Атмосфера Земли: строение и оптика

В лекции рассказывается о строении, тепловом режиме и особенностях химического состава различных слоев атмосферы Земли. Отмечается сильное влияние малых газовых составляющих на физические свойства атмосферы, хотя относительное содержание этих газов исчисляется долями процента. Рассматриваются слои твердых и жидких частиц на различных высотах в атмосфере, механизм их формирования и наблюдательные проявления, а также оптические явления, происходящие в атмосфере.

Введение

Эра астрономических исследований из космоса началась несколько десятилетий назад. Но и сейчас подавляющее большинство астрономических наблюдений проводится с поверхности нашей планеты Земли. Относится это не только к любительским телескопам, но и к исследованиям на передовом фронте астрономической науки. За последние десятилетия в строй было введено несколько наземных оптических телескопов с диаметром объектива от 5 до 10 м, еще больше проектов находятся в стадии разработки.

Во время любых наземных астрономических наблюдений, будь то обычная зрительная труба или телескоп им. Кека, мы регистрируем излучение далеких объектов, которое пришло к нам на поверхность Земли сквозь газовую оболочку нашей планеты — атмосферу. Сама же атмосфера Земли очень сложна и во многом уникальна по сравнению с другими планетами Солнечной системы. Уникальность заключается не только в обилии кислорода, дающего нам возможность дышать. Наша газовая оболочка имеет сложный химический состав, высотное строение, физические и оптические свойства. Что особенно важно, все эти свойства оптимальны для поддержания жизни на нашей планете, по крайней мере если не подвергать атмосферу сильному физическому или химическому возмущению (как внешнему, так и внутреннему).

Естественно, атмосфера изменяет излучение далеких объектов, проходящее сквозь нее. Взаимодействие излучения с атмосферой включает в себя несколько разных процессов, и при проведении астрономических исследований ученые должны четко представлять, каким образом атмосфера влияет на вид небесных объектов и как правильно учесть это влияние.

Не менее важной задачей является выбор правильного места для строительства обсерваторий и проведения наблюдений. К этому пункту на Земле предъявляются серьезные требования: все атмосферные эффекты, влияющие на изображение небесных объектов, должны быть если не минимальными, то легко учитываемыми, предсказуемыми. Помимо этого в пункте наблюдений часто должна быть ясная погода. Ведь облака — достаточно распространенные и элементарные атмосферные образования — сильнейшим образом влияют на условия астрономических наблюдений, зачастую делая их просто невозможными.

Все вышеперечисленное тесно связывает астрономическую науку с физикой и оптикой атмосферы Земли. Поэтому многие астрономы, особенно экспериментаторы, занимающиеся наблюдениями, являются хорошими специалистами в атмосферной оптике. С другой стороны, астрономическая наука на протяжении многих десятилетий способствовала развитию науки об атмосфере, особенно о ее верхних слоях. И сейчас одним из главных инструментов изучения физики атмосферы являются космические проекты.

А когда мы говорим о наземных астрономических наблюдениях, мы не можем не учитывать свойства атмосферы, поэтому они должны быть хорошо известны любому астроному-экспериментатору.

Читать далее в сборнике трудов 41-й Международной студенческой научной конференции «Физика космоса» (.pdf), сс. 158–176

Атмосфера: строение, значение, изучение

Цели урока:

развивающая: развитие интереса к самостоятельному овладению знаниями, способами анализа, обобщения.

обучающая: сформировать представления у учащихся о строении, значении и способах изучения атмосферы Земли. Познакомить с понятиями «атмосфера», «тропосфера», «стратосфера», «озоновый слой», «верхние слои атмосферы», «мезосфера», «термосфера», «экзосфера».

воспитывающая: создание условий для развития устойчивого интереса к географии, воспитание патриотизма.

Методы:

словесные — беседа, рассказ

наглядный — видеоурок

Ход урока:

1. Организационный момент. Приветствие учителя.

2. Актуализация знаний: Сегодня на уроке мы совершим с вами небольшое путешествие по воздушному океану нашей Земли — атмосфере вместе с профессором Глобусенкиным — знатоком географии. Он поможет нам узнать о ее строении, какое значение она имеет для нас с вами и какие существуют способы изучения атмосферы.

3. Объяснение нового материала.

Атмосфера покрывает всю поверхность планеты. Ее толщина равна 3000 км. Нижней ее границей считают поверхность Земли, а верхней границы у этой оболочки нет — она постепенно переходит в космическое пространство.

Из чего же состоит воздух? Воздух — это смесь различных газов, твердых частиц, пыли, сажи. Он состоит из азота — 78% и кислорода 21%, остальную же долю занимают другие газы: аргон — 0,93%, углекислый газ- 0, 03%, а также гелий, водород, озон. Из-за того, что в атмосфере с высотой изменяется состав воздуха, его температура и плотность, в ней выделяют несколько слоев.

Первый слой, который мы с вами пролетаем, называется тропосферой. Он простирается до высоты в 8−18 км. В этом слое содержится до 80% воздуха, расположен весь водяной пар, образуются дожди, летают самолеты, дует ветер, а температура воздуха понижается на 1 км подъема на 6 °C.

Летим дальше! Выше тропосферы расположена стратосфера. Здесь температура воздуха на высоте 20−30 км постепенно увеличивается. Происходит это потому, что именно здесь расположен озоновый слой. Он играет очень важную роль для всего живого на Земле: благодаря ему губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи не доходят до поверхности Земли.

И вот мы подлетаем к верхним слоям атмосферы. К ним относятся мезосфера, термосфера и экзосфера. Мезосфера простирается до высоты 80 км. Температура доходит до — 90 °C. В термосфере она снова увеличивается и достигает 1500 °C!

А вот посмотрите, ребята, какая красота! Это полярные сияния. Они наблюдаются и в следующем слое атмосферы- в экзосфере. Он расположен на высоте свыше 400 км и постепенно переходит в космическое пространство. Вот наш полет и завершен!

Атмосфера Земли играет огромную роль для всех ее жителей. Она защищает поверхность нашей планеты от метеоритов, регулирует тепловой баланс планеты, а кислород, содержащийся в атмосферном воздухе, необходим всему живому на Земле. Атмосфера — источник азота, среда распространения звука.

К сожалению, человек очень часто забывает об этом, и своей деятельностью загрязняет воздух различными вредными веществами. Загрязненный воздух становится причиной роста заболеваемости людей.

Узнать, какие же процессы происходят высоко над Землей, помогают современные метеорологические спутники, зонды, шары, ракеты.

4. Закрепление и практическое применение знаний.

Составьте несколько задач на изменение температуры воздуха с высотой.

5. Рефлексия.

Продолжите одну из следующих фраз на выбор: «сегодня на уроке для меня было интересно…», «сегодня на уроке я узнал о …», «сегодня на уроке мне понравилось…»

6. Домашнее задание.

Строение земной атмосферы таблица. Презентация на тему: Атмосфера Земли: ее состав и строение

Для изучения физического состояния атмосферы произво­дятся как инструментальные, так и визуальные наблюдения. Инструментальные наблюдения осуществляются с помощью специальных приборов, устанавливаемых у поверхности земли на метеорологических станциях, и приборов, поднимаемых на резиновых шарах, самолетах, аэростатах и воздушных змеях. При инструментальных наблюдениях получают сведения о тем­пературе, влажности, давлении воздуха, скорости и направле­нии ветра у поверхности земли и на высотах до 30-40 км.

Кроме того, с их помощью определяется высота нижней и верхней границ облаков, количество осадков, состав воздуха, распределение лучистой энергии и т. п.
Визуальные наблюдения ведутся на метеорологических станциях (рис. 3). В процессе этих наблюдений определяют форму и количество облаков (т. е. степень покрытия неба), дальность горизонтальной видимости (степень прозрачности воздуха), характер выпадающих атмосферных осадков, интен­сивность метелей и пр.

Существуют и косвенные методы изучения строения атмо­сферы. Косвенные методы применяются главным образом для получения сведений о высоких слоях атмосферы, которые пока малодоступны для зондирования. К косвенным методам отно­сятся наблюдения за световыми явлениями в атмосфере, рас­пространением звуковых волн и радиоволн. Такие световые явления, как полярные сияния, светимость ночного неба, след метеоров, яркость сумеречного неба и др., позволяют судить о плотности и температуре воздуха, скорости и направлении воздушных потоков.

Из косвенных способов изучения атмосферы можно также отметить следующие:
по перламутровым облакам определяется ветер и влаж­ность воздуха на высотах 22-26 км, по серебристым обла­кам — воздушные течения на высотах 80-90 км;
по аномальному распространению звука устанавливается температура, давление, ветер; те же элементы определяются по метеорным следам на высотах 50-150 км;
по ультрафиолетовой радиации определяется содержание озона, по излучению ночного неба — состав и температура воздуха на высотах 60-70 км, по полярным сияниям — на вы­сотах 80-1000 км.
Метеорологическими и геофизическими ракетами определяется давление, плотность и температура воздуха, а также солнечный спектр и др.
Наиболее распространенным радиометеорологическим при­бором является радиозонд — изобретение П. А. Молчанова (рис. 4). Выпускаемый на резиновом шаре в свободную атмосферу, радиозонд в полете регистрирует давление, температуру и влажность воздуха, а результаты измерений по радио пере­дает условными сигналами. Сигналы улавливаются радио­приемниками и расшифровываются наблюдателями. После быстро произведенной обработки получают значения метеоро­логических элементов на раз­личных высотах.

Сведения о направлении и скорости воздушных течений на высотах получают с по­мощью шаров-пилотов и ра­диопилотов. Шары-пилоты — это небольшие резиновые ша­ры, наполненные водородом. После выпуска их в свободный полет за ними наблюдают в аэро­логический теодолит. По отсчетам величин углов вычисляется направление и скорость ветра на различных высотах. В отличие от шаропилотных наблюдений, производящихся при ясной погоде, радиопилотные наблюдения с помощью радиолокатора или радиопеленгатора позволяют определять направление и скорость ветра и при облачной погоде.
Высота нижней границы облаков измеряется с помощью шаров-пилотов и прожекторов. Для этой же цели используются самолеты, предназначенные для зондирования атмосферы, и облакомеры, поднимаемые на резиновых шарах.
В последние годы для изучения микроструктуры облаков и других целей оборудуются специальные самолеты-лабора­тории.
Почти все перечисленные средства наблюдений за физиче­ским состоянием свободной атмосферы созданы в текущем сто­летии, главным образом за последние 20-25 лет.
Изучением физических процессов и явлений, происходящих в свободной атмосфере, занимается аэрология, представляю­щая собой раздел метеорологии.
Первые сведения о строении атмосферы были получены с помощью аэростатов. В России первое научное применение аэростата было осуществлено академиком Я. Д. Захаровым в 1804 г. В последующем полеты совершали известные ученые Д. И. Менделеев, М. А. Рыкачев и др. В частности, полет Д. И. Менделеева был произведен 7 (19) августа 1877 г. из го­рода Клина.
В нашей стране первый полет стратостата был совершен в 1933 г. Стратостат «СССР-1» поднялся на рекордную для того времени высоту 19 км (рис. 5). Другой советский страто­стат «Осоавиахим-1» в 1934 г. достиг высоты 22 км. Наблю­дения, произведенные при полете, дали много ценных сведений о строении и составе воздуха в нижних слоях стратосферы. Полеты стратостатов в те годы были совершены и в США.

