Skład atmosfery ziemskiej w procentach. Atmosfera ziemi

Atmosfera jest mieszaniną różnych gazów. Rozciąga się od powierzchni Ziemi na wysokość 900 km, chroniąc planetę przed szkodliwym widmem promieniowania słonecznego i zawiera gazy niezbędne do życia na planecie. Atmosfera zatrzymuje ciepło słoneczne, ogrzewając powierzchnię ziemi i tworząc sprzyjający klimat.

Skład atmosferyczny

Atmosfera ziemska składa się głównie z dwóch gazów - azotu (78%) i tlenu (21%). Ponadto zawiera zanieczyszczenia w postaci dwutlenku węgla i innych gazów. w atmosferze występuje w postaci pary, kropelek wilgoci w chmurach i kryształków lodu.

Warstwy atmosfery

Atmosfera składa się z wielu warstw, pomiędzy którymi nie ma wyraźnych granic. Temperatury poszczególnych warstw znacznie się od siebie różnią.

• Bezpowietrzna magnetosfera. To tutaj większość satelitów Ziemi lata poza ziemską atmosferą.
• Egzosfera (450-500 km od powierzchni). Prawie żadnych gazów. Niektóre satelity pogodowe latają w egzosferze. Termosfera (80-450 km) charakteryzuje się wysokimi temperaturami, sięgającymi w górnej warstwie 1700°C.
• Mezosfera (50-80 km). W tym obszarze temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości. To tutaj spala się większość meteorytów (fragmentów skał kosmicznych), które dostają się do atmosfery.
• Stratosfera (15-50 km). Zawiera warstwę ozonową, czyli warstwę ozonu pochłaniającą promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca. Powoduje to wzrost temperatury w pobliżu powierzchni Ziemi. Zwykle latają tu samoloty odrzutowe, ponieważ Widoczność w tej warstwie jest bardzo dobra i praktycznie nie występują zakłócenia spowodowane warunkami atmosferycznymi.
• Troposfera. Wysokość waha się od 8 do 15 km od powierzchni ziemi. To tutaj kształtuje się pogoda na planecie, ponieważ w Warstwa ta zawiera najwięcej pary wodnej, pyłu i wiatru. Temperatura maleje wraz z odległością od powierzchni ziemi.

Ciśnienie atmosferyczne

Choć tego nie czujemy, warstwy atmosfery wywierają nacisk na powierzchnię Ziemi. Jest najwyższa w pobliżu powierzchni i w miarę oddalania się od niej stopniowo maleje. Zależy to od różnicy temperatur między lądem a oceanem, dlatego na obszarach położonych na tej samej wysokości nad poziomem morza często występują różne ciśnienia. Niskie ciśnienie powoduje mokrą pogodę, podczas gdy wysokie ciśnienie zwykle zapewnia pogodną pogodę.

Ruch mas powietrza w atmosferze

A ciśnienia zmuszają dolne warstwy atmosfery do mieszania się. W ten sposób powstają wiatry, wiejące z obszarów o wyższym ciśnieniu do obszarów o niższym ciśnieniu. W wielu regionach lokalne wiatry powstają również w wyniku różnic temperatur między lądem a morzem. Góry mają również znaczący wpływ na kierunek wiatrów.

Efekt cieplarniany

Dwutlenek węgla i inne gazy tworzące atmosferę ziemską zatrzymują ciepło słoneczne. Proces ten powszechnie nazywany jest efektem cieplarnianym, gdyż pod wieloma względami przypomina cyrkulację ciepła w szklarniach. Efekt cieplarniany powoduje globalne ocieplenie na planecie. Na obszarach wysokiego ciśnienia – antycyklonów – panuje pogodna, słoneczna pogoda. Na obszarach niskiego ciśnienia – cyklonów – pogoda zwykle jest niestabilna. Ciepło i światło przedostające się do atmosfery. Gazy zatrzymują ciepło odbite od powierzchni ziemi, powodując w ten sposób wzrost temperatury na Ziemi.

W stratosferze istnieje specjalna warstwa ozonu. Ozon blokuje większość promieniowania ultrafioletowego Słońca, chroniąc przed nim Ziemię i całe życie na niej. Naukowcy odkryli, że przyczyną niszczenia warstwy ozonowej są specjalne gazy dwutlenku chlorofluorowęglowego zawarte w niektórych aerozolach i urządzeniach chłodniczych. Nad Arktyką i Antarktydą odkryto ogromne dziury w warstwie ozonowej, przyczyniające się do wzrostu ilości promieniowania ultrafioletowego oddziałującego na powierzchnię Ziemi.

Ozon powstaje w niższych warstwach atmosfery w wyniku oddziaływania promieniowania słonecznego i różnych spalin i gazów. Zwykle jest rozproszony po całej atmosferze, ale jeśli pod warstwą ciepłego powietrza utworzy się zamknięta warstwa zimnego powietrza, wówczas następuje koncentracja ozonu i powstanie smogu. Niestety nie może to zastąpić ozonu utraconego w dziurach ozonowych.

Na tym zdjęciu satelitarnym wyraźnie widać dziurę w warstwie ozonowej nad Antarktydą. Rozmiar dziury jest różny, ale naukowcy uważają, że stale rośnie. Czynione są wysiłki mające na celu zmniejszenie poziomu gazów spalinowych w atmosferze. Należy ograniczać zanieczyszczenie powietrza i stosować w miastach paliwa bezdymne. Smog powoduje u wielu osób podrażnienie i uduszenie oczu.

Powstanie i ewolucja atmosfery ziemskiej

Współczesna atmosfera Ziemi jest wynikiem długiego rozwoju ewolucyjnego. Powstał w wyniku połączonego działania czynników geologicznych i żywotnej aktywności organizmów. W historii geologicznej atmosfera ziemska przeszła kilka głębokich zmian. Na podstawie danych geologicznych i przesłanek teoretycznych można stwierdzić, że pierwotna atmosfera młodej Ziemi, która istniała około 4 miliardów lat temu, mogła składać się z mieszaniny gazów obojętnych i szlachetnych z niewielkim dodatkiem pasywnego azotu (N. A. Yasamanov, 1985; A. S. Monin, 1987; O. G. Sorokhtin, S. A. Ushakov, 1991, 1993). Obecnie pogląd na skład i strukturę wczesnej atmosfery nieco się zmienił. Atmosfera pierwotna (protoatmosfera) na najwcześniejszym etapie protoplanetarnym, tj. starsza niż 4,2 miliarda lat, mogła składać się z mieszaniny metanu, amoniaku i dwutlenku węgla.W wyniku odgazowania płaszcza i aktywnych procesów wietrzenia zachodzących na powierzchni Ziemi para wodna, związki węgla w postaci CO 2 i CO, siarka i jej do atmosfery zaczęły przedostawać się związki chemiczne, a także mocne kwasy halogenowe - HCl, HF, HI i kwas borowy, które zostały uzupełnione metanem, amoniakiem, wodorem, argonem i niektórymi innymi gazami szlachetnymi w atmosferze.Ta pierwotna atmosfera była niezwykle rzadka. Dlatego temperatura na powierzchni Ziemi była bliska temperaturze równowagi radiacyjnej (A. S. Monin, 1977).

Z biegiem czasu skład gazowy atmosfery pierwotnej zaczął się zmieniać pod wpływem procesów wietrzenia skał wystających na powierzchnię ziemi, działalności cyjanobakterii i sinic, procesów wulkanicznych i działania światła słonecznego. Doprowadziło to do rozkładu metanu na dwutlenek węgla, amoniaku na azot i wodór; Dwutlenek węgla, który powoli opadł na powierzchnię ziemi, a azot zaczął gromadzić się w atmosferze wtórnej. Dzięki żywotnej aktywności sinic w procesie fotosyntezy zaczęto wytwarzać tlen, który jednak początkowo był zużywany głównie na „utlenianie gazów atmosferycznych, a potem skał. W tym samym czasie w atmosferze zaczął intensywnie gromadzić się amoniak utleniony do azotu cząsteczkowego. Zakłada się, że znaczna ilość azotu we współczesnej atmosferze ma charakter reliktowy. Metan i tlenek węgla utleniły się do dwutlenku węgla. Siarka i siarkowodór zostały utlenione do SO 2 i SO 3, które ze względu na dużą ruchliwość i lekkość zostały szybko usunięte z atmosfery. W ten sposób atmosfera z atmosfery redukującej, podobnie jak w archaiku i wczesnym proterozoiku, stopniowo zamieniła się w atmosferę utleniającą.

Dwutlenek węgla przedostał się do atmosfery zarówno w wyniku utleniania metanu, jak i w wyniku odgazowania płaszcza i wietrzenia skał. W przypadku gdyby cały dwutlenek węgla uwolniony w całej historii Ziemi został zachowany w atmosferze, jej ciśnienie cząstkowe mogłoby obecnie osiągnąć takie samo ciśnienie jak na Wenus (O. Sorokhtin, S. A. Ushakov, 1991). Ale na Ziemi miał miejsce proces odwrotny. Znaczna część dwutlenku węgla z atmosfery została rozpuszczona w hydrosferze, gdzie została wykorzystana przez hydrobionty do budowy muszli i biogennie przekształcona w węglany. Następnie utworzyły się z nich grube warstwy węglanów chemogennych i organogennych.

Tlen dostał się do atmosfery z trzech źródeł. Przez długi czas, począwszy od chwili pojawienia się Ziemi, był on uwalniany podczas odgazowania płaszcza i zużywany był głównie na procesy oksydacyjne.Innym źródłem tlenu była fotodysocjacja pary wodnej pod wpływem twardego ultrafioletowego promieniowania słonecznego. Występy; wolny tlen w atmosferze doprowadził do śmierci większości prokariotów żyjących w warunkach redukujących. Organizmy prokariotyczne zmieniły swoje siedliska. Opuścili powierzchnię Ziemi w jej głębiny i obszary, gdzie nadal utrzymywały się warunki rekonwalescencji. Zastąpiły je eukarionty, które zaczęły energetycznie przekształcać dwutlenek węgla w tlen.

W okresie archaiku i znacznej części proterozoiku prawie cały tlen powstający zarówno w sposób abiogenny, jak i biogeniczny był zużywany głównie na utlenianie żelaza i siarki. Pod koniec proterozoiku całe metaliczne żelazo dwuwartościowe znajdujące się na powierzchni ziemi utleniło się lub przeniosło do jądra ziemi. Spowodowało to zmianę ciśnienia parcjalnego tlenu we wczesnej atmosferze proterozoicznej.

W połowie proterozoiku stężenie tlenu w atmosferze osiągnęło punkt Jury i wyniosło 0,01% współczesnego poziomu. Od tego czasu w atmosferze zaczął gromadzić się tlen i prawdopodobnie już pod koniec Ripheana jego zawartość osiągnęła punkt Pasteura (0,1% współczesnego poziomu). Możliwe, że warstwa ozonowa pojawiła się w okresie wendyjskim i nigdy nie zniknęła.

