Атмосфера Землі: склад і будова
© atmosphere.copernicus.eu
Наше існування на Землі, як і багатьох інших живих організмів, неможливе без наявності атмосфери. Вона захищає нас від жорсткого космічного та ультрафіолетового випромінювання, підтримує на планеті стабільний клімат та наявність води у рідкому стані. Тому в даній публікації розглянемо склад і будову атмосфери, а також основні її характеристики.
Атмосфера нашої планети є газовою оболонкою, яка рухається і обертається разом із самою планетою у світовому просторі як єдине ціле. Про те, де знаходиться верхня межа атмосфери, сказати складно, адже вона не чітка і залежить від того, що ми вкладаємо в саме поняття «атмосфера». І все ж таки, вчені зійшлися на думці, що газова оболонка поступово переходить у міжпланетний простір починаючи з висоти приблизно 1000 - 1200 км (т.зв. геокорона або екзосфера, яка поширюється майже на 20 000 км). Проте, внаслідок впливу на повітря сили тяжіння, 99,5% всієї маси атмосфери зосереджено до висоти 80 км.
Атмосферний тиск
Сумарна маса атмосфери Землі становить близько 5,1 – 5,3х1018 кг, отже, вона чинить значний тиск на поверхню планети. Наприклад, на людину атмосфера тисне із силою близько 10 000 кг до площі всього тіла! Але через наявність свого власного тиску тіла, ми ніяк не відчуваємо такої ваги. Те ж саме стосується і різних живих організмів на Землі. Повітря, як і будь-які інші гази, добре стискається. Нижні шари атмосфери внаслідок тиску верхніх шарів на них мають велику щільність. Зі збільшенням висоти щільність повітря та атмосферний тиск швидко падає (приблизно у 2 рази на кожні 5 км). У земної поверхні в якості «нормального» атмосферного тиску прийнято значення 760 мм рт.ст. (або 1013 гПа). Але в будь-якій точці планети завжди його значення трохи відрізняється в ту чи іншу сторону через нерівномірність рельєфу та наявність циклонів (областей в атмосфері з нижчим тиском) і антициклонів (зони з вищим тиском).
Також читайте
Газовий склад
Склад атмосфери Землі визначається як зовнішніми факторами (випаровування речовини космічних тіл при їх падінні на Землю), так і внутрішніми (виділення газів при вулканічних виверженнях і дегазація земної мантії). У процесі формування океанів та появи біосфери атмосфера змінювалася за рахунок газообміну з водою, рослинами, тваринами та продуктами їх розкладання у ґрунтах і болотах.
В теперішній час атмосфера Землі складається в основному з газових компонентів та різних домішок (пил, краплі води, кристали льоду, морські солі, продукти горіння). Найбільше в нашій атмосфері міститься азоту (78,1%), на другому місці за кількістю – кисень (21%) і приблизно 1% становить аргон. Вміст водяної пари в атмосфері коливається від 0,2 до 2,5% залежно від широти місцевості. У теплішому повітрі його завжди більше, ніж у холодному. До того ж, як відносно важкий газ, його основна частина (90%) міститься у нижньому шарі атмосфери – тропосфері. Кількість таких парникових газів як вуглекислий (СО2) і метан (СН4) становить частки відсотків за обсягом, але навіть найменші коливання їх концентрації призводять до зміни температурного і вологісного режимів атмосфери. Водяна пара, до речі, є також парниковим газом і разом із вуглекислим газом та метаном бере участь у створенні так званого парникового ефекту на планеті. Він полягає в тому, що кількість теплового випромінювання, яке надходить до Землі від Сонця, трохи більше, ніж кількість випромінювання, що віддається нашою планетою в космічний простір назад. Завдяки такому ефекту середня температура приземного шару повітря на планеті становить близько +15 °С. Якби парникового ефекту не було, то за всіх інших рівних параметрів (випромінювання Сонця, відстань до нього, кут нахилу орбіти тощо) середня температура на поверхні становила близько -18 °С, що не особливо сприятливо для розвитку та підтримання життя. У той же час і надмірний парниковий ефект (як на Венері, наприклад) теж негативно впливає на біосферу. Тому дуже важливо підтримувати баланс та стабільність концентрації парникових газів.
