Атмосфера Земли. Слои атмосферы Земли

Атмосфера Земли окружает нас повсюду.  Атмосфера защищает нас от радиации и предотвращает испарение  воды в космос. Она согревает планету и обеспечивает нас кислородом для дыхания. Атмосфера простирается от поверхности Земли до более чем 10 000 километров (6 200 миль) над планетой. Эти 10 000 километров разделены на несколько отдельных слоев. От нижнего слоя до верхнего воздух в каждом из них имеет одинаковый состав. Но чем выше вы поднимаетесь, тем дальше друг от друга находятся эти молекулы воздуха.

На самом деле – атмосфера относится к самому нижнему и самому плотному слою кислорода, который поддерживает человеческое дыхание. В этой газовой оболочке имеется несколько различных концентрических слоев:

•  тропосфера до 12 км,
•  стратосфера до 60 км
•  мезосфера.

Выше этой высоты воздух становится слишком разреженным, чтобы его можно было считать газом. Атмосфера оказывает решающее влияние на условия жизни на Земле, отчасти из-за ее влияния на климат, особенно парниковый эффект, и отчасти потому, что она действует как барьер, фильтрующий большую часть солнечной радиации.

История атмосферы Земли

Атмосфера Земли подвергалась непрерывным изменениям с момента ее образования. Первичная атмосфера Земли возникла 4 миллиарда лет назад, когда материал, образующий Землю, слился и расплавился; он организовался в слои с плотными материалами в ядре и менее плотными соединениями ближе к поверхности.

Средняя скорость молекул водорода и атомов гелия больше скорости убегания от Земли; эти легкие газы были потеряны и унесены в результате фотоиспарения солнечным ветром в начале Гадейского эона из-за слабой гравитации Земли и сильного столкновения с планетоидом. В земной атмосфере Гадея остались метан, аммиак, водяной пар и небольшое количество азота и углекислого газа. Катастрофическая метеоритная бомбардировка сохранила большую часть поверхности Земли в расплавленном состоянии; приближающиеся ударные элементы могли принести дополнительную воду, метан, аммиак, сероводород и другие газы, пополнившие атмосферу.

В физике (в частности, в небесной механике) скорость убегания–это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы свободный, не движущийся объект избежал гравитационного воздействия массивного тела, достигнув, таким образом, бесконечного расстояния от него.

Вторая атмосфера Земли сформировалась 2,5 миллиарда лет назад, когда земная кора начала остывать и количество водяного пара в атмосфере уменьшилось, так как вода начала конденсироваться в жидкой форме. Когда пар конденсировался в воду, атмосферное давление на Земле стало ниже, и вода начала растворять такие газы, как аммиак, удаляя их из атмосферы и создавая соединения аммония, амины и другие азотсодержащие вещества, пригодные для зарождения жизни.

Конденсация воды с газами, такими как диоксид серы, вызвала кислотные дожди, которые создали новые минералы на поверхности Земли. Микрофоссилии клеток, метаболизирующих серу, были обнаружены в породах возрастом 3,4 миллиарда лет, и известно, что первые водные фотосинтезирующие организмы возникли около 3,5 миллиардов лет назад. Пройдут миллиарды лет, прежде чем фотосинтезирующие микроорганизмы смогут в конечном итоге изменить состав атмосферы.

К тому времени Земля достаточно остыла, так что большая часть водяного пара в атмосфере сконденсировалась в виде воды, и Земля провела первые дни без облаков. Аммиак и метан были лишь второстепенными составляющими атмосферы; углекислый газ составлял около 15% атмосферы, а процентное содержание азота составляло 75%. По сути, большая часть первоначальных компонентов атмосферы улетучилась, выпала в виде жидкостей или прореагировала химически с образованием твердых соединений. Вулканическая активность и фотосинтезирующие бактерии теперь стали основными факторами, влияющими на состав атмосферы Земли.

На стадии третьей атмосферы Земли, 0,5 миллиарда лет назад, метаногены объединили водород и углекислый газ, чтобы произвести метан и воду. Сульфаредуцирующие бактерии объединили метановые и сульфатные радикалы; другие организмы, способные к фотосинтезу, использовали энергию солнечного света для превращения большого количества углекислого газа и воды в углеводы (C6H12O6) и кислород. Реакция кислорода с железом в его восстановленном состоянии продолжала создавать отложения железа в его окисленном состоянии; дополнительный кислород продолжал расходоваться на окисление полезных ископаемых на земной коре.