Pojawienie się wolnego tlenu w atmosferze ziemskiej pobudziło ewolucję życia i doprowadziło do pojawienia się nowych form o bardziej zaawansowanym metabolizmie. Jeśli wcześniejsze eukariotyczne jednokomórkowe glony i cyjanu, które pojawiły się na początku proterozoiku, wymagały zawartości tlenu w wodzie zaledwie 10 -3 jej współczesnego stężenia, to wraz z pojawieniem się nieszkieletowych Metazoa pod koniec wczesnego wendyjskiego, tj. około 650 milionów lat temu stężenie tlenu w atmosferze powinno być znacznie wyższe. Przecież Metazoa stosował oddychanie tlenowe, a to wymagało, aby ciśnienie parcjalne tlenu osiągnęło poziom krytyczny – punkt Pasteura. W tym przypadku proces fermentacji beztlenowej został zastąpiony energetycznie bardziej obiecującym i postępującym metabolizmem tlenowym.

Następnie dość szybko nastąpiło dalsze gromadzenie się tlenu w atmosferze ziemskiej. Postępujący wzrost liczebności sinic przyczynił się do osiągnięcia w atmosferze poziomu tlenu niezbędnego do podtrzymania życia świata zwierzęcego. Pewna stabilizacja zawartości tlenu w atmosferze nastąpiła od momentu przybycia roślin na ląd – około 450 milionów lat temu. Pojawienie się roślin na lądzie, które nastąpiło w okresie syluru, doprowadziło do ostatecznej stabilizacji poziomu tlenu w atmosferze. Od tego momentu jego koncentracja zaczęła oscylować w dość wąskich granicach, nigdy nie przekraczając granic istnienia życia. Od czasu pojawienia się roślin kwitnących stężenie tlenu w atmosferze całkowicie się ustabilizowało. Wydarzenie to miało miejsce w połowie okresu kredowego, tj. około 100 milionów lat temu.

Większość azotu powstała we wczesnych stadiach rozwoju Ziemi, głównie w wyniku rozkładu amoniaku. Wraz z pojawieniem się organizmów rozpoczął się proces wiązania azotu atmosferycznego w materię organiczną i zakopywania jej w osadach morskich. Gdy organizmy dotarły na ląd, azot zaczął być zakopywany w osadach kontynentalnych. Procesy przetwarzania wolnego azotu nasiliły się szczególnie wraz z pojawieniem się roślin lądowych.

Na przełomie kryptozoiku i fanerozoiku, czyli około 650 milionów lat temu, zawartość dwutlenku węgla w atmosferze spadła do dziesiątych części procenta i dopiero niedawno, bo około 10-20 milionów lat osiągnęła zawartość zbliżoną do współczesnego. temu.

Zatem skład gazowy atmosfery nie tylko zapewnił przestrzeń życiową organizmom, ale także określił cechy ich aktywności życiowej oraz przyczynił się do osadnictwa i ewolucji. Pojawiające się zaburzenia w rozkładzie składu gazowego atmosfery sprzyjające organizmom, zarówno ze względów kosmicznych, jak i planetarnych, doprowadziły do ​​masowego wymierania świata organicznego, które wielokrotnie miało miejsce w okresie kryptozoiku i na pewnych granicach fanerozoiku.

Funkcje etnosferyczne atmosfery

Atmosfera ziemska dostarcza niezbędnych substancji, energii oraz determinuje kierunek i szybkość procesów metabolicznych. Skład gazu współczesnej atmosfery jest optymalny dla istnienia i rozwoju życia. Będąc obszarem kształtowania się pogody i klimatu, atmosfera musi stwarzać komfortowe warunki do życia ludzi, zwierząt i roślinności. Odchylenia w tym czy innym kierunku jakości powietrza atmosferycznego i warunków pogodowych stwarzają ekstremalne warunki dla życia flory i fauny, w tym ludzi.

Atmosfera ziemska nie tylko zapewnia warunki do istnienia ludzkości, ale jest głównym czynnikiem ewolucji etnosfery. Jednocześnie okazuje się być źródłem energii i surowca do produkcji. Ogólnie rzecz biorąc, atmosfera jest czynnikiem chroniącym zdrowie człowieka, a niektóre obszary, ze względu na warunki fizyczno-geograficzne i jakość powietrza atmosferycznego, pełnią funkcję terenów rekreacyjnych i są terenami przeznaczonymi do leczenia sanatoryjno-uzdrowiskowego i rekreacji ludzi. Atmosfera jest zatem czynnikiem oddziaływania estetycznego i emocjonalnego.

Funkcje atmosfery, etnosfery i technosfery, zdefiniowane całkiem niedawno (E. D. Nikitin, N. A. Yasamanov, 2001), wymagają niezależnych i pogłębionych badań. Zatem badanie funkcji energii atmosferycznej jest bardzo istotne zarówno z punktu widzenia występowania i przebiegu procesów uszkadzających środowisko, jak i z punktu widzenia wpływu na zdrowie i dobrostan ludzi. W tym przypadku mówimy o energii cyklonów i antycyklonów, wirów atmosferycznych, ciśnieniu atmosferycznym i innych ekstremalnych zjawiskach atmosferycznych, których efektywne wykorzystanie przyczyni się do pomyślnego rozwiązania problemu pozyskiwania alternatywnych źródeł energii, które nie zanieczyszczają środowiska. środowisko. Wszakże środowisko powietrzne, zwłaszcza jego część znajdująca się nad Oceanem Światowym, jest obszarem, w którym uwalniana jest kolosalna ilość darmowej energii.

Ustalono np., że cyklony tropikalne o średniej sile uwalniają w ciągu jednego dnia energię odpowiadającą energii 500 tysięcy bomb atomowych zrzuconych na Hiroszimę i Nagasaki. W ciągu 10 dni istnienia takiego cyklonu uwalniana jest ilość energii wystarczająca do zaspokojenia wszystkich potrzeb energetycznych kraju takiego jak Stany Zjednoczone przez 600 lat.

W ostatnich latach ukazała się duża liczba prac przyrodników, w taki czy inny sposób zajmujących się różnymi aspektami działalności i wpływem atmosfery na procesy ziemskie, co wskazuje na intensyfikację interakcji interdyscyplinarnych we współczesnych naukach przyrodniczych. Jednocześnie przejawia się integrująca rola niektórych jej kierunków, wśród których należy wymienić kierunek funkcjonalno-ekologiczny w geoekologii.

Kierunek ten stymuluje analizę i teoretyczne uogólnienia na temat funkcji ekologicznych i roli planetarnej różnych geosfer, a to z kolei stanowi ważny warunek wstępny rozwoju metodologii i podstaw naukowych do całościowego badania naszej planety, racjonalnego wykorzystania i ochrony jego zasoby naturalne.

Atmosfera ziemska składa się z kilku warstw: troposfery, stratosfery, mezosfery, termosfery, jonosfery i egzosfery. Na górze troposfery i na dole stratosfery znajduje się warstwa wzbogacona ozonem, zwana tarczą ozonową. Ustalono pewne (dzienne, sezonowe, roczne itp.) wzorce dystrybucji ozonu. Od swojego powstania atmosfera wpływa na przebieg procesów planetarnych. Pierwotny skład atmosfery był zupełnie inny niż obecnie, jednak z biegiem czasu udział i rola azotu cząsteczkowego stale rosła, około 650 milionów lat temu pojawił się wolny tlen, którego ilość stale rosła, ale stężenie dwutlenku węgla odpowiednio spadła. Wysoka mobilność atmosfery, jej skład gazowy oraz obecność aerozoli decydują o jej wyjątkowej roli i aktywnym udziale w różnorodnych procesach geologicznych i biosferycznych. Atmosfera odgrywa ogromną rolę w redystrybucji energii słonecznej i rozwoju katastrofalnych zjawisk naturalnych i katastrof. Wiry atmosferyczne - tornada (tornada), huragany, tajfuny, cyklony i inne zjawiska mają negatywny wpływ na świat organiczny i systemy naturalne. Głównymi źródłami zanieczyszczeń, obok czynników naturalnych, są różne formy działalności gospodarczej człowieka. Oddziaływania antropogeniczne na atmosferę wyrażają się nie tylko w pojawianiu się różnorodnych aerozoli i gazów cieplarnianych, ale także we wzroście ilości pary wodnej, objawiając się w postaci smogu i kwaśnych deszczy. Gazy cieplarniane zmieniają reżim temperaturowy powierzchni ziemi, emisje niektórych gazów zmniejszają objętość warstwy ozonowej i przyczyniają się do powstawania dziur ozonowych. Etnosferyczna rola atmosfery ziemskiej jest ogromna.

Rola atmosfery w procesach naturalnych

Atmosfera powierzchniowa, w stanie pośrednim pomiędzy litosferą a przestrzenią kosmiczną i jej składem gazowym, stwarza warunki do życia organizmów. Jednocześnie wietrzenie i intensywność niszczenia skał, przenoszenia i akumulacji materiału klastycznego zależą od ilości, charakteru i częstotliwości opadów, częstotliwości i siły wiatrów, a zwłaszcza temperatury powietrza. Atmosfera jest centralnym elementem systemu klimatycznego. Temperatura i wilgotność powietrza, zachmurzenie i opady, wiatr - to wszystko charakteryzuje pogodę, czyli stale zmieniający się stan atmosfery. Jednocześnie te same składniki charakteryzują klimat, tj. Średni długoterminowy reżim pogodowy.

Skład gazów, obecność chmur i różnych zanieczyszczeń, zwanych cząsteczkami aerozolu (popiół, pył, cząstki pary wodnej), określa charakterystykę przejścia promieniowania słonecznego przez atmosferę i zapobiega ucieczce promieniowania cieplnego Ziemi w przestrzeń kosmiczną.

Atmosfera ziemska jest bardzo mobilna. Zachodzące w nim procesy i zmiany składu, grubości, zmętnienia, przezroczystości oraz obecności w nim określonych cząstek aerozolu wpływają zarówno na pogodę, jak i klimat.

O działaniu i kierunku procesów naturalnych, a także życia i aktywności na Ziemi decyduje promieniowanie słoneczne. Zapewnia 99,98% ciepła dostarczanego do powierzchni ziemi. Rocznie wynosi to 134*10 19 kcal. Taką ilość ciepła można uzyskać spalając 200 miliardów ton węgla. Zasoby wodoru tworzące ten przepływ energii termojądrowej w masie Słońca wystarczą co najmniej na kolejne 10 miliardów lat, czyli na okres dwukrotnie dłuższy niż istnienie naszej planety i niej samej.

Około 1/3 całkowitej ilości energii słonecznej docierającej do górnej granicy atmosfery jest odbijana z powrotem w przestrzeń kosmiczną, 13% jest pochłaniane przez warstwę ozonową (w tym prawie całe promieniowanie ultrafioletowe). 7% - reszta atmosfery i tylko 44% dociera do powierzchni ziemi. Całkowite promieniowanie słoneczne docierające do Ziemi w ciągu dnia jest równe energii, jaką ludzkość otrzymała w wyniku spalania wszystkich rodzajów paliw w ciągu ostatniego tysiąclecia.

Ilość i charakter rozkładu promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi są ściśle uzależnione od zachmurzenia i przezroczystości atmosfery. Na ilość promieniowania rozproszonego wpływa wysokość Słońca nad horyzontem, przezroczystość atmosfery, zawartość pary wodnej, pyłu, całkowita ilość dwutlenku węgla itp.

Maksymalna ilość rozproszonego promieniowania dociera do obszarów polarnych. Im niżej Słońce znajduje się nad horyzontem, tym mniej ciepła dostaje się do danego obszaru terenu.

Duże znaczenie ma przejrzystość i zachmurzenie atmosfery. W pochmurny letni dzień jest zwykle zimniej niż w pogodny, ponieważ zachmurzenie w ciągu dnia zapobiega nagrzewaniu się powierzchni ziemi.

