Атмосфера

   СОДЕРЖАНИЕ 

   1 Физические свойства

   2 Строение атмосферы 

   2.1 Тропосфера

   2.2 Стратосфера

   2.3 Стратопауза

   2.4 Мезосфера

   2.5 Мезопауза

   2.6 Линия Кармана

   2.7 Граница атмосферы Земли

   2.8 Термосфера

   2.9 Экзосфера (сфера рассеяния)

   3 Физиологические и другие свойства атмосферы

   4 Состав атмосферы

   5 История образования атмосферы 

   5.1 Азот

   5.2 Кислород

   5.3 Углекислый газ

   5.4 Благородные газы

   5.5 Загрязнение атмосферы

   6 Литература

 

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

   Совокупность  разделов физики и химии, изучающих  атмосферу, принято называть физикой  атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.

   Физические  свойства

   Толщина атмосферы — примерно 2000—3000 км от поверхности Земли. Суммарная масса  воздуха — (5,1—5,3)×1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003×1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27×1016 кг.

   Молярная  масса чистого сухого воздуха  составляет 28,966, плотность воздуха  у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура — 140,7 °C; критическое давление — 3,7 МПа; Cp при 0 °C — 1,0048×103 Дж/(кг·К), Cv — 0,7159×103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %.

   За  «нормальные условия» у поверхности  Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое  давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют  чисто инженерное значение.

   Строение атмосферы

   Тропосфера

   Тропосфе́ра (др.-греч. τροπή — «поворот», «изменение»  и σφαῖρα — «шар») — нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км.

   В тропосфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются и атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат.

   При подъёме через каждые 100 м температура  в тропосфере понижается в среднем  на 0,65° и достигает 220 К (—53° C) в  верхней части. Этот верхний слой тропосферы называют тропопаузой.

   Часть тропосферы, в пределах которой на земной поверхности возможно зарождение ледников, называется хионосферой.

   Происходящие  в тропосфере процессы обусловлены, прежде всего, конвекцией.

   Стратосфера

   Стратосфе́ра (от др.-греч. στρατός — «слой» и  σφαῖρα — «шар», «сфера») — слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0° С), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

   Именно  в стратосфере располагается  слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О3) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общая масса О3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7—4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Разрушение О3 происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»).

   В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц и других свечений.

   В стратосфере и более высоких  слоях под воздействием солнечной  радиации молекулы газов диссоциируют — на атомы (выше 80 км диссоциируют СО2 и Н2, выше 150 км — О2, выше 300 км — Н2). На высоте 200-500  км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О+2, О−2, N+2) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы — ОН•, НО•2 и др.

   В стратосфере почти нет водяного пара.

   Полёты  в стратосфере

   Полёты  в стратосферу начались в 1930-годах. Широко известен полёт на первом стратостате (FNRS-1), который совершили Огюст  Пикар и Пауль Кипфер 27 мая 1931 г. на высоту 16,2 км. Современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолёты летают в стратосфере на высотах в основном до 20 км (хотя динамический потолок может быть значительно выше). Высотные метеозонды поднимаются до 40 км; рекорд для беспилотного аэростата составляет 51,8 км.

   В последнее время в военных  кругах США большое внимание уделяют  освоению слоёв стратосферы выше 20 км, часто называемых «предкосмосом» (англ. «near space»). Предполагается, что  беспилотные дирижабли и самолёты на солнечной энергии (наподобие NASA Pathfinder) смогут длительное время находиться на высоте порядка 30 км и обеспечивать наблюдением и связью очень большие территории, оставаясь при этом малоуязвимыми для средств ПВО; такие аппараты будут во много раз дешевле спутников. [править]

   Стратопауза

   Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении  температуры имеет место максимум (около 0 °C).

   Мезосфера

   Мезосфе́ра (от греч. μεσο- — «средний» и σφαῖρα — «шар», «сфера») — слой атмосферы на высотах от 40—50 до 80—90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум (порядка +50°C) температуры расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое повышение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном. Термин принят Географическим и геофизическим союзом в 1951 году.

   Газовый состав мезосферы, как и расположенных  ниже атмосферных слоев, постоянен  и содержит около 80% азота и 20% кислорода.

   Мезосфера отделяется от нижележащей стратосферы стратопаузой, а от вышележащей термосферы — мезопаузой. Мезопауза в основном совпадает с турбопаузой.

   Метеоры начинают светиться и, как правило, полностью сгорают в мезосфере.

   В мезосфере могут появляться серебристые  облака.

   Мезопауза

   Переходный  слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры  имеет место минимум (около —90 °C).

   Линия Кармана

   Линия Ка́рмана — высота над уровнем  моря, которая условно принимается  в качестве границы между атмосферой Земли и космосом.

   В соответствии с определением ФАИ, линия  Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

   Название  высота получила по имени Теодора  фон Кармана, американского учёного  венгерского происхождения. Он первый определил, что примерно на этой высоте атмосфера становится настолько разрежённой, что аэронавтика становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, становится больше первой космической скорости. Поэтому, для достижения бо́льших высот необходимо пользоваться средствами космонавтики.

   Определение границы условно, так как в  действительности не существует какой-либо границы, за которой заканчивается  атмосфера и начинается космос. Так, внешняя часть земной атмосферы, экзосфера, простирается до высоты 100 тыс. км и более, на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу.

   Достижение  Линии Кармана являлось первым условием для получения приза Ansari X Prize, так  как это является основанием для признания полёта космическим.Граница атмосферы Земли.

   Принято считать, что граница атмосферы  земли и ионосферы находится  на высоте 118 километров.[1] Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

   Термосфера

   Верхний предел — около 800 км. Температура  растёт до высот 200—300 км, где достигает  значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности — например, в 2008-2009 гг — происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.[2]

   Атмосферные слои до высоты 120 км

   Экзосфера (сфера рассеяния)

   Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть  термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

   До  высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких  слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~1500 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

   На  высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

   На  долю тропосферы приходится около 80 % массы  атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.

   В зависимости от состава газа в  атмосфере выделяют гомосферу и  гетеросферу. Гетеросфера — это  область, где гравитация оказывает  влияние на разделение газов, так  как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

   Физиологические и другие свойства атмосферы

   Уже на высоте 5 км над уровнем моря у  нетренированного человека появляется кислородное голодание и без  адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается  физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.