Atmosphärische Zusammensetzung der Erde. Informationen und Fakten zur Atmosphäre

Engagiert in der Meteorologie und langfristigen Schwankungen - Klimatologie.

Die Dicke der Atmosphäre beträgt 1500 km von der Erdoberfläche. Die Gesamtmasse der Luft, dh einer Mischung von Gasen, aus denen die Atmosphäre besteht, beträgt 5,1-5,3 * 10 ^ 15 Tonnen, das Molekulargewicht sauberer trockener Luft beträgt 29. Der Druck bei 0 ° C auf Meereshöhe beträgt 101.325 Pa oder 760 mm. rt. Kunst.; kritische Temperatur - 140,7 °C; kritischer Druck 3,7 MPa. Die Löslichkeit von Luft in Wasser bei 0 ° C beträgt 0,036%, bei 25 ° C - 0,22%.

Der physikalische Zustand der Atmosphäre wird bestimmt. Die wichtigsten Parameter der Atmosphäre: Luftdichte, Druck, Temperatur und Zusammensetzung. Mit zunehmender Höhe nimmt die Luftdichte ab. Mit der Höhenänderung ändert sich auch die Temperatur. Vertikal zeichnet sich durch unterschiedliche Temperatur- und elektrische Eigenschaften sowie unterschiedliche Luftbedingungen aus. Je nach Temperatur in der Atmosphäre werden folgende Hauptschichten unterschieden: Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre, Exosphäre (Streukugel). Die Übergangsbereiche der Atmosphäre zwischen benachbarten Schalen werden Tropopause, Stratopause usw. genannt.

Troposphäre- untere, wichtigste, am meisten untersuchte, mit einer Höhe in den Polarregionen von 8-10 km, in gemäßigten Breiten bis zu 10-12 km, am Äquator - 16-18 km. Etwa 80-90 % der Gesamtmasse der Atmosphäre und fast der gesamte Wasserdampf sind in der Troposphäre konzentriert. Bei einem Anstieg alle 100 m nimmt die Temperatur in der Troposphäre um durchschnittlich 0,65 ° C ab und erreicht im oberen Teil -53 ° C. Diese obere Schicht der Troposphäre wird Tropopause genannt. In der Troposphäre sind Turbulenz und Konvektion stark entwickelt, der überwiegende Teil ist konzentriert, Wolken entstehen, entwickeln sich.

Stratosphäre- Schicht der Atmosphäre in einer Höhe von 11-50 km. Eine leichte Temperaturänderung in der 11-25 km Schicht (der unteren Schicht der Stratosphäre) und deren Anstieg in der 25-40 km Schicht von -56,5 auf 0,8 °C (die obere Schicht der Stratosphäre oder die Inversionsregion) sind typisch. Nachdem die Temperatur in etwa 40 km Höhe einen Wert von 273 K (0 °C) erreicht hat, bleibt sie bis zu einer Höhe von 55 km konstant. Dieser Bereich konstanter Temperatur wird als Stratopause bezeichnet und ist die Grenze zwischen der Stratosphäre und der Mesosphäre.

In der Stratosphäre befindet sich die Schicht Ozonosphäre("Ozonschicht", in einer Höhe von 15-20 bis 55-60 km), die die Obergrenze des Lebens bestimmt. Ein wichtiger Bestandteil der Strato- und Mesosphäre ist Ozon, das durch photochemische Reaktionen am intensivsten in 30 km Höhe entsteht. Die Gesamtmasse des Ozons bei Normaldruck wäre eine 1,7-4 mm dicke Schicht, aber selbst das reicht aus, um das lebensgefährliche Ultraviolett zu absorbieren. Die Zerstörung von Ozon tritt auf, wenn es mit freien Radikalen, Stickstoffmonoxid und halogenhaltigen Verbindungen (einschließlich "Freonen") interagiert. Ozon - eine Allotropie von Sauerstoff, wird als Ergebnis der folgenden chemischen Reaktion gebildet, normalerweise nach Regen, wenn die resultierende Verbindung in die oberen Schichten der Troposphäre aufsteigt; Ozon hat einen spezifischen Geruch.

Der Großteil des kurzwelligen Teils der ultravioletten Strahlung (180-200 nm) wird in der Stratosphäre zurückgehalten und die Energie der Kurzwellen umgewandelt. Unter dem Einfluss dieser Strahlen verändern sich Magnetfelder, Moleküle brechen auf, es kommt zu Ionisierung, Neubildung von Gasen und anderen chemischen Verbindungen. Diese Prozesse können in Form von Nordlichtern, Blitzen und anderem Leuchten beobachtet werden. In der Stratosphäre gibt es fast keinen Wasserdampf.

Mesosphäre beginnt in einer Höhe von 50 km und erstreckt sich bis zu 80-90 km. bis zu einer Höhe von 75-85 km fällt es auf -88 °С ab. Die obere Grenze der Mesosphäre ist die Mesopause.

Thermosphäre(ein anderer Name ist die Ionosphäre) - die Schicht der Atmosphäre, die der Mesosphäre folgt - beginnt in einer Höhe von 80-90 km und erstreckt sich bis zu 800 km. Die Lufttemperatur in der Thermosphäre steigt schnell und stetig an und erreicht mehrere hundert und sogar tausend Grad.

Exosphäre- Streuzone, der äußere Teil der Thermosphäre, der sich über 800 km befindet. Das Gas in der Exosphäre ist stark verdünnt, und daher entweichen seine Partikel in den interplanetaren Raum (Dissipation).
Bis zu einer Höhe von 100 km ist die Atmosphäre ein homogenes (einphasiges), gut durchmischtes Gasgemisch. In höheren Schichten hängt die Höhenverteilung von Gasen von ihrem Molekulargewicht ab, die Konzentration schwererer Gase nimmt mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche schneller ab. Durch die Abnahme der Gasdichte sinkt die Temperatur von 0 °C in der Stratosphäre auf -110 °C in der Mesosphäre. Allerdings entspricht die kinetische Energie einzelner Teilchen in 200-250 km Höhe einer Temperatur von etwa 1500 °C. Oberhalb von 200 km werden erhebliche zeitliche und räumliche Schwankungen der Temperatur und der Gasdichte beobachtet.

In einer Höhe von etwa 2000-3000 km geht die Exosphäre allmählich in das sogenannte Weltraumvakuum über, das mit hochverdünnten Partikeln interplanetaren Gases, hauptsächlich Wasserstoffatomen, gefüllt ist. Aber dieses Gas ist nur ein Teil der interplanetaren Materie. Der andere Teil besteht aus staubähnlichen Partikeln kometarischen und meteorischen Ursprungs. Neben diesen extrem verdünnten Teilchen dringt elektromagnetische und korpuskulare Strahlung solaren und galaktischen Ursprungs in diesen Raum ein.

Die Troposphäre macht etwa 80 % der Masse der Atmosphäre aus, die Stratosphäre etwa 20 %; Die Masse der Mesosphäre beträgt nicht mehr als 0,3%, die Thermosphäre weniger als 0,05% der Gesamtmasse der Atmosphäre. Aufgrund der elektrischen Eigenschaften in der Atmosphäre werden Neutrosphäre und Ionosphäre unterschieden. Es wird derzeit angenommen, dass sich die Atmosphäre bis zu einer Höhe von 2000-3000 km erstreckt.

Je nach Zusammensetzung des Gases in der Atmosphäre unterscheidet man Homosphäre und Heterosphäre. Heterosphäre- Dies ist der Bereich, in dem die Schwerkraft die Trennung von Gasen beeinflusst, weil. ihre Vermischung in dieser Höhe ist vernachlässigbar. Daraus folgt die variable Zusammensetzung der Heterosphäre. Darunter liegt ein gut durchmischter, homogener Teil der Atmosphäre, der als Homosphäre bezeichnet wird. Die Grenze zwischen diesen Schichten wird als Turbopause bezeichnet und liegt in einer Höhe von etwa 120 km.

Atmosphärischer Druck - der Druck der atmosphärischen Luft auf die darin enthaltenen Objekte und die Erdoberfläche. Der normale atmosphärische Druck beträgt 760 mm Hg. Kunst. (101 325 Pa). Je Höhenmeter sinkt der Druck um 100 mm.

Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Lufthülle der Erde besteht hauptsächlich aus Gasen und verschiedenen Verunreinigungen (Staub, Wassertropfen, Eiskristalle, Meersalze, Verbrennungsprodukte), deren Menge nicht konstant ist. Die Hauptgase sind Stickstoff (78 %), Sauerstoff (21 %) und Argon (0,93 %). Die Konzentration von Gasen, aus denen die Atmosphäre besteht, ist nahezu konstant, mit Ausnahme von Kohlendioxid CO2 (0,03 %).

Die Atmosphäre enthält außerdem SO2, CH4, NH3, CO, Kohlenwasserstoffe, HC1, HF, Hg-Dampf, I2, sowie NO und viele andere Gase in geringen Mengen. In der Troposphäre gibt es ständig eine große Menge an schwebenden festen und flüssigen Partikeln (Aerosol).

Der Raum ist voller Energie. Energie füllt den Raum ungleichmäßig. Es gibt Orte seiner Konzentration und Entladung. Auf diese Weise können Sie die Dichte abschätzen. Der Planet ist ein geordnetes System, mit der maximalen Materiedichte im Zentrum und einer allmählichen Abnahme der Konzentration zur Peripherie hin. Wechselwirkungskräfte bestimmen den Zustand der Materie, die Form, in der sie existiert. Die Physik beschreibt den Aggregatzustand von Stoffen: fest, flüssig, gasförmig usw.

Die Atmosphäre ist das gasförmige Medium, das den Planeten umgibt. Die Erdatmosphäre ermöglicht freie Bewegung und lässt Licht durch, wodurch ein Raum geschaffen wird, in dem das Leben gedeiht.

Als Troposphäre wird der Bereich von der Erdoberfläche bis zu einer Höhe von etwa 16 Kilometern (weniger vom Äquator bis zu den Polen, auch abhängig von der Jahreszeit) bezeichnet. Die Troposphäre ist die Schicht, die etwa 80 % der Luft in der Atmosphäre und fast den gesamten Wasserdampf enthält. Hier finden die Prozesse statt, die das Wetter prägen. Druck und Temperatur nehmen mit der Höhe ab. Der Grund für die Abnahme der Lufttemperatur ist ein adiabatischer Prozess, wenn sich das Gas ausdehnt, kühlt es ab. An der oberen Grenze der Troposphäre können Werte von -50, -60 Grad Celsius erreicht werden.

Als nächstes kommt die Stratosphäre. Es erstreckt sich bis zu 50 Kilometer. In dieser Schicht der Atmosphäre steigt die Temperatur mit der Höhe an und erreicht am höchsten Punkt einen Wert von etwa 0 C. Der Temperaturanstieg wird durch den Prozess der Absorption ultravioletter Strahlen durch die Ozonschicht verursacht. Strahlung verursacht eine chemische Reaktion. Sauerstoffmoleküle zerfallen in einzelne Atome, die sich mit normalen Sauerstoffmolekülen zu Ozon verbinden können.

Strahlung der Sonne mit Wellenlängen zwischen 10 und 400 Nanometern wird als ultraviolett klassifiziert. Je kürzer die Wellenlänge der UV-Strahlung ist, desto größer ist die Gefahr für Lebewesen. Nur ein kleiner Bruchteil der Strahlung erreicht die Erdoberfläche, außerdem der weniger aktive Teil ihres Spektrums. Dieses Merkmal der Natur ermöglicht es einer Person, eine gesunde Sonnenbräune zu bekommen.

Die nächste Schicht der Atmosphäre wird Mesosphäre genannt. Grenzen von ca. 50 km bis 85 km. In der Mesosphäre ist die Konzentration von Ozon, das UV-Energie einfangen könnte, gering, sodass die Temperatur mit der Höhe wieder zu sinken beginnt. Am Höhepunkt sinkt die Temperatur auf -90 C, einige Quellen geben einen Wert von -130 C an. Die meisten Meteoroiden verglühen in dieser Schicht der Atmosphäre.

Die Schicht der Atmosphäre, die sich von einer Höhe von 85 km bis zu einer Entfernung von 600 km von der Erde erstreckt, wird als Thermosphäre bezeichnet. Die Thermosphäre trifft als erstes auf Sonnenstrahlung, darunter auch das sogenannte Vakuum-Ultraviolett.

Vakuum-UV wird durch die Luft verzögert, wodurch diese Schicht der Atmosphäre auf enorme Temperaturen erhitzt wird. Da der Druck hier jedoch extrem niedrig ist, hat dieses scheinbar glühende Gas nicht die gleiche Wirkung auf Objekte wie unter Bedingungen an der Erdoberfläche. Im Gegenteil, Objekte, die in einer solchen Umgebung platziert werden, kühlen ab.

In einer Höhe von 100 km verläuft die bedingte Linie "Karman-Linie", die als Beginn des Weltraums gilt.

Polarlichter treten in der Thermosphäre auf. In dieser Schicht der Atmosphäre interagiert der Sonnenwind mit dem Magnetfeld des Planeten.

Die letzte Schicht der Atmosphäre ist die Exosphäre, eine äußere Hülle, die sich über Tausende von Kilometern erstreckt. Die Exosphäre ist praktisch ein leerer Ort, aber die Zahl der hier umherirrenden Atome ist um eine Größenordnung größer als im interplanetaren Raum.

Die Person atmet Luft. Der Normaldruck beträgt 760 Millimeter Quecksilbersäule. In 10.000 m Höhe beträgt der Druck etwa 200 mm. rt. Kunst. In dieser Höhe kann ein Mensch wahrscheinlich atmen, zumindest nicht lange, aber das erfordert Vorbereitung. Der Staat wird offensichtlich inoperabel sein.

Die Gaszusammensetzung der Atmosphäre: 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, etwa ein Prozent Argon, alles andere ist ein Gasgemisch, das den kleinsten Bruchteil der Gesamtheit ausmacht.

Seine obere Grenze liegt bei einer Höhe von 8-10 km in polaren, 10-12 km in gemäßigten und 16-18 km in tropischen Breiten; im Winter niedriger als im Sommer. Die untere Hauptschicht der Atmosphäre. Es enthält mehr als 80 % der Gesamtmasse der atmosphärischen Luft und etwa 90 % des gesamten in der Atmosphäre vorhandenen Wasserdampfs. Turbulenz und Konvektion sind in der Troposphäre stark entwickelt, Wolken erscheinen, Zyklone und Antizyklone entwickeln sich. Die Temperatur nimmt mit der Höhe mit einem durchschnittlichen vertikalen Gradienten von 0,65°/100 m ab

Als „Normalbedingungen“ an der Erdoberfläche gelten: Dichte 1,2 kg/m3, barometrischer Druck 101,35 kPa, Temperatur plus 20 °C und relative Luftfeuchtigkeit 50 %. Diese bedingten Indikatoren haben einen rein technischen Wert.

