Состав и строение атмосферы

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней.

Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли, так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде.

Верхняя граница на высоте 1000-2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство.

Значение атмосферы

1. Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.
2. Если бы не было атмосферы, на Земле была бы такая же тишина, как на Луне. Ведь звук — это колебание частиц воздуха.
3. Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на живые организмы.
4. Атмосфера удерживает у поверхности Земли тепло, не давая нашей планете охлаждаться.
5. Защита от метеоритов.
6. Возможность выветривания горных пород.

Строение атмосферы

В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по температуре и плотности (рис. 1).

Рис. 1. Строение атмосферы Земли

Тропосфера

Тропосфера — самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы.

Тропосфера более всего пригодна для жизни. Здесь обитает большинство живых организмов Земли, включая людей.

Атмосфера вращается вместе с планетой, поэтому она так же сплюснута у полюсов. Верхняя граница тропосферы проходит на высоте 16-18 км над экватором, 10-12 км в умеренных широтах и 8-9 км над полюсами.

В тропосфере находится 80 % массы воздуха, почти весь водяной пар и примеси.

Здесь происходят горизонтальные и вертикальные движения воздуха, формируются облака, выпадают атмосферные осадки (дождь, снег и другие). Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере. Воздух нижнего слоя атмосферы нагревается от поверхности Земли, но при подъёме вверх температура воздуха понижается и достигает у верхней границы тропосферы −50 °С.

Стратосфера

Стратосфера — второй слой от поверхности Земли.

Стратосфера простирается до высоты 50-55 км.

Воздух здесь разрежён (20 % массы атмосферы), им невозможно дышать.

В стратосфере температура воздуха с подъёмом повышается и на верхней границе почти достигает 0 °С.

На высоте 20-25 км располагается озоновый слой. Этот слой служит своеобразным экраном, который защищает всё живое на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей. Но под действием продуктов сгорания топлива и фреонов озон разрушается, появляются озоновые дыры (например, над Антарктидой).

Выше 50-55 км располагаются верхние слои атмосферы — мезосфера, термосфера и экзосфера.

Плотность воздуха в этих слоях ничтожно мала. Здесь происходят удивительные явления природы: полярные сияния (свечение разрежённых газов) и метеоры (вспышки при сгорании в атмосфере метеорных тел). В экзосфере происходит ускользание в космическое пространство водорода, кислорода и гелия.

Мезосфера

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км.

Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С.

Термосфера

На высоте 80 км начинается термосфера.

Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.

В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризованность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.

В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км.

Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Состав атмосферы

Азот 78% (входит в состав белков).

Кислород 21%.

Другие газы 1%.

Углекислый газ 0,03%.

Кислород занимает пятую часть воздуха.

Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно.

Роль

Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.

Кислород, в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода — окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.

Роль углекислого газа в атмосфере исключительно велика. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов, гниения и представляет собой, прежде всего, основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе. Кроме этого, огромное значение имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаст так называемый парниковый эффект, о котором речь пойдет ниже.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает и озон. Этот газ служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, а поглощение солнечной радиации ведет к нагреванию воздуха. Средние месячные значения общего содержания озона в атмосфере изменяются в зависимости от широты местности и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание основных газов (азота, кислорода, аргона) с высотой изменяется незначительно: на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86 %, кислорода — 19, аргона — 0,91, на высоте же 95 км — азота 77, кислорода — 21,3, аргона — 0,82 %. Постоянство состава атмосферного воздуха по вертикали и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Кроме газов, в воздухе содержатся водяной пар и твердые частицы. Последние могут иметь как естественное, так и искусственное (антропогенное) происхождение. Это цветочная пыльца, крохотные кристаллики соли, дорожная пыль, аэрозольные примеси. Когда в окно проникают солнечные лучи, их можно увидеть невооруженным глазом.

Особенно много твердых частиц в воздухе городов и крупных промышленных центров, где к аэрозолям добавляются выбросы вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива.

Концентрация аэрозолей в атмосфере определяет прозрачность воздуха, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли — ядра конденсации (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — способствуют превращению водяного пара в водяные капли.