Стратостат “СССР-1”

Новые интересные данные об особенностях строения высо­ких слоев атмосферы, как уже говорилось, были получены в конце 40-х и в 50-х годах с помощью специальных метеоро­логических и геофизических ракет, искусственных спутников Земли и косвенных методов исследования атмосферы. Осо­бенно много запусков осуществлено в период МГГ, МГС и позднее, т. е. начиная с 1957 г.
Многочисленные запуски ракет как в СССР, так и за рубе­жом производились в самых различных пунктах северного и южного полушарий. В результате впервые были получены ценные сведения о высоких слоях атмосферы над Арктикой и Антарктикой, Европой и Азией, Америкой и Австралией, над океанами. Особенно интересны данные, полученные в Арктике, Антарктике и экваториальной зоне.
Большинство метеорологических ракет запускают на вы­соты 60-100 км. Геофизические ракеты достигают значительно больших высот. Так, например, созданная в СССР ракета с аппаратурой общим весом 2200 кг в мае 1957 г. поднялась на высоту 212 км, а 21 февраля 1958 г. другая советская ракета с научной аппаратурой общим весом 1520 кг достигла высоты 473 км. Находящиеся в ракете приборы обычно возвращаются на Землю.
Регистрация различных метеорологических элементов и явлений происходит как при стремительном подъеме ракеты, так и во время плавного спуска на парашюте отделяющегося от нее контейнера с аппаратурой. Результаты наблюдений передаются на Землю с помощью радиотелеметрической аппа­ратуры. Научные приборы регистрируют температуру, давление и химический состав атмосферы на разных высотах; с их по­мощью производится изучение физических свойств ионосферы, космических лучей, коротковол­новой ультрафиолетовой части солнечного спектра.
С запуском в высокие слои атмосферы первого искусствен­ного спутника Земли наряду с изучением этих слоев началось исследование граничащего с ни­ми космического пространства. Искусственные спутники Зем­ли для изучения атмосферы имеют значительные преимуще­ства по сравнению с метеороло­гическими ракетами. Последние, будучи очень дорогими и слож­ными, позволяют получать све­дения лишь в немногих пунктах их запуска и в короткие про­межутки времени. Между тем для систематического исследова­ния атмосферных процессов необходима широкая сеть стан­ций, одновременно выпускаю­щих ракеты, — подобие суще­ствующей сети аэрологических станций, — что пока трудно осу­ществимо.
Искусственные спутники, не­смотря на трудности запуска их на орбиту, обладают рядом преи­муществ. Представляя собой научную лабораторию, спутник в течение своего многодневного полета регистрирует и передает по радио сведения о составе атмосферы, космическом излу­чении, напряженности магнитного поля Земли, корпускулярном излучении Солнца и т. п. на всем земном шаре на высоте своей орбиты.
Специальные метеорологические спутники Земли произво­дят фотографирование облаков с высоты 300 км и более и тем самым регистрируют характер погоды одновременно над обширными районами Земли. По данным, получаемым с по­мощью искусственных спутников Земли, производится расчет составляющих теплового баланса атмосферы, позволяющий опре­делить распределение температуры и ветра у поверхности земли и на высотах.
Очевидно, что на различные высоты одновременно может быть запущена серия метеорологических искусственных спут­ников, что позволит многократно и на протяжении длительного промежутка времени получать данные об особенностях про­цессов в высоких слоях атмосферы. Правда, для длительного существования искусственного спутника необходимо, чтобы орбита его располагалась выше плотных слоев атмосферы, т. е. выше 200 км.
Искусственные спутники Земли, запускаемые на орбиты ниже 1000 км над земной поверхностью, проходят сквозь верх­ние слои атмосферы. Соприкасаясь с атмосферой и испытывая сопротивление, спутники постепенно теряют свою скорость и переходят на более низкие орбиты. Искусственные спутники Земли, запущенные на орбиты выше 1000 км над земной по­верхностью, могут существовать длительное время.
Первый искусственный спутник Земли был запущен в Со­ветском Союзе 4 октября 1957 г. на высоту – около 900 км, вто­рой — 3 ноября 1957 г. на высоту 1700 км, третий — 15 мая 1958 г. на высоту 1880 км.
Большие перспективы в изучении космического простран­ства открылись в связи с запуском космических кораблей. Первый советский космический корабль-спутник был выведен на орбиту 15 мая 1960 г. Запуск второго космического корабля-спутника был осуществлен 19 августа 1960 г., третьего корабля-спутника- 1 декабря 1960 г.
Для изучения космического пространства производятся запуски космических ракет. Первая космическая ракета весом 1472 кг была запущена в Советском Союзе 2 января 1959 г., вторая — 12 сентября (ее вес 1511 кг), третья — 4 октября того же года (вес 1553 кг).
1961 год ознаменовался новыми успехами в проникновении в глубины атмосферы и космического пространства. 12 фев­раля в Советском Союзе был осуществлен запуск ракеты к планете Венера, а 12 апреля 1961 г. первый космонавт мира Юрий Алексеевич Гагарин совершил полет вокруг Земли на ко­рабле-спутнике «Восток-1». Полет, продолжавшийся 108 мин., вызвал восхищение во всем мире.
12 апреля 1961 г. войдет в историю как первый день эпохи проникновения человека в космос. Исторический подвиг Юрия Гагарина продемонстрировал силу творческого гения совет­ского народа.
Как известно, уже второй космический корабль-спутник весом до 4,6 т благополучно возвратился на Землю. Имелись все условия для полета человека. Но была необходима полная уверенность в безопасности полета и возвращении космонавта на Землю. Лишь после ряда запусков советские ученые послали первого человека в космический полет. Позднее в США были осуществлены полеты человека в ракетах и в спутнике.
Осуществление полетов космических кораблей сопряжено с рядом трудностей. Еще в XVII в. великий Ньютон определил две величины скорости, необходимые для определения силы земного притяжения. Одна из них — первая космическая ско­рость — у поверхности земли равна 8 км/сек. Эта скорость обе­спечивает полет запущенного объекта вокруг Земли в качестве искусственного спутника. Другая величина, называемая второй космической скоростью, равна 11 км/сек. Имея вторую косми­ческую скорость, запущенный объект преодолевает силу зем­ного притяжения и уходит в межпланетное пространство. Такие скорости достигаются с помощью многоступенчатых ракет.
Для благополучного космического полета человека меж­планетные корабли должны быть управляемыми, так как при этом условии можно обеспечить возвращение на Землю. Но это еще не все. Необходимо создать такие условия, чтобы орга­низм человека мог выдержать полет. Человеческий организм легко переносит любые скорости. Мы не чувствуем скорости движения поезда, полета самолета, движения Земли вокруг Солнца (последняя скорость равна примерно 30 км/сек) и т. п. Но организм человека очень чувствителен к изменениям ско­рости, т. е. к ускорению. Одни легко переносят катание на «аме­риканских» горах, а у других самочувствие ухудшается даже при подъеме и спуске в лифте.
Ускорение корабля-спутника огромно. Это приводит к воз­растанию веса космонавта в момент взлета в несколько раз. Поэтому, помимо специальной тренировки организма для по­лета в космос, разработан такой режим подъема, который обеспечивает безопасность космонавта.
А какое влияние на человека оказывает невесомость?
При вертикальном запуске до высоты 100 км человек испы­тывает невесомость в течение примерно 3 мин., при запуске до 200 км — 5-6 мин., а до 500 км — около 10 мин. При орбитальном полете искусственных спутников Земли, как и кос­мических кораблей, невесомость продолжается непрерывно.
Полеты подопытных животных показали, что невесомость не должна заметно влиять на организм. После полета Юрия Гагарина вопрос о действии невесомости на тело человека был выяснен окончательно.
Не прошло и четырех месяцев после первого полета чело­века в космос, как советская наука добилась нового блестя­щего успеха в осуществлении космических полетов.
6 августа 1961 г. в 9 час. советский космический корабль-спутник «Восток-2», пилотируемый Германом Степановичем Титовым, за 25 час. сделал 17 оборотов вокруг Земли и, про­летев свыше 700 000 км, 7 августа в 10 час. 18 мин. призем­лился в заданном районе, вблизи места посадки корабля-спутника «Восток-1» с пилотом-космонавтом Юрием Гагариным.
Полет космического корабля-спутника «Восток-2» происхо­дил по орбите с минимальным удалением корабля от поверх­ности Земли (в перигее) 183 км и максимальным удалением (в апогее) 244 км. Полет доказал возможность длительного пребывания человека в космическом пространстве.
11 августа 1962 г. в СССР на орбиту спутника Земли был выведен космический корабль «Восток-3», пилотировавшийся летчиком-космонавтом Андрияном Григорьевичем Николаевым. На следующий день, 12 августа, на орбиту был выведен ко­рабль «Восток-4» с летчиком-космонавтом Павлом Романовичем Поповичем.
Период обращения обоих кораблей вокруг Земли составлял 88,5 мин. Максимальное удаление кораблей от поверхности Земли (в апогее) достигало 251 и 254 км соответственно, а ми­нимальное (в перигее) — 183 и 180 км.
Первый в мире групповой полет космических кораблей про­исходил в ионосфере (термосфере), о которой наши знания пока весьма ограничены.
Советские корабли-спутники приземлились 15 августа около 10 часов. Программа полетов была выполнена полностью.
Корабль «Восток-3», облетев вокруг Земли более 64 раз, за 95 часов прошел расстояние свыше 2,6 млн. км, а корабль «Во­сток-4» за 71 час облетел Землю более 48 раз, пройдя расстоя­ние около 2 млн. км.
Замечательные полеты советских космонавтов Юрия Гага­рина, Германа Титова, Андрияна Николаева, Павла Поповича, американского космонавта Джона Гленна и др. показали, что в недалеком будущем человек сможет проникнуть в межпланет­ное пространство и осуществить мечты о полете на Луну и пла­неты солнечной системы.

Презентация на тему: Атмосфера Земли: ее состав и строение

1 из 12

№ слайда 1

Описание слайда:

№ слайда 2

Описание слайда:

Атмосфера (от греч. atmos — пар и spharia — шар) -воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, протекающими на нашей планете, а также с деятельностью живых организмов. Атмосфера (от греч. atmos — пар и spharia — шар) -воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, протекающими на нашей планете, а также с деятельностью живых организмов. Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли, так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде. Верхняя граница на высоте 2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство. Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.

№ слайда 3

Описание слайда:

№ слайда 4

Описание слайда:

№ слайда 5

Описание слайда:

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км. Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км. Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Поэтому температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С. В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы, находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха. Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

№ слайда 6

Описание слайда:

Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются. Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются. В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч. В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С. Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

№ слайда 7

Описание слайда:

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С. Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С. На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.

№ слайда 8

Описание слайда:

В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.

№ слайда 11

Описание слайда:

Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО2 примерно на 10-12 %. Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО2 примерно на 10-12 %.

Космонавты, видевшие нашу планету из космоса, говорят, что она окружена тонкой голубой дымкой. Так выглядит атмосфера, рождение которой до сих пор до конца неясно.

Состав атмосферы

Атмосфера (от греческих слов atmos — воздух, sphaira — шар) — газовая оболочка, окружающая Землю и простирающаяся до 1000 километров вверх от земной поверхности. Она удерживается силой притяжения Земли.

Воздух атмосферы — это смесь газов, мельчайших капель воды и кристаллов льда. В нём присутствуют также частицы пыли, сажи и органических веществ. Основные газы атмосферы — азот, кислород и аргон. Они составляют 99,9% массы атмосферного воздуха. Их соотношение у земной поверхности одинаково в разных районах Земли. Это объясняется сильным перемешиванием воздуха.

В атмосфере выделяют несколько слоев. Они различаются многими свойствами, и прежде всего особенностями изменения температуры. Нижние слои атмосферы — тропосфера и стратосфера содержат почти весь воздух Земли. Тропосфера — непосредственно прилегающий к земной поверхности . Её верхняя граница над экватором проходит на высоте 18 километров, а над полюсами — на высоте 8-9 километров. В тропосфере находится более 4/5 всего атмосферного воздуха, содержится почти весь водяной пар. Здесь происходят горизонтальные и вертикальные движения воздуха, формируются облака, приносящие дождь, снег. Температура в тропосфере постепенно понижается снизу вверх и на границе со стратосферой составляет в среднем -55 °С. В тропосфере протекает жизнь человека, растений и животных.

Стратосфера простирается до высоты 50-55 километров. Воздух в ней настолько разрежен, что им нельзя дышать. Видимость в этом слое всегда хорошая, здесь почти нет облаков, не бывает ни гроз, ни дождя, ни снега. Поэтому в нижних слоях стратосферы пролегают пути современных самолётов. В нижней части стратосферы температура более или менее постоянна, но с высоты 25 километров начинает повышаться и на верхней границе слоя близка к 0 °С.

Выше стратосферы лежат верхние слоя атмосферы. Температура здесь понижаете и на высоте 80 километров достигает минимума -80 °С. Воздух на этой высоте настолько разрежен, что не поглощает солнечное тепло и не рассеивает свет.

Выше температура в атмосфере быстро растёт и на высоте 500-600 километр составляет +1500 °С. Поэтому по температурному признаку в верхней атмосфере выделяют слой, называемый термосферой. Высоты атмосферы от 100 до 1000 километров называют ионосферой. Здесь под воздействием ультрафиолетовых лучей, идущих от Солнца, частицы газов сильно электризуются. Свечение этих частиц вызывает полярное сияние.

Земля — единственная из планет , которая имеет газовую оболочку, содержащую необходимый для дыхания кислород. Для большинства живых организмов атмосфера — среда жизни. Можно сказать, что растения, животные и люди обитают не только на твёрдой поверхности Земли, но и на дне «воздушного океана». Атмосфера защищает планету от вредных космических излучений и мелких метеоритов, которые сгорают в ней, не достигая поверхности Земли. Значительная часть солнечной энергии расходуется на нагрев приземного слоя воздуха. Атмосфера удерживает тепло у земной поверхности, подобно покрывалу предохраняет её от излишнего перегрева и переохлаждения. Испарившаяся с поверхности вода образует в тропосфере облака, которые также защищают Землю от перегрева. Они отражают часть солнечных лучей и приносят

Об истории исследования верхних слоев атмосферы Земли

Мы живем на дне воздушного океана, который простирается вверх на тысячи километров. И все наблюдаемые нами погодные явления происходят в его самом нижнем, тончайшем слое – тропосфере. Ее мощность по высоте в умеренных широтах составляет 10 – 12 км, в полярных широтах 8 – 10 км и 16 – 18 км в тропиках. По сравнению с протяженностью всей толщи атмосферы это ничтожно мало. Но в тропосфере, как уже было отмечено выше, сосредоточена вся наша погода со всем многообразием явлений и циркуляций. Также в ней сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха.