Stratosphäre

Die Schicht der Atmosphäre befindet sich in einer Höhe von 11 bis 50 km. Typisch ist eine leichte Temperaturänderung in der 11-25 km-Schicht (untere Schicht der Stratosphäre) und deren Anstieg in der 25-40 km-Schicht von −56,5 auf 0,8 ° (obere Stratosphäre oder Inversionsregion). Nachdem die Temperatur in etwa 40 km Höhe einen Wert von etwa 273 K (fast 0 °C) erreicht hat, bleibt sie bis zu einer Höhe von etwa 55 km konstant. Dieser Bereich konstanter Temperatur wird als Stratopause bezeichnet und ist die Grenze zwischen der Stratosphäre und der Mesosphäre.

Stratopause

Die Grenzschicht der Atmosphäre zwischen der Stratosphäre und der Mesosphäre. Es gibt ein Maximum in der vertikalen Temperaturverteilung (ca. 0 °C).

Mesosphäre

Mesopause

Übergangsschicht zwischen Mesosphäre und Thermosphäre. Es gibt ein Minimum in der vertikalen Temperaturverteilung (ca. -90°C).

Karman-Linie

Höhe über dem Meeresspiegel, die herkömmlicherweise als Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum akzeptiert wird.

Thermosphäre

Die Obergrenze liegt bei etwa 800 km. Die Temperatur steigt bis in Höhen von 200-300 km an, wo sie Werte in der Größenordnung von 1500 K erreicht, wonach sie bis in große Höhen nahezu konstant bleibt. Unter dem Einfluss von Ultraviolett- und Röntgenstrahlung sowie kosmischer Strahlung wird Luft ionisiert („Polarlicht“) – die Hauptregionen der Ionosphäre liegen innerhalb der Thermosphäre. In Höhen über 300 km überwiegt atomarer Sauerstoff.

Exosphäre (streuende Kugel)

Bis zu einer Höhe von 100 km ist die Atmosphäre ein homogenes, gut durchmischtes Gasgemisch. In höheren Schichten hängt die Höhenverteilung von Gasen von ihrer Molekülmasse ab, die Konzentration schwererer Gase nimmt mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche schneller ab. Durch die Abnahme der Gasdichte sinkt die Temperatur von 0 °C in der Stratosphäre auf -110 °C in der Mesosphäre. Allerdings entspricht die kinetische Energie einzelner Teilchen in 200–250 km Höhe einer Temperatur von ~1500°C. Oberhalb von 200 km werden erhebliche zeitliche und räumliche Schwankungen der Temperatur und der Gasdichte beobachtet.

In einer Höhe von etwa 2000-3000 km geht die Exosphäre allmählich in die sogenannte über in der Nähe des Weltraumvakuums, der mit stark verdünnten Partikeln interplanetaren Gases, hauptsächlich Wasserstoffatomen, gefüllt ist. Aber dieses Gas ist nur ein Teil der interplanetaren Materie. Der andere Teil besteht aus staubähnlichen Partikeln kometarischen und meteorischen Ursprungs. Neben extrem verdünnten staubähnlichen Partikeln dringt elektromagnetische und korpuskulare Strahlung solaren und galaktischen Ursprungs in diesen Raum ein.

Je nach Zusammensetzung des Gases in der Atmosphäre emittieren sie Homosphäre und Heterosphäre. Heterosphäre- Dies ist ein Bereich, in dem die Schwerkraft die Trennung von Gasen beeinflusst, da ihre Vermischung in einer solchen Höhe vernachlässigbar ist. Daraus folgt die variable Zusammensetzung der Heterosphäre. Darunter liegt ein gut durchmischter, homogener Teil der Atmosphäre, die sogenannte Homosphäre. Die Grenze zwischen diesen Schichten wird Turbopause genannt, sie liegt in einer Höhe von etwa 120 km.

Physikalische Eigenschaften

Die Dicke der Atmosphäre beträgt ungefähr 2000 - 3000 km von der Erdoberfläche. Die Gesamtmasse der Luft - (5.1-5.3)? 10 18 kg. Die Molmasse sauberer trockener Luft beträgt 28,966. Druck bei 0 °C auf Meereshöhe 101,325 kPa; kritische Temperatur – 140,7 °C; kritischer Druck 3,7 MPa; CP 1,0048?10? J / (kg K) (bei 0 °C), C v 0,7159 · 10? J/(kg·K) (bei 0 °C). Löslichkeit von Luft in Wasser bei 0°С - 0,036%, bei 25°С - 0,22%.

Physiologische und andere Eigenschaften der Atmosphäre

Bereits in einer Höhe von 5 km über dem Meeresspiegel entwickelt eine untrainierte Person einen Sauerstoffmangel und ohne Anpassung wird die Leistungsfähigkeit einer Person erheblich reduziert. Hier endet die physiologische Zone der Atmosphäre. In einer Höhe von 15 km wird das menschliche Atmen unmöglich, obwohl die Atmosphäre bis etwa 115 km Sauerstoff enthält.

Die Atmosphäre versorgt uns mit dem Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Aufgrund des Abfalls des Gesamtdrucks der Atmosphäre mit zunehmender Höhe nimmt jedoch auch der Sauerstoffpartialdruck entsprechend ab.

Die menschliche Lunge enthält ständig etwa 3 Liter Alveolarluft. Der Sauerstoffpartialdruck in der Alveolarluft bei normalem atmosphärischem Druck beträgt 110 mm Hg. Art., Kohlendioxiddruck - 40 mm Hg. Art. und Wasserdampf - 47 mm Hg. Kunst. Mit zunehmender Höhe sinkt der Sauerstoffdruck und der Gesamtdruck von Wasserdampf und Kohlendioxid in der Lunge bleibt nahezu konstant - etwa 87 mm Hg. Kunst. Der Sauerstofffluss in die Lunge wird vollständig gestoppt, wenn der Druck der Umgebungsluft diesem Wert entspricht.

In einer Höhe von etwa 19-20 km fällt der atmosphärische Druck auf 47 mm Hg ab. Kunst. Daher beginnen in dieser Höhe Wasser und interstitielle Flüssigkeit im menschlichen Körper zu kochen. Außerhalb der Druckkabine in diesen Höhen tritt der Tod fast augenblicklich ein. Aus Sicht der menschlichen Physiologie beginnt "Weltraum" also bereits in einer Höhe von 15-19 km.

Dichte Luftschichten – Troposphäre und Stratosphäre – schützen uns vor den schädlichen Auswirkungen der Strahlung. Bei ausreichender Luftverdünnung in Höhen von mehr als 36 km wirkt ionisierende Strahlung, primäre kosmische Strahlung, intensiv auf den Körper ein; In Höhen von mehr als 40 km wirkt der für den Menschen gefährliche ultraviolette Teil des Sonnenspektrums.

Während wir in immer größere Höhen über die Erdoberfläche aufsteigen, werden uns bekannte Phänomene in den unteren Schichten der Atmosphäre beobachtet, wie die Ausbreitung von Schall, die Entstehung von aerodynamischem Auftrieb und Luftwiderstand, Wärmeübertragung durch Konvektion usw ., allmählich schwächer werden und dann vollständig verschwinden.

In verdünnten Luftschichten ist die Schallausbreitung unmöglich. Bis zu Höhen von 60-90 km ist es noch möglich, Luftwiderstand und Auftrieb für einen kontrollierten aerodynamischen Flug zu nutzen. Aber ab Höhen von 100-130 km verlieren die jedem Piloten vertrauten Begriffe der M-Zahl und der Schallmauer ihre Bedeutung, es passiert die bedingte Karman-Linie, jenseits derer die Sphäre des rein ballistischen Fliegens beginnt, die nur noch kontrolliert werden kann Einsatz von Reaktionskräften.

In Höhen über 100 km wird der Atmosphäre auch eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft entzogen – die Fähigkeit, Wärmeenergie durch Konvektion (d. h. durch Luftvermischung) aufzunehmen, zu leiten und zu übertragen. Dies bedeutet, dass verschiedene Ausrüstungselemente der orbitalen Raumstation nicht wie in einem Flugzeug üblich - mit Hilfe von Luftdüsen und Luftradiatoren - von außen gekühlt werden können. In einer solchen Höhe, wie im Weltraum im Allgemeinen, ist die einzige Möglichkeit, Wärme zu übertragen, Wärmestrahlung.

Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Gasen und verschiedenen Verunreinigungen (Staub, Wassertropfen, Eiskristalle, Meersalze, Verbrennungsprodukte).

Die Konzentration von Gasen, aus denen die Atmosphäre besteht, ist nahezu konstant, mit Ausnahme von Wasser (H 2 O) und Kohlendioxid (CO 2).

Zusammensetzung trockener Luft

Gas	Inhalt nach Ausgabe, %	Inhalt nach Gewicht, %
Stickstoff	78,084	75,50
Sauerstoff	20,946	23,10
Argon	0,932	1,286
Wasser	0,5-4	-
Kohlendioxid	0,032	0,046
Neon	1,818 × 10 –3	1,3 × 10 –3
Helium	4,6 × 10 –4	7,2 × 10 –5
Methan	1,7 × 10 –4	-
Krypton	1,14 × 10 –4	2,9 × 10 –4
Wasserstoff	5 × 10 –5	7,6 × 10 –5
Xenon	8,7 × 10 –6	-
Lachgas	5 × 10 –5	7,7 × 10 –5

Außer den in der Tabelle angegebenen Gasen enthält die Atmosphäre SO 2, NH 3, CO, Ozon, Kohlenwasserstoffe, HCl, Dämpfe, I 2 und viele andere Gase in geringen Mengen. In der Troposphäre gibt es ständig eine große Menge an schwebenden festen und flüssigen Partikeln (Aerosol).

Entstehungsgeschichte der Atmosphäre

Nach der gängigsten Theorie hatte die Erdatmosphäre im Laufe der Zeit vier verschiedene Zusammensetzungen. Ursprünglich bestand es aus leichten Gasen (Wasserstoff und Helium), die aus dem interplanetaren Raum eingefangen wurden. Diese sog primäre Atmosphäre(vor etwa vier Milliarden Jahren). Im nächsten Stadium führte aktive vulkanische Aktivität zur Sättigung der Atmosphäre mit anderen Gasen als Wasserstoff (Kohlendioxid, Ammoniak, Wasserdampf). Das ist wie sekundäre Atmosphäre(etwa drei Milliarden Jahre vor unserer Zeit). Diese Atmosphäre war erholsam. Darüber hinaus wurde der Entstehungsprozess der Atmosphäre durch folgende Faktoren bestimmt:

Austritt leichter Gase (Wasserstoff und Helium) in den interplanetaren Raum;
chemische Reaktionen, die in der Atmosphäre unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung, Blitzentladungen und einigen anderen Faktoren auftreten.

Allmählich führten diese Faktoren zur Gründung tertiäre Atmosphäre, gekennzeichnet durch einen viel geringeren Wasserstoffgehalt und einen viel höheren Gehalt an Stickstoff und Kohlendioxid (entstanden durch chemische Reaktionen aus Ammoniak und Kohlenwasserstoffen).

Stickstoff

Die Bildung einer großen Menge N 2 ist auf die Oxidation der Ammoniak-Wasserstoff-Atmosphäre durch molekulares O 2 zurückzuführen, das vor 3 Milliarden Jahren als Ergebnis der Photosynthese von der Oberfläche des Planeten zu kommen begann. N 2 wird auch durch die Denitrifikation von Nitraten und anderen stickstoffhaltigen Verbindungen in die Atmosphäre freigesetzt. Stickstoff wird in der oberen Atmosphäre durch Ozon zu NO oxidiert.

Stickstoff N 2 geht nur unter bestimmten Bedingungen (z. B. während einer Blitzentladung) Reaktionen ein. Die Oxidation von molekularem Stickstoff durch Ozon während elektrischer Entladungen wird bei der industriellen Herstellung von Stickstoffdüngemitteln verwendet. Es kann mit geringem Energieaufwand oxidiert und durch Cyanobakterien (Blaualgen) und Knöllchenbakterien, die mit Leguminosen eine rhizobiale Symbiose bilden, den sog. Gründüngung.

Sauerstoff

Mit dem Aufkommen lebender Organismen auf der Erde begann sich die Zusammensetzung der Atmosphäre durch Photosynthese, begleitet von der Freisetzung von Sauerstoff und der Aufnahme von Kohlendioxid, radikal zu verändern. Anfänglich wurde Sauerstoff für die Oxidation reduzierter Verbindungen verbraucht - Ammoniak, Kohlenwasserstoffe, die in den Ozeanen enthaltene Eisenform usw. Am Ende dieser Phase begann der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre zu steigen. Allmählich bildete sich eine moderne Atmosphäre mit oxidierenden Eigenschaften. Da dies zu schwerwiegenden und abrupten Veränderungen in vielen Prozessen führte, die in der Atmosphäre, Lithosphäre und Biosphäre ablaufen, wurde dieses Ereignis als Sauerstoffkatastrophe bezeichnet.

Kohlendioxid

Der Gehalt an CO 2 in der Atmosphäre hängt von der vulkanischen Aktivität und den chemischen Prozessen in den Erdschalen ab, vor allem aber von der Intensität der Biosynthese und des Abbaus organischer Stoffe in der Biosphäre der Erde. Nahezu die gesamte derzeitige Biomasse des Planeten (etwa 2,4 × 10 12 Tonnen) wird durch Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf gebildet, die in der atmosphärischen Luft enthalten sind. In Ozeanen, Sümpfen und Wäldern vergraben, verwandelt sich organisches Material in Kohle, Öl und Erdgas. (siehe Geochemischer Kohlenstoffkreislauf)

Edelgase

Luftverschmutzung

In letzter Zeit hat der Mensch begonnen, die Entwicklung der Atmosphäre zu beeinflussen. Das Ergebnis seiner Aktivitäten war eine ständige signifikante Erhöhung des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen, die sich in früheren Erdepochen angesammelt haben. Riesige Mengen an CO 2 werden bei der Photosynthese verbraucht und von den Weltmeeren aufgenommen. Dieses Gas gelangt durch die Zersetzung von Karbonatgestein und organischen Substanzen pflanzlichen und tierischen Ursprungs sowie durch Vulkanismus und menschliche Produktionsaktivitäten in die Atmosphäre. In den letzten 100 Jahren hat der CO 2 -Gehalt in der Atmosphäre um 10 % zugenommen, wobei der größte Teil (360 Milliarden Tonnen) aus der Brennstoffverbrennung stammt. Wenn die Wachstumsrate der Kraftstoffverbrennung anhält, wird sich in den nächsten 50 - 60 Jahren die CO 2 -Menge in der Atmosphäre verdoppeln und möglicherweise zu einem globalen Klimawandel führen.

