasi hilangnya panas radiasi dari permukaan bumi (lihat Radiasi atmosfer ). Jika tidak ada atmosfer, suhu rata-rata permukaan bumi adalah -18°C, namun kenyataannya 15°C. Radiasi matahari yang masuk sebagian (sekitar 20%) diserap ke atmosfer (terutama oleh uap air, tetesan air, karbon dioksida, ozon dan aerosol), dan juga dihamburkan (sekitar 7%) oleh partikel aerosol dan fluktuasi kepadatan (hamburan Rayleigh) . Total radiasi yang mencapai permukaan bumi sebagian (sekitar 23%) dipantulkan darinya. Koefisien reflektansi ditentukan oleh reflektifitas permukaan di bawahnya, yang disebut albedo. Rata-rata, albedo bumi terhadap fluks integral radiasi matahari mendekati 30%. Nilainya bervariasi dari beberapa persen (tanah kering dan tanah hitam) hingga 70-90% untuk salju yang baru turun. Pertukaran panas radiasi antara permukaan bumi dan atmosfer sangat bergantung pada albedo dan ditentukan oleh radiasi efektif permukaan bumi dan radiasi balik atmosfer yang diserapnya. Jumlah aljabar fluks radiasi yang masuk ke atmosfer bumi dari luar angkasa dan keluar kembali disebut keseimbangan radiasi.

Transformasi radiasi matahari setelah diserap oleh atmosfer dan permukaan bumi menentukan keseimbangan panas bumi sebagai sebuah planet. Sumber utama panas atmosfer adalah permukaan bumi; panas darinya dipindahkan tidak hanya dalam bentuk radiasi gelombang panjang, tetapi juga secara konveksi, dan juga dilepaskan selama kondensasi uap air. Porsi aliran panas ini rata-rata masing-masing sebesar 20%, 7% dan 23%. Sekitar 20% panas juga ditambahkan di sini karena penyerapan radiasi matahari langsung. Fluks radiasi matahari per satuan waktu melalui suatu area yang tegak lurus sinar matahari dan terletak di luar atmosfer pada jarak rata-rata bumi ke matahari (yang disebut konstanta matahari) adalah sebesar 1367 W/m2, perubahannya adalah 1-2 W/m2 tergantung siklus aktivitas matahari. Dengan albedo planet sekitar 30%, rata-rata aliran energi matahari global ke planet ini adalah 239 W/m2. Karena Bumi sebagai planet rata-rata mengeluarkan energi dalam jumlah yang sama ke luar angkasa, maka menurut hukum Stefan-Boltzmann, suhu efektif radiasi gelombang panjang termal yang keluar adalah 255 K (-18°C). Pada saat yang sama, suhu rata-rata permukaan bumi adalah 15°C. Perbedaan suhu sebesar 33°C disebabkan oleh efek rumah kaca.

Keseimbangan air di atmosfer secara umum berhubungan dengan kesetaraan jumlah uap air yang diuapkan dari permukaan bumi dan jumlah curah hujan yang jatuh di permukaan bumi. Atmosfer di atas lautan menerima lebih banyak uap air dari proses penguapan dibandingkan di daratan, dan kehilangan 90% dalam bentuk presipitasi. Uap air berlebih di lautan diangkut ke benua melalui arus udara. Jumlah uap air yang dipindahkan ke atmosfer dari lautan ke benua sama dengan volume sungai yang mengalir ke lautan.

Pergerakan udara. Bumi berbentuk bulat, sehingga radiasi matahari yang mencapai garis lintang tinggi jauh lebih sedikit dibandingkan daerah tropis. Akibatnya, terjadi perbedaan suhu yang besar antar garis lintang. Distribusi suhu juga sangat dipengaruhi oleh posisi relatif lautan dan benua. Karena banyaknya massa air laut dan kapasitas panas air yang tinggi, fluktuasi musiman suhu permukaan laut jauh lebih kecil dibandingkan di darat. Dalam hal ini, di garis lintang menengah dan tinggi, suhu udara di atas lautan pada musim panas terasa lebih rendah daripada di benua, dan lebih tinggi di musim dingin.

Pemanasan atmosfer yang tidak merata di berbagai wilayah di dunia menyebabkan distribusi tekanan atmosfer yang tidak homogen secara spasial. Di permukaan laut, distribusi tekanan ditandai dengan nilai yang relatif rendah di dekat ekuator, meningkat di daerah subtropis (sabuk tekanan tinggi) dan menurun di garis lintang tengah dan tinggi. Pada saat yang sama, di benua dengan garis lintang ekstratropis, tekanan biasanya meningkat di musim dingin dan menurun di musim panas, yang berhubungan dengan distribusi suhu. Di bawah pengaruh gradien tekanan, udara mengalami percepatan yang diarahkan dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah, yang menyebabkan pergerakan massa udara. Pergerakan massa udara juga dipengaruhi oleh gaya pembelokan rotasi bumi (gaya Coriolis), gaya gesekan yang berkurang seiring ketinggian, dan, untuk lintasan melengkung, gaya sentrifugal. Pencampuran turbulen udara sangatlah penting (lihat Turbulensi di atmosfer).