Молекулы кислорода мигрировали в верхние слои атмосферы и образовывали озоновый слой; область в стратосфере, расположенная на высоте 15–35 километров над поверхностью Земли, где молекулы кислорода (O2) под действием ультрафиолетовых лучей Солнца превращаются в озон (O3). Обратное преобразование озона обратно в кислород приводит к выделению тепла; озоновый слой в основном поглощает высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение и преобразует его в тепло.

Формирование современной атмосферы Земли было отмечено обилием многоклеточной жизни; большинство основных групп животных впервые появились в это время. Растительность покрывала поверхность Земли, а кислород составлял 30% атмосферы; воздух, обогащенный таким количеством кислорода, позволял развиваться гигантским насекомым и вызывал частые лесные пожары, вызванные молнией. Великое массовое вымирание произошло 251 миллион лет назад, когда уровень кислорода упал с 30% до 12%, а уровень углекислого газа достиг примерно 2000 частей на миллион.

Это было худшее массовое вымирание на Земле, в результате которого погибло 90% обитателей океана и 70% наземных растений и животных. Считается, что причиной этого массового вымирания стала серия извержений вулканов в Сибири, продолжавшихся около миллиона лет и высвободивших большие объемы углекислого газа и газов, содержащих серу, хлор и фтор.

Около 228 миллионов лет назад уровень кислорода поднялся примерно до 15% атмосферы, и появились первые динозавры. Уровень кислорода продолжал расти, пока 100 миллионов лет назад кислород не поднялся примерно до 23% атмосферы. В это время хорошо утвердились динозавры и начали развиваться современные млекопитающие и птицы. За последние 100 миллионов лет процентное содержание кислорода колебалось от 18% до 23% до нынешнего уровня около 21% атмосферы.

Слоистая структура атмосферы

 

Слой газа над тяжелыми элементами, такими как земная кора, почва и океаны, часто называют атмосферой.  Переход между атмосферой и геопространственной средой (см. верхние слои атмосферы) обычно находится выше 85 км над землей, где воздух лишь на одну миллионную ( ^10-6 ) плотнее уровня моря. На фотографии на рисунке 1 показана эта голубая газовая оболочка (цвет неба).

Концентрические слои, составляющие атмосферу, определяются тремя важнейшими явлениями:

• теплопроводностью и конвекцией,
• содержанием воды,
• поглощением ультрафиолетового излучения Солнца . 

Между землей на полюсах и примерно на 8 км над уровнем моря, а также между землей на экваторе и на высоте 15 км над уровнем моря теплопроводность и конвекция вызывают линейное снижение температуры с высотой: в среднем повышение высоты на 1 км снижает температуру на 6,5°С, эта величина составляет 5°С/км в насыщенной водяным паром атмосфере и 9°С/км в сухом воздухе.

Почему содержание водяного пара влияет на распределение температуры?Это происходит из-за конденсации , которая происходит на больших высотах, когда температура и давление падают, и движения молекул азота и кислорода уже недостаточно для переноса молекул воды. Эта конденсация высвобождает скрытую теплоту, тем самым ухудшая линейное охлаждение температуры.

Тропосфера

Первый слой называется тропосферой . Это самый плотный, самый влажный  слой. В тропосфере содержится почти весь водяной пар Земли. Водяной пар и воздух постоянно циркулируют в турбулентных конвекционных потоках. Неудивительно, что тропосфера также является самым плотным слоем. Он содержит целых 80 процентов массы всей атмосферы. Чем выше вы поднимаетесь в этом слое, тем холоднее становится.

Хотите снега летом? Отправляйтесь туда, где верхняя тропосфера омывает самые высокие вершины. Граница между тропосферой и следующим слоем называется тропопаузой.

Волнение в тропосфере происходит от естественной конвекции. Это связано с тем, что самый горячий газ является также и самым легким газом. Обычно он находится ниже более тяжелого газа.

