Земля – планета солнечной системы: атмосфера Земли

ЛЕКЦИЯ 10.

Атмосфера (от греч. аtmos – пар, sphaira - шар) воздушная оболочка Земли. Нижней границей атмосферы является земная поверхность, а верхняя граница размыта. Условно за верхнюю граница атмосферы принимают высоту 1000-2000 км над поверхностью Земли, а более высокие слои считают земной короной.

Атмосфера Земли образована смесью газов, влаги и частиц пыли.

СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Газ	Содержание в сухом воздухе, %
N2	азот	78,08
O2	кислород	20,95
Ar	аргон	0,93
CO2	углекислый газ	0,03

На долю остальных газов вместе взятых приходится всего 0,01%. К этим газам относятся водород, гелий, криптон, ксенон, радон, закиси азота, йод, водяной пар, озон, метан и др. Так как эти газы имеют различную плотность, то они должны были бы разделиться на отдельные слои, но этому препятствует непрерывное турбулентное перемещение воздушных масс в виде ветра. Каждый газ выполняет свои определенные функции. Свободному кислороду принадлежит огромная роль в жизни, без него не возможно дыхание, горение. Азот химически мало активен и регулирует темп окисления. Он входит в состав нуклеиновых кислот и белков, его соединения обеспечивают минеральное питание растений. Диоксид углерода – своеобразный утеплитель Земли, поскольку он в основном пропускает коротковолновую солнечную радиацию, но задерживает тепловое излучение земной поверхности, обуславливая так называемый парниковый эффект. По оценкам ученых, с середины прошлого века происходит увеличение его в атмосфере за счет сжигания ископаемого органического топлива, что способствует повышению температуры воздуха на Земле. Диоксид углерода служит основным строительным материалом для создания органического вещества в процессе фотосинтеза.

Весьма важна роль озона О₃, хотя его в атмосфере немного. Количество его достигает максимума на высотах около 25 км и сходит на нет на высоте 70 км. Слой повышенной концентрации озона называют нередко озоновым экраном. Озон – своеобразный фильтр атмосферы, поскольку он поглощает значительную долю ультрафиолетовой радиации, которая губительно действует на живые организмы. В последние годы замечено глобальное сокращение озона. Уменьшение толщины озонового слоя вредно для всего живого.

Важной составной частью атмосферного воздуха является водяной пар. Его содержание в воздухе колеблется от 0,2% в ледяных пустынях до 3-4% (по объему) во влажных экваториальных лесах. Поскольку водяной пар поступает за счет испарения с поверхности воды, почвы и транспирации растений, его количество зависит от температуры: чем она выше, тем его больше. С высотой количество водяного пара уменьшается, около 90% его заключено в нижнем пятикилометровом слое воздуха. Значение водяного пара исключительно велико. Он представляет собой важное звено влагооборота, так как при определенных условиях происходит его конденсация, образуются облака и осадки. Велика роль водяного пара и в создании парникового эффекта, так как именно он задерживает основную часть теплового излучения Земли.

В воздухе много твердых частиц, причем большинство их невидимо простым глазом. Мельчайшие твердые и жидкие частицы естественного и антропогенного происхождения, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии, называют аэрозолями. Это космическая, вулканическая и минеральная пыль, дым, пыльца растений, микроорганизмы, частицы морской соли и т.д. Особенно опасны среди аэрозолей продукты радиоактивного распада. Твердые частицы выполняют в атмосфере роль ядер конденсации, их обилие ускоряет образование туманов и облаков. Аэрозоли уменьшают прозрачность атмосферы, ослабляя солнечную радиацию и ухудшая видимость.

Историю образования атмосферы пока не удалось восстановить абсолютно достоверно. Тем не менее, выявлены некоторые вероятные изменения ее состава. Становление атмосферы началось сразу после формирования Земли. Имеются довольно веские основания полагать, что в процессе эволюции Праземли и обретения ею близких к современным размеров и массы она практически полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Считается, что ок. 4,5 млрд. лет назад оформилась в твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени происходила и медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, как, например, излияния лавы при извержениях вулканов, сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав, вероятно, входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид и диоксид углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода с образованием углекислого газа. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным ее компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в ходе химических реакций.

С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением свободного кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

Вероятно также, что в первичной атмосфере содержалось много углекислого газа. Он расходовался в процессе фотосинтеза, и его концентрация должна была уменьшаться по мере эволюции мира растений, а также из-за поглощения в ходе некоторых геологических процессов. Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, некоторые ученые полагают, что колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как ледниковые периоды.