Sistem arus udara yang kompleks (sirkulasi atmosfer umum) dikaitkan dengan distribusi tekanan planet. Pada bidang meridional, rata-rata dua atau tiga sel sirkulasi meridional dapat dilacak. Di dekat khatulistiwa, udara panas naik dan turun di daerah subtropis, membentuk sel Hadley. Udara dari sel Ferrell terbalik juga turun ke sana. Di lintang tinggi, sel kutub lurus sering terlihat. Kecepatan sirkulasi meridian berada pada urutan 1 m/s atau kurang. Karena gaya Coriolis, angin barat diamati di sebagian besar atmosfer dengan kecepatan di troposfer tengah sekitar 15 m/s. Ada sistem angin yang relatif stabil. Ini termasuk angin pasat - angin yang bertiup dari zona bertekanan tinggi di subtropis ke khatulistiwa dengan komponen timur yang nyata (dari timur ke barat). Musim hujan cukup stabil - arus udara yang memiliki karakter musiman yang jelas: bertiup dari laut ke daratan di musim panas dan berlawanan arah di musim dingin. Musim hujan di Samudera Hindia sangat sering terjadi. Di garis lintang tengah, pergerakan massa udara sebagian besar terjadi ke arah barat (dari barat ke timur). Ini adalah zona front atmosfer tempat munculnya pusaran besar - siklon dan antisiklon, yang mencakup ratusan bahkan ribuan kilometer. Siklon juga terjadi di daerah tropis; di sini mereka dibedakan berdasarkan ukurannya yang lebih kecil, tetapi kecepatan angin yang sangat tinggi, mencapai kekuatan badai (33 m/s atau lebih), yang disebut siklon tropis. Di Samudra Atlantik dan Pasifik bagian timur disebut angin topan, dan di Samudra Pasifik bagian barat disebut topan. Di troposfer atas dan stratosfer bawah, di area yang memisahkan sel sirkulasi meridional Hadley langsung dan sel Ferrell terbalik, aliran jet dengan batas yang jelas sering diamati, relatif sempit, lebarnya ratusan kilometer, di mana kecepatan angin mencapai 100-150. dan bahkan 200 m/ Dengan.

Iklim dan cuaca. Perbedaan jumlah radiasi matahari yang sampai ke permukaan bumi pada garis lintang yang berbeda, yang sifat fisiknya bervariasi, menentukan keanekaragaman iklim bumi. Dari garis khatulistiwa hingga garis lintang tropis, suhu udara di permukaan bumi rata-rata 25-30°C dan sedikit bervariasi sepanjang tahun. Di zona khatulistiwa, biasanya terdapat banyak curah hujan, sehingga menciptakan kondisi kelembaban berlebih di sana. Di zona tropis, curah hujan berkurang dan di beberapa daerah menjadi sangat rendah. Inilah gurun luas di Bumi.

Di garis lintang subtropis dan tengah, suhu udara sangat bervariasi sepanjang tahun, dan perbedaan suhu antara musim panas dan musim dingin sangat besar di wilayah benua yang jauh dari lautan. Jadi, di beberapa wilayah Siberia Timur, kisaran suhu udara tahunan mencapai 65°C. Kondisi pelembapan di garis lintang ini sangat beragam, terutama bergantung pada sirkulasi atmosfer secara umum dan bervariasi secara signifikan dari tahun ke tahun.

Di garis lintang kutub, suhu tetap rendah sepanjang tahun, meskipun terdapat variasi musim yang nyata. Hal ini berkontribusi pada meluasnya penyebaran lapisan es di lautan dan daratan serta lapisan es, yang menempati lebih dari 65% wilayahnya di Rusia, terutama di Siberia.

Selama beberapa dekade terakhir, perubahan iklim global semakin nyata. Suhu meningkat lebih banyak di wilayah lintang tinggi dibandingkan di wilayah lintang rendah; lebih banyak di musim dingin daripada di musim panas; lebih banyak pada malam hari dibandingkan pada siang hari. Selama abad ke-20, suhu udara tahunan rata-rata di permukaan bumi di Rusia meningkat 1,5-2°C, dan di beberapa wilayah Siberia terjadi peningkatan beberapa derajat. Hal ini terkait dengan peningkatan efek rumah kaca akibat peningkatan konsentrasi gas sisa.

Cuaca ditentukan oleh kondisi sirkulasi atmosfer dan lokasi geografis wilayah tersebut; cuaca paling stabil di daerah tropis dan paling bervariasi di garis lintang menengah dan tinggi. Perubahan cuaca terutama terjadi di zona perubahan massa udara yang disebabkan oleh lewatnya front atmosfer, siklon dan antisiklon yang membawa curah hujan dan peningkatan angin. Data untuk prakiraan cuaca dikumpulkan di stasiun cuaca berbasis darat, kapal dan pesawat terbang, dan dari satelit meteorologi. Lihat juga Meteorologi.

