Понятие об атмосфере

Атмосфера — это газовая оболочка (воздух), окружающая земной шар и связанная с ним силой тяжести. Она представляет собой смесь газов, водяного пара и примесей (аэрозолей). По составу воздух у поверхности земли содержит 78% азота (N₂) и около 21% кислорода (О₂), т.е. на эти два элемента приходится около 99% объема воздуха. Заметная доля принадлежит аргону (Аr) — 0,9%. Важные составные части атмосферы — озон (О₃), углекислый газ (СО₂), а также водяной пар. Значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности земли и атмосферы.

Углекислый газ является одной из важнейших составных частей питания растений. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов и гниения, расходуется же в процессе усвоения его растениями.

Озон, большая часть которого сосредоточена в так называемом озоновом слое (озоновый экран), служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для живых организмов.

Содержание водяного пара в атмосфере колеблется в широких пределах: оно близко к нулю при очень низких температурах и может достигать 4% при высоких температурах.

В состав атмосферного воздуха входят также многочисленные взвешенные в нем твердые и жидкие примеси — так называемые аэрозоли. Они имеют естественное и искусственное (антропогенное) происхождение (пыль, сажа, пепел, кристаллики льда и морской соли, капельки воды, микроорганизмы и т.д.).

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание по крайней мере основных газов (N₂, О₂, Ar) с высотой изменяется незначительно. Так, на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86%, кислорода — 19, аргона — 0,91, а на высоте 95 км — 77, 21,3 и 0,82% соответственно. Постоянство состава атмосферного воздуха как по вертикали, так и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Современный состав воздуха Земли установился по крайней мере несколько сотен миллионов лет назад и оставался неизменным до тех пор, пока резко не возросла производственная деятельность человека. В текущем столетии отмечается увеличение содержания СО₂ по всему земному шару примерно на 10 — 12%.

Атмосфера имеет сложное строение. В соответствии с изменением температуры с высотой выделяют четыре слоя: тропосферу (до 12 км), стратосферу (до 50 к м), верхние слои атмосферы, в которые входят мезосфера (до 80 км) и термосфера, постепенно переходящая в межпланетное пространство. В тропосфере и мезосфере температура воздуха с высотой понижается, а в стратосфере и термосфере, наоборот, повышается.

Тропосфера — нижний слой атмосферы, высота которого изменяется от 8 км над полюсами до 17 км над экватором (в среднем 12 км). В ней сосредоточено до 4/5 всей массы атмосферы и почти весь водяной пар. В составе воздуха преобладают азот, кислород, аргон и углекислый газ. Воздух тропосферы нагревается от земной поверхности — поверхности воды и суши. В тропосфере воздух постоянно перемешивается. Конденсируются водяные пары, образуются туманы и облака, выпадают дожди, происходят грозы и бури. Температура с высотой убывает в среднем на 0,6°С на каждые 100 м, а на верхней границе она составляет

—70°С в районе экватора и -65°С над Северным полюсом.

Стратосфера — второй слой атмосферы, расположенный над тропосферой. Он простирается до высоты 50 км. Газы в стратосфере постоянно перемешиваются, в нижней ее части наблюдаются устойчивые так называемые струйные течения воздуха скоростью до 300 км/ч. Цвет неба в стратосфере кажется не голубым, как в тропосфере, а фиолетовым. Это объясняется разреженностью воздуха, в результате которой солнечные лучи почти не рассеиваются. В стратосфере очень мало водяных паров, нет активных процессов облакообразования и осадков. Изредка в стратосфере на высоте » 30 км в высоких широтах возникают тонкие яркие облака, называемые перламутровыми.

Именно в стратосфере, примерно на высоте 20-30 км выделяется слой максимальной концентрации озона — озоновый слой (озоновый экран, озоносфера). Благодаря озону температура в стратосфере и на верхней границе оказывается в пределах +50 +55°С.

Выше стратосферы располагаются высокие слои атмосферы — мезосфера и термосфера.

Мезосфера — средняя сфера простирается от 40-45 до 80-85 км. Цвет неба в мезосфере кажется черным, днем и ночью видны яркие немерцающие звезды. Температура снижается до 75-90°С ниже нуля.

Термосфера простирается от мезосферы и выше. Ее верхнюю границу предполагают на высоте 800 км. Преимущественно состоит из ионов, образовавшихся под влиянием космических лучей, действие которых на молекулы газа приводит к их распаду на заряженные частицы атомов. Слой ионов в термосфере называют ионосферой, для которой характерна высокая наэлектризованность и от которой, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны. В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц.

Термосфера характеризуется нарастающим повышением температуры: на высоте 150 км она достигает 220-240°С; на высоте 500-600 км превышает 1500°С.

Выше термосферы (т.е. выше 800 км) расположена внешняя сфера, сфера рассеивания — экзосфера, простирающаяся до нескольких тысяч километров.

Условно считается, что атмосфера простирается до высоты 3000 км.

АТМОСФЕРА — это… Что такое АТМОСФЕРА?

атмосфера — атмосфера …   Орфографический словарь-справочник

атмосфера — ы, ж. atmosphère f., н. лат. atmosphaera <гр. 1. физ., метеор. Воздушная оболочка земли, воздух. Сл. 18. В атмосфере, или в воздухе, которой нас .. окружает и которым мы дышем. Карамзин 11 111. Разсеивание света атмосферою. Астр. Лаланда 415.

… …   Исторический словарь галлицизмов русского языка

АТМОСФЕРА — Земли (от греч. atmos пар и sphaira шар), газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и принимающая участие в ее суточном и годовом вращении. Атмосфера. Схема строения атмосферы Земли (по Рябчикову). Масса А. ок. 5,15 10 8 кг.… …   Экологический словарь

АТМОСФЕРА — (греч. atmosphaira, от atmos пар, и sphaira шар, сфера). 1) Газообразная оболочка, окружающая землю или другую планету. 2) умственная среда, в которой кто либо вращается. 3) единица, которою измеряется давление, испытываемое или производимое… …   Словарь иностранных слов русского языка

атмосфера — Воздух. См. круг… Словарь русских синонимов и сходных по смыслу выражений. под. ред. Н. Абрамова, М.: Русские словари, 1999. атмосфера воздух, круг, обстановка, климат, среда, условия, микроклимат, пятый океан, фон Словарь русс …   Словарь синонимов

АТМОСФЕРА — (атмосфера неправ.), атмосферы, жен. (от греч. atmos дыхание и sphaira шар). 1. только ед. Воздушная оболочка, окружающая землю (ест.). || Газообразная оболочка, окружающая некоторые планеты (астр.). Атмосфера Марса. 2. только ед. Воздух (разг.) …   Толковый словарь Ушакова

АТМОСФЕРА — внесистемная единица давления. Нормальная, или физическая, атмосфера (обозначается атм.) равна 101 325 Па 1013,25 гПа 760 мм ртутного столба 10 332 мм водяного столба 1,0332 ат; техническая атмосфера (ат) равна 1 кгс/см&sup2 735,56 мм ртутного… …   Большой Энциклопедический словарь

Атмосфера — (иноск.) среда, сфера, вѣяніе (собств. окружающій насъ воздухъ, которымъ мы дышимъ). Ср. Ольга Ѳедоровна была хорошій барометръ для опредѣленія домашней атмосферы: она какъ нельзя болѣе основательно предсказывала грозу… Лѣсковъ. Захудалый родъ …   Большой толково-фразеологический словарь Михельсона (оригинальная орфография)

Атмосфера — газовая оболочка Земли, состоящая, исключая воду и пыль (по объему), из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислоты (около 0,09%) и водорода, неона, гелия, криптона, ксенона и ряда др. газов (в сумме около 0,01%). Состав сухой …   Геологическая энциклопедия

АТМОСФЕРА — жен. окружающий шар земной или иное небесное тело воздух, со всеми природными примесями его: испарениями, облаками и пр., мироколица, колоземица. Земная мироколица не подымается от земли и на сто верст. От густоты летней колоземицы марево в… …   Толковый словарь Даля

Атмосфера теплоты и праздника – это тоже реабилитация

18.12.2019

Кто поспорит с тем, что главная задача докторов – лечить, а пациентов – лечиться? Всё верно, но когда речь идет о маленьких пациентах, которые вместе с родителями находятся в стационаре довольно долго, очень важно создать атмосферу доброжелательности, теплоты. Проще говоря, сделать так, чтобы дети чувствовали себя детьми – веселились, развлекались, чтобы они были окружены вниманием не только знакомых им взрослых, но и других людей. Чтобы всё было как в обычной жизни, особенно под Новый год.

В отделении медицинской реабилитации Областной детской клинической больницы Ростовской области предновогодние дни, как всегда, очень насыщенные. Здесь идет обычная для стационара жизнь, с осмотрами докторов, со специальными занятиями и множеством процедур, но наряду с этим практически через день организуются предновогодние мероприятия – встречи, мастер-классы, тщательно продуманные специалистами отделения. Ведь надо сделать так, чтобы все развлечения имели явный позитивный настрой и способствовали развитию различных навыков у маленьких пациентов. Рисовать и раскрашивать – это не только развитие когнитивных способностей и мелкой моторики, но и подготовка подарков близким своими руками. На фото вы видите, с каким увлечением дети этим занимаются.

Хорошее настроение надо создать и для мамочек. Чем больше проблем, тем больше они ценят доброе и внимательное отношение, чуткость окружающих. И вот на днях, в преддверии новогодних праздников в отделении медицинской реабилитации побывала ведущий стилист и визажист агентства «Имидж» Елена Савенко.

— Елена приехала с подарками-сюрпризами для детей и с очень интересной лекцией для мамочек, — рассказывает заведующая ОМР Областной детской клинической больницы РО Татьяна Ефремова. – Она говорила о том, как с минимумом возможностей создать новогодний образ, атмосферу волшебного праздника, о том, каковы тенденции моды и макияжа в будущем году. Елена сделала важную вещь: убедительно напомнила нам всем, и мамочкам наших пациентов, и специалистам отделения, – даже сложные проблемы, связанные с заболеванием ребенка, даже напряженная работа не должны мешать нам ценить позитивные события, приятные встречи. Посмотрите на лица улыбающихся детей – в этот день им точно было гораздо лучше. Наша задача – чтобы в Новом году таких дней было много!

Возврат к списку

1. Атмосфера театра. Ликбез – localdramaqueen.moscow

Лизавета Боровикова (студентка театроведческого факультета ГИТИСа) в своей любви к театру пошла дальше и глубже зрительного зала. Приглашаем в путешествие в мир театра вместе с будущим театроведом Лизой Боровиковой. Первая остановка: “Атмосфера спектакля”

При создании спектакля, его авторы стараются воссоздать на сцене реальную жизнь людей, передавая историческую, общественную и бытовую среду. Через взаимодействие актеров между собой и с окружающей их обстановкой появляется сценическая атмосфера.

Давайте попробуем разобраться в том, что же такое атмосфера спектакля.

Само понятие «атмосфера» в театре сегодня все больше объединяется с более обширным – «энергия». Атмосфера и энергия, — феномены не только театра и искусства, это явления самой жизни. Театр работает с разноуровневыми энергиями актера и спектакля достаточно давно, об этом говорили и Станиславский, и Чехов, и Васильев. При употреблении в одном ряду таких понятий как «энергия» и «атмосфера», с последнего снимается оттенок метафоричности, театроведы сейчас признают энергетическую природу театра, но изучение феномена сегодня как никогда актуально для театроведческой науки. Однако важно отметить: атмосфера – это ощущение, которое испытывает каждый участник действия, а энергия – толчок, который исходит со сцены в зрительный зал и наоборот.

В театре многое невозможно зафиксировать материально, существуют и невидимые аспекты театрального языка. В пример можно привести психологический жест актера, о котором писал Михаил Чехов или Лосев, который писал о ритме, как о ритмической фигуре. Но очевидно, что зритель не может зафиксировать все составляющие спектакля при помощи слуха или зрения. Это самое «невидимое» и есть атмосфера. О ней впервые заговорили в начале ХХ века, как о новом качестве спектаклей Художественного театра. Вначале слово «атмосфера» употребляли в одном ряду с «настроением», но в скором времени «атмосфера» стала самостоятельной характеристикой спектакля.

Существование художественной атмосферы спектакля подтверждает и простой зрительский опыт: любой спектакль играют живые актеры, но совсем не каждый становится живым, так называемым, «атмосферным» явлением.

Обращаясь к произведениям литературы, изобразительного искусства или кино, зритель чаще всего имеет дело с атмосферой как с энергетическим следом, который остается после завершения творчества автора. Такой феномен атмосферы как «след» хорошо знаком и в театре. С ним сталкиваются все участники спектакля, когда обращаются к пьесе, классической или современной. Далее атмосфера — как след не завершенного еще творческого процесса — существует уже в период подготовки спектакля. «Тянется» от репетиции к репетиции, потом — к премьере и дальше (заново родившись в контакте с атмосферой зрительного зала) — от представления к представлению. «Оседает» на декорациях, предметах реквизита, костюмах. Остается как след в душах самих актеров.

И все же именно на самом спектакле, когда его играют на публике, в наибольшей степени проявляется специфика театра и театральной атмосферы: она рождается непосредственно в действии спектакля и — в творчестве многих авторов, актеров и зрителей.

Само по себе прирастание энергии в процессе творчества может быть характерно не только для театра, но и для любого из видов искусств. Тем не менее одновременное — здесь и сейчас, на спектакле — творчество многих людей, актеров и зрителей, способно придать этому явлению особое качество: оно многократно усиливает интенсивность энергетических процессов. Этот феномен, знакомый каждому актеру и зрителю на собственном опыте, действительно можно считать спецификой театра — и поэтому театральное искусство не без основания называют самым атмосферным среди других искусств.

Феномен атмосферы на протяжении десятилетий было принято связывать со спектаклями одного типа театра (психологического) — но постепенно среди театроведов утвердилось представление об атмосфере как неотъемлемой составляющей сценического образа в каждом спектакле.

В завершении хочется отметить, что атмосфера – это душа спектакля, которая каждому зрителю открывается с разных сторон. Напоследок хочу привести несколько примеров спектаклей с богатой, на мой взгляд, атмосферой:

Театр им. Вахтангова «Евгений Онегин» реж. Римас Туминас

БДТ им. Товстоногова «Три сестры» реж. Владимир Панков

Театр кукол «Ульгэр», Улан-Удэ «И звали его Домино» реж. Яна Тумина 

Театр им. Маяковского «Русский роман» реж. Миндаугас Карбаускис

---

при работе над текстом использовались следующие материалы:

«Введение в театроведение» под редакцией Ю. М. Барбоя
Статья «Атмосфера спектакля» (И.И.Бойкова)

---

: Технологии и медиа :: РБК

«Мы начали регистрировать хлороводород в северном и южном полушариях только после начала глобальной пылевой бури, — рассказал член-корреспондент РАН и научный руководитель эксперимента ACS Олег Кораблев. — Скорее всего, он уже был в атмосфере, и его постепенно «разносила» атмосферная циркуляция. Позже, во время спада глобальной бури, мы также наблюдали HCl, в том числе в средних широтах».

После окончания второй пылевой бури концентрация HCl начала постепенно снижаться. В «Роскосмосе» отметили, что появление хлороводорода соответствует прохождению Марсом перигелия — ближайшей к Солнцу точки орбиты.

Читайте на РБК Pro

«Это первый случай регистрации галогенового газа в атмосфере Марса, и он — свидетель совершенно нового химического цикла, который нам предстоит понять», — пояснил профессор Оксфордского университета Кевин Олсен, участвующий в исследованиях.

Сейчас ученым предстоит понять, откуда берется хлороводород и куда он исчезает после пылевых бурь. В качестве гипотезы появления вещества выдвигаются вулканические процессы, однако пока что не удалось найти связь между всплесками появления HCl и сейсмоактивностью на Марсе. Кроме того, ученые не исключают, что ответ на вопрос в буквальном смысле «лежит на поверхности» планеты, поскольку хлороводород появляется только в период пылевых бурь.

«Это очень малая примесь, но она помогает исследовать эволюцию атмосферы, как она себя ведет, какими источниками она пользуется. В то же время это очень точно показывает уровень нашей космической техники: Институт космических исследований сделал прекрасный инфракрасный спектрометр, который позволяет очень малые примеси в атмосферах планет определять», — сказал РБК научный сотрудник Астрономического института им. Штернберга Владимир Сурдин.

«Это нестабильный продукт жизнедеятельности, поэтому одна из возможностей — это биогенное происхождение, но это бабушка надвое сказала, надо разбираться, там и метан обнаруживали. Вообще, хлороводород обнаруживается во многих атмосферах планет. Вот недавно была история с атмосферой Венеры — там действительно было серьезное открытие. Есть на Юпитере и Сатурне, и вообще не факт, что он не связан с биогенной деятельностью на Юпитере и Сатурне, потому что там есть места, где комнатная температура и жидкая вода», — сказал РБК доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ Александр Панов.

