Понятие атмосферы и строение оболочки

Что такое атмосфера

Она играет роль защитного купола для нашей планеты и простирается до уровня около 1000 км над поверхностью Земли. Для атмосферы характерна высокая динамичность и неоднородный физический состав. На него оказывают сильное влияние биологические факторы. 

Озоновый слой защищает Землю от неблагоприятного воздействия ультрафиолета, излучаемого Солнцем, и от прочих вредных космических излучений. Большинство падающих метеоритов и других космических тел сгорает в земной атмосфере. Она же помогает поддерживать приемлемую для жизни температуру у поверхности нашей планеты. Нижние слои атмосферы участвуют в круговороте воды в природе за счет движения воздушных масс.

Благодаря атмосфере происходит формирование воздушных потоков (ветра), образуются облака и атмосферные осадки.

Плотность воздуха и атмосферное давление меняются c высотой в обратной пропорции. А вот с температурой не все так однозначно — она зависит от солнечной активности, магнитных бурь, разницы в поглощении газами солнечной энергии и множества других факторов.

Строение атмосферы Земли, структура и слои

Земная атмосфера состоит не из однородного слоя газов, а из нескольких слоев. Каждый из них характеризуется определенным набором газов, имеющих разную плотность. Чем больше плотность вещества, тем сильнее оно притягивается гравитационным полем земли. Поэтому структура нижних слоев более плотная, а у наиболее удаленных от земной поверхности — разреженная. Поскольку все виды газов имеют различные характеристики, то и слои, состоящие из них, обладают своими особенностями. Каждый из них имеет отдельное значение для земной атмосферы.

Тропосфера

Тропосфера является самым ближним и самым плотным атмосферным слоем. Ее граница над поверхностью Земли находится на уровне 7-8 км на полюсах и около 20 км над экватором, поэтому толщина этого слоя в разных местах земного шара неодинакова. Тропосфера имеет основное значение для обеспечения жизни на планете. Здесь происходят процессы циркуляции воды и образования облаков, формируются ветра, циклоны и антициклоны — все то, что определяет климатические и погодные условия. Большая часть живых организмов на Земле обитает именно в тропосфере.

С набором высоты в этом слое уменьшается не только атмосферное давление, но и температура. Это связано с отражением тепла от земной поверхности. Чем ближе к ней, тем воздух теплее. Процесс прогревания тропосферы от Земли, в свою очередь нагретой за счет солнечного излучения, носит название парникового эффекта. Отраженная солнечная энергия не может прогреть нижний слой на всю его глубину равномерно. Каждые 100 метров температура снижается приблизительно на полградуса. Ветер же с повышением высоты, напротив, усиливается — с каждым набранным километром на 2-3 км/с.

Стратосфера

Стратосфера является вторым по отношению к поверхности Земли и по величине слоем. На экваторе он достигает высоты 50 км, а его средняя толщина — 35 км. Признак этой зоны — крайне разреженная атмосфера и почти полное отсутствие водяных паров. Распределение температур здесь не такое, как в тропосфере — в нижней ее части находится тяжелый холодный воздух, а в верхней — более теплый и легкий. Воздушные пути, как правило, пролегают в нижней части стратосферы из-за отсутствия в ней зоны турбулентности, при этом температура за бортом может опускаться ниже минус 55 градусов. Зато в верхней части она достигает нулевой отметки. Сверхзвуковые самолеты способны подниматься на отметку 18-30 км.

Именно в стратосфере находится озоновый слой, защищающий все живое на земле от избыточного ультрафиолета. Этим слоем ограничивается и содержание живых микроорганизмов в атмосфере. Иногда в нижних слоях встречаются и птицы, которые могут стать причиной авиакатастрофы.

Мезосфера

Мезосфера является наименее изученным объектом из всех атмосферных слоев. С одной стороны, на такую высоту не способны подняться метеорологические зонды, а с другой — не могут опуститься спутники. Достичь мезосферы способны только ракеты, но из-за своей высокой скорости они не в состоянии собрать достаточное количество информации. Толщина этого слоя достигает размера 40-50 км, а его высота над поверхностью земли местами доходит до 80-90 км. Мезосфере по праву можно присвоить название «самого холодного места на планете» — в пределах ее верхней границы температура опускается ниже –140°.

Большая часть метеоров, летящих в сторону Земли, сгорает именно в мезосфере. Если небесное тело входит в этот слой со скоростью не ниже 11 км/ч под острым углом, происходит процесс его возгорания от трения с весьма заметным световым эффектом. Отсюда появилось понятие «метеоритного потока».

Термосфера и ионосфера

Условная граница между мезосферой и термосферой проходит на высоте 100 км. Плотность воздуха здесь настолько минимальна, что все полеты выше этой линии по определению считаются космическими, хотя это не совсем верно. Толщина слоя в разных местах от 500 до 700 км. Высшая точка термосферы — 800 км. Максимальная отметка температуры в 1800 градусов отмечена на высоте 400 км. В термосфере находится Международная Космическая Станция, вокруг которой вращаются спутники. Необычайно высокая температура не приносит им вреда благодаря крайне низкой плотности воздуха.

