Атмосфера Земли

Эта статья входит в число готовых статей
Эта статья прошла проверку экспертом
Материал из «Знание.Вики»
Атмосфера Земли
Эта статья об атмосфере Земли, существуют другие значения термина Атмосфера

Атмосфе́ра (греч. ἀτμός — пар и (греч. σφαῖρα — шар) — внешняя газовая оболочка Земли, простирающаяся от её поверхности в космическое пространство примерно на 3000 км.

Согласно Национальному стандарту РФ ГОСТ Р 59061-2020 «Охрана окружающей среды. Загрязнение атмосферного воздуха. Термины и определения», атмосферный воздух — жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений[1].

Атмосфера Земли представляет собой одну из самых динамических оболочек природной среды. Общая мощность воздушной оболочки нашей планеты достигает половины радиуса Земли, но по космическим масштабам она выглядит тонкой плёнкой. Масса земной атмосферы составляет приблизительно 5,2.1015 т, что составляет всего лишь одну миллионную массы самой Земли. Защитные функции и роль атмосферы в природных процессах биосферы переоценить трудно.

Атмосферный воздух является косным веществом биосферы и средой существования живого вещества: растений, животных и человека. Атмосфера — уравновешенная система, в которой постоянно проходят процессы обмена веществ по определённым законам, при этом она обладает рядом особенностей, отличающих её от других компонентов биосферы: высокой подвижностью, изменчивостью компонентного состава, своеобразием физико-химических процессов.

Её состояние определяется химическим составом, множеством физических процессов и характеристик, постоянным взаимодействием с внутренними и внешними факторами, а также воздействием последствий человеческой деятельности. Изучением этого состояния и обобщением широкого комплекса знаний об атмосфере занимается одна из геофизических наук — физика атмосферы[2].

Первичная атмосфера планеты Земля

На протяжении тысячелетий считалось, что атмосфера, или точнее, воздух — единственное и простейшее вещество. Считалось, что вместе с огнём, водой и землёй, воздух образует четыре первичных элемента в природе. Но благодаря успехам физики и химии теперь известно, что воздух — смесь газов, состоящая не только из отдельных химических элементов, но и из их соединений. Кроме того, в воздухе находится во взвешенном состоянии много различных твёрдых и жидких частиц. К их числу относятся капли воды, водяной пар и кристаллы льда, которые могут одновременно удерживаться в одном облаке.

История возникновения и развития атмосферы достаточно сложная и длительная, она насчитывает около 3 млрд лет. За этот период свойства и состав атмосферы неоднократно менялись, но, как считают учёные, в течение последних 50 млн лет они стабилизировались[3].

Прежде чем приобрести свои современные свойства и состав, земная атмосфера прошла несколько стадий развития. Древняя атмосфера довольно сильно отличалась от современной, и состав её, начиная с самого возникновения, постепенно изменился. Современная атмосфера представляет собой конечный результат эволюции, начавшейся на пустынной первичной Земле сразу после её возникновения и продолжавшейся 3—4 млрд лет. На таком долгом и непростом пути развития Земли её атмосфера многократно меняла свой состав и свойства.

Одна из первых гипотез относительно состава и свойств первичной атмосферы Земли была высказана Луи Пастером (1822—1895) во второй половине XIX века. Он предположил, что первичная атмосфера планеты Земля не содержала кислород, и первыми видами живых организмов были бактерии, у которых обмен веществ происходил без участия кислорода. Они называются анаэробными (от греч. ан — отрицательная частица, эр — воздух, биос — жизнь). Многие из этих видов существуют до сих пор. Пастер также утверждал, что наличие кислорода в атмосфере могло бы помешать развитию этих бактерий и, таким образом, затормозить появление жизни на нашей планете[4].

Великий французский ученый Антуан Лавуазье (1743—1794) первым установил, что воздух представляет собой смесь газов. Он исследовал эти газы и определил их основные свойства. Если удалить водяной пар из воздуха, мы получим сухой воздух. Его состав (без взвешенных частиц) одинаков на всём земном шаре и остаётся постоянным до высоты примерно 25 км. Основные составляющие воздуха: азот — 78,09 %, кислород — 20,95 %, аргон — 0,93 %. На долю других газов, входящих в состав сухого воздуха, приходится 0,03 %. К ним относятся: углекислый газ, водяной пар, озон, неон, криптон, водород, гелий, йод, оксиды азота, метан и другие[5].