Die Kraftstoffverbrennung ist die Hauptquelle umweltschädlicher Gase (СО,, SO 2). Schwefeldioxid wird in der oberen Atmosphäre durch Luftsauerstoff zu SO 3 oxidiert, das wiederum mit Wasserdampf und Ammoniak wechselwirkt und die entstehende Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) und Ammoniumsulfat ((NH 4 ) 2 SO 4 ) zurückgibt die Erdoberfläche in Form eines sog. saurer Regen. Der Einsatz von Verbrennungsmotoren führt zu einer erheblichen Luftverschmutzung mit Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Bleiverbindungen (Tetraethylblei Pb (CH 3 CH 2 ) 4)).

Die Aerosolbelastung der Atmosphäre wird sowohl durch natürliche Ursachen (Vulkanausbruch, Staubstürme, Mitnahme von Meerwassertröpfchen und Pflanzenpollen usw.) als auch durch menschliche wirtschaftliche Aktivitäten (Erz- und Baustoffabbau, Brennstoffverbrennung, Zementherstellung usw.) verursacht .). Die intensive großflächige Entfernung von Feststoffpartikeln in die Atmosphäre ist eine der möglichen Ursachen für den Klimawandel auf dem Planeten.

Literatur

V. V. Parin, F. P. Kosmolinsky, B. A. Dushkov "Weltraumbiologie und Medizin" (2. Auflage, überarbeitet und erweitert), M.: "Prosveshchenie", 1975, 223 Seiten.
N. V. Gusakova „Environmental Chemistry“, Rostov-on-Don: Phoenix, 2004, 192 s ISBN 5-222-05386-5
Sokolov V. A. Geochemistry of natural gases, M., 1971;
McEwen M., Phillips L.. Atmospheric Chemistry, M., 1978;
Wark K., Warner S., Luftverschmutzung. Quellen und Kontrolle, übers. aus dem Englischen, M.. 1980;
Überwachung der Hintergrundverschmutzung natürlicher Umgebungen. in. 1, L., 1982.

siehe auch

Verknüpfungen

Erdatmosphäre

Atmosphäre (aus dem Griechischen ατμός - "Dampf" und σφαῖρα - "Kugel") - die gasförmige Hülle eines Himmelskörpers, die durch die Schwerkraft um ihn herum gehalten wird. Atmosphäre - die gasförmige Hülle des Planeten, bestehend aus einer Mischung verschiedener Gase, Wasserdampf und Staub. Der Stoffaustausch zwischen Erde und Kosmos findet über die Atmosphäre statt. Die Erde erhält kosmischen Staub und Meteoritenmaterial, verliert die leichtesten Gase: Wasserstoff und Helium. Die Atmosphäre der Erde wird von der starken Strahlung der Sonne durchdrungen, die das thermische Regime der Planetenoberfläche bestimmt und die Dissoziation atmosphärischer Gasmoleküle und die Ionisation von Atomen verursacht.

Die Erdatmosphäre enthält Sauerstoff, der von den meisten lebenden Organismen zur Atmung verwendet wird, und Kohlendioxid, das von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien während der Photosynthese verbraucht wird. Die Atmosphäre ist auch eine Schutzschicht auf dem Planeten, die ihre Bewohner vor ultravioletter Sonnenstrahlung schützt.

Alle massiven Körper haben eine Atmosphäre - terrestrische Planeten, Gasriesen.

Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist ein Gasgemisch bestehend aus Stickstoff (78,08 %), Sauerstoff (20,95 %), Kohlendioxid (0,03 %), Argon (0,93 %), einer kleinen Menge Helium, Neon, Xenon, Krypton (0,01 %), 0,038 % Kohlendioxid und geringe Mengen Wasserstoff, Helium, andere Edelgase und Schadstoffe.

Die moderne Zusammensetzung der Luft der Erde wurde vor mehr als hundert Millionen Jahren festgelegt, aber die stark gestiegene menschliche Produktionstätigkeit führte dennoch zu ihrer Veränderung. Gegenwärtig steigt der CO 2 -Gehalt um etwa 10-12 %.Die Gase, aus denen die Atmosphäre besteht, erfüllen verschiedene funktionelle Rollen. Die Hauptbedeutung dieser Gase wird jedoch vor allem dadurch bestimmt, dass sie Strahlungsenergie sehr stark absorbieren und damit das Temperaturregime der Erdoberfläche und Atmosphäre maßgeblich beeinflussen.

Die anfängliche Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten hängt normalerweise von den chemischen und thermischen Eigenschaften der Sonne während der Entstehung der Planeten und der anschließenden Freisetzung externer Gase ab. Dann entwickelt sich die Zusammensetzung der Gashülle unter dem Einfluss verschiedener Faktoren.

Die Atmosphären von Venus und Mars bestehen hauptsächlich aus Kohlendioxid mit geringen Zusätzen von Stickstoff, Argon, Sauerstoff und anderen Gasen. Die Atmosphäre der Erde ist größtenteils ein Produkt der darin lebenden Organismen. Niedrigtemperatur-Gasriesen – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – können hauptsächlich Gase mit niedrigem Molekulargewicht aufnehmen – Wasserstoff und Helium. Hochtemperatur-Gasriesen wie Osiris oder 51 Pegasi b können es dagegen nicht halten, und die Moleküle ihrer Atmosphäre sind im Weltraum verstreut. Dieser Prozess ist langsam und kontinuierlich.

Stickstoff, das häufigste Gas in der Atmosphäre, chemisch wenig aktiv.

Sauerstoff ist im Gegensatz zu Stickstoff ein chemisch sehr aktives Element. Die spezifische Funktion von Sauerstoff ist die Oxidation organischer Stoffe heterotropher Organismen, Gesteine und unteroxidierter Gase, die von Vulkanen in die Atmosphäre abgegeben werden. Ohne Sauerstoff gäbe es keine Zersetzung toter organischer Materie.

Atmosphärische Struktur

Die Struktur der Atmosphäre besteht aus zwei Teilen: der inneren Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre und Thermosphäre oder Ionosphäre und der äußeren Magnetosphäre (Exosphäre).

1) Troposphäre- das ist der untere Teil der Atmosphäre, in dem 3/4 konzentriert ist, d.h. ~ 80% der gesamten Erdatmosphäre. Seine Höhe wird durch die Intensität vertikaler (aufsteigender oder absteigender) Luftströmungen bestimmt, die durch die Erwärmung der Erdoberfläche und des Ozeans verursacht werden. Daher beträgt die Dicke der Troposphäre am Äquator 16 bis 18 km, in gemäßigten Breiten 10 bis 11 km , und an den Polen - bis zu 8 km. Die Lufttemperatur in der Troposphäre in der Höhe nimmt um 0,6 ° C pro 100 m ab und reicht von +40 bis -50 ° C.

2) Stratosphäre befindet sich oberhalb der Troposphäre und hat eine Höhe von bis zu 50 km von der Oberfläche des Planeten. Die Temperatur in einer Höhe von bis zu 30 km beträgt konstant -50 ° C. Dann beginnt es zu steigen und erreicht in einer Höhe von 50 km +10 ° C.

Die obere Grenze der Biosphäre ist der Ozonschirm.

Der Ozonschirm ist eine Schicht der Atmosphäre innerhalb der Stratosphäre, die sich in unterschiedlichen Höhen von der Erdoberfläche befindet und eine maximale Ozondichte in einer Höhe von 20-26 km aufweist.

Die Höhe der Ozonschicht an den Polen wird auf 7-8 km geschätzt, am Äquator auf 17-18 km, und die maximale Höhe des Vorhandenseins von Ozon beträgt 45-50 km. Oberhalb des Ozonschirms ist Leben aufgrund der harten ultravioletten Strahlung der Sonne unmöglich. Wenn Sie alle Ozonmoleküle komprimieren, erhalten Sie eine Schicht von ~ 3 mm um den Planeten.

3) Mesosphäre– Die obere Grenze dieser Schicht liegt bis zu einer Höhe von 80 km. Sein Hauptmerkmal ist ein starker Temperaturabfall von -90 ° C an seiner oberen Grenze. Hier sind silbrige Wolken aus Eiskristallen fixiert.

4) Ionosphäre (Thermosphäre) - liegt bis zu einer Höhe von 800 km und zeichnet sich durch einen deutlichen Temperaturanstieg aus:

150km Temperatur +240ºС,

200km Temperatur +500ºС,

600km Temperatur +1500ºС.

Unter dem Einfluss der UV-Strahlung der Sonne befinden sich Gase in einem ionisierten Zustand. Ionisierung ist mit dem Leuchten von Gasen und dem Auftreten von Polarlichtern verbunden.

Die Ionosphäre hat die Fähigkeit, Radiowellen wiederholt zu reflektieren, was eine Funkkommunikation mit großer Reichweite auf dem Planeten ermöglicht.

5) Exosphäre- liegt über 800 km und erstreckt sich bis zu 3000 km. Hier beträgt die Temperatur >2000ºС. Die Geschwindigkeit der Gasbewegung nähert sich dem kritischen Wert von ~ 11,2 km/s. Es dominieren Wasserstoff- und Heliumatome, die um die Erde eine leuchtende Korona bilden, die sich bis in eine Höhe von 20.000 km erstreckt.

Atmosphäre funktioniert

1) Thermoregulierend - das Wetter und Klima auf der Erde hängt von der Verteilung von Wärme und Druck ab.

2) Lebensunterstützend.

3) In der Troposphäre gibt es eine globale vertikale und horizontale Bewegung von Luftmassen, die den Wasserkreislauf und die Wärmeübertragung bestimmt.

4) Nahezu alle geologischen Prozesse an der Oberfläche sind auf das Zusammenspiel von Atmosphäre, Lithosphäre und Hydrosphäre zurückzuführen.

5) Schützend – die Atmosphäre schützt die Erde vor Weltraum, Sonneneinstrahlung und Meteoritenstaub.

Atmosphäre funktioniert. Ohne Atmosphäre wäre Leben auf der Erde unmöglich. Eine Person verbraucht täglich 12-15 kg. Luft, die jede Minute 5 bis 100 Liter einatmet, was den durchschnittlichen täglichen Bedarf an Nahrung und Wasser deutlich übersteigt. Darüber hinaus schützt die Atmosphäre einen Menschen zuverlässig vor den Gefahren, die ihn aus dem Weltraum bedrohen: Meteoriten und kosmische Strahlung lässt sie nicht durch. Ein Mensch kann fünf Wochen ohne Nahrung, fünf Tage ohne Wasser und fünf Minuten ohne Luft leben. Das normale Leben der Menschen erfordert nicht nur Luft, sondern auch eine gewisse Reinheit. Die Gesundheit der Menschen, der Zustand von Flora und Fauna, die Festigkeit und Haltbarkeit von Bauwerken und Bauwerken hängen von der Luftqualität ab. Verschmutzte Luft ist schädlich für Gewässer, Land, Meere, Böden. Die Atmosphäre bestimmt das Licht und reguliert die Wärmeregime der Erde, trägt zur Umverteilung der Wärme auf dem Globus bei. Die Gashülle schützt die Erde vor übermäßiger Abkühlung und Erwärmung. Wenn unser Planet nicht von einer Lufthülle umgeben wäre, würde die Amplitude der Temperaturschwankungen innerhalb eines Tages 200 ° C erreichen. Die Atmosphäre schützt alles, was auf der Erde lebt, vor zerstörerischer Ultraviolett-, Röntgen- und kosmischer Strahlung. Die Bedeutung der Atmosphäre bei der Lichtverteilung ist groß. Seine Luft zerlegt die Sonnenstrahlen in Millionen kleiner Strahlen, streut sie und erzeugt eine gleichmäßige Beleuchtung. Die Atmosphäre dient als Klangleiter.

