Атмосфера Земли: состав и строение

Атмосфера Земли: состав и строение © atmosphere.copernicus.eu

Наше существование на Земле, как и практически всех других живых организмов, невозможно без наличия атмосферы. Она защищает нас от жёсткого космического и ультрафиолетового излучения, поддерживает на планете стабильный климат и наличие воды в жидком состоянии. Поэтому в данной публикации рассмотрим состав и строение атмосферы, а также основные её характеристики.


Атмосфера нашей планеты представляет собой газовую оболочку, которая движется и вращается вместе с самой планетой в мировом пространстве как единое целое. О том, где располагается верхняя граница атмосферы, сказать сложно, ведь она не чёткая и зависит от того, что мы вкладываем в само понятие «атмосфера». И всё же, учёные сошлись во мнении на том, что газовая оболочка постепенно переходит в межпланетное пространство начиная с высоты примерно 1000 - 1200 км (т.н. геокорона или экзосфера, которая распространятся почти на 20 000 км). Однако, вследствие воздействия на воздух силы притяжения, 99,5% всей массы атмосферы сосредоточено до высоты 80 км.

Атмосферное давление.

Суммарная масса атмосферы Земли составляет около 5,1 - 5,3х1018 кг, следовательно, она оказывает существенное давление у поверхности планеты. К примеру, на человека атмосфера давит с силой около 10 000 кг к площади всего тела! Но из-за наличия собственного давления тела, мы никак не ощущаем подобного веса. То же самое касается и различных живых организмов на Земле. Воздух, как и любые другие газы, хорошо сжимаем. Нижние слои атмосферы в результате давления на них верхних слоёв имеют большую плотность. С увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление быстро падает (примерно в 2 раза на каждые 5 км). У земной поверхности в качестве «нормального» атмосферного давления принято значение 760 мм рт.ст. (либо 1013 гПа). Но в любой точке планеты всегда его значение немного различается в ту или иную сторону из-за неравномерности рельефа и наличия циклонов (областей в атмосфере с более низким давлением) и антициклонов (зоны с более высоким давлением).

Газовый состав.

Состав атмосферы Земли определяется как внешними факторами (испарение вещества космических тел при их падении на Землю), так и внутренними (выделение газов при вулканических извержениях и дегазация земной мантии). В процессе формирования океанов и появления биосферы атмосфера изменялась за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газовых компонентов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). Больше всего в нашей атмосфере содержится азота (78,1%), на втором месте по количеству – кислород (21%) и примерно 1% составляет аргон. Содержание водяного пара в атмосфере не постоянно и колеблется от 0,2 до 2,5% в зависимости от широты местности. В более тёплом воздухе его всегда больше, чем в холодном. К тому же, как относительно тяжёлый газ, его основная часть (90%) содержится в самом нижнем слое атмосферы – тропосфере. Количество таких парниковых газов как углекислый (СО2) и метан (СН4) составляет доли процентов по объёму, но при этом даже малейшие колебания их концентрации приводят к изменению температурного и влажностного режимов атмосферы. Водяной пар, к слову, является также парниковым газом и вместе с углекислым газом и метаном участвует в создании так называемого парникового эффекта на планете. Он заключается в том, что количество теплового излучения, приходящего к Земле от Солнца немного больше, чем количество излучения, отдаваемой нашей планетой в космическое пространство обратно. Благодаря такому эффекту средняя температура приземного слоя воздуха на нашей планете составляет около +15 °С. Если бы парникового эффекта не было, то при всех прочих равных параметрах (излучение Солнца, расстояние до него, угол наклона орбиты и т.д.) средняя температура на поверхности составляла около -18 °С, что не особо благоприятно для развития и поддержания жизни. В то же время и чрезмерный парниковый эффект (как на Венере к примеру) тоже губительно действует на биосферу. Поэтому крайне важно поддерживать баланс и стабильность концентрации парниковых газов. В настоящий момент количество основных газовых компонентов (азот, кислород, аргон) остаётся практически постоянным, хотя в различные геологические эпохи прошлого он постоянно менялся. К примеру, в каменноугольный период (примерно 320 млн. лет назад) концентрация кислорода была более чем на 50% выше от современной. Совсем в небольших количествах воздух содержит в себе такие элементы как водород, криптон, ксенон, гелий, неон и различные летучие химические соединения: оксиды азота, серы, углеводороды и прочее.