В ноябре прошлого года американские ученые связали пылевые бури с исчезновением воды на Марсе. Они пришли к выводу, что бури буквально выдувают воду с поверхности планеты в верхние слои атмосферы, после чего она уходит в космос.

Атмосфера Земли: строение, оптика и современные исследования

Стенограмма выступления.
Лекцию читал Олег Угольников, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник Института космических исследований РАН

Добрый день! Я хочу представить лекцию на тему «Атмосфера Земли. Строение и оптика». Вопрос атмосферы Земли интересен всем. Он интересен обычным людям, потому что мы живём в атмосфере, мы ею дышим и мы всецело зависим от того, что в атмосфере происходит. Он интересен, конечно же, и учёным. И учёным не только в области непосредственно геофизики и физики Земли, но и астрономам тоже. Потому что, несмотря на то, что у нас началась активная эпоха астрономических исследований космоса, всё равно крупнейшие телескопы находятся на поверхности Земли. Раз так, то все свойства излучения далёких небесных объектов, которые мы регистрируем в телескопы, на них атмосфера, так или иначе, влияет, искажает эти свойства. И для того, чтобы получить правильную информацию, собственно, самих небесных объектов, нужно знать о том, что с их излучением делает атмосфера. Не только знать, но и, по возможности, исправлять, учиться исправлять даже в реальном времени. Вот в настоящее время все новейшие крупные телескопы оснащаются системами активно адаптированной оптики, которая позволяет значительное количество атмосферных помех исправлять непосредственно во время наблюдений. Атмосферами обладают все планеты Солнечной системы, кроме Меркурия. Но атмосфера планеты Земля существенно отличается от атмосфер всех остальных планет. Отличается гораздо больше, чем различия между другими атмосферами. И связано это, прежде всего, с тем, что наша планета обитаема. И необходимость поддержания жизни накладывает на атмосферу очень большие требования, которым она должна соответствовать для того, чтобы мы с вами могли жить, могли встречаться, могли видеться в этом зале.

Химические свойства очень сложны и они зависят и от высоты, и от сезона, и т.д. Но комбинация различных составляющих атмосферных, в том числе и ядовитых, то есть тех, которыми непосредственно дышать нельзя, но они всё равно в атмосфере есть на разных высотах, так вот эта комбинация оптимальна для того, чтобы на поверхности Земли или недалеко от поверхности Земли могла существовать жизнь. Тут, конечно, можно спорить, что первично, что вторично. То есть мы с вами живём, потому что атмосфера такая хорошая или, наоборот, атмосфера такая хорошая, потому что мы с вами живём, но факт есть факт. Это свойство, действительно, удивительное и только несколько характерных примеров того, насколько в атмосфере всё хорошо подогнано для нас с вами, дальше в этой лекции будут встречаться. И, главное, атмосфера ещё обладает химической и динамической стабильностью. То есть если взять её в том состоянии, в котором она была из этого состояния её слегка вывести, например, изменить содержание какого-то газа, изменить температуру и т.д., то через какое-то время атмосфера вновь вернётся в нужное, оптимальное для нас, состояние. Здесь, конечно, нужно оговориться о том, что речь идёт о небольшом импульсе, о небольшом движении атмосферы из такого состояния. И, к сожалению, сейчас человек уже забывает о слове «небольшом» и происходят те процессы в атмосфере, на которые она среагировать не успевает, и поэтому идут вековые изменения различных атмосферных параметров.

Вот самое характерное свойство атмосферы. Её оптическая прозрачность. Известно, что свет – это лишь небольшая часть электромагнитного спектра, есть и другие типы излучения: инфракрасное, ультрафиолетовое, радио, и т.д. Так вот, наша атмосфера для большей части электромагнитного спектра непрозрачна. Но она прозрачна как раз там, где ей нужно быть прозрачной. Как раз там, где максимум своего излучения отправляет в космическое пространство Солнце, то есть в видимом диапазоне. Тем самым она не мешает солнечному теплу доходить до нас с вами, согревать нас с вами. Но в то же время атмосфера блокирует всё то излучение Солнца, которое может представлять для нас опасность. То есть она аккуратненько оставляет в спектре Солнца только те частоты, которые нам с вами нужны. Химический состав, тепловые условия так же оптимальны для дыхания и поддержания жизни. Хотя на самом деле это кажется нам понятным и естественным. Но вопрос не столь простой, как мы сейчас с вами в этом сможем убедиться. Вот давайте внимательно посмотрим на тепловой баланс атмосферы. То есть от чего зависит, собственно говоря, температура атмосферного газа на различных высотах. В том числе и приземного, там, где мы с вами находимся. Когда мы говорим о температуре, нам надо сказать, что является источником энергии для атмосферы. Он, в общем-то, один. Все остальные даёт достаточно маленький вклад по сравнению с этим, по крайней мере, для приземных слоёв. Это излучение Солнца. Излучение нашей с вами звезды, которая, собственно, и согревает Землю вместе с атмосферой. Химический состав атмосферы, по крайней мере, в приземных слоях, он хорошо известен, школьники его знают. На 78% по массе атмосферы состоит из молекулярного азота, химическая формула N2, на 21% — из молекулярного кислорода. Это, собственно, тот газ, который нам необходим для дыхания О2. На 1% — из аргона и других инертных и, как ещё называют, благородных газов.

Вот если мы с вами сложим 78, 21 и 1, то получим в сумме 100. Это значит, что вот эти три газа составляют подавляющую часть атмосферного воздуха, и примесь всех остальных газов обычно исчисляется десятыми долями процентов, то есть очень и очень мало. Казалось бы, именно эти три газа и должны играть основную роль в поддержании теплового баланса атмосферы. Но есть две важных детали. Азот, кислород и аргон почти не взаимодействуют с солнечным излучением, доходящим до высот от нуля до 90 километров. То есть для того излучения, которое в эти слои атмосферы попадает, вот для этого излучения данные три газа совершенно прозрачны. Ну, оговоримся, что у кислорода, конечно, есть полосы поглощения в красной области спектра, но они не существенно влияют на общую картину. Дальше. Азот, кислород и аргон почти не взаимодействуют с инфракрасным излучением, которое уже назад Земля отправляет в космическое пространство. Естественно это должно делать любое тело, нагретое до определённой температуры. Вот с теми температурами, которые есть у нас на Земле, основное излучение попадает на инфракрасную область спектра. Но там тоже эти три газа оказываются прозрачными. Получается, что они никак в переработке солнечной энергии практически не задействованы. И вся эта сложная, необходимая нам, задача переработки солнечной радиации, оказывается на плечах других газов, которых совсем-совсем мало. И чтобы проиллюстрировать такой, на первый взгляд парадоксальный эффект, давайте проведём с вами мысленно эксперимент. В реальности эксперимент, к счастью, провести невозможно. Но вот представим себе, что вдруг в атмосфере осталось 78% азота, 21% кислорода, 1% аргона. Всё остальное исчезло. Вот так получилось. Казалось бы, ну, что меняется? 99,9% состава атмосферы остались без изменения. Кислород остался, дышать можно. Вот давайте представим, как будет выглядеть поверхность Земли в этом случае.

Это, конечно, очень сложно сделать, поскольку, я повторюсь, в реальности такой эксперимент провести нельзя, но если напрячь фантазию, получится вот что-то такое. Атмосфера: кислород, азот и аргон. Во-первых, поверхность Земли будет подвергаться мощному потоку ультрафиолетовой радиации Солнца. Настолько сильному, что существовать на поверхности такой планеты нам с вами будет просто невозможно. А, во-вторых, средняя температура на поверхности Земли составит -20 градусов. Это совсем непохоже на ту жаркую майскую погоду, которая сейчас у нас с вами за окном. Мы ведь сделали совсем немного. Мы убрали из атмосферы газы, которых там, по идее, было очень и очень мало. Почему такой мощный эффект? Ответ на этот вопрос состоит уже в, знакомом вами, парниковом эффекте. Именно он позволяет средней температуре на поверхности Земли иметь не знак «минус», а иметь уверенный знак «плюс». В чём состоит парниковый эффект? Допустим, у нас в атмосфере появился слой каких-то газов. Он может быть вблизи Земли или на какой-то высоте, прозрачный для солнечного излучения, так же, как азот, кислород и аргон и, соответственно, не мешает ему доходить до поверхности Земли, согревать нас. Но они, эти газы непрозрачны для инфракрасного излучения Земли. То есть отток энергии от нашей планеты обратно в космическое пространство эти газы блокируют. Тогда поверхность начнёт нагреваться. С чем можно сравнить слой парниковых газов? Ну, с обычным одеялом. Ведь когда вы ложитесь спать, укрываетесь одеялом, вам становится теплее. Но в одеяле собственных источников энергии нет. Почему же оно вас согревает? Просто потому, что оно не даёт вашему собственному теплу от вас далеко уходить. Вот роль такого одеяла и играют парниковые газы.

Парниковых газов мало, 10-е доли процента, но их оказывается достаточно для того, чтобы температура на поверхности Земли существенно возросла. Главным парниковым газом является двуокись углерода СО2. Это газ, который мы и все живые организмы выдыхают в процессе своей жизнедеятельности. Вот здесь, справа, показан кусочек спектра излучения Земли в космическое пространство. То есть если бы мы имели инфракрасный спектрограф, мы посмотрели бы из космоса на Землю. И вот верхняя пунктирная линия – это какой была бы Земля, если бы парникового эффекта не было. А реальное измерение, вот они представлены графики. Вы видите, насколько сильно парниковый газ даёт такую мощную полосу, уменьшает отток излучения от нашей с вами планеты. Ну, конечно, другие газы тоже играют некоторую роль, например, озон, метан и т.д. Но вот эта полоса с длинной волны порядка 15 микрон, она основная для формирования парникового эффекта. С этой полосой мы, кстати, ещё встретимся по ходу этой лекции. И при нормальном содержании парниковых газов, таким, каким оно должно быть на нашей с вами атмосфере, тепловой эффект, то есть выигрыш в температуре, составляет 35 градусов. И средняя температура у нас не -20,а +15. А парниковых газов очень мало. Теперь можно представить, что будет, если их станет больше. И это не пустая фантазия. Известно, что содержание углекислого газа в последние десятилетия на Земле быстро достаточно возрастает. Вот перед вами график. Мы видим, что за 50 лет углекислого газа стало больше на четверть. А раз это такой активный парниковый газ, то, естественно, увеличение его содержания будет вызывать потепление на нашей планете. И такие события, как лето 2010-го года в Москве, вот в Подмосковье сделана фотография, всё окутано дымом. А также то, что у нас погода постоянно бьёт температурные рекорды и последние два температурных рекорда были установлены позавчера и вчера в Москве и, возможно, сегодня тоже будет. А вот температурные рекорды со знаком «минус» в Московском регионе уже, по-моему, не побиваются много десятилетий. Всё это говорит о том, что средняя температура и у нас здесь, и вообще на Земле растёт и, конечно, это повод задуматься о том, как эти процессы нужно приостановить.

Другой газ, очень активный, который формирует, фактически, всё, что мы называем с вами климатом – это водяной пар Н2О. Это один из самых изменчивых компонентов в нижней атмосфере Земли. Его содержание очень редко доходит до 1%. Но 1% водяного пара – это страшно влажный воздух. Обычно это тоже доля процента, то есть, в общем-то, мало. Но именно водяной пар ответственен за такие события у нас с вами, как гроза, которая, так понимаю, уже сейчас должна начаться у нас за окнами, появление смерчей, ураганов и всего этого уже в более крупном планетарном масштабе, циклонов. Активных образований в атмосфере, характеризуемых достаточно большими скоростями, большой энергетикой. Вот откуда берётся в нашей, вроде как спокойной атмосфере вот такая энергия? Где эти все природные катаклизмы черпают энергию? Ответ очень простой. Черпают они её в водяном паре. Водяной пар – это очень интересный компонент, который в наших с вами условиях может быть как жидкостью так и газом. Кстати, когда мы говорим о верхней атмосфере, то и на неё водяной пар, находящийся у поверхности Земли, может действовать посредством передачи акустико-гравитационных волн. Вот здесь на фотографии ночное ясное небо, но недалеко от грозового фронта. Даже видны спрайты – это разряды в верхней атмосфере Земли. А всё свечение ночного неба мы, тут, не знаю, насколько хорошо это видно, имеет структуру таких волн. Это, как раз, следствие передачи энергии от нижних слоёв атмосферы в верхние посредством вот этих волновых процессов.

Водяной пар не просто может переходить в жидкое состояние в атмосферных условиях. Собственно, другие газы при наших температурах, которые у нас есть, этого не могут делать. Кроме этого, водяной пар характеризуется очень большой удельной теплотой парообразования. Больше 2-х миллионов Джоулей на килограмм. То есть, чтобы килограмм воды, литр воды превратить в пар, нужна энергия больше 2-х миллионов Джоулей. А когда этот самый килограмм водяного пара вновь превращается в жидкость, то, в соответствии с законом сохранения энергии, эти два мегаджоуля возвращаются назад. А так как водяной пар в атмосфере конденсируется, испаряется на разных высотах, то есть испаряется-то он у поверхности, а конденсируется уже на больших высотах. За счёт этого и происходит передача энергии на большие высоты атмосферы и там конденсация водяного пара, образование облачности и играет роль источника энергии для формирования грозовых облаков, циклонов, и т.д. Вот примерно такая схема. И вот фотография такой, такого грозового облака над Москвой сделана три года назад. И вот сегодня, когда я шёл сюда, очень похожую картинку я видел, буквально, на небе. Так что вполне возможно гроза в Москве уже идёт.

Всем хорошо известно, что температура в атмосфере с высотой уменьшается. Когда вы взлетаете на самолёте, достигаете высоты, скажем, в 10 тысяч метров, вам сообщают температуру за бортом, скажем, -50 градусов. Это может удивлять. Особенно, если вы каких-нибудь полчаса назад взлетели с какого-нибудь тёплого пляжа, из тёплой страны, где температура, скажем, +25 или +30. Почему температура уменьшается с высотой? Это естественное свойство газа, находящегося в поле тяжести. Ну, в данном случае, в поле тяжести Земли. Вот представим, что у нас есть некий объём воздуха, который мы условно изобразим в виде воздушного шарика. Вот у нас какой-то такой был. И пусть в силу каких-то причин, не важно каких, этот шарик, то есть этот объём воздуха поднялся на большую высоту, ну, попал в какой-то восходящий поток. Если этот объём воздуха не успевает обменяться энергией с окружающими воздушными ячейками, а это так в тропосфере, то он расширяется, при расширении он, естественно, совершает работу. А где ему взять энергию на эту работу? Только из своей собственной внутренней энергии. И совершая работу, просто по законам термодинамики, этот воздух должен охлаждаться и поэтому наверху, расширившись, воздух станет более холодным. Для сухой атмосферы, лишённой водяного пара, величина температурного градиента, на самом деле, очень большая – 10 градусов на километр. То есть при увеличении высоты на километр на 10 градусов становится холоднее. В реальной атмосфере, где есть водяной пар температурный градиент существенно меньше, порядка 5-6-ти градусов на километр. Почему? Опять же, мы вернёмся к нашему воздушному шарику и предположим, что кроме воздуха там было небольшое количество водного пара. То есть то, что есть в реальной атмосфере. Когда шарик начнёт подниматься, охлаждаться, водяной пар будет конденсироваться и превращаться в маленькие капельки воды. При этом, естественно, выделяется энергия. То, что у водяного пара большая удельная теплота парообразования я уже говорил, и эта энергия пойдёт на нагрев воздуха и тем самым замедлит уменьшение температуры.

То есть мы видим, что величина температурного градиента существенно зависит от влажности. А вот теперь представьте: у вас есть область влажного воздуха, область сухого воздуха. Вроде как у поверхности Земли они имеют одну и ту же температуру, значит, на какой-то высоте у вас появится достаточно большая разница температур. Разница температур, значит, разница давлений, значит, ветер, значит, опять же, возможность для наступления разных погодных катаклизмов. Весь нижний слой атмосферы, где температура уменьшается с высотой, называется тропосферой. То есть научное определение тропосферы, как нижнего слоя атмосферы, это не слой до какой-то определённой высоты, скажем там, до 10-ти, до 15-ти километров, а тот самый слой, где температура уменьшается с высотой, то есть пока температура не достигнет минимума. И высота тропосферы оказывается разной для разных широт. И вот верхняя граница тропосферы, она называется тропопаузой. В полярных областях Земли она ниже, попадает в высоту порядка 10-ти километров, а в тропических областях выше. И в тропопаузе падение температуры с высотой останавливается на уровне примерно -60 градусов Цельсия, то есть 220 Кельвина. Пока у нас температура с высотой уменьшается, у нас есть возможность для появления восходящих конвективных потоков воздуха, а если падение температуры останавливается, значит, конвекция продолжаться не может и вот эти самые структуры, в том числе и облачные структуры, дальше уже подниматься не могут. Вот мы прямо здесь видим облако, как будто бы вот оно расширяется и упёрлось в такую невидимую стенку. И эта стенка очень часто как раз совпадает с тропопаузой, верхней границей тропосферы.