Присутствующий в современной атмосфере гелий, вероятно, большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Радиоактивные элементы содержатся в минералах, рассеянных в толще горных пород, поэтому значительная часть гелия, образовавшегося в результате радиоактивного распада, сохраняется в них, очень медленно улетучиваясь в атмосферу.

На основании спектрального анализа света звезд и изучения метеоритов можно оценить относительное содержание различных химических элементов во Вселенной. Концентрация неона в космосе примерно в десять миллиардов раз выше, чем на Земле, криптона – в десять миллионов раз, а ксенона – в миллион раз. Отсюда следует, что концентрация этих инертных газов, изначально присутствовавших в земной атмосфере и не пополнявшихся в процессе химических реакций, сильно снизилась, вероятно, еще на этапе утраты Землей своей первичной атмосферы. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа ⁴⁰Ar он и сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров, основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Половина массы атмосферы находится между уровнем моря и высотой 5-6 км, 90% - в слое до 16 км, 99% - в слое до 30 км. Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается: на уровне моря она составляет 1,033 кг/м³, на высоте 12 км – 0,319 кг/м³, на высоте 40 км – всего 0,004 кг/м³.

Вследствие притяжения Земли частицы атмосферы оказывают на всё, что находится на поверхности Земли, соответствующее давление. В частности, тело взрослого человека испытывает давление 12-15 тыс. кг. Однако этого давления человек не ощущает: внешнее давление атмосферы уравновешивается внутренним давлением воздуха в теле человека. Жизнь на Земле приспособлена именно к этому давлению. Но при подъеме на большие высоты самочувствие человека ухудшается как из-за недостатка кислорода, так и из-за пониженного атмосферного давления.

Установлено, что по вертикали атмосфера неоднородна. С высотой изменяется не только атмосферное давление, плотность и температура воздуха, но и состав атмосферы. Атмосферу делят на 5 концентрических оболочек с различными физическими свойствами: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера, которые разделены тонкими переходными слоями: тропо-, страто-, мезо- и термопаузами.

Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 8-12 км в умеренных и высоких широтах и до 16-17 км – в тропической и экваториальных зонах. Высота верхней границы тропосферы во внетропических широтах изменяется по сезонам: летом она несколько выше, чем зимой.

В тропосфере находится весь водяной пар, поэтому тропосфера – «фабрика погоды». Здесь возникают облака и выпадают дожди, снег, град.

Характерная особенность тропосферы – понижение температуры в среднем на 6°С на каждый километр высоты. Это среднее значение градиента называется стандартным градиентом. Однако в ночное время зачастую складывается иная ситуация: воздух оказывается более холодным у земли из-за контакта с охлажденной поверхностью. Это положение дел называется приземной инверсией и типично для ночи. Приземная инверсия может распространяться вверх до высот 300 м и даже более при наличии ветра и интенсивного перемешивания слоев. Слово инверсия обозначает тот факт, что температура воздуха увеличивается или, по крайней мере, не уменьшается с увеличением высоты, как на графике стандартной атмосферы.

Один из аспектов погоды, который ежедневно влияет на нашу жизнь особенно, на полеты - это ветер. Полный штиль- явление достаточно редкое, в основном, воздух в движении. Ветер переносит на значительные расстояния тепло и влажность, и этим играет очень важную роль в формировании погоды. Определим его причины и составляющие. Ветер возникает от дисбаланса давлений, обычно, в горизонтальной плоскости. Этот дисбаланс появляется из-за различия температур на соседних территориях или циркуляции воздуха вверх на отдельных участках. В любом случае, причина этого - неравномерный прогрев поверхности солнцем, что приводит к разнице температур, циркуляции, и к разнице давления. Снова приходим к выводу, что причиной всех явлений в атмосфере является солнце.

Ветер называется по направлению, откуда он дует. Например, северный ветер дует с севера, юго-восточный с юго-востока и т.д. Аналогично, горный ветер дует с гор, морской бриз с моря на сушу, а береговой наоборот. Вследствие широтного распределения температуры в тропосфере преобладает западный горизонтальный перенос воздуха, то есть между тропиками и высокими широтами Земли преобладают западные ветры.