Zapylenie atmosfery odgrywa główną rolę w dystrybucji ciepła. Znajdujące się w nim drobno rozproszone cząstki stałe kurzu i popiołu, które wpływają na jego przezroczystość, negatywnie wpływają na rozkład promieniowania słonecznego, którego większość jest odbijana. Drobne cząsteczki dostają się do atmosfery na dwa sposoby: albo popiół emitowany podczas erupcji wulkanów, albo pustynny pył niesiony przez wiatry z suchych regionów tropikalnych i subtropikalnych. Szczególnie dużo takiego pyłu powstaje podczas suszy, kiedy prądy ciepłego powietrza unoszą go do górnych warstw atmosfery i mogą tam pozostawać przez długi czas. Po erupcji wulkanu Krakatoa w 1883 roku pył ​​wyrzucony do atmosfery na dziesiątki kilometrów pozostawał w stratosferze przez około 3 lata. W wyniku erupcji wulkanu El Chichon (Meksyk) w 1985 roku pył ​​dotarł do Europy, w związku z czym nastąpił nieznaczny spadek temperatur powierzchniowych.

Atmosfera ziemska zawiera zmienne ilości pary wodnej. W wartościach bezwzględnych wagowo lub objętościowo jego ilość waha się od 2 do 5%.

Para wodna, podobnie jak dwutlenek węgla, nasila efekt cieplarniany. W chmurach i mgłach powstających w atmosferze zachodzą specyficzne procesy fizyczne i chemiczne.

Głównym źródłem pary wodnej do atmosfery jest powierzchnia Oceanu Światowego. Rocznie odparowuje z niej warstwa wody o grubości od 95 do 110 cm, część wilgoci po kondensacji wraca do oceanu, a część kierowana jest przez prądy powietrza w stronę kontynentów. Na obszarach o zmiennym wilgotnym klimacie opady atmosferyczne nawilżają glebę, a w wilgotnym klimacie tworzą rezerwy wód gruntowych. Zatem atmosfera jest akumulatorem wilgoci i zbiornikiem opadów. oraz mgły powstające w atmosferze zapewniają wilgoć pokrywie glebowej i tym samym odgrywają decydującą rolę w rozwoju flory i fauny.

Wilgoć atmosferyczna rozprowadzana jest po powierzchni ziemi ze względu na ruchliwość atmosfery. Charakteryzuje się bardzo złożonym systemem rozkładu wiatrów i ciśnień. W związku z tym, że atmosfera znajduje się w ciągłym ruchu, charakter i skala rozkładu przepływów i ciśnień wiatru ulegają ciągłym zmianom. Skala cyrkulacji jest zróżnicowana, od mikrometeorologicznej, o wielkości zaledwie kilkuset metrów, po skalę globalną obejmującą kilkadziesiąt tysięcy kilometrów. Ogromne wiry atmosferyczne uczestniczą w tworzeniu układów wielkoskalowych prądów powietrza i determinują ogólną cyrkulację atmosfery. Ponadto są źródłem katastrofalnych zjawisk atmosferycznych.

Rozmieszczenie warunków pogodowych i klimatycznych oraz funkcjonowanie materii żywej zależy od ciśnienia atmosferycznego. Jeżeli ciśnienie atmosferyczne waha się w niewielkich granicach, nie odgrywa to decydującej roli w dobrostanie ludzi i zachowaniu zwierząt oraz nie wpływa na funkcje fizjologiczne roślin. Zmiany ciśnienia są zwykle związane ze zjawiskami frontowymi i zmianami pogody.

Podstawowe znaczenie dla powstawania wiatru ma ciśnienie atmosferyczne, które będąc czynnikiem tworzącym relief ma silny wpływ na świat zwierząt i roślin.

Wiatr może hamować wzrost roślin i jednocześnie sprzyjać przenoszeniu nasion. Rola wiatru w kształtowaniu warunków pogodowych i klimatycznych jest ogromna. Pełni także funkcję regulatora prądów morskich. Wiatr, jako jeden z czynników egzogenicznych, przyczynia się do erozji i deflacji zwietrzałego materiału na duże odległości.

Ekologiczna i geologiczna rola procesów atmosferycznych

Zmniejszenie przezroczystości atmosfery na skutek pojawienia się w niej cząstek aerozolu i pyłu stałego wpływa na rozkład promieniowania słonecznego, zwiększając albedo lub współczynnik odbicia. Do tego samego rezultatu prowadzą różne reakcje chemiczne, które powodują rozkład ozonu i powstawanie „perłowych” chmur składających się z pary wodnej. Za zmiany klimatyczne odpowiedzialne są globalne zmiany współczynnika odbicia światła, a także zmiany zawartości gazów atmosferycznych, głównie gazów cieplarnianych.

Nierównomierne ogrzewanie, które powoduje różnice ciśnienia atmosferycznego w różnych częściach powierzchni ziemi, prowadzi do cyrkulacji atmosferycznej, która jest cechą charakterystyczną troposfery. Kiedy pojawia się różnica ciśnień, powietrze przepływa z obszarów o wyższym ciśnieniu do obszarów o niskim ciśnieniu. Te ruchy mas powietrza, wraz z wilgotnością i temperaturą, determinują główne cechy ekologiczne i geologiczne procesów atmosferycznych.

W zależności od prędkości wiatr wykonuje na powierzchni ziemi różne prace geologiczne. Z prędkością 10 m/s potrząsa grubymi gałęziami drzew, unosząc i przenosząc pył oraz drobny piasek; łamie gałęzie drzew z prędkością 20 m/s, przenosi piasek i żwir; przy prędkości 30 m/s (burza) zrywa dachy domów, wyrywa drzewa, łamie słupy, przesuwa kamyki i niesie drobny gruz, a huraganowy wiatr z prędkością 40 m/s niszczy domy, łamie i niszczy energię słupy liniowe, wyrywa duże drzewa.

Szkwały i tornada (tornada) – wiry atmosferyczne powstające w ciepłej porze roku na potężnych frontach atmosferycznych, z prędkością dochodzącą do 100 m/s, wywierają ogromny negatywny wpływ na środowisko z katastrofalnymi skutkami. Szkwały to poziome trąby powietrzne o prędkości huraganowej (do 60-80 m/s). Często towarzyszą im ulewne deszcze i burze trwające od kilku minut do pół godziny. Szkwały pokrywają obszary o szerokości do 50 km i pokonują odległość 200–250 km. Nawałnica, która w 1998 r. nawiedziła Moskwę i obwód moskiewski, uszkodziła dachy wielu domów i powaliła drzewa.

Tornada, zwane w Ameryce Północnej tornadami, to potężne wiry atmosferyczne w kształcie lejka, często kojarzone z chmurami burzowymi. Są to kolumny powietrza zwężające się w środku i mające średnicę od kilkudziesięciu do kilkuset metrów. Tornado ma wygląd lejka, bardzo podobnego do trąby słonia, schodzącego z chmur lub wznoszącego się z powierzchni ziemi. Posiadając silne rozrzedzenie i dużą prędkość obrotową, tornado pokonuje nawet kilkaset kilometrów, pobierając kurz, wodę ze zbiorników i różnych obiektów. Potężnym tornado towarzyszą burze, deszcze i mają wielką niszczycielską moc.

Tornada rzadko występują w regionach subpolarnych lub równikowych, gdzie jest stale zimno lub gorąco. Na otwartym oceanie jest niewiele tornad. Tornada występują w Europie, Japonii, Australii, USA, a w Rosji szczególnie często występują w regionie Centralnej Czarnej Ziemi, w obwodach Moskwy, Jarosławia, Niżnego Nowogrodu i Iwanowa.

Tornada podnoszą i przesuwają samochody, domy, powozy i mosty. Szczególnie niszczycielskie tornada obserwuje się w Stanach Zjednoczonych. Każdego roku pojawia się od 450 do 1500 tornad, w których średnia liczba ofiar śmiertelnych wynosi około 100 osób. Tornada to szybko działające, katastrofalne procesy atmosferyczne. Powstają w ciągu zaledwie 20-30 minut, a ich żywotność wynosi 30 minut. Dlatego prawie niemożliwe jest przewidzenie czasu i miejsca tornad.

Innymi niszczycielskimi, ale długotrwałymi wirami atmosferycznymi są cyklony. Powstają w wyniku różnicy ciśnień, która w pewnych warunkach przyczynia się do powstania kołowego ruchu przepływów powietrza. Wiry atmosferyczne powstają wokół silnych przepływów wilgotnego, ciepłego powietrza w górę i obracają się z dużą prędkością zgodnie z ruchem wskazówek zegara na półkuli południowej i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara na półkuli północnej. Cyklony, w przeciwieństwie do tornad, powstają nad oceanami i powodują niszczycielskie skutki na kontynentach. Głównymi czynnikami niszczącymi są silne wiatry, intensywne opady atmosferyczne w postaci opadów śniegu, ulewy, grad oraz wezbrania. Wiatry o prędkości 19 - 30 m/s tworzą burzę, 30 - 35 m/s - burzę, a powyżej 35 m/s - huragan.

Cyklony tropikalne – huragany i tajfuny – mają średnią szerokość kilkuset kilometrów. Prędkość wiatru wewnątrz cyklonu osiąga siłę huraganu. Cyklony tropikalne trwają od kilku dni do kilku tygodni, poruszając się z prędkością od 50 do 200 km/h. Cyklony na średnich szerokościach geograficznych mają większą średnicę. Ich wymiary poprzeczne wahają się od tysiąca do kilku tysięcy kilometrów, a prędkość wiatru jest burzliwa. Przemieszczają się one na półkuli północnej z zachodu i towarzyszą im opady gradu i śniegu, które mają katastrofalny charakter. Cyklony i towarzyszące im huragany i tajfuny są największym naturalnym zjawiskiem atmosferycznym po powodziach pod względem liczby ofiar i wyrządzonych szkód. W gęsto zaludnionych obszarach Azji liczba ofiar śmiertelnych huraganów liczy się w tysiącach. W 1991 roku podczas huraganu w Bangladeszu, który spowodował powstanie fal morskich o wysokości 6 m, zginęło 125 tysięcy osób. Tajfuny powodują ogromne szkody w Stanach Zjednoczonych. W tym samym czasie giną dziesiątki i setki ludzi. W Europie Zachodniej huragany powodują mniejsze szkody.

Burze uważane są za katastrofalne zjawisko atmosferyczne. Występują, gdy ciepłe, wilgotne powietrze unosi się bardzo szybko. Na granicy strefy tropikalnej i subtropikalnej burze występują przez 90-100 dni w roku, w strefie umiarkowanej 10-30 dni. W naszym kraju najwięcej burz występuje na Kaukazie Północnym.

Burze trwają zwykle krócej niż godzinę. Szczególnie niebezpieczne są intensywne ulewy, grad, uderzenia piorunów, porywy wiatru i pionowe prądy powietrza. Zagrożenie gradowe określa się na podstawie wielkości kamieni gradowych. Na Kaukazie Północnym masa gradu osiągnęła kiedyś 0,5 kg, a w Indiach odnotowano grad o masie 7 kg. Najbardziej niebezpieczne obszary miejskie w naszym kraju znajdują się na Północnym Kaukazie. W lipcu 1992 r. grad uszkodził 18 samolotów na lotnisku Mineralne Wody.