Тем не менее, вышележащие слои земной атмосферы не менее важны для всего живого на нашей планете. Слой озона, находящийся в следующем за тропосферой слое – стратосфере, – является надежной преградой на пути к поверхности Земли гибельной для всего живого ультрафиолетовой радиации. Помимо этого установлено, что межгодовые вариации общего содержания озона (ОСО) в глобальном масштабе являются индикаторами изменений климата. А по изменениям ОСО в отдельных географических точках можно судить о предстоящих аномалиях приземной температуры в удаленных от этой точки географических районах в долгосрочной (до 40 дней) перспективе, что, несомненно, со временем может быть использовано для более точных долгосрочных прогнозов погоды.

Для изучения верхних слоев атмосферы длительное время применялись различные косвенные методы, к которым относятся прежде всего наблюдения за распространением звуковых волн, сумеречным небом, метеорными следами, перемещением и и др.

В 1930 году впервые для исследования атмосферы выпущен радиозонд, изобретенный советским метеорологом П.А. Молчановым, а в 1933 году Г.А. Прокофьев, К.Д. Годунов и Е.К. Бирнбаум поднялись на стратостате «СССР-1» на высоту 19 км.

Но записи научных наблюдений сохранились.

В 40–50-х годах прошлого столетия благодаря техническому прогрессу и оснащению метеорологии радиотехническими средствами стало возможным непосредственное измерение многих параметров атмосферы на высотах вначале до 20 – 30 км, а затем и до 60 – 100 км. Запуски метеорологических ракет и искусственных спутников Земли значительно расширили эти возможности.

Высокие радиозондовые подъемы позволили сделать важное открытие в стратосфере. Были обнаружены значительные сезонные (муссонные) изменения градиента температуры экватор – полюс и связанные с ними изменения режима давления и ветра.

Важным этапом стал Международный геофизический год, который длился с 1 июля 1957 года по 31 декабря 1958 года. Ученые из 64 стран вели исследования Земли по единой программе. За это время в СССР было запущено 112 метеорологических и 13 геофизических ракет. Полученные международными командами ученых данные позволили детально изучить строение атмосферы и особенности ее циркуляции до высоты 20 – 30 км.

Высотные наблюдения в верхней экваториальной стратосфере обнаружили многоцикличность воздушных течений – квазидвухлетнюю в нижней стратосфере и шестимесячную в верхней. При этом оба цикла находятся в определенной взаимосвязи.

21 февраля 1958г. в СССР был произведен запуск метеорологической ракеты весом 1520 кг, которая достигла рекордной высоты для одноступенчатых ракет этого класса – 473 км, а в конце лета того же года ракета поднялась на высоту 450 км, имея вес 1690 кг.

Использование в исследованиях атмосферы метеорологических и геофизических ракет позволило ученым получать надежные данные до высоты около 80 – 100 км.

Существенно новые данные о явлениях в околоземном пространстве были получены с помощью автоматических межпланетных станций «Луна-1», «Луна-2» и «Луна-3», запущенных соответственно 2 января, 12 сентября и 4 октября 1959 года. Так была обнаружена водородная геокорона, простирающаяся на 20 тысяч километров от Земли.

Добытая научная информация показала, что в атмосфере существует несколько слоев, которые отличаются друг от друга прежде всего и наиболее отчетливо характером вертикального распределения температуры. И если в начале XX века было принято разделять атмосферу только на две части: тропосферу (нижний слой) и стратосферу, под которой вначале понимались все слои атмосферы, расположенные выше тропосферы, то в настоящее время по рекомендации Всемирной метеорологической организации (ВМО) атмосферу принято делить на тропосферу, стратосферу , мезосферу, термосферу и экзосферу.

Об открытии озонового слоя

Ученые давно установили, что солнечный спектр постоянно обрывается в ультрафиолетовой части на одной и той же длине волны. Атмосфера оказалась непрозрачной для еще более коротких волн. Причина этого долго оставалась непонятной, так как внизу в составе атмосферы не был известен газ, который не пропускал бы ультрафиолетовых лучей. Наконец, в 1840 году в одной из физических лабораторий такой газ был найден. Разлагая воду на ее составные части – кислород и водород, удалось получить новый газ, обладающий чрезвычайно сильным характерным запахом. Его так и назвали «сильно пахнущим», по-гречески «озон».

Исследования показали, что с поднятием над земной поверхностью содержание озона сначала изменяется незакономерно, и только с высоты 10 км намечается его увеличение, особенно отчетливо выраженное выше 12 – 15 км. На высоте 20 – 25 км наблюдается максимум содержания озона, а выше количество озона постепенно убывает и становится ничтожным к высоте 55 – 60 км.

Как получали данные о содержании озона на высотах? Во-первых, путем анализа проб воздуха, взятых на высотах. Во-вторых, оптическим методом по измерениям интенсивности полос поглощения озона. Сначала на стратостатах, а позднее при помощи ракет в вышележащие слои атмосферы поднимали спектрограф, регистрирующий солнечный спектр. По интенсивности поглощения в ультрафиолетовой области спектра можно определить изменение количества озона с высотой.

Литература:
П.Н. Тверской. Курс метеорологии. Гидрометеоиздат, 1962.
Атмосфера Земли. Сборник. Москва, 1953.
А.Л. Кац. Циркуляция в стратосфере и мезосфере. Гидрометеоиздат, 1968.
Использованы также материалы журналов «Метеорология и гидрология» и «Наука и жизнь».

> > Атмосфера Земли

Для самых маленьких уже известно, что Земля выступает единственной планетой в нашей системе, которая обладает жизнеспособной атмосферой. Газовое покрывало не только богато на воздух, но и защищает нас от чрезмерного нагрева и солнечного излучения. Важно объяснить детям , что система устроена невероятно удачно, ведь позволяет поверхности прогреваться днем и остывать ночью, сохраняя допустимый баланс.

Начать объяснение для детей можно с того, что шар земной атмосферы распространяется на 480 км, но большая часть находится в 16 км от поверхности. Чем больше высота, тем ниже давление. Если брать уровень моря, то там давление равняется 1 кг на квадратный сантиметр. А вот на высоте в 3 км, оно изменится – 0.7 кг на квадратный сантиметр. Конечно, в таких условиях дышать сложнее (дети могли это прочувствовать, если когда-нибудь отправлялись в поход в горы).

Состав воздуха

Среди газов различают:

• Азот – 78%.
• Кислород – 21%.
• Аргон – 0.93%.
• Двуокись углерода – 0.038%.
• В небольших количествах есть также водяной пар и прочие примеси газов.

Атмосферные слои

Родители или учителя в школе должны напомнить, что земная атмосфера делится на 5 уровней: экзосфера, термосфера, мезосфера, стратосфера и тропосфера. С каждым слоем атмосфера растворяется все больше, пока газы окончательно не рассеются в пространстве.

Тропосфера – находится ближе всего к поверхности. С толщиною в 7-20 км она составляет половину земной атмосферы. Чем ближе к Земле, тем сильнее прогревается воздух. Здесь собран почти весь водяной пар и пыль. Дети могут не удивляться, что именно на этом уровне плавают облака.

Стратосфера начинается от тропосферы и поднимается на 50 км над поверхностью. Здесь много озона, нагревающего атмосферу и спасающего от вредного солнечного излучения. Воздух в 1000 раз тоньше, чем над уровнем моря и необычайно сухой. Именно поэтому здесь прекрасно себя чувствуют самолеты.

Мезосфера: от 50 км до 85 км над поверхностью. Вершина называется мезопаузой и выступает наиболее прохладным местом в земной атмосфере (-90°C). Ее очень сложно исследовать, потому что туда не могут подобраться реактивные самолеты, а орбитальная высота спутников чересчур высока. Ученые лишь знают, что именно здесь сгорают .

Термосфера: 90 км и между 500-1000 км. Температура достигает 1500°C. Ее считают частью земной атмосферы, но важно объяснить детям , что плотность воздуха здесь настолько низкая, что большая часть воспринимается уже как космическое пространство. Фактически именно здесь размещаются космические шаттлы и Международная космическая станция. Кроме того, здесь образуются полярные сияния. Заряженные космические частицы соприкасаются с атомами и молекулами термосферы, переводя их на более высокий энергетический уровень. Благодаря этому мы и видим эти фотоны света в виде полярного сияния.

Экзосфера – наивысший слой. Невероятно тонкая линия слияния атмосферы с космосом. Состоит из широко рассеянных водородных и гелиевых частичек.

Климат и погода

Для самых маленьких нужно объяснить , что Земле удается удерживать множество живых видов благодаря региональному климату, который представлен экстремальным холодом на полюсах и тропическим теплом на экваторе. Дети должны знать, что региональный климат – это погода, которая в конкретном участке остается неизменной 30 лет. Конечно, иногда она может меняться на несколько часов, но по больше части остается стабильной.

Кроме того, выделяют и глобальный земной климат – средний показатель регионального. Он изменялся в течении всей человеческой истории. Сегодня наблюдается стремительное потепление. Ученые бьют тревогу, так как парниковые газы, вызванные человеческой деятельностью, удерживают тепло в атмосфере, рискуя превратить нашу планету в Венеру.

Состав и строение атмосферы

Урок географии в 6 классе
Тема: Атмосфера — воздушная оболочка Земли.

Состав и строение атмосферы. Тепло в атмосфере. Температура воздуха

Цели:	сформировать представление о атмосфере, выяснить её строение; раскрыть значение атмосферы для жизни на планете.
	развивать умения обучающихся работать с учебником, схемами, рисунками.
	воспитывать познавательный интерес к предмету, способствовать воспитанию чувства товарищества, умение оценивать свои знания, умения применять полученные знания в жизни.

Ход урока

Оргмомент.

Мотивация познавательной деятельности.

Активизация учащихся

Здравствуйте, ребята! Начинаем наш урок. Пусть он всем пойдет вам впрок, Будем слушать, отвечать, Работать с текстом и играть. Ребята, я вам желаю сегодня на уроке удачи, успеха, победы в труде. А что пожелаете вы друг другу (ответ каждой группы)

И начнем мы наш урок с загадки.

Есть ли, дети, одеяло ,Чтоб всю Землю укрывало? Чтоб его на всех хватало, Да притом не видно было? Ни сложить, ни развернуть, Ни пощупать, ни взглянуть? Пропускало б дождь и свет, Есть, а вроде бы и нет?!

О чем идет речь? Как в географии называют воздушную оболочку Земли? (атмосфера). Атмосфера – газовая оболочка земли.(атмо- пар, сфера – шар) Сегодня мы поговорим об атмосфере. Что вы знаете о воздушной оболочке земли? Давайте с вами сформулируем цель нашего урока. Запишем название темы в тетради. (Атмосфера и её строение)

План урока:

Располагаем задания так, чтобы выполнялись сначала простые задания, они помещены в нижней части доски, по мере их выполнения убираем с доски освобождается место для более трудных заданий, которые помещались выше.

4. Значение атмосферы.

3. Происхождение атмосферы.

2. Состав и строение атмосферы.

1. Атмосфера – воздушная оболочка. 

Вот эти пункты плана и будут нашими с вами основными опорными пунктами работы на уроке. И те знания, которые вы получите на уроке сегодня, будут необходимы не только в дальнейшем при изучении географии, но и в повседневной жизни, так как вопрос о погоде нас волнует каждый день. А погода формируется как раз в атмосфере.

Изучение нового материала.

1. Состав атмосферы.

А что же такое атмосфера? (слушаем разные версии, выбираем лучшую и записываем в тетрадь) Есть такое высказывание «Необходим как воздух», почему же воздух так необходим, из чего же он состоит, что в нем есть такого, почему нам тяжело дышать?

Воздух, как известно, это смесь газов. Из каких газов он состоит? Давайте вспомним из курса уроков природоведения.

 Слой снегов, дождей и ветров –
Атмосферы слой живой,
Восемнадцать километров
Этот самый нижний слой.
Есть здесь всё, но в большей мере –
Кислород, азот,
В малых долях – йод и гелий,
Водород, неон, радон.

Работа со схемой учебника. Атмосфера имеет сложный состав. Она состоит из смеси газов. Состав и функции газов в схеме «Атмосфера — смесь газов».

Составление кластера. Состав атмосферы учащиеся могут изобразить в виде круговой диаграммы. Какой главный вывод делают авторы учебника о составе атмосферы и примесях, состоящих в воздухе? Прочитав текст «Какие примеси присутствуют в воздухе», дополните схему «Атмосфера — смесь газов».

В атмосфере больше всего, какого газа? (78% азота)

Каково значение азота? (азот входит в состав белков, его соединения обеспечивают минеральное питание растений)

Сколько процентов приходится на кислород? (21%)

Каково значение кислорода? (без кислорода невозможно дыхание, горение, окислительные процессы)

1% приходится на другие газы.

Невелико содержание углекислого газа, всего 0,1%,?

Каково значение углекислого газа? (он важен для жизни на Земле: его используют зелёные растения для фотосинтеза, он и «утеплитель» Земли, он пропускает солнечную энергию, но задерживает тепловое излучение )

2. Строение атмосферы.

Строение атмосферы учитель зачитывает текст ученики называют слой атмосферы и заполняют таблицу.

Как вы думаете, а толстая ли шапка у атмосферы?

Атмосфера состоит из нескольких слоев. Какие это слои вы сейчас узнаете. Для этого вы поработаете в группах. Для каждой группы будет свое задание. 

1группа. Тропосфера.