Fenomena optik, akustik dan listrik di atmosfer. Ketika radiasi elektromagnetik merambat di atmosfer, sebagai akibat dari pembiasan, penyerapan dan hamburan cahaya oleh udara dan berbagai partikel (aerosol, kristal es, tetesan air), berbagai fenomena optik muncul: pelangi, mahkota, lingkaran cahaya, fatamorgana, dll. hamburan cahaya menentukan ketinggian kubah langit dan warna biru langit. Jangkauan jarak pandang suatu benda ditentukan oleh kondisi perambatan cahaya di atmosfer (lihat Jarak pandang atmosfer). Transparansi atmosfer pada panjang gelombang yang berbeda menentukan jangkauan komunikasi dan kemampuan mendeteksi objek dengan instrumen, termasuk kemungkinan pengamatan astronomi dari permukaan bumi. Untuk studi ketidakhomogenan optik stratosfer dan mesosfer, fenomena senja memainkan peran penting. Misalnya, memotret senja dari pesawat ruang angkasa memungkinkan pendeteksian lapisan aerosol. Fitur perambatan radiasi elektromagnetik di atmosfer menentukan keakuratan metode penginderaan jauh dari parameternya. Semua pertanyaan ini, serta banyak pertanyaan lainnya, dipelajari oleh optik atmosfer. Pembiasan dan hamburan gelombang radio menentukan kemungkinan penerimaan radio (lihat Perambatan gelombang radio).

Perambatan suara di atmosfer bergantung pada distribusi spasial suhu dan kecepatan angin (lihat Akustik atmosfer). Hal ini menarik untuk penginderaan atmosfer dengan metode jarak jauh. Ledakan muatan yang diluncurkan oleh roket ke atmosfer bagian atas memberikan banyak informasi tentang sistem angin dan variasi suhu di stratosfer dan mesosfer. Dalam atmosfer dengan stratifikasi stabil, ketika suhu turun dengan ketinggian lebih lambat dari gradien adiabatik (9,8 K/km), maka timbullah apa yang disebut gelombang internal. Gelombang ini dapat merambat ke atas hingga ke stratosfer dan bahkan ke mesosfer, di mana gelombang tersebut melemah, sehingga berkontribusi terhadap peningkatan angin dan turbulensi.

Muatan negatif bumi dan medan listrik yang dihasilkan, atmosfer, bersama dengan ionosfer dan magnetosfer yang bermuatan listrik, menciptakan sirkuit listrik global. Pembentukan awan dan listrik badai memainkan peran penting dalam hal ini. Bahaya pelepasan petir mengharuskan pengembangan metode proteksi petir untuk bangunan, struktur, saluran listrik dan komunikasi. Fenomena ini menimbulkan bahaya khusus bagi penerbangan. Pelepasan petir menyebabkan gangguan radio atmosfer, yang disebut atmosfer (lihat Atmosfer bersiul). Selama peningkatan tajam dalam kekuatan medan listrik, pelepasan cahaya diamati yang muncul di ujung dan sudut tajam benda yang menonjol di atas permukaan bumi, di puncak individu di pegunungan, dll. (Lampu Elma). Atmosfer selalu mengandung ion ringan dan berat dalam jumlah yang sangat bervariasi, bergantung pada kondisi tertentu, yang menentukan konduktivitas listrik atmosfer. Pengionisasi utama udara di dekat permukaan bumi adalah radiasi zat radioaktif yang terkandung di kerak bumi dan atmosfer, serta sinar kosmik. Lihat juga Listrik atmosfer.

Pengaruh manusia terhadap atmosfer. Selama berabad-abad yang lalu, telah terjadi peningkatan konsentrasi gas rumah kaca di atmosfer akibat aktivitas ekonomi manusia. Persentase karbon dioksida meningkat dari 2,8-10 2 dua ratus tahun yang lalu menjadi 3,8-10 2 pada tahun 2005, kandungan metana - dari 0,7-10 1 sekitar 300-400 tahun yang lalu menjadi 1,8-10 -4 pada awal tanggal 21 abad; sekitar 20% peningkatan efek rumah kaca selama satu abad terakhir berasal dari freon, yang praktis tidak ada di atmosfer hingga pertengahan abad ke-20. Zat-zat ini diakui sebagai perusak ozon stratosfer, dan produksinya dilarang berdasarkan Protokol Montreal 1987. Peningkatan konsentrasi karbon dioksida di atmosfer disebabkan oleh pembakaran batu bara, minyak, gas dan jenis bahan bakar karbon lainnya dalam jumlah yang semakin meningkat, serta pembukaan hutan, yang mengakibatkan penyerapan karbon dioksida. karbon dioksida melalui fotosintesis berkurang. Konsentrasi metana meningkat seiring dengan peningkatan produksi minyak dan gas (karena kerugiannya), serta perluasan tanaman padi dan peningkatan jumlah ternak. Semua ini berkontribusi terhadap pemanasan iklim.

Untuk mengubah cuaca, metode telah dikembangkan yang secara aktif mempengaruhi proses atmosfer. Mereka digunakan untuk melindungi tanaman pertanian dari hujan es dengan menyebarkan reagen khusus di awan petir. Ada juga metode untuk menyebarkan kabut di bandara, melindungi tanaman dari embun beku, mempengaruhi awan untuk meningkatkan curah hujan di area yang diinginkan, atau untuk menyebarkan awan selama acara publik.

