Vsebnost kisika v površinski plasti ozračja je. Geografska tema - vzdušje
Sestava Zemlje. zrak
Zrak je mehanska mešanica različnih plinov, ki sestavljajo Zemljino atmosfero. Zrak je potreben za dihanje živih organizmov in se pogosto uporablja v industriji.
Dejstvo, da je zrak mešanica in ne homogena snov, je med poskusi dokazal škotski znanstvenik Joseph Black. Med enim od njih je znanstvenik odkril, da se pri segrevanju bele magnezije (magnezijev karbonat) sprosti "vezani zrak", to je ogljikov dioksid, in nastane zgorela magnezija (magnezijev oksid). Pri žganju apnenca se, nasprotno, odstrani "vezani zrak". Na podlagi teh poskusov je znanstvenik ugotovil, da je razlika med ogljikovim dioksidom in jedkimi alkalijami v tem, da prve vsebujejo ogljikov dioksid, ki je ena od sestavin zraka. Danes vemo, da sestava zemeljskega zraka poleg ogljikovega dioksida vključuje:
Razmerje plinov v zemeljski atmosferi, navedeno v tabeli, je značilno za njene spodnje plasti, do nadmorske višine 120 km. Na teh območjih leži dobro premešano, homogeno območje, imenovano homosfera. Nad homosfero leži heterosfera, za katero je značilna razgradnja molekul plina na atome in ione. Regije so med seboj ločene s turbo pavzo.
Kemična reakcija, pri kateri se molekule pod vplivom sončnega in kozmičnega sevanja razgradijo na atome, imenujemo fotodisociacija. Pri razpadu molekularnega kisika nastane atomski kisik, ki je glavni plin ozračja na višinah nad 200 km. Na višinah nad 1200 km začneta prevladovati vodik in helij, ki sta najlažja plina.
Ker je večina zraka skoncentrirana v 3 nižjih plasteh atmosfere, spremembe v sestavi zraka na nadmorski višini nad 100 km nimajo opaznega vpliva na celotno sestavo ozračja.
Dušik je najpogostejši plin, ki predstavlja več kot tri četrtine prostornine zraka na Zemlji. Sodobni dušik je nastal z oksidacijo zgodnje atmosfere amoniak-vodik z molekularnim kisikom, ki nastane med fotosintezo. Trenutno majhne količine dušika vstopajo v ozračje kot posledica denitrifikacije - procesa redukcije nitratov v nitrite, ki mu sledi tvorba plinastih oksidov in molekularnega dušika, ki ga proizvajajo anaerobni prokarionti. Nekaj dušika pride v ozračje med vulkanskimi izbruhi.
V zgornjih plasteh ozračja, ko je izpostavljen električnim razelektritvam s sodelovanjem ozona, se molekularni dušik oksidira v dušikov monoksid:
N 2 + O 2 → 2NO
V normalnih pogojih monoksid takoj reagira s kisikom in tvori dušikov oksid:
2NO + O 2 → 2N 2 O
Dušik je najpomembnejši kemični element v zemeljskem ozračju. Dušik je del beljakovin in zagotavlja mineralno prehrano rastlin. Določa hitrost biokemičnih reakcij in igra vlogo razredčila kisika.
Drugi najpogostejši plin v Zemljinem ozračju je kisik. Nastajanje tega plina je povezano s fotosintetsko aktivnostjo rastlin in bakterij. In bolj kot so postajali raznoliki in številni fotosintetični organizmi, pomembnejši je postajal proces vsebnosti kisika v ozračju. Med razplinjevanjem plašča se sprosti majhna količina težkega kisika.
V zgornjih plasteh troposfere in stratosfere pod vplivom ultravijoličnega sončnega sevanja (označujemo ga s hν) nastaja ozon:
O 2 + hν → 2O
Zaradi istega ultravijoličnega sevanja se ozon razgradi:
O 3 + hν → O 2 + O
О 3 + O → 2О 2
Kot rezultat prve reakcije nastane atomski kisik, kot rezultat druge pa molekulski kisik. Vse 4 reakcije se imenujejo "Chapmanov mehanizem", imenovan po britanskem znanstveniku Sidneyju Chapmanu, ki jih je odkril leta 1930.
Kisik se uporablja za dihanje živih organizmov. Z njegovo pomočjo se pojavijo procesi oksidacije in zgorevanja.
Ozon služi za zaščito živih organizmov pred ultravijoličnim sevanjem, ki povzroča nepopravljive mutacije. Največjo koncentracijo ozona opazimo v spodnji stratosferi znotraj ti. ozonski plašč ali ozonski zaslon, ki leži na nadmorski višini 22-25 km. Vsebnost ozona je majhna: pri normalnem tlaku bi ves ozon v zemeljski atmosferi zasedel le 2,91 mm debelo plast.
Nastanek tretjega najpogostejšega plina v atmosferi, argona, pa tudi neona, helija, kriptona in ksenona, povezujejo z vulkanskimi izbruhi in razpadom radioaktivnih elementov.
Zlasti helij je produkt radioaktivnega razpada urana, torija in radija: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (v teh reakcijah α-delec je helijevo jedro, ki v Med procesom izgube energije zajame elektrone in postane 4 He).
Argon nastane pri razpadu radioaktivnega izotopa kalija: 40 K → 40 Ar + γ.
Neon uhaja iz magmatskih kamnin.
Kripton nastane kot končni produkt razpada urana (235 U in 238 U) in torija Th.
Glavnina atmosferskega kriptona je nastala v zgodnjih fazah evolucije Zemlje kot posledica razpada transuranskih elementov s fenomenalno kratkim razpolovnim časom ali pa je prišla iz vesolja, kjer je vsebnost kriptona desetmilijonkrat večja kot na Zemlji.
Ksenon je posledica cepitve urana, vendar glavnina tega plina ostaja iz zgodnjih faz nastanka Zemlje, iz praatmosfere.
Ogljikov dioksid pride v ozračje zaradi vulkanskih izbruhov in med razgradnjo organskih snovi. Njegova vsebnost v ozračju srednjih zemljepisnih širin se močno razlikuje glede na letne čase: pozimi se količina CO 2 poveča, poleti pa zmanjša. To nihanje je povezano z aktivnostjo rastlin, ki uporabljajo ogljikov dioksid v procesu fotosinteze.
Vodik nastane kot posledica razgradnje vode s sončnim sevanjem. Ker pa je najlažji od plinov, ki sestavljajo ozračje, nenehno izhlapeva v vesolje, zato je njegova vsebnost v ozračju zelo majhna.
Vodna para je posledica izhlapevanja vode s površine jezer, rek, morij in kopnega.
Koncentracija glavnih plinov v spodnjih plasteh ozračja, razen vodne pare in ogljikovega dioksida, je konstantna. V majhnih količinah atmosfera vsebuje žveplov oksid SO 2, amoniak NH 3, ogljikov monoksid CO, ozon O 3, vodikov klorid HCl, vodikov fluorid HF, dušikov monoksid NO, ogljikovodike, hlape živega srebra Hg, jod I 2 in mnoge druge. V spodnji plasti atmosfere, troposferi, je vedno velika količina suspendiranih trdnih in tekočih delcev.