Падение температуры в тропосфере вызвано переносом тепла от земли в космос. Потепление стратосферы вызвано поглощением ультрафиолетового излучения Солнца. При отсутствии значительного подвода тепла температура промежуточного слоя снова падает.

Как свойства атмосферы меняются с высотой?

За пределами тропопаузы газ слишком разреженный, чтобы эффективно передавать тепло путем теплопроводности и конвекции. Основным средством переноса энергии становится поглощение ультрафиолетового излучения Солнца. Это вызывает химическую реакцию, которая превращает кислород в озон. Эта реакция является тепловыделяющей, а поскольку атмосферу можно разделить на несколько подслоев или слоев по составу кислорода и озона, эта химическая реакция нагревает второй слой атмосферы — стратосферу . 

Температура тропопаузы  составляет около -56°C, поднимаясь почти до 0°C в стратосфере (верхний предел стратосферы). В отличие от тропосферы, в этом слое самый тяжелый газ всегда располагается ниже более легкого газа, что обеспечивает высокую устойчивость и предотвращает колебания возмущения в тропосфере. Дальше от земли третий слой, средний слой , настолько разбавлен, что менее значительно поглощает УФ-излучение, что опять же приводит к падению температуры с высотой.

Экспоненциальное снижение давления воздуха

Поскольку эта газообразная среда движется очень медленно по отношению к собственному движению ее молекул, ее можно рассматривать как жидкость, находящуюся в состоянии покоя и равновесия под действием силы тяжести . Это состояние равновесия имеет несколько переменных, зависящих от высоты. На атмосферное давление не влияет никакая внешняя сила, кроме силы тяжести , которая  демонстрирует экспоненциальное падение, причину которого можно найти в воздухе и воде. Этот экспоненциальный закон требует, чтобы давление было убывающей функцией высоты и пропорционально местному давлению, с самым высоким давлением на уровне моря (1013 гПа) и все более и более низким давлением с увеличением высоты (Паскаль является единицей давления в международной системе).

Состав

Сухой воздух в основном состоит из четырех газов, концентрации которых примерно следующие: 

• азот (N₂ ) 78 %, 
• кислород (O₂ ) 21 %, 
• аргон (Ar) 1 %
• углекислый газ (CO ₂ ) 0,035 %. 

В составной структуре тропосфера-стратосфера-мезосфера перемешивание молекул достаточно для создания термодинамического равновесия, так что процентное содержание этих газов мало меняется с высотой. Из-за этого свойства та часть газа, которая простирается от земли на Земле до 85 километров над уровнем моря, называется однородным слоем .

Но воздух в тропосфере не сухой, если только он не находится очень далеко от водоема, являющегося источником испарения.  Содержание водяного пара в нем равно нулю в сухую погоду и может изменяться до максимально возможного значения. Выше этого предела водяной пар конденсируется в капли, образуя туман и облака. Это давление насыщенного водяного пара зависит как от температуры (давление водяного пара повышается с 0,6 % атмосферного давления при 0°C до 7,4 % при 40°C), так и от местного атмосферного давления: облака образуются при низком давлении, принося дожди, а затем исчезают.

Кислород истощается при снижении давления

На протяжении более 40 километров атмосферное давление продолжает экспоненциально падать до предела, близкого к нулю, что имеет важные последствия для всех форм жизни. В тропосфере, где абсолютная температура изменяется умеренно (от 288 К у земли до 200 К в тропопаузе, где К обозначает кельвин, международную единицу измерения температуры), содержание кислорода меняется почти так же, как и давление. На вершине Монблана (4810 метров) уровень кислорода сокращается вдвое. Это означает, что перед любым походом или восхождением альпинисты должны дышать в два раза быстрее, чем на уровне моря, чтобы снабжать организм таким же количеством кислорода и увеличить частоту сердечных сокращений с 60 до 120 ударов в минуту. На пике Гималаев (8000 метров) давление и уровень кислорода в три раза ниже. Поэтому путешественники должны дышать в три раза быстрее, чем на высоте уровня моря и  должны увеличить частоту сердечных сокращений до 180 ударов в минуту. Вот почему эти пики Гималаев зарезервированы для специально тренированных спортсменов, которым удалось снизить нормальную частоту сердечных сокращений до 50 ударов в минуту или меньше.