Studi tentang atmosfer. Informasi tentang proses fisik di atmosfer diperoleh terutama dari pengamatan meteorologi, yang dilakukan oleh jaringan global stasiun dan pos meteorologi yang beroperasi secara permanen yang berlokasi di semua benua dan di banyak pulau. Pengamatan harian memberikan informasi tentang suhu dan kelembaban udara, tekanan dan curah hujan atmosfer, kekeruhan, angin, dll. Pengamatan radiasi matahari dan transformasinya dilakukan di stasiun aktinometri. Yang sangat penting untuk mempelajari atmosfer adalah jaringan stasiun aerologi, di mana pengukuran meteorologi dilakukan hingga ketinggian 30-35 km menggunakan radiosonde. Di sejumlah stasiun, dilakukan pengamatan ozon atmosfer, fenomena kelistrikan di atmosfer, dan komposisi kimia udara.

Data dari stasiun bumi dilengkapi dengan pengamatan di lautan, tempat “kapal cuaca” beroperasi, yang secara permanen berlokasi di wilayah tertentu di Samudra Dunia, serta informasi meteorologi yang diperoleh dari penelitian dan kapal lainnya.

Dalam beberapa dekade terakhir, semakin banyak informasi tentang atmosfer yang diperoleh dengan menggunakan satelit meteorologi, yang membawa instrumen untuk memotret awan dan mengukur fluks radiasi ultraviolet, inframerah, dan gelombang mikro dari Matahari. Satelit memungkinkan untuk memperoleh informasi tentang profil vertikal suhu, kekeruhan dan pasokan airnya, elemen keseimbangan radiasi atmosfer, suhu permukaan laut, dll. Dengan menggunakan pengukuran pembiasan sinyal radio dari sistem satelit navigasi, itu dimungkinkan untuk menentukan profil vertikal kepadatan, tekanan dan suhu, serta kadar air di atmosfer. Dengan bantuan satelit, dimungkinkan untuk memperjelas nilai konstanta matahari dan albedo planet Bumi, membuat peta keseimbangan radiasi sistem bumi-atmosfer, mengukur kandungan dan variabilitas polutan atmosfer kecil, dan memecahkan masalah. banyak masalah lain fisika atmosfer dan pemantauan lingkungan.

Lit.: Budyko M.I. Iklim di masa lalu dan masa depan. L., 1980; Matveev L. T. Kursus meteorologi umum. Fisika atmosfer. edisi ke-2. L., 1984; Budyko M.I., Ronov A.B., Yanshin A.L. Sejarah atmosfer. L., 1985; Khrgian A. Kh.Fisika Atmosfer. M., 1986; Suasana: Direktori. L., 1991; Khromov S.P., Petrosyants M.A. Meteorologi dan klimatologi. edisi ke-5. M., 2001.

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

Atmosfer bumi adalah selubung gas planet kita. Omong-omong, hampir semua benda langit memiliki cangkang yang serupa, mulai dari planet tata surya hingga asteroid besar. tergantung pada banyak faktor - ukuran kecepatan, massa, dan banyak parameter lainnya. Namun hanya cangkang planet kita yang mengandung komponen yang memungkinkan kita untuk hidup.

Atmosfer bumi: sejarah singkat terjadinya

Diyakini bahwa pada awal keberadaannya, planet kita tidak memiliki cangkang gas sama sekali. Namun benda angkasa muda yang baru terbentuk terus berevolusi. Atmosfer utama bumi terbentuk sebagai akibat dari letusan gunung berapi yang terus-menerus. Beginilah, selama ribuan tahun, lapisan uap air, nitrogen, karbon, dan unsur-unsur lain (kecuali oksigen) terbentuk di sekitar bumi.

Karena jumlah kelembapan di atmosfer terbatas, kelebihannya berubah menjadi curah hujan - beginilah terbentuknya laut, samudera, dan perairan lainnya. Organisme pertama yang menghuni planet ini muncul dan berkembang di lingkungan perairan. Kebanyakan dari mereka milik organisme tumbuhan yang menghasilkan oksigen melalui fotosintesis. Dengan demikian, atmosfer bumi mulai terisi dengan gas vital ini. Dan sebagai hasil dari akumulasi oksigen, terbentuklah lapisan ozon, yang melindungi planet ini dari efek berbahaya radiasi ultraviolet. Faktor-faktor inilah yang menciptakan semua kondisi bagi keberadaan kita.

Struktur atmosfer bumi

Seperti yang Anda ketahui, cangkang gas planet kita terdiri dari beberapa lapisan - troposfer, stratosfer, mesosfer, termosfer. Tidak mungkin untuk menarik batas yang jelas antara lapisan-lapisan ini - semuanya tergantung pada waktu dalam setahun dan garis lintang planet.