Ну, и вот, собственно, фотография, которую я вам недавно показывал, облако тоже имеет примерно такую же форму, как её ещё называют, наковальня. Выше начинается следующий слой атмосферы Земли, который называется стратосфера. Обычно он занимает область высот от 15-ти до 50-ти километров и характеризуется тем, в нём температура увеличивается с высотой. Всё наоборот. Ну, казалось бы, мы с вами рассматривали ситуацию, рисовали условные воздушные шарики и выяснили, что нормальное свойство для атмосферного газа в поле тяжести – это его охлаждение с высотой. С чего это вдруг температура начинает увеличиваться? Это могло бы иметь место, если бы в стратосфере был какой-то свой источник тепла, который бы это увеличение температуры и обеспечивал. Но на самом деле в стратосфере источников тепла каких-то особенных нет. Энергия, как и в других слоях атмосферы, приходит от Солнца. Откуда же берётся энергия? Она может появиться, если появится какая-то субстанция, которая будет эффективно поглощать солнечное излучение. Субстанция, которой нет в тропосфере, соответственно, тропосферу она нагревать не может, а в стратосфере она появляется. Непрозрачная, в отличие от азота, кислорода и аргона. Она может поглощать солнечное излучение. И такая субстанция в стратосфере, действительно, есть, она вам хорошо известна – это газ озон. Его химическая формула О3, то есть молекула озона состоит из 3-х атомов кислорода. Почему озон появляется именно на больших высотах? На самом деле, нам очень сильно повезло, что это так. Потому что озон это газ ядовитый. Если бы озон можно было бы пустить, скажем, в эту комнату, то ничего хорошего с нами бы не произошло. Но выше он появляется потому, что до этих высот доходит рентгеновское излучение Солнца. Солнце вроде как не особо сильно излучает в рентгене, но достаточно для того, чтобы наделать нам много бед, если бы это рентгеновское излучение доходило до поверхности планеты. Но оно поглощается молекулярным кислородом в ходе химической реакции, которая тут перед вами, и рентгеновский квант, как квант очень активный, энергичный, молекулы кислорода разбивает на два атома: О и О.

В последствии они могут снова встретиться, объединиться вновь в молекулу, но если произойдёт вот такой процесс, атом кислорода, молекула кислорода и ещё какая-то частица, ещё какая-то молекула, которая играет роль катализатора, в этом случае образуется озон, и озон защищает нас от ультрафиолетового излучения Солнца. Посмотрите, какая ситуация. Ультрафиолетовое излучение для нас опасно. Нам нужно от него защититься и для этого есть озон. Но озон ядовитый газ, поэтому защищаться от ультрафиолета прямо здесь тоже нам не годится. Поэтому озоновый слой появляется на высоте достаточно большой. А для этого используется другое, вредное для нас, излучение Солнца, теперь уже рентгеновское, которое там же и поглощается. Вот как, действительно, для нас всё аккуратно рассчитала атмосфера. В результате мы здесь не имеем ни рентгеновского излучения Солнца, ни ультрафиолетового излучения Солнца, ни озона и избавлены от всех вредных факторов. Много ли озона в атмосфере? На самом деле очень мало. Если бы мы могли собрать весь стратосферный озон и притянуть его к поверхности Земли, и создать из него слой при нормальной температуре и давлении, то мы бы получили слой толщиной в 3-4 миллиметра или 300-400 единиц Добсона. Это специфическая единица, в которых измеряется общее содержание озона в атмосфере и 1 единица Добсона – это 0,01 мм слоя озона. То есть такой слой не дотянулся нам даже до верхней части подошвы ноги. А в реальности этот озон разбросан по достаточно большому диапазону высот по всей стратосфере, то есть толщина порядка 35-ти километров.

То есть получается, что даже там озон это крайне малая примесь, порядка 0,001 доли процента. И хватит ли такого озона для того, чтобы останавливать солнечный ультрафиолет? На самом деле хватит. Вот этого содержания озона оказывается достаточно, чтобы поток ультрафиолетового излучения от Солнца, если оно находится в зените, на длине волны 3000 ангстрем, ещё не самый вредный для нас ультрафиолет, уменьшается в 13 раз, а вот более опасный ультрафиолет блокируется полностью. Вот посмотрите. На длине волны 2,5 тысячи ангстрем слой озона уменьшает поток ультрафиолетового излучения от Солнца в 10 в 35-й степени раз. Это единица и 35 нулей. При таком-то вроде маленьком содержании. Вот, пожалуйста, углекислый газ – его мало. А как он с температурой нашей обходится. А озон? Которого совсем мало. В результате блокирует весь солнечный ультрафиолет. У озона есть несколько полос поглощения, они названы по именам учёных, которые их открыли. Озон поглощает и видимые области спектра, по полосе Шаппюи. Ну, это полосы достаточно слабые. То есть для Солнца, находящегося в зените, озон уменьшит его поток примерно на 3-4%. А вот полосы Хегенса и полосы Хартли гораздо более сильные.

Обратите внимание, что по оси ординат здесь логарифмический масштаб и разница между верхом и низом это 8 порядков. И полосы Хегенса, это резкая стена, где начинается поглощение озоном. Её край совпадает как раз с краем полос поглощения ультрафиолета молекулы ДНК. То есть всё то, не поглотил озон, началось бы поглощение нами с вами, нашими молекулами и, естественно, сопровождалось бы их разрушением. То есть полосы Хегенса поглощают, опасный для нас, ультрафиолет, но не поглощают сравнительно безопасный. Поэтому загорать на Солнце, по крайней мере, более менее реальное время мы всё-таки можем. Вот мы видим, что ультрафиолет мягкий УФ-А, который, собственно, вызывает загар на коже, он доходит до поверхности Земли, но несколько ослабленным.

А вот более энергичный ультрафиолет уже до поверхности Земли практически не доходит. А самый энергичный ультрафиолет задерживается уже в верхней части озонового слоя, в стратосфере. А вся та энергия солнечного ультрафиолетового излучения, которое, собственно, задерживается озоном, в конце концов, превращается в тепло и это тепло остаётся в стратосфере. Вот за счёт этого и появляется источник нагрева стратосферного газа, и температура с высотой начинает возрастать. Вот перед вами график изменения температуры на высотах от нуля до сорока километров. Сначала в тропосфере температура падает, потом она более-менее постоянная и дальше выходит на уровень порядка нуля градусов. То есть температура примерно такая же, как и у поверхности Земли. Но стратосфера состоит не только из газа. Там могут встретиться и аэрозольные, облачные частицы. Конечно, это происходит гораздо реже, чем в нижних слоях атмосферы, где, собственно, облачность это совершенно нормальное явление. Для того, чтобы образовалось облако, состоящее из воды, то есть из водяного льда, нужна очень низкая температура. Потому что в стратосфере давление очень маленькое и вода легко испаряется. И такие низкие температуры, при которых, возможно, было бы в стратосфере появиться облачности, это температура порядка -80-ти градусов, то есть ниже, чем обычно в районе тропопаузы. Вот такие температуры появляются в полярных широтах и в этом случае можно наблюдать в сумерки такое красивое явление, как перламутровые облака. Вот оно перед вами, снятое в Мурманске, переливаются разными цветами. Днём перламутровые облака не видны. Просто потому, что они очень разреженные, очень слабые и теряются на фоне дневного неба. И только в сумерки, когда нижняя часть атмосферы у вас уже погружена в тень Земли и Солнцем не освещается, а вот верхняя часть атмосферы ещё освещена лучами Солнца, могут появиться перламутровые облака.

Вот, кстати, эта схема показывает хорошую эффективность сумеречных исследований для изучения верхних слоёв атмосферы. К сумеречному методу, я сам им занимаюсь, я ещё несколько раз по ходу этой лекции вернусь. Перламутровые облака, обычно в научной литературе они называются «полярные стратосферные облака», это мощные передвижные химические лаборатории стратосферы. Они состоят не только из воды. В их состав входит много самых разных соединений: хлороводород, азотная кислота, и т.д. А на поверхности капелек облаков химические реакции идут значительно быстрее, чем в газовой среде. И поэтому перламутровые облака, хотя они очень разреженные, и в общем-то не так часто появляются, они оказывают существенное влияние на химию атмосферы. Вот один из тех процессов, которые могут происходить, я вам покажу. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца, которое до стратосферы всё-таки в каких-то количествах доходит, происходит распад этих молекул и в результате появляется атомарный хлор. Атомарный хлор реагирует с озоном и образуется оксид хлора, а потом оксид хлора реагирует с атомарным кислородом. Вот в ходе этих двух реакций у нас, если вы заметите, хлор, как был, так и остался, он никуда не делся, а вот молекула озона погибает. Потом, после этого цикла, этот самый атом хлора может ещё раз разрушить молекулу озона, ещё раз и ещё раз. И атомы хлора, так же, как и молекулы окиси азота, они оказываются долго живущими, и один атом может уничтожить, по современным оценкам, до десятка миллионов молекул озона. И поэтому, хотя хлора в атмосфере существенно меньше, чем озона, несравнимо меньше, но выброса галогеносодержащих соединений, в частности, фреона в конце 20-го века, именно из-за таких каталитических реакций, оказался большой проблемой для озонового слоя. И выбросы фреона считаются одной из причин появления озоновой дыры именно благодаря вот таким реакциям.

Но был принят Монреальский протокол. Выбросы галогеносодержащих веществ вроде как ограничили, но пока о восстановлении озонового слоя речь ещё не идёт. Речь идёт о том, что темпы разрушения озона уменьшились, то есть такого быстрого разрушения, как раньше, не было. И вот перед вами пример. Карта распределения общего количества озона в декабре 2011-го года и вот она, озоновая дыра, над Антарктидой, которая как раз во второй половине года обычно проявляет себя сильнее всего.

Другие химические процессы начинаются в стратосфере после мощных вулканических извержений, в том случае, если вулканические выбросы пробивают тропопаузу и попадают в стратосферу. Вообще, вулканы очень сильно влияют на оптические свойства атмосферы. В нижних слоях, понятно, в тропосфере, туда выбрасывается вулканическая пыль, пепел. Это всё может привести к уменьшению средней температуры на поверхности Земли, просто потому что они задерживают солнечный свет. А выше происходит химическое загрязнение. В состав вулканических выбросов входит сернистый газ СО2. Это газ хорошо всем известен. Известно, что в нижних слоях атмосферы он химически инертен и мало вступает в химические реакции. Совершенно другое дело, если этот газ попадает в стратосферу. Там он встречается с активными окислителями: атомарный кислород, озон, ОН. Образуются различные промежуточные продукты и, в конечном итоге, серная кислота, тоже вам хорошо известная. А вот серная кислота, в отличие от воды, спокойно конденсируется в капельки даже просто в стратосферных условиях. И так образуется сульфатная аэрозоль. То есть примерно то же самое, что мы наблюдаем в атмосфере Венеры. Только, к счастью для нас, в существенно меньшем количестве.

И вот перед вами график, диаграмма появления облака сернистого газа после извержения вулкана Пинатубо в 1991-м году. Пока что это самое сильное извержение вулкана за последние десятилетия. И время жизни серной кислоты и сульфатных аэрозолей в стратосфере составляет несколько лет. То есть сульфатная аэрозоль достаточно надолго там задерживается. Аэрозоль в стратосфере, если уж он появляется, он проявляет себя сравнительно мутным видом неба, особенно в период сумерек, когда стратосфера играет основную роль, а тропосфера Солнцем не освещена. Ну, и можно регистрировать уменьшение поляризации фона сумеречного неба. Так как фон сумеречного неба у нас представлен, прежде всего, рассеянным светом, он сильно поляризованным, особенно если воздух чистый. А вот если у нас в стратосферу попадают какие-то пылевые частицы, то рассеивая солнечный свет, они вносят свой вклад и поляризация уменьшается. И вот наша группа зафиксировала уменьшение поляризации фона неба, как раз, когда рассеяние происходило на высоте 20 километров в декабре 2006-го года. Вот видно это уменьшение по сравнению с декабрём 2002-го года. И это уменьшение было связано со сравнительно несильным, ну, по сравнению с Пинатубо, извержением вулкана Рабаул в октябре 2006-го года. Вулкан Рабаул находится в Индонезии, а наблюдения проводились через два месяца в Крыму. Очень далеко. И, тем не менее, вот появление этого сульфатного аэрозоля тоже можно зафиксировать.

Верхней границей стратосферы является стратопауза. Высота 50 километров, температура порядка нуля. Дальше относительный вклад озона, конечно, озон там есть, но он начинает уменьшаться. Причём уменьшаться достаточно быстро. Почему? Вспомним, что озон образуется вот в этой химической реакции. Химическая реакция требует, чтобы сразу три частицы встретились вместе в какой-то одной точке пространства. Молекула кислорода, атом кислорода и ещё какая-то частица. И вероятность такой тройной реакции очень сильно зависит от плотности. Если плотность низкая, то такой процесс маловероятен. В результате образование озона резко уменьшается, его относительная плотность тоже уменьшается и пропадает дополнительный источник тепла. Солнечный ультрафиолет на этих высотах уже, по крайней мере, ультрафиолет, который поглощается озоном здесь, он свободно проходит, потому что озона мало. И температура в полном соответствии с законом всемирного тяготения, на самом деле, вновь начинает уменьшаться с высотой. Мы попадаем в следующий слой атмосферы. Слой очень интересный и слой наименее изученный. Он называется мезосфера. «Мезо» по латыни – среднее, что-то такое, находящееся посередине. И, действительно, это слой, который отделяет низкие плотные слои атмосферы, характерные для нас, привычные нам, от уже космического пространства. Почему мезосферу сложно изучать? А потому что в неё очень сложно попасть. В неё невозможно на длительное время доставить измерительный прибор, который дал бы нам информацию об её составе. Для искусственных спутников Земли мезосфера это слишком низкий слой. Они не могут летать в мезосфере, потому что плотность там высока для того, чтобы спутники стали тормозиться и, в конце концов, упали.

С другой стороны, самолёты, они летают, наоборот, слишком низко, в мезосферу тоже попасть не могут. Летать на крыльях по мезосфере нельзя. И в результате американцы, которые любят, даже в научной литературе, давать всякие фразеологические названия разным объектам, мезосферу часто называют «игноросферой». Это слой атмосферы, который игнорирует наши попытки туда попасть и каким-то образом её изучить. И поэтому долгое время количество информации о мезосфере, действительно, было очень небольшим. Температура там, действительно, падает и падает достаточно быстро и верхние слои мезосферы оказываются самыми холодными слоями атмосферы Земли. Но что интересно, этот температурный минимум, который имеет место в верхней мезосфере на высотах порядка 80-ти километров, у него оказалась совершенно необычная сезонная зависимость. Вот на этом графике, взятом из работы Марша в 98-м году, показана просто зависимость температуры с высотой в определённый день января на разных широтах. Вот, соответственно, здесь у нас приземный воздух. Вот у нас тропопауза, минимум температуры. Вот стратосфера, вот стратопауза. Это январь, поэтому в северных широтах у нас зима, а в южных широтах у нас лето. Всё вроде естественно. Но посмотрите – зимой у нас мезосфера, мезопауза охлаждается до 230-ти Кельвинов, то есть до -40 градусов. А вот летом температура падает до -130-ти градусов по Цельсию. 140 Кельвинов. Это самое холодное местно не только атмосферы, это самое холодное место вообще Земли и всего пространства, связанного с Землёй. И получается, что холоднее всего в мезосфере летом. А ведь такие высокие слои атмосферы, высота 80 км, они в летние месяцы непрерывно освещены Солнцем. Даже когда у поверхности Земли ночь, всё равно высокие слои Солнце подсвечивает. Несмотря на это температура там оказывается просто рекордно низкой. И долгое время не удавалось понять, почему.

И если мы просто рассматриваем Землю в поле излучения Солнца, и посчитаем соответствующую модель, то мы этого минимума температур просто не получим. Кто оказался виноват в таком понижении температуры? На самом деле, если уж подходить к источнику, то водяной пар и находящийся здесь, у поверхности Земли, на высотах, скажем, порядка 1-2-х километров. Когда я вам рассказывал о циклонах, о различных энергичных катаклизмах, которые происходят здесь, я упомянул об акустико-гравитационных волнах, которые из этих циклонов распространяются, в том числе, и вверх. Плотности в мезосфере ниже и поэтому амплитуда этих волн в верхних слоях увеличивается. И эти волны там начинают существенно влиять на всю динамику атмосферного вещества. И картина зональных ветров, то есть ветра, дующие вдоль параллелей, вот, в такую стройную и достаточно понятную, которая должна была наблюдаться в мезосфере просто под действием излучения Солнца, эти волны вносят существенные коррективы. Появляется область летней полярной мезосферы, где ветры начинают дуть в другую сторону. Это сказывается на общей циркуляции воздуха. Он движется не только вдоль параллелей, но и вдоль меридианов и движется вот по такой траектории. То есть в зимнем полушарии он опускается вниз, а в летнем он поднимается вверх. Вспомним воздушные шарики. Поднимаясь вверх, воздух сильно выхолаживается. И вот за счёт этого адиабатического выхолаживания здесь, несмотря на постоянное излучение Солнца, не уходящее под горизонт, температура существенно уменьшается.