ATMOSPHÄRE
gasförmige Hülle, die einen Himmelskörper umgibt. Seine Eigenschaften hängen von Größe, Masse, Temperatur, Rotationsgeschwindigkeit und chemischer Zusammensetzung eines bestimmten Himmelskörpers ab und werden auch von seiner Entstehungsgeschichte vom Moment seiner Geburt an bestimmt. Die Erdatmosphäre besteht aus einem Gasgemisch, das Luft genannt wird. Seine Hauptbestandteile sind Stickstoff und Sauerstoff im Verhältnis von etwa 4:1. Eine Person wird hauptsächlich vom Zustand der unteren 15-25 km der Atmosphäre beeinflusst, da sich in dieser unteren Schicht der Großteil der Luft konzentriert. Die Wissenschaft, die sich mit der Atmosphäre befasst, heißt Meteorologie, obwohl Gegenstand dieser Wissenschaft auch das Wetter und seine Wirkung auf den Menschen sind. Auch der Zustand der oberen Schichten der Atmosphäre, die sich in Höhen von 60 bis 300 und sogar 1000 km von der Erdoberfläche entfernt befinden, ändert sich. Hier entwickeln sich starke Winde, Stürme und so erstaunliche elektrische Phänomene wie Polarlichter. Viele dieser Phänomene sind mit Flüssen von Sonnenstrahlung, kosmischer Strahlung und dem Magnetfeld der Erde verbunden. Die hohen Schichten der Atmosphäre sind auch ein chemisches Labor, da dort unter Bedingungen nahe dem Vakuum einige atmosphärische Gase unter dem Einfluss eines starken Stroms von Sonnenenergie chemische Reaktionen eingehen. Die Wissenschaft, die diese zusammenhängenden Phänomene und Prozesse untersucht, wird als Physik der hohen Schichten der Atmosphäre bezeichnet.
ALLGEMEINE EIGENSCHAFTEN DER ATMOSPHÄRE DER ERDE
Maße. Bis Höhenforschungsraketen und künstliche Satelliten die äußeren Schichten der Atmosphäre in Entfernungen erkundeten, die um ein Vielfaches größer waren als der Erdradius, glaubte man, dass die Atmosphäre mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche allmählich dünner wird und reibungslos in den interplanetaren Raum übergeht . Inzwischen wurde festgestellt, dass Energieströme aus den tiefen Schichten der Sonne weit über die Erdumlaufbahn hinaus bis an die äußersten Grenzen des Sonnensystems in den Weltraum vordringen. Diese sog. Der Sonnenwind umfließt das Magnetfeld der Erde und bildet einen länglichen "Hohlraum", in dem sich die Erdatmosphäre konzentriert. Das Magnetfeld der Erde wird auf der der Sonne zugewandten Tagseite merklich eingeengt und bildet auf der gegenüberliegenden Nachtseite eine lange Zunge, die wahrscheinlich über die Umlaufbahn des Mondes hinausragt. Die Grenze des Erdmagnetfeldes wird als Magnetopause bezeichnet. Auf der Tagseite verläuft diese Grenze in einem Abstand von etwa sieben Erdradien von der Erdoberfläche, in Zeiten erhöhter Sonnenaktivität liegt sie jedoch noch näher an der Erdoberfläche. Die Magnetopause ist gleichzeitig die Grenze der Erdatmosphäre, deren äußere Hülle auch Magnetosphäre genannt wird, da sie geladene Teilchen (Ionen) enthält, deren Bewegung durch das Erdmagnetfeld bedingt ist. Das Gesamtgewicht der atmosphärischen Gase beträgt ungefähr 4,5 * 1015 Tonnen, sodass das "Gewicht" der Atmosphäre pro Flächeneinheit oder atmosphärischer Druck ungefähr 11 Tonnen / m2 auf Meereshöhe beträgt.
Bedeutung für das Leben. Daraus folgt, dass die Erde durch eine mächtige Schutzschicht vom interplanetaren Raum getrennt ist. Der Weltraum ist von starker Ultraviolett- und Röntgenstrahlung der Sonne und noch härterer kosmischer Strahlung durchdrungen, und diese Arten von Strahlung sind schädlich für alle Lebewesen. Am äußeren Rand der Atmosphäre ist die Strahlungsintensität tödlich, aber ein erheblicher Teil davon wird von der Atmosphäre weit entfernt von der Erdoberfläche zurückgehalten. Die Absorption dieser Strahlung erklärt viele Eigenschaften der hohen Schichten der Atmosphäre, insbesondere die dort auftretenden elektrischen Phänomene. Die unterste, oberflächliche Schicht der Atmosphäre ist besonders wichtig für einen Menschen, der an der Kontaktstelle der festen, flüssigen und gasförmigen Hüllen der Erde lebt. Die obere Schale der „festen“ Erde wird als Lithosphäre bezeichnet. Etwa 72 % der Erdoberfläche sind von den Gewässern der Ozeane bedeckt, die den größten Teil der Hydrosphäre ausmachen. Die Atmosphäre grenzt sowohl an die Lithosphäre als auch an die Hydrosphäre. Der Mensch lebt auf dem Grund des Luftozeans und in der Nähe oder oberhalb des Wasserozeans. Das Zusammenspiel dieser Ozeane ist einer der wichtigen Faktoren, die den Zustand der Atmosphäre bestimmen.
Verbindung. Die unteren Schichten der Atmosphäre bestehen aus einem Gasgemisch (siehe Tabelle). Neben den in der Tabelle aufgeführten Gasen sind auch andere Gase in Form kleiner Verunreinigungen in der Luft vorhanden: Ozon, Methan, Stoffe wie Kohlenmonoxid (CO), Stick- und Schwefeloxide, Ammoniak.

ZUSAMMENSETZUNG DER ATMOSPHÄRE

In den hohen Schichten der Atmosphäre ändert sich die Zusammensetzung der Luft unter dem Einfluss harter Sonnenstrahlung, was zum Zerfall von Sauerstoffmolekülen in Atome führt. Atomarer Sauerstoff ist der Hauptbestandteil der oberen Schichten der Atmosphäre. Schließlich werden in den am weitesten von der Erdoberfläche entfernten Schichten der Atmosphäre die leichtesten Gase, Wasserstoff und Helium, zu den Hauptbestandteilen. Da sich der Großteil der Materie in den unteren 30 km konzentriert, haben Änderungen der Luftzusammensetzung in Höhen über 100 km keinen merklichen Einfluss auf die Gesamtzusammensetzung der Atmosphäre.
Energieaustausch. Die Sonne ist die wichtigste Energiequelle, die auf die Erde kommt. In einer Entfernung von ca. 150 Millionen km von der Sonne entfernt empfängt die Erde etwa ein Zweimilliardstel der Energie, die sie ausstrahlt, hauptsächlich im sichtbaren Teil des Spektrums, den der Mensch "Licht" nennt. Der größte Teil dieser Energie wird von der Atmosphäre und der Lithosphäre absorbiert. Auch die Erde strahlt Energie aus, meist in Form von Ferninfrarotstrahlung. Somit wird ein Gleichgewicht zwischen der von der Sonne empfangenen Energie, der Erwärmung der Erde und der Atmosphäre und dem Rückfluss der in den Weltraum abgestrahlten Wärmeenergie hergestellt. Der Mechanismus dieses Gleichgewichts ist äußerst komplex. Staub- und Gasmoleküle streuen Licht und reflektieren es teilweise in den Weltraum. Wolken reflektieren noch mehr der einfallenden Strahlung. Ein Teil der Energie wird direkt von Gasmolekülen absorbiert, hauptsächlich jedoch von Gestein, Vegetation und Oberflächengewässern. In der Atmosphäre vorhandener Wasserdampf und Kohlendioxid lassen sichtbare Strahlung durch, absorbieren jedoch Infrarotstrahlung. Thermische Energie sammelt sich hauptsächlich in den unteren Schichten der Atmosphäre. Ein ähnlicher Effekt tritt in einem Gewächshaus auf, wenn das Glas Licht hereinlässt und sich der Boden erwärmt. Da Glas für Infrarotstrahlung relativ undurchlässig ist, staut sich Wärme im Gewächshaus. Die Erwärmung der unteren Atmosphäre durch Wasserdampf und Kohlendioxid wird oft als Treibhauseffekt bezeichnet. Bewölkung spielt eine bedeutende Rolle bei der Wärmespeicherung in den unteren Schichten der Atmosphäre. Wenn sich die Wolken auflösen oder die Transparenz der Luftmassen zunimmt, sinkt zwangsläufig die Temperatur, da die Erdoberfläche Wärmeenergie frei in den umgebenden Raum abstrahlt. Wasser auf der Erdoberfläche absorbiert Sonnenenergie und verdunstet, wobei es sich in ein Gas verwandelt - Wasserdampf, der eine große Menge Energie in die untere Atmosphäre trägt. Wenn Wasserdampf kondensiert und Wolken oder Nebel bildet, wird diese Energie in Form von Wärme freigesetzt. Etwa die Hälfte der die Erdoberfläche erreichenden Sonnenenergie wird für die Verdunstung von Wasser aufgewendet und gelangt in die untere Atmosphäre. So erwärmt sich die Atmosphäre durch den Treibhauseffekt und die Verdunstung von Wasser von unten. Dies erklärt teilweise die hohe Aktivität seiner Zirkulation im Vergleich zur Zirkulation des Weltozeans, die sich nur von oben erwärmt und daher viel stabiler ist als die Atmosphäre.
Siehe auch METEOROLOGIE UND KLIMATOLOGIE. Zusätzlich zur allgemeinen Erwärmung der Atmosphäre durch das „Sonnenlicht“ kommt es aufgrund der Ultraviolett- und Röntgenstrahlung der Sonne zu einer erheblichen Erwärmung einiger ihrer Schichten. Struktur. Im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen ist bei gasförmigen Stoffen die Anziehungskraft zwischen Molekülen minimal. Mit zunehmendem Abstand zwischen den Molekülen können sich Gase unbegrenzt ausdehnen, wenn nichts sie daran hindert. Die untere Grenze der Atmosphäre ist die Erdoberfläche. Diese Barriere ist streng genommen undurchdringlich, da ein Gasaustausch zwischen Luft und Wasser und sogar zwischen Luft und Gestein stattfindet, aber in diesem Fall können diese Faktoren vernachlässigt werden. Da die Atmosphäre eine Kugelschale ist, hat sie keine seitlichen Begrenzungen, sondern nur eine untere Begrenzung und eine obere (äußere) Begrenzung, die von der Seite des interplanetaren Raums offen sind. Durch die äußere Grenze treten einige neutrale Gase aus, ebenso wie der Materiestrom aus dem umgebenden Weltraum. Die meisten geladenen Teilchen, mit Ausnahme der hochenergetischen kosmischen Strahlung, werden entweder von der Magnetosphäre eingefangen oder von ihr abgestoßen. Die Atmosphäre wird auch von der Schwerkraft beeinflusst, die die Lufthülle an der Erdoberfläche hält. Atmosphärische Gase werden durch ihr Eigengewicht komprimiert. Am unteren Rand der Atmosphäre ist diese Verdichtung maximal, daher ist hier die Luftdichte am höchsten. In jeder Höhe über der Erdoberfläche hängt der Grad der Luftkompression von der Masse der darüber liegenden Luftsäule ab, sodass die Luftdichte mit der Höhe abnimmt. Der Druck, gleich der Masse der darüber liegenden Luftsäule pro Flächeneinheit, steht in direktem Zusammenhang mit der Dichte und nimmt daher auch mit der Höhe ab. Wäre die Atmosphäre ein "ideales Gas" mit konstanter höhenunabhängiger Zusammensetzung, konstanter Temperatur und konstanter Schwerkraft, dann würde der Druck pro 20 km Höhe um den Faktor 10 abnehmen. Die reale Atmosphäre weicht bis etwa 100 km geringfügig vom idealen Gas ab, und dann nimmt der Druck langsamer mit der Höhe ab, da sich die Zusammensetzung der Luft ändert. Kleine Änderungen im beschriebenen Modell werden auch durch eine Abnahme der Schwerkraft mit der Entfernung vom Erdmittelpunkt eingeführt, die sich auf ca. 3 % pro 100 Höhenmeter. Im Gegensatz zum atmosphärischen Druck nimmt die Temperatur nicht kontinuierlich mit der Höhe ab. Wie in Abb. 1, nimmt sie auf etwa 10 km ab und beginnt dann wieder zu steigen. Dies geschieht, wenn Sauerstoff ultraviolette Sonnenstrahlung absorbiert. Dabei entsteht Ozongas, dessen Moleküle aus drei Sauerstoffatomen (O3) bestehen. Es absorbiert auch ultraviolette Strahlung, und daher erwärmt sich diese Schicht der Atmosphäre, die Ozonosphäre genannt wird. Höher sinkt die Temperatur wieder, da viel weniger Gasmoleküle vorhanden sind und die Energieaufnahme entsprechend geringer ist. In noch höheren Schichten steigt die Temperatur durch die Absorption der kürzestwelligen Ultraviolett- und Röntgenstrahlung der Sonne durch die Atmosphäre wieder an. Unter dem Einfluss dieser starken Strahlung wird die Atmosphäre ionisiert, d.h. Ein Gasmolekül gibt ein Elektron ab und erhält eine positive elektrische Ladung. Solche Moleküle werden zu positiv geladenen Ionen. Durch das Vorhandensein freier Elektronen und Ionen erhält diese Atmosphärenschicht die Eigenschaften eines elektrischen Leiters. Es wird angenommen, dass die Temperatur weiterhin auf Höhen ansteigt, in denen die verdünnte Atmosphäre in den interplanetaren Raum übergeht. In einer Entfernung von mehreren tausend Kilometern von der Erdoberfläche herrschen wahrscheinlich Temperaturen von 5000 ° bis 10.000 ° C. Obwohl Moleküle und Atome sehr hohe Bewegungsgeschwindigkeiten und daher eine hohe Temperatur haben, ist dieses verdünnte Gas nicht "heiß". im üblichen Sinne. . Aufgrund der geringen Anzahl von Molekülen in großen Höhen ist ihre gesamte thermische Energie sehr gering. Somit besteht die Atmosphäre aus getrennten Schichten (d. h. einer Reihe konzentrischer Schalen oder Kugeln), deren Auswahl davon abhängt, welche Eigenschaft von größtem Interesse ist. Ausgehend von der mittleren Temperaturverteilung haben Meteorologen ein Schema für den Aufbau einer idealen „mittleren Atmosphäre“ entwickelt (siehe Abb. 1).