Прочитайте    часть текста о тропосфере и заполните таблицу:

Мощность слоя

температура

Что происходит в этом слое

2группа. Стратосфера

 Прочитайте    часть текста о стратосфере и заполните таблицу:

Мощность слоя

температура

Что происходит в этом слое

3группа. Верхние слои атмосферы.

Прочитайте    часть текста о верхних слоях атмосферы и заполните таблицу:

Мощность слоя

температура

Что происходит в этом слое

4.  Изменение температуры воздуха с высотой.

Сейчас будем учиться решать задачи на определение температуры воздуха.

Как в тропосфере изменяется температура с высотой?

Вертикальный градиент температуры – это понижение температуры на 0,6 градусов на каждые 100 м.

Будет ли лежать снег на вершине г. Памира, высота 7495 м, если температура воздуха в июле у подножия составляет +36 градусов?

Высоту 7495м округлим до 7500 м.

1) Узнаем, сколько раз по 1000 м содержится в 7500 м.

7500: 1000 = 7,5 раз

2) На сколько градусов понижается температура с высотой?

-6 .7,5 раз = — 45 градусов

3) Узнаем какая температура на вершине Памира?

— 45+36= -9 градусов

Снег на вершине Памира будет, так как даже при температуре +36 градусов на вершине -9 градусов. 

3. Происхождение атмосферы.  

Ребята, давайте посмотрим на план характеристики, что у нас еще осталось не изученным? 

А происхождение атмосферы мы начнем с краткой исторической справки. О том, когда она появилась  и кто первым ввел это понятие(Термин атмосфера ввел М. Ломоносов.) в науку, расскажет как появилась атмосфера нам …(опережающее домашнее задание).

Из этого рассказа нам есть что записать в тетрадь.

Физминутка .

Осторожно ветер,

За калитку вышел (руки вверх, махи руками)

Постучал в окошко ( по парте)

Пробежал по крыше (перебрать пальчиками по карте)

Покачал тихонько ветками черемух.

Пожурил за что-то воробьев знакомых.

Значение атмосферы

Можно ли обойтись без атмосферы? 

Опыт 1. Давайте проведем эксперимент: закройте глаза и зажмите пальцами нос. А я буду считать. Долго смогли? Нет! Какой вывод можно сделать

— Кислород необходим всем живым организмам для дыхания.

Опыт 2. Наденьте шапку и скажите, для чего она нужна? Для защиты- Атмосфера предохраняет Землю от метеоритов, большая часть которых сгорает и не долетает до поверхности Земли.

Для нагревания, терморегуляция.

— Благодаря газообразной оболочке, поверхность Земли не нагревается днем и не остывает ночью так сильно, как например, поверхность Меркурия или Луны .

Опыт 3. Наденьте солнцезащитные очки, для чего вы это делаете?

— Озоновый экран защищает человечество от избыточного ультрафиолетового излучения, большая доза которого губительна для организма.

 И так, что у вас получилось?

 

 Атмосфера — безбрежный воздушный океан, это самая верхняя, самая легкая, наиболее подвижная и непостоянная оболочка нашей планеты. Роль ее в жизни Земли и человека огромна. Вы уже знаете, что воздух нужен людям, животным и растениям для дыхания. Атмосфера — это невидимая «броня» планеты. Она предохраняет планету от «бомбардировки» метеоритов, она обладает чудесным свойством избирательно пропускать через себя солнечную радиацию (солнечное излучение) и задерживать большую часть вредных космических излучений, губительных для всего живого. Эту роль выполняет озоновый слой. Озон концентрируется на высоте 20—25 км.

Атмосфера — это мир звуков, мягких переходов от света к тени. Без нее Земля превратилась бы в безжизненную пустыню, подобную поверхности Луны. Без атмосферы не было бы ни мира звуков, ни озер, ни рек, а голубое небо, которым мы наслаждаемся, стало бы мрачным, черным.

Атмосфера — «одежда» Земли. Отдаваемое земной поверхностью тепло беспрепятственно уходило бы в космос, если бы в атмосфере не было примесей: водяного пара, углекислого газа и других. Эти примеси задерживают уходящее от Земли тепло, в результате чего происходит нагрев поверхности и нижних слоев воздуха, возникает явление парникового эффекта. Благодаря ему средняя температура воздуха у поверхности Земли поднялась на 38 °С и составляет в настоящее время +15°С. Такие температуры благоприятны для жизни.

— благодаря газообразной оболочке поверхность Земли не нагревается днем и не остывает ночью так сильно, как, например, поверхность Луны, лишенная атмосферы;

Приложение 3
— атмосфера предохраняет Землю от метеоритов, большая часть которых сгорает и не долетает до поверхности планеты; 
— озоновый экран (озоносфера) защищает человечество от избыточных ультрафиолетовых излучений, большая доза которых губительна для организма; 
— кислород, содержащийся в атмосфере, необходим всем живым организмам для дыхания. Атмосфера – газовая оболочка Земли, именно благодаря атмосфере стало возможным зарождение и дальнейшее развитие жизни на нашей планете. Значение атмосферы для Земли колоссально – исчезнет атмосфера, исчезнет планета

Атмосферный воздух является источником дыхания человека, животных и растительности, сырьём для действий горения и синтеза химических веществ; это материал, который применяется для остывания различных промышленных и транспортных установок, а также среда, в которую выбрасываются отходы жизнедеятельности человека, высших и низших животных и растений.

 — за счет газообразной оболочки поверхность планеты не нагревается днем и не остывает резко ночью;

 — регуляция теплового режима Земли, атмосфера защищает Землю от метеоритов, немалая пункт которых сгорает, не долетая до поверхности планеты;

 — озоновый экран (озоносфера) защищает человечество от избыточных ультрафиолетовых излучений, огромная доза которых губительна для организма;

— кислород, содержащийся в атмосфере, необходим всем живым организмам для дыхания.

 — среда для распространения звука.

Итоги урока.

Мне удалось :

Меня удивило :

Мне понравилось :

Мне не понравилось:….

Мне не удавалось:……….

Я хотел бы узнать о :

Домашнее задание:

 

Атмосфера Земли: ее состав и строение

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ Атмосфера Земли: ее состав и строение Атмосфера это внешняя газовая оболочка Земли, которая начинается у ее поверхности и простирается в космическое пространство приблизительно на 3000 км. История возникновения и развития атмосферы довольно сложная и продолжительная, она насчитывает близко 3 млрд лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но на протяжении последних 50 млн лет, как считают ученые, они стабилизировались. Масса современной атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть массы Земли. С высотой резко уменьшаются плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно, в том числе из-за влияния на атмосферу солнечной активности и магнитных бурь. Изменение температуры в границах атмосферы на разных высотах поясняется неодинаковым поглощением солнечной энергии газами. Наиболее интенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши. Следует отметить, что атмосфера имеет очень большое экологическое значение. Она защищает все живые организмы Земли от губительного влияния космических излучений и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебание суточной температуры на Земле достигло бы ±200 °С. Атмосфера есть не только животворным «буфером» между космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии — главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников). Развитие гидросферы также в значительной мере зависел от атмосферы из-за того, что водный баланс и режим поверхностных и подземных бассейнов и акваторий формировались под влиянием режима осадков и испарений. Процессы гидросферы и атмосферы тесно связанные между собою. Одной из главнейших составных атмосферы есть водный пар, который имеет большую пространственно-временную изменяемость и сосредоточенный преимущественно в тропосфере. Важной изменчивой составной атмосферы есть также углекислый газ, изменчивость содержания которого связанна с жизнедеятельностью растений, его растворимостью в морской воде и деятельностью человека (промышленные и транспортные выбросы). В последнее время все более большую роль в атмосфере сыграют аэрозольные пылеватые частицы — продукты человеческой деятельности, которые можно обнаружить не только в тропосфере, но и на больших высотах (щоправда, в мизерных концентрациях). Физические процессы, которые происходят в тропосфере, оказывают большое влияние на климатические условия разных районов Земли. СЛОИ АТМОСФЕРЫ Атмосфера имеет слоистую структуру. От поверхности Земли вверх эти слои: Тропосфера Стратосфера Мезосфера Термосфера Экзосфера Границы между слоями не резкие и их высота зависит от широты и времени года. Слоистая структура — результат температурных изменений на разных высотах. Погода формируется в тропосфере ( нижние примерно 10 км: около 6 км над полюсами и более 16 км над экватором). И верхняя граница тропософеры выше летом, чем зимой. ТРОПОСФЕРА Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0.6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом Земли меняется изо дня в день. Кроме того, даже в среднем она различна под разными широтами и в разные сезоны года. В среднем годовом тропосфера простирается над полюсами до высоты около 9 км, над умеренными широтами до 10-12 км и над экватором до 15-17 км. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около -23° на северном полюсе. На верхней границе тропосферы над экватором средняя температура около -70°, над северным полюсом зимой около -65°, а летом около -45°. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности. В тропосфере сосредоточен весь водяной пар и именно поэтому все облака образуются в пределах тропосферы. Температура уменьшается с высотой. Солнечные лучи легко проходят через тропосферу, а тепло, которое излучает нагретая солнечными лучами Земля, накапливается в тропосфере: такие газы, как углекислый газ, метан а также пары воды удерживают тепло. Такой механизм прогревания атмосферы от Земли, нагретой солнечной радиацией, называется парниковый эффект ( greenhouse effect). Именно потому, что источником тепла для атмосферы является Земля, температура воздуха с высотой уменьшается >>> Граница между турбулентной тропосферой и спокойной стратосферой называется тропопауза. Здесь образуются быстро движущиеся ветры, называемые «реактивные потоки» ( jet streams) Когда-то предполагали, что температура атмосферы падает и выше тропософеры, однако измерения в высоких слоях атмосферы показали, что это не так : сразу выше тропопаузы температура почти постоянна, а затем начинает увеличиваться Сильные горизонтальные ветры дуют в стратосфере не образуя турбулентности. Воздух стратосферы очень сухой и поэтому облака редки. Образуются так называемые перламутровые облака ( nacreous or mother-of-perl). Стратосфера очень важна для жизни на Земле, так именно в этом слое находится небольшое количество озона, которое поглощает сильное ультафиолетовое излучение, вредное для жизни. Поглощая ульрафиолетовое излучение озон нагревает стратосферу. СТРАТОСФЕРА Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы. Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом. Нижняя стратосфера более или менее изотермична. Но, начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой, достигая на высоте около 50 км максимальных, притом положительных значений (от +10 до +30°). Вследствие возрастания температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала. Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше МЕЗОСФЕРА Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля . Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов. На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха На высоте около 50 км над Землей температура снова начинает падать, обозначая верхнюю границу стратосферы и начало следующего слоя — мезосферы. Мезосфера имеет самую холодную температуру в атмосфере: от -2 до — 138 градусов Цельсия. Здесь же находятся самые высокие облака : в ясную погоду их можно видеть при закате. Они называются noctilucent ( светящиеся ночью). ТЕРМОСФЕРА Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть — экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен. Мы уже указывали , что на высотах 300-750 км его средняя плотность порядка 10-8-10-10 г/м3. Но и при такой малой плотности каждый кубический сантиметр воздуха на высоте 300 км еще содержит около одного миллиарда (109) молекул или атомов, а на высоте 600 км — свыше 10 миллионов (107). Это на несколько порядков больше, чем содержание газов в межпланетном пространстве. Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха — содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км — порядка 1015-106 на кубический сантиметр. В ионосфере выделяется несколько слоев, или областей, с максимальной ионизацией, в особенности на высотах 100- 120 км (слой Е) и 200-400 км (слой F). Но и в промежутках между этими слоями степень ионизации атмосферы остается очень высокой. Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией носят название электронных облаков. От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха в общем в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы (на высотах 70- 80 км). Средние и короткие волны отражаются вышележащими ионосферными слоями. Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно распространяться на большие расстояния, огибая поверхность Земного шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн. Поэтому для надежной радиосвязи необходимо непрерывное изучение состояния ионосферы. Наблюдения над распространением радиоволн как раз являются средством для такого исследования. В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по~ природе свечение ночного неба — постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля — ионосферные магнитные бури. Ионизация в ионосфере обязана своим существованием действию ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и свободных электронов, о чем говорилось выше. Колебания магнитного поля в ионосфере и полярные сияния зависят от колебаний солнечной активности . С изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке корпускулярной радиации, идущей от Солнца в земную атмосферу. А именно корпускулярная радиация имеет основное значение для указанных ионосферных явлений. Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°. Говоря о высоких температурах ионосферы, имеют в виду то, что частицы атмосферных газов движутся там с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в ионосфере так мала, что тело, находящееся в ионосфере, например летящий спутник, не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им солнечной радиации и от отдачи его собственного излучения в окружающее пространство. Термосфера находится выше мезосферы на высоте от 90 до 500 км над поверхностью Земли. Молекулы газа здесь сильно рассеянны, поглощают рентгеновское излучение ( X rays) и коротковолновую часть ультрафиолетового излучения. Из-за этого температура может достигать 1000 градусов Цельсия. термосфера в основном соответствует ионосфере, где ионизированный газ отражает радиоволны обратно к Земле — это явление дает возможным устанавливать радиосвязь. ЭКЗОСФЕРА Выше 800-1000 км атмосфера переходит в экзосферу и постепенно в межпланетное пространство. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической скоростью будет 11,2 км/сек. Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, «ускользать», рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния. Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы. Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше. С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц — протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия — порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.