А в зимней мезосфере, казалось бы там Солнца нет, там вообще даже источника энергии прямого нет, но там химические реакции, причём с участием малых составляющих, которых там очень мало: озон, атомарный водород. Вот энергии, выделяемой при этих реакциях, оказывается достаточной для того, чтобы поддерживать достаточно высокую температуру. Опять мы видим, что малые газовые составляющие переворачивают всё вверх дном и у нас зимой, оказывается, намного теплее, чем летом на высотах порядка 80-ти километров.

В мае и в летние месяцы на широтах вот типичных для Средней полосы России, в том числе и в Москве, ночью, может быть, и сегодня удастся, можно наблюдать такое красивое явление, как серебристые облака. Такое красивое свечение над северным горизонтом, они видны только в мае, июне и июле. Измерения высот показали, что это самые высокие облака, которые возникают в атмосфере Земли. Высота порядка 85-ти километров. И чтобы водяной лёд образовался при таких ничтожных давлениях, а давления там совсем маленькие, нужны крайне низкие температуры, меньше 140-а, 150-ти Кельвинов. То есть ниже, чем -130 градусов. И то, что мы летом эти облака наблюдаем говорит о том, что на широтах больше 50-ти градусов, то есть в Москве в том числе, такие температуры, действительно, достигаются.

Но что интересно: явление достаточно масштабное, никакой особой техники для его наблюдения не нужно, оно прекрасно видно невооружённым глазом и, тем не менее, эти облака никогда не наблюдались до 1885-го года. Вряд ли можно предположить, что их просто не замечали. Явление очень красивое. Нет ни одного упоминания. Похоже, что этих облаков до конца 19-го века, действительно, не было. То есть мы наблюдаем какой-то вековой процесс. А сейчас эти облака наблюдаются ну, не каждую ясную ночь, но достаточно регулярно, если хорошая погода. Учёные стали думать, что такое случилось в 1885-м году, почему появился, вообще, новый класс объектов в атмосфере Земли. Первая версия была связана с мощным извержением вулкана Кракатау, которое произошло в 1883-м году. Фактически это было сильнейшее извержение, которое уничтожило сам вулкан, сейчас на его месте осталось только несколько маленьких вулканов. И привело примерно к 30-ти тысячам человеческих жертв. То есть это было одно из самых сильных извержений, которые вообще наблюдались на поверхности Земли. И, действительно, при столь сильном извержении какие-то продукты выбросов могли достигнуть даже таких больших высот и привести к появлению там облаком. То есть вулканические частицы стали бы просто ядрами конденсации. Но сейчас прекрасно известно, что время жизни вулканических выбросов, даже в стратосфере, составляет всего несколько лет, а в мезосфере оно будет ещё меньше. И серебристые облака могли появиться в результате вулкана, но они бы просуществовали всего несколько лет и потом бы исчезли. А они остались, и наблюдаются по сей день. Другую гипотезу о причине появления серебристых облаков выдвигали астрономы. И связывали они эти облака с кометой Энке. Комета Энке – это самая короткопериодическая из всех известных комет. Она совершает обороты вокруг Солнца всего лишь за три с небольшим года и проходит мимо орбиты Земли, как раз, 28-го июня. То есть примерно в те же самые дни вблизи летнего солнцестояния, когда серебристые облака чаще всего появляются.

Ну, и предположили, что, наверное, раньше орбита кометы Энке располагалась немножко по-другому. Она проходила достаточно далеко от орбиты Земли. А потом, в результате какой-то эволюции, например, в результате сближения с Юпитером, орбита кометы Энке изменилась, и комета стала проходить очень близко к орбите Земли. В результате на орбиту Земли попадали частицы распада этой кометы, то есть частицы хвоста, пыль, когда Земля сама оказывалась в этой точке, эта пыль оседала в верхнюю атмосферу и приводила к появлению серебристых облаков. Вообще говоря, сейчас считается, что ядрами конденсации серебристых облаков являются пылевые частицы, попадающие не с поверхности Земли, высота-то огромная, а как раз из космоса. Так что эта версия оказалась весьма правдоподобной. Более того, ещё одним подтверждением этой версии был Тунгусский метеорит, который выпал тоже в конце июня в 1908-м году. Сейчас считается, что Тунгусский метеорит, скорее всего, был маленькой кометой. Вполне возможно, просто осколком кометы Энке, потому что его орбита известна. Она похожа на орбиту кометы Энке. А так же известно, что в течение нескольких дней после падения метеорита наблюдались аномально яркие ночи. Вот, например, светлая ночь в Бристоле, Англия очень далеко от места падения, и фон неба, светлый как раз, напоминал просто рассеянные по всему небу серебристые облака. То есть мы наблюдаем процесс серебристых облаков просто усиленный в результате того, что целая маленькая комета упала в земную атмосферу. Но дальнейшие исследования показали всё-таки несостоятельность этой гипотезы. Метеорный поток, связанный с кометой, то есть поток частиц, сброшенных с кометы Энке, он известен, он называется бетатауриды. Потому что его радиант находится вблизи Бета Тельца и максимум активности, как нетрудно догадаться, наступает в конце июня.

Но в конце июня рядышком находится Солнце, поэтому наблюдать непосредственно эти метеоры ночью не удаётся. Поэтому долгое время активность этого потока была неизвестна. Но сейчас радионаблюдения показали, что этот поток очень слабый. Его активность существенно ниже спорадического фона, то есть фона метеоров, которые сгорают в нашей атмосфере ежедневно, ежечасно и прилетают с разных направлений. То есть существенное увеличение количества пыли в мезосфере комета Энке сейчас вызывать не может. И поэтому то, что серебристые облака сейчас наблюдаются, а раньше не наблюдали, комета Энке с этим никак не связана. Ответ на вопрос: почему появились эти серебристые облака и почему в мезосфере происходит интенсивное похолодание, был дан атмосферный химиками. И что самое удивительное, такое резкое похолодание и глобальное потепление, которое мы наблюдаем в приземных слоях, не просто обеспечиваются одним и тем же газом, но обеспечиваются одной и той же инфракрасной полосой этого газа. Речь идёт о углекислом газе СО2и его полосой, в данном случае уже излучение, а не поглощение инфракрасной с длинной волны 15 микрометров. Собственно, что происходит? Молекула углекислого газа, которая может попасть даже в мезосферу, эффективно сталкивается с атомом кислорода. При этом часть энергии атома кислорода молекула углекислого газа забирает себе и переходит в колебательно возбуждённое состояние. То есть энергия движения атома кислорода, фактически, это тепловая энергия мезосферы, переходит в энергию колебаний молекулы СО2. А потом молекула СО2эту энергию выбрасывает в виде инфракрасного кванта, который с большой вероятностью просто покидает атмосферу. То есть СО2забрал тепловую энергию у воздуха, а обратно её не отдал. Обратно молекула СО2просто выбрасывает её в космос.

И, тем самым, идёт процесс похолодания в мезосфере. Причём, за счёт той же самой инфракрасной полосы, которая создаёт парниковый эффект в тропосфере. Вот ещё один характерный пример, что одна и та же спектральная линия какого-то одного вещества может совершенно по разному вести себя в зависимости от окружающих условий и в плотной нижней среде в атмосфере или наверху, где газ очень разреженный. И теперь уже на поверхности лежит ответ, почему в мезосфере холодает в последние века. Просто потому, что СО2стало больше. И хотя сейчас, ну, не все полностью с этим согласны, но уже признаётся, что вот этот процесс, который сейчас перед вами изображён на слайде, это один из основных сценариев, один из основных механизмов уменьшения температуры в мезосфере. Причём скорость этого похолодания существенно превышает скорость глобального потепления у поверхности Земли. Опять же, сейчас спорят насчёт оценок, но речь идёт о величинах одного градуса в год. Это колоссальная скорость. Слава Богу, что у нас здесь, у поверхности Земли таких изменений температуры не происходит.

Тем самым мезосфера оказывается очень интересной, но и очень затруднённой для изучения. Как я уже говорил, прямые измерения, скажем, температуры, химического состава в мезосфере крайне затруднены тем, что на длительное время туда нельзя отправить какой-нибудь прибор. Ни на спутнике он не может находиться, ни на самолёте. Поэтому основная сейчас функция по исследованию мезосферы лежит на дистанционных методах, то есть измерениях с помощью разных приборов либо с поверхности Земли, ледары, радары и т.д. Либо, наоборот, со спутников, которые находятся выше и они смотрят на мезосферную среду, эффективнее всего по касательной к Земле, то есть вдоль Лимба.

И измерения температуры в мезосфере, это, собственно, сейчас основной параметр, в настоящий момент проводят два американских спутника. Один спутник «Таймд» (TIMED) и аппаратура «Сабер» (SABER) на основе излучения, опять же, углекислого газа. А другой спутник «Аура» (AURA) и эксперимент «МЛС» (MLS) на основе излучения других газов, прежде всего, кислорода. И мы видим, что данные двух спутников, скажем, зимой, практически полностью совпадают. А вот летом на высотах больше 70-ти километров у нас идёт разница в показаниях двух спутников, достигающая 10-ти градусов. То есть это скользкая, холодная температура ещё и оказывается очень сложной для измерения. И дело, конечно, не в том, что там аппаратура на спутниках несовершенна. Конечно, нет. А дело в том, что мезосфера не находится в состоянии термодинамического равновесия. Собственно, на простом языке это звучит так: углекислый газ и кислород, который там находится, вообще говоря, не обязаны иметь одинаковую температуру. Вот в нашей с вами плотной среде это понять невозможно. То есть ли вы возьмёте две колбы с двумя разными жидкостями и сольёте их друг с другом и дадите им немножко постоять, то, соответственно, температура уравняется и, скажем, молекулы одной жидкости и молекулы другой жидкости будут иметь примерно одинаковую кинетическую температуру. Вот в мезосфере это не так. Эта разность может держаться сколь угодно длительное время. И поэтому для мезосферных исследований важны разные методы, как наземные, так и космические. И мы сами стараемся внести в это небольшую лепту, опять-таки, с помощью хорошо известного, но существенно развивающегося с учётом нынешних технических возможностей, сумеречного метода.

Во время тёмных сумерек, когда Солнце опускается под горизонт уже примерно на 8-9 градусов, у нас нижние слои атмосферы Солнцем не освещены, а вот верхние ещё оказываются освещёнными. И оставляя в стороне все разные сложности, типа многократного рассеяния и т.д., могу сказать, что из этих измерений удаётся получить достаточно хорошие, точные оценки температуры мезосферы на различных высотах. Вот, чтобы не быть голословным, показаны измерения температуры мезосферы на разных высотах от 70-ти до 85-ти километров в течение летнего периода 2011-2012-го года. Вот наши измерения под Москвой. Это точечки, палочки означают точность. И сравнение со спутниковыми данными. Мы видим, что, в общем, согласие достаточно хорошее и точность, вроде таких простых и самых дешёвых из всех возможных для мезосферы измерений, оказываются сопоставимы.

Выше мезосферы располагается следующий слой атмосферы – термосфера. И уже по самому его названию чувствуется, там, наверное, теплее. И, действительно, там начинается рост температуры с высотой, причём, рост достаточно быстрый. И этот рост обеспечивается поглощением солнечной энергии и теперь уже вакуумного ультрафиолета, который уже и озон не поглощает, но который не доходит до меньших высот, поскольку этот ультрафиолет поглощается напрямую кислородом. И, собственно, уже содержание кислорода на таких больших высотах оказывается достаточным, чтобы этот ультрафиолет останавливался там, на высоте 100 км и больше. И понятно, что вся эта энергия остаётся в термосфере, плотность там низкая, молекул там мало, и поэтому эта энергия оказывается достаточной, чтобы эти молекулы приобрели большие скорости. То есть кинетическая температура становится значительно выше. И, действительно, вот у нас мезосферный температурный минимум и дальше идёт достаточно быстрый рост температуры.

Но, опять же, в термосфере тоже нет термодинамического равновесия, в ещё большей степени, чем в мезосфере. И если бы вы смогли сделать какой-нибудь градусник, который бы у вас выдержал те условия, просто вы ставили бы его в это пространство, он бы вам показал какую-нибудь очень низкую температуру. Например, 5 Кельвинов, то есть -268. Просто потому, что эта разреженная, пусть даже и горячая, среда не успевала бы его нагреть. Он гораздо быстрее бы отдавал свою энергию просто излучением инфракрасных волн. Поэтому, когда мы говорим о температуре в таких высоких слоях, нужно быть очень аккуратным.

Полярное сияние. Очень красивое явление. Я сам их в этом году видел уже трижды. Мне повезло дважды побывать на Севере. Сейчас достаточно высокий уровень солнечной активности. Они так же возникают в термосфере на высотах больше ста километров. И само излучение, а также его цветовые характеристики, опять же, определяются атомом кислорода. В полярных сияниях преобладают зелёные краски, ну, иногда ещё встречаются красные. И это связано со структурой уровня атома кислорода и, соответственно, когда этот атом переходит с одного уровня на другой, он излучает квант с определённой длинной волны, то есть с определённым цветом. И этот цвет либо зелёный в этом случае, либо красный. Ну, зелёная линия у полярных сияний наблюдается чаще всего, поэтому и сама эта линия названа авроральной, то есть Аврора – это полярное сияние. Механизм энергетической накачки полярных сияний – это солнечный ветер. Уже не излучение, а энергичные частицы заряженные, которые летят от Солнца во все стороны, в том числе, и к Земле.

И опять же, если бы не наша атмосфера и если бы не наше магнитное поле, эти частицы были бы для нас весьма неприятны. Но Земля единственная из планет земной группы в Солнечной системе обладает мощным магнитным полем. Оно отклоняет эти заряженные частицы. Они подходят к Земле вблизи магнитных полюсов, магнитные полюса не столь далеки от полюсов географических, поэтому полярные сияния чаще всего возникают в высоких широтах. Хотя я сам один раз видел их и в Москве. Бывает даже и ещё южнее.

Ближний космос, в котором обращается большая часть искусственных спутников Земли и, в том числе и международная космическая станция, это, вообще говоря, тоже термосфера. То есть там плотность среды существенно больше, чем в межпланетном пространстве. И хотя спутники уже там могут обращаться, они не падают сразу на Землю, но они всё равно испытывают торможение этой средой и их высота постепенно уменьшается и, если спутник уже отработавший и никак на ситуацию не влияет, в конце концов, он на Землю падает. А вот МКС просто периодически включает двигатели для того, чтобы вновь поднять себя на нужную высоту.

Выше термосферы располагается внешний слой – экзосфера, которая иногда уже даже к атмосфере не совсем относится. Это высоты более 600 километров. Химический состав: сначала азот и кислород, но уже в атомарном виде, то есть молекулы в тех условиях уже не существуют, они разбиваются на атомы. А на ещё больших высотах химический состав становится уже характерным для межпланетной среды: водород и гелий. И экзосфера прослеживается на высотах до 10-ти тысяч километров. То есть на таких больших высотах ещё плотность чуть больше, чем в межпланетной среде. И, вообще говоря, экзосфера – это уже даже не совсем газ, а совокупность отдельных частиц, каждая из которых является уже отдельным спутником Земли. То есть частицы сталкиваются друг с другом настолько редко, что между столкновениями они могут, скажем, совершить целый оборот вокруг нашей планеты. А водород и гелий, как частицы более лёгкие, имеют скорость ещё больше и могут просто даже улететь от Земли и больше к ней не вернуться. Но запасы водорода и гелия пополняются за счёт, прежде всего, солнечного ветра, который так же состоит из частиц, только уже заряженных этих атомов. Азот и кислород более тяжёлые, поэтому на орбиту ускользания они практически не выходят, двигаются по замкнутым орбитам и вот так вот остаются такими спутниками Земли в течение достаточно долгого времени.

Вот так мы вами вскользь пробежали по земной атмосфере, начиная с её поверхности и кончая уже теми высотами, где она постепенно переходит в межпланетную среду. И далеко не всё я вам рассказал, не все примеры того, как в нашей атмосфере всё подобрано для нас с вами. То есть для того, чтобы мы с вами могли здесь, на поверхности Земли, жить. Но, с одной стороны подобрано, с другой стороны мы видим, что на наших глазах происходит уже не периодические, а вековые процессы, когда в течение уже достаточно длительного времени, скажем, ста лет какой-то параметр, например, температура верхней части мезосферы, или содержание углекислого газа, или приземная температура меняется в одном направлении и меняется, вроде как, необратимо. И это говорит о том, что уже воздействие человека на атмосферу стало таким, что атмосфера не успевает от этого воздействия защититься. Не успевает себя вернуть обратно в первоначальное состояние. И тут уже, собственно, мы должны атмосфере, во-первых, перестать мешать это делать. А, во-вторых, наверное, и в чём-то даже помочь. Вот на этом я свою лекцию заканчиваю и большое спасибо вам за внимание.