Troposphäre - die untere Schicht der Atmosphäre, die sich bis zum ersten thermischen Minimum (der sogenannten Tropopause) erstreckt. Die Obergrenze der Troposphäre hängt von der geografischen Breite (in den Tropen - 18-20 km, in gemäßigten Breiten - etwa 10 km) und der Jahreszeit ab. Der US National Weather Service führte Sondierungen in der Nähe des Südpols durch und enthüllte saisonale Veränderungen in der Höhe der Tropopause. Im März liegt die Tropopause auf einer Höhe von ca. 7,5km. Von März bis August oder September kühlt die Troposphäre stetig ab, und ihre Grenze steigt im August oder September für kurze Zeit auf eine Höhe von etwa 11,5 km an. Dann fällt er von September bis Dezember schnell ab und erreicht seine niedrigste Position - 7,5 km, wo er bis März bleibt und innerhalb von nur 0,5 km schwankt. In der Troposphäre bildet sich hauptsächlich das Wetter, das die Bedingungen für die menschliche Existenz bestimmt. Der meiste atmosphärische Wasserdampf konzentriert sich in der Troposphäre, daher bilden sich hauptsächlich hier Wolken, obwohl einige davon, bestehend aus Eiskristallen, auch in den höheren Schichten zu finden sind. Die Troposphäre ist durch Turbulenzen und starke Luftströmungen (Winde) und Stürme gekennzeichnet. In der oberen Troposphäre gibt es starke Luftströmungen mit einer genau definierten Richtung. Turbulente Wirbel, wie kleine Strudel, entstehen unter dem Einfluss von Reibung und dynamischer Wechselwirkung zwischen langsam und schnell bewegten Luftmassen. Da diese hohen Schichten normalerweise wolkenlos sind, werden diese Turbulenzen als "klare Luftturbulenzen" bezeichnet.
Stratosphäre. Die obere Schicht der Atmosphäre wird oft fälschlicherweise als eine Schicht mit relativ konstanten Temperaturen beschrieben, in der die Winde mehr oder weniger gleichmäßig wehen und in der die meteorologischen Elemente wenig variieren. Die oberen Schichten der Stratosphäre erwärmen sich, wenn Sauerstoff und Ozon die UV-Strahlung der Sonne absorbieren. Die obere Grenze der Stratosphäre (Stratopause) wird dort eingezeichnet, wo die Temperatur leicht ansteigt und ein Zwischenmaximum erreicht, das oft mit der Temperatur der Oberflächenluftschicht vergleichbar ist. Basierend auf Beobachtungen, die mit Flugzeugen und Ballons gemacht wurden, die angepasst sind, um in konstanter Höhe zu fliegen, wurden turbulente Störungen und starke Winde, die in verschiedene Richtungen wehen, in der Stratosphäre festgestellt. Wie in der Troposphäre werden starke Luftwirbel festgestellt, die besonders für Hochgeschwindigkeitsflugzeuge gefährlich sind. Starke Winde, sogenannte Jetstreams, wehen in engen Zonen entlang der Grenzen der gemäßigten Breiten gegenüber den Polen. Diese Zonen können sich jedoch verschieben, verschwinden und wieder auftauchen. Jetstreams dringen normalerweise in die Tropopause ein und erscheinen in der oberen Troposphäre, aber ihre Geschwindigkeit nimmt mit abnehmender Höhe schnell ab. Es ist möglich, dass ein Teil der Energie, die in die Stratosphäre gelangt (hauptsächlich für die Bildung von Ozon aufgewendet wird), die Prozesse in der Troposphäre beeinflusst. Besonders aktives Mischen ist mit atmosphärischen Fronten verbunden, wo beträchtliche Strömungen stratosphärischer Luft deutlich unterhalb der Tropopause registriert wurden und troposphärische Luft in die unteren Schichten der Stratosphäre gezogen wurde. Bedeutende Fortschritte wurden bei der Untersuchung der vertikalen Struktur der unteren Atmosphärenschichten im Zusammenhang mit der Verbesserung der Technik zum Abschuss von Radiosonden in Höhen von 25 bis 30 km erzielt. Die über der Stratosphäre gelegene Mesosphäre ist eine Hülle, in der bis zu einer Höhe von 80-85 km die Temperatur auf das Minimum für die gesamte Atmosphäre abfällt. Rekordtiefsttemperaturen von bis zu -110 °C wurden von Wetterraketen gemessen, die von der US-kanadischen Anlage in Fort Churchill (Kanada) abgefeuert wurden. Die obere Grenze der Mesosphäre (Mesopause) fällt ungefähr mit der unteren Grenze des Bereichs der aktiven Absorption der Röntgenstrahlung und der ultravioletten Strahlung der Sonne mit der kürzesten Wellenlänge zusammen, die mit einer Erwärmung und Ionisierung des Gases einhergeht. In den Polarregionen treten im Sommer in der Mesopause oft Wolkensysteme auf, die eine große Fläche einnehmen, aber wenig vertikale Entwicklung haben. Solche nachts leuchtenden Wolken ermöglichen es oft, großräumige wellenförmige Luftbewegungen in der Mesosphäre zu erkennen. Die Zusammensetzung dieser Wolken, Feuchtigkeitsquellen und Kondensationskerne, Dynamik und Zusammenhang mit meteorologischen Faktoren sind noch unzureichend untersucht. Die Thermosphäre ist eine Schicht der Atmosphäre, in der die Temperatur kontinuierlich ansteigt. Seine Leistung kann 600 km erreichen. Der Druck und damit die Dichte eines Gases nehmen mit der Höhe stetig ab. Nahe der Erdoberfläche enthält 1 m3 Luft ca. 2,5x1025 Moleküle, bei einer Höhe von ca. 100 km, in den unteren Schichten der Thermosphäre - ungefähr 1019, in einer Höhe von 200 km, in der Ionosphäre - 5 * 10 15 und nach Berechnungen in einer Höhe von rd. 850 km - etwa 1012 Moleküle. Im interplanetaren Raum beträgt die Konzentration von Molekülen 10 8-10 9 pro 1 m3. Auf einer Höhe von ca. 100 km ist die Anzahl der Moleküle klein und sie kollidieren selten miteinander. Die durchschnittliche Entfernung, die ein sich chaotisch bewegendes Molekül zurücklegt, bevor es mit einem anderen ähnlichen Molekül kollidiert, wird als mittlere freie Weglänge bezeichnet. Die Schicht, in der dieser Wert so stark ansteigt, dass die Wahrscheinlichkeit intermolekularer oder interatomarer Kollisionen vernachlässigt werden kann, liegt an der Grenze zwischen Thermosphäre und darüber liegender Hülle (Exosphäre) und wird als thermische Pause bezeichnet. Die Thermopause befindet sich etwa 650 km von der Erdoberfläche entfernt. Bei einer bestimmten Temperatur hängt die Bewegungsgeschwindigkeit eines Moleküls von seiner Masse ab: Leichtere Moleküle bewegen sich schneller als schwere. In der unteren Atmosphäre, wo der freie Weg sehr kurz ist, gibt es keine merkliche Trennung von Gasen nach ihrem Molekulargewicht, aber es wird über 100 km ausgedrückt. Darüber hinaus zerfallen Sauerstoffmoleküle unter dem Einfluss von Ultraviolett- und Röntgenstrahlung der Sonne in Atome, deren Masse halb so groß ist wie die Masse des Moleküls. Daher wird atomarer Sauerstoff mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche immer wichtiger für die Zusammensetzung der Atmosphäre und in einer Höhe von ca. 200 km wird zu seinem Hauptbestandteil. Höher, in einer Entfernung von etwa 1200 km von der Erdoberfläche, dominieren leichte Gase - Helium und Wasserstoff. Sie sind die äußere Schicht der Atmosphäre. Diese als diffuse Trennung bezeichnete Trennung nach Gewicht ähnelt der Trennung von Gemischen mit einer Zentrifuge. Die Exosphäre ist die äußere Schicht der Atmosphäre, die aufgrund von Temperaturänderungen und den Eigenschaften neutraler Gase isoliert ist. Moleküle und Atome in der Exosphäre kreisen unter dem Einfluss der Schwerkraft in ballistischen Umlaufbahnen um die Erde. Einige dieser Umlaufbahnen sind parabelförmig und ähneln den Flugbahnen von Projektilen. Moleküle können um die Erde und in elliptischen Bahnen kreisen, wie Satelliten. Einige Moleküle, hauptsächlich Wasserstoff und Helium, haben offene Flugbahnen und entweichen in den Weltraum (Abb. 2).

SOLAR-TERRESTRISCHE BEZIEHUNGEN UND IHR EINFLUSS AUF DIE ATMOSPHÄRE
atmosphärische Gezeiten. Die Anziehungskraft von Sonne und Mond verursacht Gezeiten in der Atmosphäre, ähnlich den Gezeiten auf der Erde und im Meer. Aber atmosphärische Gezeiten haben einen signifikanten Unterschied: Die Atmosphäre reagiert am stärksten auf die Anziehungskraft der Sonne, während die Erdkruste und der Ozean auf die Anziehungskraft des Mondes reagieren. Dies erklärt sich dadurch, dass die Atmosphäre von der Sonne erwärmt wird und zusätzlich zur Gravitationsflut eine starke thermische Flut entsteht. Im Allgemeinen sind die Bildungsmechanismen von atmosphärischen und Meeresgezeiten ähnlich, außer dass zur Vorhersage der Reaktion der Luft auf Gravitations- und Wärmeeinflüsse ihre Kompressibilität und Temperaturverteilung berücksichtigt werden müssen. Es ist nicht ganz klar, warum halbtägige (12-stündige) solare Gezeiten in der Atmosphäre gegenüber täglichen solaren und halbtägigen Mondgezeiten vorherrschen, obwohl die treibenden Kräfte der beiden letzteren Prozesse viel stärker sind. Früher glaubte man, dass in der Atmosphäre eine Resonanz auftritt, die genau die Schwingungen mit einer 12-Stunden-Periode verstärkt. Beobachtungen, die mit Hilfe geophysikalischer Raketen durchgeführt wurden, weisen jedoch darauf hin, dass es keine Temperaturgründe für eine solche Resonanz gibt. Bei der Lösung dieses Problems sollte man wahrscheinlich alle hydrodynamischen und thermischen Eigenschaften der Atmosphäre berücksichtigen. An der Erdoberfläche in Äquatornähe, wo der Einfluss der Gezeitenschwankungen am größten ist, sorgt sie für eine Änderung des atmosphärischen Drucks um 0,1 %. Die Geschwindigkeit der Gezeitenwinde beträgt ca. 0,3 km/h. Aufgrund der komplexen thermischen Struktur der Atmosphäre (insbesondere des Vorhandenseins eines Temperaturminimums in der Mesopause) werden Gezeitenströmungen intensiviert und haben beispielsweise in 70 km Höhe eine etwa 160-mal höhere Geschwindigkeit als auf der Erde Oberfläche, was wichtige geophysikalische Konsequenzen hat. Es wird angenommen, dass im unteren Teil der Ionosphäre (Schicht E) Gezeitenschwingungen das ionisierte Gas vertikal im Erdmagnetfeld bewegen und daher hier elektrische Ströme entstehen. Diese ständig neu entstehenden Stromsysteme auf der Erdoberfläche entstehen durch Störungen des Magnetfeldes. Die tageszeitlichen Schwankungen des Magnetfeldes stimmen gut mit den berechneten Werten überein, was überzeugend für die Theorie der Gezeitenmechanismen des „atmosphärischen Dynamos“ spricht. Elektrische Ströme, die im unteren Teil der Ionosphäre (Schicht E) entstehen, müssen sich irgendwohin bewegen, und daher muss der Stromkreis geschlossen werden. Die Analogie mit dem Dynamo wird vollständig, wenn wir die Gegenbewegung als Arbeit des Motors betrachten. Es wird angenommen, dass die Rückzirkulation des elektrischen Stroms in einer höheren Schicht der Ionosphäre (F) stattfindet, und dieser Gegenstrom kann einige der Besonderheiten dieser Schicht erklären. Schließlich muss der Gezeiteneffekt auch horizontale Strömungen in der E-Schicht und damit in der F-Schicht erzeugen.
Ionosphäre. Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts versuchen, den Mechanismus des Auftretens von Polarlichtern zu erklären. schlug vor, dass es in der Atmosphäre eine Zone mit elektrisch geladenen Teilchen gibt. Im 20. Jahrhundert Experimentell wurden überzeugende Beweise für die Existenz einer Schicht erhalten, die Funkwellen in Höhen von 85 bis 400 km reflektiert. Es ist jetzt bekannt, dass seine elektrischen Eigenschaften das Ergebnis der atmosphärischen Gasionisation sind. Daher wird diese Schicht üblicherweise als Ionosphäre bezeichnet. Die Auswirkung auf Radiowellen ist hauptsächlich auf das Vorhandensein freier Elektronen in der Ionosphäre zurückzuführen, obwohl der Ausbreitungsmechanismus von Radiowellen mit dem Vorhandensein großer Ionen verbunden ist. Letztere sind auch für die Untersuchung der chemischen Eigenschaften der Atmosphäre interessant, da sie aktiver sind als neutrale Atome und Moleküle. Chemische Reaktionen, die in der Ionosphäre stattfinden, spielen eine wichtige Rolle in ihrem Energie- und elektrischen Gleichgewicht.
normale Ionosphäre. Beobachtungen, die mit Hilfe von geophysikalischen Raketen und Satelliten durchgeführt wurden, haben viele neue Informationen geliefert, die darauf hindeuten, dass die Ionisierung der Atmosphäre unter dem Einfluss von Breitband-Sonnenstrahlung erfolgt. Sein Hauptteil (mehr als 90%) konzentriert sich auf den sichtbaren Teil des Spektrums. Ultraviolette Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge und mehr Energie als violette Lichtstrahlen wird vom Wasserstoff des inneren Teils der Sonnenatmosphäre (Chromosphäre) emittiert, und Röntgenstrahlung, die eine noch höhere Energie hat, wird von den Gasen der Sonne emittiert Außenhülle (Corona). Der normale (durchschnittliche) Zustand der Ionosphäre ist auf eine konstante starke Strahlung zurückzuführen. In der normalen Ionosphäre treten unter dem Einfluss der täglichen Rotation der Erde und saisonaler Unterschiede im Einfallswinkel der Sonnenstrahlen am Mittag regelmäßige Änderungen auf, aber auch unvorhersehbare und abrupte Änderungen des Zustands der Ionosphäre.
Störungen in der Ionosphäre. Auf der Sonne entstehen bekanntlich starke, sich zyklisch wiederholende Störungen, die alle 11 Jahre ein Maximum erreichen. Beobachtungen im Rahmen des Programms des Internationalen Geophysikalischen Jahres (IGY) fielen mit der Periode der höchsten Sonnenaktivität für den gesamten Zeitraum systematischer meteorologischer Beobachtungen zusammen, d.h. vom Anfang des 18. Jahrhunderts In Zeiten hoher Aktivität nehmen einige Bereiche auf der Sonne mehrmals an Helligkeit zu und senden starke Impulse von Ultraviolett- und Röntgenstrahlung aus. Solche Phänomene werden Sonneneruptionen genannt. Sie dauern von einigen Minuten bis zu einer oder zwei Stunden. Während einer Flare explodiert Sonnengas (hauptsächlich Protonen und Elektronen) und Elementarteilchen rasen in den Weltraum. Die elektromagnetische und korpuskuläre Strahlung der Sonne in den Momenten solcher Eruptionen hat eine starke Wirkung auf die Erdatmosphäre. Die erste Reaktion wird 8 Minuten nach dem Blitz beobachtet, wenn intensive Ultraviolett- und Röntgenstrahlung die Erde erreicht. Als Ergebnis nimmt die Ionisierung stark zu; Röntgenstrahlen dringen in die Atmosphäre bis zur unteren Grenze der Ionosphäre ein; die Zahl der Elektronen in diesen Schichten steigt so stark an, dass die Funksignale fast vollständig absorbiert („ausgelöscht“) werden. Zusätzliche Strahlungsabsorption bewirkt eine Erwärmung des Gases, was zur Entstehung von Winden beiträgt. Ionisiertes Gas ist ein elektrischer Leiter, und wenn es sich im Magnetfeld der Erde bewegt, tritt ein Dynamoeffekt auf und ein elektrischer Strom wird erzeugt. Solche Ströme können wiederum merkliche Störungen des Magnetfelds verursachen und sich in Form von Magnetstürmen äußern. Diese Anfangsphase dauert nur kurz, entsprechend der Dauer einer Sonneneruption. Während starker Sonneneruptionen strömt ein Strom beschleunigter Teilchen in den Weltraum. Wenn es auf die Erde gerichtet ist, beginnt die zweite Phase, die einen großen Einfluss auf den Zustand der Atmosphäre hat. Viele Naturphänomene, unter denen die Polarlichter am bekanntesten sind, weisen darauf hin, dass eine beträchtliche Anzahl geladener Teilchen die Erde erreicht (siehe auch POLARLICHTER). Dennoch sind die Ablösungsprozesse dieser Teilchen von der Sonne, ihre Bahnen im interplanetaren Raum und die Wechselwirkungsmechanismen mit dem Erdmagnetfeld und der Magnetosphäre noch unzureichend erforscht. Das Problem wurde komplizierter, nachdem James Van Allen 1958 Muscheln entdeckt hatte, die vom Erdmagnetfeld gehalten wurden und aus geladenen Teilchen bestehen. Diese Partikel bewegen sich von einer Hemisphäre zur anderen und drehen sich spiralförmig um die magnetischen Feldlinien. In Erdnähe, in einer von der Form der Kraftlinien und der Energie der Teilchen abhängigen Höhe, gibt es „Reflexionspunkte“, an denen die Teilchen ihre Bewegungsrichtung in die entgegengesetzte Richtung ändern (Abb. 3). Da die Stärke des Magnetfelds mit der Entfernung von der Erde abnimmt, sind die Bahnen, auf denen sich diese Teilchen bewegen, etwas verzerrt: Elektronen weichen nach Osten und Protonen nach Westen aus. Daher werden sie in Form von Gürteln rund um den Globus vertrieben.