Атмосфера

Атмосфера (греч. atmos — пар и sphaira — шар) — воздушная оболочка Земли. Атмосфера не имеет резкой верхней границы. Около 99,5% всей ее массы сосредоточено в нижних 80 км.

Атмосфера возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. На ее формирование впоследствии оказало влияние появление океанов и биосферы.

Строение атмосферы

Выделяют несколько основных ее слоев, отличающихся характеристиками температуры, плотности и т.д. Нижний слой — тропосфера. Он нагревается от Земли, которая в свою очередь нагревается от Солнца. Наиболее прогретые слои тропосферы прилегают к Земле. С высотой нагрев уменьшается, и это понижает температуру воздуха от +14°С на уровне моря до —55°С на верхней границе тропосферы. Ученые подсчитали, что температура здесь понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м. Эту величину называют вертикальным градиентом температуры. Толщина тропосферы различна: над экватором она равна 17 км, а над полярными широтами — 8-9 км. Только в тропосфере происходят такие явления, как образование облаков, выпадение осадков, грозы и другие погодные явления. Выше тропосферы располагается стратосфера (до 50-55 км), которая отделена от нижнего слоя атмосферы переходным слоем — тропопаузой. В стратосфере воздух находится в разреженном состоянии, здесь не образуются облака, так как практически отсутствует водяной экран. Снижение температуры с высотой продолжается, но выше 25 км она начинает возрастать на 1-2°С на каждый километр. Это вызвано, по-видимому, тем, что слой озона поглощает и рассеивает солнечное излучение, мешая ему пройти к поверхности Земли. Над стратосферой тоже есть переходная зона — стратопауза, после которой идет следующий слой атмосферы — мезосфера (до 80-85 км). Воздух здесь еще более разрежен, а температура продолжает расти. Еще выше располагается слой, называемый термосферой. Сложные химические реакции в этих слоях атмосферы (выше 50 км) делают ее электропроводной. Поскольку при реакциях выделяются ионы, верхнюю часть атмосферы, куда входят мезосфера и термосфера, называют ионосферой. Именно в этих слоях и происходит полярное сияние. Выше 800 км располагается экзосфера («экзо» — внешний), здесь частицы газов очень редки, а температура достигает +2000°С.Газовый состав атмосферы был изучен уже давно. В 1774 году французский ученый Антуан Лавуазье изучил основные части воздуха и установил присутствие там кислорода и азота. Впоследствии обнаружилось, что кроме этих газов в воздухе находятся еще и другие газы. Таким образом, воздух — это смесь газов, состоящая у земной поверхности из следующих компонентов:

• Азот — 78%
• Кислород — 21%
• Инертные газы — 0,94%
• Углекислый газ — 0,03%
• Пары воды и примеси — 0,03%.

Значение атмосферы в природе и жизни человека

• благодаря газообразной оболочке поверхность Земли не нагревается днем и не остывает ночью так сильно, как, например, поверхность Луны, лишенная атмосферы;
• атмосфера предохраняет Землю от метеоритов, большая часть которых сгорает и не долетает до поверхности планеты;
• озоновый экран (озоносфера) защищает человечество от избыточных ультрафиолетовых излучений, большая доза которых губительна для организма;
• кислород, содержащийся в атмосфере, необходим всем живым организмам для дыхания.

Изучение атмосферы

Человечество интересовалось воздушным океаном уже давно, но только 300-400 лет назад были изобретены первые приборы для изучения атмосферы: термометр, барометр, флюгер. В настоящее время изучение газовой оболочки Земли осуществляется под руководством Всемирной метеорологической организации (ВМО), в которую, кроме России, входят еще много стран. Разработана программа сбора и обработки материалов с применением новейших технических средств. Для наблюдения за состоянием атмосферы создана сеть наземных метеорологических станций, оборудованных различными приборами.

Температуру измеряют с помощью термометров, в Европе принято измерять ее в градусах «по Цельсию». Эта система основана на физических свойствах воды: при нуле градусов она переходит в твердое состояние — замерзает, при 100° — в газообразное. Количество выпавших осадков измеряют осадкомером — емкостью, на стенки которой нанесена специальная разметка. Скорость перемещения воздушных потоков измеряется ветромером (анемометром). Рядом с ним обычно устанавливают флюгер, указывающий направление ветра. На аэродромах и возле мостов, где ветер может представлять опасность, устанавливаются ветроуказатели — большие конусообразные мешки из полосатой ткани, открытые с обеих сторон. Атмосферное давление измеряется барометром.

На метеорологических станциях не менее 4-х раз в день снимают показания. В труднодоступных районах действуют автоматические радиометеорологические станции. А в океанах такие станции устанавливают на плавучих платформах. Свободную атмосферу изучают с помощью радиозондов — приборов, которые прикрепляются к выпущенным в свободный полет каучуковым шарам, наполненным водородом. Они собирают данные о состоянии атмосферы на высотах до 30-40 км. Еще выше, до 120 км, поднимаются метеорологические ракеты. На определенной высоте часть ракеты с приборами отделяется и на парашюте спускается на земную поверхность. Для уточнения состава воздуха и исследования слоев, расположенных на большой высоте, применяются ракеты, зондирующие атмосферу до 500 км. Очень важные сведения о состоянии атмосферы, о погодных процессах, происходящих над Земной поверхностью, доставляют искусственные спутники Земли. Большой ценностью обладают наблюдения за атмосферными явлениями, которые ведутся космонавтами с орбитальных станций в космосе.

Состав атмосферы и её строение

Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосфера имеет «многоэтажное» строение и делится на такие слои, как тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Состав сухого остатка атмосферы по всей ее толще почти одинаков. Но отличается его плотность и температура, а в нижнем слое (тропосфере) повышено содержание воды, твердых частиц, над почвой – углекислого газа. Тропосфера включает около 80% всей массы атмосферы. Главными компонентами атмосферы являются азот ( более 78%) и кислород (более 20%), а также ряд других газов (до 1%) – аргон, неон, углекислый газ, метан, гелий, водород, криптон, ксенон, оксид азота, озон, двуокись серы. Некоторые газы находятся в атмосферном воздухе в следовых количествах. Состав газов Азот в атмосфере содержится в значительно большей концентрации (78%), чем другие газы. Около трех миллионов лет назад в результате появления зеленых растений и, соответственно, фотосинтеза, в атмосферу в больших количествах стал выделяться кислород. При окислении молекулярным кислородом аммиачно-водородной атмосферы появилось огромное количество азота. В настоящее время данный газ выделяется в атмосферу в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, так как этот химический элемент является составной частью белков растительного и животного происхождения. Атмосферный воздух обогащается азотом в ходе денитрификации нитратов и некоторых азотсодержащих соединений. В верхних слоях атмосферы азот подвергается окислению озоном до оксида азота. Свободный азот вступает в химические реакции только в особых условиях, к примеру, при разряде молнии. Азот участвует в природном круговороте веществ и в регуляции концентрации молекулярного кислорода в атмосфере, не допуская его чрезмерного накопления. Кислород после азота занимает второе место в процентном соотношении по объемному содержанию в атмосферном воздухе (20, 85%). Кардинальные изменения в составе атмосферы произошли после появления на Земле живых организмов, в частности, растений, которые в результате фотосинтеза обогащают воздух кислородом и поглощают углекислый газ. На начальных этапах развития атмосферы Земли выделенный кислород тратился на окисление аммиака, углеводородов, железа. Когда данный период завершился, содержание кислорода в воздухе постепенно возрастало. Атмосфера древней планеты стала приобретать характерные черты современной. Приобретение атмосферой окислительных свойств определило появление изменений в литосфере и биосфере. Кислород, содержащийся в атмосфере, необходим для протекания таких важных для живых организмов процессов, как дыхание, гниение, горение. Таким образом, без этого химического элемента жизнь невозможна. В настоящее время практически весь свободный кислород поступает в атмосферу вследствие фотосинтеза в клетках растений. Важная составляющая воздуха – углекислый газ, который содержится в атмосфере в небольших количествах (0,03%). Его концентрация зависит от деятельности вулканов, химических процессов в оболочках Земли (минеральные источники, почвы, продукты гниения). Также большое количество углекислого газа выделяется в атмосферу от промышленных предприятий. Но основная масса данного соединения попадает в атмосферу вследствие биосинтеза и разложения органического вещества в биосфере нашей планеты. Углекислый газ считается обогревателем Земли, так как он хорошо пропускает солнечную радиацию к поверхности планеты и удерживает тепло, излучаемое от нее. Содержание других газов в атмосфере незначительно. Инертные газы, такие как неон, аргон, ксенон, поступают в атмосферу в результате вулканических извержений и распада некоторых радиоактивных элементов. Ученые полагают, что в земной атмосфере содержится такое малое количество благородных газов вследствие их постоянного рассеивания в космическом пространстве. Пары и частицы  Кроме газов, в атмосферном воздухе содержатся водяные пары и твердые частицы в форме аэрозоля. Концентрация водяного пара в воздухе увеличивается из-за испарения воды с поверхности Земли. В разных областях его содержание отличается, также оно может изменяться в течение года. Осадки и облака формируются из водяного пара. Именно благодаря содержанию водяных паров, в атмосфере удерживается около 60% тепла от земной поверхности. Твердые частицы в атмосферном воздухе – это пыль космического и вулканического происхождения, солевые кристаллы, дым, микроорганизмы, пыльца растительных организмов, т.д. Взвеси твердых частиц уменьшают солнечную радиацию, поступающую к поверхности Земли, а также ускоряют сгущение водяного пара и формирование облаков. Похожие материалы:

Слоев атмосферы | NIWA

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

Различные слои атмосферы

Атмосферу можно разделить на слои в зависимости от ее температуры, как показано на рисунке ниже. Этими слоями являются тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера.Еще одна область, начинающаяся примерно в 500 км над поверхностью Земли, называется экзосферой.

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 понижается по мере увеличения расстояния над землей примерно на 6,5°С 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 (из которого образуются облака и дождь).Снижение температуры с высотой является результатом уменьшения давления. Если порция воздуха движется вверх, она расширяется (из-за более низкого давления). Когда воздух расширяется, он охлаждается. Таким образом, воздух наверху холоднее воздуха внизу.

Самая нижняя часть тропосферы называется пограничным слоем. Именно здесь движение воздуха определяется свойствами поверхности Земли. Турбулентность возникает, когда ветер дует над поверхностью Земли, а термики поднимаются от 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 самое низкое значение на полюсах, где оно составляет около 7–10 км над поверхностью Земли. Самая высокая (около 17 — 18 км) у экватора.

Стратосфера

Это простирается вверх от тропопаузы примерно до 50 км. Он содержит большую часть озона в атмосфере. Повышение температуры с высотой происходит из-за поглощения этим озоном ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. Температура в стратосфере самая высокая над летним полюсом и самая низкая над зимним полюсом.

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

Теперь, когда люди перестали производить большинство вредных фреонов, мы ожидаем, что озоновая дыра в конечном итоге восстановится в течение 21 ^ст века, но это медленный процесс.

Мезосфера

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

Термосфера и ионосфера

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

Область атмосферы выше примерно 80 км также является «ионосферой», так как энергичное солнечное излучение выбивает электроны из молекул и атомов, превращая их в «ионы» с положительным зарядом.Температура термосферы меняется в зависимости от дня и ночи и от времени года, как и количество присутствующих ионов и электронов. Ионосфера отражает и поглощает радиоволны, что позволяет нам принимать коротковолновые радиопередачи Новой Зеландии из других частей мира.

Экзосфера

Область выше примерно 500 км называется экзосферой. Он содержит в основном атомы кислорода и водорода, но их так мало, что они редко сталкиваются — они следуют по «баллистическим» траекториям под действием гравитации, а некоторые из них улетают прямо в космос.

Магнитосфера

Земля ведет себя как огромный магнит. Он захватывает электроны (отрицательный заряд) и протоны (положительный), концентрируя их в двух полосах примерно в 3000 и 16000 км над земным шаром — «радиационных» поясах Ван Аллена. Эта внешняя область, окружающая Землю, где заряженные частицы закручиваются вдоль силовых линий магнитного поля, называется магнитосферой.

Дополнительная информация

Посетите наш Национальный научный центр атмосферы

Прочтите о наших исследованиях УФ-излучения и озона 

Открытие окон и дверей — «один из лучших способов» удалить Covid-19 из воздуха в классе

Один из лучших способов снизить вероятность передачи Covid-19 в классах Аотеароа, Новая Зеландия, — просто открыть двери и окна, чтобы создать естественную вентиляцию, говорят эксперты NIWA по качеству воздуха.

Команда, в основном базирующаяся в Окленде, изучает качество воздуха внутри и снаружи помещений в Новой Зеландии уже около 15 лет, в том числе десять лет изучает качество воздуха в жилых домах и школах.

«Мы знаем, что некоторые жители Окленда обеспокоены тем, что некоторые ученики вернутся в школу на следующей неделе. Но они могут чувствовать себя более уверенно, зная, что открывание окон и дверей для замены воздуха в помещении свежим воздухом снаружи очень эффективно очищает воздух», — говорит специалист по качеству воздуха NIWA Ян Лонгли.