Do niebezpiecznych zjawisk atmosferycznych zaliczają się wyładowania atmosferyczne. Zabijają ludzi, zwierzęta gospodarskie, powodują pożary i niszczą sieć energetyczną. Co roku na całym świecie w wyniku burz i ich skutków umiera około 10 000 osób. Co więcej, w niektórych obszarach Afryki, Francji i USA liczba ofiar piorunów jest większa niż w przypadku innych zjawisk naturalnych. Roczne szkody gospodarcze spowodowane burzami w Stanach Zjednoczonych wynoszą co najmniej 700 milionów dolarów.

Susze są typowe dla regionów pustynnych, stepowych i leśno-stepowych. Brak opadów powoduje przesuszenie gleby, obniżenie poziomu wód gruntowych oraz w zbiornikach aż do ich całkowitego wyschnięcia. Niedobór wilgoci prowadzi do śmierci roślinności i plonów. Susze są szczególnie dotkliwe w Afryce, na Bliskim i Środkowym Wschodzie, w Azji Środkowej i południowej Ameryce Północnej.

Susze zmieniają warunki życia człowieka i wywierają niekorzystny wpływ na środowisko naturalne poprzez procesy takie jak zasolenie gleby, suche wiatry, burze piaskowe, erozja gleby i pożary lasów. Pożary są szczególnie dotkliwe podczas suszy w regionach tajgi, lasach tropikalnych i subtropikalnych oraz na sawannach.

Susze są procesami krótkotrwałymi, trwającymi jeden sezon. Kiedy susze trwają dłużej niż dwa sezony, pojawia się zagrożenie głodem i masową śmiertelnością. Zazwyczaj susza dotyka terytorium jednego lub większej liczby krajów. Szczególnie często w regionie Sahelu w Afryce występują długotrwałe susze o tragicznych skutkach.

Zjawiska atmosferyczne, takie jak opady śniegu, krótkotrwałe ulewne deszcze i długotrwałe długotrwałe deszcze, powodują ogromne szkody. Opady śniegu powodują w górach ogromne lawiny, a szybkie topnienie opadłego śniegu i długotrwałe opady deszczu prowadzą do powodzi. Ogromna masa wody spadająca na powierzchnię ziemi, zwłaszcza na tereny bezdrzewne, powoduje silną erozję gleby. Następuje intensywny rozwój systemów rygli wpustowych. Powodzie powstają w wyniku dużych powodzi w okresach intensywnych opadów lub wezbrania po nagłym ociepleniu lub wiosennym topnieniu śniegu, a zatem mają podłoże w zjawiskach atmosferycznych (omówione są w rozdziale poświęconym ekologicznej roli hydrosfery).

Antropogeniczne zmiany atmosferyczne

Obecnie istnieje wiele różnych źródeł antropogenicznych, które powodują zanieczyszczenie powietrza i prowadzą do poważnych zaburzeń równowagi ekologicznej. Pod względem skali największy wpływ na atmosferę mają dwa źródła: transport i przemysł. Transport odpowiada średnio za około 60% całkowitej ilości zanieczyszczeń powietrza, przemysł – 15, energia cieplna – 15, technologie niszczenia odpadów bytowych i przemysłowych – 10%.

Transport, w zależności od stosowanego paliwa i rodzaju utleniaczy, emituje do atmosfery tlenki azotu, siarkę, tlenki i dwutlenek węgla, ołów i jego związki, sadzę, benzopiren (substancja z grupy wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, będąca silnym czynnik rakotwórczy powodujący raka skóry).

Przemysł emituje do atmosfery dwutlenek siarki, tlenki i dwutlenki węgla, węglowodory, amoniak, siarkowodór, kwas siarkowy, fenol, chlor, fluor i inne związki chemiczne. Jednak dominującą pozycję wśród emisji (do 85%) zajmują pyły.

W wyniku zanieczyszczeń zmienia się przezroczystość atmosfery, powodując aerozole, smog i kwaśne deszcze.

Aerozole to układy rozproszone składające się z cząstek stałych lub kropelek cieczy zawieszonych w środowisku gazowym. Wielkość cząstek fazy rozproszonej wynosi zwykle 10 -3 -10 -7 cm W zależności od składu fazy rozproszonej aerozole dzieli się na dwie grupy. Jedna obejmuje aerozole składające się z cząstek stałych rozproszonych w ośrodku gazowym, druga obejmuje aerozole będące mieszaniną fazy gazowej i ciekłej. Te pierwsze nazywane są dymami, a drugie - mgłami. W procesie ich powstawania ważną rolę odgrywają centra kondensacyjne. Popiół wulkaniczny, pył kosmiczny, produkty emisji przemysłowych, różne bakterie itp. Działają jak jądra kondensacji. Liczba możliwych źródeł jąder koncentracji stale rośnie. Na przykład, gdy sucha trawa zostanie zniszczona przez ogień na powierzchni 4000 m 2, powstaje średnio 11 * 10 22 jąder aerozolu.

Aerozole zaczęły powstawać od chwili pojawienia się naszej planety i wpłynęły na warunki naturalne. Jednak ich ilość i działanie, zrównoważone ogólnym cyklem substancji w przyrodzie, nie spowodowały głębokich zmian w środowisku. Czynniki antropogeniczne ich powstawania przesunęły tę równowagę w stronę znacznych przeciążeń biosfery. Cecha ta stała się szczególnie widoczna, odkąd ludzkość zaczęła stosować specjalnie stworzone aerozole zarówno w postaci substancji toksycznych, jak i do ochrony roślin.

Najbardziej niebezpieczne dla roślinności są aerozole dwutlenku siarki, fluorowodoru i azotu. W kontakcie z wilgotną powierzchnią liści tworzą kwasy, które mają szkodliwy wpływ na organizmy żywe. Kwaśne mgły dostają się wraz z wdychanym powietrzem do narządów oddechowych zwierząt i ludzi i działają agresywnie na błony śluzowe. Część z nich rozkłada żywą tkankę, a radioaktywne aerozole powodują raka. Wśród izotopów promieniotwórczych Sg 90 jest szczególnie niebezpieczny nie tylko ze względu na swoje działanie rakotwórcze, ale także jako analog wapnia, zastępując go w kościach organizmów, powodując ich rozkład.

Podczas wybuchów jądrowych w atmosferze tworzą się radioaktywne chmury aerozolu. Małe cząstki o promieniu 1 - 10 mikronów wpadają nie tylko do górnych warstw troposfery, ale także do stratosfery, gdzie mogą pozostać przez długi czas. Chmury aerozolu powstają także podczas pracy reaktorów w instalacjach przemysłowych wytwarzających paliwo jądrowe, a także w wyniku awarii w elektrowniach jądrowych.

Smog to mieszanina aerozoli z fazami rozproszonymi ciekłymi i stałymi, które tworzą mglistą kurtynę nad terenami przemysłowymi i dużymi miastami.

Wyróżnia się trzy rodzaje smogu: lodowy, mokry i suchy. Smog lodowy nazywany jest smogiem alaskańskim. Jest to połączenie zanieczyszczeń gazowych z dodatkiem cząstek pyłu i kryształków lodu, które powstają w wyniku zamarznięcia kropelek mgły i pary z systemów grzewczych.

Smog mokry lub smog typu londyńskiego nazywany jest czasami smogiem zimowym. Jest to mieszanina zanieczyszczeń gazowych (głównie dwutlenku siarki), cząstek pyłu i kropelek mgły. Meteorologicznym warunkiem pojawienia się smogu zimowego jest bezwietrzna pogoda, podczas której warstwa ciepłego powietrza znajduje się nad przyziemną warstwą zimnego powietrza (poniżej 700 m). W tym przypadku mamy do czynienia nie tylko z wymianą poziomą, ale także pionową. Zanieczyszczenia, zwykle rozproszone w wysokich warstwach, w tym przypadku kumulują się w warstwie powierzchniowej.

Smog suchy występuje latem i często nazywany jest smogiem typu Los Angeles. Jest to mieszanina ozonu, tlenku węgla, tlenków azotu i par kwasowych. Smog taki powstaje w wyniku rozkładu substancji zanieczyszczających pod wpływem promieniowania słonecznego, zwłaszcza jego części ultrafioletowej. Warunkiem meteorologicznym jest inwersja atmosfery, wyrażająca się pojawieniem się warstwy zimnego powietrza nad ciepłym. Zwykle gazy i cząstki stałe unoszone przez prądy ciepłego powietrza są następnie rozpraszane w górnych, zimnych warstwach, ale w tym przypadku gromadzą się w warstwie inwersyjnej. W procesie fotolizy dwutlenki azotu powstające podczas spalania paliwa w silnikach samochodowych rozkładają się:

NIE 2 → NIE + O

Następnie następuje synteza ozonu:

O + O 2 + M → O 3 + M

NIE + O → NIE 2

Procesom fotodysocjacji towarzyszy żółto-zielona poświata.

Dodatkowo zachodzą reakcje typu: SO 3 + H 2 0 -> H 2 SO 4, czyli powstaje mocny kwas siarkowy.

Wraz ze zmianą warunków meteorologicznych (pojawienie się wiatru lub zmiana wilgotności) zimne powietrze ulatnia się, a smog znika.

Obecność substancji rakotwórczych w smogu prowadzi do problemów z oddychaniem, podrażnienia błon śluzowych, zaburzeń krążenia, uduszenia astmatycznego, a często nawet śmierci. Smog jest szczególnie niebezpieczny dla małych dzieci.

Kwaśne deszcze to opady atmosferyczne zakwaszane przemysłową emisją tlenków siarki, azotu oraz par kwasu nadchlorowego i rozpuszczonego w nich chloru. W procesie spalania węgla i gazu większość zawartej w nich siarki, zarówno w postaci tlenkowej, jak i w związkach z żelazem, zwłaszcza w pirycie, pirotycie, chalkopirycie itp., ulega przemianie w tlenek siarki, który razem wraz z dwutlenkiem węgla jest emitowany do atmosfery. Kiedy azot atmosferyczny i emisje techniczne łączą się z tlenem, tworzą się różne tlenki azotu, a objętość powstałych tlenków azotu zależy od temperatury spalania. Najwięcej tlenków azotu powstaje podczas eksploatacji pojazdów i lokomotyw spalinowych, mniejsza część występuje w energetyce i przedsiębiorstwach przemysłowych. Głównymi kwasotwórczymi są tlenki siarki i azotu. Podczas reakcji z tlenem atmosferycznym i zawartą w nim parą wodną powstają kwasy siarkowy i azotowy.

Wiadomo, że o równowadze zasadowo-kwasowej środowiska decyduje wartość pH. Środowisko neutralne ma wartość pH 7, środowisko kwaśne ma wartość pH 0, a środowisko zasadowe ma wartość pH 14. W czasach nowożytnych wartość pH wody deszczowej wynosi 5,6, choć w niedawnej przeszłości był neutralny. Spadek wartości pH o jeden odpowiada dziesięciokrotnemu wzrostowi kwasowości i dlatego obecnie prawie wszędzie padają deszcze o zwiększonej kwasowości. Maksymalna kwasowość opadów odnotowana w Europie Zachodniej wynosiła 4-3,5 pH. Należy wziąć pod uwagę, że wartość pH 4-4,5 jest śmiertelna dla większości ryb.