Полет становится более трудным по мере уменьшения плотности

Поскольку изменение абсолютной температуры относительно невелико, а изменение давления воздуха от максимального на уровне моря до почти нулевого в мезосфере, можно классически считать, что плотность также изменяется экспоненциально. Быстрое снижение плотности воздуха объясняет, почему птицы летают только в нижних слоях тропосферы, где воздух достаточно плотный, чтобы переносить их. Кроме того, вес авиалайнера должен быть компенсирован, чтобы авиалайнер мог летать только в тропосфере, где большие крылья авиалайнера получают достаточную подъемную силу. Ракеты, летящие в стратосферу и дальше, больше не имеют крыльев, а только небольшой хвост для их стабилизации.

Стратосфера

В отличие от тропосферы, температура в этом слое увеличивается с высотой. Стратосфера очень сухая, поэтому здесь редко образуются облака. Она также содержит большую часть атмосферного озона, триплетные молекулы, состоящие из трех атомов кислорода.

На этой высоте озон защищает жизнь на Земле от вредного солнечного ультрафиолетового излучения. Это очень стабильный слой с небольшой циркуляцией. По этой причине коммерческие авиалинии, как правило, летают в нижней стратосфере, чтобы обеспечить плавность полетов. Это отсутствие вертикального движения также объясняет, почему вещества, попадающие в стратосферу, имеют тенденцию оставаться там в течение длительного времени. Эти «вещества» могут включать аэрозольные частицы, выбрасываемые в небо при извержении вулканов, и даже дым от лесных пожаров, такие вещества как хлорфторуглероды. Эти химические вещества , более известные как CFC,может разрушить защитный озоновый слой, сильно его истончая. В верхней части стратосферы, называемой стратопаузой, плотность воздуха всего в тысячную меньше, чем у поверхности Земли.

Мезосфера

Ученые не так много знают об этом слое.  Самолеты и исследовательские воздушные шары не летают на такой высоте, а спутники вращаются выше. Мы знаем, что мезосфера  — это место, где большинство метеоров безвредно сгорают, когда они летят к Земле. В верхней части этого слоя температура падает до самого низкого уровня в атмосфере Земли — около -90° по Цельсию (-130° по Фаренгейту). Линия, обозначающая верхнюю часть мезосферы, называется, мезопаузой.

Мезопауза также известна как линия Кармана – в честь физика венгерского происхождения Теодора фон Кармана. Он стремился определить нижнюю границу того, что может представлять собой космическое пространство. Он установил его на высоте около 80 километров (50 миль). Некоторые агентства правительства США приняли это как определение того, где начинается космос. Другие агентства утверждают, что эта воображаемая линия немного выше: 100 километров (62 мили).

Ионосфера — это зона заряженных частиц, простирающаяся от верхней стратосферы или нижней мезосферы до экзосферы. Ионосфера способна отражать радиоволны – это позволяет осуществлять радиосвязь.

 Слой земной атмосферы, расположенный на высоте от 75 до 1000 километров (от 47 до 620 миль) над поверхностью Земли. Он поглощает вредные ультрафиолетовые лучи солнца. Эта энергия отрывает электроны от атомов и молекул, создавая зону, полную свободно плавающих ионов. Доля присутствующих здесь ионов влияет на радио и другие сигналы, проходящие через него.

Термосфера

от 85 до 600 км (от 53 до 372 миль)

Следующим слоем является термосфера. Он поглощает рентгеновские лучи и ультрафиолетовую энергию солнца, защищая нас от этих вредных лучей. Взлеты и падения  солнечной энергии также заставляют термосферу сильно колебаться по температуре. Она может варьироваться от очень холодной до такой горячей, как около 1980 ºC (3600 ºF) в верхней части. Изменяющаяся выходная мощность солнца также приводит к тому, что толщина этого слоя увеличивается при нагревании и сжимается при охлаждении. В термосфере происходят полярные сияния. Верхняя граница этого слоя называется термопаузой.