Einige Folgen der Erwärmung der Atmosphäre durch die Sonne. Sonnenenergie beeinflusst die gesamte Atmosphäre. Wir haben bereits die Gürtel erwähnt, die von geladenen Teilchen im Magnetfeld der Erde gebildet werden und sich um dieses drehen. Diese Gürtel sind der Erdoberfläche in den zirkumpolaren Regionen am nächsten (siehe Abb. 3), wo Polarlichter beobachtet werden. Abbildung 1 zeigt, dass die Aurora-Regionen in Kanada deutlich höhere thermosphärische Temperaturen aufweisen als die im Südwesten der USA. Es ist wahrscheinlich, dass die eingefangenen Teilchen einen Teil ihrer Energie an die Atmosphäre abgeben, insbesondere wenn sie mit Gasmolekülen in der Nähe der Reflexionspunkte kollidieren, und ihre früheren Umlaufbahnen verlassen. So werden die hohen Schichten der Atmosphäre in der Aurora-Zone erhitzt. Eine weitere wichtige Entdeckung wurde beim Studium der Umlaufbahnen künstlicher Satelliten gemacht. Luigi Iacchia, ein Astronom am Smithsonian Astrophysical Observatory, glaubt, dass die kleinen Abweichungen dieser Umlaufbahnen auf Änderungen in der Dichte der Atmosphäre zurückzuführen sind, wenn sie von der Sonne erwärmt wird. Er schlug die Existenz einer maximalen Elektronendichte in der Ionosphäre in einer Höhe von mehr als 200 km vor, was nicht dem Sonnenmittag entspricht, aber unter dem Einfluss von Reibungskräften um etwa zwei Stunden nacheilt. Zu diesem Zeitpunkt werden die für eine Höhe von 600 km typischen Werte der atmosphärischen Dichte auf einem Niveau von ca. 950km. Außerdem erfährt die maximale Elektronenkonzentration unregelmäßige Schwankungen durch kurzzeitige Ultraviolett- und Röntgenstrahlen der Sonne. L. Yakkia entdeckte auch kurzfristige Schwankungen der Luftdichte, die Sonneneruptionen und Magnetfeldstörungen entsprachen. Diese Phänomene werden durch das Eindringen von Partikeln solaren Ursprungs in die Erdatmosphäre und die Erwärmung derjenigen Schichten erklärt, in denen Satelliten kreisen.
ATMOSPHÄRISCHE ELEKTRIZITÄT
In der Oberflächenschicht der Atmosphäre wird ein kleiner Teil der Moleküle unter dem Einfluss von kosmischer Strahlung, Strahlung von radioaktivem Gestein und Zerfallsprodukten von Radium (hauptsächlich Radon) in der Luft selbst ionisiert. Bei der Ionisation verliert ein Atom ein Elektron und erhält eine positive Ladung. Ein freies Elektron verbindet sich schnell mit einem anderen Atom und bildet ein negativ geladenes Ion. Solche gepaarten positiven und negativen Ionen haben molekulare Dimensionen. Moleküle in der Atmosphäre neigen dazu, sich um diese Ionen zu sammeln. Mehrere Moleküle, die mit einem Ion kombiniert werden, bilden einen Komplex, der üblicherweise als "leichtes Ion" bezeichnet wird. Die Atmosphäre enthält auch Komplexe von Molekülen, in der Meteorologie Kondensationskerne genannt, um die herum, wenn die Luft mit Feuchtigkeit gesättigt ist, der Kondensationsprozess beginnt. Diese Kerne sind Salz- und Staubpartikel sowie Schadstoffe, die aus industriellen und anderen Quellen in die Luft freigesetzt werden. Leichte Ionen lagern sich oft an solchen Kernen an, um "schwere Ionen" zu bilden. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen sich leichte und schwere Ionen von einem Bereich der Atmosphäre in einen anderen und übertragen dabei elektrische Ladungen. Obwohl die Atmosphäre im Allgemeinen nicht als elektrisch leitfähiges Medium angesehen wird, weist sie doch eine geringe Leitfähigkeit auf. Daher verliert ein in der Luft belassener geladener Körper langsam seine Ladung. Die atmosphärische Leitfähigkeit steigt mit der Höhe aufgrund einer erhöhten Intensität der kosmischen Strahlung, eines verringerten Ionenverlusts unter niedrigeren Druckbedingungen (und daher einer längeren mittleren freien Weglänge) und aufgrund von weniger schweren Kernen. Die Leitfähigkeit der Atmosphäre erreicht ihren Maximalwert in einer Höhe von ca. 50 km, sog. „Vergütungshöhe“. Es ist bekannt, dass zwischen der Erdoberfläche und der „Ausgleichsebene“ immer eine Potentialdifferenz von mehreren hundert Kilovolt besteht, d.h. konstantes elektrisches Feld. Es stellte sich heraus, dass die Potentialdifferenz zwischen einem bestimmten Punkt in der Luft in mehreren Metern Höhe und der Erdoberfläche sehr groß ist - mehr als 100 V. Die Atmosphäre ist positiv geladen und die Erdoberfläche ist negativ geladen. Da das elektrische Feld eine Fläche ist, an deren jedem Punkt ein bestimmter Potentialwert liegt, können wir von einem Potentialgradienten sprechen. Bei klarem Wetter ist die elektrische Feldstärke der Atmosphäre in den unteren Metern nahezu konstant. Aufgrund unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit der Luft in der Oberflächenschicht unterliegt der Potentialgradient tageszeitlichen Schwankungen, deren Verlauf von Ort zu Ort erheblich variiert. Ohne lokale Quellen der Luftverschmutzung – über den Ozeanen, hoch in den Bergen oder in den Polarregionen – ist der tägliche Verlauf des Potenzialgradienten bei klarem Wetter gleich. Die Größe des Gradienten hängt von der universellen oder Greenwich Mean Time (UT) ab und erreicht um 19:00 Uhr E ein Maximum. Appleton schlug vor, dass diese maximale elektrische Leitfähigkeit wahrscheinlich mit der größten Gewitteraktivität auf planetarischer Ebene zusammenfällt. Blitzentladungen bei Gewittern tragen eine negative Ladung zur Erdoberfläche, da die Basen der aktivsten Cumulonimbus-Gewitterwolken eine signifikante negative Ladung haben. Die Spitzen von Gewitterwolken haben eine positive Ladung, die nach Berechnungen von Holzer und Saxon bei Gewitter von ihren Spitzen abfließt. Ohne ständigen Nachschub würde die Ladung auf der Erdoberfläche durch die Leitfähigkeit der Atmosphäre neutralisiert. Die Annahme, dass die Potentialdifferenz zwischen der Erdoberfläche und dem „Ausgleichspegel“ durch Gewitter erhalten bleibt, wird durch statistische Daten gestützt. Zum Beispiel wird die maximale Anzahl von Gewittern im Tal des Flusses beobachtet. Amazonen. Am häufigsten kommt es dort am Ende des Tages zu Gewittern, d.h. OK. 19:00 Greenwich Mean Time, wenn der potenzielle Gradient überall auf der Welt sein Maximum erreicht. Darüber hinaus stimmen auch die jahreszeitlichen Schwankungen in der Form der Kurven des Tagesgangs des Potentialgradienten vollständig mit den Daten über die globale Verteilung von Gewittern überein. Einige Forscher argumentieren, dass die Quelle des elektrischen Feldes der Erde externen Ursprungs sein könnte, da angenommen wird, dass elektrische Felder in der Ionosphäre und Magnetosphäre existieren. Dieser Umstand erklärt wahrscheinlich das Auftreten sehr schmaler länglicher Polarlichter, ähnlich wie Backstage und Bögen.
(siehe auch Polarlichter). Aufgrund des Potentialgefälles und der Leitfähigkeit der Atmosphäre zwischen dem "Ausgleichsniveau" und der Erdoberfläche beginnen sich geladene Teilchen zu bewegen: positiv geladene Ionen - in Richtung der Erdoberfläche und negativ geladene - von ihr nach oben. Dieser Strom beträgt ca. 1800 A. Obwohl dieser Wert groß erscheint, muss man bedenken, dass er über die gesamte Erdoberfläche verteilt ist. Die Stromstärke in einer Luftsäule mit einer Grundfläche von 1 m2 beträgt nur 4 * 10 -12 A. Andererseits kann die Stromstärke während einer Blitzentladung mehrere Ampere erreichen, obwohl natürlich eine solche Entladung hat eine kurze Dauer - von Bruchteilen einer Sekunde bis zu einer ganzen Sekunde oder etwas mehr bei wiederholten Entladungen. Blitze sind nicht nur als besonderes Naturphänomen von großem Interesse. Es ermöglicht die Beobachtung einer elektrischen Entladung in einem gasförmigen Medium bei einer Spannung von mehreren hundert Millionen Volt und einem Elektrodenabstand von mehreren Kilometern. 1750 schlug B. Franklin der Royal Society of London vor, mit einer Eisenstange zu experimentieren, die auf einer isolierenden Basis befestigt und auf einem hohen Turm montiert war. Er erwartete, dass, wenn sich eine Gewitterwolke dem Turm nähert, eine Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen am oberen Ende des ursprünglich neutralen Stabes konzentriert wird und eine Ladung mit demselben Vorzeichen wie am Fuß der Wolke am unteren Ende . Wenn die Stärke des elektrischen Feldes während einer Blitzentladung ausreichend zunimmt, wird die Ladung vom oberen Ende des Stabes teilweise in die Luft abfließen, und der Stab erhält eine Ladung mit dem gleichen Vorzeichen wie die Basis der Wolke. Das von Franklin vorgeschlagene Experiment wurde nicht in England durchgeführt, sondern 1752 in Marly bei Paris von dem französischen Physiker Jean d'Alembert aufgebaut, indem er einen 12 m langen Eisenstab verwendete, der in eine Glasflasche (die als Isolator), platzierte ihn aber nicht auf dem Turm. Am 10. Mai berichtete sein Assistent, dass, wenn eine Gewitterwolke über einem Stab war, Funken erzeugt wurden, wenn ein geerdeter Draht dorthin gebracht wurde. Im Juni dieses Jahres führte er sein berühmtes Experiment mit einem Drachen durch und beobachtete elektrische Funken am Ende eines daran befestigten Drahtes. Im folgenden Jahr fand Franklin beim Studium der von einem Stab gesammelten Ladungen heraus, dass die Basis von Gewitterwolken normalerweise negativ geladen ist . Detailliertere Untersuchungen des Blitzes wurden im späten 19. Jahrhundert durch Verbesserungen der fotografischen Methoden möglich, insbesondere nach der Erfindung des Apparats mit rotierenden Linsen, der es ermöglichte, sich schnell entwickelnde Prozesse zu fixieren. Eine solche Kamera wurde häufig bei der Untersuchung von Funkenentladungen verwendet. Es wurde festgestellt, dass es mehrere Arten von Blitzen gibt, wobei die häufigsten linear, flach (innerhalb der Wolke) und kugelförmig (Luftentladungen) sind. Linearer Blitz ist eine Funkenentladung zwischen einer Wolke und der Erdoberfläche, die einem Kanal mit nach unten gerichteten Zweigen folgt. Flache Blitze treten in einer Gewitterwolke auf und sehen aus wie gestreute Lichtblitze. Luftentladungen von Kugelblitzen, ausgehend von einer Gewitterwolke, sind oft horizontal gerichtet und erreichen die Erdoberfläche nicht.