Viri trdnih delcev v zemeljskem ozračju vključujejo vulkanske izbruhe, cvetni prah, mikroorganizme in v zadnjem času človeške dejavnosti, kot je kurjenje fosilnih goriv med proizvodnjo. Najmanjši delci prahu, ki so kondenzacijska jedra, povzročajo nastanek megle in oblakov. Brez trdih delcev, ki so stalno prisotni v ozračju, na Zemlji ne bi padale padavine.
Na morski gladini 1013,25 hPa (približno 760 mmHg). Globalna povprečna temperatura zraka na površju Zemlje je 15 °C, pri čemer se temperature gibljejo od približno 57 °C v subtropskih puščavah do -89 °C na Antarktiki. Gostota zraka in tlak padata z višino po zakonu, ki je blizu eksponentnemu.
Struktura ozračja. Navpično ima ozračje plastno strukturo, ki jo določajo predvsem značilnosti navpične porazdelitve temperature (slika), ki je odvisna od geografske lege, letnega časa, časa dneva itd. Za spodnjo plast atmosfere - troposfero - je značilen padec temperature z višino (za približno 6 °C na 1 km), njena višina od 8-10 km v polarnih širinah do 16-18 km v tropih. Zaradi hitrega zmanjševanja gostote zraka z višino se približno 80 % celotne mase ozračja nahaja v troposferi. Nad troposfero je stratosfera, plast, ki je na splošno značilna za naraščanje temperature z višino. Prehodna plast med troposfero in stratosfero se imenuje tropopavza. V nižji stratosferi do višine okoli 20 km se temperatura z višino malo spreminja (tako imenovano izotermno območje) in pogosto celo rahlo pada. Nad tem temperatura narašča zaradi absorpcije UV-sevanja Sonca z ozonom, najprej počasi, od višine 34-36 km pa hitreje. Zgornja meja stratosfere - stratopavza - se nahaja na nadmorski višini 50-55 km, kar ustreza najvišji temperaturi (260-270 K). Plast ozračja, ki se nahaja na nadmorski višini 55-85 km, kjer temperatura spet pada z višino, se imenuje mezosfera; na njeni zgornji meji - mezopavzi - temperatura poleti doseže 150-160 K, 200-230 K. Pozimi K. Nad mezopavzo se začne termosfera - plast, za katero je značilno hitro zvišanje temperature, ki na nadmorski višini 250 km doseže 800-1200 K. V termosferi se absorbira korpuskularno in rentgensko sevanje Sonca, meteorje upočasni in zgori, zato deluje kot zaščitna plast Zemlje. Še višje je eksosfera, od koder se atmosferski plini zaradi disipacije razpršijo v vesolje in kjer pride do postopnega prehoda iz atmosfere v medplanetarni prostor.
Atmosferska sestava. Do nadmorske višine okoli 100 km je ozračje po kemični sestavi skoraj homogeno, povprečna molekulska masa zraka (približno 29) pa stalna. Blizu Zemljinega površja je atmosfera sestavljena iz dušika (približno 78,1% prostornine) in kisika (približno 20,9%), vsebuje pa tudi majhne količine argona, ogljikovega dioksida (ogljikovega dioksida), neona in drugih stalnih in spremenljivih komponent (glej Zrak ).
Poleg tega ozračje vsebuje majhne količine ozona, dušikovih oksidov, amoniaka, radona itd. Relativna vsebnost glavnih sestavin zraka je v času konstantna in enakomerna na različnih geografskih območjih. Vsebnost vodne pare in ozona je spremenljiva v prostoru in času; Kljub nizki vsebnosti je njihova vloga v atmosferskih procesih zelo pomembna.
Nad 100-110 km pride do disociacije molekul kisika, ogljikovega dioksida in vodne pare, zato se molekulska masa zraka zmanjša. Na višini okoli 1000 km začneta prevladovati lahka plina - helij in vodik, še višje pa se Zemljina atmosfera postopoma spremeni v medplanetarni plin.
Najpomembnejša spremenljiva sestavina ozračja je vodna para, ki vstopa v ozračje z izhlapevanjem s površine vode in vlažnih tal ter z transpiracijo rastlin. Relativna vsebnost vodne pare se na zemeljski površini spreminja od 2,6 % v tropih do 0,2 % v polarnih širinah. Z višino hitro pada, že na nadmorski višini 1,5-2 km se zmanjša za polovico. Navpični stolpec atmosfere na zmernih zemljepisnih širinah vsebuje približno 1,7 cm "plasti padavine". Pri kondenzaciji vodne pare nastanejo oblaki, iz katerih padajo atmosferske padavine v obliki dežja, toče in snega.
Pomembna sestavina atmosferskega zraka je ozon, ki je koncentriran 90 % v stratosferi (med 10 in 50 km), približno 10 % ga je v troposferi. Ozon zagotavlja absorpcijo močnega UV sevanja (z valovno dolžino manj kot 290 nm) in to je njegova zaščitna vloga za biosfero. Vrednosti skupne vsebnosti ozona se razlikujejo glede na zemljepisno širino in letni čas v območju od 0,22 do 0,45 cm (debelina ozonske plasti pri tlaku p = 1 atm in temperaturi T = 0 ° C). V ozonskih luknjah, ki so jih opazovali spomladi na Antarktiki od zgodnjih 80-ih let prejšnjega stoletja, lahko vsebnost ozona pade na 0,07 cm, povečuje se od ekvatorja do polov in ima letni cikel z maksimumom spomladi in minimumom jeseni ter amplitudo letni cikel je v tropih majhen in raste proti visokim zemljepisnim širinam. Pomembna spremenljiva sestavina ozračja je ogljikov dioksid, katerega vsebnost v ozračju se je v zadnjih 200 letih povečala za 35 %, kar je predvsem posledica antropogenega dejavnika. Opažena je njegova širinska in sezonska spremenljivost, povezana s fotosintezo rastlin in topnostjo v morski vodi (po Henryjevem zakonu se topnost plina v vodi zmanjšuje z naraščajočo temperaturo).
Pomembno vlogo pri oblikovanju podnebja planeta igrajo atmosferski aerosoli - trdni in tekoči delci, suspendirani v zraku, velikosti od nekaj nm do deset mikronov. Obstajajo aerosoli naravnega in antropogenega izvora. Aerosol nastane v procesu plinskofaznih reakcij iz produktov rastlinskega življenja in človekove gospodarske dejavnosti, vulkanskih izbruhov, kot posledica prahu, ki ga veter dviguje s površine planeta, zlasti iz njegovih puščavskih območij, in je tudi nastane iz kozmičnega prahu, ki pade v zgornje plasti ozračja. Večina aerosola je koncentriranega v troposferi; aerosol iz vulkanskih izbruhov tvori tako imenovano plast Junge na nadmorski višini približno 20 km. Največja količina antropogenega aerosola vstopi v ozračje kot posledica delovanja vozil in termoelektrarn, kemične proizvodnje, izgorevanja goriva itd. Zato se na nekaterih območjih sestava ozračja opazno razlikuje od običajnega zraka, kar je zahtevalo ustanovitev posebne službe za opazovanje in spremljanje stopnje onesnaženosti atmosferskega zraka.