Kwaśne deszcze agresywnie wpływają na roślinność Ziemi, budynki przemysłowe i mieszkalne oraz przyczyniają się do znacznego przyspieszenia wietrzenia odsłoniętych skał. Zwiększona kwasowość uniemożliwia samoregulację neutralizacji gleb, w których rozpuszczają się składniki odżywcze. To z kolei prowadzi do gwałtownego spadku plonów i powoduje degradację szaty roślinnej. Kwasowość gleby sprzyja uwalnianiu związanych ciężkich gleb, które są stopniowo wchłaniane przez rośliny, powodując poważne uszkodzenia tkanek i przenikając do ludzkiego łańcucha pokarmowego.

Zmiana potencjału kwasowo-zasadowego wód morskich, szczególnie w wodach płytkich, prowadzi do zaprzestania rozmnażania się wielu bezkręgowców, powoduje śmierć ryb i zakłóca równowagę ekologiczną w oceanach.

W wyniku kwaśnych deszczy lasy w Europie Zachodniej, krajach bałtyckich, Karelii, Uralu, Syberii i Kanadzie są zagrożone zniszczeniem.

Trzeba powiedzieć, że struktura i skład atmosfery ziemskiej nie zawsze były wartościami stałymi w tym czy innym okresie rozwoju naszej planety. Dziś pionową strukturę tego elementu, którego łączna „grubość” wynosi 1,5–2,0 tys. Km, reprezentuje kilka głównych warstw, w tym:

1. Troposfera.
2. Tropopauza.
3. Stratosfera.
4. Stratopauza.
5. Mezosfera i mezopauza.
6. Termosfera.
7. Egzosfera.

Podstawowe elementy atmosfery

Troposfera jest warstwą, w której obserwuje się silne ruchy pionowe i poziome, to tutaj kształtuje się pogoda, zjawiska sedymentacyjne i warunki klimatyczne. Rozciąga się na 7-8 kilometrów od powierzchni planety prawie wszędzie, z wyjątkiem regionów polarnych (tam do 15 km). W troposferze następuje stopniowy spadek temperatury, około 6,4°C z każdym kilometrem wysokości. Wskaźnik ten może się różnić dla różnych szerokości geograficznych i pór roku.

Skład atmosfery ziemskiej w tej części reprezentują następujące elementy i ich wartości procentowe:

Azot – około 78 procent;

Tlen – prawie 21 proc.;

Argon – około jednego procenta;

Dwutlenek węgla - mniej niż 0,05%.

Pojedynczy skład do wysokości 90 kilometrów

Ponadto można tu znaleźć pył, kropelki wody, parę wodną, ​​produkty spalania, kryształki lodu, sole morskie, wiele cząstek aerozolu itp. Taki skład atmosfery ziemskiej obserwuje się do około dziewięćdziesięciu kilometrów wysokości, więc powietrze jest w przybliżeniu taki sam skład chemiczny, nie tylko w troposferze, ale także w leżących nad nimi warstwach. Ale tam atmosfera ma zasadniczo inne właściwości fizyczne. Warstwa o ogólnym składzie chemicznym nazywana jest homosferą.

Jakie jeszcze pierwiastki tworzą atmosferę ziemską? Procentowo (objętościowo, w suchym powietrzu) ​​gazy takie jak krypton (około 1,14 x 10 -4), ksenon (8,7 x 10 -7), wodór (5,0 x 10 -5), metan (około 1,7 x 10 -5) są tutaj przedstawione.4), podtlenek azotu (5,0 x 10 -5) itp. Jako procent masowy większość wymienionych składników to podtlenek azotu i wodór, a następnie hel, krypton itp.

Właściwości fizyczne różnych warstw atmosfery

Właściwości fizyczne troposfery są ściśle związane z jej bliskością do powierzchni planety. Stąd odbite ciepło słoneczne w postaci promieni podczerwonych jest kierowane z powrotem w górę, co obejmuje procesy przewodzenia i konwekcji. Dlatego temperatura spada wraz z odległością od powierzchni ziemi. Zjawisko to obserwuje się do wysokości stratosfery (11-17 kilometrów), następnie temperatura pozostaje prawie niezmieniona do 34-35 km, a następnie temperatura ponownie wzrasta do wysokości 50 kilometrów (górna granica stratosfery) . Pomiędzy stratosferą a troposferą znajduje się cienka warstwa pośrednia tropopauzy (do 1-2 km), w której powyżej równika obserwuje się stałe temperatury - około minus 70 ° C i poniżej. Nad biegunami tropopauza latem „nagrzewa się” do minus 45°C, zimą temperatury oscylują tu wokół -65°C.

Skład gazowy atmosfery ziemskiej obejmuje tak ważny pierwiastek jak ozon. Na powierzchni jest go stosunkowo niewiele (dziesięć do minus szóstej potęgi jednego procenta), ponieważ gaz powstaje pod wpływem światła słonecznego z tlenu atomowego w górnych partiach atmosfery. W szczególności najwięcej ozonu występuje na wysokości około 25 km, a cały „ekran ozonowy” zlokalizowany jest na obszarach od 7-8 km na biegunach, od 18 km na równiku i łącznie do pięćdziesięciu kilometrów nad poziomem morza. powierzchnię planety.

Atmosfera chroni przed promieniowaniem słonecznym

Skład powietrza w atmosferze ziemskiej odgrywa bardzo ważną rolę w zachowaniu życia, gdyż poszczególne pierwiastki i składy chemiczne skutecznie ograniczają dostęp promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi oraz żyjących na niej ludzi, zwierząt i roślin. Na przykład cząsteczki pary wodnej skutecznie pochłaniają prawie wszystkie zakresy promieniowania podczerwonego, z wyjątkiem długości w zakresie od 8 do 13 mikronów. Ozon pochłania promieniowanie ultrafioletowe o długości fali do 3100 A. Bez swojej cienkiej warstwy (średnio tylko 3 mm, jeśli jest umieszczony na powierzchni planety), jedynie woda na głębokości ponad 10 metrów i podziemne jaskinie, do których nie dociera promieniowanie słoneczne zasięg może być zamieszkany.

Zero Celsjusza w stratopauzie

Pomiędzy dwoma kolejnymi poziomami atmosfery, stratosferą i mezosferą, znajduje się niezwykła warstwa - stratopauza. Odpowiada to w przybliżeniu wysokości maksimów ozonu, a temperatura jest tu w miarę komfortowa dla człowieka – około 0°C. Nad stratopauzą, w mezosferze (zaczyna się gdzieś na wysokości 50 km i kończy na wysokości 80-90 km) ponownie obserwuje się spadek temperatury wraz ze wzrostem odległości od powierzchni Ziemi (do minus 70-80 ° C ). Meteory zwykle spalają się całkowicie w mezosferze.

W termosferze - plus 2000 K!

Skład chemiczny atmosfery ziemskiej w termosferze (rozpoczyna się po mezopauzie od wysokości około 85-90 do 800 km) determinuje możliwość wystąpienia takiego zjawiska, jak stopniowe nagrzewanie się warstw bardzo rozrzedzonego „powietrza” pod wpływem promieniowania słonecznego . W tej części „kocu powietrznego” planety temperatury wahają się od 200 do 2000 K, które uzyskuje się w wyniku jonizacji tlenu (tlen atomowy znajduje się powyżej 300 km), a także rekombinacji atomów tlenu w cząsteczki , któremu towarzyszy wydzielanie dużej ilości ciepła. W termosferze występują zorze polarne.

Nad termosferą znajduje się egzosfera - zewnętrzna warstwa atmosfery, z której lekkie i szybko poruszające się atomy wodoru mogą uciec w przestrzeń kosmiczną. Skład chemiczny atmosfery ziemskiej reprezentowany jest tutaj głównie przez pojedyncze atomy tlenu w dolnych warstwach, atomy helu w środkowych warstwach i prawie wyłącznie atomy wodoru w górnych warstwach. Panują tu wysokie temperatury – około 3000 K i nie ma ciśnienia atmosferycznego.

Jak powstała atmosfera ziemska?

Ale, jak wspomniano powyżej, planeta nie zawsze miała taki skład atmosferyczny. W sumie istnieją trzy koncepcje pochodzenia tego pierwiastka. Pierwsza hipoteza sugeruje, że atmosfera została przejęta przez proces akrecji z obłoku protoplanetarnego. Jednak dziś teoria ta podlega znacznej krytyce, ponieważ taka pierwotna atmosfera powinna zostać zniszczona przez „wiatr” słoneczny z gwiazdy w naszym układzie planetarnym. Ponadto zakłada się, że pierwiastki lotne nie mogły zostać zatrzymane w strefie formowania się planet ziemskich ze względu na zbyt wysokie temperatury.

Skład pierwotnej atmosfery Ziemi, jak sugeruje druga hipoteza, mógł powstać w wyniku aktywnego bombardowania powierzchni przez asteroidy i komety, które przybyły z okolic Układu Słonecznego we wczesnych stadiach rozwoju. Potwierdzenie lub obalenie tej koncepcji jest dość trudne.

Eksperyment w IDG RAS

Najbardziej prawdopodobna wydaje się hipoteza trzecia, która zakłada, że ​​atmosfera powstała w wyniku uwolnienia gazów z płaszcza skorupy ziemskiej około 4 miliardów lat temu. Koncepcja ta została przetestowana w Instytucie Geografii Rosyjskiej Akademii Nauk podczas eksperymentu „Carev 2”, polegającego na podgrzewaniu w próżni próbki substancji pochodzenia meteorycznego. Następnie zarejestrowano uwolnienie gazów, takich jak H 2, CH 4, CO, H 2 O, N 2 itp. Dlatego naukowcy słusznie założyli, że skład chemiczny pierwotnej atmosfery Ziemi obejmował wodę i dwutlenek węgla, fluorowodór ( HF), gazowy tlenek węgla (CO), siarkowodór (H 2 S), związki azotu, wodór, metan (CH 4), pary amoniaku (NH 3), argon itp. W tworzeniu brała udział para wodna z atmosfery pierwotnej hydrosfery dwutlenek węgla znajdował się w większym stopniu w stanie związanym w substancjach organicznych i skałach, azot przedostał się do składu współczesnego powietrza, a także ponownie do skał osadowych i substancji organicznych.

Skład pierwotnej atmosfery Ziemi nie pozwalał współczesnym ludziom przebywać w niej bez aparatu oddechowego, gdyż nie było wówczas tlenu w wymaganych ilościach. Pierwiastek ten pojawił się w znacznych ilościach półtora miliarda lat temu, co uważa się za związane z rozwojem procesu fotosyntezy u niebieskozielonych i innych glonów, które są najstarszymi mieszkańcami naszej planety.

Minimalna ilość tlenu

O tym, że skład atmosfery ziemskiej był początkowo prawie beztlenowy, świadczy fakt, że w najstarszych skałach (katarchejskich) występuje łatwo utleniony, ale nie utleniony grafit (węgiel). Następnie pojawiły się tak zwane pasmowe rudy żelaza, które zawierały warstwy wzbogaconych tlenków żelaza, co oznacza pojawienie się na planecie potężnego źródła tlenu w postaci molekularnej. Ale pierwiastki te znajdowano tylko okresowo (być może na małych wyspach na beztlenowej pustyni pojawiły się te same glony lub inni producenci tlenu), podczas gdy reszta świata była beztlenowa. Za tym ostatnim przemawia fakt, że łatwo utleniony piryt stwierdzono w postaci otoczaków przetworzonych przepływowo, bez śladów reakcji chemicznych. Ponieważ wody płynące nie mogą być słabo napowietrzone, rozwinął się pogląd, że atmosfera przed kambrem zawierała mniej niż jeden procent dzisiejszego składu tlenu.