Современный состав атмосферы

Современная атмосфера в том или ином количестве содержит частицы всех веществ, известных на планете. Её состав установился несколько миллионов лет назад. Сформированный в природе круговорот атмосферных газов способствовал неизменному газовому составу атмосферы до тех пор, пока резко не возросла производственная деятельность человека, главным образом добыча и сжигание каменного угля, нефти и природного газа, что привело к увеличению содержания в атмосфере некоторых газов, например серного (SO2), угарного (СО) и оксидов азота.

В XXI веке концентрации многих веществ в атмосфере превышают допустимые нормы, что позволяет всерьёз говорить о загрязнении воздуха. Содержание в атмосфере основных газов (кислорода, азота, аргона) пока ещё остается без заметных изменений[6].

Водяной пар

Водяной пар — важная составная часть воздуха. Он удерживается в нижних слоях атмосферы, объёмная доля его колеблется от 0,1 до 4 %. В атмосферу водяной пар поступает в основном в результате испарения влаги с водных поверхностей, суши, растительного покрова и в небольших количествах — из снежного и ледяного покрова. Кроме того, он выделяется при дыхании живых организмов, при вулканических извержениях, при некоторых производственных процессах и т. д. Большая часть водяного пара сосредоточена в самых нижних слоях атмосферы. С высотой содержимое его резко убывает. Благодаря водяному пару в атмосфере образуются облака, из которых могут выпадать осадки. Водяной пар хорошо поглощает радиацию, излучаемой земной поверхностью, и тем самым предохраняет её от сильного охлаждения[7].

Углекислый газ

Углекислый газ (СО2) — поступает в атмосферу главным образом при вулканических извержениях, а также в результате гниения и разложения органических веществ, в процессе дыхания животных и растений и при сжигании топлива. Расходуется углекислый газ на питание растений. Объёмная доля его составляет в среднем 0,033 %. Он хорошо поглощает и излучает длинноволновую лучистую энергию[8].

Озон

Озон представляет трёхатомный кислород О3. Образование озона в нижних слоях атмосферы происходит в результате грозовых разрядов, а также окисления некоторых органических веществ, в верхних слоях — под действием УФ-лучей Солнца. Озон, поглощая большую часть губительной для всего живого УФ-части спектра солнечной радиации, является щитом планеты и регулятором поступления на Землю определённой доли УФ-радиации, необходимой для органической жизни[9].

Аэрозоли и антропогенные газообразные примеси

Аэрозоли — это твёрдые и жидкие частицы, взвешенные в атмосфере. Они могут быть природного и антропогенного происхождения. К природным аэрозолям относят водяные капли и ледяные кристаллы, образующиеся в результате конденсации водяного пара, а также сажу и пепел, попадающие в воздух при лесных пожарах, почвенную, космическую и вулканическую пыль[10].

Загрязнение атмосферы аэрозолями происходит в результате антропогенной деятельности. Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу большое количество различных вредных газов. Кроме аэрозолей в атмосферу попадают выбросы химических заводов, автотранспорта, при сжигании топлива. Аэрозоли переносятся воздушными потоками на значительные расстояния. При сильных вулканических извержениях дым и пепел, поднятые на большие высоты, окутывают весь земной шар[11].

Радиоактивные вещества

Самое опасное загрязнение воздуха создают отходы предприятий атомной промышленности. В результате атмосферных и наземных ядерных и термоядерных взрывов в атмосферу поступает огромное количество различных радиоактивных веществ, которые переносятся воздушными потоками и хранятся в атмосфере на протяжении десятилетий, причём пока ещё не найдены способы искусственного удаления радиоактивных продуктов из атмосферы[12].