Razvoj ozračja. Sodobno ozračje je očitno sekundarnega izvora: nastalo je iz plinov, ki jih je sproščala trdna lupina Zemlje, potem ko je bil planet končan pred približno 4,5 milijardami let. V geološki zgodovini Zemlje je atmosfera doživela pomembne spremembe v svoji sestavi pod vplivom številnih dejavnikov: disipacija (izhlapevanje) plinov, predvsem lažjih, v vesolje; sproščanje plinov iz litosfere kot posledica vulkanske dejavnosti; kemične reakcije med sestavinami atmosfere in kamninami, ki tvorijo zemeljsko skorjo; fotokemične reakcije v samem ozračju pod vplivom sončnega UV sevanja; akrecija (zajem) snovi iz medplanetarnega medija (na primer meteorska snov). Razvoj ozračja je tesno povezan z geološkimi in geokemičnimi procesi, v zadnjih 3-4 milijardah let pa tudi z delovanjem biosfere. Precejšen del plinov, ki sestavljajo sodobno atmosfero (dušik, ogljikov dioksid, vodna para), je nastal med vulkansko aktivnostjo in vdorom, ki jih je odnesel iz globin Zemlje. Kisik se je pojavil v znatnih količinah pred približno 2 milijardama let kot posledica fotosintetskih organizmov, ki so prvotno nastali v površinskih vodah oceana.
Na podlagi podatkov o kemični sestavi karbonatnih usedlin so bile pridobljene ocene količine ogljikovega dioksida in kisika v atmosferi geološke preteklosti. Skozi fanerozoik (zadnjih 570 milijonov let Zemljine zgodovine) se je količina ogljikovega dioksida v atmosferi zelo spreminjala glede na stopnjo vulkanske aktivnosti, temperaturo oceana in stopnjo fotosinteze. Večino tega časa je bila koncentracija ogljikovega dioksida v ozračju bistveno višja kot danes (do 10-krat). Količina kisika v fanerozojski atmosferi se je močno spremenila, pri čemer je prevladoval trend njenega povečevanja. V predkambrijski atmosferi je bila masa ogljikovega dioksida praviloma večja, masa kisika pa manjša kot v fanerozojski atmosferi. Nihanja v količini ogljikovega dioksida so v preteklosti močno vplivala na podnebje, saj so povečali učinek tople grede z naraščajočimi koncentracijami ogljikovega dioksida, zaradi česar je podnebje v glavnem delu fanerozoika precej toplejše v primerjavi z moderno dobo.
Vzdušje in življenje. Brez ozračja bi bila Zemlja mrtev planet. Organsko življenje se pojavlja v tesni interakciji z atmosfero ter s tem povezanim podnebjem in vremenom. Atmosfera, ki je v primerjavi s planetom kot celoto nepomembna po masi (približno del na milijon), je nepogrešljiv pogoj za vse oblike življenja. Med atmosferskimi plini za življenje organizmov so najpomembnejši kisik, dušik, vodna para, ogljikov dioksid in ozon. Ko fotosintetske rastline absorbirajo ogljikov dioksid, nastajajo organske snovi, ki jih kot vir energije uporablja velika večina živih bitij, tudi človek. Kisik je nujen za obstoj aerobnih organizmov, ki jim pretok energije zagotavljajo oksidacijske reakcije organskih snovi. Dušik, ki ga asimilirajo nekateri mikroorganizmi (fikserji dušika), je potreben za mineralno prehrano rastlin. Ozon, ki absorbira trdo UV-sevanje Sonca, močno oslabi ta življenju škodljiv del sončnega sevanja. Kondenzacija vodne pare v ozračju, nastanek oblakov in posledične padavine oskrbujejo kopno z vodo, brez katere ni mogoča nobena oblika življenja. Življenjska aktivnost organizmov v hidrosferi je v veliki meri odvisna od količine in kemične sestave atmosferskih plinov, raztopljenih v vodi. Ker je kemična sestava atmosfere močno odvisna od dejavnosti organizmov, lahko biosfero in atmosfero obravnavamo kot del enotnega sistema, katerega vzdrževanje in razvoj (glej Biogeokemični cikli) je bilo zelo pomembno za spreminjanje sestave atmosfero skozi vso zgodovino Zemlje kot planeta.
Sevalna, toplotna in vodna bilanca ozračja. Sončno sevanje je praktično edini vir energije za vse fizikalne procese v ozračju. Glavna značilnost sevalnega režima ozračja je tako imenovani učinek tople grede: ozračje precej dobro prenaša sončno sevanje na zemeljsko površje, vendar aktivno absorbira toplotno dolgovalovno sevanje z zemeljske površine, del katerega se vrne na površje. v obliki nasprotnega sevanja, ki kompenzira sevalne izgube toplote z zemeljske površine (glej Atmosfersko sevanje). Če atmosfere ne bi bilo, bi bila povprečna temperatura zemeljskega površja -18°C, v resnici pa je 15°C. Vhodno sončno sevanje se delno (približno 20 %) absorbira v atmosfero (predvsem z vodno paro, vodnimi kapljicami, ogljikovim dioksidom, ozonom in aerosoli), razprši pa se (približno 7 %) zaradi aerosolnih delcev in nihanja gostote (Rayleighovo sipanje). . Celotno sevanje, ki doseže zemeljsko površje, se delno (približno 23 %) odbija od nje. Koeficient odbojnosti je določen z odbojnostjo podležeče površine, tako imenovanim albedom. V povprečju je zemeljski albedo za integralni tok sončnega sevanja blizu 30 %. Giblje se od nekaj odstotkov (suha prst in črna prst) do 70-90 % pri sveže zapadlem snegu. Radiacijska izmenjava toplote med zemeljsko površino in atmosfero je bistveno odvisna od albeda in je določena z efektivnim sevanjem zemeljske površine in protisevanjem atmosfere, ki jo absorbira. Algebraična vsota sevalnih tokov, ki vstopajo v zemeljsko atmosfero iz vesolja in jo zapuščajo nazaj, se imenuje radiacijska bilanca.
Transformacije sončnega sevanja, potem ko ga absorbirata atmosfera in zemeljsko površje, določajo toplotno bilanco Zemlje kot planeta. Glavni vir toplote za ozračje je zemeljsko površje; toplota iz njega se prenaša ne samo v obliki dolgovalovnega sevanja, temveč tudi s konvekcijo, sprošča pa se tudi pri kondenzaciji vodne pare. Deleži teh toplotnih dotokov so v povprečju 20 %, 7 % oziroma 23 %. Približno 20 % toplote se doda tudi tukaj zaradi absorpcije neposrednega sončnega sevanja. Tok sončnega sevanja na časovno enoto skozi posamezno območje, pravokotno na sončne žarke in se nahaja izven atmosfere na povprečni razdalji od Zemlje do Sonca (tako imenovana solarna konstanta), je enak 1367 W/m2, spremembe so 1-2 W/m2 odvisno od cikla sončne aktivnosti. Ob planetarnem albedu približno 30 % je časovno povprečni globalni dotok sončne energije na planet 239 W/m2. Ker Zemlja kot planet oddaja v vesolje v povprečju enako količino energije, potem je po Stefan-Boltzmannovem zakonu efektivna temperatura izhodnega toplotnega dolgovalovnega sevanja 255 K (-18 °C). Hkrati je povprečna temperatura zemeljske površine 15°C. Razlika 33°C je posledica učinka tople grede.