Rewolucyjna zmiana składu powietrza

Mniej więcej w połowie proterozoiku (1,8 miliarda lat temu) nastąpiła „rewolucja tlenowa”, kiedy świat przeszedł na oddychanie tlenowe, podczas którego z jednej cząsteczki składnika odżywczego (glukozy) można uzyskać 38, a nie dwie (jak w przypadku oddychanie beztlenowe) jednostki energii. Skład atmosfery ziemskiej pod względem zawartości tlenu zaczął przekraczać jeden procent obecnego składu i zaczęła pojawiać się warstwa ozonowa, chroniąca organizmy przed promieniowaniem. To od niej na przykład takie starożytne zwierzęta jak trylobity „ukrywały się” pod grubymi skorupami. Od tego czasu aż do naszych czasów zawartość głównego pierwiastka „oddechowego” stopniowo i powoli rosła, zapewniając różnorodność rozwoju form życia na planecie.

Zmiana składu atmosfery prowadzi do wpływu na reżim radiacyjny atmosfery – jest to główny mechanizm antropogenicznego wpływu na globalny system klimatyczny przy obecnym i przewidywanym poziomie rozwoju przemysłu w nadchodzących dziesięcioleciach.

Udział atmosferycznych gazów cieplarnianych (patrz. Efekt cieplarniany) stanowi większość tego wpływu. Wpływ stężeń gazów cieplarnianych na temperaturę determinowany jest absorpcją promieniowania długofalowego pochodzącego z Ziemi, a co za tym idzie zmniejszeniem efektywnego promieniowania na powierzchni Ziemi. W tym przypadku wzrastają temperatury maksymalne, a temperatura wyższych warstw atmosfery spada na skutek dużych strat promieniowania. Efekt ten potęgują dwie okoliczności:

1) wzrost ilości pary wodnej w atmosferze podczas ocieplenia, co również blokuje promieniowanie długofalowe;

2) cofanie się lodu polarnego podczas ocieplenia, co zmniejsza albedo Ziemi na stosunkowo dużych szerokościach geograficznych.

Wszystkie długo żyjące gazy cieplarniane i ozon zapewniają dodatnie wymuszanie radiacyjne (2,9 ± 0,3 W/m2). Całkowity wpływ radiacyjny czynników antropogenicznych, związany ze zmianami stężenia wszystkich gazów cieplarnianych i aerozoli, wynosi 1,6 (od 0,6 do 2,4) W/m2. Wszystkie rodzaje aerozoli powodują efekt radiacyjny bezpośrednio i pośrednio poprzez zmianę albedo chmur. Całkowite oddziaływanie aerozolu jest ujemne (–1,3 ± 0,8 W/m2). Wiarygodność tych szacunków jest jednak znacznie niższa niż w przypadku gazów cieplarnianych (Raport z oceny, 2008).

Gazy cieplarniane w atmosferze, na które istotny wpływ ma działalność gospodarcza:

– dwutlenek węgla(CO2) jest najważniejszym gazem cieplarnianym pod względem kontroli klimatu. W ciągu ostatnich 250 lat nastąpił bezprecedensowy wzrost jego stężenia w atmosferze o 35%. W 2005 r. wyniósł on 379 mln –1;

– metan(CH4) jest drugim po CO2 najważniejszym gazem cieplarnianym; jego stężenie wzrosło 2,5-krotnie w porównaniu z okresem przedindustrialnym i w 2005 r. wyniosło 1774 ppb;

– podtlenek azotu(N2O), jego koncentracja wzrosła do 2005 r. o 18% w porównaniu z okresem przedindustrialnym i wyniosła 319 miliardów –1; Obecnie około 40% ilości N 2 O wprowadzanego do atmosfery wynika z działalności gospodarczej (nawozy, hodowla zwierząt, przemysł chemiczny).

NA Ryż. 4.7 przedstawiono przebieg czasowy stężenia dwutlenku węgla ( A), metan ( B) i podtlenek azotu ( V) w atmosferze i ich zmiany na przestrzeni ostatnich 10 000 lat i od 1750 r. Przebieg czasowy uzyskano z pomiarów w złożach lodowych prowadzonych przez różnych badaczy oraz pomiarów w atmosferze. Rysunek wyraźnie pokazuje postępujący wzrost CO 2 i innych gazów w epoce przemysłowej.

Według Czwartego Raportu Oceniającego IPCC (2007) w epoce przemysłowej nastąpił znaczny wzrost stężeń gazów aktywnych klimatycznie w atmosferze. Tak więc w ciągu ostatnich 250 lat stężenie dwutlenku węgla (CO 2) w atmosferze wzrosło z 280 do 379 ppm (cząstek na milion na jednostkę objętości). Obecne stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze, określone na podstawie analizy pęcherzyków powietrza z rdzeni lodowych, które zachowały skład starożytnej atmosfery Antarktydy, jest znacznie wyższe niż kiedykolwiek w ciągu ostatnich 10 tysięcy lat. W epoce przemysłowej globalne stężenie metanu w atmosferze wzrosło z 715 do 1774 ppb (części na miliard na jednostkę objętości). Najbardziej dramatyczny wzrost stężenia gazów cieplarnianych zaobserwowano w ostatnich dziesięcioleciach, co skutkuje ociepleniem atmosfery.

A więc proces współczesne ocieplenie klimatu występuje na tle zrównoważonego rozwoju wzrost stężenia gazów cieplarnianych, a przede wszystkim dwutlenek węgla (CO 2). I tak, według danych za 1999 r., emisja CO 2 w wyniku działalności człowieka, ze spalania paliw kopalnych, osiągnęła w 1996 r. 6,2 miliarda ton, czyli prawie 4 razy więcej niż w 1950 r. Od 1750 do 2000 roku nastąpił wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze o 31% (Perevedentsev Yu.P., 2009).

Przebieg czasowy stężenia CO 2 na rosyjskiej stacji Teriberka (rys. 4.8) pokazuje, że średnie tempo wzrostu CO 2 na przestrzeni 20 lat wyniosło 1,7 mln –1 rocznie przy znacznych wahaniach sezonowych rzędu 15–20 mln –1.

Ryż. 2.8. Przebieg czasowy stężenia CO 2 w atmosferze na stacji Teriberka (Półwysep Kolski) dla okresu obserwacji od 1988 roku. Kropki i linie przedstawiają pojedyncze pomiary ( 1 ), wygładzona zmienność sezonowa ( 2 ) i trend długoterminowy ( 3 ) CO 2 Stężenie CO 2, ppm (OD, 2008)

Mechanizm efektu cieplarnianego wyjaśnia się różnicą w zdolności absorpcji atmosfery dla promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi i promieniowania opuszczającego Ziemię. Ziemia otrzymuje promieniowanie od Słońca w szerokim paśmie widma o średniej długości fali około 0,5 mikrona, a to promieniowanie krótkofalowe prawie przechodzi przez atmosferę. Ziemia oddaje otrzymaną energię prawie jak całkowicie czarne ciało w zakresie fal długich, czyli podczerwieni, o średniej długości fali około 10 mikronów. W tym zakresie wiele gazów (CO 2, CH 4, H 2 O itp.) ma liczne pasma absorpcji, które pochłaniają promieniowanie, w wyniku czego wydzielają ciepło i w większości ogrzewają atmosferę. Dwutlenek węgla intensywnie pochłania promieniowanie pochodzące z Ziemi w zakresie 12–18 mikronów i jest jednym z głównych czynników powodujących efekt cieplarniany (Perevedentsev Yu.P., 2009).

Współczesne ocieplenie klimatu. Fakt, że współczesny klimat się zmienia, jest dostrzegany przez wszystkich, ponieważ zarówno pomiary instrumentalne, jak i wskaźniki naturalne wskazują na jedno: w ostatnich dziesięcioleciach nastąpiło znaczne ocieplenie klimatu planety. W ciągu ostatniego stulecia (1906–2005) naziemna sieć meteorologiczna odnotowała znaczny wzrost średniej globalnej temperatury na powierzchni Ziemi o 0,74°C. Nieporozumienia pojawiają się przy omawianiu przyczyn ocieplenia. W Czwartym Raporcie Oceniającym eksperci IPCC (2007) wyciągają wnioski dotyczące przyczyn obserwowanego ocieplenia: prawdopodobieństwo, że zmiany klimatyczne w ciągu ostatnich 50 lat nastąpiły bez wpływu zewnętrznego (antropogenicznego) ocenia się jako niezwykle niskie (<5%). С высокой степенью вероятности (>90%) stwierdza, że ​​zmiany zaobserwowane na przestrzeni ostatnich 50 lat są spowodowane nie tylko wpływami naturalnymi, ale także zewnętrznymi. W raporcie stwierdzono, że z >90% pewnością, rosnące stężenia antropogenicznych gazów cieplarnianych są odpowiedzialne za większość globalnego ocieplenia od połowy XX wieku.

Istnieją inne poglądy na temat przyczyn ocieplenia - czynnik wewnętrzny, naturalna zmienność powodująca wahania temperatury, zarówno w kierunku ocieplenia, jak i ochłodzenia. I tak w pracy (Datsenko N.M., Monin A.S., Sonechkin D.M., 2004) zwolennicy tej koncepcji wskazują, że okres najintensywniejszego wzrostu globalnej temperatury XX wieku (lata 90.) przypada na wstępującą gałąź lat 60. XX wieku. wahania letnie, identyfikowane przez nie we wskaźnikach charakteryzujących stan termiczny i cyrkulacyjny atmosfery. Jednocześnie sugeruje się, że współczesne wahania klimatyczne są konsekwencją nieliniowych reakcji układu klimatycznego na quasi-okresowe wpływy zewnętrzne (cykle pływów księżycowo-słonecznych i aktywności słonecznej, cykle rewolucji największych planet Układu Słonecznego wokół wspólnego centrum itp.) (Perevedentsev Yu.P. ., 2009).

Wzrost emisji przemysłowego CO 2 do atmosfery po raz pierwszy ustalił J.E. Suess na początku lat 50. XX wieku. Na podstawie zmian w zawartości węgla w słojach drzew Suess doszedł do wniosku, że od drugiej połowy XIX wieku atmosferyczny dwutlenek węgla był uzupełniany emisją CO 2 ze spalania paliw kopalnych. Odkrył, że stosunek radioaktywnego C 14, stale powstającego w atmosferze w wyniku działania cząstek kosmicznych, do stabilnego C 12 maleje w ciągu ostatnich stu lat w wyniku „rozcieńczania” atmosferycznego CO 2 przez przepływ CO 2 z paliw kopalnych, które praktycznie nie zawierają C (okres półtrwania C 14 wynosi 5730 lat). Tym samym na podstawie pomiarów w słojach drzew wykryto wzrost emisji przemysłowego CO 2 do atmosfery. Dopiero w 1958 roku na stacji Mauna Loa na Pacyfiku rozpoczęto rejestrację stężeń CO 2 w atmosferze.