«В закрытом классе все дышат, заполняя пространство. Если кто-то заражен Covid-19, частицы вируса могут циркулировать в воздухе по всей комнате. Но накопление загрязненного воздуха уменьшается за счет вентиляции. Это просто означает удаление спертого воздуха из помещения и замену его чистым воздухом.

«Один из самых эффективных способов сделать это — просто открыть двери и окна, чтобы создать поток воздуха в классе. Это удалит воздух изнутри и заменит его свежим воздухом снаружи, который не должен содержать вирус Covid-19.

В классных комнатах, где все окна или двери находятся с одной стороны, включение вентилятора может помочь создать воздушный поток и наполнить помещение наружным воздухом.

Вентиляция, кондиционирование и фильтрация – в чем разница?

Вентиляция и фильтрация — разные вещи.

Вентиляция может осуществляться естественным образом через открытые двери и окна, как описано выше, или с помощью механических вентиляционных установок.

«Возможно, потребуется механическая вентиляция, если в классе нет открывающихся окон.Но для большинства новозеландских классов в теплое время года вентиляционные установки не более эффективны, чем естественная вентиляция», — говорит доктор Лонгли.

Кондиционеры, такие как тепловые насосы, отличаются от механической вентиляции. Обычно они рециркулируют воздух в помещении и изменяют его свойства, нагревая или охлаждая его или удаляя влагу. Они делают помещение более комфортным, но не улучшают его вентиляцию.

Под фильтрацией понимается очистка воздуха в помещении путем его пропускания через фильтр, удаляющий частицы (включая частицы вирусов) перед рециркуляцией очищенного воздуха.Некоторые кондиционеры оснащены фильтрами, а также существует множество типов автономных фильтровальных установок, в том числе портативных, которые можно подключить к стандартной розетке.

Фильтрация является опцией для классных комнат с недостаточной вентиляцией (например, там, где мало или мало открывающихся окон) или где свежий воздух не достигает всех частей классной комнаты.

Какая связь с двуокисью углерода (CO

₂ )?

В некоторых новых классах в Новой Зеландии установлены мониторы CO ₂ .Мониторинг CO в помещении ₂ дает хорошее представление о том, насколько свежий или душный воздух в помещении. CO ₂ образуется при дыхании людей, и когда уровень становится слишком высоким, люди могут начать чувствовать сонливость или туман.

«Мониторинг CO ₂ в помещении обсуждался в связи с передачей Covid-19 через воздух в классе, потому что он дает хорошее представление о том, сколько свежего наружного воздуха циркулирует в помещении.

«Уровни CO ₂ снаружи составляют около 410 частей на миллион (частей на миллион), в то время как текущий стандарт внутри помещений составляет 1500 частей на миллион.Но международные исследования показывают, что для снижения риска передачи Covid-19 вам действительно необходимо увеличить вентиляцию, чтобы CO ₂ оставался ниже примерно 800 частей на миллион», — говорит доктор Лонгли.

CO ₂ не восстанавливается фильтрацией. Даже при установленном воздушном фильтре вентиляция по-прежнему необходима для снижения уровня CO ₂ и предотвращения накопления душного воздуха.

«Поддержание уровня CO ₂ на низком уровне обеспечивает беспроигрышную ситуацию, поскольку снижает вероятность распространения Covid-19, а также повышает бдительность учащихся для улучшения обучения.»

«Хотя использование монитора CO ₂ может дать ценную информацию о качестве воздуха в помещении, люди также хорошо чувствуют, насколько свеж воздух в помещении, в которое мы заходим, и есть ли поток воздуха», — говорит он.

Структура атмосферы — видео и стенограмма урока

Тропосфера

Отправной точкой вашей миссии является тропосфера , самый низкий уровень атмосферы Земли .По большей части именно здесь происходит большинство аспектов атмосферы, которые ежедневно влияют на нас. Мы дышим воздухом тропосферы, состоящим в основном из азота с небольшим количеством кислорода и углекислого газа, и ощущаем погоду, которая бывает в ее верхних слоях. На самом деле тропосфера простирается на 14,5 км над уровнем моря, а это означает, что даже находясь в коммерческом авиалайнере, мы никогда не покидаем тропосферу.

На высоте всего 14,5 км вы далеко не настолько близко, чтобы обслуживать космическую станцию.Однако, учитывая, что ваша ракета движется со скоростью 8 километров в секунду, что немного медленно для ракеты, честно говоря, вы будете вне тропосферы менее чем за 2 секунды. При этом вы будете одним из немногих, кто покинет этот слой атмосферы.

Стратосфера

Продолжайте движение вверх, и вы окажетесь в стратосфере , втором слое атмосферы Земли . Здесь вы найдете немного облаков, но дело в том, что большая часть погоды происходит в тропосфере.Вместо этого вы найдете только два реальных маркера человеческой деятельности в стратосфере. Первым из них является состояние озонового слоя, воздушной оболочки, которая помогает удерживать ультрафиолетовый свет от нижних слоев атмосферы. Это особенно полезно, поскольку ультрафиолетовый свет может нанести серьезный ущерб большей части жизни на Земле.

Во-вторых, вы можете увидеть далекий реактивный след самолета. Коммерческие самолеты часто летают в нижней стратосфере. Большинство самолетов-шпионов, таких как печально известный U-2, летают еще выше в стратосфере, чтобы их не сбили менее боеспособные самолеты.Однако, поскольку ракеты все еще могут долететь до них, они по-прежнему в опасности.

Говоря о ракетах в стратосфере, поскольку этот слой атмосферы составляет всего 40 километров сверху донизу, вы пройдете его за 5 секунд с момента входа в него.

Мезосфера

Надеюсь, вы не забыли одеться потеплее для следующего слоя атмосферы. Далее идет мезосфера , и это самый холодный из четырех слоев атмосферы . Это слишком далеко вверху, чтобы воспользоваться способностью облаков планеты улавливать тепло, но слишком далеко внизу, чтобы нагреться непосредственно солнцем. В любом случае, он простирается от вершины стратосферы, или около 55 километров над землей, еще на 30 или 40 километров. Это также начало ионосферы , где триллион заряженных атомов и молекул обеспечивают сеть, необходимую для работы радиопередачи . Тем не менее, поскольку область находится всего в нескольких километрах сверху донизу, ваша ракета пролетает еще 4 секунды.

Термосфера и за ее пределами

Менее десяти секунд пути, и вы уже находитесь в слое атмосферы, который станет вашим конечным пунктом назначения.Термосфера является самым высоким из четырех основных слоев атмосферы Земли. Он начинается за мезосферой, примерно в 100 километрах или около того над поверхностью Земли, а затем продолжается на протяжении 600 километров. Как и мезосфера, она также является домом для ионосферы. Тем не менее, он также является домом для некоторых спутников Земли, а также Международной космической станции. В результате, это ваш конечный пункт назначения.

Тем не менее, если вам интересно, если ваша ракета будет лететь еще две минуты или около того, чтобы покинуть термосферу, вы окажетесь в экзосфере.Здесь больше спутников, но в основном атмосфера уступает место глубинам космоса.

Итоги урока

Давайте повторим. В этом уроке мы рассмотрели различные слои атмосферы Земли. Следует отметить пять из них:

• Тропосфера является самым низким уровнем атмосферы Земли и простирается от поверхности примерно на 14,5 километров.
• стратосфера — это второй слой атмосферы Земли , простирающийся на 40 километров за пределы тропосферы.
• Далее следует мезосфера , и хотя от одного конца до другого всего 30-40 километров, это самый холодный из четырех слоев атмосферы . Здесь также находится нижняя часть ионосферы , где триллионов заряженных атомов и молекул обеспечивают сеть, необходимую для радиопередачи.
• Термосфера является самой высокой, простирающейся более чем на 600 километров . Именно там находится Международная космическая станция.За ней находится экзосфера.

Результаты обучения

По окончании урока вы сможете:

• Определять слои атмосферы
• Дайте информацию о характеристиках каждого слоя
• Распознавать условия и объекты, которые можно найти в четырех слоях земной атмосферы

Строение и состав атмосферы Земли

Структура и состав атмосферы Земли   Земля единственная планета в Солнечной системе с атмосферой, которая может поддерживать жизнь как мы это знаем.Атмосфера Земли содержит не только воздух, которым мы дышим но и защищает его от взрывов метеоров, которые постоянно устремился к нему. Рябая поверхность Луны свидетельствует о том, что то что его постоянно обстреливают метеоритами в отсутствие защитной атмосферы. Земная поверхность, напротив, относительно свободны от этих кратеров по двум пунктам, все, кроме самых больших, горят в атмосфере, прежде чем достичь поверхности, и кратеры, образованные те, которые это делают, быстро разрушаются погодой, создаваемой в атмосфере, и доказательства смываются. Земная атмосфера также защищает нас от взрывы тепла и излучения, исходящие от солнца. Атмосфера имеет массу около 5,1510 18 кг, что составляет три четверти который находится примерно в 11 км от поверхности. Атмосфера становится тоньше и тоньше с увеличением высоты, без четкой границы между атмосферу и космическое пространство. Линия Крмн, на высоте около 120 км, над которой атмосфера становится слишком разреженной, чтобы поддерживать полет самолета, часто считается границей между атмосферой и внешним космос.Однако атмосферные эффекты становятся заметными во время атмосферных возвращение космического корабля на высоту около 120 км. На уровне моря воздух давление составляет около 1 кг/см 2 и быстро уменьшается с высотой. На высоте 3 км атмосферное давление составляет около 0,7 кг/см 2 . Там также очень мало кислорода на этой высоте. земная атмосфера также действует как защитный экран, поглощая ультрафиолетовые солнечные лучи. излучение, нагревание поверхности за счет удержания тепла (парниковый эффект), и снижение экстремальных температур между днем ​​​​и ночью (суточный колебания температуры).Если бы не земная атмосфера, ее дневное время температуры будут очень высокими, а ночные температуры очень низкими. То атмосфера согревает планету днем ​​и охлаждает ночью. Воздух, главной составляющей атмосферы, считалось древнегреческой мыслью быть одной из четырех элементарных субстанций (наряду с землей, огнем и водой) составляющих вселенную. Однако к началу 1800-х годов было признано что атмосфера на самом деле состоит из нескольких химически различных газы, особенно азот, кислород и небольшое количество аргона.Разработка спектрометрии в 1920-х годах привело к открытию гораздо меньших концентрации озона и углекислого газа. Также было обнаружено, что концентрации этих газов, хотя и были небольшими, широко варьировались от места к месту. и время от времени. Структура Атмосферы: Атмосфера Земли разделена на несколько концентрических пластов или слоев. Около 99% всего атмосферного масса сосредоточена в первых 30 км над поверхностью Земли.Несколько слоев можно отличить в атмосфере по таким характеристикам, как температура и состав. Атмосфера Земли делима на пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосфера и экзосфера. Атмосфера истончается в каждой высшей слоя до тех пор, пока газы не рассеются в пространстве. Как было сказано ранее, нет четкая граница между атмосферой и космосом, но воображаемая поверхность примерно в 120 км от поверхности, называемой линией Кармана, которая обычно считается учеными верхней границей атмосферы. 1. тропосфера самый близкий слой на поверхность Земли. Его толщина составляет от 4 до 12 миль (от 7 до 20 км) и содержит половину атмосферы Земли. Воздух теплее у земли и становится холоднее выше вверх. Почти весь водяной пар и пыль в атмосфере находятся в этом слой, и именно поэтому облака находятся здесь. 2. То стратосфера — это второй слой. Он начинается над тропосферой и заканчивается примерно в 31 миле (50 км). над землей. Озона здесь много, и он нагревает атмосферу, а также поглощая вредное солнечное излучение.Воздух здесь очень сухой, и здесь примерно в тысячу раз тоньше, чем на уровне моря. Потому что, здесь летают реактивные самолеты и метеозонды. 3. То мезосфера начинается в 31 миля (50 км) и простирается до 53 миль (85 км) в высоту. Верхняя часть мезосфера, называемая мезопаузой, является самой холодной частью атмосферы Земли. со средней температурой около минус 130 градусов по Фаренгейту (минус 90 градусов по Цельсию). Этот слой с трудом поддается изучению. Самолеты и воздушные шары летают недостаточно высоко, а спутники и космические шаттлы вращаются слишком высоко.Ученые знают, что метеоры сгорают в этот слой. 4. То термосфера расширяется примерно от 56 миль (90 км) до 310–620 миль (от 500 до 1000 км). На этой высоте температура может достигать 2700 градусов по Фаренгейту (1500 градусов по Цельсию). То Термосфера считается частью атмосферы Земли, но плотность воздуха настолько низко, что большая часть этого слоя — это то, что обычно считается космическим пространством. В на самом деле, это место, где летали космические челноки и где проходило Международное космическое Станция вращается вокруг Земли.Это также слой, где происходят полярные сияния. Заряжено частицы из космоса сталкиваются с атомами и молекулами в термосфере, возбуждая их в более высокие энергетические состояния. Атомы сбрасывают эту избыточную энергию испуская фотоны света, которые мы видим как красочное северное сияние и Аврора Австралис. 5. То экзосфера, самый верхний слой, чрезвычайно тонкий и находится там, где атмосфера сливается с космическое пространство. Он состоит из очень широко рассеянных частиц водорода. и гелий. На рисунке ниже показана температура изменения в различных слоях атмосферы Земли. Состав Атмосфера Земли: Атмосферный газы подразделяются на две категории: основные газы и следовые газы. Главная газы в атмосфере Земли включают азот (78%), кислород (21%), воду пара (1-4%) и аргона (0,93%). Следовые газы включают двуокись углерода (380 ppm), неон (18 ppm), гелий (5 ppm), метан (1 ppm), криптон (1 ppm), водород (0.5 частей на миллион), закись азота (0,3 части на миллион), диоксид серы (0,1 части на миллион) и озон (0,04 промилле). Также установлен факт, что основные составляющие атмосферы (кроме водяного пара) остаются более или менее постоянными через во времени и пространстве, в то время как у второстепенных составляющих меняется со временем и место. В таблице ниже представлен газовый состав Земли. атмосфера. Учредительный номер Химический символ мольных процентов Азот Н 2 78. 084 Кислород О 2 20,947 Аргон Ар 0,934 Углекислый газ СО 2 0.0350 Неон Не 0,001818 Гелий Он 0,000524 Метан СН 4 0. 00017 Криптон Кр 0,000114 Водород Н 2 0,000053 Закись азота Н 2 О 0.000031 Ксенон Хе 0,0000087 Озон* О 3 трассировка до 0,0008 Оксид углерода СО трассировка до 0. 000025 Диоксид серы СО 2 трассировка до 0.00001 Двуокись азота № 2 трассировка до 0.000002 Аммиак НХ 3 трассировка до 0.0000003 Ссылка: Маккензи, Ф.Т. и Дж.А. Маккензи (1995) Наша меняющаяся планета. Прентис-Холл, Верхний Седл-Ривер, Нью-Джерси, стр. 288-307.  Хотя и азот, и кислород необходим для жизни человека на планете, они мало влияют на погода и другие атмосферные процессы. Переменные компоненты, которые делают гораздо меньше, чем 1% атмосферы, оказывают гораздо большее влияние на оба кратковременная погода и долговременный климат.Например, изменения в воде пары в атмосфере знакомы нам как относительная влажность. Водяной пар, CO 2 , CH 4 , N 2 O и SO 2 имеют важным свойством они поглощают тепло, излучаемое Землей, и таким образом нагревают атмосферы, создавая то, что мы называем парниковым эффектом. Без этих так называемые парниковые газы, поверхность Земли была бы около 30 градусов Охлаждение по Цельсию слишком холодно для существования жизни в том виде, в каком мы ее знаем. По их процентный вклад в парниковый эффект на Земле четырех основных газы: водяной пар (3670%), CO 2 (926%), CH 4 (49%) и О 3 (37%). В Помимо газов, атмосфера также содержит твердые частицы, такие как пыль, вулканический пепел, дождь и снег. Они, конечно, очень изменчивы и, как правило, менее стойкие, чем концентрации газа, но иногда они могут оставаться в атмосферы в течение относительно длительного времени. Вулканический взрыв Кракатау (к западу от Суматры в Индонезии) в августе 1883 г. выбросило 20 куб. пылевидная порода в атмосфере, оставшаяся во взвешенном состоянии в атмосфере на следующие 3 года.Вулканический пепел от извержения горы Пинатубо в 1991 г. Филиппины затмили небо над земным шаром более чем на год. Хотя основные компоненты атмосферы сегодня мало меняются, они изменились резко за всю историю Земли (около 4,6 миллиарда лет). Рано атмосфера едва ли была тем поддерживающим жизнь воздушным покровом, которым она является сегодня; большинство геологов считают, что основными составляющими тогда были газообразный азот и углекислый газ, но не свободный кислород. На самом деле, нет никаких доказательств бесплатно кислорода в атмосфере примерно до 2 миллиардов лет назад, когда фотосинтезирующие бактерии эволюционировали и начали поглощать атмосферный углерод диоксида и выделяя кислород.Количество кислорода в атмосфере имеет неуклонно росла с 0% 2 миллиарда лет назад до примерно 21% сегодня. Роль Атмосфера в Климат и погода: Земля способна поддерживать широкий разнообразия живых существ из-за разнообразия регионального климата, который варьируются от экстремального холода на полюсах до тропической жары на экваторе. Региональный климат часто описывается как средняя погода в месте более более 30 лет. Климат региона часто описывается, например, как солнечно, ветрено, сухо или влажно.Они также могут описывать погоду в определенном месте, но в то время как погода может измениться всего за несколько часов, климат меняется в течение более длительного промежутка времени. Глобальный климат Земли является средний региональный климат. Глобальный климат похолодал и потеплел на протяжении всей истории. Сегодня мы наблюдаем необычно быстрое потепление. То научный консенсус заключается в том, что парниковые газы, которые увеличиваются, потому что человеческой деятельности, задерживают тепло в атмосфере.