Vodna bilanca atmosfere na splošno ustreza enakosti količine vlage, izhlapene z zemeljske površine, in količine padavin, ki padejo na zemeljsko površino. Ozračje nad oceani prejme več vlage iz procesov izhlapevanja kot nad kopnim in izgubi 90 % v obliki padavin. Odvečno vodno paro nad oceani prenašajo zračni tokovi na celine. Količina vodne pare, ki se prenese v ozračje iz oceanov na celine, je enaka prostornini rek, ki se izlivajo v oceane.
Gibanje zraka. Zemlja je kroglasta, zato njene visoke zemljepisne širine doseže veliko manj sončnega sevanja kot trope. Posledično nastanejo veliki temperaturni kontrasti med zemljepisnimi širinami. Na porazdelitev temperature pomembno vpliva tudi relativna lega oceanov in celin. Zaradi velike mase oceanskih voda in visoke toplotne kapacitete vode so sezonska nihanja temperature oceanske površine veliko manjša kot na kopnem. V zvezi s tem je v srednjih in visokih zemljepisnih širinah temperatura zraka nad oceani poleti opazno nižja kot nad celinami, pozimi pa višja.
Neenakomerno segrevanje ozračja v različnih delih sveta povzroča prostorsko nehomogeno porazdelitev atmosferskega tlaka. Na morski gladini so za porazdelitev tlaka značilne razmeroma nizke vrednosti v bližini ekvatorja, povečanje v subtropskih območjih (pasovi z visokim pritiskom) in zmanjšanje v srednjih in visokih zemljepisnih širinah. Hkrati je nad celinami zunajtropskih zemljepisnih širin tlak običajno povečan pozimi in znižan poleti, kar je povezano s porazdelitvijo temperature. Pod vplivom gradienta tlaka zrak doživi pospešek, usmerjen od območij visokega tlaka do območij nizkega tlaka, kar vodi do gibanja zračnih mas. Na premikajoče se zračne mase vplivajo tudi odklonska sila zemeljskega vrtenja (Coriolisova sila), sila trenja, ki z višino upada, in pri ukrivljenih trajektorijah centrifugalna sila. Zelo pomembno je turbulentno mešanje zraka (glej Turbulenca v ozračju).
Kompleksen sistem zračnih tokov (splošna atmosferska cirkulacija) je povezan s planetarno porazdelitvijo tlaka. V meridionalni ravnini lahko v povprečju zasledimo dve ali tri meridionalne cirkulacijske celice. Blizu ekvatorja se segret zrak dviga in spušča v subtropskih predelih ter tvori Hadleyjevo celico. Tja se spusti tudi zrak reverzne Ferrellove celice. Na visokih zemljepisnih širinah je pogosto vidna ravna polarna celica. Meridionalne hitrosti kroženja so reda velikosti 1 m/s ali manj. Zaradi Coriolisove sile so v večjem delu ozračja opazni zahodni vetrovi s hitrostjo v srednji troposferi okoli 15 m/s. Obstajajo relativno stabilni vetrni sistemi. Sem spadajo pasati - vetrovi, ki pihajo iz visokotlačnih območij v subtropih do ekvatorja z opazno vzhodno komponento (od vzhoda proti zahodu). Monsuni so dokaj stabilni - zračni tokovi, ki imajo jasno izražen sezonski značaj: poleti pihajo iz oceana proti celini, pozimi pa v nasprotni smeri. Monsuni v Indijskem oceanu so še posebej redni. V srednjih zemljepisnih širinah je gibanje zračnih mas predvsem zahodno (od zahoda proti vzhodu). To je območje atmosferskih front, na katerih nastajajo veliki vrtinci - cikloni in anticikloni, ki pokrivajo več sto in celo tisoče kilometrov. Cikloni se pojavljajo tudi v tropih; tukaj jih odlikujejo manjše velikosti, a zelo visoke hitrosti vetra, ki dosežejo orkansko moč (33 m/s ali več), tako imenovani tropski cikloni. V Atlantskem in vzhodnem Tihem oceanu jih imenujemo orkani, v zahodnem Tihem oceanu pa tajfuni. V zgornji troposferi in spodnji stratosferi, na območjih, ki ločujejo neposredno Hadleyjevo meridionalno cirkulacijsko celico in obratno Ferrellovo celico, so razmeroma ozke, široke na stotine kilometrov, pogosto opazne curke z ostro določenimi mejami, znotraj katerih veter doseže 100-150 in celo 200 m/s.
Podnebje in vreme. Razlika v količini sončnega sevanja, ki prihaja na različnih zemljepisnih širinah do zemeljskega površja, ki je po svojih fizikalnih lastnostih različno, določa raznolikost zemeljskega podnebja. Od ekvatorja do tropskih zemljepisnih širin je temperatura zraka na zemeljski površini v povprečju 25-30 °C in se skozi vse leto malo spreminja. V ekvatorialnem pasu je običajno veliko padavin, kar ustvarja pogoje za prekomerno vlago. V tropskih območjih se količina padavin zmanjša in ponekod postane zelo majhna. Tukaj so ogromne puščave Zemlje.
V subtropskih in srednjih zemljepisnih širinah se temperatura zraka čez leto močno spreminja, razlika med poletnimi in zimskimi temperaturami pa je še posebej velika na območjih celin, ki so daleč od oceanov. Tako na nekaterih območjih vzhodne Sibirije letna temperatura zraka doseže 65 °C. Pogoji vlaženja v teh zemljepisnih širinah so zelo raznoliki, odvisni so predvsem od režima splošne atmosferske cirkulacije in se iz leta v leto močno razlikujejo.
V polarnih zemljepisnih širinah ostaja temperatura skozi vse leto nizka, tudi če so opazna sezonska nihanja. To prispeva k obsežni porazdelitvi ledene odeje na oceanih in kopnem ter permafrostu, ki zavzema več kot 65% njene površine v Rusiji, predvsem v Sibiriji.
V zadnjih desetletjih so spremembe v svetovnem podnebju vse bolj opazne. Temperature se bolj dvignejo na visokih zemljepisnih širinah kot na nizkih zemljepisnih širinah; bolj pozimi kot poleti; bolj ponoči kot podnevi. V 20. stoletju se je povprečna letna temperatura zraka na zemeljski površini v Rusiji povečala za 1,5-2 °C, na nekaterih območjih Sibirije pa so opazili povečanje za nekaj stopinj. To je povezano s povečanjem učinka tople grede zaradi povečanja koncentracije plinov v sledovih.