Troposfer adalah bagian bawah cangkang gas, yang tingginya rata-rata 10 hingga 15 kilometer. Di sinilah sebagian besar kelembapan terkonsentrasi, dan di sinilah semua kelembapan berada dan awan terbentuk. Karena kandungan oksigennya, troposfer mendukung aktivitas kehidupan semua organisme. Selain itu, sangat penting dalam membentuk cuaca dan fitur iklim di daerah tersebut - tidak hanya awan, tetapi juga angin yang terbentuk di sini. Suhu turun seiring ketinggian.

Stratosfer - dimulai dari troposfer dan berakhir pada ketinggian 50 hingga 55 kilometer. Di sini suhu meningkat seiring ketinggian. Bagian atmosfer ini hampir tidak mengandung uap air, namun memiliki lapisan ozon. Kadang-kadang di sini Anda dapat melihat pembentukan awan “mutiara”, yang hanya dapat dilihat pada malam hari - diyakini diwakili oleh tetesan air yang sangat kental.

Mesosfer membentang hingga 80 kilometer ke atas. Di lapisan ini Anda dapat melihat penurunan suhu yang tajam saat Anda bergerak ke atas. Turbulensi juga sangat berkembang di sini. Omong-omong, apa yang disebut "awan noctilucent" terbentuk di mesosfer, yang terdiri dari kristal es kecil - hanya dapat dilihat pada malam hari. Menariknya, praktis tidak ada udara di batas atas mesosfer - jumlahnya 200 kali lebih sedikit dibandingkan di dekat permukaan bumi.

Termosfer adalah lapisan atas cangkang gas bumi, yang biasanya dibedakan antara ionosfer dan eksosfer. Menariknya, suhu di sini meningkat sangat tajam seiring ketinggian - pada ketinggian 800 kilometer dari permukaan bumi suhunya lebih dari 1000 derajat Celcius. Ionosfer dicirikan oleh udara yang sangat encer dan kandungan ion aktif yang sangat besar. Sedangkan untuk eksosfer, bagian atmosfer ini dengan lancar berpindah ke ruang antarplanet. Perlu dicatat bahwa termosfer tidak mengandung udara.

Dapat diketahui bahwa atmosfer bumi merupakan bagian yang sangat penting dari planet kita, yang tetap menjadi faktor penentu munculnya kehidupan. Ia menjamin aktivitas kehidupan, menjaga keberadaan hidrosfer (cangkang berair planet ini) dan melindungi dari radiasi ultraviolet.

10.045×10 3 J/(kg*K) (dalam kisaran suhu 0-100°C), C v 8.3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). Kelarutan udara dalam air pada 0°C adalah 0,036%, pada 25°C - 0,22%.

Komposisi atmosfer

Sejarah pembentukan atmosfer

Sejarah awal

Saat ini, ilmu pengetahuan belum bisa menelusuri seluruh tahapan pembentukan bumi dengan akurasi seratus persen. Menurut teori paling umum, atmosfer bumi memiliki empat komposisi berbeda dari waktu ke waktu. Awalnya, itu terdiri dari gas ringan (hidrogen dan helium) yang ditangkap dari ruang antarplanet. Inilah yang disebut suasana primer. Pada tahap selanjutnya, aktivitas vulkanik aktif menyebabkan kejenuhan atmosfer dengan gas selain hidrogen (hidrokarbon, amonia, uap air). Ini adalah bagaimana hal itu terbentuk suasana sekunder. Suasana ini memulihkan. Selanjutnya proses pembentukan atmosfer ditentukan oleh faktor-faktor berikut:

• kebocoran hidrogen secara konstan ke ruang antarplanet;
• reaksi kimia yang terjadi di atmosfer di bawah pengaruh radiasi ultraviolet, pelepasan petir dan beberapa faktor lainnya.

Lambat laun faktor-faktor ini menyebabkan terbentuknya suasana tersier, ditandai dengan kandungan hidrogen yang jauh lebih rendah dan kandungan nitrogen dan karbon dioksida yang jauh lebih tinggi (terbentuk sebagai hasil reaksi kimia dari amonia dan hidrokarbon).

Munculnya kehidupan dan oksigen

Dengan munculnya makhluk hidup di bumi sebagai hasil fotosintesis yang disertai dengan pelepasan oksigen dan penyerapan karbon dioksida, komposisi atmosfer mulai berubah. Namun demikian, data (analisis komposisi isotop oksigen atmosfer dan yang dilepaskan selama fotosintesis) yang menunjukkan asal usul oksigen atmosfer secara geologis.

Awalnya, oksigen dihabiskan untuk oksidasi senyawa tereduksi - hidrokarbon, besi berbentuk besi yang terkandung di lautan, dll. Pada akhir tahap ini, kandungan oksigen di atmosfer mulai meningkat.

Pada tahun 1990-an, percobaan dilakukan untuk menciptakan sistem ekologi tertutup (“Biosfer 2”), di mana tidak mungkin menciptakan sistem yang stabil dengan komposisi udara yang seragam. Pengaruh mikroorganisme menyebabkan penurunan kadar oksigen dan peningkatan jumlah karbon dioksida.