Ионы

В атмосфере постоянно образуются электрически заряженные частицы, называемые лёгкими ионами. Благодаря наличию ионов, а в высоких слоях и свободных электронов, атмосфера обладает электропроводностью[13].

В настоящее время существуют различные классификации, по которым атмосферу делят на слои в вертикальном направлении[14]:

  1. По температурному режиму (распределение температуры по высоте).
  2. По составу атмосферного воздуха и наличию заряженных частиц.
  3. По характеру взаимодействия атмосферы с земной поверхностью.
  4. По влиянию атмосферы на космические летательные аппараты.

Расслоение атмосферы по температурному признаку

Основные физические характеристики атмосферы — температура, давление и плотность. Значения этих величин неодинаковы в разных участках атмосферы и непрерывно изменяются[15]. В 1951 году Международным геофизическим и геодезическим союзом принято расслоение атмосферы на слои по температурному признаку.

Структура атмосферы: 1 — тропосфера; 2 — стратосфера; 3 — мезосфера; 4 — термосфера; 5 — экзосфера

Тропосфера

Тропосфера — нижний слой атмосферы, начинающийся от земной поверхности. Здесь сосредоточена основная масса водяного пара, происходит образование облаков, выпадение осадков, наблюдаются различные метеорологические явления. В тропосфере наблюдается перемещение воздуха в горизонтальном направлении и интенсивное его перемешивание. Все изменения погоды и климата являются результатом физических процессов, происходящих именно в этом слое[16].

Верхняя граница слоя располагается на высоте 15−16 км над экватором и 7−8 км над полюсами. Верхний предел может опускаться или подниматься на несколько километров. Это связано с изменением температуры воздуха. Характерная черта тропосферы — убывание температуры с высотой в среднем на 0,65 °C на каждые 100 м высоты. Средняя годовая температура на верхней границе тропосферы составляет примерно от −55 °C до −75 °C над экватором, над Северным полюсом −65 °С зимой и −47 °С летом[17].

Верхняя граница тропосферы — тропопауза была открыта в 1899 году, когда в вертикальном профиле температуры была обнаружена высота, на которой прекращалось уменьшение температуры и медленное её увеличение. Начало этого повышения означает переход к следующему слою атмосферы.

Стратосфера

Стратосфера характеризуется ростом температуры с высотой, простирается от высот 8−17 км до 50−55 км. Была открыта в начале XX века. По физическим свойствам резко отличается от тропосферы. Температура в стратосфере повышается в среднем на 1−2 °С на 1 км поднятия и на верхней границе становится положительной. Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием здесь озона О3, образующегося под воздействием УФ-радиации Солнца[18].

Переходным слоем между стратосферой и вышележащей сферой является стратопауза. Она ещё недостаточно изучена.

Мезосфера

Над стратопаузой расположена мезосфера. До высоты около 80 км в мезосфере наблюдается спад температуры до −90 °С, хотя это происходит неодинаково на разных широтах и в течение года. Наблюдения за движением метеорных следов и ракетные данные свидетельствуют о том, что скорость ветра в мезосфере достигает 150 м/с. Уменьшение температуры с высотой предполагает наличие в мезосфере интенсивного перемешивания воздуха. На высотах 82−85 км иногда наблюдаются серебристые облака, чаще в летний период, иногда в очень большом количестве и в течение нескольких месяцев.

Серебристые облака

Серебристые облака в слое мезопаузы наблюдаются в сумерках или перед восходом солнца при ясной погоде. Природа серебристых облаков ещё недостаточно изучена. Считалось, что они состоят из вулканической пыли. Однако отсутствие оптических явлений, присущих действительным вулканическим облакам, привело к отказу от этой гипотезы. Было также предположение, что серебристые облака состоят из космической пыли. Сегодня учёные предполагают, что эти облака состоят из ледяных кристаллов, подобно обычным перистым облакам[19].

Над мезосферой расположена мезопауза. Здесь снижение температуры прекращается и начинается её повышение.