Vreme določajo razmere atmosferskega kroženja in geografska lega območja, najbolj stabilno je v tropih, najbolj spremenljivo pa v srednjih in visokih zemljepisnih širinah. Vreme se najbolj spreminja v območjih spremenljivih zračnih mas, ki jih povzročajo prehodi atmosferskih front, ciklonov in anticiklonov s padavinami in povečanim vetrom. Podatki za napovedovanje vremena se zbirajo na zemeljskih vremenskih postajah, ladjah in letalih ter iz meteoroloških satelitov. Glej tudi Meteorologija.
Optični, akustični in električni pojavi v ozračju. Pri širjenju elektromagnetnega sevanja v atmosferi kot posledica loma, absorpcije in sipanja svetlobe v zraku in različnih delcih (aerosol, ledeni kristali, vodne kapljice) nastanejo različni optični pojavi: mavrice, krone, halo, fatamorgana itd. sipanje svetlobe določa navidezno višino nebesnega svoda in modro barvo neba. Obseg vidnosti predmetov določajo pogoji širjenja svetlobe v atmosferi (glej Atmosferska vidljivost). Transparentnost ozračja pri različnih valovnih dolžinah določa komunikacijski doseg in zmožnost zaznavanja objektov z instrumenti, vključno z možnostjo astronomskih opazovanj z zemeljskega površja. Za študije optičnih nehomogenosti stratosfere in mezosfere igra pomembno vlogo pojav somraka. Na primer, fotografiranje mraka iz vesoljskega plovila omogoča zaznavanje plasti aerosolov. Značilnosti širjenja elektromagnetnega sevanja v ozračju določajo natančnost metod za daljinsko zaznavanje njegovih parametrov. Vsa ta vprašanja, pa tudi mnoga druga, preučuje atmosferska optika. Lom in sipanje radijskih valov določata možnosti radijskega sprejema (glej Razširjanje radijskih valov).
Širjenje zvoka v ozračju je odvisno od prostorske porazdelitve temperature in hitrosti vetra (glej Atmosferska akustika). Zanimiva je za zaznavanje atmosfere z daljinskimi metodami. Eksplozije nabojev, ki jih izstrelijo rakete v zgornjo atmosfero, so zagotovile bogate informacije o vetrnih sistemih in temperaturnih nihanjih v stratosferi in mezosferi. V stabilno razslojeni atmosferi, ko temperatura pada z višino počasneje od adiabatnega gradienta (9,8 K/km), nastanejo tako imenovani notranji valovi. Ti valovi se lahko širijo navzgor v stratosfero in celo v mezosfero, kjer oslabijo, kar prispeva k povečanju vetrov in turbulenc.
Negativni naboj Zemlje in posledično električno polje, atmosfera, skupaj z električno nabito ionosfero in magnetosfero ustvarjajo globalni električni krog. Pri tem ima pomembno vlogo nastajanje oblakov in nevihtna elektrika. Nevarnost razelektritve strele je zahtevala razvoj metod zaščite pred strelo za zgradbe, objekte, daljnovode in komunikacije. Ta pojav predstavlja posebno nevarnost za letalstvo. Razelektritve strele povzročajo atmosferske radijske motnje, imenovane atmosferske (glej Žvižgajoče atmosferske). Med močnim povečanjem jakosti električnega polja opazimo svetlobne razelektritve, ki se pojavijo na konicah in ostrih vogalih predmetov, ki štrlijo nad zemeljsko površino, na posameznih vrhovih v gorah itd. (Luči Elma). Atmosfera vedno vsebuje zelo različno količino lahkih in težkih ionov, odvisno od specifičnih pogojev, ki določajo električno prevodnost atmosfere. Glavni ionizatorji zraka v bližini zemeljske površine so sevanje radioaktivnih snovi v zemeljski skorji in ozračju ter kozmični žarki. Glej tudi Atmosferska elektrika.
Vpliv človeka na ozračje. V preteklih stoletjih se je zaradi človekovih gospodarskih dejavnosti povečala koncentracija toplogrednih plinov v ozračju. Odstotek ogljikovega dioksida se je povečal z 2,8-10 2 pred dvesto leti na 3,8-10 2 leta 2005, vsebnost metana - z 0,7-10 1 pred približno 300-400 leti na 1,8-10 -4 v začetku 21. stoletja; približno 20 % povečanja učinka tople grede v zadnjem stoletju izvira iz freonov, ki jih do sredine 20. stoletja praktično ni bilo v ozračju. Te snovi so priznane kot snovi, ki tanjšajo stratosferski ozon, njihova proizvodnja pa je prepovedana z Montrealskim protokolom iz leta 1987. Povečanje koncentracije ogljikovega dioksida v ozračju je posledica sežiganja vedno večjih količin premoga, nafte, plina in drugih vrst ogljikovih goriv ter krčenja gozdov, zaradi česar se absorpcija ogljikovega dioksida s fotosintezo zmanjša. Koncentracija metana narašča s povečanjem proizvodnje nafte in plina (zaradi njegovih izgub), pa tudi s širjenjem posevkov riža in povečanjem števila goveda. Vse to prispeva k segrevanju podnebja.
Za spreminjanje vremena so bile razvite metode za aktivno vplivanje na atmosferske procese. Uporabljajo se za zaščito kmetijskih rastlin pred točo z razprševanjem posebnih reagentov v nevihtnih oblakih. Obstajajo tudi metode za razprševanje megle na letališčih, zaščito rastlin pred zmrzaljo, vplivanje na oblake, da povečajo količino padavin na želenih območjih, ali za razprševanje oblakov med javnimi prireditvami.
Študija ozračja. Podatke o fizikalnih procesih v ozračju pridobivamo predvsem z meteorološkimi opazovanji, ki jih izvaja globalna mreža stalno delujočih meteoroloških postaj in postojank na vseh celinah in na številnih otokih. Dnevna opazovanja dajejo podatke o temperaturi in vlažnosti zraka, atmosferskem tlaku in padavinah, oblačnosti, vetru itd. Opazovanja sončnega obsevanja in njegovih transformacij potekajo na aktinometričnih postajah. Za preučevanje atmosfere so velikega pomena omrežja aeroloških postaj, na katerih se z radiosondami izvajajo meteorološke meritve do nadmorske višine 30-35 km. Na številnih postajah se izvajajo opazovanja atmosferskega ozona, električnih pojavov v ozračju in kemične sestave zraka.
Podatke iz zemeljskih postaj dopolnjujejo opazovanja oceanov, kjer delujejo »vremenske ladje«, ki se stalno nahajajo na določenih območjih Svetovnega oceana, pa tudi meteorološke informacije, prejete z raziskovalnih in drugih ladij.
V zadnjih desetletjih vse več informacij o atmosferi pridobivamo s pomočjo meteoroloških satelitov, ki nosijo instrumente za fotografiranje oblakov in merjenje tokov ultravijoličnega, infrardečega in mikrovalovnega sevanja Sonca. Sateliti omogočajo pridobivanje informacij o vertikalnih profilih temperature, oblačnosti in njeni vodni oskrbi, elementih sevalne bilance ozračja, površinski temperaturi oceana itd. Z meritvami loma radijskih signalov iz sistema navigacijskih satelitov se je mogoče določiti vertikalne profile gostote, tlaka in temperature ter vsebnost vlage v ozračju. S pomočjo satelitov je postalo mogoče razjasniti vrednost sončne konstante in planetarnega albeda Zemlje, zgraditi zemljevide sevalne bilance sistema Zemlja-atmosfera, izmeriti vsebnost in variabilnost majhnih atmosferskih onesnaževal ter rešiti številni drugi problemi atmosferske fizike in monitoringa okolja.