Nitrogen

Pembentukan sejumlah besar N 2 disebabkan oleh oksidasi atmosfer primer amonia-hidrogen dengan molekul O 2, yang mulai berasal dari permukaan planet sebagai hasil fotosintesis, diperkirakan sekitar 3 miliar tahun yang lalu (menurut menurut versi lain, oksigen atmosfer berasal dari geologi). Nitrogen dioksidasi menjadi NO di lapisan atas atmosfer, digunakan dalam industri dan diikat oleh bakteri pengikat nitrogen, sedangkan N2 dilepaskan ke atmosfer sebagai akibat denitrifikasi nitrat dan senyawa lain yang mengandung nitrogen.

Nitrogen N 2 adalah gas inert dan hanya bereaksi dalam kondisi tertentu (misalnya, saat terjadi pelepasan petir). Cyanobacteria dan beberapa bakteri (misalnya bakteri bintil yang bersimbiosis rhizobial dengan tanaman polong-polongan) dapat mengoksidasi dan mengubahnya menjadi bentuk biologis.

Oksidasi molekul nitrogen oleh pelepasan listrik digunakan dalam produksi industri pupuk nitrogen, dan juga menyebabkan pembentukan endapan nitrat yang unik di Gurun Atacama Chili.

gas mulia

Pembakaran bahan bakar merupakan sumber utama gas pencemar (CO, NO, SO2). Sulfur dioksida dioksidasi oleh udara O 2 menjadi SO 3 di lapisan atas atmosfer, yang berinteraksi dengan uap H 2 O dan NH 3, dan menghasilkan H 2 SO 4 dan (NH 4) 2 SO 4 kembali ke permukaan bumi. bersamaan dengan curah hujan. Penggunaan mesin pembakaran internal menyebabkan polusi atmosfer yang signifikan dengan nitrogen oksida, hidrokarbon, dan senyawa Pb.

Pencemaran aerosol di atmosfer disebabkan oleh penyebab alami (letusan gunung berapi, badai debu, sisa tetesan air laut dan partikel serbuk sari tumbuhan, dll.) dan aktivitas ekonomi manusia (menambang bijih dan bahan bangunan, pembakaran bahan bakar, pembuatan semen, dll. .) . Pelepasan materi partikulat dalam skala besar ke atmosfer merupakan salah satu kemungkinan penyebab perubahan iklim di planet ini.

Struktur atmosfer dan karakteristik masing-masing cangkang

Keadaan fisik atmosfer ditentukan oleh cuaca dan iklim. Parameter dasar atmosfer: kepadatan udara, tekanan, suhu dan komposisi. Dengan bertambahnya ketinggian, kepadatan udara dan tekanan atmosfer menurun. Suhu juga berubah seiring perubahan ketinggian. Struktur vertikal atmosfer dicirikan oleh suhu dan sifat listrik yang berbeda, serta kondisi udara yang berbeda. Tergantung pada suhu di atmosfer, lapisan utama berikut dibedakan: troposfer, stratosfer, mesosfer, termosfer, eksosfer (bola hamburan). Daerah peralihan atmosfer antara cangkang yang berdekatan masing-masing disebut tropopause, stratopause, dll.

Troposfer

Stratosfir

Di stratosfer, sebagian besar radiasi ultraviolet gelombang pendek (180-200 nm) dipertahankan dan energi gelombang pendek diubah. Di bawah pengaruh sinar ini, medan magnet berubah, molekul terurai, terjadi ionisasi, dan pembentukan gas baru serta senyawa kimia lainnya terjadi. Proses-proses tersebut dapat diamati dalam bentuk cahaya utara, kilat, dan cahaya lainnya.

Di stratosfer dan lapisan yang lebih tinggi, di bawah pengaruh radiasi matahari, molekul gas berdisosiasi menjadi atom (di atas 80 km CO 2 dan H 2 berdisosiasi, di atas 150 km - O 2, di atas 300 km - H 2). Pada ketinggian 100-400 km, ionisasi gas juga terjadi di ionosfer; pada ketinggian 320 km, konsentrasi partikel bermuatan (O + 2, O − 2, N + 2) adalah ~ 1/300 dari konsentrasi partikel netral. Di lapisan atas atmosfer terdapat radikal bebas - OH, HO 2, dll.

Hampir tidak ada uap air di stratosfer.

Mesosfer

Hingga ketinggian 100 km, atmosfer merupakan campuran gas yang homogen dan tercampur dengan baik. Di lapisan yang lebih tinggi, distribusi gas berdasarkan ketinggian bergantung pada berat molekulnya; konsentrasi gas yang lebih berat berkurang lebih cepat seiring dengan bertambahnya jarak dari permukaan bumi. Karena penurunan kepadatan gas, suhu turun dari 0°C di stratosfer menjadi −110°C di mesosfer. Namun, energi kinetik partikel individu pada ketinggian 200-250 km setara dengan suhu ~1500°C. Di atas 200 km, terjadi fluktuasi suhu dan kepadatan gas yang signifikan dalam ruang dan waktu.