На даний момент концентрація основних газових компонентів (азот, кисень, аргон) залишається практично незмінною, хоча у різні геологічні епохи минулого вона постійно коливалася. Наприклад, у кам'яновугільний період (приблизно 320 млн. років тому) концентрація кисню була більш ніж на 50% вищою від сучасної. Зовсім у невеликих кількостях повітря містить у собі такі елементи як водень, криптон, ксенон, гелій, неон та різні леткі хімічні сполуки: оксиди азоту, сірки, вуглеводні та інше.
Зі зміною висоти склад атмосфери не залишається постійним. Від співвідношення між кількістю атомів та молекул атмосферу поділяють на гомосферу та гетеросферу. Гомосфера охоплює нижні щільні шари атмосфери до висоти 80 - 100 км. За рахунок вертикального турбулентного перемішування повітря тут зберігається однорідність хімічного складу та характеризується переважанням важких газів, таких як азот, кисень і вуглекислий газ. У гетеросфері вже переважає ефект молекулярної дифузії, перемішування відносно слабке та змінюється хімічний склад з переважанням легших газів (гелій, водень) та атомарного кисню. У ній міститься близько 0,5% від усього атмосферного повітря, також різко підвищується частка газів в іонізованому стані. Умовною межею між гомосферою та гетеросферою є турбопауза.
Будова атмосфери в залежності від температури та ступеня іонізації.
Залежно від характеру розподілу температури з висотою, в атмосфері виділяють чотири великі шари, в яких спостерігаються різні процеси та явища.
1. Тропосфера - простягається від земної поверхні до 8 - 10 км в полярних областях і до 18 км над екватором. У тропосфері зосереджено близько 80% атмосферного повітря, тут утворюються хмари та грози, випадають опади, формуються циклони та повітряні маси. Теплообмін у тропосфері здійснюється в основному конвективним шляхом. Процеси, що відбуваються в тропосфері, безпосередньо впливають на життєдіяльність людей. Умовною межею тропосфери вважають тропопаузу, у якій зниження температури з висотою припиняється.
2. Стратосфера - розташована на висоті близько 20 - 55 км. Характеризується незначним збільшенням температури з висотою, що досягає локального максимуму верхньому рівні. На висотах 22 – 27 км у стратосфері розташовується озоновий шар, що захищає живі організми від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання. Також у цьому шарі спостерігається особливий вид хмар – полярні стратосферні (перламутрові), які іноді можна спостерігати у високих широтах у зимову пору року. Завершується цей шар стратопаузою.
3. Мезосфера - розташована на висотах 55 - 85 км. Температура тут поступово знижується (від 0 °C у стратопаузі до -90 ... -70 °C у мезопаузі). Саме в цьому шарі виникають сріблясті хмари, які іноді можна спостерігати з травня до серпня у Північній півкулі під час сутінків. Також у мезосфері згорає більшість метеорів та малих космічних тіл, які потрапляють до нас із космосу.
4. Термосфера - пролягає на висотах в середньому від 85 до 400 - 800 км. Температура зростає з висотою (від -75 °C до 1700 °C в термопаузі). Добові коливання температури становлять тут сотні градусів! Але повітря в термосфері настільки розряджене, що поняття «температури» в нашому уявленні мало що означає. У цьому шарі спостерігаються полярні сяйва, і навіть розташована Міжнародна космічна станція (приблизно на висоті 410 – 425 км).
За рівнем іонізації у атмосфері виділяють нейтральний шар (нейтросферу) – до висоти близько 48 км, а також іонізований шар – іоносферу – від 48 до 965 км. Іоносфера характеризується високим вмістом іонів та вільних електронів. Іонізація тут відбувається в основному за рахунок сонячної радіації та космічних променів. Іоносферу поділяють на три шари - D, E і F, які в результаті різної щільності іонів мають відмінні особливості.
У наступних публікаціях ми докладніше розглянемо кожен шар земної атмосфери та опишемо цікаві процеси, що у них відбуваються. Крім цього, окремий розділ присвятимо походженню та еволюції газової оболонки Землі.
Підготував Ігор Кібальчич, кандидат географічних наук, синоптик.