Eine Blitzentladung besteht normalerweise aus drei oder mehr wiederholten Entladungen - Impulsen, die demselben Weg folgen. Die Intervalle zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen sind sehr kurz, von 1/100 bis 1/10 s (das verursacht das Flackern von Blitzen). Im Allgemeinen dauert der Blitz etwa eine Sekunde oder weniger. Ein typischer Blitzentwicklungsprozess kann wie folgt beschrieben werden. Zunächst schießt ein schwach leuchtender Entladungsleiter von oben zur Erdoberfläche. Wenn er es erreicht, strömt eine hell leuchtende Gegen- oder Hauptentladung von der Erde den vom Vorfach gelegten Kanal hinauf. Der Entladungsführer bewegt sich in der Regel im Zickzack. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit liegt zwischen hundert und mehreren hundert Kilometern pro Sekunde. Auf seinem Weg ionisiert es Luftmoleküle und erzeugt einen Kanal mit erhöhter Leitfähigkeit, durch den sich die Rückwärtsentladung mit einer etwa hundertmal höheren Geschwindigkeit als die Leitentladung nach oben bewegt. Es ist schwierig, die Größe des Kanals zu bestimmen, aber der Durchmesser des Leitabflusses wird auf 1–10 m und der des Gegenabflusses auf mehrere Zentimeter geschätzt. Blitzentladungen erzeugen Funkstörungen, indem sie Funkwellen in einem breiten Bereich aussenden - von 30 kHz bis zu ultraniedrigen Frequenzen. Die größte Abstrahlung von Funkwellen liegt wahrscheinlich im Bereich von 5 bis 10 kHz. Solche niederfrequenten Funkstörungen "konzentrieren" sich im Raum zwischen der unteren Grenze der Ionosphäre und der Erdoberfläche und können sich über Entfernungen von Tausenden von Kilometern von der Quelle ausbreiten.
VERÄNDERUNGEN IN DER ATMOSPHÄRE
Einschlag von Meteoren und Meteoriten. Obwohl Meteorschauer mit ihren Lichteffekten manchmal einen tiefen Eindruck hinterlassen, sind einzelne Meteore selten zu sehen. Weitaus zahlreicher sind unsichtbare Meteore, die zu klein sind, um in dem Moment gesehen zu werden, in dem sie von der Atmosphäre verschluckt werden. Einige der kleinsten Meteore heizen sich wahrscheinlich gar nicht auf, sondern werden nur von der Atmosphäre eingefangen. Diese kleinen Teilchen mit einer Größe von wenigen Millimetern bis zu zehntausendstel Millimetern werden Mikrometeorite genannt. Die Menge an meteorischer Materie, die täglich in die Atmosphäre gelangt, beträgt 100 bis 10.000 Tonnen, wobei der größte Teil dieser Materie Mikrometeoriten sind. Da meteorische Materie teilweise in der Atmosphäre verbrennt, wird ihre Gaszusammensetzung mit Spuren verschiedener chemischer Elemente ergänzt. Beispielsweise bringen Steinmeteore Lithium in die Atmosphäre. Die Verbrennung metallischer Meteore führt zur Bildung winziger kugelförmiger Eisen-, Eisen-Nickel- und anderer Tröpfchen, die die Atmosphäre passieren und sich auf der Erdoberfläche ablagern. Sie sind in Grönland und der Antarktis zu finden, wo die Eisschilde jahrelang nahezu unverändert bleiben. Ozeanologen finden sie in Sedimenten am Meeresboden. Die meisten Meteorpartikel, die in die Atmosphäre gelangen, werden innerhalb von etwa 30 Tagen abgelagert. Einige Wissenschaftler glauben, dass dieser kosmische Staub eine wichtige Rolle bei der Entstehung atmosphärischer Phänomene wie Regen spielt, da er als Kern der Wasserdampfkondensation dient. Daher wird angenommen, dass Niederschlag statistisch mit großen Meteorschauern assoziiert ist. Einige Experten glauben jedoch, dass, da der Gesamteintrag an meteorischer Materie um ein Zehnfaches größer ist als selbst beim größten Meteorschauer, die Änderung der Gesamtmenge dieses Materials, die als Folge eines solchen Schauers auftritt, vernachlässigt werden kann. Es besteht jedoch kein Zweifel, dass die größten Mikrometeoriten und natürlich die sichtbaren Meteoriten lange Ionisationsspuren in den oberen Schichten der Atmosphäre, hauptsächlich in der Ionosphäre, hinterlassen. Solche Spuren können für die Funkkommunikation über große Entfernungen verwendet werden, da sie hochfrequente Funkwellen reflektieren. Die Energie von Meteoren, die in die Atmosphäre eintreten, wird hauptsächlich und vielleicht vollständig für ihre Erwärmung verbraucht. Dies ist eine der kleineren Komponenten des Wärmehaushalts der Atmosphäre.
Kohlendioxid industriellen Ursprungs. In der Karbonzeit war die Gehölzvegetation auf der Erde weit verbreitet. Der größte Teil des damals von Pflanzen aufgenommenen Kohlendioxids reicherte sich in Kohlevorkommen und in erdölhaltigen Lagerstätten an. Die Menschen haben gelernt, die riesigen Vorräte dieser Mineralien als Energiequelle zu nutzen und führen nun Kohlendioxid zügig in den Stoffkreislauf zurück. Das Fossil ist vermutlich ca. 4*10 13 Tonnen Kohlenstoff. Im vergangenen Jahrhundert hat die Menschheit so viele fossile Brennstoffe verbrannt, dass etwa 4 * 10 11 Tonnen Kohlenstoff erneut in die Atmosphäre gelangt sind. Derzeit gibt es ca. 2 * 10 12 Tonnen Kohlenstoff, und in den nächsten hundert Jahren könnte sich diese Zahl aufgrund der Verbrennung fossiler Brennstoffe verdoppeln. Allerdings verbleibt nicht der gesamte Kohlenstoff in der Atmosphäre: Ein Teil davon löst sich im Wasser des Ozeans auf, ein Teil wird von Pflanzen aufgenommen und ein Teil wird bei der Verwitterung von Gesteinen gebunden. Noch ist nicht absehbar, wie viel Kohlendioxid in der Atmosphäre sein wird und wie es sich auf das Weltklima auswirkt. Dennoch wird angenommen, dass jede Erhöhung seines Gehalts zu einer Erwärmung führen wird, obwohl es keineswegs notwendig ist, dass eine Erwärmung das Klima erheblich beeinflusst. Die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre steigt nach Messergebnissen merklich an, wenn auch langsam. Klimadaten für die Stationen Svalbard und Little America auf dem Ross-Schelfeis in der Antarktis weisen auf einen Anstieg der durchschnittlichen Jahrestemperaturen über einen Zeitraum von etwa 50 Jahren um 5° bzw. 2,5°C hin.
Die Wirkung der kosmischen Strahlung. Wenn hochenergetische kosmische Strahlung mit einzelnen Bestandteilen der Atmosphäre wechselwirkt, entstehen radioaktive Isotope. Unter ihnen sticht das 14C-Kohlenstoffisotop hervor, das sich in pflanzlichen und tierischen Geweben anreichert. Durch die Messung der Radioaktivität von organischen Substanzen, die lange Zeit keinen Kohlenstoffaustausch mit der Umgebung mehr hatten, kann ihr Alter bestimmt werden. Die Radiokohlenstoffmethode hat sich als zuverlässigste Methode zur Datierung fossiler Organismen und Objekte der materiellen Kultur etabliert, deren Alter 50.000 Jahre nicht überschreitet. Andere radioaktive Isotope mit langen Halbwertszeiten könnten verwendet werden, um Materialien zu datieren, die Hunderttausende von Jahren alt sind, wenn das grundlegende Problem der Messung extrem niedriger Radioaktivitätswerte gelöst wird.
(siehe auch RADIOKOHLENDATEN).
URSPRUNG DER ATMOSPHÄRE DER ERDE
Die Entstehungsgeschichte der Atmosphäre ist noch nicht absolut zuverlässig wiederhergestellt. Dennoch wurden einige wahrscheinliche Änderungen in seiner Zusammensetzung identifiziert. Die Bildung der Atmosphäre begann unmittelbar nach der Entstehung der Erde. Es gibt ziemlich gute Gründe zu glauben, dass im Verlauf der Entwicklung der Pra-Erde und ihrer Aneignung von nahezu modernen Dimensionen und Massen ihre ursprüngliche Atmosphäre fast vollständig verloren ging. Es wird angenommen, dass sich die Erde in einem frühen Stadium in einem geschmolzenen Zustand befand und ca. Vor 4,5 Milliarden Jahren nahm es als fester Körper Gestalt an. Dieser Meilenstein gilt als Beginn der geologischen Chronologie. Seit dieser Zeit hat sich die Atmosphäre langsam entwickelt. Einige geologische Prozesse, wie Lavaausbrüche bei Vulkanausbrüchen, wurden von der Freisetzung von Gasen aus dem Erdinneren begleitet. Sie enthielten wahrscheinlich Stickstoff, Ammoniak, Methan, Wasserdampf, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Unter dem Einfluss der ultravioletten Sonnenstrahlung zersetzte sich Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff, aber der freigesetzte Sauerstoff reagierte mit Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Ammoniak zerfällt in Stickstoff und Wasserstoff. Wasserstoff stieg im Diffusionsprozess auf und verließ die Atmosphäre, während schwererer Stickstoff nicht entweichen konnte und sich allmählich ansammelte und zu seinem Hauptbestandteil wurde, obwohl ein Teil davon während chemischer Reaktionen gebunden wurde. Unter dem Einfluss von ultravioletten Strahlen und elektrischen Entladungen trat ein wahrscheinlich in der ursprünglichen Erdatmosphäre vorhandenes Gasgemisch in chemische Reaktionen ein, wodurch organische Substanzen, insbesondere Aminosäuren, gebildet wurden. Folglich konnte Leben in einer Atmosphäre entstehen, die sich grundlegend von der modernen unterscheidet. Mit dem Aufkommen der Urpflanzen begann der Prozess der Photosynthese (siehe auch PHOTOSYNTHESE), begleitet von der Freisetzung von freiem Sauerstoff. Dieses Gas begann, insbesondere nach Diffusion in die obere Atmosphäre, seine unteren Schichten und die Erdoberfläche vor lebensgefährlicher Ultraviolett- und Röntgenstrahlung zu schützen. Es wird geschätzt, dass das Vorhandensein von nur 0,00004 des heutigen Sauerstoffvolumens zur Bildung einer Schicht mit der Hälfte der derzeitigen Ozonkonzentration führen könnte, die dennoch einen sehr erheblichen Schutz vor ultravioletten Strahlen bietet. Es ist auch wahrscheinlich, dass die Primäratmosphäre viel Kohlendioxid enthielt. Es wurde während der Photosynthese verbraucht, und seine Konzentration muss mit der Entwicklung der Pflanzenwelt und auch aufgrund der Absorption während einiger geologischer Prozesse abgenommen haben. Da der Treibhauseffekt mit dem Vorhandensein von Kohlendioxid in der Atmosphäre verbunden ist, glauben einige Wissenschaftler, dass Schwankungen in seiner Konzentration eine der wichtigsten Ursachen für großräumige klimatische Veränderungen in der Erdgeschichte sind, wie beispielsweise Eiszeiten. Das in der modernen Atmosphäre vorhandene Helium ist wahrscheinlich hauptsächlich ein Produkt des radioaktiven Zerfalls von Uran, Thorium und Radium. Diese radioaktiven Elemente senden Alphateilchen aus, die die Kerne von Heliumatomen sind. Da beim radioaktiven Zerfall keine elektrische Ladung erzeugt oder zerstört wird, gibt es zwei Elektronen für jedes Alpha-Teilchen. Dadurch verbindet es sich mit ihnen und bildet neutrale Heliumatome. Radioaktive Elemente sind in Mineralien enthalten, die in der Dicke von Gesteinen verteilt sind, sodass ein erheblicher Teil des durch radioaktiven Zerfall gebildeten Heliums in ihnen gespeichert wird und sich sehr langsam in die Atmosphäre verflüchtigt. Eine gewisse Menge Helium steigt durch Diffusion in die Exosphäre auf, aber durch den ständigen Zufluss von der Erdoberfläche bleibt das Volumen dieses Gases in der Atmosphäre unverändert. Basierend auf der Spektralanalyse von Sternenlicht und der Untersuchung von Meteoriten ist es möglich, die relative Häufigkeit verschiedener chemischer Elemente im Universum abzuschätzen. Die Konzentration von Neon im Weltraum ist etwa zehn Milliarden Mal höher als auf der Erde, Krypton - zehn Millionen Mal und Xenon - Millionen Mal. Daraus folgt, dass die Konzentration dieser Edelgase, die ursprünglich in der Erdatmosphäre vorhanden waren und im Verlauf chemischer Reaktionen nicht wieder aufgefüllt wurden, stark abgenommen hat, wahrscheinlich sogar in dem Stadium, in dem die Erde ihre primäre Atmosphäre verlor. Eine Ausnahme bildet das Edelgas Argon, da es beim radioaktiven Zerfall des Kaliumisotops noch in Form des 40Ar-Isotops entsteht.
Optische Phänomene
Die Vielfalt der optischen Phänomene in der Atmosphäre hat verschiedene Gründe. Zu den häufigsten Phänomenen gehören Blitze (siehe oben) und die sehr malerischen Polarlichter und Aurora Borealis (siehe auch POLAR LIGHTS). Darüber hinaus sind Regenbogen, Gal, Parhelion (falsche Sonne) und Bögen, Krone, Halos und Brockengeister, Luftspiegelungen, Elmofeuer, leuchtende Wolken, Grün- und Dämmerungsstrahlen von besonderem Interesse. Regenbogen ist das schönste atmosphärische Phänomen. Normalerweise ist dies ein riesiger Bogen, der aus mehrfarbigen Streifen besteht und beobachtet wird, wenn die Sonne nur einen Teil des Himmels beleuchtet und die Luft beispielsweise bei Regen mit Wassertropfen gesättigt ist. Die mehrfarbigen Bögen sind in einer Spektralfolge angeordnet (Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Indigo, Violett), aber die Farben sind fast nie rein, weil sich die Bänder überlappen. In der Regel variieren die physikalischen Eigenschaften von Regenbögen erheblich und daher sind sie in ihrem Aussehen sehr unterschiedlich. Ihr gemeinsames Merkmal ist, dass der Mittelpunkt des Bogens immer auf einer geraden Linie liegt, die von der Sonne zum Beobachter gezogen wird. Der Hauptregenbogen ist ein Bogen, der aus den hellsten Farben besteht – außen rot und innen lila. Manchmal ist nur ein Bogen sichtbar, aber oft erscheint ein zweiter auf der Außenseite des Hauptregenbogens. Es hat nicht so helle Farben wie das erste, und die roten und violetten Streifen wechseln die Plätze: Rot befindet sich auf der Innenseite. Die Bildung des Hauptregenbogens wird durch Doppelbrechung (siehe auch OPTIK) und einfache innere Reflexion von Sonnenlichtstrahlen erklärt (siehe Abb. 5). Beim Eindringen in einen Wassertropfen (A) wird ein Lichtstrahl gebrochen und zerlegt, als würde er durch ein Prisma gehen. Dann erreicht es die gegenüberliegende Oberfläche des Tropfens (B), wird von ihr reflektiert und verlässt den Tropfen nach außen (C). Dabei wird der Lichtstrahl, bevor er den Betrachter erreicht, ein zweites Mal gebrochen. Der ursprünglich weiße Strahl wird in verschiedenfarbige Strahlen mit einem Divergenzwinkel von 2° zerlegt. Bei der Bildung eines sekundären Regenbogens kommt es zu Doppelbrechung und Doppelreflexion der Sonnenstrahlen (siehe Abb. 6). In diesem Fall wird das Licht gebrochen, dringt durch seinen unteren Teil (A) in das Innere des Tropfens ein und wird von der inneren Oberfläche des Tropfens zuerst am Punkt B und dann am Punkt C reflektiert. Am Punkt D wird das Licht gebrochen, Verlassen des Tropfens in Richtung des Beobachters.