Pada ketinggian sekitar 2000-3000 km, eksosfer secara bertahap berubah menjadi apa yang disebut ruang hampa dekat, yang diisi dengan partikel gas antarplanet yang sangat langka, terutama atom hidrogen. Namun gas ini hanya mewakili sebagian dari materi antarplanet. Bagian lainnya terdiri dari partikel debu yang berasal dari komet dan meteorik. Selain partikel yang sangat langka ini, radiasi elektromagnetik dan sel yang berasal dari matahari dan galaksi menembus ke dalam ruang ini.

Troposfer menyumbang sekitar 80% massa atmosfer, stratosfer - sekitar 20%; massa mesosfer tidak lebih dari 0,3%, termosfer kurang dari 0,05% total massa atmosfer. Berdasarkan sifat kelistrikannya di atmosfer, neutronosfer dan ionosfer dibedakan. Saat ini atmosfer diyakini meluas hingga ketinggian 2000-3000 km.

Tergantung pada komposisi gas di atmosfer, mereka mengeluarkannya homosfer Dan heterosfer. Heterosfer- Ini adalah area di mana gravitasi mempengaruhi pemisahan gas, karena pencampurannya pada ketinggian tersebut dapat diabaikan. Ini menyiratkan komposisi heterosfer yang bervariasi. Di bawahnya terdapat bagian atmosfer yang tercampur rata dan homogen yang disebut homosfer. Batas antar lapisan ini disebut turbopause, terletak pada ketinggian sekitar 120 km.

Sifat atmosfer

Sudah berada di ketinggian 5 km di atas permukaan laut, orang yang tidak terlatih mulai mengalami kelaparan oksigen dan tanpa adaptasi, kinerja seseorang menurun secara signifikan. Zona fisiologis atmosfer berakhir di sini. Pernapasan manusia menjadi tidak mungkin dilakukan pada ketinggian 15 km, meskipun hingga kurang lebih 115 km atmosfer mengandung oksigen.

Atmosfer memasok kita dengan oksigen yang diperlukan untuk bernapas. Namun, karena penurunan tekanan total atmosfer, seiring bertambahnya ketinggian, tekanan parsial oksigen juga menurun.

Paru-paru manusia selalu mengandung sekitar 3 liter udara alveolar. Tekanan parsial oksigen di udara alveolar pada tekanan atmosfer normal adalah 110 mmHg. Seni., tekanan karbon dioksida - 40 mm Hg. Seni., dan uap air −47 mm Hg. Seni. Dengan bertambahnya ketinggian, tekanan oksigen turun, dan tekanan uap total air dan karbon dioksida di paru-paru hampir konstan - sekitar 87 mm Hg. Seni. Pasokan oksigen ke paru-paru akan berhenti total ketika tekanan udara sekitar menjadi sama dengan nilai ini.

Pada ketinggian sekitar 19-20 km, tekanan atmosfer turun menjadi 47 mm Hg. Seni. Oleh karena itu, pada ketinggian ini, air dan cairan interstisial mulai mendidih di dalam tubuh manusia. Di luar kabin bertekanan pada ketinggian tersebut, kematian terjadi hampir seketika. Jadi, dari sudut pandang fisiologi manusia, “ruang” sudah dimulai pada ketinggian 15-19 km.

Lapisan udara yang padat - troposfer dan stratosfer - melindungi kita dari efek radiasi yang merusak. Dengan penghalusan udara yang cukup, pada ketinggian lebih dari 36 km, radiasi pengion - sinar kosmik primer - memiliki efek yang kuat pada tubuh; Pada ketinggian lebih dari 40 km, bagian ultraviolet dari spektrum matahari berbahaya bagi manusia.

Struktur atmosfer bumi

Atmosfer adalah cangkang gas bumi beserta partikel-partikel aerosol yang dikandungnya, bergerak bersama-sama dengan bumi di angkasa sebagai satu kesatuan dan sekaligus ikut serta dalam perputaran bumi. Sebagian besar kehidupan kita terjadi di dasar atmosfer.

Hampir semua planet di tata surya kita memiliki atmosfernya masing-masing, namun hanya atmosfer bumi yang mampu mendukung kehidupan.

Ketika planet kita terbentuk 4,5 miliar tahun yang lalu, planet ini tampaknya tidak memiliki atmosfer. Atmosfer terbentuk sebagai akibat dari emisi uap air vulkanik yang bercampur dengan karbon dioksida, nitrogen, dan bahan kimia lainnya dari bagian dalam planet muda. Namun atmosfer hanya mengandung uap air dalam jumlah terbatas, sehingga kelebihan uap air akibat kondensasi menimbulkan lautan. Tapi kemudian atmosfernya kekurangan oksigen. Makhluk hidup pertama yang berasal dan berkembang di lautan, sebagai hasil reaksi fotosintesis (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2), mulai melepaskan sebagian kecil oksigen, yang mulai masuk ke atmosfer.