Термосфера

Выше мезопаузы лежит термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По ракетным данным установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км температура воздуха достигает 220−240 °С, на уровне 200 км более 500 °С, а на высоте 500−600 км она превышает 1500 °С. Границы термосферы простираются от 86 до 800 км. На основе данных полученных от ИСЗ, установлено, что в верхней термосфере температура достигает 2000 °С и в течение суток значительно колеблется[20].

В нижней термосфере и в мезосфере сгорает, не долетая до поверхности Земли, основная часть метеорных потоков.

Экзосфера

Экзосфера (сфера рассеяния) — самый внешний слой атмосферы, расположенный выше 800 км. Она мало изучена. Рост температуры здесь продолжается. В экзосфере газы настолько разрежены, что их частицы, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются. Экзосфера постепенно переходит в межпланетное (космическое) пространство[21].

Вертикальное расслоение по химическому составу

Химический состав атмосферы в зависимости от высоты

По химическому составу атмосферу по вертикали делят на два слоя:

  • гомосфера — однородная, от поверхности Земли до высоты 100−110 км.

В гомосфере состав атмосферы (в процентном соотношении газов, её составляющих, за исключением водяного пара, озона и углекислого газа) мало меняется с высотой. Остаётся постоянной и молекулярная масса воздуха.

В гетеросфере состав атмосферы претерпевает значительные изменения вследствие разложения молекул газов, а также из-за стремления газов к диффузному равновесию под действием силы тяжести. Выше 100 км под влиянием УФ-радиации Солнца молекулы газов расщепляются на атомы. Сразу над гомосферой находится слой, состоящий из молекул азота и некоторого количества кислорода. Этот слой простирается до высоты приблизительно 240 км. Выше него находится лишь атомарный кислород до высоты приблизительно 1000 км. Ещё выше расположен третий газовый слой. Он состоит из атомов гелия до высоты 2400 км. Наконец, выше слоя гелия обнаружен слой водорода.

Газы следующих друг за другом слоёв имеют всё меньший атомный вес. Толщина каждого слоя зависти от интенсивности поля земного тяготения на соответствующих высотах и его способности удерживать газы вблизи Земли. Водород и гелий в ничтожно малых количествах обнаружены в самых верхних слоях атмосферы. Тогда как более тяжёлые атомы и особенно молекулы кислорода и азота легко удерживаются на меньшем расстоянии от земной поверхности[22].

Озоносфера

Границы озоносферы приблизительно совпадают с границами стратосферы. В слое 10−50 км содержится основная масса озона с максимумом на высоте 22−25 км. Озон образуется под действием ультрафиолетовой радиации Солнца и, хотя общее его количество незначительно, он играет огромную роль в атмосфере. Озон обладает способностью поглощать УФ-радиацию Солнца и тем самым предохраняет всё живое на Земле от её губительного действия[23].

Ионосфера

Полярные сияния

При изучении электрических свойств высоких слоёв атмосферы (мезосферы, термосферы и экзосферы) было обнаружено, что в атмосфере можно выделить слой с высокой электрической проводимостью, который образовался в результате интенсивной ионизации воздуха УФ и корпускулярной радиацией Солнца, а частично и космическими лучами. Нижняя граница этого слоя расположена на высоте 60−80 км, а верхняя простирается до 400 км. Этот слой называется ионосферой. При большой концентрации ионизированных газов они становятся электропроводными. Отличительной особенностью ионосферы является её влияние на распространение радиоволн. В ионизированных слоях радиоволны отражаются, и потому становится возможной дальняя радиосвязь[24].

В ионосфере происходят такие явления как полярные сияния: при усиливающемся излучении Солнца заряженные частицы под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт, войдя в атмосферу они усиливают ионизацию газов настолько, что начинается их свечение.

Другие классификации атмосферы

По характеру взаимодействия с земной поверхностью атмосферу разделяют на пограничный слой, нижний слой высотой 1−1,5 км, и свободную атмосферу, расположенную выше него. Пограничный слой характеризуется суточными изменениями метеорологических величин. В этом слое на характер движения воздуха оказывает влияние его трение о земную поверхность. Самую нижнюю часть пограничного слоя (высотой 50−100 м), примыкающую к земной поверхности, называют приземным слоем. В этом слое метеорологические величины резко изменяются с высотой[25].