Ответы на вопросы

Мне очень не хватило истории вопроса. В смысле, не истории изучения атмосферы, а истории самой атмосферы. Вы сказали, что как она хорошо к нам приспособлена, но, скорее, не она к нам приспособлена, а мы к ней приспособлены. Вот чего мне не хватило, чтобы мне было очень интересно, это история изменения атмосферы.

А это очень сложный вопрос. Поскольку, собственно, нормально изучать состав атмосферы человек научился, вообще, собственно, ничтожное время назад. То есть там даже не сто лет, а меньше. И поэтому здесь можно говорить только о каких-то теоретических сценариях на основе тех знаний, что мы сейчас имеем. Понятно, что свободный кислород появился в результате первых организмов, которые могли существовать при очень небольшом количестве кислорода и давали положительный баланс кислорода во внешнюю среду. И сейчас кислород поддерживается, прежде всего, растениями, которые, собственно, и создают обратный процесс превращения СО2в О2. А вот а как появлялись растения и как они в давние времена существовали при меньшем количестве кислорода, это вопрос уже, наверное, к геологам.

Я воспользуюсь тогда служебным положением. Значит, у нас, вот, меня интересует, значит, не только вот мой личный интерес, да, а, возможно, у нас будет проект по поводу возникновения жизни. И меня интересует возникновение жизни на Земле. Значит, и меня интересует изменение атмосферы, и в какой атмосфере возникали первые организмы? И что мы, как мы можем узнать, какая была на Земле атмосфера, там, скажем, 4 млрд. лет назад.

Насколько известно это была атмосфера более похожая на атмосферу других планет, где основным газом, ну, наряду с азотом, которого всюду много, был СО2. И первые организмы должны были существовать при ничтожных количествах кислорода, более того, перерабатывать СО2в О2. И источником энергии, естественно, для них была энергия Солнца.

А откуда мы это знаем?

Ну, я могу сказать, что просто на основе наблюдений хотя бы атмосфер других планет, где эти процессы не начались и не начнутся, по-видимому. Посмотрите на ту же Венеру, у неё масса в сто раз больше, чем у атмосферы, массы в сто раз больше, чем у Земли и основной газ СО2. Просто потому, что углерод и кислород – это самое распространённые тяжёлые элементы в солнечной системе. Тяжёлые, то есть не водород и не гелий.

Известно, что на дне океанов есть, районы, где много сжиженного метана при низкой температуре и высоком давлении. В принципе, если этот метан вырвется наружу в силу каких-то причин, какую-то это может представлять опасность для нашей атмосферы?

Я, на самом деле, проскочил мимо метана и, наверное, сделал неправильно. Дело в том, что метановые выбросы, они, действительно, происходят и играют очень важную роль в, собственно, химической эволюции атмосферы. Вот вы видите, что такое существенное явление, как нагрев неосвещённой Солнцем полярной мезосферы, происходит за счёт химической реакции с участием атомарного водорода. Так вот главным источником атомарного водорода в верхних слоях атмосферы является, указанный вами, метан здесь. Потому что молекула метана поднимается вверх, там под действием солнечного ультрафиолета, она разбивается и мы получаем атомарный водород. То есть, вообще говоря, метан, он в естественном цикле химических реакций в атмосфере, естественно, учтён. Природный метан. Другое дело, что сейчас, если его содержание начнёт возрастать.

Если начнёт возрастать, будет больше.

Ну, там много разных процессов пойдёт. Кроме того, метан также может давать свой вклад в СО2в верхних слоях атмосферы. Тоже в ходе химических реакций.

Почему такие противоречивые идут оценки, что, является ли метан парниковым газом или, наоборот? Очень противоречивые.

Ну, как? Формально парниковым является, потому что инфракрасные полосы у него есть. Другое дело, что его вклад существенно меньше, чем СО2. Хотя второе место по парниковости, так если можно сказать, он всё-таки занимает. На третьем месте озон.

Ну, Титану как-то не очень это помогает при том, что метана много.

Ну, во-первых, мы не знаем, какой был бы Титан без атмосферы. Возможно ещё холоднее.

Ну, мы знаем, какие там рядом планеты находятся…

Да, но у планет есть собственные источники нагрева очень мощные, которых у Титана нет.

Вот вы сказали, что некоторые парниковые газы в атмосфере увеличились на 25%…

СО2 изменился в атмосфере, да.

Но наверное, это не только последствия деятельности человека, но и вулканов?

Ну, вулканы были всегда. Более того. Видите, очень, таких сильных извержений, как Кракатау, слава Богу, в 20-м веке не было.

А в процентном соотношении деятельность человека и вулканов?…

Смотря в чём. Если вы имеете в виду парниковые газы, парниковый эффект, то вулканы, вообще-то говоря, работают в минус. Ведь эта вулканическая пыль и аэрозоль, они уменьшают прозрачность атмосферы для оптики и, тем самым, уменьшают поток солнечного излучения. И вот этот эффект пришёл на ум ряду современных учёных, которые на полном серьёзе хотят сейчас не бороться с парниковым эффектом, а просто скомпенсировать его, искусственно выбросив серосодержащие соединения в стратосферу. Ну, к счастью, эта пока идея не проходит и не пройдёт. Потому что там очень печальные последствия будут и для озона, и для всего. Чтобы бороться, надо, конечно, не с парниковым эффектом, а сего причинами. То есть реально вулканы в этом плане вообще в другую сторону работают.

«Лекторий ЗС» 30.05.2013

Атмосфера

Общие сведения об атмосфере

Определение 1

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли.

Специалисты считают, что эта газовая оболочка планеты, мощностью до $1000$ км, является результатом геологической эволюции и постоянной деятельности организмов. За миллиарды лет живые существа изменяли её состав, и сегодня она характеризуется высокой динамичностью, физической неоднородностью и большой уязвимостью к биологическим факторам.

Замечание 1

Общая масса земной атмосферы равна $5,3 \cdot 1015$ т (по разным оценкам $5,15—5,9 \cdot 1015$). В околоземном слое, толщиной около $16$ км, сосредоточено $90\%$ воздуха.

Эта наружная оболочка Земли находится между планетой и космическим пространством, ослабляя космическое излучение и сглаживая резкие колебания температуры в биосфере. Атмосфера – это прекрасная среда распространения микроорганизмов, семян, плодов и местообитание многих насекомых, птиц, млекопитающих.

Значительное влияние на атмосферу оказывают солнечная активность и магнитные бури, температура в атмосфере изменяется неравномерно, а плотность и давление уменьшаются с высотой. На разных высотах поглощение солнечной энергии атмосферными газами разное, поэтому в границах атмосферы происходит изменение температуры. Тепловые процессы наиболее интенсивно происходят в тропосфере, а нагревание происходит от поверхности океана и суши.

С высотой содержание кислорода в атмосфере сокращается, и дыхание становится невозможным на высоте $9$ км, а на отметке $5$ км появляется кислородное голодание – здесь кончается физиологическая зона атмосферы. На отметке $100$ км атмосфера теряет свое свойство поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путем конвекции.

Атмосфера имеет большое экологическое значение, защищая все живые организмы Земли:

• Задерживает космическое излучение;
• Защищает планету от ударов метеоритов;
• Регулирует сезонные колебания температуры;
• Уравновешивает и выравнивает суточные колебания.
• Является носителем тепла и влаги.

Замечание 2

Характер и динамика всех экзогенных процессов, происходящих в литосфере – физическое и химическое выветривание, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников – так или иначе, связаны с атмосферой.

История развития атмосферы

Воздух – это смесь разных газов, хотя на первый взгляд он кажется совершенно однородным. Разнообразие состава воздуха появилось не сразу, а в результате уникальных совпадений химических элементов и наличия жизни. Геологические следы этих процессов планета сохранила, поэтому можно заглянуть в историю развития атмосферы.

Водород и гелий были первыми газами с небольшой концентрацией, окутавшие Землю. Они быстро улетучивались в космос. Вулканы выбрасывали из недр Земли большое количество аммиака, метана, углекислого газа, а при разложении аммиака и метана появлялся азот, который со временем стал преобладающим газом. Вулканы выделяли и водяной пар, при расщеплении он образовывал водород и кислород.

С появлением кислорода в составе атмосферы планеты началась настоящая революция. Правда, вступая в реакции с угарным газом, свободным железом, серой, находящимися на поверхности планеты, кислород долго задерживаться в атмосфере не мог. Солнечное излучение и высокие температуры катализировали химические процессы. Ситуация изменилась с появлением живых организмов, выделявших кислорода столько, что он начал накапливаться и за два миллиарда лет его количество выросло до $21\%$ всей массы атмосферы.

Для построения собственных скелетов живые организмы активно использовали углерод атмосферы, результатом деятельности которых явились целые геологические пласты органических материалов и ископаемых. Количество углекислого газа в связи с этим уменьшилось. Избыточный кислород сформировал озоновый слой, ставший главным барьером на пути ультрафиолетовых лучей. С наличием кислорода жизнь стала активнее эволюционировать и приобретать новые, более сложные формы. Среди бактерий и водорослей появились высокоорганизованные существа.

Кислород создает синий цвет неба – из всего радужного спектра Солнца он лучше рассеивает короткие волны света, отвечающие за синий цвет. В космосе действует этот же эффект – Земля на расстоянии как бы окутывается голубой дымкой, превращаясь в синюю точку.

Кроме известных газов, присутствующих в составе атмосферы, есть в ней и благородные газы, например, аргон. Попадает он на поверхность по микротрещинам в плитах литосферы, и через вулканическую деятельность, а источником этого газа являются ядерные процессы в глубинах планеты. Гелий в атмосфере появляется таким же образом. Гелий и аргон поднимаются в верхние слои атмосферы и улетучиваются в космическое пространство.

Замечание 3

За всю историю существования планеты состав её атмосферы существенно менялся не один раз, на что ушли миллионы лет, но последние $50$ млн. лет, как считают ученые, состав атмосферы стабилизировался.

Роль атмосферы в природных процессах

Центральным компонентом климата выступает атмосфера. Состояние атмосферы – температура и влажность воздуха, облачность, осадки и ветер, воздействующие на погоду и климат – непрерывно меняются. Особенности прохождения солнечной радиации через воздушную оболочку определяются наличием облачности, аэрозольных частичек, водяного пара, различных примесей и препятствуют уходу теплового излучения Земли в космос.

Солнечная радиация определяет жизнь и деятельность на Земле, а также действие и направленность природных процессов. Поверхность Земли достигает только часть солнечной энергии, $\frac{1}{3}$ общего её количества, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается в мировое пространство, а $13\%$ поглощается озоновым слоем.

Только за одни сутки Земля получает суммарной солнечной радиации в виде энергии столько, сколько человечество получило за последнее тысячелетие в результате сжигания всех видов топлива. Распределение солнечной радиации на поверхности планеты тесно связано с облачностью и прозрачностью атмосферы. Максимальное количество рассеянной радиации приходится на полярные районы. В аридных тропических и субтропических поясах в засушливый период в атмосфере содержится много пыли. Потоки теплого воздуха выносят эту пыль в верхние слои, где она может находиться продолжительное время.

Содержание водяного пара в атмосфере переменное и в абсолютном исчислении его количество составляет от $2-5\%$. Водяной пар, первоисточником которого является поверхность Мирового океана, усиливает парниковый эффект. С поверхности океана ежегодно испаряется слой воды толщиной до $110$ см. После конденсации часть влаги возвращается в океан, а другая часть с помощью воздушных потоков движется в сторону суши. Происходит увлажнение почвы в областях переменно-влажного климата, а во влажных областях происходит накопление грунтовых вод.

Замечание 4

Это говорит о том, что атмосфера является аккумулятором влажности и резервуаром осадков.

Распределение влаги происходит благодаря подвижности атмосферы – сложной системы ветров и распределения атмосферного давления, которые постоянно меняются.

Движение атмосферы или циркуляция может изменяться от микрометеорологических размеров до глобальных размеров. Общую циркуляцию атмосферы определяют огромные атмосферные вихри, принимающие участие в создании систем воздушных течений и, являющиеся источниками катастрофических атмосферных явлений.

С атмосферным давлением связано распределение на планете погодных и климатических условий, а также функционирование живого вещества. При изменении давления происходят фронтальные явления, приводящие к изменениям погоды. Колебание давления в небольших пределах не оказывает большого влияния на самочувствие людей, поведение животных и не отражается на физиологических функциях растений.

Замечание 5

Атмосферное давление имеет фундаментальное значение для формирования ветра, который является рельефообразующим фактором и сильнейшим образом воздействует на животный и растительный мир.

атмосфера | Национальное географическое общество

Мы живем на дне невидимого океана, называемого атмосферой, слоя газов, окружающих нашу планету. Азот и кислород составляют 99 процентов газов в сухом воздухе, при этом аргон, углекислый газ, гелий, неон и другие газы составляют мельчайшие порции. Водяной пар и пыль также являются частью атмосферы Земли. У других планет и спутников очень разные атмосферы, а у некоторых вообще нет атмосферы.

Атмосфера настолько обширна, что мы ее почти не замечаем, но ее вес равен слою воды глубиной более 10 метров (34 фута), покрывающему всю планету.В нижних 30 километрах (19 миль) атмосферы содержится около 98 процентов ее массы. Атмосфера — воздух — на больших высотах намного тоньше. В космосе нет атмосферы.

Ученые говорят, что многие газы в нашей атмосфере были выброшены в воздух ранними вулканами. В то время вокруг Земли было бы мало или совсем не было свободного кислорода. Свободный кислород состоит из молекул кислорода, не связанных с другими элементами, такими как углерод (для образования углекислого газа) или водород (для образования воды).

Свободный кислород мог быть добавлен в атмосферу примитивными организмами, вероятно, бактериями, во время фотосинтеза. Фотосинтез — это процесс, который растение или другой автотроф использует для производства пищи и кислорода из углекислого газа и воды. Позже более сложные формы растительной жизни добавили в атмосферу больше кислорода. Кислород в сегодняшней атмосфере, вероятно, накапливался за миллионы лет.

Атмосфера действует как гигантский фильтр, не пропускающий большую часть ультрафиолетового излучения и пропускающий согревающие солнечные лучи.Ультрафиолетовое излучение вредно для живых существ и вызывает солнечные ожоги. С другой стороны, солнечное тепло необходимо для всего живого на Земле.

Атмосфера Земли имеет слоистую структуру. От земли к небу слоями являются тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Другой слой, называемый ионосферой, простирается от мезосферы до экзосферы. За пределами экзосферы находится космическое пространство. Границы между слоями атмосферы четко не определены и меняются в зависимости от широты и сезона.

Тропосфера

Тропосфера — это самый нижний слой атмосферы. В среднем тропосфера простирается от земли примерно до 10 километров (6 миль) в высоту, от примерно 6 километров (4 миль) на полюсах до более 16 километров (10 миль) на экваторе. Верх тропосферы летом выше, чем зимой.

Почти вся погода развивается в тропосфере, потому что она содержит почти весь водяной пар атмосферы. В тропосфере образуются облака, от низкорасположенного тумана до гроз и высокогорных перистых облаков.Воздушные массы, области систем высокого и низкого давления, перемещаются ветрами в тропосфере. Эти погодные системы приводят к ежедневным изменениям погоды, а также к сезонным погодным условиям и климатическим системам, таким как Эль-Ниньо.

Воздух в тропосфере становится разреженным с увеличением высоты. Например, на вершине Эвереста в Непале молекул кислорода меньше, чем на пляже на Гавайях. Вот почему альпинисты часто используют баллоны с кислородом при восхождении на высокие вершины. Из-за разреженного воздуха вертолетам трудно маневрировать на больших высотах.Фактически, вертолет не мог приземлиться на Эверест до 2005 года.

По мере того, как воздух в тропосфере становится разреженным, температура понижается. Вот почему на вершинах гор обычно намного холоднее, чем в долинах под ними. Ученые привыкли думать, что температура продолжает падать по мере увеличения высоты за пределами тропосферы. Но данные, собранные с помощью метеозондов и ракет, показали, что это не так. В нижних слоях стратосферы температура остается почти постоянной. По мере увеличения высоты в стратосфере температура фактически увеличивается.

Солнечное тепло легко проникает в тропосферу. Этот слой также поглощает тепло, которое отражается от земли в процессе, называемом парниковым эффектом. Парниковый эффект необходим для жизни на Земле. Самые распространенные парниковые газы в атмосфере — это углекислый газ, водяной пар и метан.

Быстро движущиеся высокогорные ветры, называемые реактивными потоками, кружат вокруг планеты около верхней границы тропосферы. Реактивные потоки чрезвычайно важны для авиационной отрасли.Самолеты экономят время и деньги, летая в реактивных струях, а не в нижней тропосфере, где воздух более густой.

Стратосфера
Тропосфера имеет тенденцию к внезапным и резким изменениям, но стратосфера спокойна. Стратосфера простирается от тропопаузы, верхней границы тропосферы, до примерно 50 километров (32 миль) над поверхностью Земли.