Terbentuknya oksigen di atmosfer bumi menyebabkan terbentuknya lapisan ozon pada ketinggian kurang lebih 8 – 30 km. Dan dengan demikian, planet kita telah memperoleh perlindungan dari efek berbahaya radiasi ultraviolet. Keadaan ini menjadi pendorong bagi evolusi lebih lanjut bentuk kehidupan di Bumi, karena Sebagai hasil dari peningkatan fotosintesis, jumlah oksigen di atmosfer mulai meningkat pesat, yang berkontribusi pada pembentukan dan pemeliharaan bentuk kehidupan, termasuk di darat.

Saat ini atmosfer kita terdiri dari 78,1% nitrogen, 21% oksigen, 0,9% argon, dan 0,04% karbon dioksida. Fraksi yang sangat kecil dibandingkan gas utama adalah neon, helium, metana, dan kripton.

Partikel gas yang terdapat di atmosfer dipengaruhi oleh gaya gravitasi bumi. Dan, karena udara bersifat kompresibel, kepadatannya berangsur-angsur berkurang seiring dengan ketinggian, berpindah ke luar angkasa tanpa batas yang jelas. Setengah dari total massa atmosfer bumi terkonsentrasi di 5 km terbawah, tiga perempatnya di 10 km terbawah, dan sembilan persepuluhnya di 20 km terbawah. 99% massa atmosfer bumi terkonsentrasi di bawah ketinggian 30 km, yaitu hanya 0,5% radius khatulistiwa planet kita.

Di permukaan laut, jumlah atom dan molekul per sentimeter kubik udara sekitar 2*10 19, pada ketinggian 600 km hanya 2*10 7. Di permukaan laut, sebuah atom atau molekul bergerak kira-kira 7 * 10 -6 cm sebelum bertabrakan dengan partikel lain. Pada ketinggian 600 km jarak ini sekitar 10 km. Dan di permukaan laut, sekitar 7 * 10 9 tabrakan seperti itu terjadi setiap detik, pada ketinggian 600 km - hanya sekitar satu tabrakan per menit!

Namun tidak hanya tekanan yang berubah seiring ketinggian. Suhu juga berubah. Misalnya, di kaki gunung yang tinggi bisa jadi cukup panas, sedangkan puncak gunung tertutup salju dan suhu di sana juga di bawah nol. Dan jika Anda naik pesawat ke ketinggian sekitar 10-11 km, Anda akan mendengar pesan bahwa suhu di luar -50 derajat, sedangkan di permukaan bumi lebih hangat 60-70 derajat...

Awalnya, para ilmuwan berasumsi bahwa suhu menurun seiring ketinggian hingga mencapai nol mutlak (-273,16°C). Tapi itu tidak benar.

Atmosfer bumi terdiri dari empat lapisan: troposfer, stratosfer, mesosfer, ionosfer (termosfer). Pembagian menjadi beberapa lapisan ini juga diadopsi berdasarkan data perubahan suhu terhadap ketinggian. Lapisan paling bawah yang suhu udaranya menurun seiring bertambahnya ketinggian disebut troposfer. Lapisan di atas troposfer, tempat penurunan suhu berhenti, digantikan oleh isoterm, dan akhirnya suhu mulai naik, disebut stratosfer. Lapisan di atas stratosfer yang suhunya turun kembali dengan cepat adalah mesosfer. Dan terakhir, lapisan yang suhunya mulai naik kembali disebut ionosfer atau termosfer.

Troposfer meluas rata-rata hingga 12 km terbawah. Di sinilah cuaca kita terbentuk. Awan tertinggi (cirrus) terbentuk di lapisan paling atas troposfer. Suhu di troposfer menurun secara adiabatik terhadap ketinggian, yaitu. Perubahan suhu terjadi karena penurunan tekanan seiring dengan ketinggian. Profil suhu troposfer sangat ditentukan oleh radiasi matahari yang mencapai permukaan bumi. Akibat pemanasan permukaan bumi oleh Matahari, terbentuklah aliran konvektif dan turbulen yang mengarah ke atas, sehingga membentuk cuaca. Perlu dicatat bahwa pengaruh permukaan di bawahnya pada lapisan bawah troposfer meluas hingga ketinggian sekitar 1,5 km. Tentu saja tidak termasuk daerah pegunungan.

Batas atas troposfer adalah tropopause - lapisan isotermal. Perhatikan penampakan khas awan petir, yang puncaknya merupakan “semburan” awan cirrus yang disebut “landasan”. “Landasan” ini hanya “menyebar” di bawah tropopause, karena karena isoterm, arus udara ke atas melemah secara signifikan, dan awan berhenti berkembang secara vertikal. Namun dalam kasus khusus yang jarang terjadi, puncak awan kumulonimbus dapat menyerang lapisan bawah stratosfer, sehingga merusak tropopause.

Ketinggian tropopause bergantung pada garis lintang. Jadi, di garis khatulistiwa terletak pada ketinggian kurang lebih 16 km, dan suhunya sekitar –80°C. Di kutub, tropopause terletak lebih rendah, pada ketinggian sekitar 8 km. Di musim panas suhu di sini adalah –40°C, dan –60°C di musim dingin. Jadi, meskipun suhu di permukaan bumi lebih tinggi, tropopause tropis jauh lebih dingin dibandingkan di kutub.