С изменением высоты состав атмосферы не остаётся постоянным. От соотношения между количеством атомов и молекул атмосферу разделяют на гомосферу и гетеросферу. Гомосфера охватывает нижние плотные слои атмосферы до высоты 80 – 100 км. За счёт вертикального турбулентного перемешивания воздух здесь сохраняет однородность химического состава и характеризуется преобладанием тяжёлых газов, таких как азот, кислород и углекислый газ. В гетеросфере уже преобладает эффект молекулярной диффузии, перемешивание относительно слабое и меняется химический состав с преобладанием более лёгких газов (гелий, водород) и атомарного кислорода. В ней содержится около 0,5% от всего атмосферного воздуха, также повышается резко доля газов в ионизированном состоянии. Условной границей между гомосферой и гетеросферой является турбопауза.

Строение атмосферы в зависимости от температуры и степени ионизации.

В зависимости от характера распределения температуры с высотой, в атмосфере выделяют четыре крупных слоя, в которых наблюдаются различные процессы и явления.

1. Тропосфера – простирается от земной поверхности до 8 – 10 км в полярных областях и до 18 км – над экватором. В тропосфере сосредоточено около 80% атмосферного воздуха, здесь образуются облака и грозы, выпадают осадки, формируются циклоны и воздушные массы. Теплообмен в тропосфере осуществляется в основном конвективным путём. Процессы, происходящие в тропосфере, оказывают непосредственное влияние на жизнедеятельность людей. Условным пределом тропосферы считают тропопаузу, в которой понижение температуры с высотой прекращается.

2. Стратосфера – расположена на высоте около 20 – 55 км. Характеризуется незначительным увеличением температуры с высотой, достигающей локального максимума на верхнем уровне. На высотах 22 – 27 км в стратосфере располагается озоновый слой, защищающий живые организмы от губительного воздействия ультрафиолетового излучения. Также в этом слое наблюдается особый вид облаков – полярные стратосферные (перламутровые), которые иногда можно наблюдать в высоких широтах в зимнее время года. Завершается данный слой стратопаузой.

3. Мезосфера – расположена на высотах 55 – 85 км. Температура здесь постепенно понижается (от 0 °C в стратопаузе до -90 ... -70 °C в мезопаузе). Именно в этом слое возникают серебристые облака, которые иногда можно наблюдать с мая по август в Северном полушарии во время сумерек. Также в мезосфере сгорает большинство метеоров и малых космических тел, попадающих к нам из космоса.

4. Термосфера – пролегает на высотах в среднем от 85 до 400 – 800 км. Температура растет с высотой (от -75 °C до 1700 °C в термопаузе). Суточные колебания температуры составляют здесь сотни градусов! Но воздух в термосфере настолько разряжен, что понятие «температуры» в нашем представлении мало что значит. В этом слое наблюдаются полярные сияния, а также расположена Международная космическая станция (примерно на высоте 410 – 425 км).

По степени ионизации в атмосфере выделяют нейтральный слой (нейтросферу) – до высоты около 48 км, а также ионизированный слой – ионосферу – от 48 до 965 км. Ионосфера характеризуется высоким содержанием ионов и свободных электронов. Ионизация здесь происходит в основном за счет солнечной радиации и космических лучей. Ионосферу подразделяют на три слоя — D, E и F, которые в результате разной плотности ионов обладают отличными особенностями.

В следующих публикациях мы более подробно рассмотрим каждый слой земной атмосферы и опишем интересные процессы, которые в них происходят. Кроме этого, отдельный раздел посвятим происхождению и эволюции газовой оболочки Земли.

Подготовил Игорь Кибальчич, кандидат географических наук, синоптик.

4,1/5 (82 оценок)

Не пропусти самое интересное!

Подписывайся на наши каналы в мессенджерах!

Публикации

Видео