Bei Sonnenauf- und -untergang sieht der Beobachter den Regenbogen in Form eines halbkreisförmigen Bogens, da die Achse des Regenbogens parallel zum Horizont verläuft. Steht die Sonne höher über dem Horizont, ist der Bogen des Regenbogens kleiner als ein Halbkreis. Wenn die Sonne über 42° über dem Horizont aufgeht, verschwindet der Regenbogen. Überall, außer in hohen Breiten, kann kein Regenbogen mittags erscheinen, wenn die Sonne zu hoch steht. Es ist interessant, die Entfernung zum Regenbogen abzuschätzen. Obwohl es scheint, dass sich der mehrfarbige Bogen in derselben Ebene befindet, ist dies eine Illusion. Tatsächlich hat der Regenbogen eine große Tiefe und kann als Oberfläche eines Hohlkegels dargestellt werden, an dessen Spitze sich der Beobachter befindet. Die Achse des Kegels verbindet die Sonne, den Beobachter und das Zentrum des Regenbogens. Der Betrachter schaut gleichsam an der Oberfläche dieses Kegels entlang. Zwei Menschen können nie genau denselben Regenbogen sehen. Natürlich kann man im Allgemeinen den gleichen Effekt beobachten, aber die beiden Regenbögen befinden sich an unterschiedlichen Positionen und werden von unterschiedlichen Wassertropfen gebildet. Wenn Regen oder Nebel einen Regenbogen bilden, wird die volle optische Wirkung durch die kombinierte Wirkung aller Wassertropfen erzielt, die die Oberfläche des Kegels des Regenbogens mit dem Betrachter an der Spitze überqueren. Die Rolle jedes Tropfens ist flüchtig. Die Oberfläche des Regenbogenkegels besteht aus mehreren Schichten. Jeder Tropfen, der sie schnell überquert und eine Reihe kritischer Punkte passiert, zerlegt den Sonnenstrahl sofort in das gesamte Spektrum in einer genau definierten Reihenfolge - von Rot bis Violett. Viele Tropfen überqueren die Oberfläche des Kegels auf die gleiche Weise, so dass der Regenbogen für den Beobachter sowohl entlang als auch quer zu seinem Bogen als kontinuierlich erscheint. Halo - weiße oder schillernde Lichtbögen und Kreise um die Scheibe der Sonne oder des Mondes. Sie entstehen durch Brechung oder Reflexion von Licht durch Eis- oder Schneekristalle in der Atmosphäre. Die Kristalle, die den Halo bilden, befinden sich auf der Oberfläche eines imaginären Kegels, dessen Achse vom Beobachter (von der Spitze des Kegels) zur Sonne gerichtet ist. Unter bestimmten Bedingungen ist die Atmosphäre mit kleinen Kristallen gesättigt, von denen viele einen rechten Winkel mit der Ebene bilden, die durch die Sonne, den Beobachter und diese Kristalle verläuft. Solche Facetten reflektieren die einfallenden Lichtstrahlen mit einer Abweichung von 22° und bilden einen Halo, der innen rötlich ist, aber auch aus allen Farben des Spektrums bestehen kann. Weniger verbreitet ist ein Halo mit einem Winkelradius von 46°, der sich konzentrisch um einen 22-Grad-Halo befindet. Seine Innenseite ist ebenfalls rötlich gefärbt. Grund dafür ist auch die Lichtbrechung, die in diesem Fall an den rechten Winkel bildenden Kristallflächen auftritt. Die Ringbreite eines solchen Halo übersteigt 2,5°. Sowohl 46-Grad- als auch 22-Grad-Halos neigen dazu, am oberen und unteren Rand des Rings am hellsten zu sein. Der seltene 90-Grad-Halo ist ein schwach leuchtender, fast farbloser Ring, der mit den anderen beiden Halos ein gemeinsames Zentrum hat. Wenn es gefärbt ist, hat es eine rote Farbe auf der Außenseite des Rings. Der Mechanismus des Auftretens dieses Halo-Typs ist noch nicht vollständig aufgeklärt (Abb. 7).

Parhelia und Bögen. Nebensonnenkreis (oder Kreis falscher Sonnen) - ein weißer Ring, der am Zenitpunkt zentriert ist und parallel zum Horizont durch die Sonne verläuft. Der Grund für seine Entstehung ist die Reflexion des Sonnenlichts an den Rändern der Oberflächen von Eiskristallen. Sind die Kristalle ausreichend gleichmäßig in der Luft verteilt, wird ein Vollkreis sichtbar. Nebensonnen oder falsche Sonnen sind hell leuchtende Punkte, die der Sonne ähneln und sich an den Schnittpunkten des Nebensonnenkreises mit dem Halo bilden und Winkelradien von 22°, 46° und 90° haben. Die häufigste und hellste Nebenshelion bildet sich am Schnittpunkt mit einem 22-Grad-Halo, der normalerweise in fast allen Farben des Regenbogens gefärbt ist. Falsche Sonnen an Schnittpunkten mit 46- und 90-Grad-Halos werden viel seltener beobachtet. Nebensonnen, die an Schnittpunkten mit 90-Grad-Halos auftreten, werden als Nebensonnen oder falsche Gegensonnen bezeichnet. Manchmal ist auch ein Antelium (Gegensonne) sichtbar - ein heller Fleck, der sich auf dem Nebensonnenring genau gegenüber der Sonne befindet. Es wird angenommen, dass die Ursache dieses Phänomens die doppelte interne Reflexion des Sonnenlichts ist. Der reflektierte Strahl folgt dem gleichen Weg wie der einfallende Strahl, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Der Zirkumzenitalbogen, manchmal fälschlicherweise als oberer Tangentenbogen des 46-Grad-Halo bezeichnet, ist ein Bogen von 90° oder weniger, der auf dem Zenitpunkt zentriert ist und ungefähr 46° über der Sonne liegt. Es ist selten und nur wenige Minuten sichtbar, hat helle Farben und die rote Farbe ist auf die Außenseite des Bogens beschränkt. Der Zirkumzenitalbogen zeichnet sich durch seine Färbung, Helligkeit und klaren Umrisse aus. Ein weiterer merkwürdiger und sehr seltener optischer Effekt vom Halo-Typ ist der Lovitz-Bogen. Sie entstehen als Fortsetzung der Nebenhelia am Schnittpunkt mit dem 22-Grad-Halo, gehen von der Außenseite des Halo aus und sind zur Sonne hin leicht konkav. Säulen aus weißlichem Licht sowie verschiedene Kreuze sind manchmal in der Morgen- oder Abenddämmerung zu sehen, insbesondere in den Polarregionen, und können sowohl die Sonne als auch den Mond begleiten. Manchmal werden Mondhalos und andere Effekte ähnlich den oben beschriebenen beobachtet, wobei der häufigste Mondhalo (Ring um den Mond) einen Winkelradius von 22° hat. Wie falsche Sonnen können auch falsche Monde entstehen. Kronen oder Kronen sind kleine konzentrische farbige Ringe um die Sonne, den Mond oder andere helle Objekte, die von Zeit zu Zeit beobachtet werden, wenn sich die Lichtquelle hinter durchscheinenden Wolken befindet. Der Koronaradius ist kleiner als der Haloradius und beträgt ca. 1-5°, der blaue oder violette Ring ist der Sonne am nächsten. Eine Korona entsteht, wenn Licht von kleinen Wassertröpfchen gestreut wird, die eine Wolke bilden. Manchmal sieht die Krone wie ein leuchtender Fleck (oder Heiligenschein) aus, der die Sonne (oder den Mond) umgibt, der mit einem rötlichen Ring endet. In anderen Fällen sind mindestens zwei konzentrische Ringe mit größerem Durchmesser, sehr schwach gefärbt, außerhalb des Halo sichtbar. Dieses Phänomen wird von schillernden Wolken begleitet. Manchmal sind die Ränder sehr hoher Wolken in leuchtenden Farben gemalt.
Gloria (Heiligenschein). Unter besonderen Bedingungen treten ungewöhnliche atmosphärische Phänomene auf. Wenn sich die Sonne hinter dem Beobachter befindet und ihr Schatten auf nahegelegene Wolken oder einen Nebelvorhang projiziert wird, können Sie unter einem bestimmten Zustand der Atmosphäre um den Schatten des Kopfes einer Person einen farbigen leuchtenden Kreis sehen - einen Heiligenschein. Normalerweise entsteht ein solcher Halo durch die Reflexion von Licht durch Tautropfen auf einem grasbewachsenen Rasen. Glorias sind auch recht häufig um den Schatten herum zu finden, den das Flugzeug auf die darunter liegenden Wolken wirft.
Gespenster vom Brocken. Wenn in einigen Regionen der Erde der Schatten eines Betrachters auf einem Hügel bei Sonnenauf- oder -untergang auf nahe Wolken hinter ihm fällt, zeigt sich ein verblüffender Effekt: Der Schatten nimmt kolossale Ausmaße an. Dies liegt an der Reflexion und Brechung des Lichts durch kleinste Wassertröpfchen im Nebel. Das beschriebene Phänomen wird nach dem Gipfel im Harz in Deutschland als „Gespenst vom Brocken“ bezeichnet.
Luftspiegelungen- ein optischer Effekt aufgrund der Lichtbrechung beim Durchgang durch Luftschichten unterschiedlicher Dichte und äußert sich in der Erscheinung eines virtuellen Bildes. In diesem Fall können entfernte Objekte relativ zu ihrer tatsächlichen Position angehoben oder abgesenkt werden, können auch verzerrt sein und unregelmäßige, fantastische Formen annehmen. Luftspiegelungen werden oft in heißen Klimazonen beobachtet, beispielsweise über sandigen Ebenen. Minderwertige Luftspiegelungen sind üblich, wenn die entfernte, fast flache Wüstenoberfläche das Aussehen von offenem Wasser annimmt, insbesondere wenn sie von einer leichten Erhöhung oder einfach über einer Schicht erhitzter Luft betrachtet wird. Eine ähnliche Illusion tritt normalerweise auf einer beheizten asphaltierten Straße auf, die weit voraus wie eine Wasseroberfläche aussieht. In Wirklichkeit ist diese Oberfläche ein Spiegelbild des Himmels. Unterhalb der Augenhöhe können in diesem "Wasser" Gegenstände erscheinen, die normalerweise auf dem Kopf stehen. Über der erhitzten Landoberfläche bildet sich ein „Luftblasenkuchen“, und die der Erde am nächsten liegende Schicht ist am stärksten erhitzt und so verdünnt, dass durch sie hindurchtretende Lichtwellen verzerrt werden, da ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit je nach Dichte des Mediums variiert. Überlegene Luftspiegelungen sind weniger verbreitet und landschaftlich reizvoller als minderwertige Luftspiegelungen. Entfernte Objekte (häufig unterhalb des Meereshorizonts) erscheinen verkehrt herum am Himmel, und manchmal erscheint auch ein direktes Bild desselben Objekts darüber. Dieses Phänomen ist typisch für kalte Regionen, insbesondere wenn es zu einer starken Temperaturinversion kommt, wenn sich eine wärmere Luftschicht über der kälteren Schicht befindet. Dieser optische Effekt manifestiert sich als Ergebnis komplexer Ausbreitungsmuster der Front von Lichtwellen in Luftschichten mit ungleichmäßiger Dichte. Vor allem in den Polarregionen treten von Zeit zu Zeit sehr ungewöhnliche Luftspiegelungen auf. Wenn Luftspiegelungen an Land auftreten, stehen Bäume und andere Landschaftsbestandteile auf dem Kopf. In allen Fällen sind Objekte in den oberen Luftspiegelungen deutlicher sichtbar als in den unteren. Wenn die Grenze zweier Luftmassen eine vertikale Ebene ist, werden manchmal seitliche Luftspiegelungen beobachtet.
Das Feuer von St. Elmo. Einige optische Phänomene in der Atmosphäre (z. B. Glühen und das häufigste meteorologische Phänomen – Blitze) sind elektrischer Natur. Viel seltener sind die Feuer von St. Elmo - leuchtende blassblaue oder violette Bürsten von 30 cm bis 1 m oder mehr Länge, normalerweise auf den Mastspitzen oder den Enden der Werften von Schiffen auf See. Manchmal scheint es, dass die gesamte Takelage des Schiffes mit Phosphor bedeckt ist und leuchtet. Elmos Feuer erscheinen manchmal auf Berggipfeln sowie auf Türmen und scharfen Ecken von hohen Gebäuden. Dieses Phänomen sind elektrische Bürstenentladungen an den Enden elektrischer Leiter, wenn die elektrische Feldstärke in der Atmosphäre um sie herum stark erhöht ist. Irrlichter sind ein schwaches bläuliches oder grünliches Leuchten, das manchmal in Sümpfen, Friedhöfen und Krypten zu sehen ist. Sie erscheinen oft als ruhig brennende, nicht erhitzende Kerzenflamme, die etwa 30 cm über dem Boden angehoben wird und für einen Moment über dem Objekt schwebt. Das Licht scheint völlig schwer fassbar zu sein, und wenn sich der Betrachter nähert, scheint es sich an einen anderen Ort zu bewegen. Ursache für dieses Phänomen ist die Zersetzung organischer Reststoffe und die Selbstentzündung von Sumpfgas Methan (CH4) oder Phosphin (PH3). Wanderlichter haben eine andere Form, manchmal sogar kugelförmig. Grüner Strahl - ein Blitz aus smaragdgrünem Sonnenlicht in dem Moment, in dem der letzte Sonnenstrahl unter dem Horizont verschwindet. Der rote Anteil des Sonnenlichts verschwindet zuerst, alle anderen folgen der Reihe nach und das Smaragdgrün bleibt zuletzt. Dieses Phänomen tritt nur auf, wenn nur der äußerste Rand der Sonnenscheibe über dem Horizont bleibt, sonst gibt es eine Farbmischung. Dämmerungsstrahlen sind divergierende Sonnenstrahlen, die sichtbar werden, wenn sie Staub in der hohen Atmosphäre beleuchten. Schatten aus den Wolken bilden dunkle Bänder, und Strahlen breiten sich zwischen ihnen aus. Dieser Effekt tritt auf, wenn die Sonne vor Sonnenaufgang oder nach Sonnenuntergang tief am Horizont steht.

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