Атмосфера разделена по вертикали на слои. Каждый из них имеет определенные свойства, связанные с землей, ее погодой и климатом. Слои называются и различаются по их температурному профилю (рис. 6.16). Имена слоев оканчиваются на -sphere или -pause. Слои -pause нейтральны (температура не меняется с высотой). Это переходные слои между основными уровнями, -сферами.

Рис. 6.16 Профиль средней температуры атмосферы и соответствующие уровни.

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, простирающийся от поверхности до десяти километров в верхней части тропопаузы.Первая часть — это тропосфера от поверхности до высоты примерно от 10 000 до 15 000 футов. Затем тропопауза простирается оттуда до 6 миль, около 20 000 или 30 000 футов. Это слой, где происходит большинство атмосферных явлений, таких как облака и бури, которые влияют на жизнь. Температура у земли в среднем составляет около 20°C (68°F). Далеко в тропопаузе температура составляет около -40°C/°F. Атмосфера охлаждается примерно на 5°F на каждые 1000 футов или 10°C/км (сухая атмосфера).

Стратосфера включает в себя следующие 6 миль, находящиеся между 12 и 18.Высота 6 миль (выражается в километрах, высота около 30 км). Стратосфера — это в основном несмешанный или стратифицированный слой атмосферы, отсюда и название «стратосфера». Ветер там обычно не турбулентный, но есть общее циркуляционное движение. Вещи, попавшие в стратосферу, часто остаются в слоях в течение длительного времени. Пыль или газ из вулкана, который проникает в стратосфера может быть расслоена в течение значительного периода времени. Извержение вулкана Пинатубо в 1991 году выбросило в атмосферу вулканический пепел, который оставался на протяжении всего 1992 года.Это привело к красивым закатам и охлаждению поверхности земли за счет уменьшения поступающей солнечной радиации.

Стратосфера включает в себя озоновый слой. В озоновом слое температура фактически начинает повышаться с высотой. В том числе за это отвечает озон. Озон поглощает большое количество солнечной энергии вблизи ультрафиолетового конца спектра, нагревая воздух. Далеко в стратосфере температура может превышать точку замерзания (30 миль). Выше этого уровня остается только 1% атмосферного.

Примерно с 30-50 миль (50-85 км) температура в мезосфере снова снижается. На этом уровне существует очень мало молекул воздуха. Над мезопаузой примерно в 50 милях (85 км) находится термосфера. Взаимодействие между солнечным излучением и очень немногими молекулами воздуха на этом уровне создает искусственно высокие температуры. Однако эти температуры не будут ощущаться людьми.

Полярное сияние развивается на расстоянии 60 миль от Земли. Это область ионизации, иногда приводящая к северному или южному сиянию.Кажется, что они сосредоточены на высоте 60-80 миль над Землей. Полярное сияние, возникающее за Полярным кругом или даже дальше на север, иногда видно в центральной части США. Редко оно было видно так далеко на юге, как Техас. Природа, причины и эффекты ионизированных слоев будут обсуждаться позже.

Принципы дистанционного зондирования — Центр дистанционных изображений, зондирования и обработки, CRISP

Атмосфера Земли Поверхность земли покрыта слоем атмосферы, состоящей смеси газов и других твердых и жидких частиц. То газообразные материалы простираются на несколько сотен километров в высоту, хотя нет четко определенной границы для верхнего предела атмосфера. Первые 80 км атмосферы содержат более более 99% всей массы земной атмосферы. Вертикальная структура атмосферы Вертикальный профиль атмосферы делится на четыре слоя: тропосфера , стратосфера , мезосфера и термосфера .Вершины эти слои известны как тропопауза , стратопауза , мезопауза и термопауза соответственно. Тропосфера : Этот слой характеризуется уменьшением температуры по отношению к высоте со скоростью около 6,5ºC на километр, до высоты около 10 км. Все погодные явления (водяной пар, облака, осадки) приурочены к этому слою. Слой аэрозольных частиц обычно существует вблизи земной поверхности.Концентрация аэрозоля уменьшается почти экспоненциально с высотой, с характерной высота около 2 км. Стратосфера : Температура в нижних 20 км стратосфера примерно постоянна, после чего температура увеличивается с высотой, до высоты около 50 км. Озон существует в основном в стратопаузе. Тропосфера и стратосфера вместе составляют более 99% всей массы атмосферы. Мезосфера : Температура в этом слое снижается от высота от 50 км до 85 км. Термосфера : Этот слой простирается примерно на 85 км вверх. до нескольких сотен километров. Температура может варьироваться от 500 К до 2000 К. Газы существуют в основном в виде тонкой плазмы, т.е. они ионизируются из-за бомбардировки солнечным ультрафиолетовым излучением и энергетическими космическими лучами. Термин верхние слои атмосферы обычно относится к области атмосферы над тропосферой. Многие спутники дистанционного зондирования следуют за приполярными солнечно-синхронных орбит на высоте около 800 км, что намного выше термопаузы. Составляющие атмосферы Атмосфера состоит из следующих компонентов: Постоянные газы: Это газы, присутствующие в почти постоянной концентрации, с небольшая пространственная изменчивость. Около 78% по объему атмосферы составляет азот, в то время как необходимый для жизни кислород занимает 21%. Оставшийся один процент составляют инертные газы, углекислый газ и другие газы. Газы с переменной концентрацией: Концентрация этих газов может сильно различаться в пространстве и время.Они состоят из водяного пара, озона, азотистых и сернистых соединений. Твердые и жидкие частицы: Помимо газов, атмосфера также содержит твердые и жидкие частицы, такие как аэрозоли , капли воды и кристаллов льда . Эти частицы могут собираться, образуя облака и дымка . Нажмите здесь, чтобы увидеть газовый состав атмосферы Планета Земля Электромагнитные волны Перейти к Основной индекс

Состав атмосферы и структура. Структура атмосферы, прошлое и будущее атмосферы. Состав атмосферы

13 минут чтения

Структура атмосферы, прошлое и будущее атмосферыСостав атмосферы

Атмосфера Земли состоит примерно из 78% азота , 21% кислорода и 0. 93% аргон. Остальная часть, менее 0,1%, содержит много небольших, но важных газовых примесей, в том числе водяной пар , углекислый газ и озон . Все эти следовые газы оказывают важное влияние на климат Земли. Атмосферу можно разделить на вертикальные слои, определяемые тем, как температура изменяется с высотой. Ближайшим к поверхности слоем является тропосфера, которая содержит более 80% массы атмосферы и почти весь водяной пар.Следующий слой, стратосфера, содержит большую часть атмосферного озона, который поглощает высокоэнергетическое излучение солнца и делает возможной жизнь на поверхности. Над стратосферой располагаются мезосфера и термосфера. Эти два слоя включают области заряженных атомов и молекул или ионов. Эта область, называемая ионосферой, важна для радиосвязи , поскольку радиоволны могут отражаться от слоя и распространяться на большие расстояния.Считается, что нынешняя атмосфера образовалась из газов, выбрасываемых вулканами. Кислород, от которого зависит вся жизнь животных , вероятно, образовался в виде избыточных выбросов растений, которые производят его как побочный продукт в процессе фотосинтеза . Деятельность человека может влиять на уровни некоторых важных атмосферных компонентов, особенно двуокиси углерода и озона.

Основные газы

Самый распространенный атмосферный газ, азот (химический символ N ₂ ), составляет около 78% атмосферы.Газообразный азот в значительной степени инертен, а это означает, что он не вступает в реакцию с другими веществами с образованием новых химических соединений. Следующий по распространенности газ, кислород (O ₂ ), составляет около 21% атмосферы. Кислород необходим для дыхания (дыхания) всей животной жизни на Земле , от людей до бактерий . В отличие от азота кислород чрезвычайно активен. Он участвует в окислении, типе химической реакции, которую можно наблюдать повсюду. Некоторыми типичными примерами окисления являются яблоки, которые после нарезания ломтиками превращаются из белых в коричневые, ржавление железа и очень быстрая реакция окисления, которую мы называем огнем. Чуть менее 1% атмосферы состоит из аргона (Ar), который является очень инертным инертным газом, а это означает, что он не принимает участия ни в каких химических реакциях при нормальных условиях.

Вместе эти три газа составляют 99,96% атмосферы. Остальные 0,04% содержат широкий спектр газовых примесей, некоторые из которых имеют решающее значение для жизни на Земле.