Экзосфера

от 600 до 10 000 км (от 372 до 6 200 миль)

Самый верхний слой атмосферы Земли называется экзосферой.  Экзосфера не имеет четко выраженной высоты.  Этот слой атмосферы просто растворяется в космосе. Молекулы воздуха в этой части атмосферы находятся так далеко друг от друга, что даже редко сталкиваются друг с другом. Земная гравитация все еще имеет здесь небольшое притяжение, но достаточное, чтобы удержать большую часть разреженных молекул воздуха от дрейфа. Тем не менее, некоторые из этих молекул воздуха — крошечные частицы нашей атмосферы — уплывают, навсегда потерянные для Земли.

Теплообмен в атмосфере

Земля — это не диск площадью πR^2, а вращающаяся сфера площадью 4πR^2. Следовательно, количество солнечного света, падающего на каждый квадратный метр, в 4 раза меньше, чем полученное диском.

Как упоминалось выше, распределение температуры в тропосфере линейно уменьшается от среднего уровня моря около 15°C. Понимание теплообмена между Солнцем, Землей и их атмосферами является ключом к пониманию этого линейного распределения температуры в тропосфере.

Тепловой поток, излучаемый солнцем на землю, составляет около 1361 Вт/м ² (Ватт — единица мощности международной системы: 1 Вт = 1 Дж/с = 1 Н.м/с), за счет центробежной силы (около 5% ), это значение меняется в течение года. Этот масштаб меняется очень медленно, примерно в соответствии с изменением ритма обращения Земли вокруг Солнца, с периодом около 100 000 лет. Его изменчивость является одной из причин чередования ледниковых и межледниковых циклов.

Для получения скорости нагрева Земли необходимы две поправки. Во- первых, мы должны вычесть альбедо , которое представляет собой долю энергии, которая отражается обратно в космос в основном от облаков, заснеженных поверхностей и океанов. Это снизит тепловыделение примерно до 950 Вт/ ^м2 . Кроме того, поскольку Земля представляет собой не диск с площадью , а сфера с площадью поверхности , это значение нужно разделить на 4, и среднее значение тепла станет равным 240 Вт/м ² . Для того чтобы средняя температура почвы мало менялась, должно существовать тепловое равновесие, излучающее в пространство поток, равный 240 Вт/м ² 

Чтобы вывести среднюю температуру Земли из этого равновесия, нужно использовать закон Стивена-Больцмана, который выражает энергию, излучаемую черным телом, как функцию его температуры.

Температура поверхности Солнца составляет около 6000 К, позволяет ему излучать очень широкий спектр, тогда как температура поверхности Земли намного ниже, что требует от него излучения в инфракрасном диапазоне как черного тела.

Закон предсказывает температуру земли 255 К, или -18°C. Очевидно, что этот расчет не соответствует средней температуре атмосферы на уровне моря (около +15°С).

Следовательно, есть еще один механизм, который может ограничить охлаждение Земли. Это парниковый эффект . Из-за парникового эффекта атмосфера перехватывает значительную часть инфракрасного излучения Земли, которое отражается обратно на землю, около 150 Вт на квадратный метр. Следовательно, при тепловом равновесии поверхность Земли излучает в среднем 390 Вт/м ² вместо 240 Вт/м ² , что объясняет, почему средняя температура на уровне моря составляет около +15°C.

Кратко:

• Земная атмосфера состоит из трех слоев газов: тропосферы, достаточно плотной для жизни и полета птиц и самолетов, стратосферы, защищающей нас от солнечного ультрафиолетового излучения, и чрезвычайно разреженной и далекой мезосферы.
• Воздух в атмосфере состоит из четырех основных газов, содержание которых мало меняется с высотой: азота (71%), кислорода (21%), аргона (1%) и углекислого газа (0,035%).
• Теплообмен внутри атмосферы определяет среднюю температуру Земли. Средний тепловой поток, излучаемый солнцем на землю, составляет около 240 ватт/квадратный метр, а средняя температура планеты должна быть такой, чтобы она излучала в космос сама по себе точно такую ​​же величину. Поэтому средняя температура Земли близка к +15°С (или 288 К).
• На лучистый поток влияют два важных эффекта: альбедо, уменьшающее солнечное излучение, достигающее земли и отражающее его в космос, и парниковый эффект, который перехватывает часть инфракрасного излучения Земли в космос и возвращает его земле.

---