В стратосфере дуют сильные горизонтальные ветры, но с небольшой турбулентностью. Это идеально подходит для самолетов, которые могут летать в этой части атмосферы.

Стратосфера очень сухая, а облака редки. Те, что формируются, тонкие и тонкие. Их называют перламутровыми облаками. Иногда их называют перламутровыми облаками, потому что их цвета похожи на цвета внутри раковины моллюска.

Стратосфера имеет решающее значение для жизни на Земле, потому что она содержит небольшое количество озона, формы кислорода, которая предотвращает попадание вредных ультрафиолетовых лучей на Землю. Область в стратосфере, где находится эта тонкая оболочка из озона, называется озоновым слоем.Озоновый слой стратосферы неровный и тоньше около полюсов. Количество озона в атмосфере Земли неуклонно сокращается. Ученые связывают использование химических веществ, таких как хлорфторуглероды (CFC), с разрушением озонового слоя.

Мезосфера

Мезосфера простирается от стратопаузы (верхней границы стратосферы) до примерно 85 километров (53 миль) над поверхностью Земли. Здесь снова начинают падать температуры.

В мезосфере самые низкие температуры в атмосфере, опускающиеся до -120 градусов по Цельсию (-184 градуса по Фаренгейту, или 153 кельвина).В мезосфере также находятся самые высокие облака атмосферы. В ясную погоду их иногда можно увидеть как серебристые пучки сразу после захода солнца. Их называют серебристыми облаками или сияющими ночью облаками. Мезосфера настолько холодная, что серебристые облака на самом деле представляют собой замороженный водяной пар — ледяные облака.

Падающие звезды — огненное выгорание метеоров, пыли и камней из космоса — видны в мезосфере. Большинство падающих звезд размером с песчинку сгорают перед попаданием в стратосферу или тропосферу.Однако некоторые метеориты размером с гальку или даже валун. Их внешние слои горят, когда они мчатся через мезосферу, но они достаточно массивны, чтобы провалиться через нижние слои атмосферы и упасть на Землю в виде метеоритов.

Мезосфера — наименее изученная часть атмосферы Земли. Она слишком высока для работы самолетов или метеозондов, но слишком низка для космических аппаратов. Зондирующие ракеты предоставили метеорологам и астрономам единственные важные данные об этой важной части атмосферы.Зондирующие ракеты — это беспилотные исследовательские инструменты, которые собирают данные во время суборбитальных полетов.

Возможно, из-за того, что мезосфера так мало изучена, она является домом для двух метеорологических загадок: спрайтов и эльфов. Спрайты — это красноватые вертикальные электрические разряды, которые появляются высоко над грозами, в верхних слоях стратосферы и мезосферы. Эльфы — это тусклые, галообразные разряды, которые появляются еще выше в мезосфере.

Ионосфера

Ионосфера простирается от верхней половины мезосферы до экзосферы.Этот атмосферный слой проводит электричество.

Ионосфера названа в честь ионов, созданных энергичными частицами солнечного света и космического пространства. Ионы — это атомы, в которых количество электронов не равно количеству протонов, что придает атому положительный (меньше электронов, чем протонов) или отрицательный (больше электронов, чем протонов) заряд. Ионы создаются в виде мощных рентгеновских лучей, а ультрафиолетовые лучи сбивают электроны с атомов.

Ионосфера — слой свободных электронов и ионов — отражает радиоволны.Гульельмо Маркони, «отец беспроводной связи», помог доказать это в 1901 году, когда отправил радиосигнал из Корнуолла, Англия, в Сент-Джонс, Ньюфаундленд, Канада. Эксперимент Маркони продемонстрировал, что радиосигналы не распространяются по прямой линии, а отражаются от атмосферного слоя — ионосферы.

Ионосфера разделена на отдельные слои, называемые слоями D, E, F1 и F2. Как и все другие части атмосферы, эти слои меняются в зависимости от сезона и широты. На самом деле изменения в ионосфере происходят ежедневно.Слой с низким D, который поглощает высокочастотные радиоволны, и слой E фактически исчезают ночью, что означает, что радиоволны могут достигать более высоких уровней в ионосфере. Вот почему радиостанции AM могут каждую ночь увеличивать радиус действия на сотни километров.

Ионосфера также отражает частицы солнечного ветра, потока сильно заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем. Эти электрические дисплеи создают полярные сияния (световые дисплеи), называемые северным и южным сиянием.

Термосфера

Термосфера — самый толстый слой атмосферы.Здесь находятся только самые легкие газы — в основном кислород, гелий и водород.

Термосфера простирается от мезопаузы (верхней границы мезосферы) до 690 километров (429 миль) над поверхностью Земли. Здесь тонко рассеянные молекулы газа поглощают рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. Этот процесс поглощения толкает молекулы в термосфере к большим скоростям и высоким температурам. Температура в термосфере может подняться до 1500 градусов по Цельсию (2732 градуса по Фаренгейту, или 1773 кельвина).

Хотя температура очень высокая, тепла мало. Как такое возможно? Тепло создается, когда молекулы возбуждаются и передают энергию от одной молекулы к другой. Тепло происходит в зоне высокого давления (представьте себе кипящую воду в кастрюле). Поскольку в термосфере очень мало давления, теплопередача мала.

Космический телескоп Хаббла и Международная космическая станция (МКС) вращаются вокруг Земли в термосфере. Хотя термосфера является вторым по высоте слоем атмосферы Земли, работающие здесь спутники находятся на «низкой околоземной орбите».”

Экзосфера

Область колебаний между термосферой и экзосферой называется турбопаузой. Самый нижний уровень экзосферы называется экзобазой. На верхней границе экзосферы ионосфера сливается с межпланетным пространством или пространством между планетами.

Экзосфера расширяется и сжимается при контакте с солнечными бурями. Во время солнечных бурь частицы выбрасываются в космос в результате взрывных событий на Солнце, таких как солнечные вспышки и корональные выбросы массы (CME).

Солнечные бури могут сжимать экзосферу до высоты всего 1000 километров (620 миль) над Землей. Когда солнце спокойно, экзосфера может простираться на 10 000 километров (6214 миль).

Водород, самый легкий элемент во Вселенной, доминирует в тонкой атмосфере экзосферы. Присутствуют только следовые количества гелия, углекислого газа, кислорода и других газов.

Многие метеорологические спутники вращаются вокруг Земли в экзосфере. Нижняя часть экзосферы включает низкую околоземную орбиту, а средняя околоземная орбита находится выше в атмосфере.

Верхняя граница экзосферы видна на спутниковых снимках Земли. Это нечеткое синее освещение, которое окружает Землю, называется геокорона.

Внеземные атмосферы

У всех планет в нашей солнечной системе есть атмосферы. Большинство этих атмосфер радикально отличаются от земных, хотя содержат многие из тех же элементов.

В солнечной системе есть два основных типа планет: планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун).

Атмосфера планет земной группы в чем-то похожа на атмосферу Земли. Атмосфера Меркурия содержит только тонкую экзосферу, в которой преобладают водород, гелий и кислород. Атмосфера Венеры намного толще, чем у Земли, что мешает четкому обзору планеты. В его атмосфере преобладает углекислый газ и кружатся облака серной кислоты. В атмосфере Марса также преобладает углекислый газ, хотя, в отличие от Венеры, она довольно тонкая.

Газовые гиганты состоят из газов.Их атмосфера почти полностью состоит из водорода и гелия. Присутствие метана в атмосферах Урана и Нептуна придает планетам ярко-синий цвет.

В нижних слоях атмосферы Юпитера и Сатурна облака из воды, аммиака и сероводорода образуют четкие полосы. Быстрый ветер отделяет полосы светлого цвета, называемые зонами, от полос темного цвета, называемых поясами. Другие погодные явления, такие как циклоны и молнии, создают закономерности в зонах и поясах. Большое красное пятно Юпитера — это многовековой циклон, крупнейший шторм в Солнечной системе.

Спутники некоторых планет имеют собственные атмосферы. Самый большой спутник Сатурна, Титан, имеет плотную атмосферу, состоящую в основном из азота и метана. То, как солнечный свет расщепляет метан в ионосфере Титана, помогает придать Луне оранжевый цвет.

Большинство небесных тел, включая все астероиды в поясе астероидов и нашу собственную луну, не имеют атмосферы. Отсутствие атмосферы на Луне означает, что на ней нет погоды. Из-за отсутствия ветра или воды, которые могли бы их разрушить, многие кратеры на Луне существовали сотни и даже тысячи лет.

Структура атмосферы небесного тела и ее состав позволяют астробиологам строить предположения о том, какой вид жизни может поддерживать планета или луна. Таким образом, атмосфера является важным маркером в освоении космоса.

Атмосфера планеты или луны должна содержать определенные химические вещества, чтобы поддерживать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Эти химические вещества включают водород, кислород, азот и углерод. Хотя Венера, Марс и Титан имеют похожие атмосферные газы, в Солнечной системе нет ничего, кроме Земли, с атмосферой, способной поддерживать жизнь.Атмосфера Венеры слишком плотная, Марса слишком тонкая, а Титана слишком холодная.

Атмосфера Земли | UCAR Center for Science Education

Слоистая структура атмосферы Земли видна на этом закате с Международной космической станции.
Кредит: Лаборатория науки и анализа изображений, Космический центр имени Джонсона НАСА

Атмосфера Земли представляет собой смесь газов, которая окружает нашу родную планету. Помимо того, что нам есть чем дышать, атмосфера помогает сделать жизнь на Земле возможной несколькими способами.Он защищает нас от большей части вредного ультрафиолетового (УФ) излучения, исходящего от Солнца, нагревает поверхность нашей планеты примерно на 33 ° C (59 ° F) за счет парникового эффекта и в значительной степени предотвращает резкую разницу между дневными и ночными температурами.

Газы в атмосфере Земли

Азот и кислород являются наиболее распространенными; сухой воздух состоит примерно на 78% из азота (N ₂ ) и примерно на 21% из кислорода (O ₂ ). Аргон, диоксид углерода (CO ₂ ) и многие другие газы также присутствуют в гораздо меньших количествах; каждый составляет менее 1% газовой смеси атмосферы.В атмосферу также входит водяной пар. Количество присутствующего водяного пара сильно различается, но в среднем составляет около 1%. Есть также много мелких частиц — твердых и жидких — «плавающих» в атмосфере. Эти частицы, которые ученые называют «аэрозолями», включают пыль, споры и пыльцу, соль из морских брызг, вулканический пепел, дым и многое другое.

Слои атмосферы Земли

Атмосфера становится тоньше (менее плотной и более низкой по давлению) по мере того, как человек движется вверх от поверхности Земли.Он постепенно уступает место космическому вакууму. Точного «верха» атмосферы нет. На высотах от 100 до 120 км (62-75 миль) воздух становится настолько разреженным, что для многих целей этот диапазон высот можно рассматривать как границу между атмосферой и космосом. Однако есть очень тонкие, но измеримые следы атмосферных газов на сотни километров над поверхностью Земли.

В атмосфере есть несколько различных областей или слоев. У каждого есть характерные температуры, давления и явления.Мы живем в тропосфере, самом нижнем слое, где находится большинство облаков и где бывает почти любая погода. Некоторые реактивные самолеты летают в следующем более высоком слое, стратосфере, которая содержит реактивные течения и озоновый слой. Еще выше находятся мезосфера, термосфера и экзосфера. Узнайте о слоях атмосферы Земли:

атмосферы | Определение, слои и факты

Атмосфера , газовая и аэрозольная оболочка, которая простирается от океана, суши и покрытой льдом поверхности планеты в космос.Плотность атмосферы уменьшается наружу, потому что гравитационное притяжение планеты, которое притягивает газы и аэрозоли (микроскопические взвешенные частицы пыли, сажи, дыма или химикатов) внутрь, наиболее близко к поверхности. Атмосферы некоторых планетных тел, таких как Меркурий, практически отсутствуют, поскольку изначальная атмосфера избежала относительно низкого гравитационного притяжения планеты и была выпущена в космос. Другие планеты, такие как Венера, Земля, Марс и внешние планеты-гиганты Солнечной системы, сохранили атмосферу.Кроме того, атмосфера Земли может содержать воду в каждой из трех фаз (твердой, жидкой и газовой), что имеет важное значение для развития жизни на планете.

перистые перистые облака над провинциальным парком плотины Пинава

Атмосферы планет солнечной системы состоят из различных газов, твердых частиц и жидкостей. Они также являются динамическими местами, которые перераспределяют тепло и другие формы энергии. На Земле атмосфера обеспечивает жизненно важные ингредиенты.Здесь перистые перистые облака плывут по глубокому синему небу над провинциальным парком плотины Пинава, недалеко от Пинавы, Манитоба, Канада.

© Кушниров Авраам / Dreamstime.com

Британская викторина

Какая сегодня погода? Факт или вымысел

Улучшите свою светскую беседу, узнав, что на самом деле происходит с погодой, и узнайте то, что вы уже знаете, с помощью этой викторины.

Эволюция современной атмосферы Земли до конца не изучена. Считается, что нынешняя атмосфера возникла в результате постепенного высвобождения газов как изнутри планеты, так и в результате метаболической активности форм жизни, в отличие от изначальной атмосферы, которая образовалась за счет выделения газов во время первоначального формирования планеты. . Текущие выбросы вулканических газов включают водяной пар (H ₂ O), диоксид углерода (CO ₂ ), диоксид серы (SO ₂ ), сероводород (H ₂ S), оксид углерода (CO), хлор. (Cl), фтор (F) и двухатомный азот (N ₂ ; состоящий из двух атомов в одной молекуле), а также следы других веществ.Приблизительно 85 процентов вулканических выбросов происходит в виде водяного пара. Напротив, диоксид углерода составляет около 10 процентов сточных вод.

Во время ранней эволюции атмосферы на Земле вода должна была существовать в жидком виде, поскольку океаны существуют не менее трех миллиардов лет. Учитывая, что солнечная энергия четыре миллиарда лет назад составляла всего около 60 процентов от сегодняшней, должны были присутствовать повышенные уровни углекислого газа и, возможно, аммиака (NH ₃ ), чтобы замедлить утечку инфракрасного излучения в космос.Первоначальные формы жизни, которые развивались в этой среде, должны были быть анаэробными (то есть выжившими в отсутствие кислорода). Кроме того, они должны были противостоять биологически разрушительному ультрафиолетовому излучению солнечного света, которое не поглощалось слоем озона, как сейчас.

Когда организмы развили способность к фотосинтезу, кислород стал производиться в больших количествах. Накопление кислорода в атмосфере также способствовало развитию озонового слоя, поскольку молекулы O ₂ диссоциировали на одноатомный кислород (O; состоящий из отдельных атомов кислорода) и рекомбинировали с другими молекулами O ₂ с образованием трехатомных молекул озона ( О ₃ ).Способность к фотосинтезу возникла у примитивных форм растений от двух до трех миллиардов лет назад. До эволюции фотосинтезирующих организмов кислород производился в ограниченных количествах как побочный продукт разложения водяного пара ультрафиолетовым излучением.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В настоящее время молекулярный состав атмосферы Земли состоит из двухатомного азота (N ₂ ), 78,08%; двухатомный кислород (O ₂ ), 20.95 процентов; аргон (А) 0,93%; вода (H ₂ 0), примерно от 0 до 4 процентов; и диоксид углерода (CO ₂ ) 0,04 процента. Инертные газы, такие как неон (Ne), гелий (He) и криптон (Kr), а также другие составляющие, такие как оксиды азота, соединения серы и соединения озона, встречаются в меньших количествах.

В этой статье дается обзор физических сил, которые управляют атмосферными процессами Земли, структуры атмосферы Земли и приборов, используемых для измерения атмосферы Земли.Для полного описания процессов, которые создали нынешнюю атмосферу на Земле, см. эволюция атмосферы. Для получения информации о долгосрочных состояниях атмосферы, наблюдаемых на поверхности Земли, см. климат. Для описания самых высоких областей атмосферы, где условия в основном определяются наличием заряженных частиц, см. ионосфера и магнитосфера.

Geography4Kids.com: Атмосфера

Что такое небо? Что такое воздух? Какая атмосфера? Атмосфера представляет собой тонкий слой газов , который окружает Землю.Он изолирует планету и защищает нас от космического вакуума. Он защищает нас от электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем и мелких объектов, летающих в космосе, таких как метеороиды. Конечно, он также содержит кислорода (O ₂ ), которым мы все дышим, чтобы выжить.

Точно так же, как есть слои внутри Земли, есть также слои в атмосфере. Все слои взаимодействуют друг с другом, поскольку газы циркулируют по планете. Самые низкие слои взаимодействуют с поверхностью Земли, а самые высокие — с космосом.На своем уровне вы можете ощущать атмосферу как прохладный ветерок. В других случаях вы будете ощущать это как жаркий или влажный день, который, кажется, давит на вас со всех сторон.

По сравнению с диаметром Земли, атмосфера очень тонкая. Толщина атмосферы — это баланс между гравитацией Земли и энергичными молекулами, которые хотят подняться и двигаться в космос. Молекулы в верхних слоях атмосферы возбуждаются, когда энергия Солнца попадает на Землю.Молекулы в нижних слоях более холодные и находятся под большим давлением .