Важные следовые газы

Углекислый газ (CO ₂ ) влияет на климат Земли и играет большую вспомогательную роль в биосфере , совокупности живых существ, населяющих земную поверхность. Только около 0,0325% атмосферы составляет CO ₂ . Углекислый газ необходим растениям жизни для фотосинтеза, процесса использования солнечного света для хранения энергии в виде простых сахаров, от которых зависит вся жизнь на Земле. Углекислый газ также относится к классу соединений, называемых парниковыми газами. Эти газы состоят из молекул, которые поглощают и излучают инфракрасное излучение, которое мы ощущаем как тепла . Солнечная энергия, излучаемая солнцем, находится в основном в видимом диапазоне, в узком диапазоне длин волн. Это излучение поглощается земной поверхностью, а затем переизлучается обратно в космос не как видимый свет , а как длинноволновое инфракрасное излучение. Молекулы парниковых газов поглощают часть этого излучения, прежде чем оно улетучится в космос, а часть излучают обратно на поверхность.Таким образом, эти газы задерживают часть уходящего тепла и повышают общую температуру атмосферы. Если бы в атмосфере не было парниковых газов, по оценкам, поверхность земли была бы на 90°F (32°C) холоднее.

Водяной пар (H ₂ O) содержится в атмосфере в небольших количествах, которые сильно варьируются. Хотя он почти отсутствует в большей части атмосферы, его концентрация может достигать 4% в очень теплых и влажных районах вблизи поверхности. Несмотря на относительную редкость, атмосферная вода, вероятно, оказывает большее влияние на Землю, чем любой из основных газов, за исключением кислорода. Водяной пар участвует в гидрологическом цикле , процессе, который перемещает воду между океанами, поверхностными водами суши, атмосферой и полярными ледяными шапками . Этот круговорот воды вызывает эрозию и породу выветривание , определяет погоду земли и создает климатические условия, которые делают участки земли сухими или влажными, пригодными для жизни или негостеприимными.При достаточном охлаждении водяной пар образует облака путем конденсации в жидкие капли воды или, при более низких температурах, в твердые кристаллы льда . Помимо создания дождя или снега, облака влияют на климат Земли, отражая часть энергии, исходящей от солнца, делая планету несколько прохладнее. Водяной пар также является важным парниковым газом. Он концентрируется у поверхности и гораздо более распространен вблизи тропиков, чем в полярных регионах.

Озон

(O ₃ ) почти весь находится в слое высотой около 9–36 миль (15–60 км).Газообразный озон раздражает глаза и кожу людей и химически воздействует на каучук и ткани растений . Тем не менее, он жизненно важен для жизни на Земле, поскольку поглощает большую часть высокоэнергетического солнечного излучения, вредного для растений и животных. Часть энергии, излучаемой солнцем, находится в ультрафиолетовой (УФ) области. Это более коротковолновое излучение отвечает за загар и является достаточно мощным, чтобы повредить клетки, вызвать рак кожи и сжечь ткани, как знает любой, кто получил болезненный солнечный ожог.Молекулы озона вместе с молекулами O ₂ поглощают почти все УФ-лучи высокой энергии, защищая поверхность земли от наиболее разрушительного излучения. Первый этап этого процесса происходит высоко в атмосфере, где молекулы O ₂ поглощают УФ-излучение очень высокой энергии. При этом каждая поглощающая молекула распадается на два атома кислорода. Атомы кислорода в конце концов сталкиваются с другой молекулой O ₂ , образуя молекулу озона O ₃ (при столкновении требуется третья молекула, чтобы унести избыточную энергию).Озон, в свою очередь, может поглощать УФ-излучение с немного более длинной длиной волны, что отбивает один из его атомов кислорода и оставляет O ₂ . Свободный атом кислорода, будучи очень реакционноспособным, почти сразу рекомбинирует с другим O ₂ , образуя больше озона. Последние два шага этого цикла продолжают повторяться, но не создают никаких новых химических соединений; они только поглощают ультрафиолетовое излучение. Количество озона в стратосфере ничтожно мало. Если бы все это было перенесено на поверхность, газообразный озон образовал бы слой около 0.Толщина 1–0,16 дюйма (2,5–4,0 мм). Этого слоя, каким бы тонким он ни был, достаточно, чтобы защитить жителей Земли от вредного солнечного излучения.

Аэрозоли

В дополнение к газам в атмосфере содержится большое количество взвешенных в воздухе мельчайших частиц, известных под общим названием аэрозолей . Эти частицы могут быть жидкими или твердыми и настолько малы, что им может потребоваться очень много времени для осаждения из атмосферы под действием силы тяжести. Примеры аэрозолей включают кусочки взвешенной почвы или песка пустыни , крошечные частицы дыма от лесного пожара, соли частицы, оставшиеся после испарения капли морской воды, пыльца растений, шлейфы вулканической пыли и частицы образуется из загрязнения созданного угольной сжигающей электростанцией.Аэрозоли существенно влияют на тепловой баланс атмосферы, рост облаков и оптические свойства.

Аэрозоли охватывают очень широкий диапазон размеров. Капли дождя, взвешенные в облаке, имеют диаметр около 0,04–0,24 дюйма (1–6 мм). Мелкий песок пустыни и капли облаков имеют диаметр примерно до 0,0004 дюйма (0,01 мм). Частицы морской соли и частицы дыма составляют 1/100 этого размера, около 0,0001 мм или 0,1 микрометра в диаметре (1 микрометр = одна тысячная миллиметра). Мельчайшими из всех являются частицы, образующиеся при конденсации некоторых газов; то есть, когда несколько молекул газа собираются вместе, образуя устойчивый кластер.Это ядра Эйткина, диаметр которых можно измерить до нескольких нанометров (1 нанометр = одна миллионная миллиметра).

Некоторые аэрозоли как раз такого размера, чтобы эффективно рассеивать солнечный свет, из-за чего атмосфера выглядит туманной. При правильных условиях аэрозоли действуют как точки сбора молекул водяного пара, способствуя росту облачных капель и ускоряя образование облаков. Они также могут играть роль в климате Земли; известно, что аэрозоли отражают часть приходящей солнечной радиации обратно в космос, что снижает температуру земной поверхности.Текущие исследования сосредоточены на оценке степени охлаждения, обеспечиваемой аэрозолями, а также того, как и когда аэрозоли образуются в атмосфере.

Тропосфера

Тропосфера содержит более 80% массы атмосферы, а также почти весь водяной пар. Этот слой содержит воздух, которым мы дышим, ветры, которые мы наблюдаем, и облака, которые приносят нам дождь. На самом деле все то, что мы знаем как «погода», происходит в тропосфере, название которой означает «изменяющаяся сфера».«Все холодные фронты, теплые фронты, системы высокого и низкого давления, штормовые системы и другие особенности, наблюдаемые на карте погоды , происходят в этом нижнем слое. Сильные грозы могут проникать через тропопаузу.

В тропосфере температура падает с увеличением высоты со средней скоростью около 11,7°F на каждые 3281 фут (6,5°C на каждые 1000 метров). Эта величина известна как скорость градиента. Когда воздух начинает подниматься, он расширяется и охлаждается с большей скоростью, определяемой законами термодинамики .Это означает, что если сгусток воздуха начнет подниматься вверх, он вскоре окажется более холодным и плотным, чем его окружение, и снова опустится вниз. Это пример стабильной атмосферы — вертикальное движение воздуха предотвращено. Из-за того, что воздушные массы перемещаются в тропосфере, холодная воздушная масса может перемещаться в район и иметь более высокую скорость градиента. То есть его температура быстрее падает с высотой. В этих погодных условиях воздух, который начинает подниматься и охлаждаться, становится теплее, чем его окружающая среда.Тогда он подобен воздушному шару , он менее плотный, чем окружающий воздух, и обладает плавучестью, поэтому он будет продолжать подниматься и охлаждаться в процессе, называемом конвекцией . Если это поддерживается, то говорят, что атмосфера нестабильна, и поднимающаяся порция воздуха охлаждается до точки, где водяной пар конденсируется, образуя облачные капли. Воздушная посылка теперь представляет собой конвективное облако. Если плавучесть достаточно сильная, грозовое облако будет развиваться по мере того, как облачные капли вырастают до размера дождевых капель и начинают выпадать из облака в виде дождя. Таким образом, при определенных условиях температурный профиль тропосферы делает возможными грозовые облака и осадки .

Во время сильной грозы кучево-дождевые облака (типа, которые вызывают проливной дождь, сильный ветер и град) могут вырасти достаточно высокими, чтобы достичь тропопаузы или распространиться на нее. Здесь они сталкиваются с сильными стратосферными ветрами, которые могут срезать верхнюю часть облаков и остановить их рост. Этот эффект можно увидеть в «наковальнях» облаков, связанных с сильными летними грозами.

Стратосфера

Начало стратосферы определяется как точка, где температура достигает минимума, а градиент резко падает до ноль . Эта структура температуры имеет одно важное следствие: она препятствует подъему воздуха. Любой воздух, который начинает подниматься, становится холоднее и плотнее окружающего воздуха. Таким образом, стратосфера очень стабильна.

Хотя в стратосфере очень мало воды, облака из кристаллов льда могут время от времени образовываться в нижней стратосфере над полярными регионами. Ранние исследователи Арктики называли эти облака перламутровыми или перламутровыми из-за их радужного вида. Совсем недавно было обнаружено, что очень тонкие, широко распространенные облака формируются в полярной стратосфере в чрезвычайно холодных условиях. Эти облака, называемые полярными стратосферными облаками, или PSC, представляют собой маленькие кристаллы льда или замороженные смеси льда и азотной кислоты . PSCs играют ключевую роль в развитии озоновой дыры, которая описана ниже.

Стратосфера содержит большую часть озона, содержащегося в земной атмосфере.Фактически наличие озона является причиной температурного профиля, обнаруженного в стратосфере. Как описано ранее, озон и газообразный кислород поглощают коротковолновое солнечное излучение. В ряде последующих реакций выделяется тепло. Это тепло нагревает атмосферу в слое на высоте около 12–27 миль (20–45 км) и придает стратосфере характерное повышение температуры с высотой.

Озоновый слой вызывает некоторое беспокойство. В 1985 году ученые из Британской антарктической службы заметили, что количество стратосферного озона над Южным полюсом резко падает в весенние месяцы и несколько восстанавливается, когда весна переходит в лето.Изучение исторических записей показало, что весенние потери озона начались примерно в конце 1960-х годов и к концу 1970-х годов стали намного более серьезными. К середине 1980-х практически весь озон исчезал из частей полярной стратосферы в конце зимы и ранней весной. Эти потери озона, получившие название озоновых дыр, стали предметом интенсивных исследований как в полевых условиях, так и в лаборатории. Появившаяся картина предполагает, что хлор является химическим веществом, ответственным за разрушение озона в озоновой дыре.Хлор, по-видимому, попадает в стратосферу из хлорфторуглеродов или фреонов — промышленных химикатов, широко используемых в качестве хладагентов, аэрозольных пропеллентов и растворителей. Лабораторные эксперименты показывают, что после разрушения молекулы озона хлор связывается в форме, неспособной больше реагировать с озоном. Однако он может химически реагировать с другими соединениями хлора на поверхности частиц полярных стратосферных облаков, что позволяет хлору атаковать большее количество озона. Другими словами, каждая молекула хлора многократно перерабатывается, чтобы разрушить тысячи молекул озона.Осознание роли хлора в разрушении озонового слоя привело к заключению в 1987 году международного соглашения, Монреальского протокола, который обязывал участвующие промышленно развитые страны начать поэтапный отказ от ХФУ.

Мезосфера и термосфера

Верхняя мезосфера и нижняя термосфера содержат заряженные атомы и молекулы (ионы) в области, известной как ионосфера. Атмосферные компоненты на этом уровне включают газообразный азот, атомарный кислород и азот (O и N), а также окись азота (NO).Все они подвергаются сильному солнечному излучению ультрафиолетового и рентгеновского излучения, что может привести к ионизации, выбивающей электрон с образованием атома или молекулы с положительным зарядом. Ионосфера – это область, обогащенная свободными электронами и положительными ионами. Эта область заряженных частиц влияет на распространение радиоволн, отражая их, как зеркало отражает свет. Ионосфера позволяет настраиваться на радиостанции очень далеко от передатчика; даже если радиоволны, идущие непосредственно от передатчика, блокируются горами или кривизной земли, все равно можно принимать волны, отраженные от ионосферы.После захода солнца количество электронов и ионов в нижних слоях резко падает, поскольку солнечное излучение больше не поддерживает их ионизацию. Однако даже ночью верхние слои сохраняют некоторое количество ионов. В результате ночью ионосфера выше, что позволяет радиоволнам отражаться на большие расстояния. По этой причине ночью часто можно настроиться на более дальние радиостанции, чем днем.

Верхняя термосфера также является местом ярких ночных проявлений цветов и вспышек, известных как полярное сияние.Полярные сияния вызываются энергичными частицами, испускаемыми солнцем. Эти частицы попадают в ловушку магнитного поля Земли и сталкиваются с относительно небольшим количеством атомов газа, присутствующих на высоте более 60 миль (100 км), в основном с атомарным кислородом (O) и газообразным азотом (N ₂ ). Эти столкновения заставляют атомы и молекулы излучать свет, что приводит к захватывающим зрелищам.

Дополнительные темы

Научная энциклопедия Наука и философия: серии A и серии B от до Баллистические ракеты — категории баллистических ракет

.