Lit.: Budyko M.I. Podnebje v preteklosti in prihodnosti. L., 1980; Matveev L. T. Tečaj splošne meteorologije. Atmosferska fizika. 2. izd. L., 1984; Budyko M.I., Ronov A.B., Yanshin A.L. Zgodovina atmosfere. L., 1985; Khrgian A. Kh. Atmosferska fizika. M., 1986; Vzdušje: Imenik. L., 1991; Khromov S.P., Petrosyants M.A. Meteorologija in klimatologija. 5. izd. M., 2001.
G. S. Golitsyn, N. A. Zaitseva.
Zemljina atmosfera je plinasti ovoj našega planeta. Mimogrede, skoraj vsa nebesna telesa imajo podobne lupine, od planetov sončnega sistema do velikih asteroidov. odvisno od številnih dejavnikov - velikosti njegove hitrosti, mase in številnih drugih parametrov. Toda le lupina našega planeta vsebuje sestavine, ki nam omogočajo življenje.
Zemljina atmosfera: kratka zgodovina njenega nastanka
Menijo, da na začetku svojega obstoja naš planet sploh ni imel plinske lupine. Toda mlado, na novo nastalo nebesno telo se je nenehno razvijalo. Zemljina primarna atmosfera je nastala kot posledica stalnih vulkanskih izbruhov. Tako se je skozi več tisoč let okrog Zemlje oblikovala lupina iz vodne pare, dušika, ogljika in drugih elementov (razen kisika).
Ker je količina vlage v ozračju omejena, se je njen presežek spremenil v padavine - tako so nastala morja, oceani in druga vodna telesa. Prvi organizmi, ki so naselili planet, so se pojavili in razvili v vodnem okolju. Večina jih je pripadala rastlinskim organizmom, ki s fotosintezo proizvajajo kisik. Tako se je Zemljina atmosfera začela polniti s tem vitalnim plinom. In kot posledica kopičenja kisika je nastala ozonska plast, ki je zaščitila planet pred škodljivimi učinki ultravijoličnega sevanja. Prav ti dejavniki so ustvarili vse pogoje za naš obstoj.
Zgradba zemeljske atmosfere
Kot veste, je plinska lupina našega planeta sestavljena iz več plasti - troposfere, stratosfere, mezosfere, termosfere. Nemogoče je potegniti jasne meje med temi plastmi - vse je odvisno od letnega časa in zemljepisne širine planeta.
Troposfera je spodnji del plinske lupine, katerega višina je v povprečju od 10 do 15 kilometrov. Tu je skoncentrirana večina vlage, mimogrede, tu se nahaja vsa vlaga in nastanejo oblaki. Troposfera zaradi vsebnosti kisika podpira življenjsko aktivnost vseh organizmov. Poleg tega je ključnega pomena pri oblikovanju vremena in podnebnih značilnosti območja - tu nastajajo ne le oblaki, ampak tudi vetrovi. Temperatura pada z višino.
Stratosfera - začne se v troposferi in konča na nadmorski višini od 50 do 55 kilometrov. Tukaj temperatura narašča z nadmorsko višino. Ta del ozračja praktično ne vsebuje vodne pare, ima pa ozonski plašč. Včasih lahko tukaj opazite nastanek "bisernih" oblakov, ki jih je mogoče videti le ponoči - domnevajo, da jih predstavljajo močno kondenzirane vodne kapljice.
Mezosfera se razteza do 80 kilometrov navzgor. V tej plasti lahko opazite močan padec temperature, ko se premikate navzgor. Turbulenca je tudi tu zelo razvita. Mimogrede, v mezosferi se oblikujejo tako imenovani "noctilucentni oblaki", ki so sestavljeni iz majhnih ledenih kristalov - vidni so le ponoči. Zanimivo je, da na zgornji meji mezosfere praktično ni zraka - 200-krat manj kot blizu zemeljske površine.
Termosfera je zgornja plast zemeljske plinske lupine, v kateri je običajno razlikovati med ionosfero in eksosfero. Zanimivo je, da tukaj temperatura zelo strmo narašča z višino – na višini 800 kilometrov od zemeljskega površja je več kot 1000 stopinj Celzija. Za ionosfero je značilen visoko razredčen zrak in velika vsebnost aktivnih ionov. Kar zadeva eksosfero, ta del atmosfere gladko prehaja v medplanetarni prostor. Omeniti velja, da termosfera ne vsebuje zraka.
Ugotovimo lahko, da je Zemljina atmosfera zelo pomemben del našega planeta, ki ostaja odločilen dejavnik pri nastanku življenja. Zagotavlja življenjsko aktivnost, ohranja obstoj hidrosfere (vodne lupine planeta) in ščiti pred ultravijoličnim sevanjem.
10,045×10 3 J/(kg*K) (v temperaturnem območju od 0-100°C), C v 8,3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). Topnost zraka v vodi pri 0°C je 0,036%, pri 25°C - 0,22%.
Atmosferska sestava
Zgodovina nastanka atmosfere
Zgodnja zgodovina
Trenutno znanost ne more izslediti vseh stopenj nastanka Zemlje s stoodstotno natančnostjo. Po najpogostejši teoriji je imela Zemljina atmosfera skozi čas štiri različne sestave. Sprva je bil sestavljen iz lahkih plinov (vodika in helija), zajetih iz medplanetarnega prostora. To je t.i primarna atmosfera. Na naslednji stopnji je aktivna vulkanska aktivnost povzročila nasičenost ozračja s plini, ki niso vodik (ogljikovodiki, amoniak, vodna para). Tako je nastala sekundarna atmosfera. To vzdušje je bilo krepčilno. Nadalje so proces nastajanja atmosfere določili naslednji dejavniki:
- stalno uhajanje vodika v medplanetarni prostor;
- kemične reakcije, ki se pojavljajo v ozračju pod vplivom ultravijoličnega sevanja, strele in nekaterih drugih dejavnikov.
Postopoma so ti dejavniki pripeljali do nastanka terciarna atmosfera, za katerega je značilna veliko nižja vsebnost vodika in veliko višja vsebnost dušika in ogljikovega dioksida (nastalega kot posledica kemijskih reakcij iz amoniaka in ogljikovodikov).
Nastanek življenja in kisika
S pojavom živih organizmov na Zemlji kot posledica fotosinteze, ki jo spremlja sproščanje kisika in absorpcija ogljikovega dioksida, se je sestava ozračja začela spreminjati. Obstajajo pa podatki (analiza izotopske sestave atmosferskega kisika in tistega, ki se sprošča med fotosintezo), ki kažejo na geološki izvor atmosferskega kisika.
Sprva je bil kisik porabljen za oksidacijo reduciranih spojin - ogljikovodikov, železove oblike železa v oceanih itd. Na koncu te stopnje se je vsebnost kisika v ozračju začela povečevati.