Если бы Земля была больше, атмосфера была бы на плотнее . Увеличившаяся масса и связанная с ней сила тяжести более крупной планеты подтолкнули бы эти молекулы газа ближе к поверхности, и давление увеличилось бы.

Атмосфера — это больше, чем просто слои газа, окружающие планету. Это также движущийся источник жизни для всех существ на планете. Хотя большая часть атмосферы состоит из молекул азота (N ₂ ), существуют также кислород и углекислый газ (CO ₂ ), которые необходимы растениям и животным для выживания.Вы также найдете озон (O ₃ ) выше в атмосфере, который помогает фильтровать вредное ультрафиолетовое излучение от Солнца. Атмосфера также защищает нас от вакуума и холода космоса. Без нашей атмосферы Земля была бы такой же бесплодной и мертвой, как Луна или Меркурий.

На планете нет единого климата. Специализированный климат встречается по всей планете и может включать пустыни, тропические леса или полярные регионы. Общей чертой всех этих климатов является атмосфера.В атмосфере циркулируют газы и частицы между всеми этими областями.

Горячий воздух с экватора в конечном итоге перемещается на север или юг в другие климатические регионы. Этот более теплый воздух соединяется с более холодным, начинается перемешивание и формируются штормы. Постоянное перемешивание атмосферы поддерживает стабильную систему, которая помогает организмам выжить. Кислород никогда не закончится в одном районе планеты, а температура не взлетит до небес в другом. Атмосфера уравновешивает возможные крайности Земли и создает общую стабильность.

Прекрасным примером является то, как тропических циклонов и (ураганов) образуются над Атлантическим океаном. Из-за глобальной атмосферной циркуляции системы начинаются над пустыней Сахара в Африке, перемещаются через западное побережье северной Африки, собирают большое количество воды, когда они проходят над теплым Атлантическим океаном и Карибским морем, и, наконец, сбрасывают весь дождь на Карибское море или юго-восточное побережье США. Помимо штормовой погоды, атмосфера также может переносить пыль и частицы из Сахары в Северную Америку.

Или выполните поиск на сайтах по определенной теме.

Атмосфера | Науки о Земле

Атмосфера Земли представляет собой тонкий слой газов и крошечных частиц, вместе называемых воздухом. Мы больше всего осознаем воздух, когда он движется и создает ветер. Все живые существа нуждаются в некоторых газах в воздухе для жизнеобеспечения. Без атмосферы Земля, вероятно, была бы просто еще одной безжизненной скалой.

Атмосфера Земли, наряду с обилием жидкой воды на поверхности Земли, является ключом к уникальному месту нашей планеты в Солнечной системе.Многое из того, что делает Землю исключительной, зависит от атмосферы. Давайте рассмотрим некоторые из причин, по которым нам повезло с атмосферой.

НЕОБХОДИМО ДЛЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
Без атмосферы Земля была бы больше похожа на Луну. Атмосферные газы, особенно диоксид углерода (CO ₂ ) и кислород (O ₂ ), чрезвычайно важны для живых организмов. Как атмосфера делает жизнь возможной? Как жизнь меняет атмосферу?

В процессе фотосинтеза растений используют CO ₂ и создают O ₂ .Фотосинтез отвечает за почти весь кислород, который в настоящее время содержится в атмосфере. Создавая кислород и пищу, растения создали среду, благоприятную для животных. При дыхании животные используют кислород для преобразования сахара в пищевую энергию, которую они могут использовать. Растения также дышат и потребляют некоторые из производимых сахаров.

---

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ВОДНОГО ЦИКЛА
В рамках гидрологического цикла, подробно описанного в главе «Пресная вода на Земле», вода проводит много времени в атмосфере, в основном в виде водяного пара.Вся погода проходит в атмосфере, практически вся она находится в нижних слоях атмосферы. Погода описывает состояние атмосферы в определенное время и в определенном месте и может включать температуру, ветер и осадки. Погода — это изменение, которое мы испытываем изо дня в день. Климат — это долгосрочная средняя погода в определенном месте. Хотя погода в определенный зимний день в Тусоне, штат Аризона, может включать снег, климат Тусона в целом теплый и сухой.

---

ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ЖИЗНЬ
Озон представляет собой молекулу, состоящую из трех атомов кислорода (O ₃ ).Озон в верхних слоях атмосферы поглощает высокоэнергетическое ультрафиолетовое (УФ) излучение , исходящее от Солнца. Это защищает живые существа на поверхности Земли от наиболее вредных лучей Солнца. Без озона для защиты на Земле могли бы жить только простейшие формы жизни. МОДЕРИРУЕТ ТЕМПЕРАТУРУ ЗЕМЛИ
Наряду с океанами, атмосфера поддерживает температуру Земли в приемлемом диапазоне. Парниковые газы улавливают тепло в атмосфере, помогая снизить глобальные температуры.Без атмосферы, содержащей парниковые газы, температура на Земле была бы низкой ночью и палящей днем. Важные парниковые газы включают двуокись углерода, метан, водяной пар и озон.

---

Атмосферные газы

СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Азот и кислород вместе составляют 99 процентов атмосферы планеты. Остальные газы — второстепенные, но иногда очень важные компоненты. Влажность — это количество водяного пара в воздухе.Влажность варьируется от места к месту и от сезона к сезону. Этот факт очевиден, если вы сравните летний день в Атланте, штат Джорджия, с высокой влажностью, с зимним днем ​​в Фениксе, штат Аризона, где влажность низкая. Когда воздух очень влажный, он кажется тяжелым или липким. Сухой воздух обычно кажется более комфортным. Где на земном шаре содержание водяного пара в атмосфере выше, а где ниже и почему? Более высокая влажность наблюдается в экваториальных регионах, потому что температура воздуха выше, а теплый воздух может удерживать больше влаги, чем более холодный.Конечно, в полярных регионах влажность ниже, потому что температура воздуха ниже.

Часть того, что находится в атмосфере, не является газом. Частицы пыли, почвы, фекалий, металлов, соли, дыма, золы и других твердых веществ составляют небольшой процент атмосферы. Частицы служат отправными точками (или ядрами) для конденсации водяного пара и образования капель дождя. Некоторые частицы являются загрязнителями, которые обсуждаются в главе «Действия человека и атмосфера».

---

АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ И ПЛОТНОСТЬ
Атмосфера имеет разные свойства на разных высотах над уровнем моря или над уровнем моря.Плотность воздуха (количество молекул в данном объеме) уменьшается с увеличением высоты. Вот почему люди, которые поднимаются на высокие горы, такие как Mt. Эверест, нужно разбить лагерь на разных высотах, чтобы их тела могли привыкнуть к пониженному воздуху. Почему плотность воздуха уменьшается с высотой? Гравитация притягивает молекулы газа к центру Земли. Тяготение сильнее ближе к центру на уровне моря. Воздух плотнее на уровне моря, где гравитационное притяжение больше. Газы на уровне моря также сжимаются под действием веса атмосферы над ними.Сила давления воздуха на единицу площади известна как его атмосферное давление . Причина, по которой мы не раздавлены этим весом, заключается в том, что молекулы внутри нашего тела выталкиваются наружу, чтобы компенсировать это. Атмосферное давление ощущается со всех сторон, а не только сверху.

На больших высотах атмосферное давление ниже и воздух менее плотный, чем на больших высотах. Если ваши уши когда-либо «хлопали», значит, вы испытали изменение давления воздуха. Молекулы газа находятся внутри и снаружи ваших ушей.Когда вы быстро меняете высоту, например, когда самолет снижается, ваше внутреннее ухо сохраняет плотность молекул на исходной высоте. В конце концов молекулы воздуха внутри вашего уха внезапно проходят через небольшую трубку в ухе, чтобы уравновесить давление. Этот внезапный порыв воздуха ощущается как ощущение хлопка.

Хотя плотность атмосферы меняется с высотой, состав остается неизменным с высотой, за одним исключением. В озоновом слое на высоте от 20 до 40 км над поверхностью концентрация молекул озона выше, чем в других частях атмосферы.

---

Слои атмосферы

Атмосфера слоистая, что соответствует тому, как температура атмосферы изменяется с высотой. Понимая, как температура изменяется с высотой, мы можем многое узнать о том, как устроена атмосфера. В то время как погода имеет место в более низкой атмосфере, интересные вещи, такие как красивое полярное сияние, происходят выше в атмосфере.

Почему поднимается теплый воздух? Молекулы газа могут свободно перемещаться, и если они не удерживаются, как в атмосфере, они могут занимать больше или меньше места.

• Когда молекулы газа холодные, они медлительны и не занимают столько места. При том же количестве молекул в меньшем пространстве и плотность воздуха, и давление выше.
• Когда молекулы газа теплые, они энергично движутся и занимают больше места. Плотность и давление воздуха ниже.

Более теплый и легкий воздух обладает большей плавучестью, чем более холодный воздух над ним, поэтому он поднимается вверх. Затем более холодный воздух опускается вниз, потому что он плотнее, чем воздух под ним.Это конвекция, которая была описана в главе «Тектоника плит».

Свойство, которое наиболее сильно меняется с высотой, — это температура воздуха. В отличие от изменений давления и плотности, которые уменьшаются с высотой, изменения температуры воздуха нерегулярны. Изменение температуры с расстоянием называется температурным градиентом .

Атмосфера делится на слои в зависимости от того, как температура в этом слое изменяется с высотой, то есть температурного градиента слоя.Температурный градиент каждого слоя разный. В одних слоях температура увеличивается с высотой, а в других — уменьшается. Температурный градиент в каждом слое определяется источником тепла слоя. Большинство важных процессов в атмосфере происходит в двух нижних слоях: тропосфере и стратосфере.

---

ТРОПОСФЕРА
Температура тропосферы самая высокая у поверхности Земли и уменьшается с высотой.В среднем градиент температуры тропосферы составляет 6,5 ^° ° C на 1000 м (3,6 ^° ° F на 1000 футов) высоты. Что является источником тепла для тропосферы? Поверхность Земли является основным источником тепла для тропосферы, хотя почти все это тепло исходит от Солнца. Скалы, почва и вода на Земле поглощают солнечный свет и излучают его обратно в атмосферу в виде тепла. Температура также выше у поверхности из-за большей плотности газов.
Обратите внимание, что в тропосфере более теплый воздух находится под более холодным воздухом.Как вы думаете, к чему это приведет? Это состояние нестабильно. Теплый воздух у поверхности поднимается вверх, а холодный воздух выше в тропосфере опускается. Итак, воздух в тропосфере сильно перемешивается. Это смешивание приводит к изменению температурного градиента в зависимости от времени и места. Подъем и опускание воздуха в тропосфере означает, что вся погода на планете происходит в тропосфере.

Иногда наблюдается инверсия температуры , температура воздуха в тропосфере увеличивается с высотой, и теплый воздух располагается поверх холодного.Инверсии очень стабильны и могут длиться несколько дней или даже недель. Они образуют:

• Над сушей ночью или зимой, когда земля холодная. Холодная земля охлаждает воздух, который находится над ней, делая этот нижний слой воздуха более плотным, чем воздух над ним.
• Рядом с побережьем, где холодная морская вода охлаждает воздух над ней. Когда этот более плотный воздух движется вглубь суши, он скользит под более теплым воздухом над землей.

---

Поскольку температурные инверсии стабильны, они часто улавливают загрязнители и создают нездоровые условия воздуха в городах.В верхней части тропосферы находится тонкий слой, температура в котором не меняется с высотой. Это означает, что более холодный и плотный воздух тропосферы задерживается под более теплым и менее плотным воздухом стратосферы. Воздух из тропосферы и стратосферы редко смешивается.

СТРАТОСФЕРА
Пепел и газ от крупного извержения вулкана могут прорваться в стратосферу , слой над тропосферой.Попав в стратосферу, он остается там в течение многих лет, потому что между двумя слоями очень мало перемешивания. Пилоты любят летать в нижних слоях стратосферы, потому что там мало турбулентности воздуха. В стратосфере температура увеличивается с высотой. Что является источником тепла для стратосферы? Непосредственным источником тепла для стратосферы является Солнце. Воздух в стратосфере стабилен, потому что более теплый и менее плотный воздух располагается над более холодным и более плотным воздухом. В результате внутри слоя происходит небольшое перемешивание воздуха.Озоновый слой находится в стратосфере на высоте от 15 до 30 км (от 9 до 19 миль). Толщина озонового слоя меняется в зависимости от сезона и широты.

Озоновый слой чрезвычайно важен, потому что газообразный озон в стратосфере поглощает большую часть вредного ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. Благодаря этому озоновый слой защищает жизнь на Земле. Ультрафиолетовый свет высокой энергии проникает в клетки и повреждает ДНК, что приводит к их гибели (что мы знаем как сильный солнечный ожог). Организмы на Земле не приспособлены к сильному ультрафиолетовому излучению, которое убивает или повреждает их.Без озонового слоя, отражающего ультрафиолетовое и ультрафиолетовое излучение, самая сложная жизнь на Земле не прожила бы долго.

МЕЗОСФЕРА
Температура в мезосфере уменьшается с высотой. Поскольку в мезосфере мало молекул газа, поглощающих солнечное излучение, источником тепла является стратосфера внизу. Мезосфера очень холодная, особенно в ее верхней части, около -90 градусов по Цельсию (-130 градусов по Фаренгейту).

Воздух в мезосфере имеет чрезвычайно низкую плотность: 99.9 процентов массы атмосферы находится ниже мезосферы. В результате давление воздуха очень низкое. Человек, путешествующий по мезосфере, получит серьезные ожоги от ультрафиолета, поскольку озоновый слой, обеспечивающий защиту от ультрафиолета, находится в стратосфере ниже. Кислорода для дыхания почти не было. Что еще более странно, кровь незащищенного путешественника закипает при нормальной температуре тела из-за очень низкого давления.

---

ТЕРМОСФЕРА
Плотность молекул в термосфере настолько мала, что одна молекула газа может пройти около 1 км, прежде чем столкнется с другой молекулой.Поскольку передается так мало энергии, воздух кажется очень холодным. Внутри термосферы находится ионосфера . Ионосфера получила свое название от солнечного излучения, которое ионизирует молекулы газа, создавая положительно заряженный ион и один или несколько отрицательно заряженных электронов. Освобожденные электроны перемещаются в ионосфере в виде электрических токов. Из-за свободных ионов ионосфера имеет много интересных характеристик. Ночью радиоволны отражаются от ионосферы и возвращаются обратно на Землю. Вот почему ночью вы часто можете поймать AM-радиостанцию ​​далеко от источника.Радиационные пояса Ван Аллена представляют собой две кольцевидные зоны сильно заряженных частиц, которые расположены за пределами атмосферы в магнитосфере . Частицы возникают в результате солнечных вспышек и летят на Землю с солнечным ветром. Попав в ловушку магнитного поля Земли, они следуют вдоль силовых линий поля. Эти линии проходят от экватора до Северного полюса, а также до Южного полюса, а затем возвращаются к экватору.

Когда массивные солнечные бури вызывают перегрузку поясов Ван Аллена частицами, в результате возникает самая впечатляющая особенность ионосферы — полярное сияние и .Частицы вращаются по спирали вдоль силовых линий магнитного поля к полюсам. Заряженные частицы возбуждают молекулы кислорода и азота, заставляя их загораться. Каждый газ излучает свет определенного цвета.

Нет реального внешнего предела экзосфере , самому внешнему слою атмосферы; молекулы газа в конце концов становятся настолько редкими, что в какой-то момент их больше нет. За пределами атмосферы — солнечный ветер. Солнечный ветер состоит из высокоскоростных частиц, в основном протонов и электронов, быстро движущихся от Солнца.

---

Нет реального внешнего предела экзосфере , самому внешнему слою атмосферы; молекулы газа в конце концов становятся настолько редкими, что в какой-то момент их больше нет. За пределами атмосферы — солнечный ветер. Солнечный ветер состоит из высокоскоростных частиц, в основном протонов и электронов, быстро движущихся от Солнца. В этом видео очень подробно обсуждаются слои атмосферы.

Атмосферная энергия, температура и тепло

ENERGY
Энергия перемещается через пространство или материал.Это очевидно, когда вы стоите возле огня и чувствуете его тепло или когда берете ручку металлического горшка, даже если ручка не лежит прямо на горячей плите. Невидимые энергетические волны могут распространяться через воздух, стекло и даже космический вакуум. Эти волны обладают электрическими и магнитными свойствами, поэтому их называют электромагнитными волнами. Передача энергии от одного объекта к другому посредством электромагнитных волн называется излучением. Энергия разной длины создает разные типы электромагнитных волн.

• Волны, видимые людям, известны как «видимый свет». Эти длины волн кажутся нам цветами радуги. Какие объекты излучают видимый свет? Два включают Солнце и лампочку.
• Самые длинные волны видимого света кажутся красными. Инфракрасные волны длиннее видимого красного. Змеи могут видеть инфракрасную энергию. Мы ощущаем инфракрасную энергию как тепло.
• Длины волн короче фиолетового называются ультрафиолетовыми.