Ryż. 4.7. Przebieg czasowy stężenia dwutlenku węgla ( A), metan ( B) i podtlenek azotu ( V) w atmosferze i ich zmiany na przestrzeni ostatnich 10 000 lat (duży panel) i od 1750 r. (włożony w niego mniejszy panel). Wyniki pomiarów w osadach lodowych (symbole o różnych kolorach i konfiguracjach) wykonanych przez różnych badaczy oraz pomiarów w atmosferze (czerwona krzywa). Skalę ocen odpowiadającą zmierzonym stężeniom oddziaływań radiacyjnych pokazano na dużych panelach po prawej stronie (Raport z oceny zmian klimatycznych i ich konsekwencji na terytorium Federacji Rosyjskiej (AR), 2008)

atmosfera ziemska

Atmosfera(z. Stary greckiἀτμός - para i σφαῖρα - piłka) - gaz powłoka ( geosfera), otaczających planetę Ziemia. Jego wewnętrzna powierzchnia pokrywa hydrosfera i częściowo kora, zewnętrzna graniczy z bliską Ziemi częścią przestrzeni kosmicznej.

Zwykle nazywa się zbiór działów fizyki i chemii zajmujących się badaniem atmosfery fizyka atmosfery. Atmosfera decyduje pogoda na powierzchni Ziemi, badając pogodę meteorologia i wahania długoterminowe klimat - klimatologia.

Struktura atmosfery

Struktura atmosfery

Troposfera

Jego górna granica znajduje się na wysokości 8–10 km w obszarach polarnych, 10–12 km w umiarkowanych i 16–18 km w tropikalnych szerokościach geograficznych; niższa zimą niż latem. Dolna, główna warstwa atmosfery. Zawiera ponad 80% całkowitej masy powietrza atmosferycznego i około 90% całej pary wodnej obecnej w atmosferze. W troposferze są wysoko rozwinięte turbulencja I konwekcja, powstań chmury, rozwijają się cyklony I antycyklony. Temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości przy średniej pionie gradient 0,65°/100 m

Za „normalne warunki” na powierzchni Ziemi przyjmuje się: gęstość 1,2 kg/m3, ciśnienie barometryczne 101,35 kPa, temperaturę plus 20°C i wilgotność względną 50%. Te wskaźniki warunkowe mają znaczenie czysto inżynieryjne.

Stratosfera

Warstwa atmosfery położona na wysokości od 11 do 50 km. Charakteryzuje się niewielką zmianą temperatury w warstwie 11-25 km (dolna warstwa stratosfery) i wzrostem warstwy 25-40 km z -56,5 do 0,8 ° Z(górna warstwa stratosfery lub regionu inwersje). Po osiągnięciu wartości około 273 K (prawie 0°C) na wysokości około 40 km, temperatura utrzymuje się na stałym poziomie aż do wysokości około 55 km. Ten obszar o stałej temperaturze nazywa się stratopauza i jest granicą między stratosferą a mezosfera.

Stratopauza

Warstwa graniczna atmosfery pomiędzy stratosferą a mezosferą. W pionowym rozkładzie temperatur występuje maksimum (około 0°C).

Mezosfera

atmosfera ziemska

Mezosfera zaczyna się na wysokości 50 km i rozciąga się na 80-90 km. Temperatura spada wraz z wysokością, przy średnim nachyleniu pionowym wynoszącym (0,25-0,3)°/100 m. Głównym procesem energetycznym jest przenoszenie ciepła przez promieniowanie. Złożone procesy fotochemiczne polegające na wolne rodniki, cząsteczki wzbudzone wibracjami itp., powodują świecenie atmosfery.

Mezopauza

Warstwa przejściowa między mezosferą a termosferą. Minimalny jest pionowy rozkład temperatury (około -90°C).

Linia Karmana

Wysokość nad poziomem morza, która jest umownie przyjmowana jako granica między ziemską atmosferą a przestrzenią kosmiczną.

Termosfera

główny artykuł: Termosfera

Górna granica wynosi około 800 km. Temperatura wzrasta do wysokości 200-300 km, gdzie osiąga wartości rzędu 1500 K, po czym pozostaje prawie stała na dużych wysokościach. Pod wpływem ultrafioletowego i rentgenowskiego promieniowania słonecznego oraz promieniowania kosmicznego następuje jonizacja powietrza („ zorze polarne") - główne rejony jonosfera leżą wewnątrz termosfery. Na wysokościach powyżej 300 km dominuje tlen atomowy.

Warstwy atmosfery do wysokości 120 km

Egzosfera (sfera rozpraszająca)

Egzosfera- strefa dyspersji, zewnętrzna część termosfery, położona powyżej 700 km. Gaz w egzosferze jest bardzo rozrzedzony i stąd jego cząsteczki przedostają się do przestrzeni międzyplanetarnej ( rozpusta).

Do wysokości 100 km atmosfera jest jednorodną, ​​dobrze wymieszaną mieszaniną gazów. W wyższych warstwach rozkład gazów według wysokości zależy od ich mas cząsteczkowych; stężenie cięższych gazów zmniejsza się szybciej wraz z odległością od powierzchni Ziemi. Ze względu na spadek gęstości gazu temperatura spada z 0°C w stratosferze do -110°C w mezosferze. Natomiast energia kinetyczna poszczególnych cząstek na wysokościach 200-250 km odpowiada temperaturze ~1500°C. Powyżej 200 km obserwuje się znaczne wahania temperatury i gęstości gazu w czasie i przestrzeni.

Na wysokości około 2000-3000 km egzosfera stopniowo zamienia się w tzw w pobliżu próżni kosmicznej, który jest wypełniony wysoce rozrzedzonymi cząsteczkami gazu międzyplanetarnego, głównie atomami wodoru. Ale ten gaz reprezentuje tylko część materii międzyplanetarnej. Pozostała część składa się z cząstek pyłu pochodzenia kometarnego i meteorycznego. Oprócz niezwykle rozrzedzonych cząstek pyłu, w tę przestrzeń przenika promieniowanie elektromagnetyczne i korpuskularne pochodzenia słonecznego i galaktycznego.

Troposfera stanowi około 80% masy atmosfery, stratosfera - około 20%; masa mezosfery wynosi nie więcej niż 0,3%, termosfera jest mniejsza niż 0,05% całkowitej masy atmosfery. Na podstawie właściwości elektrycznych atmosfery rozróżnia się neutronosferę i jonosferę. Obecnie uważa się, że atmosfera rozciąga się na wysokość 2000-3000 km.

W zależności od składu gazu w atmosferze emitują homosfera I heterosfera. Heterosfera - Jest to obszar, w którym grawitacja wpływa na separację gazów, gdyż ich mieszanie się na takiej wysokości jest znikome. Oznacza to zmienny skład heterosfery. Poniżej znajduje się dobrze wymieszana, jednorodna część atmosfery, tzw homosfera. Granica między tymi warstwami nazywa się przerwa turbo leży na wysokości około 120 km.

Właściwości fizyczne

Grubość atmosfery wynosi około 2000 - 3000 km od powierzchni Ziemi. Masa całkowita powietrze- (5,1-5,3)×10 18 kg. Masa cząsteczkowa czyste, suche powietrze wynosi 28,966. Ciśnienie w temperaturze 0°C na poziomie morza 101.325 kPa; krytyczna temperatura~140,7°C; ciśnienie krytyczne 3,7 MPa; C P 1,0048×10 3 J/(kg K) (w 0°C), C w 0,7159×10 3 J/(kg K) (w 0°C). Rozpuszczalność powietrza w wodzie w temperaturze 0°C wynosi 0,036%, w temperaturze 25°C – 0,22%.

Fizjologiczne i inne właściwości atmosfery

Już na wysokości 5 km nad poziomem morza rozwija się osoba nieprzeszkolona głód tlenu a bez adaptacji wydajność danej osoby jest znacznie zmniejszona. Tutaj kończy się strefa fizjologiczna atmosfery. Oddychanie człowieka staje się niemożliwe na wysokości 15 km, chociaż do około 115 km atmosfera zawiera tlen.

Atmosfera dostarcza nam tlenu niezbędnego do oddychania. Jednakże, ze względu na spadek całkowitego ciśnienia atmosfery, w miarę wznoszenia się na wysokość, ciśnienie cząstkowe tlenu odpowiednio maleje.

Płuca człowieka stale zawierają około 3 litrów powietrza pęcherzykowego. Ciśnienie cząstkowe tlen w powietrzu pęcherzykowym przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym wynosi 110 mm Hg. Art., ciśnienie dwutlenku węgla - 40 mm Hg. Art. i para wodna - 47 mm Hg. Sztuka. Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie tlenu spada, a całkowite ciśnienie pary wody i dwutlenku węgla w płucach pozostaje prawie stałe - około 87 mm Hg. Sztuka. Dopływ tlenu do płuc zostanie całkowicie zatrzymany, gdy ciśnienie powietrza otoczenia zrówna się z tą wartością.

Na wysokości około 19-20 km ciśnienie atmosferyczne spada do 47 mm Hg. Sztuka. Dlatego na tej wysokości w organizmie człowieka zaczyna wrzeć woda i płyn śródmiąższowy. Poza kabiną ciśnieniową na tych wysokościach śmierć następuje niemal natychmiast. Zatem z punktu widzenia fizjologii człowieka „przestrzeń” zaczyna się już na wysokości 15–19 km.

Gęste warstwy powietrza – troposfera i stratosfera – chronią nas przed szkodliwym działaniem promieniowania. Przy wystarczającym rozrzedzeniu powietrza, na wysokościach powyżej 36 km, czynniki jonizujące wywierają intensywny wpływ na organizm. promieniowanie- pierwotne promienie kosmiczne; Na wysokościach powyżej 40 km ultrafioletowa część widma słonecznego jest niebezpieczna dla człowieka.

W miarę wznoszenia się na coraz większą wysokość nad powierzchnią Ziemi, znane zjawiska obserwowane w niższych warstwach atmosfery, jak rozchodzenie się dźwięku, powstawanie aerodynamiki winda i rezystancja, przenikanie ciepła konwekcja itd.

W rozrzedzonych warstwach powietrza, dystrybucja dźwięk okazuje się to niemożliwe. Do wysokości 60-90 km nadal możliwe jest wykorzystanie oporu powietrza i siły nośnej do kontrolowanego lotu aerodynamicznego. Ale zaczynając od wysokości 100-130 km, koncepcje znane każdemu pilotowi liczby m I bariera dźwięku tracą znaczenie, jest warunek Linia Karmana za którą zaczyna się sfera lotu czysto balistycznego, którą można kontrolować jedynie za pomocą sił reaktywnych.

Na wysokościach powyżej 100 km atmosfera pozbawiona jest jeszcze jednej niezwykłej właściwości – zdolności pochłaniania, przewodzenia i przekazywania energii cieplnej na drodze konwekcji (czyli mieszania powietrza). Oznacza to, że różnych elementów wyposażenia orbitalnej stacji kosmicznej nie będzie można schłodzić od zewnątrz w taki sam sposób, jak ma to miejsce zwykle w samolocie – za pomocą dysz i grzejników powietrznych. Na takiej wysokości, jak w ogóle w kosmosie, jedynym sposobem przekazywania ciepła jest promieniowanie cieplne.

Skład atmosferyczny

Skład suchego powietrza

Atmosfera ziemska składa się głównie z gazów i różnych zanieczyszczeń (pył, kropelki wody, kryształki lodu, sole morskie, produkty spalania).

Stężenie gazów tworzących atmosferę jest prawie stałe, z wyjątkiem wody (H 2 O) i dwutlenku węgla (CO 2).

Skład suchego powietrza
Azot
Tlen
Argon
Woda
Dwutlenek węgla
Neon
Hel
Metan
Krypton
Wodór
Ksenon
Podtlenek azotu

Oprócz gazów wskazanych w tabeli atmosfera zawiera SO 2, NH 3, CO, ozon, węglowodory, HCl, HF, pary Hg, ja 2 , a także NIE i wiele innych gazów w małych ilościach. Troposfera stale zawiera dużą liczbę zawieszonych cząstek stałych i ciekłych ( aerosol).