В условиях полёта искусственных спутников Земли (ИСЗ) и управляемых космических кораблей атмосферу делят на собственно атмосферу (плотные слои) и околоземное космическое пространство, нижняя граница которой располагается на высоте около 150 км. Сопротивление плотных слоёв атмосферы настолько велико, что летательный аппарат с включённым двигателем не может совершить даже один оборот вокруг Земли (теряет скорость или сгорает)[26].

Экологическое значение атмосферы

Следует отметить, что атмосфера имеет очень большое экологическое значение: она защищает все живые организмы Земли от пагубного воздействия космических излучений и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебания суточной температуры на Земле достигли бы ±200 °С.

Атмосфера является не только жизненным «буфером» между Космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через неё происходят также фотосинтез и обмен энергии — главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, происходящих в литосфере (физическое и химическое выветривание, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников)[27].

Развитие гидросферы также в значительной степени зависело от атмосферы из-за того, что водный баланс и режим поверхностных и подземных бассейнов и акваторий формировались под влиянием режима осадков и испарения. Процессы гидросферы и атмосферы тесно связаны между собой.

Одним из основных компонентов атмосферы является водяной пар, который имеет большую пространственно-временную изменчивость и сосредоточен в основном в тропосфере. Важной переменной составляющей атмосферы является также углекислый газ, изменчивость содержания которого связана с жизнедеятельностью растений, его растворимостью в морской воде и деятельностью человека (промышленные и транспортные выбросы). В последнее время всё большую роль в атмосфере играют аэрозольные пыльные частицы — продукты человеческой деятельности, которые можно обнаружить не только в тропосфере, но и на больших высотах (правда, в скудных концентрациях). Физические процессы, происходящие в тропосфере, оказывают большое влияние на климатические условия различных районов Земли.

Атмосфера регулирует теплообмен Земли с космическим пространством, влияет на её радиационный и водный балансы. Одним из важнейших факторов, определяющих состояние атмосферы, является её взаимодействие с океаном. Например, процессы газообмена и теплообмена между ними существенно влияют на климат Земли.

Очень немногие люди осознают, как много воздуха они вдыхают. Здоровый человек делает около 20 тыс. вдохов и выдохов за сутки, пропуская через лёгкие 15 кг воздуха. Для сравнения, человек потребляет около 1,5 кг пищи и 2 кг воды, и может прожить без еды около 5 недель, а во время отсутствия воды 5 дней, но только 5 минут без воздуха. Поэтому исследования по влиянию атмосферы на живые организмы, и в первую очередь на человека, получили широкое развитие. Например, влияние колебаний атмосферного давления, действие солнечной радиации и геомагнетического поля, содержание отдельных газов и загрязняющих примесей и другое[28].