Можете ли вы вспомнить некоторые объекты, которые, кажется, излучают видимый свет, но на самом деле нет? Луна и планеты не излучают собственный свет; они отражают свет Солнца. Отражение — это когда свет (или другая волна) отражается от поверхности. Albedo — это показатель того, насколько хорошо поверхность отражает свет. Поверхность с высоким альбедо отражает большой процент света. Снежное поле имеет высокое альбедо.

Следует помнить один важный факт: энергию нельзя создать или уничтожить — ее можно только изменить из одной формы в другую. Это настолько фундаментальный факт природы, что это закон: закон сохранения энергии.

Например, при фотосинтезе растения преобразуют солнечную энергию в химическую энергию, которую они могут использовать.Они не создают новой энергии. Когда энергия преобразуется, некоторые из них почти всегда превращаются в тепло. Легко переносится тепло между материалами, от более теплых предметов к более холодным. Если больше не добавлять тепла, в конечном итоге весь материал достигнет одинаковой температуры.

---

ТЕМПЕРАТУРА
Температура — это мера того, насколько быстро колеблются атомы в материале. Высокотемпературные частицы вибрируют быстрее, чем низкотемпературные. Быстро колеблющиеся атомы сталкиваются друг с другом, в результате чего выделяется тепло.По мере охлаждения материала атомы колеблются медленнее и сталкиваются реже. В результате они выделяют меньше тепла. В чем разница между теплом и температурой?

• Температура измеряет, насколько быстро колеблются атомы материала.
• Тепло измеряет общую энергию материала.

Что имеет более высокую температуру, а какая — более высокую: пламя свечи или ванна с горячей водой?

• Пламя имеет более высокую температуру, но меньше тепла, потому что горячая область очень мала.
• Ванна имеет более низкую температуру, но в ней гораздо больше тепла, потому что в ней гораздо больше колеблющихся атомов. Ванна имеет большую общую энергию.

ТЕПЛО
Тепло поглощается или выделяется, когда объект меняет состояние или переходит из газа в жидкость или из жидкости в твердое тело. Это тепло называется скрытой теплотой . Когда вещество меняет состояние, скрытое тепло выделяется или поглощается. Вещество, изменяющее свое материальное состояние, не меняет температуры.Вся высвобождаемая или поглощенная энергия направляется на изменение состояния материала.

Например, представьте кастрюлю с кипящей водой на плите: температура воды 100 градусов по Цельсию (212 градусов по Фаренгейту). Если увеличить температуру конфорки, в воду поступает больше тепла. Вода остается при температуре кипения, но дополнительная энергия идет на превращение воды из жидкости в газ. Чем больше тепла, тем быстрее вода испаряется. Когда вода превращается из жидкости в газ, она забирает тепло.Поскольку при испарении уходит тепло, это называется испарительным охлаждением. Испарительное охлаждение — недорогой способ охлаждения домов в жарких и сухих помещениях.

Вещества также различаются по своей теплоемкости , количеству энергии, необходимому для повышения температуры одного грамма материала на 1,0 градус Цельсия (1,8 градуса F). Вода имеет очень высокую удельную теплоемкость, а это означает, что для изменения температуры воды требуется много энергии. Сравним, например, лужу и асфальт. Если вы идете босиком в солнечный день, что бы вы предпочли пройти, мелкую лужу или асфальтовую стоянку? Из-за своей высокой удельной теплоемкости вода остается более холодной, чем асфальт, даже несмотря на то, что она получает такое же количество солнечного излучения.

Энергия Солнца

Земля постоянно пытается поддерживать энергетический баланс с атмосферой. Большая часть энергии, достигающей поверхности Земли, исходит от Солнца. Около 44% солнечного излучения находится в длинах волн видимого света, но Солнце также излучает инфракрасные, ультрафиолетовые и другие длины волн. При совместном рассмотрении все длины волн видимого света кажутся белыми. Но призма или капли воды могут разбить белый свет на волны разной длины, так что появляются отдельные цвета.

Из солнечной энергии, которая достигает внешней атмосферы, ультрафиолетовые волны обладают наибольшей энергией. Только около 7 процентов солнечной радиации приходится на ультрафиолетовые волны. Эти три типа:

• UVC: ультрафиолет с наивысшей энергией, совсем не достигает поверхности планеты.
• UVB: вторая по величине энергия, также в основном задерживается в атмосфере.
• UVA: наименьшая энергия, проходит через атмосферу на землю.

Остающееся солнечное излучение — это самая длинноволновая часть инфракрасного излучения.Большинство объектов излучают инфракрасную энергию, которую мы ощущаем как тепло. Некоторые длины волн солнечного излучения, проходящего через атмосферу, могут быть потеряны, поскольку они поглощаются различными газами. Озон полностью удаляет UVC, большую часть UVB и часть UVA из падающего солнечного света. Кислород, углекислый газ и водяной пар также отфильтровывают волны некоторых длин.

---

Теплообмен в атмосфере

Тепло движется в атмосфере так же, как оно движется через твердую Землю (глава «Тектоника плит») или другую среду.Далее следует обзор того, как тепло течет и передается, но применительно к атмосфере.

Излучение — это передача энергии между двумя объектами с помощью электромагнитных волн. Тепло излучается от земли в нижние слои атмосферы.

В случае с проводимостью тепло перемещается из областей с большим количеством тепла в области с меньшим количеством тепла при прямом контакте. Более теплые молекулы быстро вибрируют и сталкиваются с другими соседними молекулами, передавая свою энергию. В атмосфере проводимость более эффективна на более низких высотах, где плотность воздуха выше; передает тепло вверх туда, где молекулы расходятся дальше друг от друга, или переносит тепло вбок от более теплого к более холодному месту, где молекулы движутся менее энергично.

Теплообмен при движении нагретых материалов называется конвекцией . Тепло, исходящее от земли, вызывает в атмосфере конвекционные ячейки.

ТЕПЛО НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
Около половины солнечной радиации, которая попадает в верхние слои атмосферы, отфильтровывается, прежде чем достигнет земли. Эта энергия может поглощаться атмосферными газами, отражаться облаками или рассеиваться. Рассеяние происходит, когда световая волна ударяет частицу и отскакивает в другом направлении.

Около 3% энергии, падающей на землю, отражается обратно в атмосферу. Остальное поглощается камнями, почвой и водой, а затем излучается обратно в воздух в виде тепла. Эти инфракрасные волны могут быть видны только инфракрасными датчиками. Поскольку солнечная энергия постоянно проникает в атмосферу Земли и на поверхность земли, становится ли планета горячее? Ответ — нет (хотя следующий раздел содержит исключение), потому что энергия с Земли уходит в космос через верхние слои атмосферы.Если количество, которое выходит, равно количеству, которое входит, то средняя глобальная температура остается неизменной. Это означает, что тепловой баланс планеты сбалансирован. Что произойдет, если энергии поступит больше, чем уйдет? Если уходит больше энергии, чем входит?

Сказать, что тепловой баланс Земли сбалансирован, игнорирует важный момент. Количество поступающей солнечной энергии на разных широтах разное). Как вы думаете, куда попадает больше всего солнечной энергии и почему? Где остается меньше всего солнечной энергии и почему? Разница в солнечной энергии, получаемой на разных широтах, вызывает атмосферную циркуляцию.

Экваториальные районы Полярные регионы

Продолжительность дня Почти одинаково круглый год Ночь 6 месяцев

Угол Солнца Высокий Низкий

Солнечное излучение Высокая Низкий

Альбедо Низкий Высокая

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ
Исключение из того, что температура Земли находится в равновесии, вызвано парниковыми газами.Но сначала необходимо объяснить роль парниковых газов в атмосфере. Парниковые газы нагревают атмосферу, улавливая тепло. Часть теплового излучения от земли задерживается парниковыми газами в тропосфере. Как одеяло на спящем человеке, парниковые газы действуют как изоляция для нашей планеты. Потепление атмосферы из-за изоляции парниковыми газами называется парниковым эффектом . Парниковые газы — это компонент атмосферы, который регулирует температуру Земли.Парниковые газы включают CO2, h3O, метан, O3, оксиды азота (NO и NO2) и хлорфторуглероды (CFC). Все это нормальная часть атмосферы, кроме ХФУ. В таблице ниже показано, как каждый парниковый газ попадает в атмосферу естественным образом.

---

Парниковый газ Двуокись углерода (CO 2 ) Метан Закись азота Озон Хлорфторуглероды (CFC)

Откуда взялось Дыхание, извержения вулканов, разложение растительного материала; сжигание ископаемого топлива Разложение растительного сырья при определенных условиях, биохимические реакции в желудке Производятся бактериями; сжигание ископаемого топлива Атмосферные процессы, химические реакции в результате сжигания ископаемого топлива Не встречаются в природе; сделано людьми

Различные парниковые газы по-разному удерживают тепло.Например, одна молекула метана улавливает в 30 раз больше тепла, чем одна молекула CO ₂ . Одна молекула CFC-12 (разновидность CFC) улавливает в 10600 раз больше тепла, чем одна молекула CO ₂ . Тем не менее, CO ₂ является очень важным парниковым газом, потому что его гораздо больше в атмосфере.

Деятельность человека значительно повысила уровни многих парниковых газов в атмосфере. Уровни метана примерно в 2 1/2 раза выше в результате деятельности человека. Углекислый газ увеличился более чем на 35%.ХФУ появились совсем недавно.

Как вы думаете, что произойдет при повышении уровня парниковых газов в атмосфере? Больше парниковых газов задерживает больше тепла и нагревает атмосферу. Увеличение или уменьшение количества парниковых газов в атмосфере влияет на климат и погоду во всем мире.

Что такое атмосфера? — Вселенная сегодня

[/ caption] Какая атмосфера? Это только то, что не дает вам обжечься каждый день, помогает вызвать дождь, который нужен нашим растениям для выживания, не говоря уже о том, что он содержит кислород, необходимый для дыхания.По сути, атмосфера — это совокупность газов, которые делают Землю пригодной для жизни.

Атмосфера состоит из 78% азота, 21% кислорода, 1% водяного пара и небольшого количества других газовых примесей, таких как аргон и окись углерода. Все эти газы в совокупности поглощают ультрафиолетовое излучение Солнца и нагревают поверхность планеты за счет удержания тепла. Масса атмосферы составляет около 5 × 10 ¹⁸ кг. 75% атмосферной массы находится в пределах 11 км от поверхности. Хотя чем выше вы поднимаетесь, тем тоньше атмосфера, но четкой линии, отделяющей ее от космоса, нет; однако линия Кармана на расстоянии 100 км часто рассматривается как граница между атмосферой и космическим пространством.Эффекты повторного входа можно почувствовать на 120 км.

За всю обширную историю Земли существовало три различных атмосферы или одна, которая развивалась в три основных этапа. Первая атмосфера возникла в результате сильных дождей на всей планете, которые привели к образованию большого океана. Вторая атмосфера начала формироваться около 2,7 миллиарда лет назад. Присутствие кислорода начало появляться, по-видимому, из-за того, что он выделяется фотосинтезирующими водорослями. Третья атмосфера вступила в игру, когда планета начала, так сказать, размять ноги.Тектоника плит начала постоянно перестраивать континенты примерно 3,5 миллиарда лет назад и помогла сформировать долгосрочную эволюцию климата, позволив переносить углекислый газ в крупные наземные хранилища карбонатов. Свободный кислород не существовал примерно 1,7 миллиарда лет назад, и это можно увидеть по развитию красных пластов и окончанию полосчатых железных образований. Это означает переход от восстановительной атмосферы к окислительной атмосфере. Кислород показал большие взлеты и падения, пока не достиг устойчивого состояния более 15%.

Атмосфера Земли выполняет несколько крутых оптических фокусов. Голубой цвет неба обусловлен рэлеевским рассеянием, что означает, что когда свет движется через атмосферу, большая часть длинных волн проходит прямо сквозь него. Воздух почти не влияет на красный, оранжевый и желтый свет; однако большая часть света с более короткой длиной волны (синий) поглощается молекулами газа. Поглощенный синий свет излучается во всех направлениях. Итак, куда бы вы ни посмотрели, вы видите рассеянный синий свет.Атмосфера также ответственна за северное сияние. Полярные сияния вызваны бомбардировкой солнечными электронами атомов кислорода и азота в атмосфере. Электроны буквально возбуждают атомы кислорода и азота высоко в атмосфере, создавая прекрасное световое шоу, известное как полярное сияние.

Атмосфера разделена на 5 основных зон. Тропосфера начинается на поверхности и простирается от 7 км на полюсах до 17 км на экваторе с некоторыми вариациями из-за погодных условий.Стратосфера простирается примерно на 51 км. Мезосфера простирается примерно на 85 км. Большинство метеоров сгорает в этой зоне атмосферы. Термосфера простирается от 320 до 380 км. Здесь орбиты Международной космической станции. Температура здесь может подниматься до 1500 ° C. Экзосфера — последний бастион атмосферы. Здесь частицы настолько удалены друг от друга, что могут преодолевать сотни километров, не сталкиваясь друг с другом. Экзосфера в основном состоит из водорода и гелия.

Посетите страницу НАСА об атмосфере Земли. Здесь, в Universe Today, у нас есть отличная статья об альтернативном представлении о происхождении атмосферы. Astronomy Cast предлагает хороший эпизод об атмосфере во Вселенной.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Слои атмосферы | NIWA

Атмосфера состоит из слоев в зависимости от температуры. Эти слои — тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера. Еще одна область на высоте около 500 км над поверхностью Земли называется экзосферой.

Различные слои атмосферы

Атмосфера может быть разделена на слои в зависимости от ее температуры, как показано на рисунке ниже. Эти слои — тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера. Дальнейшая область, начинающаяся примерно на 500 км над поверхностью Земли, называется экзосферой.

Красная линия на рисунке ниже показывает, как температура изменяется с высотой (шкала температур приведена в нижней части диаграммы).Шкала справа показывает давление. Например, на высоте 50 км давление составляет всего одну тысячную от давления у земли.

Тропосфера

Это самая нижняя часть атмосферы — та часть, в которой мы живем. Она содержит большую часть нашей погоды — облака, дождь, снег. В этой части атмосферы температура становится ниже по мере увеличения расстояния над землей примерно на 6,5 ° C на километр. Фактическое изменение температуры с высотой меняется день ото дня в зависимости от погоды.

Тропосфера содержит около 75% всего воздуха в атмосфере и почти весь водяной пар (который образует облака и дождь). Снижение температуры с высотой является результатом снижения давления. Если воздушная струя движется вверх, она расширяется (из-за более низкого давления). Когда воздух расширяется, он охлаждается. Таким образом, воздух вверху холоднее, чем воздух внизу.

Самая нижняя часть тропосферы называется пограничным слоем. Здесь движение воздуха определяется свойствами поверхности Земли.Турбулентность возникает, когда ветер дует над поверхностью Земли, и термиками, поднимающимися с земли, когда она нагревается солнцем. Эта турбулентность перераспределяет тепло и влагу в пограничном слое, а также загрязняющие вещества и другие составляющие атмосферы.

Верхняя часть тропосферы называется тропопаузой. Это самый низкий уровень на полюсах, где он находится примерно на 7-10 км над поверхностью Земли. Самый высокий (около 17-18 км) у экватора.

Стратосфера

Это простирается вверх от тропопаузы примерно до 50 км.Он содержит много озона в атмосфере. Повышение температуры с высотой происходит из-за поглощения этим озоном ультрафиолетового (УФ) излучения солнца. Температуры в стратосфере самые высокие над летним полюсом и самые низкие над зимним.

Поглощая опасное ультрафиолетовое излучение, озон в стратосфере защищает нас от рака кожи и других повреждений здоровья. Однако химические вещества (называемые ХФУ или фреоны и галоны), которые когда-то использовались в холодильниках, аэрозольных баллончиках и огнетушителях, уменьшили количество озона в стратосфере, особенно в полярных широтах, что привело к так называемой «озоновой дыре в Антарктике».

Сейчас люди перестали производить большую часть вредных ХФУ, мы ожидаем, что озоновая дыра в конечном итоге восстановится в течение 21 ^-го века, но это медленный процесс.

Мезосфера

Область над стратосферой называется мезосферой. Здесь температура снова понижается с высотой, достигая минимума около -90 ° C в «мезопаузе».

Термосфера и ионосфера

Термосфера расположена выше мезопаузы и представляет собой область, в которой температура снова увеличивается с высотой.Это повышение температуры вызвано поглощением энергичного ультрафиолетового и рентгеновского излучения от солнца.

Область атмосферы выше 80 км также вызвана «ионосферой», поскольку энергичное солнечное излучение сбивает электроны с молекул и атомов, превращая их в «ионы» с положительным зарядом. Температура термосферы варьируется от ночи к дню и от сезона к сезону, как и количество присутствующих ионов и электронов. Ионосфера отражает и поглощает радиоволны, что позволяет нам принимать коротковолновые радиопередачи в Новой Зеландии из других частей мира.