Historia powstawania atmosfery

Według najpowszechniejszej teorii, atmosfera ziemska miała na przestrzeni czasu cztery różne składy. Początkowo składał się z gazów lekkich ( wodór I hel), uchwycone z przestrzeni międzyplanetarnej. Jest to tzw atmosfera pierwotna(około czterech miliardów lat temu). W kolejnym etapie aktywna aktywność wulkaniczna doprowadziła do nasycenia atmosfery gazami innymi niż wodór (dwutlenek węgla, amoniak, para wodna). W ten sposób powstał atmosfera wtórna(około trzech miliardów lat przed dniem dzisiejszym). Ta atmosfera działała regenerująco. Ponadto proces tworzenia atmosfery został zdeterminowany przez następujące czynniki:

wyciek gazów lekkich (wodór i hel) do przestrzeń międzyplanetarna;

reakcje chemiczne zachodzące w atmosferze pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, wyładowań atmosferycznych i niektórych innych czynników.

Stopniowo te czynniki doprowadziły do ​​​​powstania trzeciorzędowa atmosfera, charakteryzujący się znacznie niższą zawartością wodoru i znacznie większą zawartością azotu i dwutlenku węgla (powstających w wyniku reakcji chemicznych z amoniaku i węglowodorów).

Azot

Powstawanie dużej ilości N2 wynika z utleniania atmosfery amoniakowo-wodorowej przez molekularny O2, który zaczął wydobywać się z powierzchni planety w wyniku fotosyntezy rozpoczynającej się 3 miliardy lat temu. N2 uwalniany jest także do atmosfery w wyniku denitryfikacji azotanów i innych związków zawierających azot. Azot jest utleniany przez ozon do NO w górnych warstwach atmosfery.

Azot N2 reaguje tylko w określonych warunkach (na przykład podczas wyładowania atmosferycznego). Utlenianie azotu cząsteczkowego przez ozon podczas wyładowań elektrycznych wykorzystywane jest w przemysłowej produkcji nawozów azotowych. Potrafią go utlenić przy niskim zużyciu energii i przekształcić w formę biologicznie aktywną. sinice (niebiesko-zielone algi) i bakterie guzkowe tworzące ryzobium symbioza Z rośliny strączkowe rośliny tzw nawóz zielony.

Tlen

Skład atmosfery zaczął się radykalnie zmieniać wraz z pojawieniem się na Ziemi organizmy żywe, w rezultacie fotosynteza towarzyszy uwolnienie tlenu i absorpcja dwutlenku węgla. Początkowo tlen zużywano na utlenianie zredukowanych związków - amoniaku, węglowodorów, formy azotawej gruczoł zawarty w oceanach itp. Pod koniec tego etapu zawartość tlenu w atmosferze zaczęła rosnąć. Stopniowo tworzyła się nowoczesna atmosfera o właściwościach utleniających. Ponieważ spowodowało to poważne i nagłe zmiany w wielu procesach zachodzących w atmosfera, litosfera I biosfera, nazwano to wydarzenie Katastrofa tlenowa.

Podczas Fanerozoik zmienił się skład atmosfery i zawartość tlenu. Korelowały one przede wszystkim z szybkością osadzania się osadów organicznych. Zatem w okresach akumulacji węgla zawartość tlenu w atmosferze najwyraźniej znacznie przekraczała poziom współczesny.

Dwutlenek węgla

Zawartość CO 2 w atmosferze zależy od aktywności wulkanicznej i procesów chemicznych zachodzących w skorupach ziemskich, ale przede wszystkim od intensywności biosyntezy i rozkładu materii organicznej w biosfera Ziemia. Prawie cała obecna biomasa planety (około 2,4 × 10 12 ton ) powstaje w wyniku działania dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej zawartych w powietrzu atmosferycznym. Pochowany w ocean, V bagna i w lasy materia organiczna zamienia się w węgiel, olej I gazu ziemnego. (cm. Geochemiczny obieg węgla)

Gazy szlachetne

Źródło gazów obojętnych - argon, hel I krypton- erupcje wulkanów i rozpad pierwiastków promieniotwórczych. Ziemia w ogóle, a atmosfera w szczególności są zubożone w gazy obojętne w porównaniu z przestrzenią kosmiczną. Uważa się, że przyczyną tego jest ciągły wyciek gazów do przestrzeni międzyplanetarnej.

Zanieczyszczenie powietrza

Ostatnio na ewolucję atmosfery zaczęły wpływać Człowiek. Efektem jego działań był stały, znaczny wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze na skutek spalania paliw węglowodorowych nagromadzonych w poprzednich epokach geologicznych. Ogromne ilości CO 2 są zużywane podczas fotosyntezy i pochłaniane przez oceany świata. Gaz ten przedostaje się do atmosfery w wyniku rozkładu skał węglanowych i substancji organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, a także w wyniku działalności wulkanicznej i działalności przemysłowej człowieka. W ciągu ostatnich 100 lat zawartość CO 2 w atmosferze wzrosła o 10%, z czego większość (360 miliardów ton) pochodziła ze spalania paliw. Jeśli tempo wzrostu spalania paliw będzie się utrzymywać, to w ciągu najbliższych 50-60 lat ilość CO 2 w atmosferze podwoi się, co może doprowadzić do Globalna zmiana klimatu.

Głównym źródłem gazów zanieczyszczających jest spalanie paliw ( WSPÓŁ, NIE, WIĘC 2 ). Dwutlenek siarki utlenia się pod wpływem tlenu atmosferycznego do postaci WIĘC 3 w górnych warstwach atmosfery, która z kolei oddziałuje z wodą i parą amoniaku oraz powstałymi w ten sposób substancjami kwas siarkowy (H 2 WIĘC 4 ) I siarczan amonu ((NH 4 ) 2 WIĘC 4 ) powrócić na powierzchnię Ziemi w postaci tzw. kwaśny deszcz. Stosowanie silniki z zapłonem wewnętrznym prowadzi do znacznego zanieczyszczenia atmosfery tlenkami azotu, węglowodorami i związkami ołowiu ( tetraetyloołów Pb(CH 3 CH 2 ) 4 ) ).

Zanieczyszczenie atmosfery aerozolami jest spowodowane zarówno przyczynami naturalnymi (erupcje wulkanów, burze piaskowe, porywanie kropel wody morskiej i pyłków roślinnych itp.), jak i działalnością gospodarczą człowieka (wydobywanie rud i materiałów budowlanych, spalanie paliw, produkcja cementu itp.). ). Intensywne uwalnianie na dużą skalę cząstek stałych do atmosfery jest jedną z możliwych przyczyn zmian klimatycznych na planecie.

Otoczka gazowa otaczająca naszą planetę Ziemia, zwana atmosferą, składa się z pięciu głównych warstw. Warstwy te powstają na powierzchni planety, od poziomu morza (czasami poniżej) i wznoszą się w przestrzeń kosmiczną w następującej kolejności:

• Troposfera;
• Stratosfera;
• Mezosfera;
• termosfera;
• Egzosfera.

Schemat głównych warstw atmosfery ziemskiej

Pomiędzy każdą z tych pięciu głównych warstw znajdują się strefy przejściowe zwane „przerwami”, w których zachodzą zmiany temperatury, składu i gęstości powietrza. Wraz z przerwami atmosfera ziemska składa się łącznie z 9 warstw.

Troposfera: miejsce, w którym występuje pogoda

Ze wszystkich warstw atmosfery troposfera jest tą, którą znamy najlepiej (czy zdajemy sobie z tego sprawę, czy nie), ponieważ żyjemy na jej dnie – powierzchni planety. Otacza powierzchnię Ziemi i rozciąga się w górę na kilka kilometrów. Słowo troposfera oznacza „zmianę globu”. Bardzo trafna nazwa, ponieważ w tej warstwie występuje nasza codzienna pogoda.

Zaczynając od powierzchni planety, troposfera wznosi się na wysokość od 6 do 20 km. Najbliższa nam dolna trzecia część warstwy zawiera 50% wszystkich gazów atmosferycznych. To jedyna część całej atmosfery, która oddycha. Ze względu na to, że powietrze jest podgrzewane od dołu przez powierzchnię Ziemi, która pochłania energię cieplną Słońca, wraz ze wzrostem wysokości spada temperatura i ciśnienie troposfery.

Na górze znajduje się cienka warstwa zwana tropopauzą, która stanowi jedynie bufor pomiędzy troposferą a stratosferą.

Stratosfera: siedziba ozonu

Stratosfera to kolejna warstwa atmosfery. Rozciąga się od 6-20 km do 50 km nad powierzchnią Ziemi. Jest to warstwa, po której lata większość komercyjnych samolotów pasażerskich i balonów na ogrzane powietrze.

Tutaj powietrze nie przepływa w górę i w dół, ale porusza się równolegle do powierzchni w bardzo szybkich prądach powietrza. Gdy wschodzisz, temperatura wzrasta dzięki obfitości naturalnie występującego ozonu (O3), produktu ubocznego promieniowania słonecznego i tlenu, który ma zdolność pochłaniania szkodliwych promieni ultrafioletowych słońca (w meteorologii znany jest każdy wzrost temperatury wraz z wysokością jako „inwersja”).

Ponieważ w stratosferze panują wyższe temperatury na dole i niższe temperatury na górze, konwekcja (pionowy ruch mas powietrza) jest w tej części atmosfery rzadkością. W rzeczywistości burzę szalejącą w troposferze można zobaczyć ze stratosfery, ponieważ warstwa ta działa jak czapa konwekcyjna, która zapobiega przenikaniu chmur burzowych.

Po stratosferze ponownie następuje warstwa buforowa, tym razem zwana stratopauzą.

Mezosfera: środkowa atmosfera

Mezosfera znajduje się około 50-80 km od powierzchni Ziemi. Górna mezosfera to najzimniejsze naturalne miejsce na Ziemi, gdzie temperatury mogą spaść poniżej -143°C.

Termosfera: górna atmosfera

Po mezosferze i mezopauzie następuje termosfera, położona między 80 a 700 km nad powierzchnią planety i zawierająca mniej niż 0,01% całkowitego powietrza w powłoce atmosferycznej. Temperatury sięgają tu nawet +2000°C, ale ze względu na wyjątkowo rozrzedzoną atmosferę i brak cząsteczek gazu odpowiedzialnych za przenoszenie ciepła, te wysokie temperatury są odbierane jako bardzo niskie.

Egzosfera: granica między atmosferą a przestrzenią

Na wysokości około 700-10 000 km nad powierzchnią Ziemi znajduje się egzosfera - zewnętrzna krawędź atmosfery, granicząca z przestrzenią kosmiczną. Tutaj satelity pogodowe krążą wokół Ziemi.

A co z jonosferą?

Jonosfera nie jest odrębną warstwą, ale w rzeczywistości termin ten odnosi się do atmosfery znajdującej się na wysokości od 60 do 1000 km. Obejmuje najwyższe części mezosfery, całą termosferę i część egzosfery. Jonosfera ma swoją nazwę, ponieważ w tej części atmosfery promieniowanie słoneczne ulega jonizacji, gdy przechodzi przez ziemskie pole magnetyczne w punkcie i. Zjawisko to obserwuje się z ziemi w postaci zorzy polarnej.