Литература

Примечания

  1. ↑ Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. ГОСТ Р 59061-2020 Охрана окружающей среды. Загрязнение атмосферного воздуха. Термины и определения. — М.: Стандартинформ, 2020. — С. 1. — 16 с.
  2. ↑ Ю.В. Петров Ю. В. и др. Физика атмосферы: учебник. — Ташкент: «Noshir», 2012. — С. 5—13. — 216 с.
  3. ↑ Мохнач М. Ф., Прокофьева Т. И. Геология. Книга 1. Геосферы. Учебник. — СПб.: изд. РГГМУ, 2010. — С. 46—49. — 263 с.
  4. ↑ Кожевников Н. В. Концепции современного естествознания (краткий курс лекций). — Саратов: СГУ, 2016. — С. 65—69. — 90 с.
  5. ↑ Игнатьева Л. П. Гигиена атмосферного воздуха : учебное пособие. — Иркутск: ИГМУ, 2015. — С. 9—11. — 79 с.
  6. ↑ Богаткин О. Г., Тараканов Г. Г. Основы метеорологии. — СПб.: РГГМУ, 2006. — С. 8—13. — 232 с.
  7. ↑ Хабутдинов Ю. Г., Шанталинский К. М., Николаев А. А. Учение об атмосфере. — Казань: Казанский государственный университет, 2010. — С. 15—20. — 257 с.
  8. ↑ Бюллетень ВМО по парниковым газам // Погода. Климат. Вода : бюллетень. — 2019. — 25 ноября (№ 15).
  9. ↑ Звягинцев А. М., Кузнецова И. Н. Исследование и мониторинг приземного озона в России // Труды гидрометцентра России : журнал. — 2017. — № вып. 365. — С. 56—70.
  10. ↑ Янин Е. П. Промышленная пыль в городской среде (геохимические особенности и экологическая оценка). — М.: ИМГРЭ, 2003. — С. 5—19. — 82 с.
  11. ↑ Исмаилов Фазиль. Атмосферный аэрозоль. — Маврикий: LAP LAMBERT, 2019. — С. 17—37. — 288 с.
  12. ↑ Бадрутдинов О. Р., Тюменев Р. С., Шуралев Э. А., Мукминов М. Н. Радиоактивность экосистем. — Казань: Казан. ун-т, 2017. — С. 16—20. — 201 с.
  13. ↑ Сидоров В. В. Метеорология и климатология : учебное пособие. — Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. — С. 22—23. — 146 с.
  14. ↑ Братков В. В., Воронин А. П. Метеорология и климатология: Учебное пособие. — М.: Изд-во МИИГАиК, 2015. — С. 18—23. — 209 с.
  15. ↑ Братков В. В., Воронин А. П. Метеорология и климатология: Учебное пособие. — М.: МИИГАиК, 2015. — С. 15—17. — 209 с.
  16. ↑ Гришина Е. П. Основы химии окружающей среды : учеб пособие. В 3 ч. Ч. 1. Химические процессы в атмосфере. — Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та,, 2006. — С. 24—35. — 68 с.
  17. ↑ Стерин А. М., Лавров А. С. Оценки аномалий температуры в тропосфере в 2015 — 2016 годах // Фундаментальная и прикладная климатология : журнал. — 2017. — № 2. — С. 111—129.
  18. ↑ Варбанец Т. В. Метеорология. Учебное пособие. — Одесса: «Феникс», 2008. — С. 12—13. — 228 с.
  19. ↑ Далин П. А., Перцев Н. Н., Ромейко В. А. Серебристым облакам 120 лет? // Природа : журнал. — 2006. — № 6. — С. 12—21.
  20. ↑ Калинин Н. А. Физическая метеорология : учебное пособие. — Пермь: ПГНИУ, 2023. — С. 34—36. — 257 с.
  21. ↑ Хабутдинов Ю. Г., Шанталинский К. М., Николаев А. А. Учение об атмосфере. Учебное пособие. — Казань: КГУ, 2010. — С. 51—52. — 257 с.
  22. ↑ Браже Р. А. Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы: Учебное пособие. — Ульяновск: УлГТУ, 2003. — С. 8—11. — 72 с.
  23. ↑ Бюллетень ВМО по озону и ультрафиолетовому излучению // Погода. Климат. Вода : бюллетень. — 2023. — Июнь (№ 1).
  24. ↑ Вшивкова О. В. Физика Земли и атмосферы. Влияние атмосферы на результаты геодезических измерений: Учебное пособие. — М.: МИИГАиК, 2017. — С. 79—81. — 88 с.
  25. ↑ Климатология свободной атмосферы / сост. Л. Н. Василевская, И. А. Лисина, Н. В. Шлык. — Владивосток: Издательство Дальневосточного федерального университета, 2020. — С. 5—17. — 53 с.
  26. ↑ Сафонова Т. В. Авиационная метеорология: учеб. пособие. — Ульяновск: УВАУ ГА, 2005. — С. 17—19. — 257 с.
  27. ↑ Назаренко О.Б. Экология: учебное пособие. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. — С. 75—76. — 100 с.
  28. ↑ Макоско А. А., Матешева А. В. Загрязнение атмосферы и качество жизни населения в XXI веке: угрозы и перспективы. — М.: Российская академия наук, 2020. — С. 74—92. — 258 с.

Ссылки

Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Атмосфера_Земли&oldid=1095623