Уникальность термосферы еще и в том, что она имеет внутреннее образование — ионосферу, появившуюся в результате молекулярной фотоионизации.

Фотоионизация — это образование ионов в процессе взаимодействия атомов с фотонами под действием ультрафиолетового излучения. Именно в ионосфере возникает полярное сияние, наблюдаемое с земли ближе к полюсам (северному и южному). Заряженные частицы солнечного ветра прорываются в магнитное поле планеты и, двигаясь в ней, излучают световую энергию, вызывая свечение в этом атмосферном слое. Описание этого явления глазами человека выглядит так: разноцветные дуги самых разных форм и размеров светятся, полыхают и переливаются в ночном небе. Чаще свечение имеет зеленоватый оттенок.

Экзосфера

Экзосфера — завершающий слой атмосферы Земли.

Он начинается на расстоянии примерно 600-800 км от земной поверхности и простирается на десятки тысяч километров, постепенно перерастая в геокорону. Экзосфера еще более разрежена, чем предыдущий слой. Частицы элементов, встречающиеся в ней, настолько разрознены, что их совокупность уже нельзя классифицировать как газ. Геокорона Земли достигает расстояния до 100 000 км от поверхности. Ее можно увидеть с космического корабля, когда он находится над Луной, заслоняющей Землю.

Состав атмосферы, газы и другие вещества

Тропосфера состоит из воздуха, содержащего азот (78,08%), кислород (20,95%), аргон (0,93%) и углекислый газ (всего 0,04%). В воздухе содержится и испаряемая с Земли влага в виде пара, количество которого все время меняется. 

Стратосфера состоит преимущественно из озона, создающего защитный озоновый слой Земли. Образовался он из кислорода, который в процессе фотосинтеза выделяли растения и микроорганизмы с древних времен. В результате химической реакции кислород, поднявшись в стратосферу, превратился в озон. Процентное соотношение азота, кислорода, аргона и углекислого газа остается таким же, но сам воздух настолько разрежен, что вдыхаемого количества кислорода уже недостаточно для живых существ. Поскольку движения воздушных потоков между стратосферой и тропосферой практически не наблюдается, то объем водяных испарений здесь очень мал. Поэтому облака здесь образуются крайне редко.

В мезосфере, как и в двух предыдущих слоях, воздух состоит из тех же компонентов, но является еще более разреженным, чем в стратосфере. Характерной особенностью является наличие железа и некоторых других металлов, оставшихся в этом слое в результате сгорания метеоров.

В термосфере, в отличие от нижних слоев атмосферы, молекулы газа, в силу гораздо большой разреженности, не перемешиваются между собой, а равномерно распределены и практически лишены возможности сталкиваться друг с другом. Солнечное излучение приводит к их разрушению, поэтому в верхних слоях можно наблюдать не молекулярные азот, кислород, а их атомы вместе с атомами гелия.

Экзосфера состоит большей частью из атомов водорода, а также отдельных атомов кислорода, азота, гелия, ионизированных солнечными лучами.

Атмосферы других планет Солнечной системы

Почти все планеты Солнечной системы имеют свою атмосферу, но, кроме Земли, для жизни не приспособлены. Каждая из них содержит частицы в виде аэрозоля — это пылинки с поверхности планеты либо от метеоров, а также конденсаты атмосферных газов в жидком или твердом состоянии.

1. Марс. Состав атмосферы: углекислый газ (95%), азот и аргон (4%), кислород и водяной пар (1%). Давление в 160 раз меньше земного.
2. Венера. Состав атмосферы: углекислый газ (96,5%), азот (до 3%), примеси аргона и других инертных газов. Мощность давления на Венере в 90 раз превышает земную. Высота атмосферного слоя достигает 5500 км.
3. Меркурий. Имеет крайне низкое атмосферное давление. Присутствуют в небольшом количестве кислород, углерод, аргон, ксенон, гелий.
4. Сатурн. Имеет динамичную атмосферу, состоящую из гелия, водорода и метана.
5. Юпитер. Постоянно меняющаяся, нестабильная атмосфера состоит из гелия и водорода. Характерны атмосферные вихри и цветные облака, гигантские молнии. Высота атмосферного слоя 1000 км.
6. Уран. Атмосфера достигает 8000 км над поверхностью планеты. Состоит из водорода (83%), гелия (15%) и метана (2%). Имеет облачный покров из метана и водорода.
7. Нептун. Атмосфера также состоит из водорода, гелия и метана и имеет схожую водородно-метановую облачность.
8. Плутон. Давление примерно в 7000 раз меньше, чем на Земле. Имеет разреженную атмосферу, состоящую из метана в газообразной форме и незначительное количество инертных газов.