Чем выше над поверхностью Земли, тем ярче они выражены. Как правило, эти ветры достигают наибольшей скорости на высотах 9-12 км. Здесь западные ветры при определенных условиях могут стать сверхураганными: их скорость может превышать 300 км/ч. Горизонтальный перенос воздуха сопровождается вертикальными и турбулентными движениями. Поэтому воздух в тропосфере непрерывно перемешивается. А так как при этом перемещаются огромные объемы воздуха, то в тропосфере постоянно образуются и рассеиваются облака, выпадают и прекращаются атмосферные осадки.

Над тропосферой находится стратосфера. Её нижняя граница расположена на высотах 8-17 км, а верхняя – 50-55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой: в экваториальной зоне от –40°С, а в полярных зонах от -80°С до температур, близких к 0°С. На основе наблюдений, проведенных с помощью самолетов и шаров-зондов, приспособленных для полетов на постоянной высоте, в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. На высоте 22-25 км на высоких широтах наблюдаются капельножидкие перламутровые облака.

Выше стратосферы до высот порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы составляет -80°С. Рекордно низкие температуры до –110°С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Здесь иногда (чаще летом) возникают тонкие облака. Так как при освещении Солнца из-за горизонта эти облака блестят, их называют серебристыми. Природа серебристых облаков пока изучена недостаточно. Предполагается, что они состоят из частиц пыли.

Между высотами 80 и 800 км располагается термосфера. На высоте около 100 км температура переходи через 0°С, в слое 150-200 км она доходит до 500°С, а на высотах 500-600 км превышает 1500°С. По данным, полученным с комических летательных аппаратов, в верхней термосфере температура достигает почти 2000°С и в течение суток значительно колеблется. Эти колебания достигают 100°С. В термосфере на температуру существенное влияние оказывает радиация Солнца. В термосфере газы большей частью находятся в ионизированном состоянии из-за мощного действия ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца. Учитывая способность газов термосферы ионизироваться, её называют ионосферой.

Ионосфера влияет на распространение радиоволн. Ионизированные слои отражают средние и короткие радиоволны. Последние вновь возвращаются на земную поверхность, но уже на значительном отдалении от места радиопередачи. Это позволяет с их помощью осуществлять дальнюю радиосвязь. Однако при вспышках на Солнце и усилении его ультрафиолетового излучения происходят сильные возмущения ионосферы и магнитного поля Земли, приводящее к тому, что ионосфера начинает хуже отражать радиоволны и даже пропускать их в космос. Радиосвязь при этом нарушается.

Экзосфера – внешний (выше 800 км) крайне разреженный слой атмосферы с температурой около 2000°С. Здесь скорость движения атомов газов такова, что они частично ускользают в межпланетное пространство, за что этот слой называют сферой рассеяния.

Исследования показали, что внешняя форма воздушной оболочки нашей планеты не шарообразна, а вытянута с ночной стороны наподобие хвоста кометы. Длина хвоста достигает 100 тыс. км. Ученые считают, что он образуется в результате давления солнечных лучей – т.н. солнечного ветра.

До высоты 100-120 км газовый состав нашей атмосферы не меняется. Выше – до 200-350 км становится больше азота, затем – до 500-700 км преобладает атомарный кислород. Еще выше вперед выходит гелий. Он господствует до высоты 1600 км. У поверхности «воздушного океана» преобладающим становится самый легкий элемент – водород.

Значение атмосферы исключительно велико и многообразно, поскольку она является посредником между Землей и Космосом и тесно взаимодействует со всеми другими земными оболочками – гидросферой, литосферой, биосферой.

Атмосфера защищает органический мир от пагубного воздействия ультрафиолетовой солнечной радиации, корпускулярных потоков, космических лучей различного происхождения. Она служит броней для железно-каменных метеорных потоков. Атмосфера создает благоприятные тепловые условия для жизни на земной поверхности, предохраняя её от губительного зноя и ледяного холода. Без атмосферы не было бы ни осадков, ни ветра, ни звука, ни полярных сияний, ни других метеорологических явлений. Воздух атмосферы современного состава, будучи сам в значительной степени продуктом жизнедеятельности организмов, нужен всему живому.

Между атмосферой и земной поверхностью происходит непрерывный обмен теплом и влагой. Основным аккумулятором тепла и поставщиком влаги является Мировой океан.

Атмосфера в своем развитии тесно связана и с литосферой. Благодаря геологическим и геохимическим процессам она получила и продолжает получать из недр Земли значительную часть газов. Колебания температуры, ветер, осадки являются экзогенными факторами рельефообразования.