V devetdesetih letih prejšnjega stoletja so bili izvedeni poskusi za ustvarjanje zaprtega ekološkega sistema ("Biosfera 2"), med katerimi ni bilo mogoče ustvariti stabilnega sistema z enakomerno sestavo zraka. Vpliv mikroorganizmov je povzročil znižanje ravni kisika in povečanje količine ogljikovega dioksida.
Dušik
Nastanek velike količine N 2 je posledica oksidacije primarne atmosfere amoniak-vodik z molekularnim O 2, ki je začel prihajati s površine planeta kot posledica fotosinteze, domnevno pred približno 3 milijardami let (po po drugi različici pa je atmosferski kisik geološkega izvora). Dušik se v zgornjih plasteh atmosfere oksidira v NO, ki se uporablja v industriji in ga vežejo bakterije, ki vežejo dušik, medtem ko se N2 sprošča v ozračje kot posledica denitrifikacije nitratov in drugih spojin, ki vsebujejo dušik.
Dušik N 2 je inerten plin in reagira le pod določenimi pogoji (na primer med razelektritvijo strele). Cianobakterije in nekatere bakterije (na primer gomoljične bakterije, ki tvorijo rizobialno simbiozo s stročnicami) ga lahko oksidirajo in pretvorijo v biološko obliko.
Oksidacija molekularnega dušika z električnimi razelektritvami se uporablja v industrijski proizvodnji dušikovih gnojil, privedla pa je tudi do nastanka edinstvenih nahajališč nitratov v čilski puščavi Atacama.
Žlahtni plini
Zgorevanje goriva je glavni vir onesnaževanja plinov (CO, NO, SO2). Žveplov dioksid se v zgornjih plasteh atmosfere oksidira z zrakom O 2 v SO 3, ki medsebojno deluje s hlapi H 2 O in NH 3, nastala H 2 SO 4 in (NH 4) 2 SO 4 pa se vrneta na zemeljsko površje. skupaj s padavinami. Uporaba motorjev z notranjim zgorevanjem povzroča znatno onesnaženje ozračja z dušikovimi oksidi, ogljikovodiki in Pb spojinami.
Onesnaženje ozračja z aerosoli povzročajo tako naravni vzroki (vulkanski izbruhi, prašne nevihte, prenos kapljic morske vode in delcev cvetnega prahu rastlin itd.) kot človekove gospodarske dejavnosti (rudarstvo in gradbeni materiali, kurjenje goriva, izdelava cementa itd.). .) . Intenzivno obsežno izpuščanje trdih delcev v ozračje je eden od možnih vzrokov podnebnih sprememb na planetu.
Struktura ozračja in značilnosti posameznih školjk
Fizikalno stanje ozračja določata vreme in podnebje. Osnovni parametri ozračja: gostota zraka, tlak, temperatura in sestava. Z naraščanjem nadmorske višine se gostota zraka in atmosferski tlak zmanjšujeta. Temperatura se spreminja tudi s spremembami nadmorske višine. Za vertikalno strukturo ozračja so značilne različne temperaturne in električne lastnosti ter različni zračni pogoji. Glede na temperaturo v atmosferi ločimo naslednje glavne plasti: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera, eksosfera (sfera sipanja). Prehodna območja ozračja med sosednjimi lupinami se imenujejo tropopavza, stratopavza itd.
Troposfera
Stratosfera
V stratosferi se večina kratkovalovnega dela ultravijoličnega sevanja (180-200 nm) zadrži in energija kratkih valov se transformira. Pod vplivom teh žarkov se spreminjajo magnetna polja, molekule razpadajo, prihaja do ionizacije, na novo nastajajo plini in druge kemične spojine. Te procese lahko opazujemo v obliki severnega sija, strele in drugih sijev.
V stratosferi in višjih plasteh pod vplivom sončnega sevanja molekule plina disociirajo na atome (nad 80 km CO 2 in H 2 disociirata, nad 150 km - O 2, nad 300 km - H 2). Na nadmorski višini 100-400 km pride tudi do ionizacije plinov v ionosferi, na višini 320 km pa je koncentracija nabitih delcev (O + 2, O − 2, N + 2) ~ 1/300 od koncentracija nevtralnih delcev. V zgornjih plasteh atmosfere so prosti radikali - OH, HO 2 itd.
V stratosferi skoraj ni vodne pare.
Mezosfera
Do višine 100 km je ozračje homogena, dobro premešana mešanica plinov. V višjih plasteh je porazdelitev plinov po višini odvisna od njihove molekulske mase, koncentracija težjih plinov pa z oddaljenostjo od površja Zemlje hitreje upada. Zaradi zmanjšanja gostote plina temperatura pade od 0 °C v stratosferi do –110 °C v mezosferi. Vendar pa kinetična energija posameznih delcev na višinah 200-250 km ustreza temperaturi ~1500°C. Nad 200 km opazimo znatna nihanja temperature in gostote plina v času in prostoru.
Na nadmorski višini približno 2000-3000 km se eksosfera postopoma spremeni v tako imenovani skoraj vesoljski vakuum, ki je napolnjen z zelo redkimi delci medplanetarnega plina, predvsem atomi vodika. Toda ta plin predstavlja le del medplanetarne snovi. Drugi del sestavljajo prašni delci kometnega in meteorskega izvora. Poleg teh izjemno redkih delcev v ta prostor prodira elektromagnetno in korpuskularno sevanje sončnega in galaktičnega izvora.
Troposfera predstavlja približno 80% mase ozračja, stratosfera - približno 20%; masa mezosfere ni večja od 0,3%, termosfera je manjša od 0,05% celotne mase ozračja. Glede na električne lastnosti atmosfere ločimo nevtronosfero in ionosfero. Trenutno se domneva, da se atmosfera razteza do nadmorske višine 2000-3000 km.
Odvisno od sestave plina v ozračju, ki ga oddajajo homosfera in heterosfera. Heterosfera- To je področje, kjer gravitacija vpliva na ločevanje plinov, saj je njihovo mešanje na taki višini zanemarljivo. To pomeni spremenljivo sestavo heterosfere. Pod njim leži dobro premešan, homogen del ozračja, imenovan homosfera. Meja med temi plastmi se imenuje turbopavza, leži na nadmorski višini približno 120 km.
Atmosferske lastnosti
Že na nadmorski višini 5 km začne netrenirana oseba doživljati kisikovo stradanje in brez prilagoditve se človekova zmogljivost znatno zmanjša. Tu se konča fiziološka cona ozračja. Človeško dihanje postane nemogoče na višini 15 km, čeprav do približno 115 km atmosfera vsebuje kisik.
Ozračje nas oskrbuje s kisikom, ki je potreben za dihanje. Zaradi padca celotnega atmosferskega tlaka, ko se dvignete na višino, se parcialni tlak kisika ustrezno zmanjša.