Атмосфера, особенно в последние десятилетия, испытывает серьезное антропогенное воздействие. Тому много примеров глобального масштаба. Загрязнение атмосферы диоксидом углерода и другими газами способствует поглощению земного излучения и повышению температуры воздуха. Уничтожение лесов ослабляет поступление в атмосферу кислорода.

В конце 50-х гг. ученых привлек слой атмосферы, содержащий озон. Этот газ образуется из обычного кислорода при электрических разрядах или под действием ультрафиолетового излучения. Большая часть озона, находящегося в атмосфере, расположена на высотах от 10 км до 50 км с максимальной концентрацией на высотах 20-25 км. Озоносфера практически полностью поглощает опасное для всего живого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря этому слою оно не доходит до поверхности Земли, и поэтому на нашей планете вот уже сотни миллионов лет существуют условия, благоприятные для развития жизни.

Первые данные глобальных наблюдений за озоносферой появились с приходом эры космических исследований. В частности, было установлено, что местами озоновый слой уменьшается, и его толщина приближается к предельной величине, при которой защитные функции озоносферы могут перестать выполняться. В научны обиход были введены такие термины, как озоновые «дыры» и мини-«дыры». Например, озоновая дыра возникла с 80-х гг. над Антарктидой. Иногда образуются мини-«дыры» диаметром не более 3000 км. Последние существуют обычно от нескольких дней до 2-3 недель. Такая дыра была зафиксирована в 1986 г. над Москвой.

Имеются 2 гипотезы истощения озонового слоя Земли. Первая связывает убыль озона в атмосфере с естественными факторами, вторая – с антропогенными факторами.

Гипотеза естественного разрушения основывается на том, что динамические процессы, существующие в атмосфере, вызывают перераспределение озона: восходящие потоки воздуха вытесняют озон из нижних слоев атмосферы вверх, а затем горизонтальными меридиональными движениями он распространяется по всей атмосфере. Однако прямые градиентные измерения гипотезу естественного разрушения озона пока не подтвердили.

Гипотеза антропогенного разрушения озонового слоя базируется на химическом воздействии на него. Это прежде всего воздействие хлора. Содержание свободного хлора в зонах, где ситуация близка к озоновой дыре, обычно бывает в 100-400 раз выше, чем в окружающих областях атмосферы. Именно хлор активнее всего разрушает озоновый слой. Эту гипотезу подтверждают в настоящее время многие эксперименты.

Особую опасность для озонового слоя представляют хлорфторуглероды, называемые фреонами. Это органические вещества, широко применяемые в промышленности и в быту. Их используют, в частности, в холодильниках, кондиционерах, аэрозольных упаковках лаков, красок, инсектицидов. Сами по себе фреоны не токсичны и не опасны для здоровья людей. Ног они являются весьма стойкими соединениями и рано или поздно за счет турбулентных движений воздуха достигают высот 20-25 км. Здесь под действием солнечного ультрафиолетового излучения они распадаются. При этом выделяется хлор, а одной молекулы хлора достаточно, чтобы разрушить 10000 молекул озона.

В настоящее время считается, что озоновые «дыры» над Антарктидой связаны прежде всего с антропогенным воздействием. Фреоны, выброшенные в атмосферу где-то даже далеко от Антарктиды, разносятся по всей атмосфере, но та их часть, которая достигает пространства над Антарктидой, попадает в изолированный полярный вихрь. Последний представляет собой по существу закрытый «котел», в котором в течение всей южнополярной зимы и начала весны не происходит обмена воздушными массами. Процесс катастрофического разрушения озона идет беспрепятственно, и озоновая «дыра» сохраняется устойчиво.

Если сократить выброс фреонов в атмосферу, то она сможет сама восстановиться. Предполагается, что в будущем человечество полностью откажется от использования в промышленности всех веществ, воздействующих на озоновый слой Земли.

1. Формирование облаков. Виды облаков.

2. Атмосферные явления: дождь, град, снег. Как образуются осадки?

3. Электричество в атмосфере. Как образуется молния? Грозы.

4. Дайте объяснение разнообразных оптических явлений в атмосфере: радуга, гало, ложные солнца, глории (нимбы), призраки Броккена, миражи, огни Святого Эльма, блуждающие огоньки, зеленый луч.

Дата добавления: 2014-01-15