Človeška pljuča nenehno vsebujejo približno 3 litre alveolarnega zraka. Parcialni tlak kisika v alveolarnem zraku pri normalnem atmosferskem tlaku je 110 mmHg. Art., Tlak ogljikovega dioksida - 40 mm Hg. Art., in vodna para −47 mm Hg. Umetnost. Z naraščanjem nadmorske višine tlak kisika pada, skupni parni tlak vode in ogljikovega dioksida v pljučih pa ostaja skoraj enak - približno 87 mm Hg. Umetnost. Dovod kisika v pljuča se popolnoma ustavi, ko se zračni tlak okolice izenači s to vrednostjo.
Na nadmorski višini približno 19-20 km atmosferski tlak pade na 47 mm Hg. Umetnost. Zato na tej višini voda in medcelična tekočina začneta vreti v človeškem telesu. Zunaj kabine pod tlakom na teh višinah smrt nastopi skoraj v trenutku. Tako se z vidika človeške fiziologije "vesolje" začne že na nadmorski višini 15-19 km.
Goste plasti zraka – troposfera in stratosfera – nas varujejo pred škodljivimi učinki sevanja. Ob zadostnem redčenju zraka na nadmorski višini več kot 36 km ionizirajoče sevanje - primarni kozmični žarki - intenzivno delujejo na telo; Na nadmorski višini več kot 40 km je za človeka nevaren ultravijolični del sončnega spektra.
Zgradba zemeljske atmosfere
Atmosfera je plinasta ovojnica Zemlje z aerosolnimi delci, ki se v vesolju gibljejo skupaj z Zemljo kot enotna celota in hkrati sodelujejo pri vrtenju Zemlje. Večji del našega življenja poteka na dnu ozračja.
Skoraj vsi planeti našega osončja imajo svojo atmosfero, vendar je samo zemeljska atmosfera sposobna podpirati življenje.
Ko je naš planet nastal pred 4,5 milijarde let, je bil očitno brez ozračja. Ozračje je nastalo kot posledica vulkanskih izpustov vodne pare, pomešane z ogljikovim dioksidom, dušikom in drugimi kemikalijami iz notranjosti mladega planeta. Toda atmosfera lahko vsebuje omejeno količino vlage, zato je njen presežek zaradi kondenzacije povzročil nastanek oceanov. Toda takrat je bilo ozračje brez kisika. Prvi živi organizmi, ki so nastali in se razvili v oceanu, so kot posledica reakcije fotosinteze (H 2 O + CO 2 = CH 2 O + O 2) začeli sproščati majhne količine kisika, ki je začel vstopati v ozračje.
Nastajanje kisika v zemeljski atmosferi je povzročilo nastanek ozonske plasti na nadmorski višini približno 8 – 30 km. In tako je naš planet zaščiten pred škodljivimi učinki ultravijolične študije. Ta okoliščina je služila kot spodbuda za nadaljnji razvoj življenjskih oblik na Zemlji, ker Zaradi povečane fotosinteze je začela hitro naraščati količina kisika v ozračju, kar je prispevalo k nastanku in ohranjanju življenjskih oblik, tudi na kopnem.
Danes je naše ozračje sestavljeno iz 78,1 % dušika, 21 % kisika, 0,9 % argona in 0,04 % ogljikovega dioksida. Zelo majhne frakcije v primerjavi z glavnimi plini so neon, helij, metan in kripton.
Na delce plina v atmosferi vpliva sila gravitacije Zemlje. In glede na to, da je zrak stisljiv, se njegova gostota postopoma zmanjšuje z višino in prehaja v vesolje brez jasne meje. Polovica celotne mase zemeljske atmosfere je skoncentrirana v spodnjih 5 km, tri četrtine v spodnjih 10 km, devet desetin v spodnjih 20 km. 99 % mase zemeljske atmosfere je koncentrirane pod nadmorsko višino 30 km, kar je le 0,5 % ekvatorialnega polmera našega planeta.
Na morski gladini je število atomov in molekul na kubični centimeter zraka približno 2 * 10 19, na nadmorski višini 600 km le 2 * 10 7. Na gladini morja atom ali molekula prepotuje približno 7 * 10 -6 cm, preden trči z drugim delcem. Na nadmorski višini 600 km je ta razdalja približno 10 km. Na morski gladini se vsako sekundo zgodi približno 7 * 10 9 takšnih trkov, na nadmorski višini 600 km - le približno en na minuto!
Ne spreminja pa se le pritisk z nadmorsko višino. Spreminja se tudi temperatura. Na primer, ob vznožju visoke gore je lahko precej vroče, medtem ko je vrh gore prekrit s snegom in je tam temperatura hkrati pod ničlo. In če se peljete z letalom na višino kakšnih 10-11 km, slišite sporočilo, da je zunaj -50 stopinj, medtem ko je na površju zemlje 60-70 stopinj topleje ...
Sprva so znanstveniki domnevali, da temperatura pada z višino, dokler ne doseže absolutne ničle (-273,16°C). Ampak to ni res.
Zemljino ozračje sestavljajo štiri plasti: troposfera, stratosfera, mezosfera, ionosfera (termosfera). Ta delitev na plasti je bila sprejeta tudi na podlagi podatkov o spremembah temperature z višino. Najnižjo plast, kjer temperatura zraka pada z višino, imenujemo troposfera. Plast nad troposfero, kjer se upadanje temperature ustavi, nadomesti izoterma in končno začne temperatura naraščati, imenujemo stratosfera. Plast nad stratosfero, v kateri temperatura ponovno hitro pade, je mezosfera. In končno, plast, kjer začne temperatura ponovno naraščati, se imenuje ionosfera ali termosfera.
Troposfera sega v povprečju do spodnjih 12 km. Tu se oblikuje naše vreme. Najvišji oblaki (cirusi) nastanejo v najvišjih plasteh troposfere. Temperatura v troposferi z višino pada adiabatno, tj. Sprememba temperature nastane zaradi padanja tlaka z višino. Temperaturni profil troposfere v veliki meri določa sončno sevanje, ki doseže zemeljsko površje. Zaradi segrevanja zemeljske površine s Soncem nastajajo konvektivni in turbulentni tokovi, usmerjeni navzgor, ki tvorijo vreme. Omeniti velja, da vpliv spodnjega površja na nižje plasti troposfere sega do višine približno 1,5 km. Seveda brez gorskih predelov.
Zgornja meja troposfere je tropopavza - izotermna plast. Razmislite o značilnem videzu nevihtnih oblakov, katerih vrh je "rafal" cirusov, imenovan "nakovalo". To "nakovalo" se samo "razpre" pod tropopavzo, ker zaradi izoterme se vzpenjajoči zračni tokovi močno oslabijo in oblak se neha vertikalno razvijati. Toda v posebnih, redkih primerih lahko vrhovi kumulonimbusov vdrejo v nižje plasti stratosfere in prekinejo tropopavzo.
Višina tropopavze je odvisna od zemljepisne širine. Tako se na ekvatorju nahaja na nadmorski višini približno 16 km, njegova temperatura pa je okoli –80 °C. Na polih se tropopavza nahaja nižje, na približno 8 km nadmorske višine. Poleti je tukaj temperatura –40°C, pozimi –60°C. Tako je kljub višjim temperaturam na Zemljinem površju tropska tropopavza precej hladnejša kot na polih.
